Haba pembakaran

Halaman ini meliputi satu standard kandungan Termokimia Tingkatan 5: haba pembakaran. Ia menerapkan kaedah Q = mcθ yang sama seperti yang anda guna untuk peneutralan, penyesaran dan pemendakan, tetapi di sini bahan api terbakar di udara dan memanaskan air, bukan bertindak balas dalam larutan. Pengiraan ini kegemaran tetap dalam peperiksaan, dan eksperimennya juga membawa perbincangan klasik “mengapa nilainya rendah?” yang gemar diuji pemeriksa.

Apa itu haba pembakaran

Haba pembakaran ialah haba yang dibebaskan apabila satu mol bahan dibakar dengan lengkap dalam oksigen berlebihan. Pembakaran ialah tindak balas bahan dengan oksigen yang membebaskan haba, dan pembakaran lengkap bermaksud terdapat oksigen yang cukup untuk bahan api terbakar sepenuhnya, bagi hidrokarbon atau alkohol, hasilnya ialah karbon dioksida dan air.

Contohnya, pembakaran lengkap etanol ialah:

C₂H₅OH + 3O₂ → 2CO₂ + 3H₂O

Pembakaran membebaskan haba kepada persekitaran, jadi ia sangat eksotermik, dan ΔH adalah negatif. Definisi ini menetapkan amaun kepada satu mol bahan yang dibakar, supaya bahan api yang berbeza boleh dibandingkan secara adil.

Perhatikan dua syarat yang mesti muncul dalam definisi penuh: satu mol bahan, dan pembakaran lengkap dalam oksigen berlebihan. Jika oksigen terhad, pembakaran tak lengkap berlaku sebaliknya, menghasilkan karbon monoksida atau jelaga (karbon) dan membebaskan haba yang lebih sedikit, soalan perbandingan yang lazim.

Eksperimen dan pengiraan

Dalam eksperimen sekolah, jisim bahan api yang diukur dalam pelita spirit dibakar untuk memanaskan isipadu air yang diketahui dalam tin kuprum. Anda merekod jisim bahan api yang terbakar dan kenaikan suhu air, kemudian mengerjakan tiga langkah.

1. Haba yang diperoleh air, Q = mcθ, m ialah jisim air dalam gram (ketumpatan 1 g cm⁻³, jadi cm³ air sama dengan gram), c ialah muatan haba tentu air (4.2 J g⁻¹ °C⁻¹), dan θ ialah kenaikan suhu dalam °C.
2. Bilangan mol bahan api yang terbakar = jisim bahan api yang terbakar ÷ jisim molar bahan api.
3. Haba pembakaran, ΔH = −Q ÷ mol bahan api, dalam kJ mol⁻¹, ditulis dengan tanda negatif.

Contoh penyelesaian

Soalan. Dalam satu eksperimen, 0.92 g etanol (C₂H₅OH) dibakar dengan lengkap dan haba digunakan untuk menaikkan suhu 200 cm³ air daripada 28.0 °C ke 55.0 °C. Kira haba pembakaran etanol. (c = 4.2 J g⁻¹ °C⁻¹; ketumpatan air = 1 g cm⁻³; jisim atom relatif: H = 1, C = 12, O = 16.)

Langkah 1, Jisim air. m = 200 × 1 = 200 g

Langkah 2, Kenaikan suhu. θ = 55.0 − 28.0 = 27.0 °C

Langkah 3, Haba yang diperoleh air. Q = mcθ = 200 × 4.2 × 27.0 = 22 680 J = 22.68 kJ

Langkah 4, Bilangan mol etanol yang terbakar. Jisim molar C₂H₅OH = (2 × 12) + (6 × 1) + 16 = 46 g mol⁻¹ Mol = 0.92 g ÷ 46 g mol⁻¹ = 0.020 mol

Langkah 5, Haba pembakaran. ΔH = −Q ÷ mol = −22.68 kJ ÷ 0.020 mol = −1134 kJ mol⁻¹

Jawapan. Haba pembakaran etanol ialah −1134 kJ mol⁻¹; tanda negatif menunjukkan tindak balas itu eksotermik.

