Как найти энтальпию плавления

Логарифмический график энтальпий плавления и кипения в зависимости от температур плавления и кипения для чистых элементов. Линейная зависимость энтальпии плавления от температуры известна как правило Ричарда.

Энтальпии плавления и кипения чистых элементов в зависимости от температур перехода, демонстрирующие Правило Траутона.

В энтальпия плавления вещества, также известного как (скрытая) теплота плавления изменение в его энтальпия в результате предоставления энергия обычно нагревают до определенного количества вещества, чтобы изменить его состояние с твердого на жидкое при постоянном давлении. Например, при плавлении 1 кг льда (при 0 ° C и широкий диапазон давлений ) 333,55 кДж энергии поглощается без изменения температуры. В теплота застывания (когда вещество переходит из жидкого в твердое) равно и противоположно.

Эта энергия включает вклад, необходимый для того, чтобы освободить место для любого связанного изменения объема за счет смещения окружающей среды против давления окружающей среды. Температура, при которой фаза перехода происходит это температура плавления или точка замерзания, в зависимости от контекста. Условно предполагается, что давление составляет 1 атм (101,325 кПа), если не указано иное.

Обзор

«Энтальпия» плавления — это скрытая теплота Поскольку во время плавления тепловая энергия, необходимая для преобразования вещества из твердого в жидкое при атмосферном давлении, является скрытой теплотой плавления, так как температура остается постоянной во время процесса. Скрытая теплота плавления — это изменение энтальпии любого количества вещества при его плавлении. Когда теплота плавления относится к единице массы, ее обычно называют теплотой плавления. удельная теплота плавления, в то время как молярная теплота плавления относится к изменению энтальпии на количество вещества в родинки.

Жидкая фаза имеет более высокую внутреннюю энергию, чем твердая фаза. Это означает, что энергия должна подаваться к твердому телу, чтобы расплавить его, а энергия выделяется из жидкости, когда она замерзает, потому что молекулы в жидком опыте слабее межмолекулярные силы и поэтому имеют более высокую потенциальную энергию (своего рода энергия диссоциации связи для межмолекулярных сил).

Когда жидкая вода охлаждается, ее температура постоянно падает, пока не упадет чуть ниже линии точки замерзания при 0 ° C. Затем температура остается постоянной на уровне точки замерзания, пока вода кристаллизуется. Как только вода полностью замерзнет, ​​ее температура продолжает падать.

Энтальпия плавления почти всегда положительная величина; гелий это единственное известное исключение.[1] Гелий-3 имеет отрицательную энтальпию плавления при температурах ниже 0,3 К. Гелий-4 также имеет очень немного отрицательную энтальпию плавления ниже 0,77 К (-272,380 ° C). Это означает, что при соответствующем постоянном давлении эти вещества замерзают с добавлением тепла.[2] В случае 4Он, этот диапазон давления составляет от 24,992 до 25,00 атм (2533 кПа).[3]

Стандартное изменение энтальпии плавления за третий период

Вещество Теплота плавления
(кал / г) (Дж / г)
воды 79.72 333.55
метан 13.96 58.99
пропан 19.11 79.96
глицерин 47.95 200.62
муравьиная кислота 66.05 276.35
уксусная кислота 45.90 192.09
ацетон 23.42 97.99
бензол 30.45 127.40
миристиновая кислота 47.49 198.70
пальмитиновая кислота 39.18 163.93
ацетат натрия 63–69 264–289[4]
стеариновая кислота 47.54 198.91
галлий 19.2 80.4
парафиновая свеча (C25ЧАС52) 47.8-52.6 200–220

Эти значения в основном взяты из CRC Справочник по химии и физике, 62-е изд. Для преобразования кал / г и Дж / г в приведенной выше таблице используется термохимический калорийность (калth) = 4,184 джоулей, а не калорийность по Международной паровой таблице (кал.INT) = 4,1868 джоулей.

Примеры

A) Для нагрева 1 кг (1,00 литра) воды от 283,15 K до 303,15 K (от 10 ° C до 30 ° C) требуется 83,6 кДж. Однако для таяния льда также требуется энергия. Мы можем рассматривать эти два процесса независимо; Таким образом, для нагрева 1 кг льда с 273,15 K до воды с температурой 293,15 K (от 0 ° C до 20 ° C) требуется:

(1) 333,55 Дж / г (теплота плавления льда) = 333,55 кДж / кг = 333,55 кДж на 1 кг льда, который тает.
PLUS
(2) 4,18 Дж / (г · К) × 20 К = 4,18 кДж / (кг · К) × 20 К = 83,6 кДж для 1 кг воды для повышения температуры на 20 К.

= 417,15 кДж

Из этих рисунков видно, что одна часть льда при 0 ° C охлаждает почти ровно 4 части воды с 20 ° C до 0 ° C.

