5.2: Nhiệt lượng
- Page ID
- 217775
\( \newcommand{\vecs}[1]{\overset { \scriptstyle \rightharpoonup} {\mathbf{#1}} } \)
\( \newcommand{\vecd}[1]{\overset{-\!-\!\rightharpoonup}{\vphantom{a}\smash {#1}}} \)
\( \newcommand{\dsum}{\displaystyle\sum\limits} \)
\( \newcommand{\dint}{\displaystyle\int\limits} \)
\( \newcommand{\dlim}{\displaystyle\lim\limits} \)
\( \newcommand{\id}{\mathrm{id}}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\)
( \newcommand{\kernel}{\mathrm{null}\,}\) \( \newcommand{\range}{\mathrm{range}\,}\)
\( \newcommand{\RealPart}{\mathrm{Re}}\) \( \newcommand{\ImaginaryPart}{\mathrm{Im}}\)
\( \newcommand{\Argument}{\mathrm{Arg}}\) \( \newcommand{\norm}[1]{\| #1 \|}\)
\( \newcommand{\inner}[2]{\langle #1, #2 \rangle}\)
\( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\)
\( \newcommand{\id}{\mathrm{id}}\)
\( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\)
\( \newcommand{\kernel}{\mathrm{null}\,}\)
\( \newcommand{\range}{\mathrm{range}\,}\)
\( \newcommand{\RealPart}{\mathrm{Re}}\)
\( \newcommand{\ImaginaryPart}{\mathrm{Im}}\)
\( \newcommand{\Argument}{\mathrm{Arg}}\)
\( \newcommand{\norm}[1]{\| #1 \|}\)
\( \newcommand{\inner}[2]{\langle #1, #2 \rangle}\)
\( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \( \newcommand{\AA}{\unicode[.8,0]{x212B}}\)
\( \newcommand{\vectorA}[1]{\vec{#1}} % arrow\)
\( \newcommand{\vectorAt}[1]{\vec{\text{#1}}} % arrow\)
\( \newcommand{\vectorB}[1]{\overset { \scriptstyle \rightharpoonup} {\mathbf{#1}} } \)
\( \newcommand{\vectorC}[1]{\textbf{#1}} \)
\( \newcommand{\vectorD}[1]{\overrightarrow{#1}} \)
\( \newcommand{\vectorDt}[1]{\overrightarrow{\text{#1}}} \)
\( \newcommand{\vectE}[1]{\overset{-\!-\!\rightharpoonup}{\vphantom{a}\smash{\mathbf {#1}}}} \)
\( \newcommand{\vecs}[1]{\overset { \scriptstyle \rightharpoonup} {\mathbf{#1}} } \)
\(\newcommand{\longvect}{\overrightarrow}\)
\( \newcommand{\vecd}[1]{\overset{-\!-\!\rightharpoonup}{\vphantom{a}\smash {#1}}} \)
\(\newcommand{\avec}{\mathbf a}\) \(\newcommand{\bvec}{\mathbf b}\) \(\newcommand{\cvec}{\mathbf c}\) \(\newcommand{\dvec}{\mathbf d}\) \(\newcommand{\dtil}{\widetilde{\mathbf d}}\) \(\newcommand{\evec}{\mathbf e}\) \(\newcommand{\fvec}{\mathbf f}\) \(\newcommand{\nvec}{\mathbf n}\) \(\newcommand{\pvec}{\mathbf p}\) \(\newcommand{\qvec}{\mathbf q}\) \(\newcommand{\svec}{\mathbf s}\) \(\newcommand{\tvec}{\mathbf t}\) \(\newcommand{\uvec}{\mathbf u}\) \(\newcommand{\vvec}{\mathbf v}\) \(\newcommand{\wvec}{\mathbf w}\) \(\newcommand{\xvec}{\mathbf x}\) \(\newcommand{\yvec}{\mathbf y}\) \(\newcommand{\zvec}{\mathbf z}\) \(\newcommand{\rvec}{\mathbf r}\) \(\newcommand{\mvec}{\mathbf m}\) \(\newcommand{\zerovec}{\mathbf 0}\) \(\newcommand{\onevec}{\mathbf 1}\) \(\newcommand{\real}{\mathbb R}\) \(\newcommand{\twovec}[2]{\left[\begin{array}{r}#1 \\ #2 \end{array}\right]}\) \(\newcommand{\ctwovec}[2]{\left[\begin{array}{c}#1 \\ #2 \end{array}\right]}\) \(\newcommand{\threevec}[3]{\left[\begin{array}{r}#1 \\ #2 \\ #3 \end{array}\right]}\) \(\newcommand{\cthreevec}[3]{\left[\begin{array}{c}#1 \\ #2 \\ #3 \end{array}\right]}\) \(\newcommand{\fourvec}[4]{\left[\begin{array}{r}#1 \\ #2 \\ #3 \\ #4 \end{array}\right]}\) \(\newcommand{\cfourvec}[4]{\left[\begin{array}{c}#1 \\ #2 \\ #3 \\ #4 \end{array}\right]}\) \(\newcommand{\fivevec}[5]{\left[\begin{array}{r}#1 \\ #2 \\ #3 \\ #4 \\ #5 \\ \end{array}\right]}\) \(\newcommand{\cfivevec}[5]{\left[\begin{array}{c}#1 \\ #2 \\ #3 \\ #4 \\ #5 \\ \end{array}\right]}\) \(\newcommand{\mattwo}[4]{\left[\begin{array}{rr}#1 \amp #2 \\ #3 \amp #4 \\ \end{array}\right]}\) \(\newcommand{\laspan}[1]{\text{Span}\{#1\}}\) \(\newcommand{\bcal}{\cal B}\) \(\newcommand{\ccal}{\cal C}\) \(\newcommand{\scal}{\cal S}\) \(\newcommand{\wcal}{\cal W}\) \(\newcommand{\ecal}{\cal E}\) \(\newcommand{\coords}[2]{\left\{#1\right\}_{#2}}\) \(\newcommand{\gray}[1]{\color{gray}{#1}}\) \(\newcommand{\lgray}[1]{\color{lightgray}{#1}}\) \(\newcommand{\rank}{\operatorname{rank}}\) \(\newcommand{\row}{\text{Row}}\) \(\newcommand{\col}{\text{Col}}\) \(\renewcommand{\row}{\text{Row}}\) \(\newcommand{\nul}{\text{Nul}}\) \(\newcommand{\var}{\text{Var}}\) \(\newcommand{\corr}{\text{corr}}\) \(\newcommand{\len}[1]{\left|#1\right|}\) \(\newcommand{\bbar}{\overline{\bvec}}\) \(\newcommand{\bhat}{\widehat{\bvec}}\) \(\newcommand{\bperp}{\bvec^\perp}\) \(\newcommand{\xhat}{\widehat{\xvec}}\) \(\newcommand{\vhat}{\widehat{\vvec}}\) \(\newcommand{\uhat}{\widehat{\uvec}}\) \(\newcommand{\what}{\widehat{\wvec}}\) \(\newcommand{\Sighat}{\widehat{\Sigma}}\) \(\newcommand{\lt}{<}\) \(\newcommand{\gt}{>}\) \(\newcommand{\amp}{&}\) \(\definecolor{fillinmathshade}{gray}{0.9}\)Đến cuối phần này, bạn sẽ có thể:
- Giải thích kỹ thuật đo nhiệt lượng
- Tính toán và giải thích nhiệt và các đặc tính liên quan bằng cách sử dụng dữ liệu nhiệt lượng điển hình
Một kỹ thuật chúng ta có thể sử dụng để đo lượng nhiệt liên quan đến một quá trình hóa học hoặc vật lý được gọi là nhiệt lượng. Nhiệt lượng được sử dụng để đo lượng nhiệt truyền đến hoặc từ một chất. Để làm như vậy, nhiệt được trao đổi với một vật hiệu chuẩn (nhiệt lượng kế). Sự thay đổi nhiệt độ được đo bằng nhiệt lượng kế được sử dụng để lấy lượng nhiệt được truyền bởi quá trình nghiên cứu. Việc đo truyền nhiệt bằng cách sử dụng phương pháp này đòi hỏi định nghĩa của một hệ thống (chất hoặc các chất trải qua sự thay đổi hóa học hoặc vật lý) và môi trường xung quanh nó (tất cả các vật chất khác, bao gồm các thành phần của thiết bị đo lường, phục vụ để cung cấp nhiệt cho hệ thống hoặc hấp thụ nhiệt từ hệ thống).
Nhiệt lượng kế là một thiết bị được sử dụng để đo lượng nhiệt liên quan đến một quá trình hóa học hoặc vật lý. Ví dụ, khi phản ứng tỏa nhiệt xảy ra trong dung dịch trong nhiệt lượng kế, nhiệt lượng do phản ứng tạo ra sẽ bị dung dịch hấp thụ, làm tăng nhiệt độ của nó. Khi phản ứng thu nhiệt xảy ra, nhiệt lượng cần thiết được hấp thụ từ nhiệt năng của dung dịch, làm giảm nhiệt độ của nó (Hình\(\PageIndex{1}\)). Sự thay đổi nhiệt độ, cùng với nhiệt lượng riêng và khối lượng của dung dịch, sau đó có thể được sử dụng để tính lượng nhiệt liên quan trong cả hai trường hợp.
Các phép đo nhiệt lượng rất quan trọng trong việc hiểu được nhiệt truyền trong các phản ứng liên quan đến mọi thứ, từ protein cực nhỏ đến máy móc lớn. Trong thời gian làm việc tại Cục Tiêu chuẩn Quốc gia, nhà hóa học nghiên cứu Reatha Clark King đã thực hiện các thí nghiệm đo nhiệt lượng để hiểu được sự nóng lên chính xác của các hợp chất bột mì khác nhau. Công việc của cô rất quan trọng đối với NASA trong việc tìm kiếm nhiên liệu tên lửa tốt hơn.
