Θερμοχημεία Σημειώσεις

13
1 ΘΕΡΜΟΧΗΜΕΙΑ Όλες οι χημικές αντιδράσεις περιλαμβάνουν έκλυση ή απορρόφηση ενέργειας υπό μορφή θερμότητας. Η γνώση του ποσού θερμότητας που συνδέεται με μια χημική αντίδραση έχει και πρακτική και θεωρητική σημασία. Μας επιτρέπει να υπολογίσουμε παραδείγματος χάρη το ποσό θερμότητας που προκύπτει ανά μονάδα μάζας ενός καυσίμου καθώς και το κόστος του. Πέραν αυτού η γνώση αυτή μας επιτρέπει να υπολογίζουμε ισχύς δεσμών, αν θα πραγματοποιηθεί μια χημική αντίδραση ή όχι ύλη. Η θερμοχημεία είναι μια περιοχή της θερμοδυναμικής που ασχολείται με τα ποσά θερμότητας που ελκύονται ή απορροφούνται σε μια χημική αντίδραση ΘΕΡΜΟΔΥΝΑΜΙΚΟΙ ΟΡΙΣΜΟΙ Ενέργεια: είναι η δυνατότητα ή ικανότητα μεταφοράς ύλης. Η ενέργεια υπάρχει σε διάφορες μορφές και μπορεί να μετατρέπεται από την μία μορφή στην άλλη. Είδη ενέργειας Κινητική ενέργεια k E : είναι η ενέργεια που έχει ένα αντικείμενο λόγω της κίνησης του. 2 1 2 k E mu Μονάδες ενέργειας S.I. 2 2 Joule J kg m s Θερμίδα cal : είναι το ποσό θερμότητας που απαιτείται για να αναλυθεί κατά ένα βαθμό κελσίου η θερμοκρασία 1 γραμμομορίου νερού. 1 4,187 cal J Δυναμική ενέργεια P E : είναι η ενέργεια που έχει ένα αντικείμενο λόγω της θέσης του. P E mgh Εσωτερική ενέργεια U: κάθε μια ουσία αποτελείται από μικρότερα σωματίδια όπως μόρια και άτομα. Κάθε ένα από αυτά τα δομικά στοιχεία που απαρτίζουν μια ουσία χαρακτηρίζεται από κινητική και δυναμική ενέργεια. Το άθροισμα των κινητικών και δυναμικών ενεργειών των σωματιδίων μιας ουσίας αποτελούν την εσωτερική ενέργεια U της ουσίας.

Transcript of Θερμοχημεία Σημειώσεις

Page 1: Θερμοχημεία Σημειώσεις

1

ΘΕΡΜΟΧΗΜΕΙΑ

Όλες οι χημικές αντιδράσεις περιλαμβάνουν έκλυση ή απορρόφηση ενέργειας υπό

μορφή θερμότητας. Η γνώση του ποσού θερμότητας που συνδέεται με μια χημική αντίδραση

έχει και πρακτική και θεωρητική σημασία. Μας επιτρέπει να υπολογίσουμε παραδείγματος

χάρη το ποσό θερμότητας που προκύπτει ανά μονάδα μάζας ενός καυσίμου καθώς και το

κόστος του. Πέραν αυτού η γνώση αυτή μας επιτρέπει να υπολογίζουμε ισχύς δεσμών, αν θα

πραγματοποιηθεί μια χημική αντίδραση ή όχι ύλη. Η θερμοχημεία είναι μια περιοχή της

θερμοδυναμικής που ασχολείται με τα ποσά θερμότητας που ελκύονται ή απορροφούνται σε

μια χημική αντίδραση

ΘΕΡΜΟΔΥΝΑΜΙΚΟΙ ΟΡΙΣΜΟΙ

Ενέργεια: είναι η δυνατότητα ή ικανότητα μεταφοράς ύλης. Η ενέργεια υπάρχει σε

διάφορες μορφές και μπορεί να μετατρέπεται από την μία μορφή στην άλλη.

Είδη ενέργειας

Κινητική ενέργεια kE : είναι η ενέργεια που έχει ένα αντικείμενο λόγω της

κίνησης του.

