120 °C पर ताँबा का 200 g का एक टुकड़ा (c = 0.385 J/(g·°C)) एक ऊष्मारोधी कप में 22 °C पर रखे 300 g पानी (c = 4.18 J/(g·°C)) में डाला जाता है। अंतिम ताप Tf ज्ञात कीजिए।
मानक संभवन एन्थैल्पियों से वह ऊष्मा q ज्ञात कीजिए जो 20 g C2H5OH (M = 46.07 g/mol) के पूर्ण दहन पर मुक्त होती है: C2H5OH + 3O₂ → 2CO₂ + 3H₂O(l)। q को धनात्मक संख्या के रूप में दें।
स्टॉइकियोमेट्री: संतुलित समीकरण कण गिनता है, ग्राम नहीं। n = m/M से द्रव्यमान को मोल में बदलें, समीकरण के गुणांकों को मोल अनुपात के रूप में लें, फिर m = n·M से वापस बदलें। दो अभिकारकों में सीमांत अभिकारक वह है जो पहले खत्म होता है और उत्पाद की मात्रा तय करता है।
हर अभिकारक के मोल
n(H2) = 30/2.016 = 14.88 mol
n(O2) = 64/32 = 2 mol
सीमांत अभिकारक
14.88/2 = 7.44, 2/1 = 2 → O2
उत्पाद का द्रव्यमान
n(H2O) = 2·2 = 4 mol
m = 4·18.02 = 72.08 g
उत्तर
m = 72.08 g
2.स्टॉइकियोमेट्री
उत्तर: Y = 70 %
स्टॉइकियोमेट्री: संतुलित समीकरण कण गिनता है, ग्राम नहीं। n = m/M से द्रव्यमान को मोल में बदलें, समीकरण के गुणांकों को मोल अनुपात के रूप में लें, फिर m = n·M से वापस बदलें। दो अभिकारकों में सीमांत अभिकारक वह है जो पहले खत्म होता है और उत्पाद की मात्रा तय करता है।
सैद्धांतिक उपज
n(H2) = 6/2.016 = 2.976 mol
m = 2.976·2/2·18.02 = 53.63 g
प्रतिशत उपज
Y = 37.54/53.63·100 = 70%
उत्तर
Y = 70%
3.मोलरता और तनुकरण
उत्तर: V1 = 66.67 mL
मोलरता: सांद्रता c = n/V, mol/L में, जहाँ n = m/M। तनुकरण में विलायक जुड़ता है पर विलेय नहीं, इसलिए मोलों की संख्या वही रहती है: c₁·V₁ = c₂·V₂। एक ही विलेय के दो विलयन मिलाने पर मोल भी जुड़ते हैं और आयतन भी।
स्टॉक विलयन का आयतन
V1 = c2·V2/c1 = 0.4·250/1.5 = 66.67 mL
उत्तर
V1 = 66.67 mL
4.मोलरता और तनुकरण
उत्तर: c = 1.043 mol/L
मोलरता: सांद्रता c = n/V, mol/L में, जहाँ n = m/M। तनुकरण में विलायक जुड़ता है पर विलेय नहीं, इसलिए मोलों की संख्या वही रहती है: c₁·V₁ = c₂·V₂। एक ही विलेय के दो विलयन मिलाने पर मोल भी जुड़ते हैं और आयतन भी।
कुल मात्रा
n = 0.8·300 + 2.5·50 = 365 mmol
मिश्रण की सांद्रता
c = 365/350 = 1.043 mol/L
उत्तर
c = 1.043 mol/L
5.आदर्श गैस नियम
उत्तर: V = 56.36 L
आदर्श गैस नियम: PV = nRT, n = m/M के साथ।
मोल
n = 40/4.003 = 9.993 mol
T = 100 + 273.15 = 373.1 K
आयतन
V = nRT/P = 9.993·8.314·373.1/550 = 56.36 L
उत्तर
V = 56.36 L
6.आदर्श गैस नियम
उत्तर: ρ = 1.09 kg/m³
आदर्श गैस घनत्व: ρ = PM/(RT)।
गैस नियम पुनर्व्यवस्थित करें
PV = (m/M)RT → ρ = m/V = PM/(RT)
T = 80 + 273.15 = 353.1 K
घनत्व
ρ = 100·32/(8.314·353.1) = 1.09 kg/m³
उत्तर
ρ = 1.09 kg/m³
7.कैलोरीमिति और एन्थैल्पी
उत्तर: Tf = 27.67 °C
ऊष्मा और एन्थैल्पी: किसी पदार्थ को गर्म करने के लिए q = m·c·ΔT लगती है। कैलोरीमीटर में गर्म वस्तु द्वारा दी गई ऊष्मा ठंडी वस्तु द्वारा ली गई ऊष्मा के बराबर होती है। अभिक्रिया का एन्थैल्पी परिवर्तन संभवन एन्थैल्पियों से मिलता है: ΔH° = ΣΔH°f(उत्पाद) − ΣΔH°f(अभिकारक), हर एक को उसके गुणांक से गुणा करके।
ऊष्मा संतुलन
