Kapitel 6. Termokemi

Kapitel 6 Termokemi

Kapitel 6 Innehåll 6.1 Energi och omvandling 6.2 Entalpi och kalorimetri 6.3 Hess lag 6.4 Standardbildningsentalpi 6.5 Energikällor 6.6 Förnyelsebara energikällor Copyright Cengage Learning. All rights reserved 2

Avsnitt 6.1 Energi och omvandling Energi Kapaciteten att utföra arbete eller producera värme. Storhet: E = F s (kraft sträcka) = P t (effekt tid) Enhet: J = Nm = Ws Copyright Cengage Learning. All rights reserved 3

Avsnitt 6.1 Energi och omvandling 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 4

Avsnitt 6.1 Energi och omvandling Energiformer Potentiell energi (lagrad energi) Kinetiskt energi (använd energi)

Avsnitt 6.1 Energi och omvandling Inre energi (U) är summan av den kinetiska och potentiella energin hos alla partiklar i ett system (till exempel i ett ämnesprov) U = Σ(KE + PE) Copyright Cengage Learning. All rights reserved 6

Avsnitt 6.1 Energi och omvandling 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 10

Avsnitt 6.1 Energi och omvandling Det infraröda fotografiet visar var energi transporteras i form av värme. Ju rödare färg desto större energitransport.

Avsnitt 6.1 Energi och omvandling 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

Avsnitt 6.1 Energi och omvandling Termodynamikens första lag: Universums energi är konstant. E Universum = E System + E Omgivning ΔE System = -ΔE Omgivning Copyright Cengage Learning. All rights reserved 13

Avsnitt 6.1 Energi och omvandling 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. Copyright Cengage Learning. All rights reserved 14

Avsnitt 6.1 Energi och omvandling 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 Copyright Cengage Learning. All rights reserved 15

Avsnitt 6.1 Energi och omvandling 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 16

Avsnitt 6.1 Energi och omvandling Arbete arbete = kraft sträcka då tryck = kraft / area, ges att arbete = tryck volymförändring w system = p ΔV system Copyright Cengage Learning. All rights reserved 17

Avsnitt 6.1 Energi och omvandling Arbete En volymförändring mot atmosfärstryck innebär ett arbete av storleken w = - p atm V Volymförändringen på bilden ges av: V = h A Copyright Cengage Learning. All rights reserved 18

Avsnitt 6.1 Energi och omvandling Övning 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. Copyright Cengage Learning. All rights reserved 19

Avsnitt 6.1 Energi och omvandling Konceptkoll Vätgas och syrgas reagerar häftigt och bildar vattenånga. Förklara... Vad har lägre energi: en blandning av syrgas och vätgas eller vattenånga? Copyright Cengage Learning. All rights reserved 21

Avsnitt 6.2 Entalpi och kalorimetri 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 Copyright Cengage Learning. All rights reserved 24

Avsnitt 6.2 Entalpi och kalorimetri 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 25

Avsnitt 6.2 Entalpi och kalorimetri Kalorimetri Konstant tryck

Avsnitt 6.2 Entalpi och kalorimetri Övning 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 27

Avsnitt 6.2 Entalpi och kalorimetri Bombkalorimeter Konstant volym Varierande tryck Gör skäl för sitt namn när den slutar fungera

Avsnitt 6.2 Entalpi och kalorimetri Övning Beakta förbränningen av propan: C 3 H 8 (g) + 5O 2 (g) 3CO 2 (g) + 4H 2 O(l) ΔH = 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 29

Avsnitt 6.2 Entalpi och kalorimetri 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 Copyright Cengage Learning. All rights reserved 30

Avsnitt 6.3 Hess lag 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 31

Avsnitt 6.3 Hess lag Hess lag 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) 2NO(g) N 2 (g) + O 2 (g) ΔH = 180 kj 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 Copyright Cengage Learning. All rights reserved 32

Avsnitt 6.3 Hess lag 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. Copyright Cengage Learning. All rights reserved 36

Avsnitt 6.4 Standardbildningsentalpier 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 37

Avsnitt 6.4 Standardbildningsentalpier 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 39

Avsnitt 6.4 Standardbildningsentalpier 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 Copyright Cengage Learning. All rights reserved 40

Avsnitt 6.4 Standardbildningsentalpier Utnyttjande av standardbildningsentalpier CH 4 (g) + 2O 2 (g) CO 2 (g) + 2H 2 O(l) ΔH reaction = ( 75 kj) + 0 + ( 394 kj) + ( 572 kj) = 891 kj Copyright Cengage Learning. All rights reserved 41

Avsnitt 6.4 Standardbildningsentalpier Övning 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 Copyright Cengage Learning. All rights reserved 42

Avsnitt 6.4 Standardbildningsentalpier Övning 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 43

Avsnitt 6.5 Energikällor 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 45

Avsnitt 6.6 Förnyelsebara energikällor Växthuseffekt

Avsnitt 6.6 Förnyelsebara energikällor Koldioxid och medeltemperatur