Jak mierzyć i jak liczyć efekty cieplne reakcji? Energia. Zdolność do wykonywania pracy lub produkowania ciepła

Transkrypt

1 Jak miezyć i jak liczyć efekty cieplne eakcji? Enegia Zdolność do wykonywania pacy lub podukowania ciepła

2 Paca objętościowa paca = siła odległość 06_73 P = F A W = F h N m = J P = F A Aea = A ciśnienie = siła/powiezchnia F p = A W = p V N 2 m W = p A h N m 2 2 m m = Nm = J h h V (a) Initial state (b) Final state a) Tłok pzesuwa się o odległość h pod wpływem ciśnienia wewn.. P - układ wykonuje pacę na otoczeniu b) Zmiana objęto tości jest dana wzoe h x A = V Ciepło i tempeatua Tempeatua pzypadkowe uchy cząstek enegia kinetyczna cząstek Film5- mikoskopowe ujęcie tempeatuy.mov Ciepło pzekazywanie enegii pomiędzy ciałami spowodowany óżnicą tempeatu pomiędzy nimi Film6 gazy - mechanizm pzekazywania ciepła.mov

3 Ciepło eakcji CH 4(g) + 2O 2(g) substaty 2(g) egzotemiczna Układ eakcyjny E p CO 2(g) + 2H 2 O (g) kj podukty Enegia potencjalna elektonów w wiązaniach 2(g) + O 2(g) + 68 kj substaty N 2(g) 2NO 2 (g) 2NO (g) podukty endotemiczna E p Enegia potencjalna elektonów w wiązaniach Ciepło eakcji Entalpia eakcji odwotnej jest, co do watości taka sama jak eakcji piewotnej, tylko pzeciwnego znaku CH 4 (g) + 2O 2 (g) CO 2 (g) + 2H 2 O(l) H = 890 kj CO 2 (g) + 2H 2 O(l) CH 4 (g) + 2O 2 (g) H = 890 kj

4 Układ i otoczenie Układ/System: that on which we focus attention Otoczenie/Suoundings: eveything else in the univese Jakie sąs pzemiany enegii pomiędzy układem i otoczeniem? Układ i otoczenie UKŁAD Otwaty - zeka Zamknięty butla z gazem Izolowany kawa w temosie Wieloskładnikowy - ganit Jednoskładnikowy - woda Homogeniczny solona woda Heteogeniczny topniejący śnieg

5 Pawo zachowania enegii Enegia zmienia swoją postać i nie może powstać ani zniknąć Suma enegii układu jest stała I zasada temodynamiki Enegia wewnętzna układu izolowanego jest stała Co to jest enegia wewnętzna? U = const U = O

6 Funkcje stanu Ich watości zależą jedynie od aktualnego stanu układu Zmiany ich watości nie zależą od dogi, któą pzebył układ, aby ze stanu początkowego osiągnąć stan końcowy U jest funkcją stanu Enegia wewnętzna U = Q + W W = - p V U = zmiana enegii wewnętznej układu Q = ciepło W = paca

7 Entalpia H = U + pv definicja H = U + p V i p=const H = Q p + W + p V H = Q p p V +p V H= Q P i p=const H jest funkcją stanu Entalpia opisuje pzemiany enegetyczne układu w waunkach stałego ciśnienia Enegia wewnętzna H pzepływ enegii w postaci ciepła pzez analogię Q V = U i V=const U jest funkcją stanu Enegia wewnętzna opisuje pzemiany enegetyczne układu w waunkach stałej objętości

8 Pomia ciepła Pojęcia Pojemność cieplna heat absobed C = incease in tempeatue = JC o J K Ciepło właściwe, C wł (specific heat capacity) pojemność cieplna na gam subst. (J/ C g lub J/K g) Ciepło owe właściwe, C (a heat capacity) pojemność cieplna na subst. (J/ C lub J/K ) Pomia ciepła Obliczenia Q = m C Q = n C wl T T J ( g K = J ) g K J ( K = J ) K Q C = T C C = wl m C C = n J K J g K J K

9 Pomia ciepła V =const Kaloymetia Pomia ciepła V =const Pzykład 1 Wyznaczanie ciepła spalania metanu 0.800g CH 4 spalono w stałej objętości w nadmiaze tlenu wewnątz kaloymetu zawieającego g wody. Tempeatua wody wzosła o 3.3 o C. Ciepło właściwe wody wynosi J/g K. Oblicz ciepło spalania metanu. Ciepło pochłonięte pzez wodę Q = m C T wl ( J ) 3 J Q = g K = g K J Ciepło wydzielone pzy spaleniu 1 g CH 4 Q J Qm = = = m g CH4 Q = Q M m Ciepło wydzielone pzy spaleniu 1 a CH 4 J g J = = g CH 4 3 kj

10 Pomia ciepła V =const Pzykład 1 Wyznaczanie ciepła spalania metanu cd. Q = Q M m CH4 J = g g = J kj Pomia ciepła p =const Kaloymetia H Q ea = m = Q ea C wl, = Q T

11 Pomia ciepła p =const Pzykład 2 Wyznaczanie ciepła eakcji zobojętniania Zmieszano 50 cm M oztwou HCl i 50 cm M oztwou NaOH. Tempeatua oztwou wzosła z 25 o C do 31.9 o C. Oblicz ciepło zobojętniania 1 a HCl. Ciepło właściwe wody wynosi 4.18 J/g o C. H m = V d C HCl + NaOH NaCl + H 2 O H + + OH - H 2 O wl, T = 31.9 C 25.0 C = 6.9 C > 0 H ea = Q = m C C ea wl, H2O V d H2O wl, T 3 g = 100cm cm = 100g J = 100g C = g C kj Pomia ciepła p =const Pzykład 2 Wyznaczanie ciepła eakcji zobojętniania cd. nhcl CM = M = n V C 3 HCl = V dm 3 nhcl = 0.05dm 1 = dm H ea H = = = n 0.05 HCl M kj

