Termochemia efekty energetyczne reakcji 1. Podstawowe pojęcia termodynamiki chemicznej a) Układ i otoczenie Układ, to wyodrębniony obszar materii, oddzielony od otoczenia wyraźnymi granicami (np. reagenty w probówce) Otoczenie, to wszystko to, co nie należy do układu (ściany probówki, pomieszczenie). Składnik układu, to substancja znajdująca się w układzie o określonych właściwościach fizykochemicznych. b) Podział układów ze względu na wymianę energii i masy między układem a otoczeniem: Otwarty zachodzi wymiana energii i materii, Zamknięty zachodzi tylko wymiana energii, Izolowany nie zachodzi wymiana ani energii ani materii. c) Pierwsza zasada termodynamiki (równanie Helmholtza) : Zmiana energii wewnętrznej układu otwartego musi nastąpić na sposób ciepła Q lub na sposób pracy W. ( U = W + Q) d) Prawa termochemii Prawo Lavoisiera Laplace`a: Efekt cieplny reakcji przebiegającej w danym kierunku jest równy efektowi cieplnemu rekcji przebiegającej w odwrotnym kierunku ze znakiem przeciwnym. Przykład : Fe(s) + S(s) FeS(s) + H, H = - 95,2kJ/mol: (reakcja egzoenergetyczna) FeS(s) Fe(s) + S(s) + H, H = 95,2kJ/mol: (reakcja endoenergetyczna) Prawo Hessa: Efekt cieplny reakcji nie zależy od drogi przemiany pod warunkiem, że wszystkie procesy są izobaryczne (w stałej objętości) lub izochoryczne (pod stałym ciśnieniem). Przykład: entalpia tworzenia CO 2 jest niezależna od drogi przemiany: C (s)+ O 2 (g) CO 2 (g), CO(g) + 1/2O 2 (g) CO 2 (g), CaCO 3 (s) CO 2 (g) + CaO(s) entalpia tworzenie gazowego tlenku węgla(iv) w każdym przypadku jest taka sama i wynosi H o = -393,7kJ/mol.
2. Entalpia Entalpia reakcji H - jest to energia wymieniona na sposób ciepła w warunkach izobarycznych. Jest funkcją stanu przy stałym ciśnieniu (p = const.) H = U + p. V gdzie: U -energia wewnętrzna, p ciśnienie, V - objętość. Zmiana entalpia reakcji - ( H ) = [kj/mol]: H = U + p V Zmiany entalpii a efekt energetyczny reakcji a) reakcja egzoenergetyczna H 1 substraty -------------- H - H H 2 - H 1 < 0, czyli H < 0 (stąd wartość ujemna, ponieważ produkty mają mniejsza energię wewnętrzną niż substraty) H 2 ------------ produkty a) reakcja endoenergetyczna H 2 produkty -------------- + H H 2 - H 1 > 0, czyli H > 0 (stąd wartość dodatnia, ponieważ produkty mają większą energię wewnętrzną niż substraty) H H 1 ------------ substraty H 2 - zmiana entalpii tworzenia produktów; H 1 - zmiana entalpii tworzenia substratów; H - zamiana entalpii reakcji.
