Termochemie
= oblast termodynamiky, která studuje tepelné zabarvení reakce (= zda se uvolňuje nebo spotřebovává teplo)
exotermní reakce = teplo se uvolňuje a někdy bývá doprovázeno světelným efektem = hoření
endotermní reakce = teplo se spotřebovává
pokud teplo probíhá za konstantního tlaku, potom výměnu tepla popisuje stavová funkce = entalpie = H
entalpie H = extenzivní stavová veličina – její absolutní hodnotu nelze změřit, ale stanoví se změna entalpie DH = reakční teplo
změna entalpie se vztahuje na určitý, předem dohodnutý standardní stav látek – je takový stav látky, ve kterém je při teplotě 298,15 K a tlaku 101,325 kPa látka nejstálejší.
2 H2 (g) + O2 (g) ® 2 H2O (g) D H0298 = - 483,6 kJ DH < 0 = exotermní reakce
H2O (g) ® 2 H2 (g) + O2 (g) D H0298 = 483,6 kJ DH > 0 = endotermní reakce
D H0298 = reakční teplo = množství tepla, které soustava vymění s okolím během reakce, která probíhá za konst. tlaku a v rozsahu 1 molu základních reakčních přeměn
TERMOCHEMICKÉ ZÁKONY
Tepel. efekty doprovázející chem. r. lze jednak měřit (vodním kalorimetrem) nebo vypočítat.
Reakční teplo lze vypočítat na základě termochemických zákonů:
I. termochemický zákon = Laplaceův – Lavoisierův (konst. p)
Reakční teplo přímé a protisměrné reakce je až na znaménko stejné. Viz .
II. termochemický zákon = Hessův
Výsledné reakční teplo chemické reakce nezávisí na způsobu jejího průběhu, ale pouze na počátečním a reakčním stavu.
Používáme pro výpočet reakčního tepla reakce, u které to nelze změřit experimentálně:
Př.č. 1:
- C (s) + O2 (g) ® CO2 (g) D H0298 = - 393,7 kJ
- C (s) + ½ O2 (g) ® CO (g) D H0298 = ?
- CO (s) + ½ O2 (g) ® CO2 (g) D H0298 = - 283,6 kJ
- 2.
reakce: D H0298 = - 393,7 – (- 283,6) = - 110,1 kJ
+ O2 (g)
-
- D H0298 = - 393,7 kJ
+ ½ O2
D H0298 = ?
+ ½ O2
D H0298 = - 283,6 kJ
Reakci vzniku NO z prvků a jeho následnou oxidaci vzdušným kyslíkem popisují rovnice:
N2(g) + O2 (g) ® 2 NO (g) D H0298 = 180,5 kJ
2NO(g) + O2 (g) ® 2NO2 (g) D H0298 = - 114,1 kJ
určete reakční teplo vzniku NO2 z prvků:
N2 (g) + 2O2 (g) ® 2NO2 D H0298 = ?………… D H0298= 66,4 kJ
Další způsoby výpočtů standardního reakčního tepla
Pro všechny chemické reakce není možné stanovit D H0298 , a proto se zavedly 2 nové pojmy:
Standardní slučovací teplo a standardní spalné teplo a z nich se reakční teplo vypočítá.
Standardní slučovací teplo (D H0298)sluč = reakční teplo (změna entalpie) reakce, při které vzniká 1 mol sloučeniny přímo z prvků (standardní stav: 298,15 K, 101,322 kPa)
Jednotka (D H0298) sluč = 1 kJ.mol-1
NH3 - 46 kJ.mol-1
CO - 110,1
CO2 - 393,7
HCl - 92,3
NO + 90,25
NO2 + 33,20
Standardní slučovací tepla prvků jsou nulová.
Výpočet r.t.r. ze standardních slučovacích tepel:
D H0298 = S (D H0298)sluč (produktů) - S (D H0298)sluč (VL) - násobíme stechiometrickými koeficienty
Vypočtěte reakční teplo přípravy sirouhlíku, jestliže znáte standardní sluč. tepla výchozích látek a produktů:
- (D H0298)sluč : CH4 = - 74,8 kJ.mol-1 ; CS2 = 89,7 ; H2S = - 20,6
CH4(g) + 4 S(s) ® CS2 (l) + 2H2S(g)
- D H0298 = S (D H0298)sluč (produktů) - S (D H0298)sluč (VL)
- D H0298 = 89,7 + 2.(-20,6) – (-74,8) = 123,3 kJ
Standardní spalné teplo (D H0298)spal = reakční teplo reakce, při které je 1 mol látky spálen v nadbytku kyslíku
Jednotka – kJ.mol-1
Methan CH4 - 890
Acetylen C2H2 - 1300
Ethan C2H6 - 1560
ethanol C2H5OH - 1368
Spalná tepla prvků nejsou nulová.
