Jak Obliczyć Pracę Wydzieloną w Wyniku Reakcji Glinu z Kwasem Solnym?
Wyobraźcie sobie – macie cylinder z ruchomym tłokiem, a w środku odrobinkę kwasu solnego. Wrzucacie do środka 10 gramów glinu, a nagle – bum! Wydziela się wodór, a tłok radośnie podnosi się do góry! To oznacza, że została wykonana praca. Ale jak dokładnie ją obliczyć? Zanurzmy się w ten proces krok po kroku!
Co Dzieje Się w Cylindrze?
Mamy cylinder, w którym umieszczono kwas solny, i wrzucamy 10 gramów glinu. Kiedy glin reaguje z kwasem, wydziela się gazowy wodór, który unosi tłok, wykonując pracę. Dlaczego tłok unosi się do góry? Bo wydzielający się wodór wywiera ciśnienie na tłok, próbując wyrównać je z ciśnieniem zewnętrznym. Tak więc – kiedy objętość wzrasta, wykonuje się praca!
Krok 1: Ciśnienie i Warunki Odwracalne
Wszystko to brzmi może nieco skomplikowanie, ale spokojnie! W chemii fizycznej, w przypadku zmiany objętości, obliczamy pracę używając ciśnienia zewnętrznego. Jeśli reakcja nie jest określona jako odwracalna (a w tym przypadku nie jest), przyjmujemy, że warunki są nieodwracalne, a ciśnienie zewnętrzne pozostaje stałe. Możemy je więc wyciągnąć przed znak całki, upraszczając obliczenia.
Co To Znaczy?
Ciśnienie jest stałe – to nam ułatwia sprawę. Przyjmujemy, że wynosi 1000 hPa, co jest standardem. Dzięki temu możemy skupić się tylko na zmianie objętości gazu.
Krok 2: Skorzystanie z Równania Clapeyrona
Aby obliczyć objętość gazu (tzn. ile tego wodoru się wydzieliło), posłużymy się równaniem gazu doskonałego – równaniem Clapeyrona:
PV=nRTPV = nRTPV=nRT
Zakładamy, że gaz zachowuje się doskonale, więc możemy wykorzystać to równanie, by obliczyć objętość wodoru.
Krok 3: Liczymy Ilość Moli Wodoru
Zanim przejdziemy do obliczeń pracy, musimy ustalić, ile moli wodoru wydzieliło się w reakcji. Nasza reakcja zachodzi między glinem (Al) a kwasem solnym (HCl). Stosunek molowy w reakcji pokazuje, że z jednego mola glinu (27 g) powstaje 1,5 mola wodoru.
Mamy już liczbę moli, więc możemy przejść do obliczeń pracy!
Krok 4: Obliczenie Pracy
Stosując wzór na pracę wykonaną w przypadku nieodwracalnej ekspansji gazu:
W=−pzewΔV
Po podstawieniu danych otrzymujemy wynik: -1387,9 J.
Nieco technicznie, ale jeśli zastanawiacie się nad jednostkami – Paskal razy metr sześcienny daje dżul (J). Jednostki zgadzają się, a my mamy odpowiedź!
Podsumowanie
Gratulacje! Udało nam się przeprowadzić cały proces. W skrócie, zaczęliśmy od cylindra z kwasem, dodaliśmy glin, uzyskaliśmy wodór, tłok poszedł w górę, a my obliczyliśmy pracę wynoszącą -1387,9 J. Całkiem nieźle jak na reakcję w chemii fizycznej!
Podobało Ci się?
Jeśli chcesz więcej takich przykładów, zapraszam na www.fizyka-kursy.pl oraz na mój fanpage na Facebooku!