Energia

Jak mierzyć i jak liczyć efekty cieplne reakcji?
Energia
Zdolność do wykonywania
pracy lub produkowania ciepła
Praca objętościowa
praca = siła · odległość
W = F ⋅ ∆h
N ⋅m = J
06_73
P=
P =
F
A
Area = A
A
ciśnienie = siła/powierzchnia
p=
F
A
N
m2
W = − p ⋅ ∆V
∆h
(a) Initial
state
W = − p ⋅ A ⋅ ∆h
N 2
m m = Nm = J
m2
F
A
∆h
∆V
(b) Final
state
a) Tłok przesuwa się
się o odległ
odległość ∆h pod
wpł
wpływem ciś
ciśnienia wewn.
wewn. P - ukł
układ
wykonuje pracę
pracę na otoczeniu
b) Zmiana obję
objętoś
tości jest dana wzore ∆h x
A = ∆V
Ciepło i temperatura
Temperatura – przypadkowe ruchy
cząstek – energia kinetyczna cząstek
Film5- mikroskopowe ujęcie temperatury.MOV
Ciepło – przekazywanie energii
pomiędzy ciałami spowodowany
różnicą temperatur pomiędzy nimi
Film6 gazy - mechanizm przekazywania ciepła.MOV
Ciepło reakcji
egzotermiczna
∆Ep
CO2(g) + 2H2O(g)+890 kJ
produkty
Energia potencjalna elektronów w
wiązaniach
CH4(g) + 2O2(g) →
substraty
Układ reakcyjny
∆Ep
N2(g) + O2(g) + 68 kJ →
substraty
endotermiczna
Ciepło reakcji
Entalpia reakcji odwrotnej jest,
co do wartości taka sama jak
reakcji pierwotnej, tylko
przeciwnego znaku
CH4(g) + 2O2(g) → CO2(g) +
2H2O(l)
∆H = – 890 kJ
CO2(g) + 2H2O(l) → CH4(g) +
2O2(g)
∆H = 890 kJ
Energia potencjalna elektronów w
wiązaniach
2NO2 (g)
produkty
Układ i otoczenie
Układ/System: that on
which we focus attention
Otoczenie/Surroundings:
everything else in the
universe
Jakie są przemiany energii pomiędzy układem i otoczeniem?
Układ i otoczenie
UKŁAD
† Otwarty - rzeka
† Zamknięty – butla z gazem
† Izolowany – kawa w termosie
† Wieloskładnikowy - granit
† Jednoskładnikowy - woda
† Homogeniczny – solona woda
† Heterogeniczny – topniejący śnieg
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
Co to jest energia wewnętrzna?
U = const
∆U = O
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
∆H = ∆U + p∆V i
∆H = Qp + W + p∆V
definicja
p=const
∆H = Qp – p∆V + p∆V
∆H= QP i p=const
H jest funkcją stanu
Entalpia opisuje przemiany energetyczne układu
w warunkach stałego ciśnienia
Energia wewnętrzna
∆H ⇒przepływ energii w postaci ciepła
przez analogię
QV = ∆U i V=const
U jest funkcją stanu
Energia wewnętrzna opisuje przemiany energetyczne układu
w warunkach stałej objętości
Pomiar ciepła
Pojęcia
Pojemność cieplna
J
J
heat absorbed
or
=
C =
°C
K
increase in temperature
Ciepło właściwe, Cwł (specific heat capacity)
pojemność cieplna na gram subst.
(J/°C⋅g lub J/K⋅g)
Ciepło molowe właściwe, Cmol (molar heat capacity)
pojemność cieplna na mol subst.
(J/°C⋅mol lub J/K⋅mol)
Pomiar ciepła
Obliczenia
Q = m ⋅ Cwl ∆T
Q = n ⋅ Cmol ∆T
J
K = J)
g⋅K
J
(mol ⋅
K = J)
mol ⋅ K
(g ⋅
C=
Q
∆T
 J 


 g⋅K 
C  J 
=


n  mol ⋅ K 
Cwl =
Cmol
J
 
K
C
m
Pomiar ciepła V =const
Kalorymetria
Pomiar ciepła V =const
Przykład 1 – Wyznaczanie ciepła spalania metanu
0.800g CH4 spalono w stałej objętości w nadmiarze tlenu wewnątrz
kalorymetru zawierającego 3.250⋅103 g wody. Temperatura wody wzrosła o
3.3oC . Ciepło właściwe wody wynosi 4.177 J/g⋅K. Oblicz ciepło spalania
metanu.
