Leer Calorimetrie en enthalpie vanaf nul
Hiervoor: Stoichiometrie
1Warmte en temperatuur
Warmte (q) is energie die van een heet voorwerp naar een kouder voorwerp stroomt. Ze wordt gemeten in joule (J) of kilojoule (1 kJ = 1000 J).
Temperatuur vertelt hoe heet iets is. Warmte is wat de temperatuur verandert.
1 kg water 10 °C verwarmen kost meer energie dan 1 kg ijzer 10 °C verwarmen. Elke stof heeft zijn eigen soortelijke warmte c: de warmte die nodig is om 1 g 1 °C op te warmen.
Voor water is c = 4,18 J/(g·°C). Voor aluminium is het 0,897 J/(g·°C), voor lood maar 0,129 J/(g·°C). Water is moeilijk op te warmen, metalen zijn makkelijk.
De warmte die nodig is voor een temperatuurverandering is:
q = m · c · ΔT
Hier is m de massa in gram en ΔT = Tfinal − Tinitial. Een positieve q betekent dat warmte wordt opgenomen; een negatieve q betekent dat warmte wordt afgegeven.
Zelftoets Hoeveel warmte is nodig om 100 g water 10 °C op te warmen (c = 4,18 J/(g·°C))?
- 0,418 kJ
- 4,18 kJ
- 41,8 kJ
- 418 J
Antwoord: 4,18 kJ. q = 100 · 4,18 · 10 = 4180 J = 4,18 kJ. 418 J vergeet met ΔT te vermenigvuldigen, en 41,8 kJ laat een factor 10 insluipen bij het omrekenen van J naar kJ.
2De calorimeter: verloren warmte = opgenomen warmte
Een calorimeter is een geïsoleerde beker. Er ontsnapt geen warmte, dus alle warmte die het ene afgeeft, wordt door het andere opgenomen.
Laat een heet metalen blok in koud water vallen. Het blok koelt af, het water warmt op, tot beide dezelfde eindtemperatuur Tf bereiken.
mm · cm · (Tm − Tf) = mw · cw · (Tf − Tw)
De linkerkant is de warmte die het metaal verliest, de rechterkant de warmte die het water opneemt. Beide worden als positieve getallen geschreven.
Oplossen voor Tf geeft een gewogen gemiddelde van de twee begintemperaturen, waarbij elk gewicht m · c is:
Tf = (mmcmTm + mwcwTw) / (mmcm + mwcw)
Omdat water een grote m · c heeft, eindigt Tf meestal dicht bij de watertemperatuur.
Zelftoets Een heet metalen blok valt in koud water in een geïsoleerde beker. Waar moet de eindtemperatuur liggen?
- Boven de begintemperatuur van het metaal
- Onder de begintemperatuur van het water
- Precies halverwege de twee begintemperaturen
- Tussen de twee begintemperaturen
Antwoord: Tussen de twee begintemperaturen. Het metaal koelt af en het water warmt op tot ze elkaar ontmoeten, dus Tf ligt ertussen. Het is alleen halverwege als beide dezelfde m · c hebben, wat zeldzaam is.
3Reactie-enthalpie
Reacties nemen ook warmte op of geven die af. Bij constante druk is deze warmte de enthalpieverandering ΔH, in kJ.
- Exotherm: ΔH is negatief. De reactie geeft warmte af, zoals brandende brandstof.
- Endotherm: ΔH is positief. De reactie neemt warmte op, zoals een koud kompres.
De standaardvormingsenthalpie ΔH°f is de ΔH voor het maken van 1 mol van een stof uit haar elementen. Voor een element in zijn normale vorm, zoals O₂ of C, is ze 0.
Met deze waarden uit een tabel vind je de ΔH° van elke reactie:
ΔH° = ΣΔH°f(producten) − ΣΔH°f(reactanten)
Vermenigvuldig elke ΔH°f met de coëfficiënt van die stof in de kloppende vergelijking. Dit werkt vanwege de wet van Hess: de totale ΔH hangt niet af van de route van begin naar eind.
Zelftoets Bepaal ΔH° voor CH₄ + 2O₂ → CO₂ + 2H₂O(l). Gebruik ΔH°f: CH₄ −74,8, CO₂ −393,5, H₂O(l) −285,8 kJ/mol.
