150 °C पर एल्युमिनियम का 150 g का एक टुकड़ा (c = 0.897 J/(g·°C)) एक ऊष्मारोधी कप में 18 °C पर रखे 150 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 50 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) = 24/2.016 = 11.9 mol
n(O2) = 48/32 = 1.5 mol
सीमांत अभिकारक
11.9/2 = 5.952, 1.5/1 = 1.5 → O2
उत्पाद का द्रव्यमान
n(H2O) = 1.5·2 = 3 mol
m = 3·18.02 = 54.06 g
उत्तर
m = 54.06 g
2.स्टॉइकियोमेट्री
उत्तर: Y = 88.03 %
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(N2) = 10/28.02 = 0.3569 mol
m = 0.3569·2/1·17.03 = 12.16 g
प्रतिशत उपज
Y = 10.7/12.16·100 = 88.03%
उत्तर
Y = 88.03%
3.मोलरता और तनुकरण
उत्तर: V1 = 12.5 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 = 0.05·1000/4 = 12.5 mL
उत्तर
V1 = 12.5 mL
4.मोलरता और तनुकरण
उत्तर: c = 1.32 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 = 2·300 + 0.3·200 = 660 mmol
मिश्रण की सांद्रता
c = 660/500 = 1.32 mol/L
उत्तर
c = 1.32 mol/L
5.आदर्श गैस नियम
उत्तर: P = 786.7 kPa
आदर्श गैस नियम: PV = nRT, n = m/M के साथ।
मोल
n = m/M = 370/28.01 = 13.21 mol
T = 85 + 273.15 = 358.1 K
दाब
P = nRT/V = 13.21·8.314·358.1/0.05 = 786.7 kPa
उत्तर
P = 786.7 kPa
6.आदर्श गैस नियम
उत्तर: ρ = 0.3978 kg/m³
आदर्श गैस घनत्व: ρ = PM/(RT)।
गैस नियम पुनर्व्यवस्थित करें
PV = (m/M)RT → ρ = m/V = PM/(RT)
T = 90 + 273.15 = 363.1 K
घनत्व
ρ = 300·4.003/(8.314·363.1) = 0.3978 kg/m³
उत्तर
ρ = 0.3978 kg/m³
7.कैलोरीमिति और एन्थैल्पी
उत्तर: Tf = 41.32 °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
150·0.897·(150 − Tf) = 150·4.18·(Tf − 18)
अंतिम ताप के लिए हल करें
Tf = (134.6·150 + 627·18)/(134.6 + 627) = 41.32 °C
उत्तर
Tf = 41.32 °C
8.कैलोरीमिति और एन्थैल्पी
उत्तर: q = 1483 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।
साम्य व्यंजक
64 = (2x)²/(0.2 − x)²
वर्गमूल लें
8 = 2x/(0.2 − x) → x = 0.2·8/(2 + 8) = 0.16 mol/L
साम्य सांद्रता
[HI] = 2x = 0.32 mol/L
उत्तर
[HI] = 0.32 mol/L
10.रासायनिक साम्य
उत्तर: [PCl5] = 0.1 mol/L
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/(0.2 − x) → x² + 0.1·x − 0.02 = 0
द्विघात समीकरण हल करें
x = (−0.1 + √(0.1² + 4·0.02))/2 = 0.1 mol/L
साम्य सांद्रता
[PCl₅] = 0.2 − 0.1 = 0.1 mol/L
उत्तर
[PCl5] = 0.1 mol/L
11.pH और बफ़र
उत्तर: pH = 1.946
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/(0.2 − x) → x = 0.01133 mol/L
pH
pH = −log(0.01133) = 1.946
उत्तर
pH = 1.946
12.pH और बफ़र
उत्तर: pH = 3.632
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 = 3.854
हेंडरसन–हैसलबाख
pH = 3.854 + log(0.3/0.5) = 3.632
उत्तर
pH = 3.632
13.अभिक्रिया गतिकी
उत्तर: k = 0.01733 min⁻¹
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).
समाकलित प्रथम-कोटि नियम
k = ln(CA0/CA)/t = ln(0.5/0.25)/40 = 0.6931/40 = 0.01733 min⁻¹
उत्तर
k = 0.01733 min⁻¹
14.अभिक्रिया गतिकी
उत्तर: Ea = 89.96 kJ/mol
अभिक्रिया दर: प्रथम-कोटि अभिक्रिया के लिए −dC/dt = kC, इसलिए C = C₀·e−kt और अर्धायु ln 2/k सांद्रता पर निर्भर नहीं करती। द्वितीय-कोटि अभिक्रिया के लिए 1/C = 1/C₀ + kt। दर स्थिरांक आरेनियस के अनुसार तापमान के साथ बढ़ता है: k = A·e−Ea/(RT)।
परम तापमान
T1 = 293.1 K, T2 = 308.1 K
आरेनियस से Ea हल करें
Ea = −R·ln(k2/k1)/(1/T2 − 1/T1) = −8.314·1.797/(-1.661e-4) = 89962 J/mol