Ciepło pochłonięte przez wodę
Q = m ⋅ Cwl ∆T
(J )
Q = 3.250 ⋅ 103 g ⋅ 4.177
J
3.3K = 44798
g⋅K
J
Ciepło wydzielone przy spaleniu 1 g CH4
Qm =
Q
44798
=
= 55998
mCH 4 0.800
J
g
Ciepło wydzielone przy spaleniu 1 mola CH4
Qmol = Qm ⋅ M CH 4 = 55998
J
g
J
⋅16.02
= 897088
g
mol
mol
≈ 9.0 ⋅103
kJ
mol
Pomiar ciepła V =const
Przykład 1 – Wyznaczanie ciepła spalania metanu cd.
Qmol = Qm ⋅ M CH 4 = 55998
J
g
J
⋅ 16.02
= 897088
g
mol
mol
≈ 9.0 ⋅ 102
Pomiar ciepła p =const
Kalorymetria
∆H rea = Qrea = −Qr
Qr = mr ⋅ Cwl ,r ⋅ ∆T
kJ
mol
Pomiar ciepła p =const
Przykład 2 – Wyznaczanie ciepła reakcji zobojętniania
Zmieszano 50 cm3 1.00 M roztworu HCl i 50 cm3 1.00 M roztworu NaOH.
Temperatura roztworu wzrosła z 25oC do 31.9oC. Oblicz ciepło zobojętniania
1 mola HCl. Ciepło właściwe wody wynosi 4.18 J/g⋅oC.
HCl + NaOH→ NaCl + H2O
H+ + OH- → H2O
∆H rea = −Qr = mr ⋅ Cwl ,r ⋅ ∆T
mr = Vr ⋅ d r ≈ Vr ⋅ d H 2O = 100cm 3 ⋅ 1.0
g
= 100 g
cm 3
Cwl ,r ≈ Cwl ,H 2O
∆T = 31.9°C − 25.0°C = 6.9°C > 0
∆H rea = −100 g ⋅ 4.18
J
⋅ 6.9°C = −2.884 kJ
g ⋅ °C
Pomiar ciepła p =const
Przykład 2 – Wyznaczanie ciepła reakcji zobojętniania cd.
nHCl 
mol 
 ⇒ nHCl = Vr ⋅ CM
M =
Vr 
dm3 
mol
nHCl = 0.05dm 3 ⋅1 3 = 0.05mol
dm
∆H rea
2.884
kJ
∆H mol =
=−
= −57.68 ≈ −58
0.05
nHCl
mol
CM =
Prawo Hessa
substraty
→
+ ∆Hrea
produkty
Zmiana entalpii reakcji nie zależy od tego czy
reakcja przebiega w jednym czy też w kilku
aktach
Entalpia jest funkcją stanu!
Prawo Hessa
1) N2(g)
+ O2(g) → 2NO(g)
∆H1=180 kJ
2) 2NO(g) + O2(g) → 2NO2(g)
Entalpia, H, kJ
3)
N2(g) + 2O2(g) → 2NO2(g)
O2(g) 2NO(g)
∆H2=-112 kJ
∆H3= ∆H1+ ∆H2= 68 kJ
O2(g) 2NO(g)
∆H2=-112 kJ
∆H1=180 kJ
2NO2(g)
2NO2(g)
∆H3= 68 kJ
N2(g),O2(g)
N2(g),2O2(g)
Prawo Hessa - konsekwencje
1.
2.
If a reaction is reversed, ∆H is also reversed.
N2(g) + O2(g) → 2NO(g)
∆H = 180 kJ
2NO(g) → N2(g) + O2(g)
∆H = −180 kJ
If the coefficients of a reaction are multiplied by an integer, ∆H is multiplied by
that same integer.
6NO(g) → 3N2(g) + 3O2(g)
3.
∆H = −540 kJ
Let us consider the direct and step reaction which leads to formation of carbon
dioxide from carbon ad oxygen:
direct
step
C(s) + O2(g) → CO2(g) + 394 kJ C(s) + ½ O2(g) → CO (g) + 110 kJ
CO(s) + ½ O2(g) → CO2 (g) + 284 kJ
C(s) + O2(g) → CO2(g) + 394 kJ
Ciepła tworzenia
pierwiastki
Jak zastosować to prawo?