3. Metody obliczania entalpii reakcji H z wykorzystaniem entalpii Uwagi: dla pierwiastków entalpia tworzenia = 0, o ile nie otrzymano ich uprzednio w innej reakcji w obliczeniach należy różnić: entalpię reakcji (różne ilości moli produktów i substratów), uwzględnić stan skupienia po obu stronach równania, entalpię tworzenia jednego mola substancji, Przykłady: Entalpia reakcji; 2H 2 (g) + O 2 (g) 2H 2 O(c) ; H o = - 572kJ Entalpia reakcji; 2H 2 (g) + O 2 (g) 2H 2 O(g) ; H o = - 484kJ Entalpia tworzenia 1 mola; H 2 O(c); H = -286kJ/mol Entalpia tworzenia 1 mola; H 2 O(g); H = -242kJ/mol Entalpia skroplenia 1 mola wody; H = - 44kJ/mol Wzory na obliczanie entalpii Entalpia tworzenia : H o = n H o tw.p - n H o tw.s gdzie; suma H o tw.p entalpia tworzenia produktów, H o tw.s entalpia tworzenia substratów, n współczynniki stechiometryczne. entalpia spalania: H o = n H o spal.s - n H o spal.p, entalpia wiązań reagentów: H o = n H o w.s - n H o w.p gdzie n to liczba moli wiązań danego rodzaju oznaczenie s substraty, p produkty we wszystkich przypadkach 4. Przykładowe zadania z rozwiązaniami Uwaga: 1) entalpia tworzenia pierwiastków ΔH o = 0 2) kolor zielony dot. produktów 3) kolor niebieski dot. substratów 4) w zadaniach należy zwrócić uwagę czy entalpia dotyczy reakcji, czy też entalpii tworzenia 1mola substancji Zad. 1 Oblicz entalpię tworzenia 1mola chlorku amonu korzystając z poniższych danych: NH 3 + HCl NH 4 Cl; ΔH o = - 179,6 kj/mol N 2 + 3H 2 2NH 3 ; ΔH o = - 92,0 kj (-46,0 kj/mol) H 2 + Cl 2 2HCl; ΔH o = - 183,4 kj (-91,7 kj/mol) ΔH o = Σ ΔH o twp - Σ ΔH o tws = -179,6kJ/mol - [-46,0 kj/mol + (-91,7 kj/mol)] = = - 41,9kJ/mol
Zad. 2. Oblicz entalpię reakcji rozkładu kwasu mrówkowego prowadzącą do CO i H 2 O HCOOH CO (g) + H 2 O (c) korzystając z danych: C (s) + H 2(g) + O 2(g) HCOOH; ΔH o = - 409,0 kj/mol 2H 2 O (c) 2H 2(g) + O 2(g) ; ΔH o = 572,0 kj (286,0 kj/mol) 2C (s) + O 2(g) 2CO (g) ; ΔH o = -220,0 kj (-110,0 kj/mol) Entalpia tworzenia wody - zgodnie z prawem Lavoisiera-Laplace`a: 2H 2(g) + O 2(g) 2H 2 O (c) ; ΔH o = -572,0 kj (-286,0 kj/mol) ΔH o = Σ ΔH o twp - Σ ΔH o tws = [-110 kj/mol + (-286kJ/mol)] - (-409,0 kj/mol) = 13,0 kj (13,0 kj/mol) Zad. 3. Triazotan(V) glicerolu (nitrogliceryna) C 3 H 5 N 3 O 9(c) gwałtownie zmienia swoją objętość w wyniku reakcji: 4 C 3 H 5 N 3 O 9(c) 12CO 2(g) + 6N 2(g) + 10H 2 O (g) + O 2(g). Oblicz zmianę entalpii układu w wyniku rozkładu nitrogliceryny korzystając z danych: a) N 2(g) + 2O 2(g) 2NO 2(g); ΔH o = 68,0 kj (34,0 kj/mol) b) C (s) + O 2(g) CO 2(g) ΔH o = -394,0 kj/mol c) 2H 2(g) + O 2(g) 2H 2 O (g) ΔH o = -484,0kJ (-242,0 kj/mol) d) 4 C 3 H 5 N 3 O 9(c) + 11O 2(g ) 12CO 2(g) + 12NO 2(g) + 10H 2 O(g); ΔH o = - 1540,0 kj Obliczenie entalpii tworzenia nitrogliceryny na podstawie reakcji d: ΔH o = Σ ΔH o twp - Σ ΔH o tws stąd: 4 H o tws = Σ ΔH o twp - ΔH o 4 H o