3.2 - Haba Tindak Balas

Jenis dan Penghitungan Haba Tindak Balas

Haba tindak balas dinamakan mengikut tindak balas yang berlaku: haba pemendakan, haba penyesaran, haba peneutralan atau haba pembakaran.

Haba yang dipindahkan kepada atau daripada larutan dihitung dengan:

Q = m c θ

dengan $Q$ ialah haba dalam J, $m$ ialah jisim dalam g, $c$ ialah muatan haba tentu dalam $J g^{- 1}^{\circ} C^{- 1}$ , dan $θ$ ialah perubahan suhu dalam $^{\circ} C$ .

Tulis persamaan seimbang atau persamaan ion dan tentukan kuantiti bahan bertindak balas atau hasil terbentuk, $n$ .
Hitung $θ = ∣ T_{akhir} - T_{awal} ∣$ , kemudian $Q = m c θ$ .
Tukar J kepada kJ dan tentukan perubahan haba bagi satu mol kuantiti yang dinyatakan dalam definisi.
Nyatakan $Δ H$ dalam $kJ mo l^{- 1}$ : tanda negatif bagi haba dibebaskan dan tanda positif bagi haba diserap.

Haba tindak balas	Kuantiti mol bagi $n$
Pemendakan	Mendakan terbentuk
Penyesaran	Logam disesarkan
Peneutralan	Air terbentuk
Pembakaran	Bahan api terbakar

Bagi penghitungan larutan akueus, anggap ketumpatan $= 1 g c m^{- 3}$ , muatan haba tentu $= 4.2 J g^{- 1}^{\circ} C^{- 1}$ , tiada kehilangan haba ke persekitaran dan tiada haba diserap oleh radas.

Haba Pemendakan

Haba pemendakan ialah perubahan haba apabila satu mol mendakan terbentuk daripada ion-ionnya di dalam larutan akueus.

B a^{2 +} (ak) + S O_{4}^{2 -} (ak) \to BaS O_{4} (p) Δ H = - 42 kJ mo l^{- 1}

Maka, pembentukan satu mol mendakan barium sulfat membebaskan $42 kJ$ .

Garam tak terlarutkan membentuk mendakan melalui penguraian ganda dua yang melibatkan perubahan haba.
Barium sulfat ialah mendakan putih yang tak terlarutkan, digunakan dalam media kontras supaya salur penghadaman, perut dan usus mudah dilihat pada X-ray.

Pola contoh: $100 c m^{3}$ larutan $Pb (N O_{3})_{2}$ $1.0 mol d m^{- 3}$ dicampurkan dengan $100 c m^{3}$ larutan $N a_{2} S O_{4}$ $1.0 mol d m^{- 3}$ . Suhu meningkat daripada $30.0$ kepada $33.0^{\circ} C$ .

n (PbS O_{4}) = 0.100 mol

Q = (200) (4.2) (3.0) = 2520 J = 2.52 kJ

Δ H = - \frac{2.52}{0.100} = - 25.2 kJ mo l^{- 1}

Pengukuran pemendakan

Perbandingan menggunakan $25 c m^{3}$ setiap larutan $0.5 mol d m^{- 3}$ $AgN O_{3}$ dan $NaCl$ , atau $Mg (N O_{3})_{2}$ dan $N a_{2} C O_{3}$ , dengan dua cawan polistirena berpenutup, silinder penyukat dan termometer.
Suhu awal diambil selepas dua minit; larutan dicampurkan dengan cepat dan cermat, ditutup dan dikacau, kemudian suhu tertinggi campuran diukur.
Definisi secara operasi: Penambahan larutan natrium klorida kepada larutan argentum nitrat untuk membentuk satu mol mendakan argentum klorida meningkatkan bacaan termometer.
Langkah berjaga-jaga: Larutan argentum nitrat boleh menyebabkan tompok hitam pada kulit dan pakaian.

Menghitung kenaikan suhu daripada haba pemendakan: $20 c m^{3}$ setiap larutan $AgN O_{3}$ dan $KCl$ $0.5 mol d m^{- 3}$ membentuk $AgCl$ dengan $Δ H = - 65.5 kJ mo l^{- 1}$ .

AgN O_{3} (ak) + KCl (ak) \to AgCl (p) + KN O_{3} (ak)

n (AgCl) = \frac{( 0.5 ) ( 20 )}{1000} = 0.01 mol

Q = (0.01) (65.5) = 0.655 kJ = 655 J

m = 20 + 20 = 40 g, θ = \frac{655}{( 40 ) ( 4.2 )} \approx 3.9^{\circ} C

Haba Penyesaran

Haba penyesaran ialah perubahan haba apabila satu mol logam disesarkan daripada larutan garamnya oleh logam yang lebih elektropositif.

