Back to chapter

6.8:

Sabit Basınç Kalorimetrisi

JoVE Core
Chemistry
This content is Free Access.
JoVE Core Chemistry
Constant Pressure Calorimetry

Languages

Share

Atmosferik basınç gibi sabit basınç altında gerçekleştirilen bir kimyasal reaksiyon için, işlem sırasında değiş tokuş edilen ısı, entalpi değişimi, delta H, olarak ölçülür. Reaksiyon entalpi değişimi, kalorimetri adı verilen bir teknik kullanılarak ölçülen sıcaklık değişimi olarak kendini gösterir. Kalorimetride, reaksiyon, kalorimetre adı verilen kapalı ve kalibre edilmiş bir kapta gerçekleştirilir.Kalorimetre iyi yalıtılmıştır ve kendisi ile çevresi arasında herhangi bir ısı akışı mevcut değildir. Böylece, sistemi oluşturan reaktanlar ve ürünler ile çevresi olan kalorimetre arasındaki ısı alışverişi, kalorimetrede sonraki sıcaklık değişiklikleri izlenerek doğru bir şekilde hesaplanabilir. Reaksiyon ekzotermik ise ısı sistemden çevreye akar ve sıcaklık yükselir.Tersine, reaksiyon endotermik ise, ısı çevreden sisteme akar ve kalorimetrenin sıcaklığının düşmesine neden olur. Basit bir kahve fincanı kalorimetresi, sabit basınç koşulları altında bir çözeltide meydana gelen bir reaksiyonun entalpisindeki değişimi ölçer. Kalorimetre, iç içe yerleştirilmiş ve bir termometre ve bir karıştırıcı ile donatılmış iki adet Strafordan yapılmış kahve fincanından oluşur.Kalorimetre, atmosfere açık olan sabit basınç koşullarını korumak için gevşek bir mantar kapakla kapatılmıştır. Her bir 1, 0 molar sulu hidroklorik asit ve 1, 0 molar sulu potasyum hidroksitin 50, 0 mililitresinin, çözeltinin sıcaklığını 6, 9 Santigrat derece yükseltmek için kalorimetre içinde reaksiyona girdiğini varsayalım. Çözelti tarafından emilen ısı özgül ısısına yani, suyunki ile aynı olan Cs, 4, 18 joule gram Santigrat derece, çarpı toplam kütlesi, m, 100, 0 gram çarpı sıcaklık değişimidir.Çözeltinin ısısı, 2, 9 çarpı on üzeri üç joule veya 3 kilojoule’dur. Reaksiyonun ısısı aynı değere sahiptir, ancak zıt işaretlidir. Basınç sabit olduğundan, entalpi değişimi reaksiyonun ısısı ile aynıdır.Mol başına reaksiyonun entalpi değişimini bulmak için, entalpi hidroklorik asit mol sayısına bölünür. Hidroklorik asit molleri, hacmin litre cinsinden molarite, 1 molar ile çarpılmasıyla bulunur. Bu nedenle, 0, 050 mol’e bölünen eksi 2, 9 kilojoule, mol başına eksi 58 kilo joule verir.

6.8:

Sabit Basınç Kalorimetrisi

Kalorimetre, kimyasal veya fiziksel bir işlemde yer alan ısı miktarını ölçmek veya bir maddeye veya bir maddeden aktarılan ısıyı ölçmek için kullanılan bir tekniktir. Isı, kalorimetre adı verilen kalibre edilmiş ve yalıtılmış bir cihazla değiştirilir. Kalorimetre deneyleri, yalıtılmış kalorimetre ile dış ortam arasında ısı alışverişi olmadığı varsayımına dayanmaktadır. İyi yalıtılmış kalorimetreler, kalorimetre ile dış ortam arasında ısı transferini engeller, bu da “çevreyi” kalorimetre içindeki sistem dışı bileşenlere (ve kalorimetrenin kendisine) etkili bir şekilde sınırlar. Bu, gıdaların enerji içeriği gibi kimyasal işlemlerde yer alan ısının doğru bir şekilde belirlenmesini sağlar. 

Kalorimetre ile ölçülen sıcaklık değişimi, incelenen işlem tarafından aktarılan ısı miktarını türetmek için kullanılır. Bir kalorimetrede, bir sistem kimyasal veya fiziksel değişime uğrayan madde veya maddeler olarak tanımlanır veya başka bir deyişle reaksiyon ve çevresi, çözelti ve kalorimetredeki sisteme ısı sağlayan veya sistemden ısıyı absorblayan diğer bileşenler dahil olmak üzere tüm diğer maddelerdir.