Các nhà khoa học sử dụng nhiệt lượng kế cách nhiệt tốt để ngăn chặn sự truyền nhiệt giữa nhiệt lượng kế và môi trường của nó, điều này hạn chế hiệu quả “môi trường xung quanh” đối với các thành phần phi hệ thống với nhiệt lượng kế (và chính nhiệt lượng kế). Điều này cho phép xác định chính xác nhiệt liên quan đến các quá trình hóa học, hàm lượng năng lượng của thực phẩm, v.v. Sinh viên hóa học đại cương thường sử dụng nhiệt lượng kế đơn giản được chế tạo từ cốc polystyrene (Hình). \(\PageIndex{2}\) Những nhiệt lượng kế “tách cà phê” dễ sử dụng này cho phép trao đổi nhiệt nhiều hơn với môi trường bên ngoài, và do đó tạo ra các giá trị năng lượng kém chính xác hơn.
Nhiệt lượng kế dung dịch thương mại cũng có sẵn. Nhiệt lượng kế tương đối rẻ tiền thường bao gồm hai cốc có thành mỏng được lồng vào nhau theo cách giảm thiểu tiếp xúc nhiệt trong quá trình sử dụng, cùng với nắp cách nhiệt, máy khuấy cầm tay và nhiệt kế đơn giản. Nhiệt lượng kế đắt tiền hơn được sử dụng cho công nghiệp và nghiên cứu thường có bình phản ứng được cách nhiệt tốt, kín hoàn toàn, cơ chế khuấy động cơ và cảm biến nhiệt độ chính xác hơn (Hình). \(\PageIndex{3}\)
Trước khi thảo luận về nhiệt lượng của các phản ứng hóa học, hãy xem xét một ví dụ đơn giản hơn minh họa ý tưởng cốt lõi đằng sau phép đo nhiệt lượng. Giả sử ban đầu chúng ta có một chất có nhiệt độ cao, chẳng hạn như một miếng kim loại nóng (M) và một chất có nhiệt độ thấp, chẳng hạn như nước mát (W). Nếu chúng ta đặt kim loại trong nước, nhiệt sẽ chảy từ M đến W. Nhiệt độ của M sẽ giảm, và nhiệt độ của W sẽ tăng lên, cho đến khi hai chất có cùng nhiệt độ - tức là khi chúng đạt đến trạng thái cân bằng nhiệt (Hình). \(\PageIndex{4}\) Nếu điều này xảy ra trong nhiệt lượng kế, lý tưởng nhất là tất cả sự truyền nhiệt này xảy ra giữa hai chất, không có nhiệt lượng nào do môi trường bên ngoài của nó thu được hoặc mất đi. Trong những trường hợp lý tưởng này, sự thay đổi nhiệt ròng bằng không:
\[q_{\text {substance }} M +q_{\text {substance }} W =0 \nonumber \]
Mối quan hệ này có thể được sắp xếp lại để chỉ ra rằng nhiệt lượng mà chất thu \(M\) được bằng nhiệt lượng bị mất bởi chất\(W\):
\[q_{\text {substance M }}=-q_{\text {substance W }} \nonumber \]
Độ lớn của nhiệt (thay đổi) do đó là như nhau đối với cả hai chất, và dấu âm chỉ cho thấy điều đó \(q_{\text {substance M }}\) và \(q_{\text {substance W}}\) ngược lại theo hướng của dòng nhiệt (tăng hoặc mất) nhưng không chỉ ra dấu số học của giá trị q (được xác định bởi liệu vật chất được đề cập tăng hay mất nhiệt, theo định nghĩa). Trong tình huống cụ thể được mô tả, \(q_{\text {substance M}}\) là một giá trị âm và \(q_{\text {substance W}}\) dương, vì nhiệt được truyền từ M sang W.
Một miếng cốt thép 360,0-g (một thanh thép dùng để gia cố bê tông) được thả vào 425 mL nước ở 24,0° C. Nhiệt độ cuối cùng của nước được đo là 42,7° C. Tính nhiệt độ ban đầu của miếng cốt thép. Giả sử nhiệt dung riêng của thép xấp xỉ bằng nhiệt đối với sắt (Bảng 5.1), và tất cả sự truyền nhiệt xảy ra giữa cốt thép và nước (không có sự trao đổi nhiệt với môi trường xung quanh).