∆H p o
∆Hso
Jeżeli substratami są pierwiastki
w stanie standardowym (25oC,
1013 hPa), to zmianę entalpii w
czasie syntezy danego związku
(też w stanie standardowym)
nazywamy ciepłem tworzenia
substraty
→
produkty
∆Hrea
Z zasady zachowania energii
w ogólności
∆
∆
∆
∆
∆H∆reaH°s =+ Σ∆Hnirea
∆H-i°(p)
Σn0j∆Hj°(s)
(pH) p− =
(s)
o
o
∆H rea = ∆H po- ∆H so
Stan standardowy
† Związek
- Gaz - ciśnienie 1 atm, 1013 hPa
- Roztwór - stężenie 1 mol/dm3
† Pierwiastek
- Forma w której występuje [N2(g), K(s)] pod ciśnieniem 1 atm
i w 25°C.
Ciepła tworzenia
Związek
∆Ho298
kJ/mol
Związek
∆Ho298
kJ/mol
H2O(c)
H2O(g)
HCl(g)
HNO3(c)
H2SO4(c)
CO(g)
CO2(g)
NH3(g)
NO(g)
NO2(g)
-285,85
-241,79
-92,30
-173,22
-811,32
-110,54
-393,42
-46,19
+90,37
+33,85
SO2(g)
SO3(g)
NaCl(s)
KCL(s)
NaOH(s)
CH4(g)
CH3OH (c)
C2H5OH (c)
CH3COOH (c)
C6H6(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) + Fe2O3(s) → Al2O3(s) + 2Fe(s)
∆Hrea° = Σ ni∆Hi°(p)
(p) − Σnj∆Hj°(s)
(s)
∆H°(Fe2O3) = - 826 kJ/mol
kJ/mol
∆H°(Al2O3) = -1676 kJ/mol
kJ/mol
∆H°(Fe)
(Fe) =∆
=∆H°(Al)
(Al) = 0
∆Hrea° = ∆H°(Al2O3) − ∆H°(Fe2O3)=
= -1676 kJ – (- 826 kJ)
kJ) =
= - 850 kJ
Film 1_termochemia_Fe2O3.MOV
Energie wiązań
Energia wiązania, EB - ilość energii
potrzebna do zerwania wiązania pomiędzy
atomami i ich przeniesienia w stan gazowy
A - B( g) + bond energy → A( g) + B( g)
H - Cl( g) + 432 kJ mol → H( g) + Cl( g)
CH4(g)→ CH3(g)+ +H(g)
CH3(g)→ CH2(g)+ +H(g)
CH2(g)→ CH (g)+ +H(g)
CH=(g)→ C(g)+ +H(g)
Średnia
EB, kJ/mol
435
453
425
339
413
Energie wiązań
Bond
Energy
(kJ/mol)
Length (pm)
Bond
Energy
(kJ/mol)
Length (pm)
H--H
74
435
H--C
109
413
C--C
154
348
H--N
101
391
N--N
145
170
H--O
96
366
O--O
148
145
H--F
92
568
F--F
142
158
H--Cl
127
432
Cl-Cl
199
243
H--Br
141
368
Br-Br
228
192
H--I
161
298
I--I
267
151
C--C
154
348
C--C
154
348
C=C
134
614
C--N
147
308
C≡C
120
839
C--O
143
360
C--S
182
272
O--O
148
145
C--F
135
488
O=O
121
498
C--Cl
177
330
C--Br
194
288
N--N
145
170
C--I
214
216
N≡N
110
945
Energia wiązania i entalpia
tworzenia
start
Energia wiązania i entalpia
tworzenia
pierwiastki
EB
∆Hpo
∆Hso
substraty
EB
→
produkty
∆Hrea
Obliczenia ciepła reakcji z energii
wiązań
Dla reakcji w stanie gazowym
0
∆H rea
= n∑ E B ( substraty ) −m∑ E B ( produkty )
Która metoda obliczeń daje dokładniejsze rezultaty?
Obliczenia ciepła reakcji z energii
wiązań
Przykład 5: Na podstawie wartości energii wiązań z Tabeli
oszacuj ciepło reakcji w 25oC:
CH4( g) + 2 O2( g) → CO2( g) + 2 H2 O( g)
∆H o298 = [4 BEC-H + 2 BEO=O ] − [2 BEC=O + 4 BEO-H ]
∆H o298 = {[4(414) + 2(498)] − [2(741) + 4(464)]} kJ
∆H o298 = −686 kJ
Porównaj z wartością ciepła zmierzoną (slajd 5) i wartością obliczoną na podstawie tabeli z entalpiami tworzenia (slajd 28)