Fe (p) + C u^{2 +} (ak) \to F e^{2 +} (ak) + Cu (p) Δ H = - 250 kJ mo l^{- 1}

Enapan kuprum berwarna perang dan kepudaran warna biru larutan menunjukkan ferum menyesarkan kuprum daripada larutan kuprum(II) sulfat.

Mg (p) + FeS O_{4} (ak) \to MgS O_{4} (ak) + Fe (p)

Pola contoh: Magnesium berlebihan ditambahkan kepada $50 c m^{3}$ larutan $FeS O_{4}$ $0.25 mol d m^{- 3}$ dan suhu meningkat sebanyak $4.0^{\circ} C$ .

n (Fe) = 0.25 (\frac{50}{1000}) = 0.0125 mol

Q = (50) (4.2) (4.0) = 840 J = 0.840 kJ

Δ H = - \frac{0.840}{0.0125} = - 67.2 kJ mo l^{- 1}

Perbandingan penyesaran kuprum

Perbandingan menggunakan larutan $CuS O_{4}$ $0.5 mol d m^{- 3}$ , serbuk magnesium dan serbuk zink, dengan cawan polistirena berpenutup, termometer, silinder penyukat dan spatula.
Susunan radas menunjukkan serbuk logam dicampurkan dengan larutan kuprum(II) sulfat, termometer di dalam cawan bertutup, pengacauan dan enapan kuprum.
Perubahan suhu digunakan untuk menghitung haba penyesaran bagi setiap logam.

Haba Peneutralan

Peneutralan ialah tindak balas antara asid dengan alkali yang menghasilkan garam dan air sahaja. Tindak balas ini eksotermik.

Haba peneutralan ialah perubahan haba apabila satu mol air terbentuk daripada tindak balas peneutralan antara asid dengan alkali.

H^{+} (ak) + O H^{-} (ak) \to H_{2} O (ce)

Bagi asid kuat monoprotik dan alkali kuat:

HCl (ak) + NaOH (ak) \to NaCl (ak) + H_{2} O (ce) Δ H = - 57 kJ mo l^{- 1}

Bahan tindak balas	Haba peneutralan lazim ( $kJ mo l^{- 1}$ )
Asid kuat + alkali kuat	$- 57$
Asid lemah + alkali kuat	$- 55$
Asid kuat + alkali lemah	$- 52$
Asid lemah + alkali lemah	$- 50$

Asid lemah dan alkali lemah mengion separa. Sebahagian haba peneutralan diserap untuk melengkapkan pengionan, maka haba yang dibebaskan lebih rendah; gabungan asid lemah–alkali lemah mempunyai nilai paling rendah.

Asid kuat diprotik menghasilkan dua mol $H^{+}$ bagi setiap mol:

H_{2} S O_{4} (ak) + 2NaOH (ak) \to N a_{2} S O_{4} (ak) + 2 H_{2} O (ce) Δ H = - 114 kJ

Persamaan membebaskan dua kali ganda haba kerana dua mol air terbentuk, tetapi haba peneutralan kekal $- 57 kJ mo l^{- 1}$ bagi setiap mol air.

Asid kuat monoprotik dan alkali kuat mempunyai tindak balas ion peneutralan yang sama; contohnya:

HN O_{3} (ak) + KOH (ak) \to KN O_{3} (ak) + H_{2} O (ce) Δ H = - 57 kJ mo l^{- 1}

Eksperimen 3A — membandingkan kekuatan asid dan alkali

Tujuan: Membandingkan haba peneutralan bagi asid kuat–alkali kuat, asid lemah–alkali kuat, asid kuat–alkali lemah dan asid lemah–alkali lemah.
Hipotesis Bahagian A: Tindak balas asid kuat dengan alkali kuat menghasilkan haba peneutralan yang lebih tinggi daripada tindak balas asid lemah dengan alkali kuat.
Bahan: Larutan $1.0 mol d m^{- 3}$ $HCl$ , $C H_{3} COOH$ , $NaOH$ dan $N H_{3}$ .
Radas: Cawan polistirena berpenutup, termometer dan silinder penyukat.
Pemboleh ubah Bahagian A: Dimanipulasikan — asid hidroklorik atau asid etanoik; bergerak balas — haba peneutralan; dimalarkan — isi padu dan kepekatan larutan natrium hidroksida.

