வெப்பமானியியல் — ΔH ஐ அளவிடல்
முழுமையான பார்வை — வெப்ப உள்ளுறை மாற்றத்தை ஏன் அளவிட வேண்டும்?
Calorimeter
Wikipedia → · CC
ஒரு இரசாயனத் தாக்கம் (chemical reaction) நடைபெறும்போது வெப்பம் வெளியேற்றப்படுகிறது அல்லது உறிஞ்சப்படுகிறது. மாறா அமுக்கத்தில் (constant pressure) நடைபெறும் தாக்கம் ஒன்றில் பரிமாற்றப்படும் இந்த வெப்பத்தின் அளவே அத்தாக்கத்தின் வெப்ப உள்ளுறை மாற்றம் (enthalpy change) ஆகும். இது ΔH என்னும் குறியீட்டால் குறிக்கப்படுகிறது. ஒரு பதார்த்தத்தின் வெப்ப உள்ளுறையின் தனிப்பெறுமானத்தைக் கணிக்க முடியாது; ஆகவே நாம் உண்மையில் அளவிடுவது வெப்ப உள்ளுறை மாற்றம் ஆகும்.
ஆய்வுகூடத்தில் இந்த வெப்ப மாற்றத்தை நேரடியாக அளவிடுவதற்குப் பயன்படுத்தப்படும் கருவி வெப்பமானி (calorimeter) எனப்படும். தாக்கத்தின்போது வெளியேறும் வெப்பம் சுற்றியுள்ள நீரின் வெப்பநிலையை உயர்த்துகிறது; அந்த வெப்பநிலை உயர்வை அளவிட்டு வெப்ப மாற்றத்தைக் கணிக்கின்றோம். தாக்கத்தினால் வெளிவிடப்பட்ட வெப்பம் அண்மையில் உள்ள நீரால் உறிஞ்சப்படுகிறது என்பதே வெப்பமானியியலின் அடிப்படைக் கருத்தாகும்.
இப்பாடத்தில் வெப்ப மாற்றத்தை q = m c ΔT என்னும் சமன்பாட்டின் மூலம் கணிக்கும் முறையையும், வெப்பமானியின் இரு வகைகளையும், அளக்கப்பட்ட வெப்பத்தை ஒரு மூலுக்கான வெப்ப உள்ளுறை மாற்றமாக மாற்றும் முறையையும் கற்கின்றோம்.
1. அடிப்படைச் சமன்பாடு: q = m c ΔT
ஒரு பதார்த்தத்தினால் உறிஞ்சப்பட்ட அல்லது வெளிவிடப்பட்ட வெப்பத்தின் அளவு q ஆனது அப்பதார்த்தத்தின் திணிவையும், அதன் தன்வெப்பத்தையும் (specific heat capacity), அதன் வெப்பநிலை மாற்றத்தையும் சார்ந்து அமைகின்றது. இம்மூன்று கணியங்களின் பெருக்கமே வெப்பத்தின் அளவைத் தருகின்றது.
q = m c ΔT
- q — பரிமாற்றப்பட்ட வெப்பத்தின் அளவு, ஜூலில் (J) கூறப்படுகிறது.
- m — வெப்பத்தை உறிஞ்சும் நீரின் திணிவு, கிராமில் (g) கூறப்படுகிறது. இது தாக்கப் பதார்த்தத்தின் திணிவு அல்ல என்பதை நினைவில் கொள்க.
- c — பதார்த்தத்தின் தன்வெப்பம் (specific heat capacity). ஒரு கிராம் பதார்த்தத்தின் வெப்பநிலையை ஒரு கெல்வினால் (அல்லது ஒரு பாகை செல்சியசினால்) உயர்த்துவதற்குத் தேவையான வெப்பத்தின் அளவாகும். நீருக்கு c = 4.18 J g⁻¹ K⁻¹.
- ΔT — வெப்பநிலை மாற்றம் (இறுதி வெப்பநிலை − தொடக்க வெப்பநிலை). கெல்வினிலும் செல்சியசிலும் இம்மாற்றத்தின் பருமன் ஒரே மாதிரியாகவே அமையும்.
