Kapitel 6 Termokemi Kapitel 6 Innehåll 6.1 6.2 6.3 6.4 Standardbildningsentalpi 6.5 Energikällor 6.6 Förnyelsebara energikällor Copyright Cengage Learning. All rights reserved 2 Energi Kapaciteten att utföra arbete eller producera värme. Storhet: E = F s (kraft sträcka) = P t (effekt tid) Enhet: J = Nm = Ws Termodynamiskens första lag Energi kan aldrig skapas eller förstöras utan endast omvandlas från en form till en annan. (E universum är konstant) Copyright Cengage Learning. All rights reserved 3 Copyright Cengage Learning. All rights reserved 4 Energiformer Potentiell energi (lagrad energi) Inre energi (U) är summan av den kinetiska och potentiella energin hos alla partiklar i ett system (till exempel i ett ämnesprov) Kinetiskt energi (använd energi) U = Σ(KE + PE) Copyright Cengage Learning. All rights reserved 6
Energilagringskapacitet värmeabsorption J C = = = temperaturökning C J K Värmekapacitet specifik värmekapacitet C = J/ C g eller J/K g molär värmekapacitet C m = J/ C mol eller J/K mol Copyright Cengage Learning. All rights reserved 7 Copyright Cengage Learning. All rights reserved 8 Specifik värmekapacitet Energi versus energitransport En kropps temperatur återspeglar partiklars slumpvisa rörelser och är kopplad till systemets kinetiska energi. Värme är en form av energitransport som endast är möjlig vid en temperaturskillnad. Copyright Cengage Learning. All rights reserved 9 Copyright Cengage Learning. All rights reserved 10 Det infraröda fotografiet visar var energi transporteras i form av värme. Ju rödare färg desto större energitransport. System och omgivning System = Det som vi avser beskriva Omgivning = Allt annat i universum Universum = System + Omgivning Systemgräns är mellan system och omgivning Copyright Cengage Learning. All rights reserved 12
Termodynamikens första lag: Universums energi är konstant. E Universum = E System + E Omgivning Termodynamiska storheter består av två delar: (1) ett nummer som anger magnituden av förändringen och (2) ett tecken som anger förändringens riktning. Riktningen anges ALLTID från systemets synvinkel. ΔE System = -ΔE Omgivning Copyright Cengage Learning. All rights reserved 13 Copyright Cengage Learning. All rights reserved 14 Inre energi, U är summan av den kinetiska och potentiella energin hos alla partiklar i systemet kan förändras då energi passerar över systemgränsen som värme eller arbete ΔE = q + w ΔE = förändring i systemets inre energi q = värme w = arbete Värme Värmeflöden vid kemiska reaktioner. Exoterm: Värme flödar ut ur systemet (till omgivningen). Endoterm: Värme flödar in till systemet (från omgivningen). Copyright Cengage Learning. All rights reserved 15 Copyright Cengage Learning. All rights reserved 16 Arbete arbete = kraft sträcka då tryck = kraft / area, ges att arbete = tryck volymförändring Arbete En volymförändring mot atmosfärstryck innebär ett arbete av storleken w = - p atm V w system = p ΔV system Volymförändringen på bilden ges av: V = h A Copyright Cengage Learning. All rights reserved 17 Copyright Cengage Learning. All rights reserved 18
Konceptkoll En varmluftsballong kan lyfta genom att man värmer upp luften inuti. I det sista skedet av den här processen används en propangaslåga för uppvärmningen. Då lågan tillför ballongen 1.3 10 8 J värme ökar volymen från 4.00 10 3 m 3 till 4.50 10 3 m 3. Beräkna ökningen i inre energi hos luftmassan inne i balongen. När vatten fryser, är det en endoterm eller exoterm process? Förklara. Copyright Cengage Learning. All rights reserved 19 Copyright Cengage Learning. All rights reserved 20 Konceptkoll Vätgas och syrgas reagerar häftigt och bildar vattenånga. Förklara... Entalpiförändring Tillståndsstorhet ΔH = q vid konstant tryck ΔH = H produkter H reaktanter Vad har lägre energi: en blandning av syrgas och vätgas eller vattenånga? Copyright Cengage Learning. All rights reserved 21 Copyright Cengage Learning. All rights reserved 22 Entalpi, H Entalpi = H = E + p V ΔH = ΔE + p ΔV Inre Energi = E = Σ(KE+PE) ΔE = q + w = q p ΔV Vid konstant tryck: q p = ΔE + p ΔV ΔH = q p = värmeenergiflöde Kalorimetri Vetenskapen för mätning av reaktionsvärmet Vid konstant tryck: q p = ΔH = C H2O m H2O ΔT H2O Vid konstant volym: q v = ΔE = C H2O m H2O ΔT H2O Copyright Cengage Learning. All rights reserved 23 Copyright Cengage Learning. All rights reserved 24