Б) Кремний имеет теплоту плавления 50,21 кДж / моль. 50 кВт мощности могут обеспечить энергию, необходимую для плавления около 100 кг кремния за один час после того, как он будет доведен до температуры плавления:

50 кВт = 50кДж / с = 180000кДж / ч

180000кДж/ ч * (1 моль Si) /50.21кДж * 28граммSi/ (моль Si) * 1кгSi/1000граммSi = 100.4кг / ч

Прогноз растворимости

Теплота плавления также может использоваться для прогнозирования растворимость для твердых тел в жидкостях. При условии идеальное решение получается мольная доля (x_ {2}) растворенного вещества при насыщении является функцией теплоты плавления, температура плавления твердого (T _ {{{mathit {fus}}}}) и температура (T) решения:

ln x_ {2} = - {frac {Delta H _ {{{mathit {fus}}}} ^ {circ}} {R}} left ({frac {1} {T}} - {frac {1} {T_ {{{mathit {fus}}}}}} ight)

Здесь R — газовая постоянная. Например, растворимость парацетамол в воде на 298 K прогнозируется:

x_ {2} = exp {left (- {frac {28100 {mbox {J mol}} ^ {{- 1}}} {8,314 {mbox {JK}} ^ {{- 1}} {mbox {mol}}) ^ {{- 1}}}} влево ({frac {1} {298}} - {frac {1} {442}} ight) ight)} = 0,0248

Это соответствует растворимости в граммах на литр:

{displaystyle {frac {0,0248 * {frac {1000 {mbox {g}}} {18.0153 {mbox {mol}} ^ {- 1}}}} {1-0.0248}} * 151.17 {mbox {mol}} ^ { -1} = 213,4}

что является отклонением от реальной растворимости (240 г / л) на 11%. Эту ошибку можно уменьшить, если дополнительно теплоемкость параметр учитывается.[5]

Доказательство

В равновесие в химические потенциалы для чистого растворителя и чистого твердого вещества идентичны:

mu _ {{solid}} ^ {circ} = mu _ {{решение}} ^ {circ},

или же

mu _ {{твердое тело}} ^ {circ} = mu _ {{жидкость}} ^ {circ} + RTln X_ {2},

с Р, в газовая постоянная и Т, в температура.

Перестановка дает:

RTln X_ {2} = - (mu _ {{жидкость}} ^ {circ} -mu _ {{твердое тело}} ^ {circ}),

и с тех пор

{displaystyle Delta G_ {mathit {fus}} ^ {circ} = mu _ {жидкость} ^ {circ} -mu _ {solid} ^ {circ},}

теплота плавления представляет собой разницу в химическом потенциале между чистой жидкостью и чистым твердым телом, отсюда следует, что

RTln X_ {2} = - (Delta G _ {{{mathit {fus}}}} ^ {circ}),

Применение Уравнение Гиббса – Гельмгольца.:

left ({frac {partial ({frac {Delta G _ {{{mathit {fus}}}} ^ {circ}} {T}})} {partial T}} ight) _ {{p,}} = - { гидроразрыв {Дельта H _ {{{mathit {fus}}}} ^ {circ}} {T ^ {2}}}

в конечном итоге дает:

left ({frac {partial (ln X_ {2})} {partial T}} ight) = {frac {Delta H _ {{{mathit {fus}}}} ^ {circ}} {RT ^ {2}}}

или же:

частичный ln X_ {2} = {frac {Delta H _ {{{mathit {fus}}}} ^ {circ}} {RT ^ {2}}} * delta T

и с интеграция:

{displaystyle int _ {X_ {2} = 1} ^ {X_ {2} = x_ {2}} delta ln X_ {2} = ln x_ {2} = int _ {T_ {mathit {fus}}} ^ { T} {frac {Delta H_ {mathit {fus}} ^ {circ}} {RT ^ {2}}} * Delta T}

конечный результат получается:

ln x_ {2} = - {frac {Delta H _ {{{mathit {fus}}}} ^ {circ}} {R}} left ({frac {1} {T}} - {frac {1} {T_ {{{mathit {fus}}}}}} ight)

Смотрите также

  • Теплота испарения
  • Теплоемкость
  • Термодинамические базы данных чистых веществ
  • Метод Joback (Оценка теплоты плавления по молекулярной структуре)
  • Скрытая теплота
  • Энергия решетки
  • Теплота разбавления

Примечания

  1. ^ Аткинс и Джонс 2008, п. 236.
  2. ^ Ott & Boerio-Goates 2000 С. 92–93.
  3. ^ Hoffer, J. K .; Gardner, W. R .; Waterfield, C.G .; Филлипс, Н. Э. (апрель 1976 г.). «Термодинамические свойства 4Он. II. Фаза ОЦК и фазовые диаграммы P-T и VT ниже 2 K ». Журнал физики низких температур. 23 (1): 63–102. Bibcode:1976JLTP … 23 … 63H. Дои:10.1007 / BF00117245.
  4. ^ Ибрагим Динсер и Марк А. Розен. Накопители тепловой энергии: системы и приложения, стр.155
  5. ^ Измерение и прогноз растворимости парацетамола в водно-изопропанольном растворе. Часть 2. Прогноз. Х. Ходжати и С. Рохани Org. Процесс Res. Dev .; 2006; 10 (6) pp 1110–1118; (Статья) Дои:10.1021 / op060074g

Рекомендации

  • Аткинс, Питер; Джонс, Лоретта (2008), Химические принципы: поиски понимания (4-е изд.), W.H. Freeman and Company, p. 236, г. ISBN  0-7167-7355-4
  • Отт, Б.Дж. Беван; Boerio-Goates, Джулиана (2000), Химическая термодинамика: современные приложения, Academic Press, ISBN  0-12-530985-6

From Wikipedia, the free encyclopedia

A log-log plot of the enthalpies of melting and boiling versus the melting and boiling temperatures for the pure elements. The linear relationship between the enthalpy of melting the temperature is known as Richard's rule.

