Termochemia elementy termodynamiki

Transkrypt

1 Termochemia elementy termodynamiki

2 Termochemia nauka zajmująca się badaniem efektów cieplnych reakcji chemicznych

3 Zasada zachowania energii Energia całkowita jest sumą energii kinetycznej i potencjalnej. Zasada zachowania energii stwierdza, że energia całkowita ciała izolowanego jest stała. Energia wewnętrzna próbki materii jest całkowitą energią wszystkich jej atomów i cząsteczek Energia potencjalna związana z położeniem ciała E p = mgh. Energia kinetyczna uwarunkowana ruchem ciała E k =1/2mV 2.

4 Trzy rodzaje układów (a) Układ otwarty pozwala wymieniać E i m z otoczeniem (b) Układ zamknięty pozwala wymieniać jedynie E z otoczeniem (c) Układ izolowany nie pozwala wymieniać ani E ani m z otoczeniem

5 2H ( g) + O ( g) 2H O( l) energia Katastrofa Hindenburga, New Jersey 1937r

6 energia + 2HgO( s ) 2Hg( l) + O ( g) 2 Podgrzewanie HgO prowadzi do jego rozkładu na Hg i O 2

7 Entalpia reakcji ( H) różnica pomiędzy entalpią produktów i entalpią substratów H = H(produktów) H(substratów) H >0 dla reakcji endotermicznych (ciepło jest absorbowane przez układ z otoczenia) H <0 dla reakcji egzotermicznych (ciepło jest uwalniane przez układ do otoczenia)

8 (a) Proces egzotermiczny H >0 (b) Proces endotermiczny H <0

9 Topnienie 1 mola lodu w t = 0 C (proces endotermiczny) powoduje wzrost entalpii układu o 6.01kJ

10 Spalanie 1 mola CH 4 w O 2 (proces egzotermiczny) powoduje obniżenie entalpii układu o 890.4kJ

11 Kalorymetria Kalorymetr urządzenie do pomiaru efektów energetycznych procesów chemicznych i fizycznych Ciepło właściwe (s) ilość ciepła wymagana aby podnieść temperaturę 1g substancji o 1 C Pojemność cieplna (C) ilość ciepła wymagana aby podnieść temperaturę określonej ilości substancji m o 1 C C = m s q = m s t gdzie: m masa próbki (g), q ilość ciepła wydzielona lub pochłonięta, t zmiana temperatury próbki t = t końcowa t początkowa

12 Pojemność cieplna jest właściwością ekstensywną

13 Ciepła właściwe niektórych pospolitych substancji

14 Stało-objętościowa bomba kalorymetryczna

15 Stało ciśnieniowy kalorymetr zrobiony z dwóch kubków polistyrenowych do kawy

16 Efekty energetyczne niektórych typowych procesów chemicznych i fizycznych mierzone pod stałym ciśnieniem

17 Standardowa entalpia tworzenia ( H f ) efekt cieplny uzyskiwany podczas tworzenia z pierwiastków 1 mol związku pod ciśnieniem 1atm (t = 25 C) Standardowa entalpia tworzenia pierwiastków zawsze jest równa zero Standardowa entalpia reakcji ( H r ) entalpia reakcji prowadzonej pod ciśnieniem 1atm Przykład: aa + bb cc + dd gdzie: a, b, c, d współczynniki stechiometryczne H r =[c H f (C) +d H f (D)] [a H f (A) +b H f (B)] gdzie: a, b, c, d wyrażone w molach H r = Σn H f (produktów) Σ m H f (substratów) gdzie: n, m współczynniki stechiometryczne produktów i substratów

18 Standardowa entalpia tworzenia niektórych substancji nieorganicznych w t = 25 C

19 Ciepło (entalpia) rozpuszczania ( H rozp ) ciepło wydzielające się lub pochłaniane podczas rozpuszczania określonej ilości substancji rozpuszczonej w określonej objętości rozpuszczalnika H rozp > 0 dla reakcji endotermicznych H rozp < 0 dla reakcji egzotermicznych Energia sieci krystalicznej (U) energia wymagana w celu sublimacji 1 mola stałego związku jonowego U > 0 Ciepło hydratacji ( H hydr ) zmiana entalpii związana z procesem hydratacji ( H hydr < 0 dla kationów i anionów) H rozp = U + H hydr Prawo Hessa : zarówno ciepło reakcji mierzone w warunkach izotermiczno-izochorycznych (T, V = const), jak i w warunkach izotermiczno-izobarycznych (T, P = const) zależy tylko od stanu początkowego oraz stanu końcowego, nie zależy natomiast od drogi, na jakiej dana reakcja została przeprowadzona.

20 Określenie entalpii reakcji H C (grafit) +1/2 O 2(g) CO (g) Spalamy grafit w nadmiarze tlenu: (a) C (grafit) +O 2 (g) CO 2(g) Spalamy tlenek węgla w nadmiarze tlenu: (b) CO +1/2O 2 (g) CO 2(g) Zamiast prowadzić reakcję (c): H = -393,50 kj/mol H = -282,96 kj/mol (c) C (grafit) +1/2 O 2(g) CO(g) H =? Przeprowadźmy kolejno reakcję (a) a następnie reakcję odwrotną do reakcji (b) i dodajmy: C (grafit) +O 2 (g) CO 2(g) H = -393,50 kj/mol CO 2(g) CO (g) + 1/2O 2 (g) H = 282,96 kj/mol C (grafit) +1/2O 2 (g) CO (g) H = -110,54 kj/mol

21 Proces rozpuszczania NaCl

22 Ciepło rozpuszczania niektórych związków jonowych

23 Entalpia przemian fazowych H subl = H topn + H par

24 Krzywa ogrzewania wody Krzywa ogrzewania przedstawia zmiany temperatury próbki ogrzewanej ze stałą szybkością.

25 I zasada termodynamiki U = U 2 U 1 U = q + w W układzie izolowanym całkowita ilość energii pozostaje stała, mogą natomiast ulegać przemianie jedna w drugą różne formy energii, np. praca mechaniczna lub elektryczna może się przemieniać w energię cieplną

26 Zmiana energii wewnętrznej układu może być spowodowana przez ciepło lub przez pracę. Można zwiększyć energię wewnętrzną układu, wykonując na nim pracę lub dostarczając układowi ciepła.

27 Konwencja znaku dla - pracy w i dla - ciepła q

28 Rozprężenie gazu w stosunku do stałego ciśnienia zewnętrznego (jak ciśnienie atmosferyczne). Gaz znajduje się w cylindrze wyposażonym w ruchomy nieważki tłok. Praca wykonana wynosi w = P V

29 (a) Zlewka z wodą umieszczona wewnątrz cylindra wyposażonego w ruchomy tłok. Ciśnienie wewnątrz jest równe ciśnieniu atmosferycznemu (b) Po reakcji metalicznego sodu z wodą, wydzielający się wodór wypycha tłok do góry (wykonując prace na otoczeniu) dopóki ciśnienie wewnątrz nie będzie ponownie równe ciśnieniu zewnętrznemu

30 Przekazywanie energii jako ciepła Gdy układ może rozszerzać się przeciw ciśnieniu zewnętrznemu, cześć energii dostarczonej mu jako ciepło uchodzi do otoczenia jako praca. W rezultacie zmiana energii wewnętrznej jest mniejsza od energii dostarczonej U= q+ w w = -P zewn V U = q + w = q P V ( p = const. ) H = U + P V H = q - P V + P V H = q ( p = const. ) Zmiana entalpii układu jest równa ciepłu przekazanemu układowi lub oddanemu przez układ pod stałym ciśnieniem