Giải pháp
Nhiệt độ của nước tăng từ 24,0 °C lên 42,7 °C, do đó nước hấp thụ nhiệt. Nhiệt đó đến từ miếng cốt thép, ban đầu ở nhiệt độ cao hơn. Giả sử rằng tất cả sự truyền nhiệt là giữa cốt thép và nước, không có nhiệt “mất” ra môi trường bên ngoài, thì nhiệt lượng tỏa ra bởi cốt thép = -nhiệt được lấy vào bởi nước, hoặc:
\[q_{\text {rebar }}=-q_{\text {water }} \nonumber \]
Vì chúng ta biết nhiệt có liên quan như thế nào với các đại lượng có thể đo được khác, chúng ta có:
\[(c \times m \times \Delta T)_{\text {rebar }}=-(c \times m \times \Delta T)_{\text {water }} \nonumber \]
Letting \(f\) = final và \(i\) = initial, ở dạng mở rộng, điều này trở thành:
\[c_{\text {rebar }} \times m_{\text {rebar }} \times\left(T_{ f , \text { rebar }}-T_{ i , \text { rebar }}\right)=-c_{\text {water }} \times m_{\text {water }} \times\left(T_{ f \text {,water }}-T_{ i , \text { water }}\right) \nonumber \]
Khối lượng riêng của nước là 1,0 g/mL, vì vậy 425 mL nước = 425 g Lưu ý rằng nhiệt độ cuối cùng của cả cốt thép và nước là 42,7° C, thay thế các giá trị đã biết sẽ mang lại:
\[\left(0.449 J / g { }^{\circ} C \right)(360.0 g )\left(42.7{ }^{\circ} C -T_{ i , \text { rebar }}\right)=-\left(4.184 J / g { }^{\circ} C \right)(425 g )\left(42.7{ }^{\circ} C -24.0^{\circ} C \right) \nonumber \]
\[T_{i, \text { rebar }}=\frac{\left(4.184 J / g^{\circ} C \right)(425 g )\left(42.7{ }^{\circ} C -24.0^{\circ} C \right)}{\left(0.449 J / g { }^{\circ} C \right)(360.0 g )}+42.7{ }^{\circ} C \nonumber \]
Giải quyết điều này cho \(T_{i, \text { rebar }}\) = 248° C, vì vậy nhiệt độ ban đầu của cốt thép là 248° C.
Một miếng đồng 248-g được thả vào 390 mL nước ở 22,6° C. Nhiệt độ cuối cùng của nước được đo là 39,9° C. Tính nhiệt độ ban đầu của miếng đồng. Giả sử rằng tất cả sự truyền nhiệt xảy ra giữa đồng và nước.
- Câu trả lời
-
Nhiệt độ ban đầu của đồng là 335,6° C.
Một miếng đồng 248-g ban đầu ở 314° C được thả vào 390 mL nước ban đầu ở 22,6° C. Giả sử rằng tất cả sự truyền nhiệt xảy ra giữa đồng và nước, hãy tính nhiệt độ cuối cùng.
- Câu trả lời
-
Nhiệt độ cuối cùng (đạt được bởi cả đồng và nước) là 38,7° C.
Phương pháp này cũng có thể được sử dụng để xác định các đại lượng khác, chẳng hạn như nhiệt dung riêng của một kim loại chưa biết.
Một miếng kim loại 59,7 g đã được ngâm trong nước sôi nhanh chóng được chuyển vào 60,0 mL nước ban đầu ở 22,0° C. Nhiệt độ cuối cùng là 28,5° C. Sử dụng những dữ liệu này để xác định nhiệt dung riêng của kim loại. Sử dụng kết quả này để xác định kim loại.
Giải pháp
Giả sử truyền nhiệt hoàn hảo, nhiệt lượng tỏa ra bởi kim loại = −nhiệt được lấy bởi nước, hoặc:
\[q_{\text {metal }}=-q_{\text {water }} \nonumber \]
Ở dạng mở rộng, đây là:
\[c_{\text {metal }} \times m_{\text {metal }} \times\left(T_{ f , \text { metal }}-T_{ i , \text { metal }}\right)=-c_{\text {water }} \times m_{\text {water }} \times\left(T_{ f \text {,water }}-T_{ i , \text { water }}\right) \nonumber \]
Lưu ý rằng vì kim loại chìm trong nước sôi, nhiệt độ ban đầu của nó là 100,0° C; và đối với nước, 60,0 mL = 60,0 g; ta có:
\[\left(c_{\text {metal }}\right)(59.7 g )\left(28.5^{\circ} C -100.0^{\circ} C \right)=-\left(4.18 J / g { }^{\circ} C \right)(60.0 g )\left(28.5^{\circ} C -22.0^{\circ} C \right) \nonumber \]
Giải quyết vấn đề này:
\[c_{\text {metal }}=\frac{-\left(4.184 J / g^{\circ} C \right)(60.0 g )\left(6.5^{\circ} C \right)}{(59.7 g )\left(-71.5^{\circ} C \right)}=0.38 J / g { }^{\circ} C \nonumber \]
So sánh điều này với các giá trị trong Bảng 5.1, nhiệt dung riêng thực nghiệm của chúng tôi gần nhất với giá trị của đồng (0,39 J/g° C), vì vậy chúng tôi xác định kim loại là đồng.
Một miếng kim loại màu bạc/xám 92,9 g được nung nóng đến 178,0° C, và sau đó nhanh chóng chuyển vào 75,0 mL nước ban đầu ở 24,0° C. Sau 5 phút, cả kim loại và nước đã đạt đến cùng nhiệt độ: 29,7° C. Xác định nhiệt dung riêng và danh tính của kim loại. (Lưu ý: Bạn nên thấy rằng nhiệt dung riêng gần với nhiệt của hai kim loại khác nhau. Giải thích cách bạn có thể tự tin xác định danh tính của kim loại).
- Câu trả lời
-
c kim loại = 0,13 J/g° C
Nhiệt dung riêng này gần bằng nhiệt của vàng hoặc chì. Sẽ rất khó để xác định kim loại nào chỉ dựa trên các giá trị số. Tuy nhiên, quan sát rằng kim loại có màu bạc/xám ngoài giá trị cho nhiệt dung riêng chỉ ra rằng kim loại là chì.