Enthalpies of melting and boiling for pure elements versus temperatures of transition, demonstrating Trouton’s rule

In thermodynamics, the enthalpy of fusion of a substance, also known as (latent) heat of fusion, is the change in its enthalpy resulting from providing energy, typically heat, to a specific quantity of the substance to change its state from a solid to a liquid, at constant pressure.

It is the amount of energy required to convert one mole of solid into liquid. For example, when melting 1 kg of ice (at 0 °C under a wide range of pressures), 333.55 kJ of energy is absorbed with no temperature change. The heat of solidification (when a substance changes from liquid to solid) is equal and opposite.

This energy includes the contribution required to make room for any associated change in volume by displacing its environment against ambient pressure. The temperature at which the phase transition occurs is the melting point or the freezing point, according to context. By convention, the pressure is assumed to be 1 atm (101.325 kPa) unless otherwise specified.

Overview[edit]

The ‘enthalpy’ of fusion is a latent heat, because, while melting, the heat energy needed to change the substance from solid to liquid at atmospheric pressure is latent heat of fusion, as the temperature remains constant during the process. The latent heat of fusion is the enthalpy change of any amount of substance when it melts. When the heat of fusion is referenced to a unit of mass, it is usually called the specific heat of fusion, while the molar heat of fusion refers to the enthalpy change per amount of substance in moles.

The liquid phase has a higher internal energy than the solid phase. This means energy must be supplied to a solid in order to melt it and energy is released from a liquid when it freezes, because the molecules in the liquid experience weaker intermolecular forces and so have a higher potential energy (a kind of bond-dissociation energy for intermolecular forces).

When liquid water is cooled, its temperature falls steadily until it drops just below the line of freezing point at 0 °C. The temperature then remains constant at the freezing point while the water crystallizes. Once the water is completely frozen, its temperature continues to fall.

The enthalpy of fusion is almost always a positive quantity; helium is the only known exception.[1] Helium-3 has a negative enthalpy of fusion at temperatures below 0.3 K. Helium-4 also has a very slightly negative enthalpy of fusion below 0.77 K (−272.380 °C). This means that, at appropriate constant pressures, these substances freeze with the addition of heat.[2] In the case of 4He, this pressure range is between 24.992 and 25.00 atm (2,533 kPa).[3]

Standard enthalpy change of fusion of period three

Substance Heat of fusion
(cal/g) (J/g)
water 79.72 333.55
methane 13.96 58.99
propane 19.11 79.96
glycerol 47.95 200.62
formic acid 66.05 276.35
acetic acid 45.90 192.09
acetone 23.42 97.99
benzene 30.45 127.40
myristic acid 47.49 198.70
palmitic acid 39.18 163.93
sodium acetate 63–69 264–289[4]
stearic acid 47.54 198.91
gallium 19.2 80.4
paraffin wax (C25H52) 47.8–52.6 200–220

These values are mostly from the CRC Handbook of Chemistry and Physics, 62nd edition. The conversion between cal/g and J/g in the above table uses the thermochemical calorie (calth) = 4.184 joules rather than the International Steam Table calorie (calINT) = 4.1868 joules.

Examples[edit]

  • To heat 1 kg of liquid water from 0 °C to 20 °C requires 83.6 kJ (see below). However, heating 0 °C ice to 20 °C requires additional energy to melt the ice. We can treat these two processes independently and using the specific heat capacity of water to be 4.18 J/(g⋅K); thus, to heat 1 kg of ice from 273.15 K to water at 293.15 K (0 °C to 20 °C) requires:
    (1) 333.55 J/g (heat of fusion of ice) = 333.55 kJ/kg = 333.55 kJ for 1 kg of ice to melt, plus
    (2) 4.18 J/(g⋅K) × 20 K = 4.18 kJ/(kg⋅K) × 20 K = 83.6 kJ for 1 kg of water to increase in temperature by 20 K
    (1 + 2) 333.55 kJ + 83.6 kJ = 417.15 kJ for 1 kg of ice to increase in temperature by 20 K

    From these figures it can be seen that one part ice at 0 °C will cool almost exactly 4 parts water from 20 °C to 0 °C.

  • Silicon has a heat of fusion of 50.21 kJ/mol. 50 kW of power can supply the energy required to melt about 100 kg of silicon in one hour:
    50 kW = 50kJ/s = 180000kJ/h
    180000kJ/h × (1 mol Si)/50.21kJ × 28gSi/(mol Si) × 1kgSi/1000gSi = 100.4kg/h

Solubility prediction[edit]

The heat of fusion can also be used to predict solubility for solids in liquids. Provided an ideal solution is obtained the mole fraction (x_{2}) of solute at saturation is a function of the heat of fusion, the melting point of the solid {displaystyle (T_{text{fus}})} and the temperature {displaystyle (T)} of the solution:

{displaystyle ln x_{2}=-{frac {Delta H_{text{fus}}^{circ }}{R}}left({frac {1}{T}}-{frac {1}{T_{text{fus}}}}right)}

Here, R is the gas constant. For example, the solubility of paracetamol in water at 298 K is predicted to be:

{displaystyle x_{2}=exp {left[-{frac {28100~{text{J mol}}^{-1}}{8.314~{text{J K}}^{-1}~{text{mol}}^{-1}}}left({frac {1}{298~{text{K}}}}-{frac {1}{442~{text{K}}}}right)right]}=0.0248}

