3 · Physical chemistry

Pearson Edexcel · International GCSE · Chemistry · หัวข้อ 3

ฝึกฝน

3.1

พลังงาน ความเร็วและความสมดุล

คำถามสามข้อจะตัดสินว่าปฏิกิริยานั้นมีประโยชน์หรือไม่: ให้ความร้อนหรือดูดความร้อน, รวดเร็วแค่ไหน, และจบลงหรือไม่ เคมีฟิสิกส์ตอบคำถามเหล่านี้ — การวัดความร้อนและ Q = mcΔT, ทฤษฎีการชนพร้อมตัวแปรสี่ตัว, และความสมดุลพลวัตที่ปฏิกิริยาย้อนกลับถึงในภาชนะปิด

Edexcel International GCSE Chemistry 4CH1, ส่วน 3 (ข้อความ 3.1–3.22C) สั้นแต่เน้นการคำนวณ ข้อที่มี C ต่อท้ายเป็นเฉพาะวิชาเคมีเท่านั้น

3.2

พลังงาน

ปฏิกิริยาคายความร้อน ปล่อยความร้อน (การเผาไหม้, การทำปฏิกิริยากันเอง, การแทนที่ส่วนใหญ่) — mixture อุ่น, ΔH เป็นลบ ปฏิกิริยาดูดความร้อน ดูดความร้อนเข้า (การสลายตัวด้วยความร้อน, การละลายบางชนิด) — mixture เย็นลง การวัดความร้อนอย่างง่าย: วัดการเปลี่ยนแปลงอุณหภูมิของมวลที่ทราบ (ถ้วยโพลิสไตรีนสำหรับสารละลาย; เทียนแอลกอฮอล์ใต้ถ้วยน้ำสำหรับการเผาไหม่)

$$Q = mc\Delta T$$

ตรวจสอบตัวอย่าง 50 g ของน้ำเพิ่มขึ้น 24 °C ในการทดลองเทียนแอลกอฮอล์: $Q = 50 \times 4.2 \times 24 = 5040$ J. ถ้า 0.010 mol ของเชื้อเพลิงถูกเผาไหม้: $\Delta H = -5040/0.010 = -504\,000\ \mathrm{J\,mol^{-1}} = -504\ \mathrm{kJ\,mol^{-1}}$.

โปรไฟล์พลังงาน: คายความร้อน (ผลิตภัณฑ์อยู่ต่ำกว่าสารตั้งต้น) และดูดความร้อน (ผลิตภัณฑ์อยู่สูงกว่า), แต่ละแบบมีพลังงานกระตุ้นของตัวเอง — กราฟพลังงานสำหรับปฏิกิริยาคายความร้อนและดูดความร้อนพร้อมenergyกระตุ้น.

(C) การแตกพันธะเป็น endothermic; การสร้างพันธะเป็น exothermic. ΔH = พันธะที่แตก − พันธะที่สร้าง Worked check. H₂ + Cl₂ → 2HCl: แตก 436 + 242 = 678; สร้าง 2 × 431 = 862; ΔH = 678 − 862 = −184 kJ/mol (exothermic)

สำรวจ

Solution and reaction: opposite heat changes

$q_{solution}=mc\Delta T,\quad q_{reaction}=-q_{solution}$

Connect opposite heat changes in the solution and reaction, using the page’s worked quantities to turn a temperature change into an energy estimate.

