6

Jak mierzyć i jak liczyć efekty cieplne reakcji?

Energia

Energia

Zdolność do wykonywania

pracy

Praca objętościowa

Praca objętościowa

praca = siła · odległość

ciśnienie = siła/powierzchnia

a) Tłok przesuwa się o odległość Tłok przesuwa się o odległość ∆∆hh pod pod wpływem ciśnienia

wpływem ciśnienia wewnwewn. P . P -- układ układ wykonuje pracę na otoczeniu

wykonuje pracę na otoczeniu

b)

b) Zmiana objętości jest dana Zmiana objętości jest dana wzorewzore∆∆hh x x A = A = ∆∆VV

J

m

N

h

F

W

=

⋅

∆

⋅

=

m

N

A

F

p

=

J

Nm

m

m

m

N

V

p

W

h

A

p

W

=

=

∆

⋅

−

=

∆

⋅

⋅

−

=

Ciepło i temperatura

Ciepło i temperatura

Temperatura

– przypadkowe ruchy

cząstek – energia kinetyczna cząstek

Ciepło –

przekazywanie energii

pomiędzy 2 ciałami spowodowany

różnicą temperatur pomiędzy nimi

Film6 gazy - mechanizm przekazywania ciepła.MOV Film5- mikroskopowe ujęcie temperatury.MOV

CH CH_4(g)4(g) + 2O+ 2O_2(g)2(g) →→ substraty substraty egzotermiczna egzotermiczna COCO_{2(g) 2(g)} + 2H+ 2H₂₂OO_(g)(g)

+890

+

890

kJ

kJ

+

+

68

68

kJ

kJ

Ciepło reakcji

Ciepło reakcji

Entalpia reakcji odwrotnej jest,

co do wartości taka sama jak

reakcji pierwotnej, tylko

przeciwnego znaku

CH

(g) + 2O

(g) → CO

(g) +

2H

O(l)

∆H = – 890 kJ

CO

(g) + 2H

O(l) → CH

(g) +

2O

(g)

∆H = 890 kJ

Ciepło reakcji

Ciepło reakcji

Układ/System

: wycinek

rzeczywistości (materialnego

świata), na której

koncentrujemy uwagę

Otoczenie/Surroundings

:

wszystko poza układem

Układ i otoczenie

Układ i otoczenie

UKŁAD

† Otwarty - rzeka

† Zamknięty – butla z gazem † Izolowany – kawa w termosie † Wieloskładnikowy - granit

† Jednoskładnikowy - woda

† Homogeniczny – solona woda † Heterogeniczny – topniejący

śnieg

UKŁAD

† Otwarty - rzeka

† Zamknięty – butla z gazem

† Izolowany – kawa w termosie

† Wieloskładnikowy - granit

† Jednoskładnikowy - woda

† Homogeniczny – solona woda

† Heterogeniczny – topniejący

śnieg

Jakie są przemiany energii pomiędzy układem i otoczeniem?

Prawo zachowania energii

Prawo zachowania energii

†

Energia zmienia swoją postać

i nie może powstać ani zniknąć

I zasada termodynamiki

I zasada termodynamiki

† Energia wewnętrzna układu izolowanego

jest stała

Co to jest energia wewnętrzna?

U = const

Funkcje stanu

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

Energia wewnętrzna

Energia wewnętrzna

∆U

= Q

+

W

∆U

= zmiana energii wewnętrznej układu

Q

= ciepło

W

= praca

Entalpia

Entalpia

H = U + pV

definicja

∆H = ∆U + p∆V

i p=const

∆H = Q

+ W + p∆V

∆H = Q

– p∆V + p∆V

∆H= Q

_P

i p=const

Entalpia opisuje przemiany energetyczne układu w warunkach stałego ciśnienia

Energia wewnętrzna

Energia wewnętrzna

∆H ⇒przepływ energii w postaci ciepła

przez analogię

Q

_V

= ∆U i V=const

U jest funkcją stanu

Energia wewnętrzna opisuje przemiany energetyczne układu w warunkach stałej objętości

Pomiar ciepła

Pomiar ciepła

Pojemność cieplna

Pojęcia

Ciepło właściwe, C

(specific heat capacity)

pojemność cieplna na gram subst.