Since the molar mass of water and paracetamol are 18.0153gmol−1 and 151.17gmol−1 and the density of the solution is 1000gL−1, an estimate of the solubility in grams per liter is:

{displaystyle {frac {0.0248times {frac {1000~{text{g L}}^{-1}}{18.0153~{text{g mol}}^{-1}}}}{1-0.0248}}times 151.17~{text{g mol}}^{-1}=213.4~{text{g L}}^{-1}}

which is a deviation from the real solubility (240 g/L) of 11%. This error can be reduced when an additional heat capacity parameter is taken into account.[5]

Proof[edit]

At equilibrium the chemical potentials for the solute in the solution and pure solid are identical:

{displaystyle mu _{text{solid}}^{circ }=mu _{text{solute}}^{circ },}

or

{displaystyle mu _{text{solid}}^{circ }=mu _{text{liquid}}^{circ }+RTln X_{2},}

with R, the gas constant and T, the temperature.

Rearranging gives:

{displaystyle RTln X_{2}=-left(mu _{text{liquid}}^{circ }-mu _{text{solid}}^{circ }right),}

and since

{displaystyle Delta G_{text{fus}}^{circ }=mu _{text{liquid}}^{circ }-mu _{text{solid}}^{circ },}

the heat of fusion being the difference in chemical potential between the pure liquid and the pure solid, it follows that

{displaystyle RTln X_{2}=-left(Delta G_{text{fus}}^{circ }right),}

Application of the Gibbs–Helmholtz equation:

{displaystyle left({frac {partial left({frac {Delta G_{text{fus}}^{circ }}{T}}right)}{partial T}}right)_{p,}=-{frac {Delta H_{text{fus}}^{circ }}{T^{2}}}}

ultimately gives:

{displaystyle left({frac {partial left(ln X_{2}right)}{partial T}}right)={frac {Delta H_{text{fus}}^{circ }}{RT^{2}}}}

or:

{displaystyle partial ln X_{2}={frac {Delta H_{text{fus}}^{circ }}{RT^{2}}}times delta T}

and with integration:

{displaystyle int _{X_{2}=1}^{X_{2}=x_{2}}delta ln X_{2}=ln x_{2}=int _{T_{text{fus}}}^{T}{frac {Delta H_{text{fus}}^{circ }}{RT^{2}}}times Delta T}

the end result is obtained:

{displaystyle ln x_{2}=-{frac {Delta H_{text{fus}}^{circ }}{R}}left({frac {1}{T}}-{frac {1}{T_{text{fus}}}}right)}

See also[edit]

  • Enthalpy of vaporization
  • Heat capacity
  • Thermodynamic databases for pure substances
  • Joback method (Estimation of the heat of fusion from molecular structure)
  • Latent heat
  • Lattice energy
  • Heat of dilution

Notes[edit]

  1. ^ Atkins & Jones 2008, p. 236.
  2. ^ Ott & Boerio-Goates 2000, pp. 92–93.
  3. ^ Hoffer, J. K.; Gardner, W. R.; Waterfield, C. G.; Phillips, N. E. (April 1976). «Thermodynamic properties of 4He. II. The bcc phase and the P-T and VT phase diagrams below 2 K». Journal of Low Temperature Physics. 23 (1): 63–102. Bibcode:1976JLTP…23…63H. doi:10.1007/BF00117245. S2CID 120473493.
  4. ^ Ibrahim Dincer and Marc A. Rosen. Thermal Energy Storage: Systems and Applications, page 155
  5. ^ Measurement and Prediction of Solubility of Paracetamol in Water-Isopropanol Solution. Part 2. Prediction H. Hojjati and S. Rohani Org. Process Res. Dev.; 2006; 10(6) pp 1110–1118; (Article) doi:10.1021/op060074g

References[edit]

  • Atkins, Peter; Jones, Loretta (2008), Chemical Principles: The Quest for Insight (4th ed.), W. H. Freeman and Company, p. 236, ISBN 978-0-7167-7355-9
  • Ott, BJ. Bevan; Boerio-Goates, Juliana (2000), Chemical Thermodynamics: Advanced Applications, Academic Press, ISBN 0-12-530985-6

A log-log plot of the enthalpies of melting and boiling versus the melting and boiling temperatures for the pure elements. The linear relationship between the enthalpy of melting the temperature is known as Richard's rule.Энтальпии плавления и кипения чистых элементов в зависимости от температуры перехода, демонстрируя правило Траутона.

энтальпия плавления вещества, также известная как (скрытая) теплота плавления, представляет собой изменение его энтальпии в результате предоставления энергии, обычно тепла, к определенному количеству вещества, чтобы изменить его состояние с твердого на жидкое при постоянном давлении. Например, при плавлении 1 кг льда (при 0 ° C и широком диапазоне давлений ) 333,55 кДж энергии поглощается без изменения температуры. теплота затвердевания (когда вещество переходит из жидкого состояния в твердое) равна и противоположна.

Эта энергия включает вклад, необходимый для освобождения места для любого связанного изменения объема за счет смещения окружающей среды против давления окружающей среды. Температура, при которой происходит фазовый переход , является точкой плавления или точкой замерзания, в зависимости от контекста. По соглашению, давление принимается равным 1 атм (101,325 кПа), если не указано иное.