tws = [12 (-394,0 kj/mol) + 12 34,0 kj/mol + 10 (-242,0 kj/mol)] - (-1540,0 kj) = -7148,0 kj + 408,0 kj + 1540,0 kj = - 5200,0 kj H o tws = -5200,0 kj/mol : 4 = - 1300,0 kj/mol ΔH o = Σ ΔH o twp - Σ ΔH o tws = [12 (-394,0 kj/mol) + 6 0,0 kj/mol + 10 (-242,0 kj/mol + 1 0,0 kj/mol] - 4 ( -1300,0 kj) = - 4728,0 kj - 2420,0 kj/mol + 5200,0 kj = -1948,0 kj. Zad. 4. Oblicz entalpię reakcji : 2C (s) + O 2(g ) 2CO (g) mając dane: C (s) + O 2(g) CO 2(g); ΔH o = -394,0 kj/mol 2CO (g) + O 2(g) 2CO 2(g) ; ΔH o = - 566,0 kj (-283,0 kj/mol) Entalpia tworzenia CO z CO 2 - zgodnie z prawem Lavoisiera-Laplace`a: 2CO 2(g) 2CO (g) + O 2(g) ΔH o = 566,0 kj (283,0 kj/mol) ΔH o = Σ ΔH o twp - Σ ΔH o tws = 2 283,0 kj/mol - [2 (-394,0 kj/mol)] = - 222,0 kj. Zad. 5. Oblicz entalpię tworzenia 1 mola Al 2 O 3(s) na podstawie: 8 Al (s) + 3Mn 3 O 4(s) 4 Al 2 O 3(s) + 9Mn (s) ; ΔH o = - 2538,0 kj 3 Mn (s) + 2O 2(g) Mn 3 O 4(s) ΔH o = - 1387,0 kj ΔH o = Σ ΔH o twp - Σ ΔH o tws stąd ΔH o twp = ΔH o + Σ ΔH o tws 4 ΔH o twp = -2538,0 kj + 3 (-1387,9 kj/mol) = - 6699,0 kj ΔH o twp = - 6699,0 kj : 4 = - 1674,75 kj/mol
Zad. 6. Oblicz entalpię reakcji: CuO (s) + H 2(g) Cu (s) + H 2 O (c) mając dane: 2Cu (s) + O 2(g) 2CuO (s); ΔH o = - 310,0 kj (-155,0 kj/mol) 2H 2(g ) + O 2(g) 2H 2 O (g) ; ΔH o = - 484,0 kj (- 242,0 kj/mol) H 2 O (c) H 2 O (g) ; ΔH o = 44,0 kj/mol Produkty reakcji: (prawo Lavoisiera-Laplace`a) H 2 O (g) H 2 O (c) ; ΔH o = - 44,0 kj/mol ΔH o = Σ ΔH o twp - Σ ΔH o tws = [- 44,0 kj/mol + (-242,0 kj/mol)] - (-155,0 kj/mol) = = - 131 kj (produktem pośrednim jest woda w fazie gazowej, stąd po skropleniu wody łączna entalpia tworzenia 1 mola wody w fazie ciekłej wynosi ΔH o = - 286,0 kj/mol) Zad. 7. Oblicz entalpię reakcji: F 2 O 3(s) + 2Al (s) 2Fe (s) + Al 2 O 3(s ) mając dane: 4 Fe (s) + 3O 2(g) 2Fe 2 O 3(s) ; ΔH o = - 1644,0 kj (-822,0 kj/mol) 4 Al (s) + 3O 2(g) 2Al 2 O 3(s) ΔH o = - 3340,0 kj (- 1670,0 kj/mol) ΔH o = Σ ΔH o twp - Σ ΔH o tws = - 1670,0 kj/mol - (- 822,0 kj/mol) = - 848,0 kj Zad. 8. Oblicz entalpię reakcji: H 2(g) + S (s) H 2 S (g) dysponując danymi: a) 2H 2 S (g) + 3O 2(g) 2SO 2(g) + 2H 2 O (g) ; ΔH o = - 1038,0 kj (-519,0 kj/mol) b) 2H 2(g ) + O 2(g) 2H 2 O (g) ; ΔH o = - 484,0 kj (- 242,0 kj/mol) c) S (s) + O 2(g) SO 2(g); ΔH o = - 297,0 kj/mol Obliczenie na podstawie entalpii spalania produktów i substratów: ΔH o = Σ ΔH o spals - Σ ΔH o spalp = [- 297,0kJ/mol + (-242,0kJ/mol)] - (-519,0kJ/mol) = = - 20,0 kj/mol Zad.9. Na podstawie równania termochemicznego: 2C 4 H 10 + 13O 2 8CO 2 + 10H 2 O + 2599,2kJ (ΔH o = - 2599,2kJ), oblicz i gramów butanu należy spalić, aby uzyskać 3000 kj energii na sposób ciepła. - obliczenie masy molowej butanu M = 58g/mol - 2C 4 H 10 + 13O 2 8CO 2 + 10H 2 O + 2599,2 kj 2mole + 13moli 8moli + 10moli + 2599,2 kj 2 58g + 13 moli 8moli + 10 moli + 2599, 2kJ 116g ----------------- 2599,2 kj x ------------------ 3000,0 kj ----------------------------------------- x = 133,88g