Kalorimetri Konstant tryck 1.00 l av 1.00 M Ba(NO 3 ) 2 (aq) vid 25 C sätts med 1.00 l av 1.00 M Na 2 SO 4 (aq) vid 25 C, BaSO 4 (s) fälls ut och blandningens temperatur ökar till 28.1 C. Antag att ingen värme avges till omgivningen och att lösningarnas specifika värmekapacitet är 4.18 J/( C g) och densiteten 1.0 g/ml samt beräkna entalpiförändringen per mol BaSO 4 (s) som bildas. Copyright Cengage Learning. All rights reserved 26 Bombkalorimeter Konstant volym Varierande tryck Beakta förbränningen av propan: Gör skäl för sitt namn när den slutar fungera C 3 H 8 (g) + 5O 2 (g) 3CO 2 (g) + 4H 2 O(l) ΔH r = 2221 kj/mol Antag att all värme i processen kommer från förbränningen av propan. Beräkna ΔH då 5.00 g propan förbränns i ett överskott av syre vid konstant tryck. 252 kj Copyright Cengage Learning. All rights reserved 28 Tillståndsstorheter (eng. State functions) Beror enbart på systemets tillstånd, inte hur det blev så (den är oberoende av färdväg). Energi, entalpi, och tryck är tillståndsstorheter Arbete och värme är inte tillståndsstorheter Avsnitt 6.3 Då man går från en viss uppsättning av reaktanter till en viss uppsättning av produkter spelar det ingen roll om rekationen sker i ett steg eller i en serie av steg, entalpiförändringen är den samma (tillståndsstorhet). Copyright Cengage Learning. All rights reserved 29 Copyright Cengage Learning. All rights reserved 30
Avsnitt 6.3 1. Entalpiförändringen är oberoende reaktionsvägen N 2 (g) + O 2 (g) 2NO(g) ΔH = 180 kj + 2NO(g) + O 2 (g) 2NO 2 (g) ΔH = 112 kj N 2 (g) + 2O 2 (g) 2NO 2 (g) ΔH = 68 kj 2. Omvänd reaktion ger teckenbyte: N 2 (g) + O 2 (g) 2NO(g) ΔH = 180 kj 2NO(g) N 2 (g) + O 2 (g) ΔH = 180 kj 3. Om reaktionen multipliceras med en siffra, multipliceras ΔH med samma siffra. 6NO(g) 3N 2 (g) + 3O 2 (g) ΔH = 540 kj Avsnitt 6.3 Principen av Copyright Cengage Learning. All rights reserved 31 Copyright Cengage Learning. All rights reserved 32 Avsnitt 6.3 Problemlösningsstrategi Arbeta baklänges från den sökta reaktionen och dess reaktanter och produkter för att manipulera fram den sökta reaktionsvägen. Reversera reaktioner för att producera och förbruka reaktanter och produkter. Multiplicera reaktioner för att erhålla rätt antal reaktanter och produkter. Standardbildningsentalpi, ΔH f ΔH f för ett ämne är entalpiförändringen då av 1 mol av ämnet bildas från dess grundämnen vid standardtillstånd Copyright Cengage Learning. All rights reserved 33 Copyright Cengage Learning. All rights reserved 34 Standardtillstånd 1. Förening För en gas är trycket 1 atm. För en lösning är koncentrationen 1 M För en vätska eller fast ämne är standardtillståndet det rena ämnet. 2. Grundämne Aggregationstillståndet vid 1 atm and 25 C [ex.vis. N 2 (g), K(s)]. Copyright Cengage Learning. All rights reserved 35 Copyright Cengage Learning. All rights reserved 36
Entalpiförändringen vid kemiska reaktioner kan beräknas ur standardbildningsentalpierna för reaktanter och produkter. ΔH r = Δn Δ H f (produkter) - Δn ΔH f (reaktanter) värdet ΔH r beror på hur reaktionslikheten är given om reaktionen är omvänd, är ΔH r omvänd om koefficienten för en reaktion multipliceras med en siffra, multipliceras ΔH r med samma siffra. grundämnen i sitt standardtillstånd, ΔH f = 0 Utnyttjande av standardbildningsentalpier CH 4 (g) + 2O 2 (g) CO 2 (g) + 2H 2 O(l) ΔH r = ( 75 kj) + 0 + ( 394 kj) + ( 572 kj) = 891 kj Copyright Cengage Learning. All rights reserved 37 Copyright Cengage Learning. All rights reserved 38 Beräkna ΔH för reaktionen: 2Na(s) + 2H 2 O(l) 2NaOH(aq) + H 2 (g) m.h.a. följande standardbildningsentalpier: ΔH f (kj/mol) Na(s) 0 H 2 O(l) 286 NaOH(aq) 470 H 2 (g) 0 ΔH = 368 kj Metanol används ofta som bränsle i tävlingsbilar i stället för vanlig bensin. Hur mycket energi frigörs under förbränning av 1.0 gram metanol jämfört med förbränning av 1.0 gram bensin (som egentligen är en blanding av olika kolväten, men som för enkelhetens skull kan sägas vara ren oktan, C 8 H 18 )? Copyright Cengage Learning. All rights reserved 39 Copyright Cengage Learning. All rights reserved 40 Avsnitt 6.5 Energikällor Avsnitt 6.5 Energikällor Energikällor som utnyttjas i Finland Copyright Cengage Learning. All rights reserved /Statistikcentralen - Energistatistik 2002/ 41 Energikällor och slutanvändning i Finland 2004 Energikällor: 1486 PJ Olja 25 % Kol 15 % Naturgas 11 % Kärnenergi 16 % Vattenkraft 4 % Vindkraft 0 % Träbränslen 21 % Torv 6 % Övriga 2 % El nettoimp. 1 % Slutanvändning: 1125 PJ Industri 50% Transport 16% Uppvärmning 22% Övrigt 11% Copyright Cengage Learning. All rights reserved 42
Avsnitt 6.5 Energikällor Energikällor i USA 1850 2000 Avsnitt 6.6 Förnyelsebara energikällor Förnyelsebara energikällor Sol Vatten Vind Biomassa Avfall Torv Copyright Cengage Learning. All rights reserved 43 Copyright Cengage Learning. All rights reserved 44 Avsnitt 6.6 Förnyelsebara energikällor Växthuseffekt Avsnitt 6.6 Förnyelsebara energikällor Koldioxid och medeltemperatur Kapitel 6 Innehåll Termodynamik, del 1 Energi lagar, former, källor Transport system, värme, arbete Entalpi förändring,, ΔH f Copyright Cengage Learning. All rights reserved 47