Содержание

  • 1 Обзор
  • 2 Примеры
  • 3 Прогноз растворимости
    • 3.1 Доказательство
  • 4 См. Также
  • 5 Примечания
  • 6 Ссылки

Обзор

«Энтальпия» плавления — это скрытая теплота, потому что во время плавления тепловая энергия, необходимая для преобразования вещества из твердого в жидкое при атмосферном давлении, является скрытой теплотой плавления, так как температура остается постоянной во время процесса.. Скрытая теплота плавления — это изменение энтальпии любого количества вещества при его плавлении. Когда теплота плавления относится к единице массы, ее обычно называют удельной теплотой плавления, в то время как молярная теплота плавления относится к изменению энтальпии на количество вещества в молях.

Жидкая фаза имеет более высокую внутреннюю энергию, чем твердая фаза. Это означает, что энергия должна быть передана твердому телу, чтобы расплавить его, и энергия выделяется из жидкости, когда она замерзает, потому что молекулы в жидкости испытывают более слабые межмолекулярные силы и поэтому имеют более высокая потенциальная энергия (своего рода энергия диссоциации связи для межмолекулярных сил).

Когда жидкая вода охлаждается, ее температура постоянно падает до тех пор, пока не упадет чуть ниже линии точки замерзания при 0 ° C. Затем температура остается постоянной на уровне точки замерзания, пока вода кристаллизуется. Как только вода полностью замерзнет, ​​ее температура продолжает падать.

Энтальпия плавления почти всегда положительная величина; гелий является единственным известным исключением. Гелий-3 имеет отрицательную энтальпию плавления при температурах ниже 0,3 К. Гелий-4 также имеет очень немного отрицательную энтальпию плавления ниже 0,77 К (-272,380 ° С). Это означает, что при соответствующем постоянном давлении эти вещества замерзают с добавлением тепла. В случае He этот диапазон давления составляет от 24,992 до 25,00 атм (2533 кПа).

Стандартное изменение энтальпии плавления за третий период Стандартное изменение энтальпии плавления за второй период периодической таблицы элементы

Вещество Теплота плавления
(кал / г) (Дж / г)
вода 79,72 333,55
метан 13,96 58,99
пропан 19,11 79,96
глицерин 47,95 200,62
муравьиная кислота 66,05 276,35
уксусная кислота 45,90 192,09
ацетон 23,42 97,99
бензол 30,45 127,40
миристиновая кислота 47,49 198,70
пальмитиновая кислота 39,18 163,93
ацетат натрия 63–69 264–289
стеариновая кислота 47,54 198,91
галлий 19,2 80,4
парафиновый воск (C25H52) 47,8-52,6 200–220

Эти значения в основном взяты из 62-го издания CRC Справочник по химии и физике. Для преобразования кал / г в Дж / г в приведенной выше таблице используется термохимическая калория (кал th) = 4,184 джоулей, а не калорийность Международной таблицы пара (кал INT) = 4,1868 джоулей.

Примеры

A) Для нагрева 1 кг (1,00 литра) воды от 283,15 К до 303,15 К (от 10 ° C до 30 ° C) требуется 83,6 кДж. Однако для таяния льда также требуется энергия. Мы можем рассматривать эти два процесса независимо; таким образом, чтобы нагреть 1 кг льда с 273,15 K до воды при 293,15 K (от 0 ° C до 20 ° C), требуется:

(1) 333,55 Дж / г (теплота плавления льда) = 333,55 кДж / кг = 333,55 кДж на 1 кг льда для плавления
PLUS
(2) 4,18 Дж / (г · К) × 20К = 4,18 кДж / (кг · К) × 20К = 83,6 кДж для 1 кг воды для повышения температуры на 20 K

= 417,15 кДж

Из этих цифр видно, что одна часть льда при 0 ° C охлаждает почти точно 4 части воды с 20 ° C до 0 ° С.

B) Кремний имеет теплоту плавления 50,21 кДж / моль. 50 кВт мощности могут обеспечить энергию, необходимую для плавления около 100 кг кремния за один час после того, как он будет доведен до температуры плавления:

50 кВт = 50 кДж / с = 180000 кДж / ч

180000 кДж / ч * (1 моль Si) / 50,21 кДж * 28 гSi / (моль Si) * 1 кгSi / 1000 гSi = 100,4 кг / ч

Прогноз растворимости

Теплота плавления также может использоваться для прогнозирования растворимости твердых веществ в жидкостях. При условии получения идеального раствора мольная доля (x 2) { displaystyle (x_ {2})}(x_ {2}) растворенного вещества при насыщении является функция теплоты плавления, точка плавления твердого тела (T fus) { displaystyle (T _ { mathit {fus}})}(T _ {{{ mathit {fus}}}}) и температура (T) раствора:

ln ⁡ x 2 = — Δ H fus ∘ R (1 T — 1 T fus) { displaystyle ln x_ {2} = — { frac { Дельта H _ { mathit {fus}} ^ { circ}} {R}} left ({ frac {1} {T}} — { frac {1} {T _ { mathit {fus}}}} right)} ln x_ {2} = - { frac { Delta H _ {{{ mathit {fus}}}} ^ { circ}} { R}}  left ({ frac {1} {T}} - { frac {1} {T _ {{{ mathit {fus}}}}}}  right)

