Jak mierzyć i jak liczyć efekty cieplne reakcji?

Jak mierzyć i jak liczyć efekty cieplne reakcji?

Energia Zdolność do wykonywania pracy lub do produkowania ciepła

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

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

Ciepło reakcji CH 4(g) + 2O 2(g) substraty 2(g) egzotermiczna Układ reakcyjny CO 2(g) + 2H 2 O (g) produkty (g) +890 890 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

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

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?

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

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

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

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

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

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

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)

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

Pomiar ciepła V const Kalorymetria

Pomiar ciepła V const Przykład 1 Wyznaczanie ciepła spalania metanu 0.800g CH 4 spalono w stałej objętości w nadmiarze tlenu wewnątrz kalorymetru zawierającego 3.250 10 3 g wody. Temperatura wody wzrosła o 3.3 o C. Ciepło właściwe wody wynosi 4.177 J/g K. Oblicz ciepło spalania metanu. Ciepło pochłonięte przez wodę Q Q m C wl T 3.250 10 3 ( J ) g 4.177 J g K 3.3K 44798 J Ciepło wydzielone przy spaleniu 1 g CH 4 Q 44798 Qm 55998 m 0.800 CH 4 J g Ciepło wydzielone przy spaleniu 1 mola CH 4 Q mol Q m M CH J g J 55998 16.02 897088 9.0 10 4 g mol mol 2 kj mol

Pomiar ciepła V const Przykład 1 Wyznaczanie ciepła spalania metanu cd. Q mol Q m M CH J g J 55998 16.02 897088 9.0 10 4 g mol mol 2 kj mol

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

Pomiar ciepła p const Przykład 2 Wyznaczanie ciepła reakcji zobojętniania Zmieszano 50 cm 3 1.00 M roztworu HCl i 50 cm3 1.00 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

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 2.884 6.9 4.18 100 0 6.9 25.0 31.9 100 1.0 100 2 2,, 3 3, >

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 1 0.05mol 3 dm H rea 2.884 57.68 58 n 0.05 mol HCl M kj mol

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!

Prawo 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)

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) + 394 kj 1) C (s) + ½ O 2(g) CO (g) + 110 kj 2) CO (s) + ½ O 2(g) CO 2 (g) + 284 kj C (s) + O 2(g) CO 2(g) + 394 kj

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)

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

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

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 ) - 826 kj/mol H (Al 2 O 3 ) -1676 kj/mol H (Fe) ) H (Al (Al)) 0 Film 1_termochemia_Fe2O3.MOV

Obliczanie ciepła reakcji z entalpii tworzenia Przykład 3 H rea rea H (Al 2 O 3 ) H (Fe 2 O 3 ) -1676 kj (- 826 kj) ) - 850 kj

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 + 432 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

Energie wiązań 945 110 N N 216 214 C--I 170 145 N--N 288 194 C--Br 330 177 C--Cl 498 121 OO 488 135 C--F 145 148 O--O 272 182 C--S 360 143 C--O 839 120 C C 308 147 C--N 614 134 CC 348 154 C--C 348 154 C--C 151 267 I--I 298 161 H--I 192 228 Br-Br 368 141 H--Br 243 199 Cl-Cl 432 127 H--Cl 158 142 F--F 568 92 H--F 145 148 O--O 366 96 H--O 170 145 N--N 391 101 H--N 348 154 C--C 413 109 H--C 435 74 H--H Energy (kj/mol) Length (pm) Bond Energy (kj/mol) Length (pm) Bond

Energia wiązania i entalpia tworzenia start

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

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?

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 ( 4 414 + 2 298) ( 2 741+ 4 464) 686 kj mol O O C O O H