(J/°C⋅g lub J/K⋅g)

Ciepło molowe właściwe, C

(molar heat capacity)

pojemność cieplna na mol subst.

(J/°C⋅mol lub J/K⋅mol)

K

J

C

J

y

temperatur

wzrost

ane

zaabsorbow

cieplo

C

=

=

Pomiar ciepła

Pomiar ciepła

)

(

)

(

J

K

K

mol

J

mol

T

C

n

Q

J

K

K

g

J

g

T

C

m

Q

=

⋅

⋅

∆

⋅

=

=

⋅

⋅

∆

⋅

=

⎟

⎠

⎞

⎜

⎝

⎛

⋅

=

⎟⎟

⎠

⎞

⎜⎜

⎝

⎛

⋅

=

⎟

⎠

⎞

⎜

⎝

⎛

∆

=

K

mol

J

n

C

C

K

g

J

m

C

C

K

J

T

Q

C

Obliczenia

Pomiar ciepła V =const

Pomiar ciepła V =const

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.

Przykład 1 – Wyznaczanie ciepła spalania metanu

J

K

K

g

J

g

Q

J

T

C

m

Q

44798

3

.

3

177

.

4

10

250

.

3

)

(

₌

⋅

⋅

⋅

=

∆

⋅

=

mol

kJ

mol

J

mol

g

g

J

M

Q

Q

55998

16

.

02

897088

9

.

0

10

=

⋅

=

≈

⋅

⋅

=

Ciepło pochłonięte przez wodę

Ciepło wydzielone przy spaleniu 1 g CH₄

Ciepło wydzielone przy spaleniu 1 mola CH₄

g

J

m

Q

Q

55998

800

.

0

44798

=

=

=

mol kJ mol J mol g g J M Q Q_{mol m CH} 55998 16.02 897088 9.0 102 4 = ⋅ = ≈ ⋅ ⋅ =

Przykład 1 – Wyznaczanie ciepła spalania metanu cd.

Pomiar ciepła p =const

T

C

m

Q

Q

Q

H

∆

⋅

⋅

=

−

=

=

∆

Kalorymetria

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 25o_{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

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

884

.

2

9

.

6

18

.

4

100

0

9

.

6

0

.

25

9

.

31

100

0

.

1

100

−

=

°

⋅

°

⋅

⋅

−

=

∆

>

°

=

°

−

°

=

∆

≈

=

⋅

=

⋅

≈

⋅

=

∆

⋅

⋅

=

−

=

∆

Pomiar ciepła p =const

mol

kJ

n

H

H

mol

dm

mol

dm

n

C

V

n

dm

mol

M

V

n

C

58

68

.

57

05

.

0

884

.

2

05

.

0

1

05

.

0

−

≈

−

=

−

=

∆

=

∆

=

⋅

=

⋅

=

⇒

⎟

⎠

⎞

⎜

⎝

⎛

₌

=

Prawo Hessa

Prawo Hessa

Zmiana entalpii reakcji nie zależy od tego czy

reakcja przebiega w jednym czy też w kilku

aktach

Entalpia jest funkcją stanu!

+

+

∆

∆

H

H

substraty

1)

N

+ O

→ 2NO

∆H

=180 kJ

2)

2NO

+ O

→ 2NO

∆H

=-112 kJ

3) N

+ 2O

→ 2NO

∆H

= ∆H

+ ∆H

= 68 kJ

N

,O

O

2NO

∆H

=180 kJ

O

2NO

2NO

∆H

=-112 kJ

N

,2O

2NO

∆H

= 68 kJ

Prawo Hessa

Prawo Hessa

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 (∆H₁+ ∆H₂)

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

Prawo Hessa - konsekwencje

Jeżeli substratami są pierwiastki

w stanie standardowym (25o_C,

1013 hPa), to zmianę entalpii w czasie syntezy danego związku (też w stanie standardowym) nazywamy ciepłem tworzenia

Ciepła tworzenia

Ciepła tworzenia

Jak zastosować to prawo?

