Termokimia: memahami perubahan tenaga

Setiap tindak balas kimia juga ialah peristiwa tenaga. Termokimia ialah bab yang mengkaji tenaga itu, dari mana ia datang, ke mana ia pergi, dan cara kita mengukurnya. Pelajar sering menganggapnya sebagai formula untuk memasukkan nombor, tetapi pengiraan hanya masuk akal apabila anda faham apa yang berlaku secara fizikal. Penjelasan ini membina intuisi dahulu, kemudian menunjukkan bagaimana nombor menyusul.

Eksotermik dan endotermik: ke arah mana haba mengalir

Hanya ada dua kemungkinan, dan seluruh bab bergantung pada membezakannya.

• Tindak balas eksotermik membebaskan haba ke persekitaran. Suhu campuran dan bekasnya naik. Pembakaran, peneutralan dan kebanyakan tindak balas penyesaran adalah eksotermik.
• Tindak balas endotermik menyerap haba daripada persekitaran. Suhu turun dan campuran terasa sejuk. Pelarutan sesetengah garam dan sesetengah penguraian terma adalah endotermik.

Petunjuk paling boleh dipercayai dalam eksperimen ialah termometer: haba keluar bermaksud suhu naik (eksotermik), haba masuk bermaksud suhu turun (endotermik). Bab termokimia kembali kepada ujian ini berulang kali.

Dari mana sebenarnya tenaga datang

Inilah idea yang menjadikan segala-galanya masuk: memutuskan ikatan menyerap tenaga, dan membentuk ikatan membebaskan tenaga. Semasa tindak balas, ikatan dalam bahan tindak balas mesti diputuskan dahulu (tenaga masuk) dan ikatan baharu dalam hasil kemudian dibentuk (tenaga keluar). Perubahan haba keseluruhan hanyalah perbezaan antara kedua-duanya.

• Jika lebih banyak tenaga dibebaskan membentuk ikatan baharu daripada yang diserap memutuskan ikatan lama, tindak balas eksotermik secara keseluruhan.
• Jika kurang tenaga dibebaskan daripada yang diserap, tindak balas endotermik secara keseluruhan.

Sebab itu anda tidak perlu menghafal tindak balas mana yang eksotermik, anda boleh menaakulnya daripada ikatan. Perubahan haba tindak balas, diberi simbol ΔH, ialah beza bersih dua langkah ini.

Gambar rajah aras tenaga: gambar ΔH

Gambar rajah aras tenaga menjadikan idea ini satu lukisan. Paksi menegak ialah tenaga; bahan tindak balas berada pada satu aras dan hasil pada aras lain.

• Dalam tindak balas eksotermik, hasil dilukis lebih rendah daripada bahan tindak balas, kerana tenaga telah dibebaskan ke persekitaran. ΔH adalah negatif.
• Dalam tindak balas endotermik, hasil dilukis lebih tinggi daripada bahan tindak balas, kerana tenaga telah diserap. ΔH adalah positif.

Antara dua aras itu sentiasa ada bonggol, tenaga pengaktifan, tenaga minimum yang diperlukan untuk memulakan tindak balas dengan memutuskan ikatan pertama. Penurunan menuruni atau mendaki bukit selepas bonggol itu ialah ΔH. Mendapatkan arah anak panah itu dengan betul, dan tandanya, bernilai markah mudah dalam Kertas 2.

Empat haba yang mesti anda tahu

SPM menamakan empat kuantiti haba tindak balas tertentu, setiap satu ditakrifkan per mol:

• Haba peneutralan, haba dibebaskan apabila asid dan alkali bertindak balas membentuk satu mol air.
• Haba penyesaran, haba dibebaskan apabila satu mol logam disesarkan daripada garamnya oleh logam yang lebih reaktif.
• Haba pemendakan, haba dibebaskan apabila satu mol mendakan terbentuk.
• Haba pembakaran, haba dibebaskan apabila satu mol bahan dibakar lengkap dalam oksigen.

Keempat-empatnya eksotermik, jadi keempat-empatnya membawa ΔH negatif. Pembakaran alkohol dan haba peneutralan ialah dua eksperimen yang paling banyak disoal.

Pengiraan, dan makna setiap bahagian

Mengukur perubahan haba bermuara kepada satu formula bagi haba yang diperoleh atau hilang oleh larutan:

Q = mcθ

di mana m ialah jisim larutan dalam gram, c ialah muatan haba tentunya (diambil sebagai kira-kira 4.2 J g⁻¹ °C⁻¹, nilai bagi air), dan θ ialah perubahan suhu. Dua andaian piawai menjadikan ini boleh dikerjakan: larutan mempunyai ketumpatan air (1 g cm⁻³, jadi 1 cm³ berjisim 1 g) dan berkelakuan terma seperti air. Untuk menukar Q kepada haba tindak balas molar, bahagikan dengan bilangan mol yang bertindak balas: panduan haba tindak balas per mol kami menerangkannya dengan jelas.

Satu contoh terkerja

Katakan 50 cm³ asid hidroklorik 1.0 mol dm⁻³ dicampur dengan 50 cm³ natrium hidroksida 1.0 mol dm⁻³, dan suhu naik 6.8 °C. Jumlah jisim larutan ialah 50 + 50 = 100 g.

Mula-mula haba dibebaskan: Q = mcθ = 100 × 4.2 × 6.8 = 2856 J.

Kemudian mol air yang terbentuk: mol asid = 0.050 dm³ × 1.0 mol dm⁻³ = 0.05 mol, yang menghasilkan 0.05 mol air. Jadi haba peneutralan = 2856 ÷ 0.05 = 57 120 J, atau kira-kira 57.1 kJ per mol air. Kerana haba dibebaskan, kita tulis ΔH = −57.1 kJ mol⁻¹. Anda boleh berlatih keseluruhan prosedur dalam eksperimen menentukan haba peneutralan.

Menjadikannya masuk

Perangkap dalam bab ini ialah melakukan aritmetik tanpa maknanya. Latih diri anda untuk menyatakan, bagi setiap soalan, sama ada haba mengalir masuk atau keluar, sama ada suhu naik atau turun, dan sama ada ΔH oleh itu positif atau negatif, sebelum anda menyentuh Q = mcθ. Sebaik cerita fizikal dan nombor bersetuju, ralat tanda yang cuai lenyap. Jika gambar rajah aras tenaga atau langkah mol masih menyandung anda, pelajaran dalam talian satu-ke-satu yang ringkas boleh menjadikannya nyata dengan satu dua contoh terkerja, guru kami mengajar dalam bahasa Inggeris dari RM50 sejam, dengan percubaan satu jam berbayar untuk bermula.