Визначення ентальпій за допомогою Cobra SMARTsense

Ентальпія гідратації або змішування стосується основоположних термодинамічних процесів під час поєднання різних речовин і має особливе значення для розуміння процесів розчинення чи змішування.

Ентальпія (позначення H, одиниця Дж) - це розрахункова величина, яку не можна виміряти безпосередньо; її визначають із двох різних станів. У старіших працях ентальпію описують як кількість теплоти, віддану чи поглинуту хімічним / фізичним процесом.

Якщо процес проводять за ізобарних умов (без зміни тиску), зміна ентальпії H відповідає також зміні теплового вмісту Q, тобто відданій чи поглинутій теплоті. У формульному записі: =

Схема досліду

Досліди PHYWE з вимірювання ентальпії

Легенда - вжиті позначення

Фізичні та хімічні величини, вживані в цій інструкції

• = зміна ентальпії
• = зміна внутрішньої енергії
• = P · U · = підведена електрична енергія
• = тепловий ефект перетворення
• = тепловий ефект від підведення електричної енергії
• різниця температур під час перетворення
• різниця температур від підведення електричної енергії

Теорія (1/5) - ентальпія плавлення& нейтралізації

Ентальпія плавлення твердих речовин

Під час плавлення твердого тіла потрібна енергія на руйнування кристалічної ґратки. Речовину, температура плавлення якої трохи нижча за кімнатну, спершу охолоджують до затвердіння, а потім розплавляють у калориметрі нагріванням. Ентальпію плавлення обчислюють зі зниження температури внаслідок плавлення, яке вимірюють у калориметрі.

Ентальпія нейтралізації в реакції «кислота - основа»

Під час нейтралізації сильної кислоти сильною основою в розведеному розчині завжди виділяється певна кількість теплоти. Якщо реакція відбувається за ізобарних умов, цю теплоту називають ентальпією нейтралізації. Хімічна реакція, у якій утворюється теплота, - це реакція протонів із гідроксид-іонами з утворенням недисоційованої води.

Теорія (2/5) - ентальпія змішування & гідратації

Ентальпія змішування двох рідин

Під час змішування двох взаємно розчинних рідин виникає додатний або від'ємний тепловий ефект, зумовлений взаємодіями між обома рідинами. Тому це виділення теплоти залежить і від співвідношення компонентів суміші. Ентальпію можна визначити калориметричними вимірюваннями теплоти реакції в калориметрі.

Ентальпія гідратації твердої речовини

Коли (йонна) тверда речовина розчиняється у воді, унаслідок руйнування кристала виникає додатний або від'ємний тепловий ефект. Ґратка руйнується, і далі утворюються гідратовані йони. З різних теплот (під час розчинення твердої речовини) можна визначити ентальпію гідратації. Для цього вимірюють теплоту реакції, коли безводний і гідратований купрум(II) сульфат розчиняють у воді окремо.

Теорія (3/5) - фізичні основи

Фізико-хімічні основи

Ентальпія H визначається як внутрішня енергія U плюс добуток тиску p і об'єму V замкненої однорідної системи. Зміна ентальпії відповідно:

• = + p · + V ·

Ентальпія як функція стану не залежить від шляху. Аналогічно до першого начала термодинаміки справджується: зміна внутрішньої енергії закритої системи дорівнює сумі зміни теплоти та зміни роботи.

Ентальпія - це розрахункова величина, яку не можна виміряти безпосередньо; її визначають із двох різних станів. Це пояснює й різницю між температурою і теплотою. Як і ентальпія, температура є величиною стану й описує тим самим стан. Теплота - це різниця між двома температурними станами, тож вона описує зміну стану і вживається у фізиці / хімії для опису процесу.

Теорія (4/5) - фізичні основи (2/2)

У принципі кожна хімічна реакція характеризується виділенням або поглинанням теплоти. Цей тепловий ефект виникає через впливи дисоціації, гідратації та асоціації молекул.

Щоб можна було визначити зміну ентальпії системи, спершу треба визначити саму систему. Це роблять, вносячи певну кількість теплоти Q в наповнений калориметр за допомогою електричного нагрівання. Електрична енергія, перетворена на теплоту, спричиняє підвищення температури. Звідси теплоємність системи можна обчислити за таким рівнянням

= = P · U ·

Теорія (5/5) - ізобарні процеси

Як згадано у вступі, у старіших працях ентальпію описують як кількість теплоти, віддану чи поглинуту хімічним / фізичним процесом. Ентальпія системи - це сума внутрішньої енергії та добутку тиску й об'єму (це випливає з начал термодинаміки). Кожна хімічна система може виконувати як теплообмін, так і роботу (роботу «тиск - об'єм»).

Ентальпія в ізобарних процесах

Особливо наочного змісту ентальпія набуває у випадку процесу, що відбувається за сталого тиску (тобто ізобарно).

