Ορισμός μοριακής ενθαλπίας σύντηξης

Η γραμμομοριακή ενθαλπία σύντηξης , που μερικές φορές ονομάζεται επίσης γραμμομοριακή θερμότητα σύντηξης, είναι η αλλαγή ενθαλπίας της αλλαγής φάσης από στερεό σε υγρό ενός γραμμομορίου ουσίας στο σημείο τήξης του . Δεδομένου ότι η μεταβολή της ενθαλπίας είναι ισοδύναμη με τη θερμότητα μιας διεργασίας που διεξάγεται σε σταθερή πίεση, μπορούμε επίσης να ορίσουμε τη μοριακή ενθαλπία σύντηξης ως την ποσότητα θερμότητας που απαιτείται για να περάσει ένα mole ουσίας από τη στερεά κατάσταση στην υγρή κατάσταση κατά την τήξη της. σημείο και σταθερή πίεση.

Αυτή η ενθαλπία είναι μια έντονη ιδιότητα της ύλης, επομένως εξαρτάται αποκλειστικά από τη σύνθεσή της και όχι από την ποσότητα του δείγματος με το οποίο εργάζεται κανείς, ούτε από την επέκταση ή το μέγεθος του συστήματος. Είναι δηλαδή μια χαρακτηριστική ιδιότητα κάθε υλικού και αναφέρεται γενικά σε καθαρές ουσίες.

Για παράδειγμα, η ενθαλπία της σύντηξης του νερού σε πίεση 1 atm είναι 6,02 kJ/mol, που σημαίνει ότι χρειάζονται 6,02 kJ για να λιώσει ή να λιώσει 18 g στερεού νερού ή πάγου (μάζα που αντιστοιχεί σε ένα mole νερού) που είναι στους 0°C και έτσι μετατρέπονται σε 18 g υγρού νερού, επίσης στους 0°C.

Σύμβολο για τη μοριακή ενθαλπία σύντηξης

Διάφοροι τρόποι αναπαράστασης μοριακών ενθαλπιών έχουν υπάρξει με την πάροδο του χρόνου, συμπεριλαμβανομένης της μοριακής ενθαλπίας της σύντηξης. Το παγκοσμίως αποδεκτό σύμβολο για την ενθαλπία είναι το H. Είναι μια συνάρτηση κατάστασης που ορίζεται από τη διαφορά μεταξύ της εσωτερικής ενέργειας ενός συστήματος και του φωτοβολταϊκού προϊόντος. με άλλα λόγια, H = U – PV. Ωστόσο, όταν μιλάμε για την ενθαλπία μιας διαδικασίας όπως η σύντηξη, και όχι μιας ουσίας, τότε στην πραγματικότητα αναφερόμαστε σε μια αλλαγή στην ενθαλπία του συστήματος ως συνέπεια της εν λόγω διαδικασίας. Για το λόγο αυτό, σε αυτές τις περιπτώσεις το σύμβολο για την ενθαλπία είναι στην πραγματικότητα ΔH.

Καθώς είναι η ενθαλπία της διαδικασίας σύντηξης, το fo “fus” προστίθεται ως δείκτης, δηλαδή ΔH _fus (αν και το f χρησιμοποιείται σπάνια καθώς μπορεί να συγχέεται με την ενθαλπία σχηματισμού, που είναι διαφορετική έννοια). Τέλος, υπάρχουν δύο τρόποι με τους οποίους συνήθως υποδεικνύεται ότι η ενθαλπία είναι μοριακή. Παλαιότερα ήταν συνηθισμένο να τοποθετείται μια μπάρα πάνω από το σύμβολο. Ωστόσο, για διάφορους λόγους, αυτός ο τρόπος αναπαράστασης μοριακών θερμοδυναμικών μεγεθών είναι ανεπαρκής, επομένως το γράμμα m (για μοριακό) αντικαταστάθηκε από την προσθήκη ως δείκτη, που διαχωρίζεται από τον δείκτη της διαδικασίας με κόμμα. Αυτό σημαίνει ότι το επί του παρόντος αποδεκτό σύμβολο για τη μοριακή ενθαλπία της σύντηξης είναι:

Η τυπική μοριακή ενθαλπία σύντηξης

Όταν η πίεση στην οποία μετράται η μοριακή ενθαλπία είναι η τυπική πίεση 1 atm (ή 1 bar, ανάλογα με τη σύμβαση που χρησιμοποιείται) και η διαδικασία αλλαγής φάσης συμβαίνει στο κανονικό σημείο τήξης (που αντιστοιχεί στο σημείο τήξης σε τυπική πίεση) , τότε ονομάζεται τυπική μοριακή ενθαλπία σύντηξης, η οποία υποδεικνύεται προσθέτοντας ένα 0 ως εκθέτη στο σύμβολο της ενθαλπίας.