Здесь R — газовая постоянная. Например, растворимость парацетамола в воде при 298 K прогнозируется как:

x 2 = exp ⁡ (- 28100 Дж · моль — 1 8,314 Дж · K — 1 моль — 1 (1 298 — 1 442)) = 0,0248 { displaystyle x_ {2} = exp { left (- { frac {28100 { mbox {Дж моль}} ^ {- 1}} {8.314 { mbox {JK}} ^ {- 1} { mbox {mol}} ^ {- 1}}} left ({ frac {1} {298}} — { frac {1} {442}} right) right)} = 0,0248}x_ {2 } =  exp { left (- { frac {28100 { mbox {J mol}} ^ {{- 1}}} {8.314 { mbox {JK}} ^ {{- 1}} { mbox { mol}} ^ {{- 1}}}}  left ({ frac {1} {298}} - { frac {1} {442}}  right)  right)} = 0,0248

Это равно растворимости в граммах на литр:

0,0248 * 1000 г 18,0153 моль — 1 1 — 0,0248 * 151,17 моль — 1 = 213,4 { displaystyle { frac {0,0248 * { frac {1000 { mbox {g}}} {18.0153 { mbox {mol}} ^ {- 1}}}} {1-0.0248}} * 151.17 { mbox {mol}} ^ {- 1 } = 213,4}{ displaystyle { frac {0,0248 * { frac {1000 { mbox {g}}} {18.0153 { mbox {mol}} ^ {- 1}}}} {1-0.0248}} * 151,17 { mbox {mol} } ^ {- 1} = 213.4}

, что является отклонением от реальной растворимости (240 г / л) на 11%. Эту ошибку можно уменьшить, если принять во внимание дополнительный параметр теплоемкости.

Доказательство

При равновесии химические потенциалы для чистого растворителя и чистого твердого вещества идентичны:

μ твердое тело ∘ = μ раствор ∘ { displaystyle mu _ {solid} ^ { circ} = mu _ {solution} ^ { circ} , } mu _ {{solid}} ^ { circ} =  mu _ {{solution}} ^ { circ} ,

или

μ твердое тело ∘ = μ жидкость ∘ + RT ln ⁡ X 2 { displaystyle mu _ {solid} ^ { circ} = mu _ {жидкость} ^ { circ} + RT ln X_ {2} ,} mu _ {{твердое тело}} ^ { circ} =  mu _ {{жидкость}} ^ { circ} + RT  ln X_ {2} ,

с R { displaystyle R ,}R , газовой постоянной и T { displaystyle T ,}T , температура.

Перестановка дает:

RT ln ⁡ X 2 = — (μ жидкость ∘ — μ твердое тело ∘) { displaystyle RT ln X_ {2} = — ( mu _ {жидкость} ^ { circ} — mu _ {solid} ^ { circ}) ,}RT  ln X_ {2} = - ( mu _ {{жидкость}} ^ { circ} -  mu _ {{твердое тело}} ^ { circ}) ,

и поскольку

Δ G fus ∘ = μ жидкость ∘ — μ solid ∘ { displaystyle Delta G _ { mathit {fus}} ^ { circ} = mu _ {жидкость} ^ { circ} — mu _ {solid} ^ { circ} ,}{ displaystyle  Delta G _ { mathit {fus}} ^ { circ} =  mu _ {жидкость} ^ { circ} -  mu _ {solid} ^ { circ} ,}

теплота плавления является разница в химическом потенциале между чистая жидкость и чистое твердое вещество, то

RT ln ⁡ X 2 = — (Δ G fus ∘) { displaystyle RT ln X_ {2} = — ( Delta G _ { mathit {fus}} ^ { circ}) ,}RT  ln X_ {2} = - ( Delta G _ {{{ mathit {fus}}}} ^ { circ}) ,

Применение уравнения Гиббса – Гельмгольца :

(∂ (Δ G fus ∘ T) ∂ T) p = — Δ H fus ∘ T 2 { displaystyle left ({ frac { partial ({ frac { Delta G _ { mathit {fus}} ^ { circ}} {T}})} { partial T}} right) _ {p ,} = — { frac { Delta H _ { mathit {fus}} ^ { circ}} {T ^ {2}}}} left ({ frac { partial ({ frac { Delta G _ {{{ mathit {fus}}}} ^ { circ}} {T}})} { partial T}}  right) _ {{p ,}} = - { frac { Delta H _ {{{ mathit {fus}}}} ^ { circ}} {T ^ {2}}}

в конечном итоге дает:

(∂ (ln ⁡ X 2) ∂ T) Знак равно Δ ЧАС фус ∘ RT 2 { displaystyle left ({ frac { partial ( ln X_ {2})} { partial T}} right) = { frac { Delta H _ { mathit { fus}} ^ { circ}} {RT ^ {2}}}} left ({ frac { partial ( ln X_ {2})} { partial T}}  right) = { frac { Delta H _ {{{ mathit {fus}}}} ^ { circ}} {RT ^ {2}}}

или:

∂ ln ⁡ X 2 = Δ H fus ∘ RT 2 ∗ δ T { displaystyle partial ln X_ { 2} = { frac { Delta H _ { mathit {fus}} ^ { circ}} {RT ^ {2}}} * delta T} partial  ln X_ {2} = {  frac { Delta H _ {{{ mathit {fus}}}} ^ { circ}} {RT ^ {2}}} *  delta T

и с интегрированием :

