Einführung in die Chemie

Begriffe

• Kaffeetassen-Kalorimeterein Beispiel für ein Kalorimeter mit konstantem Druck.
• adiabatischkeine Übertragung von Wärmeenergie; perfekt isolierend.
• constant-pressure Calorimeter Misst die Enthalpieänderung einer Reaktion in Lösung, bei der der Druck konstant bleibt.

Konstantdruck-Kalorimetrie

Ein Konstantdruck-Kalorimeter misst die Änderung der Enthalpie einer Reaktion, die in einer flüssigen Lösung auftritt. In diesem Fall bleibt der Gasdruck über der Lösung konstant, und wir sagen, dass die Reaktion unter Bedingungen konstanten Drucks abläuft. Die Wärme, die zur / von der Lösung übertragen wird, damit die Reaktion abläuft, ist gleich der Änderung der Enthalpie (\ Delta H = q_P), und ein Kalorimeter mit konstantem Druck misst somit diese Reaktionswärme. Im Gegensatz dazu ist das Volumen eines Bombenkalorimeters konstant, es gibt also keine Druck-Volumen-Arbeit und die gemessene Wärme bezieht sich auf die Änderung der inneren Energie (\ Delta U = q_V).

Ein einfaches Beispiel für ein Konstantdruck-Kalorimeter ist ein Kaffeetassen-Kalorimeter, das aus zwei ineinander verschachtelten Styroporbechern und einem Deckel mit zwei Löchern besteht, der das Einsetzen eines Thermometers und eines Rührstabs ermöglicht. Der innere Becher enthält eine bekannte Menge einer Flüssigkeit, normalerweise Wasser, die die Wärme aus der Reaktion absorbiert. Es wird angenommen, dass der äußere Becher perfekt adiabatisch ist, was bedeutet, dass er keinerlei Wärme aufnimmt. Daher wird angenommen, dass der äußere Becher ein perfekter Isolator ist.

Berechnung der spezifischen Wärme

Daten, die während eines Kalorimetrieexperiments mit konstantem Druck gesammelt wurden, können verwendet werden, um die Wärmekapazität einer unbekannten Substanz zu berechnen. Wir kennen bereits unsere Gleichung in Bezug auf Wärme (q), spezifische Wärmekapazität (C) und die Änderung der beobachteten Temperatur (\Delta T) :

q=mC\Delta T

Wir werden nun veranschaulichen, wie diese Gleichung verwendet wird, um die spezifische Wärmekapazität eines Stoffes zu berechnen.

Beispiel 1

Ein Student erhitzt eine 5,0 g Probe eines unbekannten Metalls auf eine Temperatur von 207 ^ \ circC und lässt die Probe dann in ein Kaffeetassen-Kalorimeter fallen, das 36,0 g Wasser bei 25,0 ^ \ circC enthält. Nachdem das thermische Gleichgewicht hergestellt wurde, beträgt die Endtemperatur des Wassers im Kalorimeter 26.0^\circC. Was ist die spezifische Wärme des unbekannten Metalls? (Die spezifische Wärme von Wasser ist 4.18 \frac {J} {g ^\circ C})

Die Wände des Kaffeetassen-Kalorimeters werden als vollkommen adiabatisch angenommen, so dass wir annehmen können, dass die gesamte Wärme des Metalls auf das Wasser übertragen wurde:

-q_{metal}=q_{water}

Wenn wir in unserer obigen Gleichung ersetzen, erhalten wir:

-m_{Metall}C_{Metall} \Delta T_{Metall}=m_{Wasser}C_{Wasser}\Delta T_{Wasser}

Dann können wir unsere bekannten Werte einstecken:

-(5.0\; g) C_ {Metall} (26,0 ^ \ Kreis C-207 ^ \ Kreis C) = (36,0 \; g) (4,18\; \frac {J}{g^\circ C})(26.0^\circ C-25.0^\circ C)

Wenn wir für C_{metal} lösen, erhalten wir

C_{metal}=0.166\; \frac {J} {g^\circ C}

Die spezifische Wärmekapazität des unbekannten Metalls beträgt 0.166 \frac In : {J} {g ^\circ C} .

Beispiel 2

Zur Bestimmung der Standardenthalpie der Reaktion H+(aq) + OH–(aq) → H2O(l) können zunächst gleiche Volumina von 0,1 M HCl- und NaOH-Lösungen bei 25°C vereinigt werden.

Dieser Vorgang ist exotherm, wodurch eine gewisse Wärmemenge qP in die Lösung abgegeben wird. Die Anzahl der in jedes Gramm der Lösung freigesetzten Joule Wärme wird aus dem Produkt des Temperaturanstiegs und der spezifischen Wärmekapazität von Wasser berechnet (unter der Annahme, dass die Lösung so verdünnt ist, dass ihre spezifische Wärmekapazität der von reinem Wasser entspricht). Die Gesamtmenge der übertragenen Wärme kann dann berechnet werden, indem das Ergebnis mit der Masse der Lösung multipliziert wird.

\Delta H=q_P = m_{sol’n} C_{Wasser} \Delta T_{sol’n}

Beachten Sie, dass ΔH = qP ist, da der Prozess bei konstantem Druck durchgeführt wird.