Калориметрия и енталпия

Солната киселина е и приятел, и враг на химика, тъй като е вредна, но и ужасно полезна. Тя ще изгори кожата, очите и дори лигавиците, ако дишаш парите ѝ твърде дълго. Но HCL като киселина дава своя водород доста лесно, което я прави ценна за производството на торове, бои и даже готварска сол. Натриевият хидроксид е друго вещество, което не бих дал и на най-лошия си враг, въпреки че се радвам, че го имаме. Позната е като луга или сода каустик, силно разяждащо вещество, което се използва за всичко – от отпушване на тръби до пречистване на питейната вода. Това е основа. Тя лесно приема протоните, които киселините освобождават. Какво мислиш, че ще се случи, когато смесим разтвори на тези две съединения? Дали ще се неутрализират и няма да се случи нищо, или ще експлодират, или ще пътуват във времето? Ако внимаваш, ти вече знаеш какво ще се случи. Те ще участват в реакция на неутрализация, за която говорих преди. Тези две потенциално смъртоносни вещества ще образуват безвредна сол и вода. Но реакцията ще има и ефект, който можеш да почувстваш. Тя ще отдели топлина, и то не просто малко топлина. Смесването на концентрирани киселини и основи освобождава толкова много топлина, че може да доведе до експлозия. Но ще ти покажа как да създадеш безопасно, но забележимо количество топлина при тази реакция. За мен най-яката част от това е мястото, от което топлината всъщност идва. Енергията е била част от химичните връзки в киселината и основата. Точно като топка на върха на хълма, молекулите винаги се движат към по-ниско енергийно състояние, ако могат, и точно това ще направят. Високите енергийните връзки ще се разпаднат и ще се образуват връзки с по-ниска енергия. Промяната на енергията между тези състояния всъщност може да се усети и това е много яко. И това, което е още по-страхотно, ако ме попиташ, е, че можем да изчислим точно колко топлина ще се освободи при тази реакция. [Музика] Запомни, че измерването на промяната на топлината е близко свързано с енталпията, която ние определихме като вътрешната енергия на системата, плюс енергията, която използва, за да изтласква обкръжението навън, за да направи място за собственото си налягане и обем. И при постоянно налягане, както имаме тук на повърхността на Земята, това работи по същия начин като топлина, която се поглъща или освобождава при реакция. Естествено, може да е много полезно да знаем колко топлина една химична реакция поглъща или освобождава. Освен екзотермичните грeйки за ръце, които имам тук, има и ендотермични пакети с химичен лед за лечение на наранявания. Изчисляването на промяната в енталпията е и това, което казва на пилотите докъде могат да стигнат с горивото в резервоара на самолета, за което аз лично съм много заинтересован да го правят правилно. Един от начините да изчислим промяната в енталпията на една система е със закона на Хес, който казва, че общата промяна на енталпията за една химична реакция не зависи от пътя, по който протича, а само от първоначалното и крайното състояние. Често се изразява като Стандартна енталпия на формиране, т.е. количеството топлина, отдадено или прието, когато един мол от съединението се формира от своите елементи. Така знам колко точно топлина освобождава грейката ми за ръце. Но това не е единственият начин за използване на закона на Хес. Самият закон не казва нищо за стандартната енталпия на формирането. Всеки начин, по който можем да разберем промяната на топлината между продуктите и реагентите ще свърши работа и точно това използва калориметрията. Калориметрията е наука за измерване на изменението на топлината, свързано с химична реакция. И това може да изглежда като пластмасова бутилка в чорап, но всъщност е калориметър. Калориметърът може да е сложен и скъп, но може и да е прост. Но независимо как изглежда, това е просто изолиран контейнер, който съдържа термометър. И може да се изработи от неръждаема стомана или от чаши от стиропор, но всъщност няма принципни различия как работят. И ти вече знаеш общата постановка: химичните вещества в калориметъра съставляват термодинамична система, а всичко останало е околна среда. Изолацията минимизира количеството топлина, която излиза или влиза в системата, така че да можем да сме сигурни, че всеки пренос на топлина е част от системата, а не от