Wytyczne w zakresie gromadzenia i przekazywania danych w ...
PrintWyklad Termochemia - I zasada termodynamiki i jej ...lojewska/Wyklady/Print_Wyklad_6...Film6...
Transcript of PrintWyklad Termochemia - I zasada termodynamiki i jej ...lojewska/Wyklady/Print_Wyklad_6...Film6...
Jak mierzyJak mierzyćć i jak liczyi jak liczyćć 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 = FA
Initialstate
P = FA
Finalstate
∆h ∆h
Area = A A
∆V
(a) (b)
a)a) TTłłok przesuwa siok przesuwa sięę o odlego odległłoośćść ∆∆hh pod pod wpwpłływem ciywem ciśśnienia nienia wewnwewn. P . P -- ukukłład ad wykonuje pracwykonuje pracęę na otoczeniuna otoczeniu
b)b) Zmiana objZmiana objęętotośści jest dana ci jest dana wzorewzore ∆∆hh x x A = A = ∆∆VV
JmNhFW =⋅∆⋅=
2mN
AFp =
JNmmmmNVpW
hApW
==∆⋅−=
∆⋅⋅−=
22
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
CHCH4(g)4(g) + 2O+ 2O2(g)2(g) →→
substratysubstraty
egzotermicznaegzotermiczna COCO2(g) 2(g) + 2H+ 2H22OO(g)(g)++890 890 kJkJproduktyprodukty
Układ reakcyjny
2NO2NO22 (g)(g)produktyprodukty
NN2(g) 2(g) + O+ O2(g)2(g) + + 68 68 kJkJ →→ endotermicznaendotermicznasubstratysubstraty
∆Ep
Energia potencjalna elektronów w
w
iązaniach
∆Ep
Energia potencjalna elektronów w
w
iązaniach
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
Ciepło reakcji
Układ/System: that on which we focus attention
Otoczenie/Surroundings: everything else in theuniverse
Układ i otoczenie
Jakie sJakie sąą przemiany energii pomiprzemiany energii pomięędzy ukdzy ukłładem i otoczeniem?adem i otoczeniem?
Układ i otoczenie
UKŁADOtwarty - rzekaZamknięty – butla z gazemIzolowany – kawa w termosieWieloskładnikowy - granitJednoskładnikowy - wodaHomogeniczny – solona wodaHeterogeniczny – 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 zależąod drogi, którą przebył układ, aby ze stanu początkowego osiągnąć stan końcowy
U jest funkcją stanu
Energia wewnętrzna
∆U = Q + W
∆U = zmiana energii wewnętrznej układuQ = ciepłoW = praca
W = - p · ∆V
Entalpia
H = U + pV definicja
∆H = ∆U + p∆V i p=const∆H = Qp + W + p∆V
∆H = Qp – p∆V + p∆V
∆H= QP 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
QV = ∆U i V=constU jest funkcją stanu
Energia wewnętrzna opisuje przemiany energetyczne układu
w warunkach stałej objętości
Pomiar ciepła
Pojemność cieplna
C = heat absorbedincrease in temperature
= JC
or JK°
Pojęcia
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
)(
)(
JKKmol
JmolTCnQ
JKKgJgTCmQ
mol
wl
=⋅
⋅∆⋅=
=⋅
⋅∆⋅=
⋅=
⋅
=
∆=
KmolJ
nCC
KgJ
mCC
KJ
TQC
mol
wl
Obliczenia
Pomiar ciepła V =constKalorymetria
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
JKKgJgQ
JTCmQ wl
447983.3177.410250.3
)(
3 =⋅
⋅⋅=
∆⋅=
molkJ
molJ
molg
gJMQQ CHmmol
3100.989708802.16559984
⋅≈=⋅=⋅=
Ciepło pochłonięte przez wodę
Ciepło wydzielone przy spaleniu 1 g CH4
Ciepło wydzielone przy spaleniu 1 mola CH4
gJ
mQQCH
m 55998800.0
44798
4
===
molkJ
molJ
molg
gJMQQ CHmmol
2100.989708802.16559984
⋅≈=⋅=⋅=
Przykład 1 – Wyznaczanie ciepła spalania metanu cd.
Pomiar ciepła V =const
Pomiar ciepła p =const
TCmQQQH
rwlr
a
∆⋅⋅=−==∆
,r
rrerea
Kalorymetria
Pomiar ciepła p =const
kJCCgJgH
CCCT
CC
gcmgcmdVdVm
TCmQH
rea
OHwlrwl
OHrrrr
rwlrrrea
884.29.618.4100
09.60.259.31
1000.1100
2
2
,,
33
,
−=°⋅°⋅
⋅−=∆
>°=°−°=∆
≈
=⋅=⋅≈⋅=
∆⋅⋅=−=∆
Przykład 2 – Wyznaczanie ciepła reakcji zobojętnianiaZmieszano 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 + H2OH+ + OH- → H2O
Pomiar ciepła p =const
molkJ
nHH
moldmmoldmn
CVndmmolM
VnC
HCl
reamol
HCl
MrHClr
HClM
5868.5705.0
884.2
05.0105.0 33
3
−≈−=−=∆
=∆
=⋅=
⋅=⇒
==
Przykład 2 – Wyznaczanie ciepła reakcji zobojętniania cd.