คำศัพท์ ฝึกฝน

English	ไทย
exothermic/eɡzəˈðɜːmɪk/	ปฏิกิริยาคายความร้อน
endothermic/ˌendəʊˈθɜːmɪk/	ปฏิกิริยาดูดความร้อน
calorimetry/ˌkælɔːˈrɪmətri/	การวัดค่าความร้อน
catalyst/ˈkætəlɪst/	ตัวเร่งปฏิกิริยา
collision theory/kəˈlɪʒn ˈθɪəri/	ทฤษฎีการชนกัน

3.3

อัตราการเกิดปฏิกิริยา

การทดลองติดตามปฏิกิริยาที่มองเห็นได้: ปริมาตรแก๊ส (หินปูน + กรด), การสูญเสียมวลบนตาชั่ง, หรือเครื่องหมายกากบาทที่หายไป (โซเดียมไทโอซัลเฟต + กรด) ตัวแปรสี่ตัว: พื้นที่ผิว ของของแข็ง, ความเข้มข้น (หรือความดันแก๊ส), อุณหภูมิ, และ ตัวเร่งปฏิกิริยา

กราฟอัตราสำหรับเศษหินปูนและกรด: ผงทำปฏิกิริยาเร็วกว่าเศษ; กรดอ่อนทำให้ปฏิกิริยาลดลง — กราฟอัตรา: ผงทำปฏิกิริยารวดเร็วกว่าเศษ; กรดอ่อนทำให้ปฏิกิริยาช้าลง

ทฤษฎีการชน อธิบายทุกเรื่อง: ปฏิกิริยาต้องการการชนกันที่มีพลังงานกระตุ้นอย่างน้อย พลังงานกระตุ้น (activation energy). ผงมีพื้นที่ผิวที่สัมผัสได้มากขึ้น → การชนกันต่อวินาทีเพิ่มขึ้น; ความเข้มข้นหรือความดันสูงขึ้นทำให้อนุภาคอยู่ใกล้กันมากขึ้น → การชนกันถี่ขึ้น; อุณหภูมิสูงขึ้นทำให้อนุภาคเคลื่อนที่เร็วขึ้น → การชนกันทั้งถี่ขึ้นและมีพลังงานมากขึ้น — จากสามปัจจัยนี้ มีเพียงอุณหภูมิเดียวที่เพิ่ม สัดส่วน ของการชนที่มีพลังงานกระตุ้นอย่างน้อย. ตัวเร่งปฏิกิริยาให้ เส้นทางทางเลือกที่มีพลังงานกระตุ้นต่ำกว่า → การชนที่สำเร็จมากขึ้น — และไม่เปลี่ยนแปลงทางเคมีเมื่อสิ้นสุดปฏิกิริยา; มันไม่เปลี่ยนปริมาณผลิตภัณฑ์ แต่เปลี่ยนความเร็วในการเกิด.

สำรวจ

An interval mean differs from a tangent rate

Compare the worked 10 to 34 cm³ interval with a tangent; increasing model speed keeps the final volume fixed.

คำศัพท์ ฝึกฝน

English	ไทย
activation energy/ˌæktɪˈveɪʃn ˈenədʒi/	พลังงานกระตุ้น
reversible reaction/rɪˈvɜːsɪbl rɪˈækʃn/	ปฏิกิริยาที่กลับคืนได้
dynamic equilibrium/daɪˈnæmɪk ˌiːkwɪˈlɪbrɪəm/	สมดุลพลวัต

3.4

ปฏิกิริยาย้อนกลับและความสมดุล

ปฏิกิริยาย้อนกลับ (⇌) ทำงานทั้งสองทาง: ซัลเฟตทองแดง(II) น้ำ ↔ เกลือไร้สารประกอบ + น้ำ (ความร้อนขับเคลื่อนไปข้างหน้า, น้ำย้อนกลับ); แอมโมเนียมคลอไรด์ ↔ แอมโมเนีย + ไฮโดรเจนคลอไรด์ เมื่อให้ความร้อน (C) ใน ภาชนะปิด จะถึงความ สมดุลพลวัต: อัตราไปข้างหน้าและย้อนกลับเท่ากัน, และความเข้มข้นคงที่ — ทั้งสองปฏิกิริยายังคงดำเนินอยู่

สิ่งที่แต่ละการเปลี่ยนแปลงมีต่อตำแหน่งสมดุล — ผลของการเปลี่ยนแปลงแต่ละอย่างต่อตำแหน่งของสมดุล

(C) อุณหภูมิสูงขึ้น → สมดุลเลื่อนไปทาง ทิศทางดูดความร้อน; ความดันสูงขึ้น → เลื่อนไปยังด้านที่มี โมลของก๊าซน้อยลง; ตัวเร่งปฏิกิริยา เร่งทั้งสองทิศทางเท่ากันและไม่ตำแหน่งสมดุล.

