CIEPŁO ROZWIĄZANIA: SPOSÓB OBLICZANIA, ZASTOSOWANIA I ĆWICZENIA - FIZYCZNY - 2026

Ciepło roztworu lub entalpii rozwiązania jest to, że ciepło jest absorbowane lub uwalniane podczas procesu uwalniania pewnej ilości substancji rozpuszczonej w rozpuszczalniku, w warunkach stałego ciśnienia.

Kiedy zachodzi reakcja chemiczna, energia jest potrzebna zarówno do tworzenia, jak i do zrywania wiązań, które umożliwiają tworzenie nowych substancji. Energią potrzebną do zajścia tych procesów jest ciepło, a dziedziną nauki odpowiedzialną za ich badanie jest termochemia.

Źródło: Pixnio.

Jeśli chodzi o termin entalpia, jest on używany w odniesieniu do przepływu ciepła, gdy procesy chemiczne zachodzą w warunkach stałego ciśnienia. Stworzenie tego terminu przypisuje się holenderskiemu fizykowi Heike Kamerlingh Onnes (1853 - 1926), temu samemu, który odkrył nadprzewodnictwo.

Jak to jest obliczane?

Aby znaleźć entalpię, musimy zacząć od pierwszej zasady termodynamiki, która zakłada, że ​​zmiana energii wewnętrznej ΔU układu wynika z pochłoniętego ciepła Q i pracy W wykonanej na nim przez jakiś czynnik zewnętrzny:

Gdzie praca jest całką ujemną w całej objętości iloczynu ciśnienia i różnicowej zmiany objętości. Ta definicja jest równoważna ujemnej całce iloczynu skalarnego siły i wektora przemieszczenia w pracy mechanicznej:

W przypadku zastosowania warunku stałego ciśnienia wspomnianego powyżej, P może wyjść z całki; dlatego praca jest:

-Wyrażenie entalpii

Jeśli ten wynik zostanie podstawiony w Δ U, otrzymamy:

Wielkość U + PV nazywana jest entalpią H, więc:

Entalpię mierzy się w dżulach, ponieważ jest to energia.

Entalpia rozwiązania

Początkowe składniki roztworu to substancja rozpuszczona i rozpuszczalnik oraz mają oryginalną entalpię. Kiedy nastąpi to rozpuszczenie, będzie miało swoją własną entalpię.

W tym przypadku zmianę entalpii w dżulach można wyrazić jako:

Albo w standardowej formie entalpii ΔH ^o , gdzie wynik jest w dżulach / mol

Jeśli reakcja oddaje ciepło, znak ΔH jest ujemny (proces egzotermiczny), jeśli pochłania ciepło (proces endotermiczny) znak będzie dodatni. I naturalnie, wartość entalpii roztworu będzie zależeć od stężenia roztworu końcowego.

Aplikacje

Wiele związków jonowych jest rozpuszczalnych w rozpuszczalnikach polarnych, takich jak woda. W powszechnym użyciu są roztwory soli (chlorku sodu) w wodzie lub solance. Teraz entalpię rozwiązania można uznać za wkład dwóch energii:

- Jeden do zrywania wiązań substancja rozpuszczona i rozpuszczalnik-rozpuszczalnik

- Drugi to ten wymagany przy tworzeniu nowych wiązań między substancją rozpuszczoną a rozpuszczalnikiem.

W przypadku rozpuszczania soli jonowej w wodzie wymagana jest znajomość tzw. Entalpii sieciowej ciała stałego oraz entalpii hydratacji do utworzenia roztworu, w przypadku wody. Jeśli nie jest to woda, nazywa się to entalpią solwatacji.

Entalpia sieci krystalicznej jest energią niezbędną do rozpadu sieci jonowej i utworzenia jonów gazowych, co jest procesem, który jest zawsze endotermiczny, ponieważ ciało stałe musi dostarczać energię, aby rozdzielić je na jony składowe i doprowadzić je do stanu gazowego.

Z drugiej strony procesy hydratacji są zawsze egzotermiczne, ponieważ jony uwodnione są bardziej stabilne niż jony w stanie gazowym.

W ten sposób tworzenie roztworu może być egzotermiczne lub endotermiczne, w zależności od tego, czy rozpad sieci jonowej substancji rozpuszczonej wymaga więcej czy mniej energii niż zapewnia hydratacja.

Pomiary kalorymetrem

W praktyce możliwy jest pomiar ΔH za pomocą kalorymetru, który w zasadzie składa się z izolowanego pojemnika wyposażonego w termometr i mieszadełko.

Jeśli chodzi o pojemnik, to prawie zawsze wlewa się do niego wodę, która jest cieczą kalorymetryczną par excellence, ponieważ jej właściwości są uniwersalnym odniesieniem dla wszystkich cieczy.

Stary kalorymetr używany przez Lavoisiera. Źródło: Gustavocarra.

Oczywiście materiały kalorymetru oprócz wody biorą również udział w wymianie ciepła. Ale pojemność cieplną całego zespołu, zwaną stałą kalorymetru, można wyznaczyć niezależnie od reakcji, a następnie uwzględnić, gdy zachodzi.

Bilans energetyczny jest następujący, pamiętając o warunku, że nie ma wycieków energii w systemie:

- Powstaje woda w stanie ciekłym:

½ O ₂ + ½ H ₂ → H ₂ O _ciecz ; Δ H ^o = -285,9 kJ / mol

- Teraz musisz uformować rozwiązanie:

_Stały K + H ₂ O → H ₂ + _wodny KOH ; Δ H ^o = -2011 kJ / mol

Zauważ, że znak entalpii rozpadu KOH został odwrócony, co wynika z prawa Hessa: kiedy reagenty są przekształcane w produkty, zmiana entalpii nie zależy od wykonywanych kroków i kiedy należy odwrócić równanie , tak jak w tym przypadku, znak zmian entalpii.

Bilans energetyczny to algebraiczna suma entalpii:

-Ćwiczenie 2

Entalpię roztworu dla następnej reakcji określa się w kalorymetrze stałociśnieniowym, a stała kalorymetru jest znana jako 342,5 J / K. Gdy 1,423 g siarczanu sodu Na ₂ SO _{4 zostanie} rozpuszczone w 100,34 g wody, zmiana temperatury wynosi 0,037 K. Na podstawie tych danych obliczyć standardową entalpię roztworu dla Na ₂ SO ₄ .

Rozwiązanie

Standardową entalpię rozwiązania rozwiązuje się z równania podanego powyżej:

Siarczan sodu: M _s = 142,04 g / mol; m _s = 1,423 g

A dla wody: m _woda = 100,34 g; M _woda = 18,02 g / mol; _Woda C _{; m} = 75,291 J / K mol

Δ T = 0,037 K.

_Kalorymetr C = 342,5 J / K

Bibliografia

1. Cengel, rok 2012. Termodynamika. 7th Ed. Mc.Graw Hill. 782 - 790
2. Engel, T. 2007. Wprowadzenie do fizykochemii: termodynamika. Edukacja Pearson. 63-78.
3. Giancoli, D. 2006. Fizyka: Zasady z zastosowaniami. 6th .. Ed Prentice Hall. 384-391.
4. Maron, S. 2002. Fundamentals of Physicochemistry. Limusa. 152-155 ° C.
5. Serway, R., Jewett, J. (2008). Fizyka dla nauki i inżynierii. Tom 1. 7th. Ed. Cengage Learning. 553-567.