21

2kE mu

Μονάδες ενέργειας S.I.

2 2Joule J kg m s

Θερμίδα cal : είναι το ποσό θερμότητας που απαιτείται για να αναλυθεί κατά ένα

βαθμό κελσίου η θερμοκρασία 1 γραμμομορίου νερού.

1 4,187cal J

Δυναμική ενέργεια PE : είναι η ενέργεια που έχει ένα αντικείμενο λόγω της θέσης

του.

PE m g h

Εσωτερική ενέργεια U: κάθε μια ουσία αποτελείται από μικρότερα σωματίδια όπως

μόρια και άτομα. Κάθε ένα από αυτά τα δομικά στοιχεία που απαρτίζουν μια ουσία

χαρακτηρίζεται από κινητική και δυναμική ενέργεια. Το άθροισμα των κινητικών και

δυναμικών ενεργειών των σωματιδίων μιας ουσίας αποτελούν την εσωτερική

ενέργειαU της ουσίας.

Page 2: Θερμοχημεία Σημειώσεις

2

Η ολική ενέργεια μια ουσίας totE είναι το άθροισμα της κινητικής της δυναμικής και της

εσωτερικής ενέργειας.

tot k PE E E U

Νόμος διατήρησης της ενέργειας : Το συνολικό ποσό ενέργειας σε ένα απομονωμένο

σύστημα παραμένει σταθερό.

Θερμοδυναμικό σύστημα: είναι η ουσία ή το μίγμα των ουσιών που λαμβάνει χώρα η

μεταβολή.

Περιβάλλον: χαρακτηρίζεται ότι περιβάλλει ένα θερμοδυναμικό σύστημα.

Θερμότητα q : είναι η ενέργεια που εκλύεται η απορροφάται από ένα θερμοδυναμικό

σύστημα γεγονός που οφείλεται στη διαφορά θερμοκρασίας ανάμεσα στο σύστημα και στο

περιβάλλον του, μέχρις ότου οι δύο θερμοκρασίες εξισωθούν, δηλαδή μέχρις ότου επιτευχθεί

θερμική ισορροπία. Η θερμότητα ρέει από μια περιοχή πιο υψηλής θερμοκρασίας σε μια

περιοχή πιο χαμηλής θερμοκρασίας και σταματά όταν οι δύο θερμοκρασίες γίνουν ίσες. Άρα

η θερμότητα είναι ροή ενέργειας και όχι χαρακτηριστικό μιας ουσίας. Η θερμότητα q έχει

θετικό πρόσημο q όταν το σύστημα απορροφά ενέργεια και αρνητικό q όταν το σύστημα

εκλύει ενέργεια.

Θερμότητα αντίδρασης : είναι το ποσό θερμότητας που απαιτείται για να

πραγματοποιηθεί μια χημική αντίδραση.

Οι χημικές και οι φυσικές διεργασίες διακρίνονται σε ενδόθερμες και εξώθερμες.

Εξώθερμη χαρακτηρίζεται μια διεργασία κατά την πραγματοποίηση της ουσίας

εκλύεται θερμότητα ( q ).

Ενδόθερμη χαρακτηρίζεται μια διεργασία κατά την οποία απορροφάται θερμότητα ( q )

Διεργασία (αντίδραση) Αλληλεπίδραση με το

περιβάλλον Μεταβολή θερμοδυναμικού

συστήματος

Ενδόθερμη q Ψύξη του περιβάλλοντος Προσθήκη ενέργειας

Εξώθερμη q Θέρμανση του

περιβάλλοντος

Απώλεια ενέργειας

Ενθαλπία

Η ενέργεια που ανταλλάσει το θερμοδυναμικό σύστημα με το περιβάλλον όταν

πραγματοποιείται μια φυσική ή μια χημική (αντίδραση), διεργασία εξαρτάται από τις

συνθήκες από τις οποίες λαμβάνει χώρα η διεργασία αυτή. Οι χημικές αντιδράσεις συνήθως

πραγματοποιούνται σε δοχεία ανοιχτά δηλαδή σε συνθήκες ατμοσφαιρικής πίεσης η οποία

είναι σταθερή. Στην περίπτωση αυτή λοιπόν η θερμότητα αντίδρασης που ανταλλάσσεται με

το περιβάλλον, ανταλλάσσεται σε συνθήκες σταθερής πίεσης, συμβολίζεται δε με Pq .