Prawo Hessa
Zmiana entalpii reakcji nie zależy od tego czy reakcja przebiega w jednym czy też w kilku aktach
Entalpia jest funkcją stanu!
+ + ∆∆HHreareasubstratysubstraty produktyprodukty→
1) N2(g) + O2(g) → 2NO(g) ∆H1=180 kJ
2) 2NO(g) + O2(g) → 2NO2(g) ∆H2=-112 kJ
3) N2(g) + 2O2(g) → 2NO2(g) ∆H3= ∆H1+ ∆H2= 68 kJ
N2(g),O2(g)
O2(g) 2NO(g)
∆H1=180 kJ
O2(g) 2NO(g)
2NO2(g)
∆H2=-112 kJ
N2(g),2O2(g)
2NO2(g)
∆H3= 68 kJEnt
alpi
a, H
, kJ
Prawo Hessa
1. 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
2. If the coefficients of a reaction are multiplied by an integer, ∆H is multiplied by that same integer.
6NO(g) → 3N2(g) + 3O2(g) ∆H = −540 kJ
3. Let us consider the direct and step reaction which leads to formation of carbondioxide 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
Prawo Hessa - konsekwencje
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
Ciepła tworzenia
Jak zastosować to prawo?∆∆HHpp
oo∆∆HHssoo
pierwiastkipierwiastki
substratysubstraty produktyprodukty→
Z zasady zachowania energiiZ zasady zachowania energii
∆∆HHssoo + + ∆∆HHrearea - ∆∆HHpp
oo = 0= 0
∆∆HHrearea == ∆∆HHppoo-- ∆∆HHss
oo
∆∆HHrearea
∆∆HHrearea°° = = Σ Σ nnii∆∆HHii°°(p(p) ) −− ΣΣnnjj∆∆HHjj°°(s(s))w ogólności
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
-296,86-385,18-410,99-435,90-426,77-74,85-238,57-277,65-487,01-49,03
SO2(g)SO3(g)NaCl(s)KCL(s)
NaOH(s)CH4(g)
CH3OH (c)C2H5OH (c)
CH3COOH (c)C6H6(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)
HNO3(c)H2SO4(c)
CO(g)CO2(g)NH3(g)NO(g)NO2(g)
∆Ho298
kJ/molZwiązek∆Ho
298kJ/mol
Związek
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)
∆∆HHrearea°° = = Σ Σ nnii∆∆HHii°°(p(p) ) −− ΣΣnnjj∆∆HHjj°°(s(s))
∆∆HH°°(Fe(Fe22OO33) = ) = -- 826 826 kJkJ/mol/mol∆∆HH°°(Al(Al22OO33) = ) = --1676 1676 kJkJ/mol/mol∆∆HH°°(Fe(Fe) =) =∆∆HH°°(Al(Al) = 0) = 0
∆∆HHrearea°° = = ∆∆HH°°(Al(Al22OO33) ) −− ∆∆HH°°(Fe(Fe22OO33)=)== = --1676 1676 kJkJ –– ((-- 826 826 kJkJ) = ) = = = -- 850 850 kJkJ
Film 1_termochemia_Fe2O3.MOV
Energia wiązania, EB - ilość energii potrzebna do zerwania wiązania pomiędzy atomami i ich przeniesienia w stan gazowy
( ) ( ) ( )
( ) ( ) ( )
A - B bond energy A + B
H- Cl H + Clg g g
gkJ
mol g g
+ →
+ →432
Energie wiązań
EB, kJ/molCH4(g)→ CH3(g)+ +H(g) 435CH3(g)→ CH2(g)+ +H(g) 453CH2(g)→ CH (g)+ +H(g) 425CH=(g)→ C(g)+ +H(g) 339Średnia 413
Energie wiązań
945 110 N≡N216 214 C--I 170 145 N--N 288 194 C--Br
330 177 C--Cl498 121 O=O 488 135 C--F 145 148 O--O 272 182 C--S
360 143 C--O 839 120 C≡C308 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--Br243 199 Cl-Cl 432 127 H--Cl158 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
∆∆HHppoo∆∆HHss
oo
pierwiastkipierwiastki
substratysubstraty produktyprodukty→
∆∆HHrearea
EBEB
Obliczenia ciepła reakcji z energii wiązań
Dla reakcji w stanie gazowym
∑∑ −=∆ )()(0 produktyEmsubstratyEnH BBrea
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:
( ) ( ) ( ) ( )
[ ] [ ][ ] [ ]{ }
CH O CO 2 H O
H BE BE BE 4 BE
H kJ
H kJ
4 g 2 g 2 g 2 g
298o
C-H O=O C=O O-H
298o
298o
+ → +
= + − +
= + − +
= −
2
4 2 2
4 414 2 498 2 741 4 464
686
∆
∆
∆
( ) ( ) ( ) ( )
Porównaj z wartością ciepła zmierzoną (slajd 5) i wartością obliczoną na podstawie tabeli z entalpiami tworzenia (slajd 28)