- +890,3 kJ
- −1039,9 kJ
- −604,5 kJ
- −890,3 kJ
Antwoord: −890,3 kJ. Producten: −393,5 + 2 · (−285,8) = −965,1. Min reactanten: −965,1 − (−74,8) = −890,3 kJ. −604,5 vergeet de coëfficiënt 2 van water, en +890,3 trekt de verkeerde kant op af.
4De methode stap voor stap
Verwarmen:
- Schrijf q = m · c · ΔT op en vul in wat gegeven is. Reken kJ om naar J (× 1000) zodat de eenheden bij c passen.
- Los op voor het onbekende: q, ΔT, m of c.
Calorimeter:
- Schrijf: warmte afgegeven door het hete voorwerp = warmte opgenomen door het koude.
- Zet Tf in beide temperatuurverschillen: heet min Tf en Tf min koud.
- Los op voor Tf en controleer dat die tussen de twee begintemperaturen ligt.
Vormingsenthalpie:
- Vermenigvuldig elke ΔH°f met zijn coëfficiënt. Elementen tellen als 0.
- ΔH° = som voor de producten − som voor de reactanten.
- Voor de warmte van een gegeven massa reken je de massa om naar mol en schaal je ΔH° naar die hoeveelheid.
5Een uitgewerkt voorbeeld
Volg elke stap. Probeer de volgende stap te voorspellen voordat je hem opent.
Uitgewerkt voorbeeldEen blok aluminium van 100 g (c = 0,897 J/(g·°C)) van 110 °C valt in 200 g water (c = 4,18 J/(g·°C)) van 20 °C in een geïsoleerde beker. Bepaal de eindtemperatuur Tf.
1Aluminium: 100 · 0,897 = 89,7 J/°C. Water: 200 · 4,18 = 836 J/°C.
Het water heeft veel meer warmte per graad nodig, dus Tf komt dicht bij 20 °C.
2Warmte afgegeven door het aluminium = warmte opgenomen door het water.
89,7 · (110 − Tf) = 836 · (Tf − 20)
39867 − 89,7·Tf = 836·Tf − 16 720
Tf = (9867 + 16 720) / (89,7 + 836) = 26 587 / 925,7 = 28,7 °C
4Warmte afgegeven door het aluminium: 89,7 · (110 − 28,7) ≈ 7290 J. Warmte opgenomen door het water: 836 · (28,7 − 20) ≈ 7290 J. Ze zijn gelijk.
En 28,7 °C ligt tussen 20 °C en 110 °C, dicht bij de watertemperatuur, zoals verwacht.
6Veelgemaakte fouten
- J en kJ door elkaar halen. Soortelijke warmtes zijn in J, dus reken kJ eerst om naar J.
- De verkeerde massa gebruiken, bijvoorbeeld de massa van het metaal met de soortelijke warmte van water.
- ΔT schrijven als begin min eind. Dan is het teken van q fout.
- In een calorimeter beide kanten schrijven als Tf min begin. Dan is één kant negatief en klopt de balans niet.
- De coëfficiënten vergeten bij het optellen van vormingsenthalpieën.
- Reactanten min producten berekenen, wat het teken van ΔH° omdraait.
Zelftoets Er wordt 78 kJ warmte toegevoegd aan 400 g water (c = 4,18 J/(g·°C)). Wat is de temperatuurstijging?
- 0,0214 °C
- 0,0467 °C
- 195 °C
- 46,7 °C
Antwoord: 46,7 °C. ΔT = q / (m · c) = 78 000 / (400 · 4,18) = 46,7 °C. q in kJ laten staan geeft 0,0467 °C, c vergeten geeft 78 000 / 400 = 195 °C, en de breuk omdraaien geeft 0,0214 °C.
7Hoe tentamenvragen eruitzien
- Makkelijk: verwarmen met q = m·c·ΔT. Bepaal de warmte om water tussen twee temperaturen op te warmen, of de temperatuurstijging bij een gegeven warmte.
- Gemiddeld: calorimeter. Een heet metalen blok in koud water; bepaal de eindtemperatuur met verloren warmte = opgenomen warmte.
- Moeilijk: vormingsenthalpie. Bepaal ΔH° van een verbranding uit een tabel, of de warmte die vrijkomt als een gegeven massa verbrandt.
Voorbeeld van een moeilijke vraag: ethanol verbrandt met ΔH° = −1366,7 kJ/mol. 50 g ethanol (M = 46,07 g/mol) is 1,085 mol, dus het geeft 1,085 · 1366,7 ≈ 1483 kJ af.
Leer het stap voor stap in de appLeer het stap voor stap in de app