Page 3: Θερμοχημεία Σημειώσεις

3

Ορίζουμε ως ενθαλπία H την μεταβολή της εσωτερικής ενέργειας ενός συστήματος

όταν αυτή πραγματοποιείται υπό σταθερή πίεση.

H U PV

Η ενθαλπία είναι μια θερμοδυναμική καταστατική συνάρτηση δηλαδή εξαρτάται μόνο

από την κατάσταση του συστήματος είναι δε ανεξάρτητη της ιστορίας του, δηλαδή του

τρόπου με τον οποίον το σύστημα υπέστη την οποιαδήποτε μεταβολή, όπως καταστατικές

συναρτήσεις είναι η μάζα και ο όγκος. Δηλαδή δεν εξαρτάται από το πώς έγινε η μεταβολή

στην τελική κατάσταση αλλά μόνο με την αρχική και τελική κατάσταση του συστήματος.

Βάση των ανώτερων μπορούμε να ορίσουμε την θερμότητα αντίδρασης υπό σταθερά

πίεση ως μεταβολή της ενθαλπίας H του συστήματος.

ό όH H H

PH q

Θερμοχημικές εξισώσεις

Θερμοχημική εξίσωση είναι η χημική εξίσωση μιας αντίδρασης που παραλαμβάνει

στοιχειομετρικά την θερμότητα (ενθαλπία) αντίδρασης π.χ.

2 5 2 3 2

1

2C H OH l O g CH CHO l H O l 202.4H kJ

2

1

2Na s H O l NaOH aq Hg g 183.75H kJ

3 2 2NaHCO aq HCl aq NaCl aq H O l CO g 11,8H kJ

Όταν μια θερμοχημική εξίσωση πολλαπλασιάζεται επί έναν παράγοντα, τότε και η H

πολλαπλασιάζονται με τον ίδιο παράγοντα.

Η H αλλάζει πρόσημο όταν μια αντίδραση πραγματοποιείται προς την αντίθετη

κατεύθυνση, δηλαδή όταν τα προϊόντα γίνονται αντιδρώντα και αντίστροφα. π.χ.

α) 2 2 33 2N g H g NH g 91,8H kJ

3 2 22 3NH g N g H g 91,8H kJ

β) 2 2 22 2H g O g H O l 572H kJ

2 2 2

12

2H O l H g O g 572H kJ

Page 4: Θερμοχημεία Σημειώσεις

4

Παράδειγμα: Η θερμοχημική εξίσωση για την καύση του μεθανίου 4CH είναι :

4 2 2 220 2CH g g CO g H O l , 890,3H kJ

Να βρεθεί το ποσό θερμότητας που εκλύεται όταν καούν 128g 4CH .

ΛΥΣΗ

4

4

4

,m CH g

n CHMB CH g

4 16MB CH

4

1288

16n CH

Άρα το ποσό θερμότητας που παράγεται κατά την καύση είναι:

8 890,3

7122,4

Q n H

Q kJ

Q kJ

Θερμοχωρητικότητα και ειδική θερμότητα

Ως θερμοχωρητικότητα c συγκεκριμένης ποσότητας μιας ουσίας ορίζεται το ποσό

θερμότητας που απαιτείται για να αυξηθεί η θερμοκρασία της ποσότητας της ουσίας αυτής

κατά 1 βαθμό κελσίου. Το ποσόν θερμότητας που απαιτείται είναι ίσον με :

q C T , . .T T T

Ειδική θερμοχωρητικότητα n , ειδική θερμότητα S , μιας ουσίας είναι το ποσό

θερμότητας που απαιτείται για να ανυψωθεί κατά 1 βαθμό κελσίου μάζα της ουσίας αυτής

ίση προς ένα γραμμάριο.

q s m T

Page 5: Θερμοχημεία Σημειώσεις

5

Παράδειγμα 1.

Να υπολογισθεί η θερμοκρασία που απορροφάται από 150g 2H O έτσι ώστε η

θερμοκρασία του να ανέλθει από τους 20oC στους 50oC . Δίνονται

2 4,180 ( )os H O J g C .