Prosedur Bahagian A:

Sukat $50 c m^{3}$ setiap larutan asid hidroklorik dan natrium hidroksida $1.0 mol d m^{- 3}$ ke dalam cawan polistirena berasingan.
Masukkan termometer ke dalam setiap larutan dan catat kedua-dua suhu awal.
Tuangkan asid dengan cepat dan cermat ke dalam alkali, kacau dengan termometer dan catat suhu tertinggi.
Ulang dengan menggantikan asid hidroklorik dengan asid etanoik.

Pengukuran: Suhu awal asid dan alkali, suhu purata kedua-duanya, suhu tertinggi campuran dan kenaikan suhu. Gunakan suhu purata awal untuk menentukan kenaikan suhu. Empat pasangan bahan tindak balas ialah $HCl/NaOH$ , $C H_{3} COOH/NaOH$ , $HCl/N H_{3}$ dan $C H_{3} COOH/N H_{3}$ .

Contoh penghitungan: $60 c m^{3}$ setiap larutan asid etanoik dan natrium hidroksida $2.0 mol d m^{- 3}$ bermula pada $28.0^{\circ} C$ dan mencapai $40.5^{\circ} C$ .

C H_{3} COOH (ak) + NaOH (ak) \to C H_{3} COONa (ak) + H_{2} O (ce)

n (H_{2} O) = \frac{( 2.0 ) ( 60 )}{1000} = 0.12 mol

Q = (60 + 60) (4.2) (40.5 - 28.0) = 6300 J = 6.3 kJ

Δ H = - \frac{6.3}{0.12} = - 52.5 kJ mo l^{- 1}

Haba Pembakaran

Haba pembakaran ialah haba yang dibebaskan apabila satu mol bahan dibakar dengan lengkap dalam oksigen berlebihan.

C H_{4} (g) + 2 O_{2} (g) \to C O_{2} (g) + 2 H_{2} O (ce) Δ H = - 394 kJ mo l^{- 1}

Eksperimen 3B — haba pembakaran alkohol

Tujuan: Menentukan dan membandingkan haba pembakaran metanol, etanol, propanol dan butanol.
Hipotesis: Semakin banyak atom karbon per molekul alkohol, semakin tinggi haba pembakaran.
Pemboleh ubah dimanipulasikan: Jenis alkohol. Bergerak balas: Haba pembakaran. Dimalarkan: Isi padu air.
Bahan: Metanol, etanol, propanol, butanol dan air.
Radas: Bekas kuprum, tungku kaki tiga, alas segi tiga tanah liat, termometer ( $0$ – $100^{\circ} C$ ), silinder penyukat, pelita, penimbang elektronik, pengadang angin dan bongkah kayu.

Pelita memanaskan air dalam bekas kuprum yang disokong di atasnya, dengan termometer, pengadang angin dan bongkah kayu di bawah pelita. — Susunan radas untuk menentukan haba pembakaran

Masukkan $200 c m^{3}$ air ke dalam bekas kuprum dan catat suhu awal.
Isi pelita kira-kira tiga perempat penuh dengan metanol; timbang pelita, penutup dan bahan api.
Nyalakan pelita di bawah bekas. Pastikan nyalaan menyentuh bekas, gunakan pengadang angin dan kacau air berterusan.
Padamkan nyalaan selepas suhu air meningkat $30^{\circ} C$ ; catat suhu tertinggi.
Timbang semula pelita dengan segera untuk memperoleh jisim bahan api terbakar.
Ulang dengan etanol, propanol dan butanol. Hitung mol terbakar, $Q$ yang diserap air dan $Δ H$ setiap alkohol.

Keselamatan dan ketepatan: Alkohol mudah meruap dan terbakar. Pastikan nyalaan menyentuh bekas kuprum, gunakan pengadang angin, kacau berterusan dan timbang segera selepas pembakaran.

Pembakaran lengkap alkohol menghasilkan karbon dioksida dan air. Apabila bilangan atom karbon per molekul bertambah, lebih banyak molekul karbon dioksida dan air terbentuk lalu lebih banyak haba dibebaskan. Ahli alkohol berturutan berbeza sebanyak satu kumpulan $C H_{2}$ , maka peningkatan haba pembakaran hampir sekata.

Contoh penghitungan:

C_{2} H_{5} OH (ce) + 3 O_{2} (g) \to 2C O_{2} (g) + 3 H_{2} O (ce) Δ H = - 1376 kJ mo l^{- 1}

Haba untuk menaikkan suhu $200 c m^{3}$ air sebanyak $50.0^{\circ} C$ ialah:

Q = (200) (4.2) (50.0) = 42000 J = 42 kJ

n (C_{2} H_{5} OH) = \frac{42}{1376} \approx 0.03 mol

m = (0.03) (46) = 1.38 g