Definicja molowej entalpii topnienia

Molowa entalpia topnienia , czasami nazywana również molowym ciepłem topnienia, to zmiana entalpii przemiany fazowej ze stanu stałego w ciekły jednego mola substancji w jej temperaturze topnienia . Ponieważ zmiana entalpii jest równoważna z ciepłem procesu prowadzonego pod stałym ciśnieniem, molową entalpię topnienia możemy również zdefiniować jako ilość ciepła potrzebną do przejścia jednego mola substancji ze stanu stałego do stanu ciekłego podczas jego topnienia punkt i stałe ciśnienie.

Ta entalpia jest intensywną właściwością materii, więc zależy wyłącznie od jej składu, a nie od ilości próbki, z którą się pracuje, ani od rozszerzenia czy wielkości układu. Innymi słowy, jest to charakterystyczna właściwość każdego materiału i ogólnie odnosi się do czystych substancji.

Na przykład entalpia topnienia wody pod ciśnieniem 1 atm wynosi 6,02 kJ/mol, co oznacza, że ​​potrzeba 6,02 kJ do stopienia lub stopienia 18 g wody w stanie stałym lub lodu (masa odpowiadająca jednemu molowi wody), które są w temperaturze 0°C i w ten sposób przekształcić je w 18 g wody w stanie ciekłym, również w temperaturze 0°C.

Symbol molowej entalpii topnienia

Z biegiem czasu istniały różne sposoby przedstawiania entalpii molowych, w tym molowa entalpia topnienia. Powszechnie akceptowanym symbolem entalpii jest H. Jest to funkcja stanu określona przez różnicę między energią wewnętrzną systemu a produktem PV; innymi słowy, H = U – PV. Jednakże, kiedy mówimy o entalpii procesu takiego jak synteza jądrowa, a nie substancji, to tak naprawdę odnosimy się do zmiany entalpii układu w wyniku wspomnianego procesu. Z tego powodu w tych przypadkach symbolem entalpii jest w rzeczywistości ΔH.

Ponieważ jest to entalpia procesu syntezy, fo „fus” jest dodawane jako indeks dolny, czyli ΔH _fus (chociaż f jest rzadko używane, ponieważ można je pomylić z entalpią tworzenia, która jest inną koncepcją). Wreszcie, istnieją dwa sposoby, na które zwykle wskazuje się, że entalpia jest molowa. Dawniej nad symbolem umieszczano kreskę. Jednak z różnych powodów ten sposób przedstawiania molowych wielkości termodynamicznych jest nieodpowiedni, dlatego literę m (dla molowych) zastąpiono dodawaniem jako indeksem dolnym, oddzielonym od indeksu dolnego procesu przecinkiem. Oznacza to, że obecnie akceptowanym symbolem molowej entalpii topnienia jest:

Standardowa molowa entalpia topnienia

Gdy ciśnienie, przy którym mierzona jest entalpia molowa, wynosi ciśnienie standardowe 1 atm (lub 1 bar, w zależności od zastosowanej konwencji), a proces przemiany fazowej zachodzi w normalnej temperaturze topnienia (która odpowiada temperaturze topnienia przy ciśnieniu normalnym) , to nazywa się to standardową molową entalpią topnienia, na co wskazuje dodanie 0 jako wykładnika do symbolu entalpii.

Jednostki molowej entalpii topnienia

Jednostkami molowej entalpii syntezy jądrowej są [energia]/[mol] lub, co jest tym samym, [energia].[mol] ^-1 . Jednostki te zależą od systemu jednostek, w którym pracujesz. Oto kilka przykładów jednostek powszechnie używanych w różnych dziedzinach:

• Jednostki SI to J/mol lub J.mol ^-1 .
• kJ/mol lub kJ.mol ^-1 (jednostki te są bardzo powszechne, biorąc pod uwagę rząd wielkości większości molowych entalpii syntezy jądrowej).
• cal/mol lub cal.mol ^-1 .
• kcal/mol lub kcal.mol ^-1 lub, co to jest to samo Cal/mol lub Cal.mol ^-1 (jednostki te są bardzo powszechne, biorąc pod uwagę rząd wielkości większości molowych entalpii topnienia).
• BTU/mol lub BTU.mol ^-1 (często stosowane w inżynierii).

Molowa entalpia topnienia a utajone ciepło topnienia

Stosunkowo częstym błędem jest mylenie molowej entalpii topnienia z utajonym ciepłem topnienia. Powód jest prosty: oba odnoszą się do ilości ciepła potrzebnej do stopienia lub stopienia substancji stałej, w obu przypadkach przemiana fazowa zachodzi przy stałym ciśnieniu i temperaturze, w obu przypadkach zachodzi w temperaturze topnienia ciała stałego i oba są intensywne właściwości materii. Jednak nie są one takie same.

