Jak mierzyć i jak liczyć efekty cieplne reakcji?

Transkrypt

1 Jak mierzyć i jak liczyć efekty cieplne reakcji?

2 Energia Zdolność do wykonywania pracy lub do produkowania ciepła

3 Praca objętościowa praca siła odległość 06_73 P F A W F h N m J P F A Area A ciśnienie siła/powierzchnia W W p F A p N 2 m A h p V N m 2 m 2 m Nm J (a) Initial state h (b) Final state a) Tłok przesuwa się o odległość h pod wpływem ciśnienia wewn.. P - układ wykonuje pracę na otoczeniu b) Zmiana objętości jest dana wzore h x A V h V

4 Ciepło i temperatura Temperatura przypadkowe ruchy cząstek energia kinetyczna cząstek Film5- mikroskopowe ujęcie temperatury.mov Ciepło przekazywanie energii pomiędzy 2 ciałami spowodowany różnicą temperatur pomiędzy nimi Film6 gazy - mechanizm przekazywania ciepła.mov

5 Ciepło reakcji CH 4(g) + 2O 2(g) substraty 2(g) egzotermiczna Układ reakcyjny CO 2(g) + 2H 2 O (g) produkty (g) kj E p Energia potencjalna elektronów w wiązaniach N 2(g) 2(g) + O 2(g) substraty 2(g) + 68 kj 2NO 2 (g) 2NO (g) produkty endotermiczna E p Energia potencjalna elektronów w wiązaniach

6 Ciepło reakcji Entalpia reakcji odwrotnej jest, co do wartości taka sama jak reakcji pierwotnej, tylko przeciwnego 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

7 Układ i otoczenie Układ/System: wycinek rzeczywistości (materialnego świata), na której koncentrujemy uwagę Otoczenie/Surroundings: wszystko poza układem UKŁAD UKŁAD Otwarty - rzeka Otwarty Zamknięty - rzeka butla z gazem Zamknięty Izolowany butla kawa z w gazem termosie Izolowany Wieloskładnikowy kawa w - granit termosie Wieloskładnikowy Jednoskładnikowy --granit woda Jednoskładnikowy Homogeniczny solona - woda woda Homogeniczny Heterogeniczny solona topniejący woda Heterogeniczny śnieg topniejący śnieg Jakie są przemiany energii pomiędzy układem i otoczeniem?

8 Prawo zachowania energii Energia zmienia swoją postać i nie może powstać ani zniknąć Suma energii układu jest stała

9 I zasada termodynamiki Energia wewnętrzna układu izolowanego jest stała U const U O Co to jest energia wewnętrzna?

10 Funkcje stanu Ich wartości zależą jedynie od aktualnego stanu układu Zmiany ich wartości nie zależą od drogi, którą przebył układ, aby ze stanu początkowego osiągnąć stan końcowy U jest funkcją stanu

11 Energia wewnętrzna U Q + W W - p V U zmiana energii wewnętrznej układu Q ciepło W praca

12 Entalpia H U + pv definicja H U + p V i pconst H Q p + W + p V H Q p p V +p V H Q P i pconst H jest funkcją stanu Entalpia opisuje przemiany energetyczne układu w warunkach stałego ciśnienia

13 Energia wewnętrzna H przepływ energii w postaci ciepła przez analogię Q V U i Vconst U jest funkcją stanu Energia wewnętrzna opisuje przemiany energetyczne układu w warunkach stałej objętości

14 Pomiar ciepła Pojęcia Pojemność cieplna cieplo zaabsorbowane J C o wzrost temperatury C Ciepło właściwe, C wł (specific heat capacity) pojemność cieplna na gram subst. (J/ C g lub J/K g) J K Ciepło molowe właściwe, C mol (molar heat capacity) pojemność cieplna na mol subst. (J/ C mol lub J/K mol)

15 Pomiar ciepła Pomiar ciepła ) ( ) ( J K K mol J mol T C n Q J K K g J g T C m Q mol wl K mol J n C C K g J m C C K J T Q C mol wl Obliczenia

16 Pomiar ciepła V const Kalorymetria

17 Pomiar ciepła V const Przykład 1 Wyznaczanie ciepła spalania metanu 0.800g CH 4 spalono w stałej objętości w nadmiarze tlenu wewnątrz kalorymetru zawierającego g wody. Temperatura wody wzrosła o 3.3 o C. Ciepło właściwe wody wynosi J/g K. Oblicz ciepło spalania metanu. Ciepło pochłonięte przez wodę Q Q m C wl T ( J ) g J g K 3.3K J Ciepło wydzielone przy spaleniu 1 g CH 4 Q Qm m CH 4 J g Ciepło wydzielone przy spaleniu 1 mola CH 4 Q mol Q m M CH J g J g mol mol 2 kj mol

18 Pomiar ciepła V const Przykład 1 Wyznaczanie ciepła spalania metanu cd. Q mol Q m M CH J g J g mol mol 2 kj mol

19 Pomiar ciepła p const Kalorymetria termometr mieszadło pręcik szklany korek H Q r rea m r Q C rea wl, r Q T r kubek styropianowy

20 Pomiar ciepła p const Przykład 2 Wyznaczanie ciepła reakcji zobojętniania Zmieszano 50 cm M roztworu HCl i 50 cm M roztworu NaOH. Temperatura roztworu wzrosła z 25 o C do 31.9 o C. Oblicz ciepło zobojętniania 1 mola HCl. Ciepło właściwe wody wynosi 4.18 J/g o C. HCl + NaOH NaCl + H 2 O H + + OH - H 2 O