обкръжението. Термометър проследява температурната промяна, която е част от изчислението, което трябва да направим. И обикновено има начин да се разбърка сместа, за да сме сигурни, че реакцията протича напълно. Добре, преди всичко безопасността, аз би трябвало да нося ръкавици... Ще сложа 100 мл, също 100 грама, едномоларен разтвор на HCL в моя калориметър тук... И сега ще сложа същото количество разтвор на натриев хидроксид. Преди да започне реакцията, трябва да знам началната температура, така че ще поставя термометъра там и ще изчакам секунда да видя колко е. Трябва да е стайна температура, било е в стаята дълго време. Сега е 20,8 градуса Целзий. Това е 294 Келвин, и сега ще добавя 100 мл натриев хидроксид. Температурата, очаквано, се повишава много бързо. И сега ще направя нещо, което никога не трябва да правиш, ще разбъркам с термометъра, защото ако това се случи в училищата по света, ще има милион милиарда счупени термометри, а съдържанието на тези термометри е силно токсично. Така че никога не прави това, което правя. Добре, температурата вече трябва да е стабилна, имаме 28 цяло и 2 десети градуса по Целзий. Има една проста формула, която ни позволява да изчислим отделената от реакцията топлина, просто чрез измерване на промяната на температурата в калориметъра. Той казва, че промяната в топлината е равна на специфичния топлинен капацитет на веществото по общата му маса по промяната на температурата. Нека разгледаме частите на това. Промяната на топлината в калориметъра обикновено се представя с малка буква "q" но може да бъде представена и чрез промяна в енталпията или делта Н, защото, спомни си, че постоянното налягане (делта H) се равнява на q, и постоянното налягане е почти винаги добро предположение по време на експеримента, или поне докато сме на повърхността на Земята. Можем да сме сигурни, че делта Н представлява промяната на топлината за този експеримент. Специфичният топлинен капацитет, представен с малка буква "s", е количеството топлина, необходимо да повиши с 1 градус Целзий температурата на единица маса като грам или килограм, на веществото. Оказва се, че различни количества топлина водят до различни температурни промени, като например металите се нагорещяват и охлаждат наистина лесно. Други като водата изискват много топлина за повишаване на температурата, и следователно освобождават много топлина при охлаждане. Винаги се чудех какво наистина означава това? Не трябва ли в молекулите топлината да повишава равномерно температурата на всички вещества? И защо водата има такъв висок специфичен топлинен капацитет? Топлинната енергия може да направи много неща, освен това да повиши температурите. Температурата, или скоростта, с която молекулите скачат наоколо, е само един начин, по който атомите или молекулите могат да поглъщат енергия. Топлинната енергия може да бъде погълната при скъсване и образуване на връзки между молекули, и както ще научим в друг епизод изключително високият специфичен топлинен капацитет на водата се дължи на разкъсването и образуването на водородни връзки, които са свързани със сравнително малки промени в температурата. И откъде знаем специфичния топлинен капацитет? Е, аз съм щастлив да съобщя, че някои благородни химици са работили усилено, за да определят специфичния топлинен капацитет на стотици вещества, така че на нас да не ни се налага. Просто трябва да погледнем числата в таблицата. Добре, имаме специфичен топлинен капацитет по маса по изменението на температурата. Масата е важна, защото колкото повече маса имаме, толкова повече химически връзки има, и защото енергията се съдържа в химичните връзки, те влияят колко енергия може да се погълне или освободи. И накрая, има промяна в температурата. Когато правим калориметрия, изчисляваме промяна в топлина чрез измерване на промяна в температурата, но както казахме милиарди пъти преди, топлината и температурата не са едно и също нещо. Моля, не бъркай, че това е измерване на топлина, защото не е! За щастие в този конкретен случай те са свързани с нашата удобна формула за калориметъра. Сега, може да не ти е направило впечатление, но тук сме точно по средата между химия и физика. Всяка наука може да претендира за собственост върху това явление, но истината е, че хората са направили разликата между химия и физика. Термодинамиката – изследването