Kap 6: Termokemi Energi: Definition: Kapacitet att utföra arbete eller producera värme Termodynamikens första huvudsats: Energi är oförstörbar kan omvandlas från en form till en annan men kan ej förstöras. Enhet: J (joule) cal (kalorier)
Kemisk energi Genom en kemisk reaktion kan energi i form av värme utvinnas: CH 4 (g) + 2 O 2 (g) CO 2 (g) + 2 H 2 O (g) + VÄRME Metans förbränning För att kunna diskutera energi i samband med kemiska reaktioner delar man upp universum i två delar: SYSTEM OMGIVNING reaktanter och produkter
Systemet och omgivningen Vi kan aldrig mäta vad som sker i systemet men vi kan mäta på omgivningen och dra slutsats om vad som sker i systemet. EXOTERM REAKTION: SYSTEM VÄRME TILL OMGIVNINGEN ENDOTERM REAKTION: SYSTEM VÄRME TAS FRÅN OMGIVNINGEN Förbränning av metan exoterm eller endoterm reaktion?
Var kommer energin ifrån? Energiinnehållet hos enskilda ämnen beror av bindningsstyrkan hos de bindningar som håller ihop molekylen. Om energiinnehållet hos reaktanterna är större än energiinnehållet hos produkterna är reaktionen exoterm och vice versa. EXOTERM REAKTION ENDOTERM REAKTION
Energiförändringar Ett systems energi kan ändras genom att: ett arbete utförs på systemet eller av systemet värme tillförs eller avges ΔE = q + w där q är värme och w är arbete
Energiförändringar För att inte alltid behöva beskriva energiförändringar med ord har man definierat att om energi tillförs systemet så får energin positivt tecken, + ΔE. (Man ser alltså utifrån systemets synvinkel!) Exoterm reaktion: Energi avges från systemet till omgivningen: - ΔE Endoterm reaktion: Energi tillförs systemet från omgivningen: + ΔE
Vad är det för typ av arbete som förknippas med en kemisk reaktion? Tryck-volym-arbete: När en gas utvecklas och expanderas kan den utföra ett arbete medan ett arbete utförs på en gas när den komprimeras. Jfr. bilmotor Arbetet som en gas utövar kan beräknas w = - p ΔV p är trycket gasen jobbar emot och ΔV är förändringen i gasens volym
Entalpi ENTALPI = en förenings värmeinnehåll Entalpi, H, definieras som H = E + p V där E är systemets energiinnehåll. I en process som sker vid konstant tryck är systemets entalpiökning, + ΔH, eller entalpiminskning, - ΔH, lika med den värmemängd som systemet upptagit från eller avgivit till omgivningen. Man exkluderar alltså p V-termen i sambandet ovan. 6.44
Kalorimetri För att kunna mäta hur mycket värme som krävs eller frigörs vid en kemisk reaktion används en s k KALORIMETER. Olika ämnen reagerar olika på upphettning ett ämne kan kräva mycket värmeenergi för att höja sin temperatur 1 C medan andra kräver mindre. Den här egenskapen kallas VÄRMEKAPACITETEN.
Värmekapaciteten Man talar om oftast om: Specifika värmekapaciteten som anger hur mycket energi som måste tillföras för att höja temperaturen hos 1 g av ett ämne 1 C. Betecknas: s Enhet: J/ C g Ibland ser man även: Molära värmekapaciteten som anger hur mycket energi som måste tillföras för att höja temperaturen hos 1 mol av ett ämne 1 C. Enhet: J/ C mol
Värmekapaciteten Ett lågt värde på den specifika värmekapaciteten innebär att det krävs mindre energi för att höja ämnets temperatur 1 C än för ett ämne med högre värde. Ex. s(h 2 O(l)) = 4.18 J/ C g s(fe(s)) = 0.45 J/ C g Energiförändringen kan beräknas; ΔH = s m ΔT 6.62 där s är specifika värmekapaciteten, m är massan och ΔT är temperaturskillnaden
Lyder: Hess lag: Om man går från vissa specifika reaktanter till vissa specifika produkter är entalpiförändringen samma oavsett om reaktionen sker i ett steg eller i flera. Jfr bergsbestigning skillnaden i lägesenergi när du når bergets topp är densamma oavsett vilken väg du tar.