Na początek utajone ciepło topnienia jest reprezentowane przez symbol L _fus lub L _f . Istnieje jednak ważniejsza różnica koncepcyjna związana z ilością substancji, do której odnosi się każdy termin. Podczas gdy molowe ciepło topnienia odnosi się do 1 mola substancji , utajone ciepło topnienia reprezentuje ilość ciepła potrzebną do stopienia jednej masy jednostkowej substancji, a nie jednego mola. Oznacza to, że ciepło utajone jest w rzeczywistości ciepłem topnienia, którego jednostkami w układzie SI są J/kg.

Wyznaczanie molowej entalpii topnienia

oznaczanie eksperymentalne

Istnieją różne sposoby określania entalpii molowej topnienia substancji. Mierzy się ją eksperymentalnie za pomocą kalorymetru . Na przykład, jeśli chcemy zmierzyć molowe ciepło topnienia wody, możemy wprowadzić znaną masę stałej wody (lód) do kalorymetru o znanej pojemności cieplnej, a następnie pozwolić, aby lód się stopił, kontrolując temperaturę. Następnie ilość ciepła pochłoniętego przez lód do stopienia można określić na podstawie zmiany temperatury kalorymetru, co daje nam ilość ciepła przez niego uwolnionego. Jeśli używamy kalorymetru izobarycznego, to znaczy takiego, w którym panuje stałe ciśnienie, ciepło to bezpośrednio reprezentuje entalpię topnienia próbki (uwaga: jest to entalpia topnienia ΔH _fus, a nie entalpia molowa ΔH _m,fus ).

Na koniec, korzystając z masy wody i jej masy molowej (18,02 g/mol), określa się liczbę moli obecnych w próbce i oblicza się topniejącą masę molową za pomocą następującego równania:

Wyznaczanie z utajonego ciepła topnienia

Jak wspomniano wcześniej, utajone ciepło topnienia to ciepło przypadające na jednostkę masy, a nie na mol. Z tego powodu utajone ciepło topnienia można przekształcić w molowe ciepło topnienia, po prostu mnożąc je przez masę molową substancji:

Przed wykonaniem obliczeń należy sprawdzić spójność jednostek i przeprowadzić niezbędne przekształcenia.

determinacja teoretyczna

Molową entalpię topnienia można również teoretycznie obliczyć na podstawie innych wielkości termodynamicznych. Na przykład, jeśli znamy wartości standardowych entalpii tworzenia ciała stałego i cieczy oraz ich odpowiednie pojemności cieplne przy stałym ciśnieniu (odpowiednio C p,m, s i C P, _m , _l ) .

W takich przypadkach prawo Hessa jest używane do ustalenia dwóch różnych sposobów obliczania zmiany entalpii topnienia w standardowych warunkach temperatury i ciśnienia, jeden bezpośrednio, a drugi poprzez doprowadzenie ciała stałego do jego normalnej temperatury topnienia, przeprowadzenie topnienia we wspomnianym temperatury, a następnie doprowadzenie cieczy do temperatury wzorcowej, w której podaje się standardowe entalpie tworzenia.

Oznacza to, że obliczana jest entalpia następujących procesów:

Powyższe przedstawia jednoetapowy proces, w którym pewna ilość A przechodzi ze stanu stałego w standardowej temperaturze i ciśnieniu odpowiednio T0 _i P0 _do stanu ciekłego w tej samej temperaturze i ciśnieniu. Entalpię tego procesu można obliczyć bezpośrednio ze standardowych entalpii tworzenia A w obu stanach.

Jest to ten sam proces, tylko przeprowadzany w inny sposób, polegający na doprowadzeniu ciała stałego do temperatury topnienia (T _fus ), stopieniu go w tej temperaturze, a następnie doprowadzeniu cieczy do temperatury normalnej T ₀ .

Ponieważ oba procesy rozpoczynają się i kończą w tych samych stanach, prawo Hessa wskazuje, że całkowite zmiany entalpii muszą być równe, a zatem:

Stąd rozwiązujemy równanie, aby znaleźć molową entalpię topnienia, co daje nam:

Bibliografia

Atkins, P. i dePaula, J. (2010). Atkinsa. Chemia fizyczna ( ^wyd . 8). Panamerican Medical Editorial.

Utajone ciepło topnienia . (nd). Fizyka z komputerem. http://www.sc.ehu.es/sbweb/fisica/estadistica/otros/fusion/fusion.htm

Chang, R. (2002). Fizykochemia ( ^wyd . 1). EDUKACJA MCGRAW HILL.

Entalpia syntezy jądrowej. Educaplus (2021). http://www.educaplus.org/elementos-quimicos/propiedades/entalpia-fusion.html

Ciepło fuzji. (2020, 15 sierpnia). https://chem.libretexts.org/@go/page/1936

Dowiedz się ChemE. (2020, 13 października). Oblicz ciepło reakcji w podwyższonej temperaturze [wideo]. Youtube. https://www.youtube.com/watch?v=dxBD0j2gzjo&t=252s

Ciepło molowe topnienia lodu . (2018, 5 kwietnia). nanopdf. https://nanopdf.com/download/molarne-ciepło-syntezy-lodu-5aec35580aeb3_pdf