தன்வெப்பத்திற்கும் வெப்பக் கொள்ளளவுக்கும் (heat capacity) இடையிலான வேறுபாட்டை விளங்கிக் கொள்வது அவசியம். தன்வெப்பம் ஒரு கிராம் பதார்த்தத்திற்குக் கூறப்படும் ஒரு செறிவியல்பாகும்; ஆனால் வெப்பக் கொள்ளளவு ஒரு தரப்பட்ட முழுப் பதார்த்தத்திற்கும் கூறப்படும் ஒரு விரிவியல்பாகும். வெப்பக் கொள்ளளவு C = m c என்னும் தொடர்பால் தன்வெப்பத்துடன் இணைக்கப்படுகின்றது.
2. வெப்பமானியின் இரு வகைகள்
Ice calorimeter (Lavoisier)
Wikipedia → · CC
ஆய்வுகூடத்தில் வெப்ப மாற்றத்தை அளவிடுவதற்கு வடிவமைக்கப்பட்ட மூடிய கொள்கலன் வெப்பமானி (calorimeter) எனப்படும். அளவிடப்படும் தாக்கத்தின் இயல்பைப் பொறுத்து இரு வகையான வெப்பமானிகள் பயன்படுத்தப்படுகின்றன.
மாறா அமுக்க வெப்பமானி (coffee-cup calorimeter): பொலிஸ்டைரின் (polystyrene) கோப்பையால் ஆக்கப்பட்ட எளிய காவலிட்ட கொள்கலன் ஆகும். மேற்பகுதி வளிமண்டலத்திற்குத் திறந்திருப்பதால் தாக்கம் மாறா அமுக்கத்தில் நடைபெறுகின்றது. மாறா அமுக்கத்தில் வெப்ப மாற்றம் வெப்ப உள்ளுறை மாற்றத்திற்குச் (ΔH) சமமாதலால், இக்கருவி நடுநிலையாக்கல், கரைசலாதல் போன்ற தாக்கங்களின் ΔH ஐ நேரடியாக அளவிடுகின்றது.
மாறா கனவளவு வெப்பமானி (bomb calorimeter): திடமான உலோகக் கொள்கலன் ஒன்றினுள் மாதிரி வைக்கப்பட்டு, மிகை ஒட்சிசன் சூழலில் முழுமையாகத் தகனம் செய்யப்படுகின்றது. கனவளவு மாறாமல் இருப்பதால் இது வெப்ப மாற்றத்தை மாறா கனவளவில் அளவிடுகின்றது. தகன வெப்ப உள்ளுறை மாற்றத்தை (enthalpy of combustion) மிகத் துல்லியமாகத் துணிவதற்கு இது பயன்படுகின்றது.
திடமான உலோகக் கொள்கலன் கனவளவை மாறாமல் வைத்திருக்கின்றது; எரிந்த மாதிரியின் வெப்பம் சூழும் நீரால் உறிஞ்சப்படுகின்றது.
3. அளக்கப்பட்ட q ஐ மூலர் ΔH ஆக மாற்றுதல்
Exothermic reaction — thermite
Wikipedia → · CC
q = m c ΔT மூலம் கிடைக்கும் வெப்பம் முழுத் தாக்கத்திலும் வெளிவிடப்பட்ட மொத்த வெப்பமேயாகும். ஆனால் வெப்ப உள்ளுறை மாற்றம் எப்பொழுதும் ஒரு மூல் தாக்கப் பதார்த்தத்திற்கு (அல்லது விளைவுக்கு) கூறப்படுகின்றது. ஆகவே அளக்கப்பட்ட வெப்பத்தை, தாக்கத்தில் ஈடுபட்ட பதார்த்தத்தின் மூல் எண்ணிக்கையால் வகுக்க வேண்டும்.
ΔH = − q ÷ n
இங்கு n = தாக்கத்தில் ஈடுபட்ட பதார்த்தத்தின் மூல் எண்ணிக்கை
புறவெப்பத் தாக்கம் ஒன்றில் தாக்கத் தொகுதி வெப்பத்தை வெளியேற்றுவதால் ΔH மறைப் பெறுமானம் பெறுகின்றது; எனவே சமன்பாட்டில் மறைக் குறியீடு சேர்க்கப்படுகின்றது. அகவெப்பத் தாக்கம் ஒன்றில் தொகுதி வெப்பத்தை உறிஞ்சுவதால் ΔH நேர்ப் பெறுமானம் பெறுகின்றது.