Λύση

q s m

4,18 150 50 20ooJ g C K

41,88 10 J .

Παράδειγμα 2.

Ποίο είναι το ποσό θερμότητας που απαιτείται για να ανέλθει η θερμοκρασία 100 g Cu

από τους 10oC στους 100oC 0,389 os Cu J g C .

Λύση

1

0,389 100 100 10oog J g C g C

3500g J .

Παράδειγμα 3.

Ένα δείγμα 50g ενός κράματος μετάλλου θερμάνθηκε στους 100oC και βυθίστηκε

σε δοχείο που περιέχει 290 H 0g στους 25,32o C . Η θερμοκρασία του 2H O ανήλθε στους

27,18o C . Ποία η ειδική θερμότητα s του κράματος;

Λύση

Η θερμότητα που έχασε το κάρμα είναι το ποσό θερμότητας που απορροφήθηκε από το

νερό.

1

25 100,0 27,18oo

άq g s J g C C

2

1

90 4,18 27,18 25,32oo

H Oq g J g C C

20,38 o

H Oq q x J g C

Page 6: Θερμοχημεία Σημειώσεις

6

Παράδειγμα 4.

Πόσο είναι η ποσότητα λιγνίτη που απαιτείται για τη θέρμανση 34m 2H O από 20oC

σε 100oC , εάν 30,10ίs MJ Kg είναι 1;

Λύση

Μάζα νερού m

v m v 4 1000 4000Kg

2 2H O H Oq m s T

4000 4,18 100 20ooKg KJ Kg C C

1336000KJ

1336MJ

Το ποσό θερμότητας που απαιτείται για να πραγματοποιηθεί για μια χημική αντίδραση

είναι πάντα το ίδιο, ανεξάρτητα εάν η αντίδραση πραγματοποιείται σε ένα η περισσότερα

στάδια. π.χ.

1.

2 2

2 2 2

2 2

2 2 2 393,7

12 2 283,3

21

2 110 2

C ί O g CO g H KJ

CO g O g CO g H KJ

C ί O g CO g H KJ

2.

2 2

2 2 3

2 3

148,5

1 99

23

396 2

S g O g SO g H KJ

SO g O g SO g H KJ

S g O g SO g H KJ

Page 7: Θερμοχημεία Σημειώσεις

7

Πρότυπες ενθαλπίες σχηματισμού.

Πρότυπη ενθαλπία σχηματισμού oH μιας ουσίας είναι η μεταβολή της ενθαλπίας που

προκύπτει από το σχηματισμό 1 mole της ουσίας από το στοιχείο της. Τα στοιχεία πρέπει να

βρίσκονται σε κανονική κατάσταση, 25oC και πίεση, την οποία χαρακτηρίζουμε πρότυπη

κατάσταση. Οι τιμές για τις πρότυπες ενθαλπίες σχηματισμού δίνονται στον πίνακα 2.

Νόμος του Hess

Σε μια χημική διεργασία η μεταβολή της ενθαλπίας είναι η ίδια ανεξάρτητα εάν η

μεταβολή αυτή λαμβάνει χώρα σε ένα ή περισσότερα στάδια. Η συνολική μεταβολή της

ενθαλπίας σε μια χημική διεργασία ισούται με το άθροισμα των μεταβολών της ενθαλπίας

των μεμονωμένων σταδίων. Η συνολική μεταβολή εξαρτάται μόνο από τις ιδιότητες των

αρχικών και τον τελικών ουσιών.

Ο νόμος αυτός μας επιτρέπει τον έμμεσο προσδιορισμό της μεταβολής ενθαλπίας μιας

αντίδρασης στις περιπτώσεις που είναι πολύ δύσκολη ή και αδύνατη η μέτρηση της

θερμότητας μιας αντίδρασης πειραματικά. Δηλαδή η μεγάλη σημασία του νόμου αυτού είναι

ότι οι χημικές εξισώσεις μπορούν να προστίθενται και να αφαιρούνται σαν αλγεβρικές

εξισώσεις, οι πράξεις δε αυτές ισχύουν και για τις θερμότητες των αντιδράσεων. Είναι

παραδείγματος χάριν αδύνατη η μετατροπή του H της αντίδρασης:

2 2C s O g CO g γιατί η εξίσωση δεν σταματά στο στάδιο αυτό.