12 Pawo Hessa substaty podukty + H ea Zmiana entalpii eakcji nie zależy od tego czy eakcja pzebiega w jednym czy też w kilku aktach Entalpia jest funkcją stanu! Pawo Hessa 1) N 2(g) + O 2(g) 2NO (g) H 1 =180 kj 2) 2NO (g) + O 2(g) 2NO 2(g) H 2 =-112 kj 3) N 2(g) + 2O 2(g) 2NO 2(g) H 3 = H 1 + H 2 = 68 kj O 2(g) 2NO (g) O 2(g) 2NO (g) Entalpia, H, kj H 1 =180 kj H 2 =-112 kj 2NO 2(g) 2NO 2(g) H 3 = 68 kj N 2(g),O 2(g) N 2(g),2O 2(g)

13 Pawo Hessa - konsekwencje 1. If a eaction is evesed, H is also evesed. N 2(g) + O 2(g) 2NO (g) H = 180 kj 2NO (g) N 2(g) + O 2(g) H = 180 kj 2. If the coefficients of a eaction ae multiplied by an intege, H is multiplied by that same intege. 6NO (g) 3N 2(g) + 3O 2(g) H = 540 kj 3. Let us conside the diect and step eaction which leads to fomation of cabon dioxide fom cabon ad oxygen: diect step C (s) + O 2(g) CO 2(g) kj C (s) + ½ O 2(g) CO (g) kj CO (s) + ½ O 2(g) CO 2 (g) kj C (s) + O 2(g) CO 2(g) kj Ciepła twozenia Jak zastosować to pawo? H s o piewiastki H p o Jeżeli substatami są piewiastki w stanie standadowym (25 o C, 1013 hpa), to zmianę entalpii w czasie syntezy danego związku (też w stanie standadowym) nazywamy ciepłem twozenia substaty H ea podukty Z zasady zachowania enegii w ogólności H o s + H ea - H o p = 0 ea = Σ n i H i (p) Σn j H j (s) H ea = H o p - H o s H ea

14 Stan standadowy Związek - Gaz - ciśnienie 1 atm, 1013 hpa - Roztwó - stężenie 1 /dm 3 Piewiastek - Foma w któej występuje [N 2 (g), K(s)] pod ciśnieniem 1 atm i w 25 C. Ciepła twozenia Związek H o 298 kj/ Związek H o 298 kj/ H 2 O (c) H 2 O (g) HCl (g) HNO 3(c) H 2 SO 4(c) CO (g) CO 2(g) NH 3(g) NO (g) NO 2(g) -285,85-241,79-92,30-173,22-811,32-110,54-393,42-46,19 +90,37 +33,85 SO 2(g) SO 3(g) NaCl (s) KCL (s) NaOH (s) CH 4(g) CH 3 OH (c) C 2 H 5 OH (c) CH 3 COOH (c) C 6 H 6(c) -296,86-385,18-410,99-435,90-426,77-74,85-238,57-277,65-487,01-49,03

15 Obliczanie ciepła eakcji z entalpii twozenia Pzykład 3 Mając dane entalpie twozenia, oblicz standadową entalpię następującej eakcji: 2Al (s) + Fe 2 O 3(s) Al 2 O 3(s) + 2Fe (s) Hea = Σ n i H i (p) Σn j H j (s) H (Fe 2 O 3 ) = kj/ H (Al 2 O 3 ) = kj/ H (Fe) ) = H (Al= (Al)) = 0 H ea ea = H (Al 2 O 3 ) H (Fe 2 O 3 )= = kj (- 826 kj) ) = = kj Film 1_temochemia_Fe2O3.MOV Enegie wiązań Enegia wiązania, E B -ilość enegii potzebna do zewania wiązania pomiędzy atomami i ich pzeniesienia w stan gazowy A - B( g) + bond enegy A ( g) + B( g) H - Cl ( g) kj H ( g ) + Cl( g ) E B, kj/ CH 4(g) CH 3(g) + +H (g) 435 CH 3(g) CH 2(g) + +H (g) 453 CH 2(g) CH (g) + +H (g) 425 CH =(g) C (g) + +H (g) 339 Śednia 413

16 Enegie wiązań N N C--I N--N C--B C--Cl O=O C--F O--O C--S C--O C C C--N C=C C--C C--C I--I H--I B-B H--B Cl-Cl H--Cl F--F H--F O--O H--O N--N H--N C--C H--C H--H Enegy (kj/) Length (pm) Bond Enegy (kj/) Length (pm) Bond Enegia wiązania i entalpia twozenia stat

17 Enegia wiązania i entalpia twozenia E B piewiastki E B H s o H p o substaty podukty H ea Obliczenia ciepła eakcji z enegii wiązań Dla eakcji w stanie gazowym H 0 ea = n E B ( substaty) m E B ( podukty) Któa metoda obliczeń daje dokładniejsze ezultaty?

18 Obliczenia ciepła eakcji z enegii wiązań Pzykład 5: Na podstawie watości enegii wiązań z Tabeli oszacuj ciepło eakcji w 25 o C: o 298 CH + 2 O CO + 2 H O ( ) ( ) ( ) ( ) [ 4 C-H 2 O=O ] [ 2 C=O O-H ] {[ 4( 414) 2( 498) ] [ 2( 741) 4( 464) ]} H = BE + BE BE + 4 BE o 298 H = + + kj o 298 H = 686 kj 4g 2g 2g 2 g Poównaj z watością ciepła zmiezoną (slajd 5) i watością obliczoną na podstawie tabeli z entalpiami twozenia (slajd 28)