Print_Wyklad_6 Termochemia - I zasada termodynamiki i jej konsekwencje

Jak mierzy

Jak mierzy

ć

ć

i jak liczy

i jak liczy

ć

ć

efekty cieplne reakcji?

efekty cieplne reakcji?

Energia

Zdolność do wykonywania

pracy lub produkowania ciepła

Praca objętościowa

praca = siła · odległość

ciśnienie = siła/powierzchnia

06_73 P = F A Initial state P = F_A Final state ∆h ∆h Area = A A ∆V (a) (b) a)

a) TTłłok przesuwa siok przesuwa sięęo odlego odległłoośćść∆∆hhpod pod

wp

wpłływem ciywem ciśśnienia nienia wewnwewn. P . P -- ukukłład ad wykonuje prac

wykonuje pracęęna otoczeniuna otoczeniu b)

b) Zmiana objZmiana objęętotośści jest dana ci jest dana wzorewzore∆∆hhx x A = A = ∆∆VV

J

m

N

h

F

W

=

⋅

∆

⋅

=

2

m

N

A

F

p

=

J

Nm

m

m

m

N

V

p

W

h

A

p

W

=

=

∆

⋅

−

=

∆

⋅

⋅

−

=

2 2

Ciepło i temperatura

Temperatura – przypadkowe ruchy

cząstek – energia kinetyczna cząstek

Ciepło – przekazywanie energii

pomiędzy 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

produkty produkty Układ reakcyjny 2NO 2NO_22(g)(g) produkty produkty N N_{2(g) 2(g)} + O+ O_2(g)2(g)

+ 68

+

68 kJ

kJ

→→ endotermicznaendotermiczna substraty substraty ∆Ep E ner gia p ote nc ja ln a elek tr on ów w wi ąza ni ach ∆E_p En er gia po ten cja ln a el ek tro nów w wi ąza ni ach

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

Ciepło reakcji

Układ/System: that on

which we focus attention

Otoczenie/Surroundings:

everything else in the

universe

Układ i otoczenie

Jakie s

Jakie s

ą

ą

przemiany energii pomi

przemiany energii pomi

ę

ę

dzy uk

dzy uk

ł

ł

adem i otoczeniem?

adem 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

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

∆U = zmiana energii wewnętrznej układu

Q = ciepło

W = praca

Entalpia

H = U + pV

definicja

∆H = ∆U + p∆V

i p=const

∆H = Q

_p

+ W + p∆V

∆H = Q

_p

– p∆V + p∆V

∆H= Q

_P

i p=const

Entalpia opisuje przemiany energetyczne układu w warunkach stałego ciśnienia

H jest funkcją stanu

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

Pojemność cieplna

C =

heat absorbed

increase in temperature

=

J

C

or

J

K

°

Pojęcia

Ciepło właściwe, C

_wł

(specific heat capacity)

pojemność cieplna na gram subst.

(J/°C⋅g lub J/K⋅g)

Ciepło molowe właściwe, C

_mol

(molar heat capacity)

pojemność cieplna na mol subst.

(J/°C⋅mol lub J/K⋅mol)

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

0.800g CH4spalono w stałej objętości w nadmiarze tlenu wewnątrz

kalorymetru zawierającego 3.250⋅103 _{g wody. Temperatura wody wzrosła o}

3.3o_{C . 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 wl 44798 3 . 3 177 . 4 10 250 . 3 ) ( 3 ₌ ⋅ ⋅ ⋅ = ∆ ⋅ =

mol

kJ

mol

J

mol

g

g

J

M

Q

Q

mol

=

m

⋅

CH4

=

55998

⋅

16

.

02

=

897088

≈

9

.

0

⋅

10

3 Ciepło pochłonięte przez wodę

Ciepło wydzielone przy spaleniu 1 g CH₄

Ciepło wydzielone przy spaleniu 1 mola CH₄

g

J

m

Q

Q

CH m

₀

_.

₈₀₀

55998

44798

4

=

=

=

mol kJ mol J mol g g J M Q Q_{mol m CH 55998 16.02 897088 9.010}2 4= ⋅ = ≈ ⋅ ⋅ =

Przykład 1 – Wyznaczanie ciepła spalania metanu cd.

Pomiar ciepła V =const

Pomiar ciepła p =const

T

C

m

Q

Q

Q

H

r wl r a

∆

⋅

⋅

=

−

=

=

∆

, r r re rea

Kalorymetria

Pomiar ciepła p =const

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

884

.

2

9

.

6

18

.

4

100

0

9

.

6

0

.

25

9

.

31

100

0

.

1

100

2 2 , , 3 3 ,

−

=

°

⋅

°

⋅

⋅

−

=

∆

>

°

=

°

−

°

=

∆

≈

=

⋅

=

⋅

≈

⋅

=

∆

⋅

⋅

=

−

=

∆

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}

2

O

Pomiar ciepła p =const

mol

kJ

n

H

H

mol

dm

mol

dm

n

C

V

n

dm

mol

M

V

n

C

HCl rea mol HCl M r HCl r HCl M

58

68

.

57

05

.

0

884

.

2

05

.

0

1

05

.