Khi chúng ta sử dụng phép đo nhiệt lượng để xác định nhiệt liên quan đến phản ứng hóa học, các nguyên tắc tương tự mà chúng ta đã thảo luận sẽ được áp dụng. Lượng nhiệt được hấp thụ bởi nhiệt lượng kế thường đủ nhỏ để chúng ta có thể bỏ qua nó (mặc dù không phải cho các phép đo có độ chính xác cao, như đã thảo luận sau), và nhiệt lượng kế giảm thiểu trao đổi năng lượng với môi trường bên ngoài. Bởi vì năng lượng không được tạo ra cũng không bị phá hủy trong một phản ứng hóa học, nhiệt sinh ra hoặc tiêu thụ trong phản ứng (“hệ thống”), \(q_ {\ text {reaction}}), cộng với nhiệt lượng được hấp thụ hoặc mất đi bởi dung dịch (“môi trường xung quanh”),\ (q_ {\ text {solution}}\), phải cộng lại bằng không:
\[q_{\text {reaction }} + q_{\text {solution }}=0 \nonumber \]
Điều này có nghĩa là lượng nhiệt sinh ra hoặc tiêu thụ trong phản ứng bằng lượng nhiệt được hấp thụ hoặc mất đi bởi dung dịch:
\[q_{\text {reaction }}=-q_{\text {solution }} \nonumber \]
Khái niệm này nằm ở trung tâm của tất cả các vấn đề và tính toán nhiệt lượng.
Khi 50,0 mL HCl 1,00 M (aq) và 50,0 mL NaOH (aq) 1,00 M, cả hai đều ở 22,0° C, được thêm vào nhiệt lượng kế cốc cà phê, nhiệt độ của hỗn hợp đạt tối đa 28,9° C. Lượng nhiệt xấp xỉ được tạo ra bởi phản ứng này là bao nhiêu?
\[\ce{HCl(aq) + NaOH(aq) -> NaCl(aq) + H2O(l)} \nonumber \]
Giải pháp
Để hình dung những gì đang xảy ra, hãy tưởng tượng rằng bạn có thể kết hợp hai dung dịch nhanh đến mức không có phản ứng nào xảy ra trong khi chúng trộn lẫn; sau đó sau khi trộn, phản ứng diễn ra. Tại thời điểm trộn, bạn có 100,0 mL hỗn hợp HCl và NaOH ở 22,0° C. HCl và NaOH sau đó phản ứng cho đến khi nhiệt độ dung dịch đạt 28,9° C.
Nhiệt lượng tỏa ra bởi phản ứng bằng nhiệt lượng mà dung dịch lấy vào. Do đó:
\[q_{\text {reaction }}=-q_{\text {solution }} \nonumber \]
(Điều quan trọng cần nhớ là mối quan hệ này chỉ giữ được nếu nhiệt lượng kế không hấp thụ bất kỳ nhiệt nào từ phản ứng và không có sự trao đổi nhiệt giữa nhiệt lượng kế và môi trường bên ngoài.)
Tiếp theo, chúng ta biết rằng nhiệt được hấp thụ bởi dung dịch phụ thuộc vào nhiệt, khối lượng và sự thay đổi nhiệt độ riêng của nó:
\[q_{\text {solution }}=(c \times m \times \Delta T)_{\text {solution }} \nonumber \]
Để tiến hành tính toán này, chúng ta cần đưa ra một vài giả định hoặc gần đúng hợp lý hơn. Vì dung dịch là dung dịch nước, chúng ta có thể tiến hành như thể nó là nước về nhiệt độ và giá trị khối lượng riêng của nó. Khối lượng riêng của nước xấp xỉ 1,0 g/mL, vì vậy 100,0 mL có khối lượng khoảng 1,0 10 2 g (hai con số có ý nghĩa). Nhiệt dung riêng của nước xấp xỉ 4,184 J/g° C, vì vậy chúng tôi sử dụng nhiệt dung riêng của dung dịch. Thay thế các giá trị này cho:
\[q_{\text {solution }}=\left(4.184 J / g^{\circ} C \right)\left(1.0 \times 10^2 g \right)\left(28.9{ }^{\circ} C -22.0^{\circ} C \right)=2.9 \times 10^3 J \nonumber \]
Cuối cùng, vì chúng ta đang cố gắng tìm nhiệt của phản ứng, chúng ta có:
\[q_{\text {reaction }}=-q_{\text {solution }}=-2.9 \times 10^3 J \nonumber \]
Dấu âm chỉ ra rằng phản ứng tỏa nhiệt. Nó tạo ra 2,9 kJ nhiệt.
Khi 100 mL NaCl 0,200 M (aq) và 100 mL 0,200 M AgNO 3 (aq), cả hai đều ở 21,9° C, được trộn trong nhiệt lượng kế cốc cà phê, nhiệt độ tăng lên 23,5° C khi AgCl rắn hình thành. Bao nhiêu nhiệt được tạo ra bởi phản ứng kết tủa này? Bạn đã đưa ra những giả định nào để xác định giá trị của mình?
