ΔUとΔHの測定

はじめに

熱は一定の体積で発生し、一定の圧力での熱変化は熱量計を使用して測定されます。このプロセスは熱量測定と呼ばれます .爆弾熱量計は ∆U の測定に使用され、コーヒー熱量計は ∆H の測定に使用されます。

熱量測定 また、反応が吸熱性か発熱性かを判断するのにも役立ちます。 熱量測定とは何かを詳しく理解しましょう

カロリメトリーとは?

熱量測定 ΔU と ΔH の測定プロセスです。このプロセスには、熱量計の使用が含まれます。この技法は、容器または熱量計を既知の液体量に沈めることを含む。プロセス中に発生した熱は、既知の液体と熱量計の熱容量の差を計算することによって評価されます。

熱量測定を実行するには 2 つの方法があります。それらは:

熱量測定 は、温度測定法を使用して内部エネルギーとエンタルピーを決定します。簡単に言えば、このプロセスは物質内で伝達される熱量を測定します。

さまざまな種類のカロリメトリー分析 テクニックは次のとおりです:

ΔU と ΔH の測定プロセスを理解する前に、エンタルピーと内部エネルギーとは何かを簡単に説明します。

エンタルピーとは?

エンタルピーは、化学反応中に発生または吸収される熱エネルギーです。エンタルピーは大文字のHで表されます。一方、エンタルピーの変化はΔHと書きます。ここで、デルタはエネルギーの変化を象徴しています。

エネルギーの単位はジュールまたはキロジュールです。

つまり、エンタルピーは、化学反応の内部エネルギーの合計として定義することもできます。これは、内部エネルギーの変化が化学反応中にのみ起こるためです。この内部エネルギーの変化は、エンタルピー変化として計算されます。

H =U + PV

どこで、

H =エンタルピー

U =すべての内部エネルギーの合計

P =圧力

V =ボリューム

エンタルピーは、内部エネルギーと、特定の圧力でシステムの体積を一定に保つために必要なエネルギーの合計です。 PV は、システム用のスペースを確保するために環境で実行する必要がある作業を示します。

さらに、ヘスの法則によれば、エンタルピーの変化は、化学反応がたどる経路とは無関係のままです。 1 つのステップで発生する特定の反応のエンタルピー変化は、完了までに複数のステップを要する同じ化学反応と同じです。

エンタルピーは化学反応の初期段階と最終段階に依存するため、状態関数です。

内部エネルギーとは?

内部エネルギーは、その運動エネルギーと位置エネルギーの合計に等しくなります。ポテンシャル エネルギーは、システムに蓄えられる静的エネルギーです。一方、運動エネルギーは、分子の動きによって放出されるエネルギーです。

内部エネルギーは大文字の U で表されます。内部エネルギーの変化は ΔU で表され、デルタは変化を表します。

内部エネルギーの変化は、次の 2 つの要因によるものです:

したがって、内部エネルギー変化は次のように記述できます:

ΔU =q + w

どこで、

q =熱の移動

w =システム上またはシステムによって行われる作業

ΔU測定

化学反応では、一定の体積で発生した熱または内部エネルギーの変化は、爆弾熱量計を使用して測定されます。

爆弾熱量計は、爆弾と呼ばれる内部容器で構成されています。カバーは頑丈なスチール製で、金属製のネジと蓋でしっかりと固定されています。内側の容器は、水を含むより大きな断熱容器に囲まれています。温度計と水中に吊るされた攪拌機も付いています。

既知の量の可燃性物質をプラチナカップに入れます。プラチナカップには、燃焼プロセスを開始するためのワイヤーが取り付けられています。次に、ボンベをしっかりと密閉した後、過剰な酸素でボンベを加圧します。爆弾は、水で満たされた大きな容器に沈められます。

次に、爆弾のプラチナカップに取り付けられたフィラメントに電流が流れ、燃焼プロセスに点火します。燃焼が起こると、水の温度が上昇します。温度上昇は、ベックマン温度計を使用して測定されます。体積は変わらないので、熱変化は燃焼熱と同じです。

これで、手順中に発生した熱量 ΔUc は、水と熱量計によって吸収された熱に等しくなります。

熱量計が吸収する熱を計算するには:

q1 =k.ΔT

ここで、

k =mc Cc に等しい熱量計定数 (ここで、mc は熱量計の質量、Cc は熱量計の熱容量)

熱量計定数は、燃焼熱もわかっている任意の標準サンプルを既知の量で燃焼させることによって評価できます。

水が吸収する熱を計算するには:

q2 =mw Cw ΔT

ここで、

mw =水のモル質量

Cw =水のモル熱容量

(4.184 kJ K-1 mol-1)

したがって、プロセス中に発生した熱を計算するには:

ΔUc =q1 + q2

=k.ΔT + mw Cw ΔT

=(k+mw Cw)ΔT

ΔH測定

コーヒーカップの熱量計を使用して、一定の圧力で発生する熱、つまり ΔH を測定します。コーヒーカップの熱量計には発泡スチロールのカップが使われています。

それは、環境への反応中に発生した熱の伝達を防ぐ、良好な断熱壁として機能します。カップ内の水はすべての熱エネルギーを吸収します。このアプローチは、体積を大幅に変化させない反応に利用できます。

水の温度の変化は、化学プロセス中に吸収または発生した熱に等しくなります。次の式から計算されます:

q =mw Cw ΔT

ここで、

mw =水のモル質量

Cw =水のモル熱容量 (4.184 kJ K-1 mol-1)

例を挙げて、300K での燃焼エチレンのエンタルピーを計算してください。

一定体積で燃焼熱を取る ΔU =-1406 kJ

燃焼反応:

C2H4 (g) + 3O2(g) → 2CO2 (g) + 2H2O(l)

ΔU =−1406 kJ

Δn =np(g) – nr(g)

Δn =2 – 4 =-2

ΔH =ΔU + ΔngRT

ΔH =-1406 + ((-2) x 8.314 × 10-3 × 300)

ΔH =-1410.9 kJ

結論

熱量測定 ΔU と ΔH の測定は、熱力学の重要なトピックです。試験で良い成績を収めるには、エンタルピーと内部エネルギーの測定のすべての式とプロセスを理解する必要があります。

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