பகுப்பு 1 — ஒரு எரிபொருளின் தகன வெப்ப உள்ளுறை மாற்றம். 0.92 g எத்தனோல் (C₂H₅OH, மூலர் திணிவு 46 g mol⁻¹) எரிக்கப்பட்டது. வெளியேற்றப்பட்ட வெப்பம் 200 g நீரின் வெப்பநிலையை 20.0 °C இலிருந்து 45.0 °C வரை உயர்த்தியது. நீரின் தன்வெப்பம் 4.18 J g⁻¹ K⁻¹ எனக் கொண்டு தகன வெப்ப உள்ளுறை மாற்றத்தைக் காண்க.
n = 0.92 ÷ 46 = 0.020 mol
படி 2 — வெப்பநிலை மாற்றம்:
ΔT = 45.0 − 20.0 = 25.0 K
படி 3 — நீரால் உறிஞ்சப்பட்ட வெப்பம்:
q = m c ΔT = 200 × 4.18 × 25.0 = 20 900 J = 20.9 kJ
படி 4 — மூலர் வெப்ப உள்ளுறை மாற்றம்:
ΔHc = − q ÷ n = − 20.9 ÷ 0.020 = − 1045 kJ mol⁻¹
எத்தனோலின் ஏற்றுக்கொள்ளப்பட்ட தகன வெப்ப உள்ளுறை மாற்றம் ஏறத்தாழ − 1367 kJ mol⁻¹ ஆகும். அளக்கப்பட்ட பெறுமானம் இதிலும் குறைவாக இருப்பதற்குக் காரணம் வெப்பத்தின் ஒரு பகுதி வளிக்கும் கொள்கலனுக்கும் இழக்கப்படுதலும், தகனம் முழுமையாக நிகழாமையும் ஆகும்.
பகுப்பு 2 — அமிலம் ஒன்றும் காரம் ஒன்றும் சேரும்போது ஏற்படும் நடுநிலையாக்கல் வெப்ப உள்ளுறை மாற்றம். 50 cm³ அளவான 1.0 mol dm⁻³ ஐதரோகுளோரிக் அமிலம் (HCl), 50 cm³ அளவான 1.0 mol dm⁻³ சோடியம் ஐதரொட்சைட்டுடன் (NaOH) கலக்கப்பட்டது. வெப்பநிலை 22.0 °C இலிருந்து 28.7 °C வரை உயர்ந்தது. கரைசலின் அடர்த்தி 1.0 g cm⁻³ எனவும் தன்வெப்பம் 4.18 J g⁻¹ K⁻¹ எனவும் கொள்க.
மொத்தக் கனவளவு = 50 + 50 = 100 cm³
m = 100 × 1.0 = 100 g
படி 2 — வெப்பநிலை மாற்றம்:
ΔT = 28.7 − 22.0 = 6.7 K
படி 3 — வெளிவிடப்பட்ட வெப்பம்:
q = m c ΔT = 100 × 4.18 × 6.7 = 2800 J = 2.8 kJ
படி 4 — உருவான நீரின் மூல் எண்ணிக்கை:
n(H₂O) = 0.050 dm³ × 1.0 mol dm⁻³ = 0.050 mol
படி 5 — நடுநிலையாக்கல் வெப்ப உள்ளுறை மாற்றம்:
ΔHneut = − q ÷ n = − 2.8 ÷ 0.050 = − 56 kJ mol⁻¹
NIE பாடநூலில் நியம நடுநிலையாக்கல் வெப்ப உள்ளுறை மாற்றம் ஏறத்தாழ − 57 kJ mol⁻¹ எனத் தரப்படுகின்றது; கணிக்கப்பட்ட பெறுமானம் இதனுடன் நெருங்கி அமைகின்றது.
- q = m c ΔT இல் m ஆனது வெப்பத்தை உறிஞ்சும் நீரின் (அல்லது கரைசலின்) திணிவே; எரிக்கப்படும் எரிபொருளின் திணிவு அல்ல. இந்தத் தவறு ஒவ்வொரு வருடமும் பல மாணவர்களால் செய்யப்படுகின்றது.