∆ ∆H_Hppoo ∆ ∆H_Hssoo pierwiastki pierwiastki substraty

substraty

→

Z zasady zachowania energii

Z zasady zachowania energii

∆

∆

_H

_H

₊

₊

∆

∆

_H

_H

-

∆

∆

H

H

= 0

= 0

∆

∆

_H

_H

₌

₌

∆

∆

_H

_H

_-

_-

∆

∆

_H

_H

∆

∆

H

H

° =

° =

Σ

Σ

n

n

∆

∆

H

H

°

°

(p

(p

)

)

−

−

Σ

Σ

n

n

∆

∆

H

H

°

°

(s

(s

)

)

Stan standardowy

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

Ciepła tworzenia

Obliczanie ciepła reakcji z entalpii

tworzenia

Przykład 3

Mając dane entalpie tworzenia, oblicz standardową

entalpię następującej reakcji:

2Al

+ Fe

O

→ Al

O

+ 2Fe

∆

∆

H

H

_rea

_rea

° =

° =

Σ

Σ

n

n

_i

_i

∆

∆

H

H

_i

_i

°

°

(p

(p

)

)

−

−

Σ

Σ

n

n

_j

_j

∆

∆

H

H

_j

_j

°

°

(s

(s

)

)

∆

∆

H

H

°

°

(Fe

(Fe

O

O

) =

) =

-

-

826

826

kJ

kJ

/mol

/mol

∆

∆

H

H

°

°

(Al

(Al

O

O

) =

) =

-

-

1676

1676

kJ

kJ

/mol

/mol

∆

∆

H

H

°

°

(Fe

(Fe

) =

) =

∆

∆

H

H

°

°

(Al

(Al

) = 0

) = 0

Obliczanie ciepła reakcji z entalpii

tworzenia

Przykład 3

∆

∆

H

H

_rea

_rea

° =

° =

∆

∆

H

H

°

°

(Al

(Al

₂

₂

O

O

₃

₃

)

)

−

−

∆

∆

H

H

°

°

(Fe

(Fe

₂

₂

O

O

₃

₃

)=

)=

=

=

-

-

1676

1676

kJ

kJ

–

–

(

(

-

-

826

826

kJ

kJ

) =

) =

=

Energia wiązania, E

(bond energy) - ilość

energii potrzebna do zerwania wiązania

pomiędzy atomami i ich przeniesienia w stan

gazowy

( )

( )

( )

( )

( )

( )

A - B

bond energy

A + B

H - Cl

H

+

Cl

+

→

+

432

→

Energie wiązań

E

, kJ/mol

CH

→ CH

+ H

435

CH

→ CH

+ H

453

CH

→ CH

+ H

425

CH

→ C

+ H

339

Średnia

413

Energie wiązań

Energia wiązania i entalpia

tworzenia

Energia wiązania i entalpia

tworzenia

∆

∆

H

H

∆

∆

H

H

pierwiastki

pierwiastki

substraty

substraty

→

produkty

produkty

∆

∆

H

H

Obliczenia ciepła reakcji z energii

wiązań

Dla reakcji w stanie gazowym

∑

∑

−

=

∆

0

(

)

(

)

produkty

E

m

substraty

E

n

H

_rea

_B

_B

Obliczenia ciepła reakcji z energii

wiązań

Przykład 4

Na podstawie wartości energii wiązań z Tabeli

oszacuj ciepło reakcji w 25

_C:

( )

( )

( )

( )

CH

_{4 g}

+

2

O

_{2 g}

→

CO

_{2 g}

+

2 H O

₂

_g

(

) (

)

(

) (

)

mol

kJ

H

H

E

E

E

E

H

686

464

4

741

2

298

2

414

4

4

2

2

4

−

=

∆

⋅

+

⋅

−

⋅

+

⋅

=

∆

+

−

+

=

∆