21 Pomiar ciepła p const Przykład 2 Wyznaczanie ciepła reakcji zobojętniania kj C C g J g H C C C T C C g cm g cm d V d V m T C m Q H rea O H wl r wl O H r r r r r wl r r rea ,, 3 3, >

22 Pomiar ciepła p const Przykład 2 Wyznaczanie ciepła reakcji zobojętniania cd. C n M HCl H nhcl mol M n V C 3 HCl r Vr dm 3 mol 0.05dm mol 3 dm H rea n 0.05 mol HCl M kj mol

23 Prawo Hessa substraty produkty + H rea Zmiana entalpii reakcji nie zależy od tego czy reakcja przebiega w jednym czy też w kilku aktach Entalpia jest funkcją stanu!

24 Prawo Hessa 1) N 2(g) + O 2(g) 2NO (g) H kj 2) 2NO (g) + O 2(g) 2NO 2(g) H 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 kj H kj 2NO 2(g) 2NO 2(g) H 3 68 kj N 2(g),O 2(g) N 2(g),2O 2(g)

25 Prawo Hessa - konsekwencje 1. Jeżeli reakcja ma przebiek odwrotny, to H ma znak przeciwny N 2(g) + O 2(g) 2NO (g) H 180 kj 2NO (g) N 2(g) + O 2(g) H 180 kj 2. Jeżeli współczynniki stechiometryczne reakcji są przemnożone przez liczbę naturalną, to H zwiększa się tyle samo razy 6NO (g) 3N 2(g) + 3O 2(g) H 540 kj 3. Jeżeli daną reakcję (spalanie węgla) da się przedstawić jako kombinację innych reakcji (suma reakcji 1) i 2)) to H jest taką samą kombinacją entalpii reakcji składowych ( H 1 + H 2 ) bezpośrednio etapami C (s) + O 2(g) CO 2(g) kj 1) C (s) + ½ O 2(g) CO (g) kj 2) CO (s) + ½ O 2(g) CO 2 (g) kj C (s) + O 2(g) CO 2(g) kj

26 Ciepła tworzenia Jak zastosować to prawo? H s o pierwiastki H p o Jeżeli substratami są pierwiastki w stanie standardowym (25 o C, 1013 hpa), to zmianę entalpii w czasie syntezy danego związku (też w stanie standardowym) nazywamy ciepłem tworzenia substraty produkty Z zasady zachowania energii H o s + H rea - H o p 0 H rea w ogólności H rea H rea H p o - H s o Σ n i H i (p) Σn j H j (s)

27 Stan standardowy Związek - Gaz -ciśnienie 1 atm, 1013 hpa - Roztwór -stężenie 1 mol/dm 3 Pierwiastek - Forma w której występuje [N 2 (g), K(s)] pod ciśnieniem 1 atm i w 25 C

28 Ciepła tworzenia Związek H o 298 kj/mol Związek H o 298 kj/mol 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

29 Obliczanie ciepła reakcji z entalpii tworzenia Przykład 3 Mając dane entalpie tworzenia, oblicz standardową entalpię następującej reakcji: 2Al (s) + Fe 2 O 3(s) Al 2 O 3(s) + 2Fe (s) H rea Σ n i H i (p) Σn j H j (s) H (Fe 2 O 3 ) kj/mol H (Al 2 O 3 ) kj/mol H (Fe) ) H (Al (Al)) 0 Film 1_termochemia_Fe2O3.MOV

30 Obliczanie ciepła reakcji z entalpii tworzenia Przykład 3 H rea rea H (Al 2 O 3 ) H (Fe 2 O 3 ) kj (- 826 kj) ) kj

31 Energie wiązań Energia wiązania, E B (bond energy) - ilość energii potrzebna do zerwania wiązania pomiędzy atomami i ich przeniesienia w stan gazowy A - B + bond energy A + B ( g) ( g) ( g) H - Cl H + Cl kj mol g g ( g) ( ) ( ) E B, kj/mol 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 Średnia 413

32 Energie wiązań N N C--I N--N C--Br C--Cl OO C--F O--O C--S C--O C C C--N CC C--C C--C I--I H--I Br-Br H--Br Cl-Cl H--Cl F--F H--F O--O H--O N--N H--N C--C H--C H--H Energy (kj/mol) Length (pm) Bond Energy (kj/mol) Length (pm) Bond

33 Energia wiązania i entalpia tworzenia start

34 Energia wiązania i entalpia tworzenia E B pierwiastki E B H s o H p o substraty produkty H rea

35 Obliczenia ciepła reakcji z energii wiązań Dla reakcji w stanie gazowym H 0 rea n E B ( substraty) m E B ( produkty) Która metoda obliczeń daje dokładniejsze rezultaty?

36 Obliczenia ciepła reakcji z energii wiązań Przykład 4 Na podstawie wartości energii wiązań z Tabeli oszacuj ciepło reakcji w 25 o C: CH + 2 O CO + 2 H O ( ) ( ) ( ) ( ) 4g 2g 2g 2 g H H H ( 4E + 2E ) ( 2E + 4E ) C H ( ) ( ) 686 kj mol O O C O O H