- Câu trả lời
-
1,34 1,3 kJ; giả sử nhiệt lượng kế không hấp thụ nhiệt lượng kế, không có nhiệt lượng trao đổi giữa nhiệt lượng kế và môi trường xung quanh, và nhiệt lượng riêng và khối lượng của dung dịch giống như nhiệt lượng của nước
Khi làm việc hoặc chơi ngoài trời vào một ngày lạnh, bạn có thể sử dụng máy sưởi tay để làm ấm tay (Hình\(\PageIndex{5}\)). Một máy hâm nóng tay có thể tái sử dụng thông thường có chứa dung dịch siêu bão hòa \(\ce{NaC2H3O2}\) (natri axetat) và một đĩa kim loại. Bẻ cong đĩa tạo ra các vị trí tạo mầm xung quanh mà di căn \(\ce{NaC2H3O2}\) nhanh chóng kết tinh (chương sau về dung dịch sẽ nghiên cứu chi tiết hơn về độ bão hòa và siêu bão hòa).
Quá trình
\[\ce{NaC2H3O2(aq) -> NaC2H3O2(s)} \nonumber \]
tỏa nhiệt, và nhiệt được tạo ra bởi quá trình này được hấp thụ bởi bàn tay của bạn, do đó làm ấm chúng (ít nhất là trong một thời gian). Nếu máy sưởi tay được hâm nóng lại, sẽ \(\ce{NaC2H3O2}\) hòa tan và có thể được tái sử dụng.
Một máy sưởi tay thông thường khác tạo ra nhiệt khi nó bị xé toạc, để sắt và nước trong máy ấm tay tiếp xúc với oxy trong không khí. Một phiên bản đơn giản của phản ứng tỏa nhiệt này là
\[\ce{2 Fe (s) + 3/2 O2(g) -> Fe2O3(s)} \nonumber \]
Muối trong máy làm ấm tay xúc tác phản ứng, do đó nó tạo ra nhiệt nhanh hơn; cellulose, vermiculite và than hoạt tính giúp phân phối nhiệt đồng đều. Các loại máy làm ấm tay khác sử dụng chất lỏng nhẹ hơn (chất xúc tác bạch kim giúp chất lỏng nhẹ hơn oxy hóa tỏa nhiệt), than củi (than bị oxy hóa trong trường hợp đặc biệt) hoặc các đơn vị điện tạo ra nhiệt bằng cách truyền dòng điện từ pin qua dây điện trở.
Liên kết này cho thấy phản ứng kết tủa xảy ra khi đĩa trong máy làm ấm tay hóa học bị uốn cong.
Khi amoni nitrat rắn hòa tan trong nước, dung dịch trở nên lạnh. Đây là cơ sở cho một “túi nước đá tức thì” (Hình\(\PageIndex{6}\)). Khi 3,21 g chất rắn NH 4 NO 3 hòa tan trong 50,0 g nước ở 24,9 °C trong nhiệt lượng kế, nhiệt độ giảm xuống còn 20,3 °C.
Tính giá trị của q cho phản ứng này và giải thích ý nghĩa của dấu số học của nó. Nêu bất kỳ giả định nào mà bạn đã đưa ra.
Giải pháp
Chúng tôi giả định rằng nhiệt lượng kế ngăn cản sự truyền nhiệt giữa dung dịch và môi trường bên ngoài của nó (bao gồm cả nhiệt lượng kế), trong trường hợp đó:
\[q_{ rxn }=-q_{ soln } \nonumber \]
với “rxn” và “soln” được sử dụng làm tốc ký cho “phản ứng” và “giải pháp”, tương ứng.
Cũng giả sử rằng nhiệt dung riêng của dung dịch giống như nhiệt dung riêng của nước, chúng ta có:
\ [\ begin {aligned}
q_ {rxn} &=-q_ {soln} =- (c\ times m\ times\ Delta T) _ {soln}\\ [4pt]
&=-\ left [\ left (4.184 J/g {} ^ {\ circ} C\ right)\ times (53,2 g)\ times\ left (20.3 {} ^ {circ}} C -24.9 {} ^ {\ circ} C\ right]\\ [4pt]
& =-\ left [\ left (4.184 J/g {} ^ {\ circ} C\ right)\ times (53,2 g)\ times\ left (-4,6 {} ^ {\ circ} C\ right)\ right]\\ [4pt] & +1.0 lần ^ 3 J =+1,0 kJ\ end {aligned}\nsố\]
Dấu dương cho q chỉ ra rằng sự hòa tan là một quá trình thu nhiệt.
Khi một mẫu 3,00 g \(\ce{KCl}\) được thêm vào 3,00 10 2 g nước trong nhiệt lượng kế cốc cà phê, nhiệt độ giảm 1,05° C. Bao nhiêu nhiệt liên quan đến sự hòa tan của? \(\ce{KCl}\) Bạn đã đưa ra những giả định nào?
- Câu trả lời
-
1,33 kJ; giả sử rằng nhiệt lượng kế ngăn cản sự truyền nhiệt giữa dung dịch và môi trường bên ngoài của nó (bao gồm cả nhiệt lượng kế) và nhiệt dung riêng của dung dịch giống như nhiệt lượng riêng của nước
Nếu lượng nhiệt được hấp thụ bởi nhiệt lượng kế quá lớn để bỏ qua hoặc nếu chúng ta yêu cầu kết quả chính xác hơn, thì chúng ta phải tính đến nhiệt được hấp thụ bởi cả dung dịch và nhiệt lượng kế.