на топлината, енергията и работата – не се интересува от нашите правила. Самата термодинамика отразява правилата на вселената. Това е върховният закон. И вече го знаеш, макар да е възможно да не те интересува, но трябва! Защото е добре! Всичко е супер оплетено и взаимосвързано. Добре! Достатъчно приказки, да направим малко сметки. Не забравяй, че формулата е делта H равно на s по m по делта Т. Разтворите, които използвам, са толкова разредени, че почти цялата им маса е вода. Ето защо можем да използваме специфичния топлинен капацитет на водата. Ако погледнем в таблицата, ще видим че е 4,184 джаула на грам градус Целзий; Използвах 100 грама от всяко химично вещество за общо количество маса от 200 грама. И накрая ни трябва промяната на температурата. Ако си спомняш, тя се повиши от 294,0 Келвина до 301,4 Келвина; разликата е 7,4 Келвина. Това е положителна стойност, защото температурата се покачи. Съкращаваме всички единици и след това направо в калкулатора, за да получим резултат от 6192,32 J, или 6,2 килоджаула топлина от реакцията. Тъй като тази формула се основава на промяната в температурата, и тъй като температурата се увеличи, получаваме положителен резултат. Но най-важното е, че ни разкрива величината на изменението на топлинната енергия. Интересно ми е да направя сравнение с количеството, което бихме получили със закона на Хес и стандартната енталпия на формиране. Спомни си, че можем да намерим стандартната енталпия на формиране на всички продукти и реагенти на гърба на учебника или онлайн, химичната реакция между солна киселина и натриев хидроксид произвежда течна вода и натриев хлорид. Стандартната енталпия на формиране на солна киселина е –167,2 kJ на мол; за натриев хидроксид е –469,15 kJ на мол; за течна вода е –285,8; а за натриев хлорид е –407,27. Няма да правя молекулярни изчисления на екрана, но имай ми доверие, когато казвам, че използвах 0,100 мола HCL и същото количество NaOH. Защото всичко в уравнението е просто съотношение 1: 1: 1: 1, можем да приемем, че имаме еднакво количество от всеки продукт. Ако ги заместим в закона на Хес и направим изчисленията, получаваме, че промяната на топлината, или енталпията, на реакцията е –5,67 kJ. Системата освобождава или губи енергия, така че това е отрицателно, но отново това е величината, която искам да знам. Калориметричната формула даде абсолютна промяна на енталпията от 6,2 kJ, докато Законът на Хес дава промяна от 5,67 kJ. Защо има разлика? Най-големият фактор вероятно е, че използвахме специфичния топлинен капацитет на чистата вода вместо солена вода, която ние всъщност получихме. Също така не включихме топлинния капацитет на самия калориметър. Стените на калориметъра и термометъра бяха нагрявани също, в резултат на което част от произведената топлина не е отчетена. Изолацията на калориметъра е очевидно доста лека, което позволи известно количество топлина да се изгуби и това е друг важен фактор. Въпреки това бих казал, че се справихме добре, важното е, че ни показа какво трябва да видим, макар че това беше само малка пластмасова бутилка с пуловер. За бърз прост метод, калориметърът даде резултат доста близо до изчислената стойност. Ако изчислявахме количество конкретно гориво, с което ще пътуваме до Марс, или измисляхме студена опаковка, която няма да доведе до измръзване, бихме използвали по-сложна система и ще работим по-внимателно, но това беше доста готино за нашите цели. Благодаря ти, че гледа този епизод на Начален курс по химия. Ако внимава, научи, че не е задължително да се използват стандартни енталпии на формирането, за да решим уравнението от закона на Хес, научи какво е калориметър, че калориметрията е начин за изследване на топлинни промени в химическите реакции, и че специфичния топлинен капацитет ни казва колко топлинна енергия засяга молекулите на веществото, без да се променя температурата му. И накрая научи някои потенциални източници на грешка, свързани с калориметрията. Този епизод на Начален курс по химия е написан от Еди Гонзалес. Сценарият е редактиран от Блейк де Пастино и нашият консултант по химия е д-р Хайко Лангнер. Той е заснет, редактиран и режисиран от Никълъс Дженкинс. Нашият ръководител на сценария беше Кейтлин Хофмайстер, и нашият звукорежисьор е Майкъл Аранда. И, разбира се, нашият графичен екип е Thought Cafe.