0

3 ₃ 3

−

≈

−

=

−

=

∆

=

∆

=

⋅

=

⋅

=

⇒













₌

=

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

_rearea

substraty

substraty

→

produkty

produkty

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

N

_2(g)

,O

_2(g)

O

_2(g)

2NO

_(g)

∆H

₁

=180 kJ

O

2(g)

2NO

(g)

2NO

2(g)

∆H

₂

=-112 kJ

N

_2(g)

,2O

_2(g)

2NO

2(g)

∆H

₃

= 68 kJ

Entalpia, H, kJ

Prawo Hessa

1. If a reaction is reversed, ∆H is also reversed.

N_2(g) + O_2(g) → 2NO(g) ∆H = 180 kJ

2NO_(g) → N2(g) + O2(g) ∆H = −180 kJ

2. If the coefficients of a reaction are multiplied by an integer, ∆H is multiplied by that same integer.

6NO_(g) → 3N_2(g) + 3O_2(g) ∆H = −540 kJ

3. Let us consider the direct and step reaction which leads to formation of carbon dioxide from carbon ad oxygen:

direct step

C_(s) + O_2(g) → CO2(g) + 394 kJ C(s) + ½ O2(g) → CO(g)+ 110 kJ

CO_(s)+ ½ O_2(g)→ CO2 (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

Jak zastosować to prawo?

∆ ∆HHppoo ∆ ∆HHssoo pierwiastki pierwiastki substraty

substraty

→

produktyprodukty

Z zasady zachowania energii Z zasady zachowania energii

∆

∆H

H

_ssoo

_{+ ∆}

₊

∆H

_H

rea rea

- ∆

∆H

H

ppoo

= 0

= 0

∆

∆H

H

_rearea

= ∆

=

∆H

H

_ppoo

_{-- ∆}

∆H

_H

ssoo ∆ ∆HHrearea

∆

∆

H

H

_rearea

°

°

=

=

Σ

Σ

n

n

_ii

∆

∆

H

H

_ii

°

°

(p

(p

)

)

−

−

Σ

Σ

n

n

_jj

∆

∆

H

H

_jj

°

°

(s

(s

)

)

w ogólności

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

-296,86 -385,18 -410,99 -435,90 -426,77 -74,85 -238,57 -277,65 -487,01 -49,03 SO_2(g) SO_3(g) NaCl_(s) KCL_(s) NaOH_(s) CH_4(g) CH₃OH_(c) C2H5OH (c) CH₃COOH _(c) C₆H_6(c) -285,85 -241,79 -92,30 -173,22 -811,32 -110,54 -393,42 -46,19 +90,37 +33,85 H₂O_(c) H₂O_(g) HCl_(g) HNO_3(c) H₂SO_4(c) CO_(g) CO_2(g) NH3(g) NO_(g) NO_2(g) ∆Ho 298 kJ/mol Związek ∆Ho 298 kJ/mol Związek

Obliczanie ciepła reakcji z entalpii

tworzenia

Przykład 3

Mając dane entalpie tworzenia, oblicz standardową entalpię następującej reakcji: 2Al_(s)+ Fe₂O_3(s)→ Al2O3(s)+ 2Fe(s)

∆

∆

H

H

_rearea

°

°

=

=

Σ

Σ

n

n

ii

∆

∆

H

H

ii

°

°

(p

(p

)

)

−

−

Σ

Σ

n

n

jj

∆

∆

H

H

jj

°

°

(s

(s

)

)

∆

∆

H

H

°

°

(Fe

(Fe

₂₂

O

O

₃₃

) =

) =

-

-

826

826

kJ

kJ

/mol

/mol

∆

∆

H

H

°

°

(Al

(Al

₂₂

O

O

₃₃

) =

) =

-

-

1676

1676

kJ

kJ

/mol

/mol

∆

∆

H

H

°

°

(Fe

(Fe

) =

) =

∆

∆

H

H

°

°

(Al

(Al

) = 0

) = 0

∆

∆

H

H

_rearea

°

°

=

=

∆

∆

H

H

°

°

(Al

(Al

₂₂

O

O

₃₃

)

)

−

−

∆

∆

H

H

°

°

(Fe

(Fe

₂₂

O

O

₃₃

)=

)=

=

=

-

-

1676

1676

kJ

kJ

–

–

(

(

-

-

826

826

kJ

kJ

) =

) =

=

=

-

-

850

850

kJ

kJ

Film 1_termochemia_Fe2O3.MOV

Energia wiązania, E

_B

- ilość energii

potrzebna do zerwania wiązania pomiędzy

atomami i ich przeniesienia w stan gazowy

( )

( )

( )

( )

( )

( )

A - B

bond energy

A + B

H - Cl

H

+

Cl

g g g g kJmol g g

+

→

+

432

→

Energie wiązań

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 O=O 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 C=C 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

Energia wiązania i entalpia

tworzenia

∆

∆

H

H

_ppoo

∆

∆

H

H

_ssoo

pierwiastki

pierwiastki

substraty

substraty

_→

produkty

produkty

∆

∆

H

H

_rearea

E_B EB

Obliczenia ciepła reakcji z energii

wiązań

Dla reakcji w stanie gazowym

∑

∑

−

=

∆

_H

0

_n

_E

(

_substraty

)

_m

_E

(

_produkty

)

B B rea

Obliczenia ciepła reakcji z energii

wiązań

Przykład 5: Na podstawie wartości energii wiązań z Tabeli

oszacuj ciepło reakcji w 25

o

_C:

( )

( )

( )

( )

[

] [

]

[

] [

]

{

}

CH

O

CO

2 H O

H

BE

BE

BE

4 BE

H

kJ

H

kJ

4 g

2 g

2 g

2

g

298

o

C-H

O=O

C=O

O-H

298

o

298

o

+

→

+

=

+

−

+

=

+

−

+

= −

2

4

2

2

4 414

2 498

2 741 4 464

686

∆

∆

∆

(

)

(

)

(

)

(

)