Nhiệt lượng kế được mô tả được thiết kế để hoạt động ở áp suất không đổi (khí quyển) và thuận tiện để đo lưu lượng nhiệt đi kèm với các quá trình xảy ra trong dung dịch. Một loại nhiệt lượng kế khác hoạt động ở thể tích không đổi, thường được gọi là nhiệt lượng kế bom, được sử dụng để đo năng lượng được tạo ra bởi các phản ứng tạo ra một lượng lớn nhiệt và các sản phẩm khí, chẳng hạn như phản ứng đốt cháy. (Thuật ngữ “bom” xuất phát từ quan sát rằng những phản ứng này có thể đủ mạnh để giống với các vụ nổ có thể làm hỏng các nhiệt lượng kế khác.) Loại nhiệt lượng kế này bao gồm một thùng chứa bằng thép chắc chắn (“quả bom”) có chứa các chất phản ứng và bản thân nó chìm trong nước (Hình). \(\PageIndex{7}\) Mẫu được đặt trong quả bom, sau đó được đổ đầy oxy ở áp suất cao. Một tia lửa điện nhỏ được sử dụng để đốt cháy mẫu. Năng lượng được tạo ra bởi phản ứng được hấp thụ bởi bom thép và nước xung quanh. Sự gia tăng nhiệt độ được đo và cùng với nhiệt dung đã biết của nhiệt lượng kế, được sử dụng để tính năng lượng do phản ứng tạo ra. Nhiệt lượng kế bom yêu cầu hiệu chuẩn để xác định công suất nhiệt của nhiệt lượng kế và đảm bảo kết quả chính xác. Việc hiệu chuẩn được thực hiện bằng cách sử dụng phản ứng với q đã biết, chẳng hạn như một lượng axit benzoic đo được đốt cháy bởi tia lửa từ dây cầu chì niken được cân trước và sau phản ứng. Sự thay đổi nhiệt độ được tạo ra bởi phản ứng đã biết được sử dụng để xác định nhiệt dung của nhiệt lượng kế. Việc hiệu chuẩn thường được thực hiện mỗi lần trước khi nhiệt lượng kế được sử dụng để thu thập dữ liệu nghiên cứu.
Nhấp vào liên kết này để xem cách một nhiệt lượng kế bom được chuẩn bị để hành động. Trang web này hiển thị các phép tính nhiệt lượng bằng cách sử dụng dữ liệu mẫu.
Khi 3,12 g glucose, C 6 H 12 O 6, được đốt cháy trong nhiệt lượng kế bom, nhiệt lượng kế tăng từ 23,8° C đến 35,6° C. Nhiệt lượng kế chứa 775 g nước và bản thân quả bom có nhiệt dung 893 J/° C. Bao nhiêu nhiệt được tạo ra bởi quá trình đốt cháy mẫu glucose?
Giải pháp
Quá trình đốt cháy tạo ra nhiệt được hấp thụ chủ yếu bởi nước và bom. (Lượng nhiệt được hấp thụ bởi các sản phẩm phản ứng và lượng oxy dư thừa không phản ứng là tương đối nhỏ và việc xử lý chúng nằm ngoài phạm vi của văn bản này. Chúng tôi sẽ bỏ qua chúng trong tính toán của chúng tôi.)
Nhiệt được tạo ra bởi phản ứng được hấp thụ bởi nước và bom:
\ [\ begin {aligned}
q_ {rxn} &=-\ left (q_ {\ text {water}} +q_ {\ text {bomb}}\ right)\\ [4pt]
&=-\ left [\ left (4.184 J/g {} ^ {\ circ} C\ right)\ times (775 g)\ times\ left (35.6 {} ^ {c} C -23.8 {} ^ {\ circ} C\ right) +893 J/{} ^ {\ circ} C\ times\ left (35,6 {} ^ {\ circ} C -23.8 {} ^ {\ circ} C\ right)\\ [4pt] &=- (38,300 J +10,500 J)\ [4pt] &=48,800 J =-48,8 kJ\ end {aligned}\ntháng mười hai\]
Phản ứng này giải phóng 48,7 kJ nhiệt khi đốt cháy 3,12 g glucose.
Khi 0,963 g benzen, C 6 H 6, bị đốt cháy trong nhiệt lượng kế bom, nhiệt lượng kế tăng 8,39 °C, bom có nhiệt dung 784 J/°C và chìm trong 925 mL nước. Bao nhiêu nhiệt được tạo ra bởi quá trình đốt cháy mẫu benzen?
