17.13: Теплота розчину

При приготуванні розведень концентрованої сірчаної кислоти, вказівки зазвичай закликають додавати кислоту повільно в воду при частому перемішуванні. При змішуванні цієї кислоти з водою в процесі розчинення виділяється велика кількість тепла. Якби в воду додавали кислоту, вода швидко нагрівалася і бризкала, завдаючи шкоди людині, яка робить розчин.

Теплота розчину

Зміни ентальпії також відбуваються, коли розчинена речовина проходить фізичний процес розчинення в розчиннику. Гарячі пакети та холодні пакети (див. Малюнок нижче) використовують цю властивість. Багато гарячих пакетів використовують хлорид кальцію, який виділяє тепло при його розчиненні, згідно з рівнянням нижче.

$$\ce{CaCl_2} \left (s \right) \rightarrow \ce{Ca^{2+}} \left( aq \right) + 2 \ce{Cl^-} \left( aq \right) + 82.8 \: \text{kJ}\nonumber$$

Молярне тепло розчину$\left( \Delta H_\text{soln} \right)$ речовини - це тепло, поглинене або виділяється при розчиненні однієї молі речовини у воді. Для хлориду кальцію,$\Delta H_\text{soln} = -82.8 \: \text{kJ/mol}$.

Малюнок$\PageIndex{1}$: Хімічні гарячі пакети і холодні пакети працюють через нагрівання розчину хімічних речовин всередині них. Коли мішок стискається, внутрішній мішечок лопається, дозволяючи хімічній речовині розчинятися у воді. Тепло виділяється в гарячій упаковці і поглинається в холодній упаковці. (КУБ.СМ ПО-НК; К-12)

У багатьох холодних упаковках використовується аміачна селітра, яка поглинає тепло з навколишнього середовища при його розчиненні.

$$\ce{NH_4NO_3} \left( s \right) + 25.7 \: \text{kJ} \rightarrow \ce{NH_4^+} \left( aq \right) + \ce{NO_3^-} \left( aq \right)\nonumber$$

Холодні пакети зазвичай використовуються для лікування м'язових напружень і хворих суглобів. Холодний пакет активується і прикладається до ураженої ділянки. У міру розчинення аміачної селітри вона поглинає тепло з організму і допомагає обмежити набряки. Для аміачної селітри,$\Delta H_\text{soln} = 25.7 \: \text{kJ/mol}$.

Приклад$\PageIndex{1}$

Молярна теплота розчину,$\Delta H_\text{soln}$, з$\ce{NaOH}$ є$-44.51 \: \text{kJ/mol}$. У певному експерименті$50.0 \: \text{g}$ з повністю$\ce{NaOH}$ розчиняється у$20.0^\text{o} \text{C}$ воді в$1.000 \: \text{L}$ пінопластовій чашці калориметра. Припускаючи відсутність тепловтрат, розрахуйте кінцеву температуру води.

Рішення

Крок 1: Перерахуйте відомі величини та плануйте проблему.

Відомий

• Маса$\ce{NaOH} = 50.0 \: \text{g}$
• Молярна маса$\ce{NaOH} = 40.00 \: \text{g/mol}$
• $\Delta H_\text{soln} \: \left( \ce{NaOH} \right) = -44.51 \: \text{kJ/mol}$
• Маса$\ce{H_2O} = 1.000 \: \text{kg} = 1000. \: \text{g}$ (передбачає щільність$= 1.00 \: \text{g/mL}$)
• $T_\text{initial} \: \left( \ce{H_2O} \right) = 20.0^\text{o} \text{C}$
• $c_p \: \left( \ce{H_2O} \right) = 4.18 \: \text{J/g}^\text{o} \text{C}$

Невідомий

Це багатоетапна проблема:

1)$\ce{NaOH}$ Грами перетворюються на родимки.

2) Кроти множать на молярну теплоту розчину.

3) Джоулі теплоти, що виділяється в процесі розчинення, використовують з питомим рівнянням теплоємності і загальною масою розчину для розрахунку$\Delta T$.

4)$T_\text{final}$ Визначається з$\Delta T$.

Крок 2: Вирішіть.

$$50.0 \: \text{g} \: \ce{NaOH} \times \frac{1 \: \text{mol} \: \ce{NaOH}}{40.00 \: \text{g} \: \ce{NaOH}} \times \frac{-44.51 \: \text{kJ}}{1 \: \text{mol} \: \ce{NaOH}} \times \frac{1000 \: \text{J}}{1 \: \text{kJ}} = -5.56 \times 10^4 \: \text{J}\nonumber$$

$$\Delta T = \frac{\Delta H}{c_p \times m} = \frac{-5.56 \times 10^4 \: \text{J}}{4.18 \: \text{J/g}^\text{o} \text{C} \times 1050 \: \text{g}} = 13.2^\text{o} \text{C}\nonumber$$

$$T_\text{final} = 20.0^\text{o} \text{C} + 13.2^\text{o} \text{C} = 33.2^\text{o} \text{C}\nonumber$$

Крок 3: Подумайте про свій результат.

Процес розчинення виділяє велику кількість тепла, через що температура розчину підвищується. Необхідно дотримуватися обережності при приготуванні концентрованих розчинів гідроксиду натрію, через велику кількість виділяється тепла.

Резюме

• Молярне тепло розчину$\left( \Delta H_\text{soln} \right)$ речовини - це тепло, поглинене або виділяється при розчиненні однієї молі речовини у воді.
• Наведено зразки розрахунків з використанням молярної теплоти розчину.