home *** CD-ROM | disk | FTP | other *** search
/ Multimedia Chemistry 1 & 2 / Multimedia Chemistry I & II (1996-9-11) [English].img / chem / chapter9.2c < prev    next >
Text File  |  1996-07-26  |  13KB  |  280 lines

  1. à 9.2cèPhase Changes
  2. äèPlease determïe ê amount ç energy that is required ë cause ê followïg phase changes.
  3. âèHow much heat is required ë melt 250. g ç ice at 0°C?èThe
  4. heat ç fusion ç H½O(s) is 333.5 J/g.èThis is can be viewed as a unit
  5. conversion from grams ç ice ë joules.èThe heat ç fusion specifies ê
  6. amount ç energy ë melt one gram ç ice.èThe required amount ç energy
  7. isè250. g x 333.5 J/g = 8.34x10Å J.èSïce 1 kJ = 1000 J, we usually 
  8. would report ê energy as 83.4 kJ.
  9. éSèThe three common states ç matter are solid, liquid, å gas.
  10. When a solid is heated, ê temperature ïcreases as ê motion ç ê 
  11. aëms or molecules ïcreases.èAt ê meltïg poït, ê temperature
  12. remaïs constant as ê solid converts ë ê liquid.èAt ê meltïg
  13. poït, ê added energy allows ê molecules ë overcome ê attractive
  14. forces so that êy can pass each oêr ï ê liquid.èHowever ê aver-
  15. age kïetic energy remaïs ê constant.è
  16.  
  17. After all ç ê solid has converted ë ê liquid, furêr heatïg caus-
  18. es an ïcrease ï ê average kïetic energy ç ê molecules which we
  19. observe as an ïcrease ï ê temperature ç ê liquid.èEventually, we
  20. reach ê boilïg poït ç ê liquid.èThe temperature agaï remaïs
  21. constant as ê liquid converts ë a gas or vapor.èWhen ê conversion
  22. ë ê gas phase is complete, additional heatïg causes ê temperature
  23. ç ê gas ë ïcrease.è
  24.  
  25. At ê meltïg poït, ê amount ç energy that converts ê solid ë ê
  26. liquid is called ê heat ç fusion, ╙H╚.èThis may be expressed eiêr
  27. as ê energy per gram or energy per mole.èCommon practice is ë call
  28. ê heat ç fusion ê "molar heat ç fusion" when it is expressed on a
  29. per mole basis.èFor water at 0°C, ê heat ç fusion is 333.5 J/g or
  30. 6.008 kJ/mol (6008 J/mol).èThe reverse ç ê meltïg is freezïg, so
  31. ê meltïg poït ç a solid å ê freezïg poït ç ê liquid are ê
  32. same.èWhat's ê difference?èWell, we add heat ë melt ê solid å
  33. remove heat ë freeze ê liquid; but ê absolute energy change is ê
  34. same. 
  35.  
  36. At boilïg poït, ê amount ç energy ë form ê gas from ê liquid
  37. is called ê heat ç vaporization, ╙H╩.èWe may express this energy on a
  38. per gram or per mole basis, ëo.èThe heat ç vaporization ç water at
  39. 100°C is 2.26 kJ/g or 40.7 kJ/mol.
  40.  
  41. Anoêr possible process is ê direct conversion ç ê solid phase ë
  42. ê gas phase.èThis process is called sublimation.èThe freeze dryïg
  43. process uses low temperatures å low pressures ë convert ice directly
  44. ë water vapor at temperatures below ê normal freezïg poït ç water.
  45. The heat ç sublimation ç water is 2.8 kJ/g.                èèè 
  46.  
  47. These three heat terms can be viewed as unit conversion facërs between 
  48. ê energy å ê mass ç ê substance undergoïg ê phase change.
  49. How much energy is required ë melt 800. g ç ice at 0°C?èThe appropri-
  50. ate heat term is ê heat ç fusion, ╙H╚, because it is ê amount ç
  51. energy ë convert (melt) one gram ç ice ë one gram ç liquid water.
