Kalorimetrija i formula nepoznatog ugljikovodika
U kalorimetru pri stalnom tlaku spaljeno je 0,580 g nepoznatog zasićenog ugljikovodika u struji kisika. Pri tome je nastalo 1,760 g CO2 i 0,900 g H2O. Toplina izgaranja predana je vodi u kalorimetru: masa vode bila je 250,0 g, a temperatura je porasla od 22,4 °C na 46,1 °C. Toplinski kapacitet kalorimetra iznosi 180 J K⁻¹, a specifični toplinski kapacitet vode 4,18 J g⁻¹ K⁻¹. Pretpostavi da nema gubitaka topline i da je izgaranje potpuno. Relativna molekulska masa spoja određena je neovisno i iznosi 58,1. Spoj je plin pri sobnoj temperaturi. Učenik tvrdi da se iz omjera masa CO2 i H2O može odmah odrediti molekulska, a ne samo empirijska formula. Nastavnik traži da se to provjeri računom i da se procijeni molarna entalpija izgaranja.
1. Odredi empirijsku i molekulsku formulu ugljikovodika. Pokaži račun s molovima C i H.
Read the worked answer
n(CO2) = 1,760 g / 44,01 g mol⁻¹ = 0,03999 mol, pa je n(C) = 0,03999 mol. n(H2O) = 0,900 g / 18,015 g mol⁻¹ = 0,04996 mol, pa je n(H) = 2 × 0,04996 = 0,09992 mol.
Omjer C : H = 0,03999 : 0,09992 = 1 : 2,50 = 2 : 5. Empirijska formula je C2H5, a njezina relativna masa je 2 × 12,01 + 5 × 1,008 = 29,06.
Budući da je određena molekulska masa 58,1, faktor je 58,1 / 29,06 ≈ 2. Molekulska formula je C4H10. Sam omjer masa CO2 i H2O daje samo empirijsku formulu; za molekulsku je potrebna neovisna molekulska masa.
2. Izračunaj toplinu predanu kalorimetru i vodi te molarnu entalpiju izgaranja spoja. Obrazloži predznak.
Read the worked answer
ΔT = 46,1 °C − 22,4 °C = 23,7 K. q(voda) = m c ΔT = 250,0 g × 4,18 J g⁻¹ K⁻¹ × 23,7 K = 24 766,5 J. q(kalorimetar) = C ΔT = 180 J K⁻¹ × 23,7 K = 4 266 J. q(ukupno) = 24 766,5 J + 4 266 J = 29 032,5 J ≈ 29,03 kJ.
n(spoj) = 0,580 g / 58,1 g mol⁻¹ = 9,98 × 10⁻³ mol. ΔHc = −q(ukupno) / n = −29,03 kJ / 9,98 × 10⁻³ mol ≈ −2,91 × 10³ kJ mol⁻¹.
Predznak je negativan jer izgaranje oslobađa toplinu: sustav predaje toplinu okolini.
3. Učenik je zanemario toplinski kapacitet kalorimetra. Kako bi to utjecalo na izračunatu entalpiju izgaranja? Je li pogreška precijenila ili podcijenila vrijednost? Objasni.
Read the worked answer
Ako se zanemari toplinski kapacitet kalorimetra, računa se samo q(voda) = 24,77 kJ. Tada bi bilo ΔHc = −24,77 kJ / 9,98 × 10⁻³ mol ≈ −2,48 × 10³ kJ mol⁻¹.
Dobivena apsolutna vrijednost manja je od stvarne jer je dio oslobođene topline zagrijao i sam kalorimetar, a nije uračunat. Pogreška dakle podcjenjuje količinu oslobođene topline, odnosno daje manje negativnu entalpiju izgaranja.