Μπορούμε όμως να προσδιορίσουμε πειραματικά την θερμότητα που εκλύεται σε κάθε

μία από της παρακάτω αντιδράσεις:

2 2C s O g CO g 393,7H kJ

2 2

1

2CO g O g CO g 283,3H kJ

Αν αφαιρέσουμε την δεύτερη αντίδραση από την πρώτη λαμβάνουμε:

2

1

2C s O g CO g 110,45H kJ

Page 8: Θερμοχημεία Σημειώσεις

8

Παράδειγμα 1

Πόση είναι η θερμότητα αντίδρασης για τον σχηματισμό, WC (καρβιδίου και

βολφραμίου) από W και C; W s C s WC s

Δίνονται: 3

32

2W s O g WO s 840,3H kJ

2 2C s O CO g 393,5H kJ

2 3 2

5

2WC s O WO s CO g 1195,8H kJ

Λύση

Προσθέτουμε τις εξισώσεις αντιστρέφουμε την τελευταία:

3

2 2

3 2 2

32 840,3

2

393,5

5 1193,8

2

38

W s O g WO s H kJ

C s O CO g H kJ

WO s CO g WC s O H kJ

W s C s WC s H kJ

Παράδειγμα 2

Ποια η θερμότητα αντιδράσεως H για την ακόλουθη αντίδραση:

2 2 34 3 2 3Al s MnO s Al O s Mn s εάν γνωρίζουμε:

2 2 32 3 2Al s O g Al O s 335,2H kJ

2 2Mn s O g MnO 521H kJ

Λύση

Αντιστρέφουμε την εξίσωση 2 2Mn s O g MnO 521H kJ πολλαπλασιάζοντας

ταυτόχρονα με τον συντελεστή 3 ήτοι :

2 23 3 3MnO s Mn s O g 3 ( 521 )H kJ

Page 9: Θερμοχημεία Σημειώσεις

9

Κατόπιν προσθέτουμε :

2 2 3

2 2

2 2 3

2 3 2 3352

3 3 3 1563

4 3 2 3 1789

Al s O g Al O s H kJ

MnO s Mn s O g H kJ

Al s MnO s Al O s Mn s H kJ

Λανθάνουσα θερμότητα τήξεως μιας ουσίας είναι το ποσό θερμότητας που απαιτείται

για την μεταβολή 1mole της ουσίας από την αέρια στη υγρή κατάσταση σε πρότυπες

συνθήκες .

Ag s Ag l 289,2H kJ mole

Λανθάνουσα θερμότητα εξάτμισης μιας ουσίας είναι το ποσό θερμότητας που

απαιτείται για την μεταβολή 1mole ουσίας από την υγρή στην αέρια κατάσταση, σε

πρότυπες συνθήκες.

Π.χ.

2 2Cs l Cs g 29H kJ mole

2 2H O l H O g 44H kJ mole

2 2Bz l Bz g 30,91H kJ mole

Λανθάνουσα θερμότητα διάλυσης είναι το ποσό θερμότητας που απαιτείται για την

διάλυση 1moleδιαλυμένης ουσίας σε άπειρη ποσότητα διαλύτη σε πρότυπες συνθήκες.

Π.χ.

HCl g HCl ag 64,87H kJ mole

2 4 2 4H SO l H SO ag 94H kJ mole

Γενικά μπορούμε να υπολογίσουμε την oH μιας αντίδρασης από την εξίσωση:

o o o

f ό f ώH H H

Όπου α και β οι αριθμητικοί συντελεστές των ουσιών στη χημική αντίδραση. Για τα στοιχεία

και τα διατομικά αέρια η oH f είναι ίση με το 0.