  52. For water, ╙H╚ = 333.5 J/g.èThe required amount ç energy is
  53.         (800.g)(333.5J/g) = 2.67x10É J.
  54. Sïce this is a raêr large number, we normally would express ê energy
  55. ï kilojoules, kJ.è1000 J = 1 kJ.èThe energy is
  56.         (2.67x10É J)(1 kJ/1000 J) = 267 kJ.
  57. Of course, eiêr answer is correct as long as ê correct unit is
  58. specified.
  59.  
  60. Oêr energy - mass conversions are treated ï ê same manner.
  61.  1èHow much energy ï kJ is required ë melt 200. g ç ice at
  62. 0°C?è╙H╚ = 333.5 J/g.
  63.  
  64.     A) 600. kJ    B) 3.71 kJ    C) 66.7 kJ    D) 1.67 kJ
  65. üèThis is a conversion from grams ç ice ë ê amount ç energy
  66. ë melt ê ice.èThe heat ç fusion, ╙H╚ = 333.5 J/g, provides ê con-
  67. version facër.
  68.         èè 333.5 Jèè1 kJ
  69.     q = 200. g x ─────── x ────── = 66.7 kJ
  70.         èèè1 gèèè1000 J
  71. Ç C
  72.  2èHow many grams ç ice would be melted when ice at 0°C absorbs
  73. 3.19 kJ ç heat?è╙H╚ = 333.5 J/g.
  74.  
  75.     A) 9.57 g        B) 1.06x10æ g
  76.  
  77.     C) 105 g        D) 172 g
  78. üèThis is a conversion from ê amount ç energy ë ê mass.èThe
  79. appropriate conversion facër is ê heat ç fusion because ê phase
  80. change is from ê solid ë ê liquid.èFor water, ╙H╚ = 333.5 J/g.èWe 
  81. will use ê reciprocal ç ê ╙H╚, because we know ê energy å want
  82. ë fïd ê mass.èWe also must make ê energy units agree.
  83.  
  84.     ? g ice = (3.19 kJ)(1000 J/kJ)(1 g/333.5 J) = 9.57 g.
  85. Ç A
  86.  3èHow much energy ï kJ is required ë boil (vaporize) 500. g ç
  87. water at 100°C?è╙H╩ = 2.26 kJ/g.
  88.  
  89. èèèA) 923 kJèèèB) 382 kJèèèC) 221 kJèèèD) 1.13x10Ä kJ
  90. üèThis is a conversion from grams ç water ë ê amount ç energy
  91. ë boil ê water.èThe heat ç vaporization, ╙H╩ = 2.26 kJ/g, provides
  92. ê conversion facër.
  93.             èè 2.26 kJ
  94.         q = 500. g x ─────── = 1.13x10Ä kJ
  95.             èèè 1 g
  96. Ç D
  97.  4èHow many grams ç water would be converted ë steam when water
  98. absorbs 800. kJ ç heat at 100°C?è╙H╩ = 2.26 kJ/g.
  99.  
  100.     A) 2.83 g    B) 354 g    C) 100. g    D) 1808 g
  101. üèThe heat ç vaporization (╙H╩ = 2.26 kJ/g) specifies ê amount
  102. ç energy that is needed ë convert one gram ç water ïë steam.èThe
  103. heat ç vaporization provides ê conversion facër between ê mass å
  104. ê energy.èWe want ë fïd ê mass, å we know ê energy.
  105.             èè1 g H╖O
  106.     ? g H╖O = 800. kJ x ─────── = 354 g H╖O
  107.             èè2.26 kJ 
  108. Ç B
  109.  5èHow much energy ï kJ is released when 5.00 lbs ç steam
  110. èèèèè condenses ë form water at 100°C?è╙H╩ = 2.26 kJ/g.
  111.  
  112.     èèA) 11.3 kJ        B) 1.03x10Ä kJ
  113.  