∫ X 2 знак равно 1 Икс 2 знак равно Икс 2 δ пер ⁡ Икс 2 = пер ⁡ Икс 2 = ∫ T фус T Δ H фус ∘ RT 2 ∗ Δ T { displaystyle int _ {X_ {2} = 1} ^ {X_ { 2} = x_ {2}} delta ln X_ {2} = ln x_ {2} = int _ {T _ { mathit {fus}}} ^ {T} { frac { De lta H _ { mathit {fus}} ^ { circ}} {RT ^ {2}}} * Delta T}{ displaystyle  int _ {X_ {2} = 1} ^ { X_ {2} = x_ {2}}  delta  ln X_ {2} =  ln x_ {2} =  int _ {T _ { mathit {fus}}} ^ {T} { frac { Delta H_ { mathit {fus}} ^ { circ}} {RT ^ {2}}} *  Delta T}

получен конечный результат:

ln ⁡ x 2 = — Δ H fus ∘ R (1 T — 1 T fus) { displaystyle ln x_ {2} = — { frac { Delta H _ { mathit {fus}} ^ { circ}} {R}} left ({ frac {1} {T}} — { frac {1} {T _ { mathit {fus}}}} right)} ln x_ {2} = - { frac { Delta H _ {{{ mathit {fus}}}} ^ { circ}} { R}}  left ({ frac {1} {T}} - { frac {1} {T _ {{{ mathit {fus}}}}}}  right)

См. Также

  • Теплота испарения
  • Теплоемкость
  • Термодинамические базы данных для чистых веществ
  • метод Джобака (Оценка теплоты плавления по молекулярной структуре)
  • Скрытая теплота
  • Энергия решетки
  • Теплота растворения

Примечания

Ссылки

  • Аткинс, Питер; Джонс, Лоретта (2008), Chemical Principles: The Quest for Insight (4-е изд.), W. H. Freeman and Company, p. 236, ISBN 0-7167-7355-4
  • Отт, Б.Дж. Беван; Берио-Гоутс, Джулиана (2000), Химическая термодинамика: передовые приложения, Academic Press, ISBN 0-12-530985-6

Энтальпия плавления

Энтальпия таяния – это количество энергии, необходимое для таяния льда при постоянной температуре и давлении.

Энтальпия плавления (обозначение: ) — это энергия , поглощаемая телом в виде тепла при переходе его из твердого состояния в жидкое при постоянных температуре и давлении . При температуре плавления чистого тела ее чаще называют скрытой теплотой плавления , потому что именно в форме тепла эта энергия поглощается, и это поглощение происходит без повышения температуры. Он служит для разрушения межмолекулярных связей .которые удерживают молекулы вместе, а не «нагревают» в обычном смысле этого слова. Таким образом, при нагревании воды, содержащей кубики льда, температура системы остается везде равной 0 градусов Цельсия до тех пор, пока кубики льда не растают полностью (при условии, что нагрев не слишком быстрый, иначе температура уже не будет однородной и мы выходим из равновесия).

Термин энтальпия плавления относится именно к изменению энтальпии рассматриваемой системы (например, 10 г воды). На практике можно пренебречь изменениями атмосферного давления, которые могут иметь место при синтезе, поскольку они мало влияют на энергию (а значит, и на энтальпию) твердых и жидких тел.

Скрытая теплота плавления при постоянном давлении строго равна изменению энтальпии рассматриваемого тела. Оно несколько отличается от его изменения внутренней энергии , которая включает в себя энергию, обмениваемую в виде механической работы , в данном случае влияние атмосферного давления на изменение объема системы (одно и то же тело обычно имеет больший объем в в жидком состоянии, чем в твердом (исключением из правила является вода с противоположным поведением). Чтобы освободиться от этого механического термина, калориметрия предпочитает манипулировать функцией состояния энтальпии , а не функцией состояния внутренней энергии .. Строго говоря, скрытая теплота плавления равна энергии плавления (т. е. соответствующему изменению внутренней энергии) только в том случае, если тело заключено в фиксированный объем, что предполагает большое изменение давления. При постоянном давлении наоборот, энергия плавления есть сумма скрытой теплоты плавления и работы (где — атмосферное давление и — изменение объема тела при переходе его из твердого состояния в жидкое — отрицательно в исключительном случае воды).

Для данного количества вещества (например, 10 г воды) энтальпия плавления измеряется в джоулях .

Мы также обозначаем энтальпией плавления удельную скрытую теплоту (характерную для соединения или материала), т. е. относящуюся к единице количества вещества. В химии это количество обычно выражается в килоджоулях на моль .

Теплота или энергия плавления по абсолютной величине равна теплоте затвердевания.

Скрытую теплоту плавления обычно выражают как:

  1. килоджоуль на моль ( единица СИ )
  2. калорий на грамм
  3. Британские тепловые единицы на фунт или БТЕ

Справочные значения некоторых распространенных веществ

вещество Энтальпия
плавления
(кал/г)
Энтальпия
плавления
(Дж/г)
воды 79,72 333,55
метан 13,96 58,41
этан 22,73 95,10
пропан 19.11 79,96
метанол 23.70 99,16
этиловый спирт 26.05 108,99
глицерин 47,95 200,62
муравьиная кислота 66.05 276,35
уксусная кислота 45,91 192.09
ацетон 23.42 97,99
бензол 30.45 127,40
миристиновая кислота 47,49 198,70
пальмитиновая кислота 39.18 163,93
стеариновая кислота 47,54 198,91
парафин (C 25 H 52 ) 47,8-52,6 200–220

Значения взяты из CRC Handbook of Chemistry and Physics , 62 -е издание  . Для преобразования между кал/г и Дж/г в приведенной выше таблице используется термохимическое значение калорийности (cal th ) = 4,184 Дж, а не значение, взятое из Международной таблицы пара (cal INT ) = 4,186 8 Дж.