Page 10: Θερμοχημεία Σημειώσεις

10

Παράδειγμα 1

Να υπολογισθεί η θερμότητα oH της αντίδρασης:

3 2CaCO s Ca s CO g

Δίνονται : 3 1207,1o

fH CaCO s kJ mole

635,5o

fH CaO s kJ mole

2 393,7o

fH CO g kJ mole

Λύση

o o o

f ό f ώH H H

635,5 393,7 1207,1H

177,9H kJ ενδόθερμος αντίδραση

Παράδειγμα 2

Να βρεθεί η θερμότητα της αντίδρασης 3 2 24 5 4 6NH g O NO g H O g

Δίνονται : 3 45,9o

fH NH g kJ mole

90,29o

fH NO g kJ mole

2 241,83o

fH H O g kJ mole

Λύση

o o o

f ό f ώH H H =

= 4 90,29 6 241,83 45,9 kJ =

= 361,16 1450,38 183,6kJ =

= 905,4kJ

Page 11: Θερμοχημεία Σημειώσεις

11

Παράδειγμα 3

Να υπολογιστεί η ενθαλπία της αντίδρασης:

1. 2 5 2 3 2

1

2C H OH l O g CH CHO l H O l λαμβάνοντας υπ’ όψιν τα εξής

δεδομένα:

2. 2 5 2 2 23 2 3C H OH l O g CO g H O l 1367H kJ

3. 2 2 2 3C H g HO l CH CHO l 138,1H kJ

4. 2 2 22C s HO g C H g 229,5H kJ

5. 2 2 2

1

2H g O H O l 285,5H kJ

6. 2 2C s O g CO g 393,7H kJ

Λύση

Τα δεδομένα δεν περιέχουν τις 2 5

o

fH C H OH l και 3

o

fH CH COH l επομένως θα

πρέπει να γραφεί η χημική εξίσωση (1) ως συνδυασμό των εξισώσεων (2),(3),(4),(5),(6).

Ήτοι : (1)=(2)+(3)+(4)-(5)-2(6):

2 5 2 2 2

2 2 2 3

2 2 2

2 2 2

2 2

2 5 2 3 2

3 2 3

2

1

2

2 2 2

1

2

C H OH l O g CO g H O l

C H g HO l CH CHO l

C s H g C H g

H O l H g O g

CO g C s O g

C H OH l O g CH CHO l H O l

1 2 3 4 5 62H H H H H H

1 1367 138,1 229,5 285,85 2 393,7H kJ

1 202,4H kJ .

Page 12: Θερμοχημεία Σημειώσεις

12

Παράδειγμα 4

Πόση θερμότητα απαιτείται για τον σχηματισμό 10kg 2CaC σύμφωνα με την παρακάτω

αντίδραση: 23CaO s C s CaC s CO g

Δίνονται: 635,5o

fH CaO s kJ mole

5 62,7o

fH CaC s kJ mole

110,5o

fH O g kJ mole

12C , 40Ca

Λύση

o o

f ό f ώH H H

= 110,5 62,7 635,5 462,13kJ mole

2

2

1000015,6

64

CaC

CaC

m gn mole

g

1mole 2CaC απαιτεί θερμότητα 460,3kJ , 156 mole 2CaC απαιτούν θερμότητα

162,3 156 72110kJ .

Παράδειγμα 5

Η θερμότητα που εκλύεται κατά την καύση 1moleακετυλενίου 2 2C H είναι 1300kJ mole .

Πόση είναι η ενθαλπία σχηματισμού του; Πόση θερμότητα ελκύεται κατά την καύση 1m3

2 2C H αποθηκευμένο σε πίεση 10Atm και θερμοκρασία 10oC . Δίνεται:

2 393,7oH CaCO kJ , 2 285,85o

fH H OCl kJ ΑΒ 12C , 1H , 16O .

Λύση

Page 13: Θερμοχημεία Σημειώσεις

13

Η αντίδραση καύση του ακετυλενίου είναι :

2 2 2 2 2

52

2C H g O CO g H O l

o o

f fH H H

2 21300 2 393,7 285,85 o

fkJ H C H

2 2 226,8o

fH C H kJ .

PV nRT

310 10 0,082 283,15n

430,7n

1mole 2 2C H εκλύει θερμότητα 1300kJ , 430,7 mole 2 2C H εκλύουν θερμότητα

1300 460,7Q kJ

Άρα

559910Q kJ .