200·0.385·(120 − Tf) = 300·4.18·(Tf − 22)
अंतिम ताप के लिए हल करें
Tf = (77·120 + 1254·22)/(77 + 1254) = 27.67 °C
उत्तर
Tf = 27.67 °C
8.कैलोरीमिति और एन्थैल्पी
उत्तर: q = 593.3 kJ
ऊष्मा और एन्थैल्पी: किसी पदार्थ को गर्म करने के लिए q = m·c·ΔT लगती है। कैलोरीमीटर में गर्म वस्तु द्वारा दी गई ऊष्मा ठंडी वस्तु द्वारा ली गई ऊष्मा के बराबर होती है। अभिक्रिया का एन्थैल्पी परिवर्तन संभवन एन्थैल्पियों से मिलता है: ΔH° = ΣΔH°f(उत्पाद) − ΣΔH°f(अभिकारक), हर एक को उसके गुणांक से गुणा करके।
रासायनिक साम्य: aA + bB ⇌ cC + dD के लिए साम्य स्थिरांक Kc = [C]c[D]d/([A]a[B]b) है, जिसमें साम्य पर सांद्रताएँ ली जाती हैं। ICE तालिका (प्रारंभिक, परिवर्तन, साम्य) प्रारंभिक मात्राओं को साम्य मात्राओं से एक अज्ञात x के ज़रिए जोड़ती है, जिसे गुणांकों से मापित किया जाता है।
रासायनिक साम्य: aA + bB ⇌ cC + dD के लिए साम्य स्थिरांक Kc = [C]c[D]d/([A]a[B]b) है, जिसमें साम्य पर सांद्रताएँ ली जाती हैं। ICE तालिका (प्रारंभिक, परिवर्तन, साम्य) प्रारंभिक मात्राओं को साम्य मात्राओं से एक अज्ञात x के ज़रिए जोड़ती है, जिसे गुणांकों से मापित किया जाता है।
साम्य व्यंजक
0.1 = x²/(0.1 − x) → x² + 0.1·x − 0.01 = 0
द्विघात समीकरण हल करें
x = (−0.1 + √(0.1² + 4·0.01))/2 = 0.0618 mol/L
साम्य सांद्रता
[Cl₂] = x = 0.0618 mol/L
उत्तर
[Cl2] = 0.0618 mol/L
11.pH और बफ़र
उत्तर: pH = 2.536
pH: pH = −log₁₀[H₃O⁺] और pOH = −log₁₀[OH⁻], 25 °C पर pH + pOH = 14। प्रबल अम्ल और क्षार पूरी तरह आयनित होते हैं। दुर्बल अम्ल केवल आंशिक रूप से: Ka = x²/(c − x), जहाँ x = [H₃O⁺]। दुर्बल अम्ल और उसके संयुग्मी क्षार का बफ़र हेंडरसन–हैसलबाख का पालन करता है: pH = pKa + log([A⁻]/[HA])।
संतुलन
HA ⇌ H⁺ + A⁻: अम्ल का x mol/L आयनित होता है।
Ka = x²/(0.05 − x) → x = 0.002911 mol/L
pH
pH = −log(0.002911) = 2.536
उत्तर
pH = 2.536
12.pH और बफ़र
उत्तर: pH = 7.125
pH: pH = −log₁₀[H₃O⁺] और pOH = −log₁₀[OH⁻], 25 °C पर pH + pOH = 14। प्रबल अम्ल और क्षार पूरी तरह आयनित होते हैं। दुर्बल अम्ल केवल आंशिक रूप से: Ka = x²/(c − x), जहाँ x = [H₃O⁺]। दुर्बल अम्ल और उसके संयुग्मी क्षार का बफ़र हेंडरसन–हैसलबाख का पालन करता है: pH = pKa + log([A⁻]/[HA])।
pKa
pKa = 7.523
हेंडरसन–हैसलबाख
pH = 7.523 + log(0.2/0.5) = 7.125
उत्तर
pH = 7.125
13.अभिक्रिया गतिकी
उत्तर: t = 180 min
Integrated rate laws: zero order: C = C₀ − kt (straight line, t½ = C₀/(2k)); first order: ln(C₀/C) = kt (t½ = ln 2/k); second order: 1/C − 1/C₀ = kt (t½ = 1/(kC₀)). Conversion X means C = C₀(1 − X).
रूपांतरित मात्रा
CA0·X = 1.5·0.6 = 0.9 mol/L
समय
t = CA0·X/k = 0.9/0.005 = 180 min
उत्तर
t = 180 min
14.अभिक्रिया गतिकी
उत्तर: T2 = 73.47 °C
Reaction rates: for a first-order reaction −dC/dt = kC, so C = C₀·e−kt and the half-life ln 2/k does not depend on concentration. For a second-order reaction 1/C = 1/C₀ + kt. The rate constant rises with temperature following Arrhenius: k = A·e−Ea/(RT).