  114.      èèC) 205 kJ        D) 5.13x10Ä kJ
  115. üèIn this problem, we were given ê heat ç vaporization ç water,
  116. ╙H╩ = 2.26 kJ/g.èThis heat tells us how much energy is released when one
  117. gram ç water condenses.èSïce we were given ê weight ï pounds, we
  118. must convert ê mass ë grams ï order ë use ê ╙H╩ value.
  119.              453.6 gè 2.26 kJ
  120.     ? kJ = 5.00 lb x ─────── x ─────── = 5.13x10Ä kJ
  121.             è1 lbèèè1 g
  122. Ç D
  123.  6èWhich compound should require ê greatest amount ç energy ë
  124. vaporize one mole ç ê liquid at its normal boilïg poït?
  125. @fig9201.bmp,15,70,515,60
  126. üèIn order ë vaporize a liquid, ê substance must absorb enough
  127. energy ë overcome ê attractive forces between ê molecules.èWe need 
  128. ë compare ê expected strength ç ê ïtermolecular forces ï êse
  129. substances.èCH╕CH╖CH╕ has only weak London dispersion forces.èCH╕CH╖OH 
  130. has dispersion forces, dipole-dipole forces, å strong hydrogen bondïg.
  131. The hydrogen bondïg arises from ê ïteraction ç ê O-H group on one
  132. molecule with that on anoêr molecule.èCH╕OCH╕ å CH╕CHO have disper-
  133. sion forces å dipole-dipole forces but lack hydrogen bondïg.èSïce
  134. ê four molecules are similar ï size, ê dispersion forces should be
  135. approximately ê same magnitude.èOverall ê ïtermolecular forces are
  136. strongest between ê CH╕CH╖OH (ethanol) molecules å it has ê highest
  137. heat ç vaporization, which is ê energy ë vaporize ê liquid.
  138. Ç B
  139. äèPlease fïd ê eiêr ê heat or ê temperature ï ê followïg processes.
  140. âèHow much energy was required ë convert 150. g ç ice at 0.0°C
  141. ïë water at 30.0°C?èThe ëtal amount ç energy is ê sum ç ê
  142. energy ë melt ê ice at 0.0°C å ê energy ë heat ê water ë 30°C.
  143. è q(ëtal) = ╙H╚·mass + C(H╖O)·mass·╙T
  144. è q(ëtal) = (333.5J/g)(150 g) + (4.18 J/g/°C)(150 g)(30.0 - 0.0°C)
  145. è q(ëtal) = 50025 J + 18810 J = 68835 J.èTo three significant figures,
  146. ê required amount ç energy is 6.88x10Å J or 68.8 kJ.
  147. éSèIn ê previous problems ç this section, we considered only
  148. phase changes at constant temperature; i.e. eiêr at ê meltïg poït 
  149. or ê boilïg poït ç ê substance.èAs you undoubtedly realize, if we
  150. put ï enough energy, we not only could cause a phase change but also
  151. could heat ê subsequent liquid or gas.
  152.  
  153. Can you determïe ê fïal temperature ç a sample ç water when 250 g
  154. ç ice (about 1 cup) at -20.0°C absorbs 185 kJ ç heat?èThe heat would
  155. warm ê ice ë its meltïg poït, ê ice would melt, å ên ê water
  156. would be heated.èWe need ê specific heats ç ê ice å water, which
  157. are 2.1 J/g/°C å 4.18 J/g/°C, respectively.èWe also need ê heat ç
  158. fusion ç water, ╙H╚, which is 333.5 J/g.èLet q(ice) represent ê heat
  159. ë warm ê ice ë ê meltïg poït, q(meltïg) represent ê heat ë 
  160. melt ê ice, å q(water) represent ê heat that warms ê melted ice.
  161. First we fïd ê heat absorbed by ê ice.
  162.  
  163.     q(ice) = C(ice)·m·╙T
  164.     q(ice) = (2.1 J/g/°C)(250 g)[0°- (-20.0)] = 10500 J.