=

Виведення цієї формули ви знайдете в опрацюванні результатів

Обладнання - вимірювальне програмне забезпечення

Для вимірювання потужності та температури потрібні Cobra SMARTsense і measureAPP. Застосунок можна безкоштовно завантажити в App Store. Крім того, на кожному пристрої (планшеті, смартфоні) мають бути ввімкнені Bluetooth і геолокація.

1. Зачекайте, доки встановиться теплова рівновага (прибл. 10 хв). Почніть вимірювання натисканням на панелі інструментів. Зачекайте 3–4 хвилини, а потім додайте до води досліджувану речовину (через насаджену в отвір кришки лійку для порошків або за допомогою піпетки Мора).
2. Вимірюйте далі, доки не встановиться нова рівновага. Для цього подайте на SMARTSense High Current 10 В постійного струму, 2 А для електричного нагрівання. Тепер систему безперервно нагрівають і вимірюють підведену кількість енергії. Коли передано прибл. 4000 Вт·с (тобто температура зросла щонайменше на 1 °C), вимкніть нагрівання. Вимірюйте ще три хвилини, а потім зупиніть запис температури натисканням на панелі інструментів.
3. Повторіть дослід. Для кожної реакції слід виконати щонайменше два вимірювання, щоб уникнути похибок і обчислити середнє значення.

Опрацювання результатів

Опрацювання результатів

Кількість теплоти, підведена електричною енергією, визначається так:

• = = P · U ·

Кількість теплоти, перетворена під час перетворення, визначається так:

де

• різниця температур під час перетворення
• різниця температур від підведення електричної енергії

Опрацювання результатів

Ентальпія гідратації

Ентальпія гідратації вивільняється, коли розчиняється йонний кристал. З іншого боку, енергія й витрачається - на руйнування кристалічної ґратки. Ця витрачена енергія дорівнює енергії ґратки солі. Енергія ґратки та ентальпія гідратації визначають ентальпію розчинення, тобто якісно те, чи процес розчинення загалом екзотермічний, чи ендотермічний.

Якщо модуль енергії ґратки більший за модуль ентальпії гідратації, процес розчинення споживає енергію. Якщо ж ентальпія гідратації більша за енергію ґратки, процес розчинення екзотермічний і розчин нагрівається.

Опрацювання результатів

Опрацювання результатів

Ентальпія змішування

Спостережувана зміна ентальпії під час змішування двох рідин - це сума змін ентальпії, які відбуваються під час змішування. На ентальпію змішування впливають взаємодії залучених молекул, які, своєю чергою, є функцією співвідношення компонентів суміші. Ентальпія змішування дорівнює нулю, якщо взаємодій між молекулами немає (так звані ідеальні суміші).

Взаємодії між двома рідинами можуть спричиняти ендотермічні ефекти (зменшення надмолекулярних скупчень) або екзотермічні ефекти (утворення надмолекулярних скупчень різних молекул). Кількість теплоти, якою обмінюються при змішуванні x моль компонента A з y моль компонента B, називають інтегральною ентальпією змішування.

Опрацювання результатів

Ентальпія під час фазових переходів

Зміни фаз речовин пов'язані зі змінами енергії. Фазовий перехід із твердого стану в рідкий називають плавленням. За ізобарних умов фазовий перехід чистої речовини відбувається за сталої температури.

Тому температури фазових переходів (температура плавлення, температура кипіння) можна брати як сталі речовини для її характеристики. Якщо, наприклад, тверді (заморожені) діоксан нагрівати підведеною енергією, його температура зростає, доки не буде досягнуто температури фазового перетворення (температури плавлення). Під час плавлення твердий і рідкий діоксан співіснують.

Проте доки наявні обидві фази й підводиться теплота, це не веде до дальшого підвищення температури (прихована теплота), бо ця енергія потрібна для фазового перетворення. Лише коли плавлення завершилося, температура системи знову зростає.

Опрацювання результатів

Ентальпія нейтралізації в реакції «кислота - основа»

Під час нейтралізації сильної кислоти сильною основою в розведеному розчині завжди виділяється певна кількість теплоти. Якщо реакція відбувається за ізобарних умов, цю теплоту називають ентальпією нейтралізації. Хімічна реакція, у якій утворюється теплота, - це реакція протонів із гідроксид-іонами з утворенням недисоційованої води.

Значення ентальпії нейтралізації для реакції сильних кислот із сильними основами не залежить від того, яку саме сильну кислоту чи основу взято, бо теплота реакції утворюється завдяки реакції гідрогену з гідроксид-іонами:

Опрацювання результатів

Зміна ентальпії в ізобарних процесах:

З начал термодинаміки випливає:

• = - p · (1)
• = + p · + V · (2)

для ізобарного процесу (без зміни тиску) з рівняння (2) випливає:

• = + p · (3)

обидва рівняння ((1) і (3)) разом:

• = - p · + p · =

Запитання про ентальпію

Запитання про ентальпію змішування

Запитання про ентальпію нейтралізації

Як можна було б теоретично визначити ентальпію нейтралізації реакції «кислота - основа»?

Запитання про ентальпію змішування