Kimyasal reaksiyonların kalorimetrisini tartışmadan önce, kalorimetrinin arkasındaki ana fikri gösteren daha basit bir örnek düşünelim. Yüksek sıcaklıktaki sıcak bir metal parçasının soğuk su gibi düşük sıcaklıktaki bir maddeye yerleştirildiğini varsayalım. Isı, sıcak metalden suya akacaktır. Metalin sıcaklığı düşecek ve suyun sıcaklığı, iki madde aynı sıcaklığa —yani termal dengeye ulaşana kadar— artacaktır. Bu bir kalorimetrede meydana gelirse, ısının tamamı iki madde arasında aktarılır, dış ortam tarafından hiçbir ısı kazanılmaz veya kaybedilmez. Bu ideal koşullar altında net ısı değişimi sıfırdır:

Bu ilişki, metal tarafından kazanılan ısının, sudaki madde tarafından kaybedilen ısıya eşit olduğunu göstermek için yeniden düzenlenebilir:

Bu nedenle, ısının büyüklüğü (değişim) her iki madde için de aynıdır. Negatif işaret sadece qmetal ve qsu‘yun(qwater) ısı akışı yönünün tersi olduğunu (kazanç veya kayıp) gösterir, ancak her iki q değerinin aritmetik işaretini göstermez (bu, tanıma göre söz konusu maddenin ısı kazanıp kaybetmediğine göre belirlenir). Tarif edilen özel durumda, qmetal negatif bir değerdir ve qsu pozitif bir değerdir çünkü ısı metalden suya aktarılır.

Kimyasal reaksiyonda yer alan ısıyı belirlemek için kalorimetre kullanırken, aynı ilkeler geçerlidir. Kalorimetre tarafından emilen ısı miktarı çoğu zaman ihmal edilebilecek kadar küçüktür ve kalorimetre dış ortamla enerji alışverişini en aza indirir. Bir kalorimetre içindeki çözeltide ekzotermik bir reaksiyon meydana geldiğinde, reaksiyon tarafından üretilen ısı, çözelti tarafından emilir ve bu da sıcaklığını arttırır. Endotermik bir reaksiyon meydana geldiğinde, gerekli olan ısı, çözeltinin ısıl enerjisinden emilir ve bu da sıcaklığını düşürür. Çözeltinin özgül ısısı (csoln) ve kütlesi (msoln) ile birlikte sıcaklık değişimi (ΔT), her iki durumda da dahil olan ısı miktarını (qsoln) hesaplamak için kullanılabilir.

Kahve fincanı kalorimetresi olarak adlandırılan basit bir kalorimetre, gevşek bir kapakla kapatılmış iki iç içe geçmiş polistiren kaptan yapılmıştır. Kahve fincanı kalorimetreleri, çözeltilerde (çoğunlukla sulu çözeltiler) yer alan ve hiç hacim değişikliği içermeyen veya çok az hacim değişikliği içeren reaksiyonların ısısını ölçmek için kullanılır. Bir kimyasal reaksiyon sırasında enerji ne oluşturulduğu ne de yok edildiği için, reaksiyonda üretilen veya tüketilen ısı (“sistem”), qrxn artı çözelti tarafından emilen veya kaybedilen ısı (“çevre”), qsoln, sıfıra eşit olmalıdır:

Bu, reaksiyonda üretilen veya tüketilen ısı miktarının, çözelti tarafından emilen veya kaybedilen ısı miktarına eşit olduğu anlamına gelir:

Kahve fincanı kalorimetresi, sabit basınçlı bir kalorimetredir ve reaksiyonun ölçülen ısısı, entalpideki değişime eşdeğerdir.

Bu metin bu kaynaktan uyarlanmıştır: Openstax, Chemistry 2e, Section 5.2: Calorimetry.

Suggested Reading

  1. Banna, M. Salim. "A heater for constant-pressure calorimetry." Journal of Chemical Education 63, no. 11 (1986): 997.
  2. Ruekberg, Ben. "An economical, safe, and sturdy student calorimeter." Journal of Chemical Education 71, no. 4 (1994): 333.
  3. Stankus, John J., and Jennifer D. Caraway. "Replacement of coffee cup calorimeters with fabricated beaker calorimeters." Journal of Chemical Education 88, no. 12 (2011): 1730-1731.