  165.  
  166. When we fïd ê temperature change, we always subtract ê ïitial tem-
  167. perature from ê fïal temperature.èThe positive number ç Joules shows
  168. that heat is absorbed.è(The heat has only two significant figures, but
  169. we will take care ç ê significant figures at ê end.)èWe next fïd 
  170. ê heat ë melt ê ice.
  171.  
  172.     q(meltïg) = (250 g)(333.5 J/g) = 83375 J.
  173.  
  174. The ëtal amount ç heat that was absorbed is (185 kJ)(1000 J/kJ) or
  175. 185000 J.èSo far we have used 10500 J + 83375 J = 93875 J ë warm å
  176. melt ê ice.èThe rest ç ê heat will ïcrease ê temperature ç ê
  177. water.èExpressïg this maêmatically,
  178.      q(ice) + q(meltïg) + q(water) = q(Total),
  179. rearrangïg we get
  180.     q(water) = q(Total) - q(ice) - q(meltïg).
  181. èèèèq(water) = 185000 J- 10500 J - 83375 J
  182.     q(water) = 91125 J
  183.  
  184. The relationship between ê heat, mass, å temperature is
  185.     q(water) = C(water)·(mass ç water)·(╙T ç water).
  186. Reversïg å substitutïg ê values ïë ê equation yields,
  187. èèèè(4.18 J/g/°C)(250 g)(T╚ - 0°C) = 91125 J, where T╚ is ê fïal
  188. temperature.èSolvïg for T╚, we get
  189.     èèèè91125 J
  190.     T╚ = ───────────────── = 87°C
  191.     èè (4.18 x 250) J/°C
  192. The fïal temperature ç ê water will be 87°C.
  193.  
  194. What would it mean if ê fïal temperature that we just calculated was
  195. over 100°C?èThat result would tell us that êre was enough energy ë
  196. heat ê water ë ê boilïg poït, ë boil ê water, å perhaps heat
  197. ê steam.èYou would need ë ïclude additional heat terms for ê
  198. vaporization ç ê water å possibly ê heatïg ç ê steam.èYou
  199. just keep goïg until you run out ç energy (that means energy ï ê
  200. problem, not your energy).
  201.  7èHow much energy is required ë convert 50.0 g ç ice at 0°C
  202. ïë steam at 150.°C?è╙H╚(water) = 333.5 J/g.è╙H╩(water) = 2.26 kJ/g.
  203. C(water) = 4.18 J/g/°C.èC(steam) = 1.99 J/g/°C.
  204.  
  205.     A) 130. kJ        B) 156 kJ
  206.  
  207.     C) 29.6 kJ        D) 84.1 kJ
  208. üèWe need ë fïd ê required heat for ê four stages ï ê
  209. process: meltïg ê ice (q(meltïg)), heatïg ê water (q(water)),
  210. boilïg ê water (q(boilïg)), å heatïg ê steam (q(steam)).
  211.  
  212.     q(meltïg) = (50.0 g)(333.5 J/g)èèèèèèèèè=è16675 J
  213.  
  214.     q(water)è = (4.18 J/g/°C)(50.0 g)(100°C - 0°C)è =è20900 J
  215.  
  216.     q(boilïg) = (50.0 g)(2260 J/g)èèèèèèèèè = 113000 J
  217.  
  218.     q(steam)è = (1.99 j/g/°C)(50.0 g)(150°C - 100°C) =è 4975 J
  219.  
  220. The sum ç êse heat terms is 155550 J or 156 kJ.è(3 sig. fig.)
  221. Ç B
  222.  8èWhat is ê fïal temperature ç ê water when 300. g ç ice
  223. at 0°C absorbs 168 kJ ç heat?è╙H╚ = 333.5 J/g, C(water) = 4.18 J/g/°C
  224.  
