Wykład 4: Termochemia

Transkrypt

1 Wykład 4: Termchemia Układ i tczenie Energia wewnętrzna, praca bjętściwa i entalpia Praw Hessa Cykl kłwy Standardwe entalpie twrzenia i spalania Energie wiązań chemicznych Wydział Chemii UJ Pdstawy chemii - wykład 4/1 dr hab. W. Makwski Układ i tczenie Układ - pewna część przyrdy, której zachwanie nas interesuje. Wszystk, c jest pza układem, nazywamy jeg tczeniem. Układ twarty - wymienia masę i energię z tczeniem Układ zamknięty - wymienia energię z tczeniem Układ izlwany nie wymienia ani masy, ani energii z tczeniem Wydział Chemii UJ Pdstawy chemii - wykład 4/2 dr hab. W. Makwski 1

2 Energia wewnętrzna (U) Funkcja termdynamiczna, ddająca całkwity zapas energii daneg układu. Uwzględnia: energię kinetyczną atmów i cząsteczek energię ddziaływań elektrnów i jąder atmów energię ddziaływań jądrwych (pmiędzy nuklenami) Nie uwzględnia: energii kinetycznej i ptencjalnej układu jak całści Nie mżna zmierzyć abslutnej wartści energii wewnętrznej układu Mżna wyznaczać zmiany energii wewnętrznej układu w reakcjach chemicznych i przemianach fizycznych Wydział Chemii UJ Pdstawy chemii - wykład 4/3 dr hab. W. Makwski I zasada termdynamiki U układ ddaje ciepł ΔU < 0 układ pbiera ciepł ΔU > 0 q w układ wyknuje pracę ΔU < 0 tczenie wyknuje pracę ΔU > 0 praca bjętściwa w = p(v 2 V 1 ) Wydział Chemii UJ Pdstawy chemii - wykład 4/4 dr hab. W. Makwski 2

3 Ciepł reakcji U q w V cnst w 0 U q V praca bjętściwa Ciepł reakcji (przemiany) w warunkach iztermicznizchrycznych jest równe zmianie energii wewnętrznej H U pv Entalpia (H) H U pv Vp q w pv q pv pv q H q p zer! Ciepł reakcji (przemiany) w warunkach iztermicznizbarycznych jest równe zmianie entalpii Wydział Chemii UJ Pdstawy chemii - wykład 4/5 dr hab. W. Makwski Praw Hessa Energia wewnętrzna i entalpia są funkcjami stanu U U p, T, V, c1, c2, c3,... H H p, T, V, c1, c2, c3,... ich wartść zależy wyłącznie d wartści parametrów stanu układu, Ciepł reakcji w warunkach iztermiczn-izchrycznych (q V ) raz ciepł reakcji w warunkach iztermiczn-izbarycznych (q p ) zależą tylk d stanu pczątkweg i kńcweg układu nie zależą natmiast d drgi, na jakiej reakcja zstała przeprwadzna Wydział Chemii UJ Pdstawy chemii - wykład 4/6 dr hab. W. Makwski 3

4 Cykl kłwy Sumaryczny efekt cieplny w zamkniętym cyklu kłwym jest równy zer qi 0 i q 1 B stan pczątkwy kńcwy D = A q 2 q 3 C Wydział Chemii UJ Pdstawy chemii - wykład 4/7 dr hab. W. Makwski Cykl kłwy - bliczenia Przykład 4.1: Obliczanie ciepł reakcji, któreg nie mżna zmierzyć bezpśredni: C (grafit) + ½O 2 (g) = CO (g) C (grafit) + ½O 2 (g) = CO (g) ΔH 1 = x CO (g), ½O 2 (g) C (grafit), O 2 (g) CO (g) + O 2 (g) = CO 2(g) ΔH 2 = -283,0 kj/ml C (grafit) + O 2 (g) = CO 2(g) ΔH 3 = -392,5 kj/ml CO 2(g) ΔH 1 + ΔH 2 - ΔH 3 = 0 x + (-283,0) (-392,5) = 0 x = -110,5 kj/ml Wydział Chemii UJ Pdstawy chemii - wykład 4/8 dr hab. W. Makwski 4