สำรวจ

Equal rates do not require equal amounts

$A\rightleftharpoons B$

In this closed A ⇌ B model, a catalyst changes how quickly equilibrium is reached, not its final composition.

3.5

ตรวจสอบความเข้าใจของคุณเอง

จำแนกว่าเป็นปฏิกิริยาคายความร้อนหรือดูดความร้อน: การเผาไหม้, การสลายตัวด้วยความร้อน, การทำปฏิกิริยากันเอง
100 กรัมของน้ำลดอุณหภูมิลง 8.0 °C ในการทดลองละลาย คำนวณค่า Q
(C) ระบุเครื่องหมายของ ΔH สำหรับการทำลายพันธะและการสร้างพันธะ
ใช้พลังงานพันธะเพื่อหาค่า ΔH สำหรับ 2H₂ + O₂ → 2H₂O (H–H 436, O=O 498, O–H 463 kJ/mol)
ทำไมหินปูนผงจึงทำปฏิกิริยากับกรดได้เร็วกว่าก้อนหินปูนชิ้นใหญ่?
จากพื้นที่ผิว ความเข้มข้น และอุณหภูมิ ปัจจัยใดเพิ่มสัดส่วนของการชนที่สำเร็จ และทำไม?
นิยามตัวเร่งปฏิกิริยา
(C) ระบุลักษณะสองประการของสมดุลพลวัต
(C) N₂ + 3H₂ ⇌ 2NH₃: การเพิ่มแรงดันมีผลอย่างไร และทำไมถึงเป็นเช่นนั้น?
(C) ทำไมตัวเร่งปฏิกิริยาจึงไม่เปลี่ยนตำแหน่งสมดุล?

คำตอบ: 1 exothermic (combustion), endothermic (thermal decomposition), exothermic (neutralisation); 2 $Q = 100 \times 4.2 \times 8.0 = 3360$ J ดูดเข้า — น้ำเย็นลง, ดังนั้นการละลายเป็น endothermic; 3 (C) แตกบวก (endothermic), สร้างลบ (exothermic); 4 แตก: 2(436) + 498 = 1370; สร้าง: 4(463) = 1852; ΔH = 1370 − 1852 = −482 kJ/mol (ต่อ 2 mol H₂O); 5 Powder exposed surfaces มากขึ้นมาก, ดังนั้นการชนกับกรดต่อวินาทีมากขึ้น; 6 อุณหภูมิ — Particles เคลื่อนที่เร็วขึ้นชนกันบ่อยขึ้น AND การชนที่มากเกินไป activation energy; 7 สารที่เพิ่มอัตราแต่ไม่เปลี่ยนแปลงทางเคมีในตอนท้าย; 8 (C) อัตรา forward และ reverse เท่ากัน; ความเข้มข้นของสารทั้งหมดคงที่; 9 (C) เลื่อนไปทางขวา — 4 moles ของ gas ทางซ้าย, 2 ทางขวา, ดังนั้นความดันสูงชอบด้านที่มีจำนวน moles น้อยกว่า

คำตอบต่อเนื่อง: 10 (C) เพราะมันลดพลังงานก่อกวนของปฏิกิริยารวมไปและย้อนกลับเท่ากัน ทำให้ทั้งสอง SIDE เร็วขึ้นโดยไม่เปลี่ยนสมดุล

หัวข้อเพิ่มเติมใน Pearson Edexcel · International GCSE · Chemistry

1 · Principles of chemistry