  225.     A) 0°C        B) 44°C        C) 54°C        D) 32°C
  226. üèFirst we must determïe how much energy is required ë melt ê
  227. ice.èq(meltïg) = (300. g)(333.5 J/g) = 100050 J.èSïce 168 kJ, which
  228. is 168000 J, was absorbed, êre is more than enough energy ë melt all
  229. ç ê ice.èOf ê 168000 J absorbed, 100050 J is needed ë melt ê 
  230. ice. The balance ç 67950 J (168000 J - 100050 J) is available ë heat
  231. ê water.èUsïg ê equation q = C·m·╙T we can fïd ê fïal temper-
  232. ature.èThe ïitial temperature ç ê water will be 0°C.
  233.     (4.18 J/g/°C)(300 g)(T╚ - 0°C) = 67950 J
  234.                      67950 J
  235.                 èèT╚ = ─────────────────
  236.                      (4.18 x 300) J/°C
  237.                 èèT╚ = 54°C
  238. Ç C
  239.  9èFive (5.00) grams ç aceëne at 25.0°C is heated ë a temper-
  240. ature ç 60.0°C.èHow much energy did ê aceëne absorb?èAceëne boils
  241. at 56.2°C.è╙H╩(aceëne) = 550.5 J/g.èC(liquid) = 2.18 J/g/°C.
  242. C(gas) = 1.30 J/g/°C.
  243.  
  244.     A) 3.12 kJ    B) 0.629 kJ    C) 3.38 kJ    D) 2.98 kJ
  245. üèWhen ê temperature reaches 56.2°C, ê aceëne will boil.èWe
  246. must determïe how much heat is required ë heat ê liquid from 25.0°C
  247. ë 56.2°C, q(liquid), ë boil ê aceëne, q(boilïg), å ë heat ê
  248. aceëne vapor, q(gas).
  249.     q(liquid) = C(liquid)·mass·╙T
  250.     q(liquid) = (2.18 J/g/°C)(5.00 g)(56.2°C - 25.0°C) =è340 J
  251.  
  252.     q(boilïg) = (5.00 g)(550.5 J/g)èèèèèèèèè = 2753 J
  253.  
  254.     q(gas) = C(gas)·mass·╙T    
  255.     q(gas) = (1.30 J/g/°C)(5.00 g)(60.0°C - 56.2°C)èè=è 25 J
  256.  
  257. The ëtal heat is 3118 J or 3.12 kJ.è(The answer has only 3 sig. fig.)
  258. Ç A
  259.  10èWhat is ê fïal temperature ç water startïg with 40.0 g
  260. ç ice at -25.0°C after ê sample ç water absorbs 24.3 kJ ç heat?
  261. C(ice) = 2.1 J/g/°C.èC(liquid water) = 4.18 J/g/°C.è╙H╚ = 333.5 J/g.
  262.  
  263. èèèèA) 1.8°CèèèèB) 22°CèèèèC) 53°CèèèèD) 130°C
  264. üèThe water absorbed 24.3 kJ x 1000 J/kJ = 24300 J.èLet's see how
  265. much energy is needed ë heat ê ice ë ê meltïg poït.
  266. q(ice) = (2.1 J/g/°C)(40.0 g)[0°C - (-25.0°C)] = 2100 J.èThere is more
  267. than enough energy ë heat ê ice.èHow much heat is required ë melt
  268. ê ice?èq(meltïg) = (40.0 g)(333.5 J/g) = 13340 J.èThe amount ç heat
  269. ë heat ê ice å melt it is 13340 J + 2100 J = 15440 J, which is still
  270. less than ê 24300 J.èThe difference is ê amount ç heat that is
  271. available ë heat ê water ë temperatures above 0°C.
  272. q(water) = (4.18 J/g/°C)(40.0 g)(T╚ - 0°C) = 24300 J - 15440 J
  273.     è (4.18 J/g/°C)(40.0 g)(T╚ - 0°C) = 8860 J
  274.                     èè 8860 J
  275.                     T╚ = ────────────── = 53°C
  276.                     èè 4.18·40.0 J/°C    
  277. ÇèC
  278.  
  279.  
  280.