Zad.10. Efekt energetyczny reakcji można wyznaczyć korzystając wartości energii wiązań. Każdą reakcję można traktować jako endoenergetyczny proces rozrywania wiązań w cząsteczkach substratów oraz egzoenergetyczny proces powstawania wiązań w cząsteczkach produktów. Korzystając danych w tabeli oblicz efekty energetyczne reakcji: a) N 2 (g) + 3H 2 (g) 2NH 3 (g), b) 4NH 3 (g) + 3O 2 (g) 2N 2 (g) + 6H 2 O(g), c) 2H 2 (g) + O 2 (g) 2H 2 O(g) Wiązanie N N N - H O = O O - H H - H Energia wiązania kj/mol 947 390 499 465 436 Rozwiązanie zad. 10 a) Produkt: NH 3 ; 2mole x 3 wiązania pojedyncze = 6 moli wiązań N-H Substraty: N 2 ; 1 mol x 1 wiązanie potrójne = 1 mol wiązań N N H 2 ; 3 mol x 1 wiązanie pojedyncze = 3 mole H-H Obliczenie entalpii reakcji: H o = n H o w.s - n H o w.p = = (1mol 947kJ/mol + 3 436kJ/mol) (6mole 390kJ/mol) = = 2255 kj 2340 kj = - 85 kj. Rozwiązanie zad.10 b) liczba moli wiązań w substratach: NH 3 ; 4mole x 3 wiązania pojedyncze = 12moli wiązań N - H O 2 ; 3mole x 1 wiązanie podwójne = 3mole wiązań O = O liczba moli wiązań w produktach: N 2 ; 2 mole x 1 wiązanie potrójne = 2 mole wiązań N N H 2 O; 6 moli x 2 wiązania pojedyncze = 12moli wiązań H - O Obliczenie entalpii reakcji: H o = n H o w.s - n H o w.p = = (12 moli 390kJ/mol+3 499kJ/mol) (2mole 947kJ/mol+12moli 465kJ/mol)= = 6177 kj 7474 kj = - 1297 kj. Rozwiązanie zad. 10 c) Produkt: H 2 O; 2mole x 2 wiązania pojedyncze = 4 mole wiązań H - O Substraty: O 2 ; 1 mol wiązań podwójnych = 1 mol wiązań O = O H 2 ; 2 mole wiązań pojedynczych = 2 mole wiązań H - H Obliczenie entalpii reakcji: H o = n H o w.s - n H o w.p = = (1mol 499kJ/mol+2 436kJ/mol) (4mole 465kJ/mol) = = 1371 kj 1860 kj = - 489 kj.
Zad.11.Na podstawie poniższych danych oblicz entalpię tworzenia C 2 H 4 Cl 2 H sp etenu = -1411kJ, H tw wody = - 242kJ/mol, H sp CO 2 = -394kJ/mol, C 2 H 4 + Cl 2 C 2 H 4 Cl 2 ; H = -157kJ. obliczenie entalpii tworzenia etenu C 2 H 4 + 3O 2 2CO 2 + 2H 2 O H o = n H o spal.s - n H o spal.p, H o = -1411kJ [2 x (-394kJ) + 2 x (-242kJ) = -1411kJ + 1272kJ = - 139kJ. obliczenie entalpii tworzenia dichloroetanu C 2 H 4 + Cl 2 C 2 H 4 Cl 2 entalpia tworzenia chloru : H = 0 (substrat) entalpia tworzenia etenu: H = -139kJ (substrat) entalpia produktu: H = -157kJ H o = n H o tw.p - n H o tw.s = - 157 kj (- 139kJ + 0,0kJ) = -18kJ. Zadania do samodzielnego rozwiązania: 1. Oblicz entalpię reakcji opisanej równaniem: 3C + 4H 2 C 3 H 8 na podstawie danych: C + O 2 CO 2 ; H = -394kJ, C 3 H 8 + 5O 2 3CO 2 + 4H 2 O ; H = -1411kJ, 2H 2 + O 2 2H 2 O; H = - 484kJ 2. Oblicz entalpię reakcji rozkładu kwasu metanowego prowadzącej do CO i H 2 O, korzystając z poniższych danych: C(s) + H 2 (g) + O 2 (g) HCOOH, H = -409kJ, 2H 2 O 2H 2 (g) + O 2 (g), H = 572kJ, 2C(s) + O 2 (g) 2CO(g) H = -220kJ,