Значения элементов в стандартном состоянии в кДж/моль [ 1 ]  :

Н
0,12
Привет
Ли
3
Быть
7895
  Б
50.2
С
117,4
Н
0,71
О
0,44
Ф
0,51
Ne
0,328
На
2,6
Мг
8,48
Аль
10.71
Если
50,21
Р
0,659
$ 1,721
Кл
6.4
Ар
1.18
К2.335
_
Ка
8,54
  ПК
14.1
ТИ
14.15
В
21,5
Кр
21
Мин
. 12,91
Фе
13,81
Со
16,2
Нор
17.48
Cu
13,26
Цин 7.068
Га
5.585
36,94
г.р.
Как
24.44
6.69
_
10,57 руб .
1,64 кр .
2,19 руб .
Ср
7.43
  Д
11.39
Зр
21
Номер
30
МБ
37,48
КТ
33.29
38.59
руб.
26,59
руб.
Вес
16,74
Возраст
11.3
CD
6.21
В
3.291
Пн
7.15
Шб
19.79
Вт 17.38
я
15.52
х
2.27
CS
2.09
Ба
7.12
* Пн
18.65
Мф
27.2
Ваш
36,57
W52.31
_
Ре
34.08
Кость
57,85
Ир
41.12
Пункт 22.175
В
12.55
2,295 ртутного
столба
ТИ 4.142
Pb
4.774
Би
11.106
По
10
В р-н
Пт Ра
7,7
** Лр РФ БД сержант чч чс метр дс Rg CN нч Флорида Мак lv Ц ог
   
  * 6.2 _
Это
5.46
Пр
6.89
7.14
ВЕЧЕРА СМ
8.62
Было
9,21
Бд
9.67
Тб
10.15
День
11.35
Хо
11,76
Эр
19.9
Мт
16,84
Юб
7.66
  ** Ак
12
Чт
13.81
Па
12.34
У
9.14
Нп
3.2
Пу
2,824
14.39
утра
См 14,64
БК Видеть 9,41
_
FM Мэриленд Нет

Программы

Чтобы нагреть один килограмм (около 1 литра) воды с 283,15 К до 303,15 К (от 10  ° C до 30  ° C ), требуется 83,6  кДж .

Однако таяние льда и последующее повышение температуры воды на 20 К требует дополнительной энергии.

Итак, для таяния льда при 273,15 К ( °С ) и последующего нагревания полученной воды до 293,15 К ( 20  °С ) требуется:

(1) 333,55  Дж/г (теплота таяния льда) = 333,55  кДж/кг , следовательно, 333,55  кДж на 1  кг льда, который нужно растопить.
БОЛЕЕ
(2) 4,18  Дж г — 1  К — 1 = 4,18  кДж кг — 1  ⋅К- 1 , поэтому 83,6  кДж на 1  кг воды доведено до 20 К больше, чем исходное значение 273,15 К.
ВСЕГО = 417,15  кДж

Определение растворимости

Теплоту плавления можно также использовать для определения растворимости твердых тел в жидкостях.

В идеальном растворе мольная доля растворенного вещества при насыщении зависит от теплоты плавления, температуры плавления твердого вещества и температуры (T) раствора:

Где R — универсальная постоянная идеального газа . Например, растворимость парацетамола в воде при 298 К определяется:

Что равно растворимости в граммах на литр:

что отличается от фактической растворимости ( 240  г/л ) на 11%. Эту погрешность можно уменьшить, включив в формулу параметр удельной теплоемкости [ 2 ] .

Доказательства

В равновесии химические потенциалы чистого растворителя и чистого твердого тела одинаковы:

Где

с универсальной идеальной газовой постоянной и температурой .

Перестановка дает:

Золото:

Следует:

Применение соотношения Гиббса-Гельмгольца  :

что, наконец, дает:

Где :

и с интегрированием  :

окончательный результат получают:

использованная литература

  • (ru) Эта статья частично или полностью взята из статьи Википедии на английском языке под названием «  Enthalpy of fusion  » ( см. список авторов ) .
  1. Дэвид Р. Лайд, CRC Handbook of Chemistry and Physics , CRC Press Inc.,2009 г., 90- е изд  . , 2804  с. , Твердый переплет ( ISBN  978-1-4200-9084-0 ) , с.  6-130
  2. Измерение и прогнозирование растворимости парацетамола в водно-изопропанольном растворе. Часть 2. Предсказание Х. Ходжати и С. Рохани Орг. Процесс Рез. Дев.; 2006 ; 10(6) р.  1110 — 1118 ; (Статья) DOI  10.1021/op060074g

Смотрите также

  • Энтальпия изменения состояния
    • Энтальпия парообразования
    • Энтальпия сублимации
  • Метод Джобака (предсказание энтальпии плавления молекулы по ее строению)
  • декоративная икона Химический портал

Понравилась статья? Поделить с друзьями:
  • Как исправить дефект в декоративной штукатурке
  • Как найти пропавшие фотографии на айфоне
  • Как найти супругу по номеру телефона
  • Как найду я тебя ты моя милая
  • Как составить список прочитанных книг