Repetition F7. Lunds universitet / Naturvetenskapliga fakulteten / Kemiska institutionen / KEMA00

Transkript

1 Repetition F7 Intermolekylär växelverkan kortväga repulsion elektrostatisk växelverkan (attraktion och repulsion): jon-jon (långväga), jon-dipol, dipol-dipol medelvärdad attraktion (van der Waals): roterande dipoler, dipol-inducerad dipol, dispersion (London)

2 Repetition F7 forts. Vätskor viskositet, ytspänning Fasta ämnen amorfa eller kristallina molekylära ämnen, nätverk, metaller, salter Flytande kristaller ordning map på riktning, men ej position

3 F8 Energi / entalpi Energi är universums valuta Ibland tar universum ut moms För att veta vad vi kan få för den energi vi har i plånboken, måste vi definiera begrepp som motsvarar pris med och utan moms

4 System indelning Universum allt, dvs. system + omgivning System det man studerar Omgivning resten Universum

5 System typer Isolerat ingen växelverkan med omgivningen Slutet utbyte av energi, men ej materia Öppet utbyte av både energi och materia

6 Termodynamikens första huvudsats Energin är konstant i ett isolerat system U = 0 U = inre energi, all energi i systemet, både rörelseenergi och potentiell energi Eftersom universum är ett isolerat system: Energi kan varken nyskapas eller förstöras, bara omvandlas

7 Ideal gas Ingen växelverkan ingen potentiell energi Strukturlösa partiklar ingen gömd energi U = rörelseenergi (för ideal gas)

8 Första huvudsatsen slutet system Energi kan överföras som värme, q, eller arbete, w U = q + w Teckendefinitioner q < 0: värme från systemet q > 0: värme till systemet w < 0: systemet uträttar arbete w > 0: arbete på systemet

9 Tillståndsfunktioner U är en tillståndsfunktion Beror endast på systemets tillstånd (ges av P, V, T, n, ) Oberoende av vägen/historien Systemet har inre energi

10 Processvariabler q och w är processvariabler Dyker upp vid en förändring av systemets tillstånd Beror på vägen Systemet har inte värme eller arbete, utan dessa är bara former för energiöverföring och existerar endast i processer, dvs. värme avges/upptas eller arbete uträttas

11 Tolkning av q och w Värme oordnad rörelse omfördelning av tillstånd Arbete ordnad rörelse förflyttning under inverkan av en motriktad kraft

12 Exempel på arbete

13 Tryck-volymarbete Den vanligaste formen av arbete i kemiska system w = V f P ex dv (Definition) V i P ex = externt (omgivningens) tryck V i, V f = start- respektive slutvolym Om inget annat sägs, utgår vi hädanefter från att tryck-volymarbete är den enda formen av arbete som systemet kan uträtta eller utsättas för

14 Tryck-volymarbete specialfall Expansion mot vakuum P ex = 0 w = 0 Konstant volym dv = 0 w = 0 Konstant tryck P ex konstant w = P ex V f dv = P ex (V f V i ) = P ex ΔV V i

15 Övning En cylinder med gas placerades på en värmare och tog upp 7,000 kj värme. Samtidigt ökade volymen från 0,70 liter till 1,45 liter. Det yttre trycket var 759 torr. Vad var förändringen i inre energi för gasen i cylindern?

16 Svar U = q + w Konstant tryck: w = P ex V Använd SI-enheter: 1 torr = 133,3 Pa 1 liter = 1 dm 3 = m 3 w = P ex ΔV = Not: Beräkningen av w är en produkt (multiplikation) med som mest två signifikanta siffror, vilket gör 76 J signifikant, dvs. ner till ental (1 J). Beräkningen av U är en summa där 7,000 kj också är signifikant ner till 1 J. Svaret är därför signifikant ner till 1 J. = 759 torr 133,3 Pa/torr (1,45 0,70) liter 10-3 m 3 /liter = 75,9 J ΔU = q + w = 7, J 75,9 J = 6924 J = 6,924 kj Svar: Förändringen i inre energi var 6,924 kj.

17 Entalpi, H Normalsituationen på lab är att det externa (atmosfärs)trycket är konstant Volymsförändringar vid värmeöverföring och (gas)reaktioner ger upphov till tryck-volymarbete, som justerar inre energin Definiera en ny tillståndsfunktion, entalpi, som automatisk inkluderar detta tryck-volymarbete H = U + PV Matematiskt trick för att byta variabler U(V) H(P) Energi med moms, fast momsen kan vara negativ

18 Värmekapacitet, C Värmekapaciteten beskriver hur mycket värme som behöver tillföras systemet för att öka temperaturen en grad (en Kelvin) C = q ΔT Enhet: J/K Molär värmekapacitet: C m = C n [J/(K mol)] Specifik värmekapacitet: C s = C m [J/(K g)]

19 Värme och värmekapacitet vid konstant volym Värme som överförs vid konstant volym, q V, motsvarar ändringen i inre energi (inget annat arbete än tryck-volymarbete) ΔU = q + w = q + 0 = q V Värmekapaciteten vid konstant V C V = q V ΔT = ΔU ΔT