- Câu trả lời
-
q rx = —39,0 kJ (phản ứng tạo ra 39,0 kJ nhiệt)
Kể từ khi chiếc đầu tiên được xây dựng vào năm 1899, 35 nhiệt lượng kế đã được chế tạo để đo nhiệt lượng do một người sống tạo ra. 2 Những nhiệt lượng kế toàn thân với nhiều kiểu dáng khác nhau này đủ lớn để chứa một cá nhân con người. Gần đây, nhiệt lượng kế toàn phòng cho phép thực hiện các hoạt động tương đối bình thường và các nhiệt lượng kế này tạo ra dữ liệu phản ánh chặt chẽ hơn thế giới thực. Những nhiệt lượng kế này được sử dụng để đo sự trao đổi chất của các cá nhân trong các điều kiện môi trường khác nhau, chế độ ăn uống khác nhau và với các điều kiện sức khỏe khác nhau, chẳng hạn như bệnh tiểu đường.
Ví dụ, nhóm của Carla Prado tại Đại học Alberta đã tiến hành đo nhiệt lượng toàn thân để hiểu chi tiêu năng lượng của những phụ nữ mới sinh con. Các nghiên cứu như thế này giúp phát triển các khuyến nghị và chế độ tốt hơn về dinh dưỡng, tập thể dục và sức khỏe nói chung trong giai đoạn thay đổi sinh lý đáng kể này. Ở người, sự trao đổi chất thường được đo bằng Calo mỗi ngày. Một calo dinh dưỡng (Calorie) là đơn vị năng lượng được sử dụng để định lượng lượng năng lượng có được từ quá trình trao đổi chất của thực phẩm; một Calorie tương đương với 1000 calo (1 kcal), lượng năng lượng cần thiết để làm nóng 1 kg nước bằng 1° C.
Trong cuộc sống hàng ngày của bạn, bạn có thể quen thuộc hơn với năng lượng được cung cấp trong Calo, hoặc calo dinh dưỡng, được sử dụng để định lượng lượng năng lượng trong thực phẩm. Một calo (cal) = chính xác 4,184 joules và một Calorie (lưu ý viết hoa) = 1000 cal, hoặc 1 kcal. (Đây là khoảng lượng năng lượng cần thiết để làm nóng 1 kg nước thêm 1° C.)
Các chất dinh dưỡng đa lượng trong thực phẩm là protein, carbohydrate và chất béo hoặc dầu. Protein cung cấp khoảng 4 Calo mỗi gram, carbohydrate cũng cung cấp khoảng 4 Calo mỗi gram, và chất béo và dầu cung cấp khoảng 9 calo/g Nhãn dinh dưỡng trên bao bì thực phẩm cho thấy hàm lượng calo của một khẩu phần thực phẩm, cũng như sự phân hủy thành Calo từ mỗi trong số ba chất dinh dưỡng đa lượng (Hình). \(\PageIndex{8}\)
Đối với ví dụ được hiển thị trong (b), tổng năng lượng trên mỗi phần 228-g được tính bằng:
\[(5 g \text { protein } \times 4 \text { Calories } / g )+(31 g \text { carb } \times 4 \text { Calories } / g )+(12 g \text { fat } \times 9 \text { Calories } / g )=252 \text { Calories } \nonumber \]
Vì vậy, bạn có thể sử dụng nhãn thực phẩm để đếm lượng calo của mình. Nhưng các giá trị đến từ đâu? Và chúng chính xác đến mức nào? Hàm lượng calo của thực phẩm có thể được xác định bằng cách sử dụng nhiệt lượng bom; nghĩa là, bằng cách đốt cháy thực phẩm và đo năng lượng mà nó chứa. Một mẫu thực phẩm được cân, trộn trong máy xay sinh tố, đông khô, nghiền thành bột và tạo thành một viên. Viên được đốt cháy bên trong nhiệt lượng kế bom, và sự thay đổi nhiệt độ đo được chuyển thành năng lượng trên mỗi gram thực phẩm.
Ngày nay, hàm lượng calo trên nhãn thực phẩm có nguồn gốc bằng cách sử dụng một phương pháp gọi là hệ thống Atwater sử dụng hàm lượng calo trung bình của các thành phần hóa học khác nhau của thực phẩm, protein, carbohydrate và chất béo. Số lượng trung bình là những lượng được đưa ra trong phương trình và được lấy từ các kết quả khác nhau được đưa ra bởi phép đo nhiệt lượng bom của toàn bộ thực phẩm. Lượng carbohydrate được chiết khấu một lượng nhất định cho hàm lượng chất xơ, đó là carbohydrate khó tiêu. Để xác định hàm lượng năng lượng của thực phẩm, lượng carbohydrate, protein và chất béo được nhân với lượng Calo trung bình trên mỗi gram cho mỗi loại và các sản phẩm được tổng hợp để có được tổng năng lượng.
Nhấp vào liên kết này để truy cập Cơ sở dữ liệu dinh dưỡng quốc gia của Bộ Nông nghiệp Hoa Kỳ (USDA), chứa thông tin dinh dưỡng về hơn 8000 loại thực phẩm.
Chú thích cuối trang
- 2 Francis D. Reardon và cộng sự. “Nhiệt lượng kế của con người Snellen đã xem xét lại, thiết kế lại và nâng cấp: Đặc điểm thiết kế và hiệu suất.” Kỹ thuật Y tế và Sinh học và Máy tính 8 (2006) 721—28, http://link.springer.com/article/10....517-006-0086-5.