Hess lag: Kemiskt: När kvävgas oxideras till kvävedioxid krävs 68 kj. N 2 (g) + 2 O 2 (g) 2 NO 2 (g) ΔH = 68 kj Den här reaktionen kan delas upp i två steg: 1. N 2 (g) + O 2 (g) 2 NO (g) ΔH 1 = 180 kj 2. 2 NO (g) + O 2 (g) 2 NO 2 (g) ΔH 2 = - 112 kj Om de här två delreaktionerna samt entalpiförändringarna summeras så fås den översta totalreaktionen.
Hess lag Den här reaktionen var enkel att summera men ibland måste man: vända på en delreaktion för att erhålla önskad summareaktion multiplicera (ta flera gånger) en delreaktion för att få önskad summareaktion TÄNK DÅ PÅ ATT om man vänder på en reaktion måste man byta tecken på ΔH om reaktionen multipliceras måste även storleken på ΔH multipliceras
Uppgifter Beräkna ΔH för metans förbränning, d v s CH 4 (g) + 2 O 2 (g) CO 2 (g) + 2 H 2 O (l) ΔH reaktion = X kj utifrån C (s) + 2 H 2 (g) CH 4 (g) ΔH 1 = - 75 kj C (s) + O 2 (g) CO 2 (g) ΔH 2 = - 393.5 kj H 2 (g) + ½ O 2 (g) H 2 O (l) ΔH 3 = - 286 kj 6.69
Standardbildningsentalpi Med hjälp av kalometri kan man mäta temperaturskillnader och beräkna ΔH för många reaktioner. Vissa reaktioner är dock så långsamma att denna metod inte fungerar. Man kan dock även räkna ut ΔH med hjälp av STANDARDBILDNINGSENTALPIER.
Standardbildningsentalpier Standardbildningsentalpin för en förening definieras som entalpiförändringen som åtföljer bildandet av 1 mol av föreningen från dess grundämnen i deras standardtillstånd. Betecknas: ΔH f Enhet: kj/mol symboliserar standardtillstånd, d v s det aggregationstillstånd ämnet befinner sig i vid p = 1 atm och T = 25 C. f står för formation - bildning
Standardbildningsentalpier Exempel: Standardbildningsentalpin för ammoniak, NH 3, är den entalpiförändring som åtföljer reaktionen: 1/2 N 2 (g) + 3/2 H 2 (g) NH 3 (g) ΔH f (NH 3 ) Uppgift: Teckna reaktionen som förknippas med standardbildningsentalpin för koldioxid, CO 2 C (s) + O 2 (g) CO 2 (g) ΔH f (CO 2 )
Standardbildningsentalpier Om man har ΔH f-värden för olika föreningar kan man beräkna ΔH för en reaktion med följande formel: ΔH reaktion = Σ ΔH f (produkter) - Σ ΔH f (reaktanter) OBS!!!!!! Får bara användas om det är ΔH f- värden som angetts i en uppgift!
Standardbildningsentalpier När men använder formeln ΔH reaktion = Σ ΔH f (produkter) - Σ ΔH f (reaktanter) måste man tänka på att ΔH f-värden för grundämnen är 0 J/mol. att om man har en koefficient med i reaktionsformeln måste koefficienten med i beräkningen. ΔH f-värden finns i tabell i bokens Appendix.
Uppgifter Järn framställs ur järnmalm genom reduktion med kolmonoxid, CO. Beräkna ΔH för reaktionen utifrån ΔH f-värden: Fe 2 O 3 (s) + 3 CO (g) 2 Fe (s) + 3 CO 2 (g) ΔH f(fe 2 O 3 (s)) = -825.5 kj/mol ΔH f(co (g)) = -110.5 kj/mol ΔH f(co 2 (g)) = -393.5 kj/mol ΔH reaktion = Σ ΔH f (produkter) - Σ ΔH f (reaktanter) ΔH reaktion = (2 0 + 3-393.5) - (-825.5 + 3-110.5) kj = -23.5 kj 6.82