Μονάδες μοριακής ενθαλπίας σύντηξης

Οι μονάδες της μοριακής ενθαλπίας σύντηξης είναι [ενέργεια]/[mol] ή, το ίδιο, [ενέργεια].[mol] ^-1 . Αυτές οι μονάδες εξαρτώνται από το σύστημα μονάδας στο οποίο εργάζεστε. Ακολουθούν μερικά παραδείγματα μονάδων που χρησιμοποιούνται συνήθως σε διαφορετικούς τομείς:

• Οι μονάδες SI είναι J/mol ή J.mol ^-1 .
• kJ/mol ή kJ.mol ^-1 (αυτές οι μονάδες είναι πολύ κοινές δεδομένης της τάξης μεγέθους των περισσότερων μοριακών ενθαλπιών σύντηξης).
• cal/mol ή cal.mol ^-1 .
• kcal/mol ή kcal.mol ^-1 ή, τι είναι το ίδιο Cal/mol ή Cal.mol ^-1 (αυτές οι μονάδες είναι πολύ κοινές δεδομένης της τάξης μεγέθους των περισσότερων μοριακών ενθαλπιών σύντηξης).
• BTU/mol ή BTU.mol ^-1 (συχνά χρησιμοποιείται στη μηχανική).

Η μοριακή ενθαλπία της σύντηξης έναντι της λανθάνουσας θερμότητας της σύντηξης

Είναι ένα σχετικά κοινό λάθος να συγχέουμε τη μοριακή ενθαλπία της σύντηξης με τη λανθάνουσα θερμότητα της σύντηξης. Ο λόγος είναι απλός: και οι δύο αναφέρονται στην ποσότητα θερμότητας που απαιτείται για την τήξη ή την τήξη μιας στερεής ουσίας, και στις δύο περιπτώσεις η αλλαγή φάσης συμβαίνει σε σταθερή πίεση και θερμοκρασία, και στις δύο περιπτώσεις συμβαίνει στο σημείο τήξης του στερεού, και οι δύο είναι έντονες ιδιότητες της ύλης. Ωστόσο, δεν είναι το ίδιο.

Αρχικά, η λανθάνουσα θερμότητα της σύντηξης αντιπροσωπεύεται από το σύμβολο L _fus ή L _f . Ωστόσο, υπάρχει μια πιο σημαντική εννοιολογική διαφορά που σχετίζεται με την ποσότητα της ουσίας στην οποία αναφέρεται κάθε όρος. Ενώ η γραμμομοριακή θερμότητα σύντηξης αναφέρεται σε 1 mole μιας ουσίας , η λανθάνουσα θερμότητα της σύντηξης αντιπροσωπεύει την ποσότητα θερμότητας που απαιτείται για την τήξη μιας μονάδας μάζας της ουσίας, όχι ενός mole. Δηλαδή, η λανθάνουσα θερμότητα είναι, στην πραγματικότητα, μια ειδική θερμότητα σύντηξης, της οποίας οι μονάδες στο SI είναι J/kg.

Προσδιορισμός της μοριακής ενθαλπίας σύντηξης

πειραματικό προσδιορισμό

Υπάρχουν διάφοροι τρόποι προσδιορισμού της μοριακής ενθαλπίας της σύντηξης μιας ουσίας. Μετριέται πειραματικά χρησιμοποιώντας θερμιδόμετρο . Για παράδειγμα, εάν θέλουμε να μετρήσουμε τη γραμμομοριακή θερμότητα σύντηξης του νερού, μπορούμε να εισάγουμε μια γνωστή μάζα στερεού νερού (πάγου) σε ένα θερμιδόμετρο γνωστής θερμοχωρητικότητας και στη συνέχεια να αφήσουμε τον πάγο να λιώσει ενώ ελέγχουμε τη θερμοκρασία. Στη συνέχεια, η ποσότητα της θερμότητας που απορροφάται από τον πάγο για να λιώσει μπορεί να προσδιοριστεί από τη μεταβολή της θερμοκρασίας του θερμιδόμετρου, που μας δίνει την ποσότητα θερμότητας που απελευθερώνεται από αυτόν. Εάν χρησιμοποιούμε ένα ισοβαρικό θερμιδόμετρο, δηλαδή ένα με σταθερή πίεση, αυτή η θερμότητα αντιπροσωπεύει άμεσα την ενθαλπία σύντηξης του δείγματος (σημείωση: είναι η ενθαλπία της σύντηξης ΔH _fus, όχι η μοριακή ενθαλπία ΔH _m,fus ).