- புறவெப்பத் தாக்கத்திற்கு ΔH மறைப் பெறுமானம் உடையது; ஆகவே ΔH = − q ÷ n என்னும் சமன்பாட்டில் மறைக் குறியீட்டை விட்டுவிடாதீர்கள்.
- தகன வெப்ப உள்ளுறை மாற்றத்தின் அளக்கப்பட்ட பெறுமானம் ஏன் நூற்பெறுமானத்திலும் குறைவு என்னும் வினா அடிக்கடி கேட்கப்படுகின்றது — வெப்ப இழப்பு, முழுமையற்ற தகனம் ஆகியவற்றைக் காரணமாகக் கூறுங்கள்.
- நீர் முற்றிலும் தூயதாக இல்லாவிட்டாலும், நீர்த்த நீர்க் கரைசல்களுக்கு c = 4.18 J g⁻¹ K⁻¹ எனப் பயன்படுத்துவது ஓர் ஏற்றுக்கொள்ளப்பட்ட அண்ணளவாகும்.
4. ஆய்வுகூடத்தில் ஹெஸ்ஸின் விதியைச் சோதனை மூலம் உறுதிப்படுத்தல்
ஹெஸ்ஸின் விதி ஒரு தத்துவார்த்தக் கூற்று மட்டுமல்ல — காலரிமீட்டரால் இரண்டு தனித் தாக்கங்களின் வெப்ப உள்ளுறை மாற்றங்களைத் தனித்தனியே அளந்து, அவற்றின் கூட்டுத்தொகையை, அதே இறுதி நிலையை நேரடியாக ஒரே படியில் அடையும் தாக்கத்தின் அளவீட்டுடன் ஒப்பிட்டு, சோதனை மூலமே உறுதிப்படுத்தலாம்.
பரிசோதனை: 10 g திண்ம NaOH-ஐ இரு வெவ்வேறு பாதைகள் வழியே NaCl(aq) ஆக மாற்றுதல்:
பாதை 1: NaOH(s) கரைதல் (ΔH₁) பின் நடுநிலையாக்கல் (ΔH₂). பாதை 2: நேரடி நடுநிலையாக்கல் (ΔH₃). ஹெஸ்ஸின் விதி: ΔH₃ = ΔH₁ + ΔH₂.
மூன்று-படி நடைமுறை:
வெளியேறும் வெப்பம் = 125 × 4.2 × (T₂−T₁) = ΔH₁ (கரையும் வெப்பம்)
(γ) அதே கரைசலில் 125 mL, 2M HCl(aq) சேர்த்து T₂→T₃ பதிவு:
வெளியேறும் வெப்பம் = 250 × 4.2 × (T₃−T₂) = ΔH₂ (நடுநிலையாக்கல் வெப்பம்)
(δ) தனியாக, 10 g திண்ம NaOH-ஐ நேரடியாக 250 mL, 1M HCl(aq)-உடன் ஒரே படியில் கலந்து T₁→T₄ பதிவு:
வெளியேறும் வெப்பம் = 250 × 4.2 × (T₄−T₁) = ΔH₃ (நேரடி வெப்பம்)
ΔH₁-ஐயும் ΔH₂-ஐயும் தனித்தனியாகக் கூட்டிய பெறுமானம், ΔH₃-இன் நேரடி அளவீட்டுடன் ஏறத்தாழ சமமாக வரும் — இதுவே ஹெஸ்ஸின் விதியை ஒரு "தத்துவார்த்தக் கூற்று" மட்டுமன்றி, ஒரு சோதனை மூலம் நிரூபிக்கக்கூடிய இயற்பியல் உண்மையாக்குகின்றது. கருதுகோள்கள்: கரைசலின் அடர்த்தியும் தன்வெப்பமும் நீரின் மதிப்புகளுக்கு நெருக்கமானவை என்றும், வெப்ப இழப்பு புறக்கணிக்கத்தக்கது என்றும் கொள்ளப்படுகின்றது.
Calorimetry
Credit: Wikimedia Commons · CC BY-SA 4.0
📖 மேலதிக தகவல் / More on Wikipedia →