5 Standardwa entalpia twrzenia H tw t entalpia reakcji, w której jeden ml substancji pwstaje z pierwiastków w ich stanach pdstawwych /w warunkach standardwych (T=298,15K, p=10 5 Pa)/ Standardwe entalpie twrzenia pierwiastków są równe zer Dla dwlnej reakcji substraty prdukty H r entalpii twrzenia substratów H r ihtw, i jhtw, j i prd jsubst pierwiastki entalpii twrzenia prduktów ν i, ν j współczynniki stechimetryczne Wydział Chemii UJ Pdstawy chemii - wykład 4/9 dr hab. W. Makwski Standardwe entalpie twrzenie - bliczenia Przykład 4.2: Obliczanie standardwej entalpii spalania izktanu C 8 H 18 (c) + 12½ O 2 (g) = 8 CO 2 (g) + 9 H 2 O (c) ΔH θ r ΔH θ tw C8H18(c) 8ΔH θ tw CO2(g) + 9ΔH θ tw H2O(c) 8 C (grafit), 12½ O 2(g) ΔH θ r + ΔH θ tw C8H18(c) (8ΔH θ tw CO2(g) + 9ΔH θ tw H2O(c)) = 0 ΔH θ r = 8ΔH θ tw CO2(g) + 9ΔH θ tw H2O(c) - ΔH θ tw C8H18(c) ΔH θ r = 8 (-393,5) + 9 (-285,8) - (-255,1) = kj/ml Wydział Chemii UJ Pdstawy chemii - wykład 4/10 dr hab. W. Makwski 5

6 Standardwe entalpie twrzenie bliczenia cd. Przykład 4.3: Oblicz standardwą entalpię twrzenia benzenu wiedząc, że standardwa entalpia jeg spalania wynsi 3268 kj/ml. Wydział Chemii UJ Pdstawy chemii - wykład 4/11 dr hab. W. Makwski Standardwa entalpia spalania H sp t entalpia reakcji, w której jeden ml substancji ulega całkwitemu utlenieniu w tlenie /d CO 2 (g) i H 2 O (c), w warunkach standardwych (T=298,15K, p=10 5 Pa)/ Dla reakcji związków rganicznych substraty H r prdukty entalpii twrzenia substratów prdukty spalania entalpii twrzenia prduktów H r ih sp, i jh sp, j isubst j prd ν i, ν j współczynniki stechimetryczne Wydział Chemii UJ Pdstawy chemii - wykład 4/12 dr hab. W. Makwski 6

7 Standardwe entalpie spalania - bliczenia Przykład 4.4: Obliczanie standardwej entalpii dwdnienia metanlu d eteru dimetylweg 2 CH 3 OH (c) = CH 3 OCH 3 (g) + H 2 O (c) ΔH θ r 2ΔH θ sp CH3OH ΔH θ sp CH3OCH3 ΔH θ sp H2O = 0 2 CO 2 (g), 4 H 2 O (c) ΔH θ r + ΔH θ sp CH3OCH3 2ΔH θ sp CH3OH = 0 ΔH θ r = 2ΔH θ sp CH3OH ΔH θ sp CH3OCH3 = 2 ( 725,7) ( 1460,4) = +9,0 kj/ml Wydział Chemii UJ Pdstawy chemii - wykład 4/13 dr hab. W. Makwski Energia wiązania H D t standardwa entalpia reakcji, w której jeden ml cząsteczek substancji ulega dyscjacji na atmy Wartści energii wiązań są bliczane w wyniku uśrednienia. Obliczenia z użyciem energii wiązań nie są dkładne. Dla dwlnej reakcji substraty H r prdukty H r n H i iw. zerwane D, i H j jw. utwrzne energii wiązań substratów D, j prdukty dyscjacji cząsteczek atmy energii wiązań prduktów Wydział Chemii UJ Pdstawy chemii - wykład 4/14 dr hab. W. Makwski 7

8 Energie wiązań bliczenia Przykład 4.5: Obliczanie standardwej entalpii uwdrnienia etylenu C 2 H 4 (g) + H 2 (g) = C 2 H 6 (g) ΔH θ r ΔH θ D C=C + 4 ΔH θ D C-H ΔH θ D C-C + 6 ΔH θ D C-H + ΔH θ D H-H 2 C, 6 H ΔH θ r + ΔH θ D C-C + 6ΔH θ D C-H (ΔH θ D C=C + 4ΔH θ D C-H + ΔH θ D H-H ) = 0 ΔH θ r + ΔH θ D C-C + 2ΔH θ D C-H - ΔH θ D C=C - ΔH θ D H-H = 0 ΔH θ r = ΔH θ D C=C + ΔH θ D H-H - ΔH θ D C-C - 2ΔH θ D C-H ΔH θ r = = -134 kj/ml z entalpii twrzenia kj/ml Wydział Chemii UJ Pdstawy chemii - wykład 4/15 dr hab. W. Makwski 8