20 Värme och värmekapacitet vid konstant tryck Värme som överförs vid konstant tryck, q P, motsvarar ändringen i entalpi (endast tryck-volymarbete) Jämvikt med omgivningen: P = P ex ΔH = ΔU + Δ(PV ) = q + w + PΔV = q PΔV + PΔV = q P H < 0: värme avges exoterm process H > 0: värme upptas endoterm process Värmekapaciteten vid konstant P C P = q P ΔT = ΔH ΔT

21 Förångningsentalpi, H vap H för processen X(l) X(g) ( vaporisation ) H vap = H g H l Attraktiv växelverkan i vätskan ska övervinnas för att bilda ånga H vap > 0, endoterm process

22 Smältentalpi, H fus H för processen X(s) X(l) ( fusion ) H fus = H l H s Attraktiv växelverkan i den fasta fasen ska övervinnas för att bilda vätska H fus > 0, endoterm process (He undantag, fast fas endast vid höga trycka och extremt låg temperatur, 25,3 bar och 1.1 K)

23 Frysentalpi, H freeze H för processen X(l) X(s) ( freeze ) H freeze = H s H l Omvänd process mot smältning H freeze = H fus

24 Sublimeringsentalpi, H sub H för processen X(s) X(g) ( sublimation ) H sub = H g H s H är en tillståndsfunktion, vägen saknar betydelse X(s) X(l) X(g) H sub = H g H s = H fus + H vap Obs! H fus och H vap vid samma temperatur

25 Uppvärmningskurva Vid fasövergångar är temperaturen konstant

26 Reaktionsentalpi Reaktionsentalpin är beroende av hur reaktionen är skriven Exempel (a): CH 4 (g) + 2 O 2 (g) CO 2 (g) + 2 H 2 O(g) ΔH = -802 kj/mol (per mol reaktion) 2 (a): 2 CH 4 (g) + 4 O 2 (g) 2 CO 2 (g) + 4 H 2 O(g) ΔH = kj/mol -(a): CO 2 (g) + 2 H 2 O(g) CH 4 (g) + 2 O 2 (g) ΔH = 802 kj/mol

27 Hess lag Eftersom H är en tillståndsfunktion och oberoende av vägen är totala entalpin för en given reaktion lika med summan av reaktionsentalpierna för delreaktionerna Exempel (x): C(s) + 2 H 2 (g) CH 4 (g) H =? (a): C(s) + O 2 (g) CO 2 (g) (b): H 2 (g) + ½ O 2 (g) H 2 O(l) (c): CH 4 (g) + 2 O 2 (g) CO 2 (g) + 2 H 2 O(l) H a H b H c (x) = (a) + 2 (b) (c): H = H a + 2 H b H c

28 Övning Beräkna H för reaktionen N 2 H 4 (l) + H 2 (g) 2 NH 3 (g) givet N 2 (g) + 2 H 2 (g) N 2 H 4 (l) H = 50,63 kj/mol N 2 (g) + 3 H 2 (g) 2 NH 3 (g) H = -92,22 kj/mol

29 Svar (x): N 2 H 4 (l) + H 2 (g) 2 NH 3 (g) H =? (a): N 2 (g) + 2 H 2 (g) N 2 H 4 (l) H a = 50,63 kj/mol (b): N 2 (g) + 3 H 2 (g) 2 NH 3 (g) H b = -92,22 kj/mol (x) = (b) (a) H = H b H a = = -92,22 50,63 kj/mol = -142,85 kj/mol Svar: H för reaktionen är -142,85 kj/mol.

30 Standardtillstånd För att göra tabellvärden jämförbara och mera praktiskt användbara definieras ett standardtillstånd Rent ämne vid 1 bar Markeras med, t.ex. reaktionsentalpin H då alla reaktanter och produkter är i sina standardtillstånd Obs! Temperaturen är odefinierad och måste anges (ofta 25 C i tabeller).

31 Standardförbränningsentalpi, H c Entalpin då 1 mol av ett ämne i sitt standardtillstånd förbränns med O 2 (g) ( combustion ) Reaktanter och produkter i sina standardtillstånd Organiska föreningar bildar CO 2 (g), H 2 O(l) samt N 2 (g) om de innehåller N Värden finns tabellerade för många ämnen

32 Standardbildningsentalpi, H f Entalpin då 1 mol av ett ämne bildas ur grundämnena i sina mest stabila former H f = 0 per definition för ett grundämne i sin mest stabila form Reaktanter och produkter i sina standardtillstånd Värden finns tabellerade för många ämnen Används för att beräkna godtycklig standardreaktionsentalpi ΔH = nδh f (produkter) nδh f (reaktanter) där n är koefficienterna i reaktionsformeln

33 Övning Beräkna H för följande reaktion: C 6 H 6 (l) + 3 H 2 (g) C 6 H 12 (l) H f (C 6 H 6 (l)) = 49,0 kj/mol och H f (C 6 H 12 (l)) = -156,4 kj/mol.

34 Svar C 6 H 6 (l) + 3 H 2 (g) C 6 H 12 (l) H 2 (g) grundämne i sin mest stabila form H f (H 2 (g)) = 0 ΔH = nδh f (produkter) nδh f (reaktanter) = = ΔH f (C 6 H 12 (l)) - ΔH f (C 6 H 6 (l)) - 3ΔH f (H 2 (g)) = = -156,4-49,0-3 0 kj/mol = 205,4 kj/mol Svar: H för reaktionen är -205,4 kj/mol.