Τέλος, χρησιμοποιώντας τη μάζα του νερού και τη μοριακή του μάζα (18,02 g/mol), προσδιορίζεται ο αριθμός των γραμμομορίων που υπήρχαν στο δείγμα και η μοριακή μάζα τήξης υπολογίζεται χρησιμοποιώντας την ακόλουθη εξίσωση:

Προσδιορισμός από τη λανθάνουσα θερμότητα σύντηξης

Όπως αναφέρθηκε προηγουμένως, η λανθάνουσα θερμότητα της σύντηξης είναι η θερμότητα ανά μονάδα μάζας και όχι ανά mole. Για το λόγο αυτό, η λανθάνουσα θερμότητα της σύντηξης μπορεί να μετατραπεί στη γραμμομοριακή θερμότητα της σύντηξης απλά πολλαπλασιάζοντάς την με τη μοριακή μάζα της ουσίας:

Πριν από τον υπολογισμό, πρέπει να ελεγχθεί η συνοχή των μονάδων και να πραγματοποιηθούν οι απαραίτητες μετατροπές.

θεωρητικό προσδιορισμό

Η μοριακή ενθαλπία της σύντηξης μπορεί επίσης να υπολογιστεί θεωρητικά από άλλα θερμοδυναμικά μεγέθη. Για παράδειγμα, εάν γνωρίζουμε τις τιμές των τυπικών ενθαλπιών σχηματισμού του στερεού και του υγρού, καθώς και τις αντίστοιχες θερμοχωρητικότητες τους σε σταθερή πίεση (C p,m, s και C P, m, _l , _{αντίστοιχα} ) .

Σε αυτές τις περιπτώσεις, ο νόμος του Hess χρησιμοποιείται για να καθορίσει δύο διαφορετικούς τρόπους υπολογισμού της μεταβολής της ενθαλπίας της σύντηξης υπό τυπικές συνθήκες θερμοκρασίας και πίεσης, ο ένας απευθείας και ο άλλος μεταφέροντας το στερεό στο κανονικό του σημείο τήξης, πραγματοποιώντας την τήξη στο εν λόγω θερμοκρασία και στη συνέχεια φέρνοντας το υγρό στην τυπική θερμοκρασία στην οποία αναφέρονται οι τυπικές ενθαλπίες σχηματισμού.

Δηλαδή, υπολογίζεται η ενθαλπία των ακόλουθων διεργασιών:

Τα παραπάνω αντιπροσωπεύουν τη διαδικασία ενός σταδίου κατά την οποία μια ορισμένη ποσότητα Α διέρχεται από τη στερεά κατάσταση στην τυπική θερμοκρασία και πίεση των Τ ₀ και Ρ ₀ , αντίστοιχα, στην υγρή κατάσταση στην ίδια θερμοκρασία και πίεση. Η ενθαλπία αυτής της διαδικασίας μπορεί να υπολογιστεί απευθείας από τις τυπικές ενθαλπίες σχηματισμού του Α και στις δύο καταστάσεις.

Αυτή είναι η ίδια διαδικασία, που πραγματοποιείται μόνο με διαφορετικό τρόπο, φέρνοντας το στερεό στο σημείο τήξης (T _fus ), λιώνοντάς το σε αυτή τη θερμοκρασία και στη συνέχεια φέρνοντας το υγρό στην τυπική θερμοκρασία T ₀ .

Εφόσον και οι δύο διεργασίες ξεκινούν και τελειώνουν στις ίδιες καταστάσεις, τότε ο νόμος του Hess υποδεικνύει ότι οι συνολικές αλλαγές ενθαλπίας πρέπει να είναι ίσες, επομένως:

Από εδώ, λύνουμε την εξίσωση για να βρούμε τη μοριακή ενθαλπία της σύντηξης, η οποία μας δίνει:

βιβλιογραφικές αναφορές

Atkins, P., & dePaula, J. (2010). Άτκινς. Physical Chemistry (8η ^έκδ .). Panamerican Medical Editorial.

Λανθάνουσα θερμότητα σύντηξης . (ν). Φυσική με υπολογιστή. http://www.sc.ehu.es/sbweb/fisica/estadistica/otros/fusion/fusion.htm

Chang, R. (2002). Physical Chemistry (1st ^ed .). ΕΚΠΑΙΔΕΥΣΗ MCGRAW HILL.

Ενθαλπία σύντηξης. Educaplus (2021). http://www.educaplus.org/elementos-quimicos/propiedades/entalpia-fusion.html

Heat of Fusion. (2020, 15 Αυγούστου). https://chem.libretexts.org/@go/page/1936

LearnChemE. (2020, 13 Οκτωβρίου). Υπολογίστε τη θερμότητα της αντίδρασης σε αυξημένη θερμοκρασία [Βίντεο]. Youtube. https://www.youtube.com/watch?v=dxBD0j2gzjo&t=252s

Μοριακή θερμότητα σύντηξης πάγου . (2018, 5 Απριλίου). nanopdf. https://nanopdf.com/download/molar-heat-of-fusion-of-ice-5aec35580aeb3_pdf