Soalan latihan

Soalan. 0.64 g metanol (CH₃OH) dibakar dengan lengkap dan memanaskan 250 cm³ air daripada 27.0 °C ke 45.0 °C. Kira haba pembakaran metanol. (c = 4.2 J g⁻¹ °C⁻¹; ketumpatan = 1 g cm⁻³; H = 1, C = 12, O = 16.)

Jawapan. Jisim air = 250 × 1 = 250 g. Kenaikan suhu θ = 45.0 − 27.0 = 18.0 °C. Haba diperoleh Q = mcθ = 250 × 4.2 × 18.0 = 18 900 J = 18.9 kJ. Jisim molar CH₃OH = 12 + (4 × 1) + 16 = 32 g mol⁻¹, jadi mol = 0.64 ÷ 32 = 0.020 mol. ΔH = −18.9 kJ ÷ 0.020 mol = −945 kJ mol⁻¹. Tanda negatif mengesahkan pembakaran itu eksotermik.

Mengapa nilai eksperimen lebih rendah daripada nilai buku data

Soalan peperiksaan yang sangat lazim bertanya mengapa haba pembakaran yang diukur dalam eksperimen sekolah lebih rendah (kurang eksotermik) daripada nilai yang diterima. Sebab piawainya semuanya bentuk kehilangan haba:

• haba hilang kepada persekitaran, kepada udara dan tin kuprum, bukannya semuanya masuk ke dalam air,
• pembakaran tak lengkap bahan api menghasilkan jelaga pada tin dan membebaskan haba yang lebih sedikit,
• sebahagian bahan api tersejat tanpa terbakar, dan haba juga hilang oleh air sambil ia memanas.

Untuk mengurangkan ralat ini, anda boleh menggunakan adang angin untuk mengurangkan bayu, meletakkan nyalaan dekat dengan tin, dan menggunakan penutup, tetapi sedikit kehilangan sentiasa kekal, sebab itulah nilai eksperimen kurang daripada nilai sebenar. Berupaya menyatakan sebab-sebab ini dengan jelas bernilai beberapa markah.

Petua peperiksaan

Dua nilai jisim muncul dalam soalan pembakaran, dan mengelirukan keduanya ialah ralat klasik: guna jisim air dalam Q = mcθ, dan jisim bahan api untuk mencari mol bahan api. Kekalkan langkah mengikut urutan, jisim air, kenaikan suhu, Q = mcθ, mol bahan api, kemudian ΔH, dan sentiasa tamatkan dengan tanda negatif dan unit kJ mol⁻¹. Pelajari pengiraan jisim molar bagi alkohol yang lazim (metanol 32, etanol 46, propanol 60) supaya anda pantas dalam tekanan. Dan bersedia untuk soalan susulan: jika ditanya mengapa nilai anda lebih rendah daripada nilai sebenar, berikan kehilangan haba kepada persekitaran, pembakaran tak lengkap dan penyejatan bahan api sebagai sebabnya.

Di mana ini terletak

Ini standard kandungan 11.5 bab Termokimia, dan ia selalunya jenis pengiraan terakhir dalam bab ini. Ia menggunakan idea eksotermik dan kaedah Q = mcθ daripada standard terdahulu, dan berhubung dengan bahan api serta alkohol daripada Sebatian Karbon. Kukuhkan definisi dan perbincangan kehilangan haba dengan nota ulang kaji bab ini, dan latih pengiraan dua-jisim dengan contoh penyelesaian. Dalam kelas Kimia SPM 1-ke-1 dalam talian kami, diajar dalam bahasa Inggeris, dari RM50/jam, guru kami memastikan pelajar tidak pernah mengelirukan jisim air dengan jisim bahan api, kerana tergelincir tunggal itu ialah cara paling lazim markah hilang di sini, dan kuantiti ini diuji sepanjang Kimia SPM.

Imbasan pantas

• Definisi: haba dibebaskan apabila satu mol bahan dibakar dengan lengkap dalam oksigen berlebihan.
• Pembakaran ialah eksotermik, jadi ΔH negatif.
• Pengiraan: Q = mcθ (guna jisim air), kemudian ΔH = −Q ÷ mol bahan api, dalam kJ mol⁻¹.
• Nilai eksperimen lebih rendah daripada nilai buku data kerana kehilangan haba, pembakaran tak lengkap dan penyejatan.