Výpočet: D H0298 = S (D H0298)spal (VL) - (D H0298)spal (produktů) – násobíme stechiometrickými koeficienty
Př.: reakcí benzenu a vodíku vzniká cyklohexan. Vypočtěte r.t.r ze známých stand. spal. tepel:
C6H6 (l) + 3H2 (g) ® C6H12 (l)
(D H0298)spal : C6H6 = - 3268; H2 = - 286; C6H12 = - 3920
(D H0298)spal = S(D H0298)spal (VL) - S(D H0298)spal (prod.) ® (D H0298)spal = - 3268 + 3.(-286) – (-3920) = - 206kJ
př.: jaké teplo se uvolní při spálení 60g C2H2 za stand. podmínek? (D H0298)spal C2H2 = - 1300 kJ.mol-1
1 mol C2H2…. 26g……. 1300kJ
60g……. x kJ ® x = 3000 kJ
CHEMICKÁ TERMODYNAMIKA
= věda, která vysvětluje, proč probíhají chemické reakce
- při chemických reakcích dochází k energetickým změnám
- chemická termodynamika studuje fyzikální a chemické děje spojené s energetickými změnami
základní pojmy:
SOUSTAVA: část prostoru s jeho hmotnou náplní
- Př.: brom ve skleněné baňce, kádinka s roztokem HS
Soustava je od okolí oddělena skutečnými nebo myšlenými stěnami
1. soustava otevřená – stěny oddělující soustavu od okolí umožňují výměnu hmoty i energie
2. soustava uzavřená – výměna energie mezi soustavou a okolím; hmota nemůže prostoupit
3. soustava izolovaná – stěny soustavy jsou nepropustné pro hmotu i energii
STAVOVÉ VELIČINY:
pokud proběhne chem.
reakce, dojde ke změně vlastností této soustavy = změna stavu této soustavy
stavové veličiny
- popisují aktuální stav soustavy (realitu v daném okamžiku) = teplota, objem, chemické složení, tlak, hustota
- jsou závislé na počátečním a konečném stavu soustavy (nezáleží na cestě)
- dělí se na extenzivní a intenzivní
§ extenzivní: závisí na velikosti soustavy = objem, hmotnost, látkové množství částí
§ intenzivní: nezávisí na velikosti soustavy = hustota, tlak, teplota
př.: spojíme 3 naprosto stejné soustavy v 1 celek ® 3 roztoky: 3x V, 3x m, 3n…. r, p, t = pořád stejné
chem. reakce probíhají za různých podmínek:
izobarická reakce – probíhá za stálého tlaku
izotermická r. - -„- teploty
izochorická r. - -„- objemu
CHEMICKÁ ENERGETIKA
= vysvětluje, proč mohou probíhat chemické reakce, jaká je energetická bilance chemických dějů a zda je chemická reakce uskutečnitelná
v termodynamice se používají měřitelné veličiny: teplota T, tlak p, objem V
a dále se používají termodynamické stavové funkce: vnitřní energie soustavy U, entalpie H, entropie S, Gibbsova energie G, Helmholtzova energie A
Je-li některá z veličin zkoumaného děje konstantní označuje se tento děj takto: konst. T ® izotermický děj, konst. p ® izobarický děj, konst. V ® izochorický děj
Je-li soustava tepelně izolována = děj adiabatický
1. termodynamický zákon = zákon vnitřní energie
teplo a práce dodané soustavě zvyšují její vnitřní energii o DU
DU = Q + W
Teplo dodané soustavě při konstantním objemu (izochorický) soustavy se spotřebuje na zvýšení její vnitřní energie.
Pro děj probíhající za konstantního tlaku (izobarický) se zavádí stavová fce. entalpie H.
H = U + p.V
Teplo dodané soustavě při konst. tlaku se spotřebuje na zvýšení její entalpie.
TERMOCHEMIE se zabývá tepelnými projevy chem. reakcí, které doprovázejí rozrušování vazeb v molekulách výchozích látek a vytváření vazeb nových.
TEPELNÝ EFEKT CHEM. REAKCE závisí na povaze zanikajících a vznikajících vazeb, dále na množství výchozích látek a skupenství VL i produktů a na tom za jaké teploty, tlaku nebo objemu probíhá.
T.f. charakterizuje reakční teplo = teplo přijaté reagující soustavou, jestliže se v soustavě uskuteční za konst. tlaku (nebo konst. V) právě 1 mol reakčních přeměn podle dané chemické rovnice, přičemž výchozí a konečná teplota soustavy jsou stejné.
Molární teplo reakce: Qm = DH
Izobarický děj: DH = (Qm)p – většina reakcí
Izochorický děj: DU = (Qm)V
Údaj o reakčním teple musí být vždy doprovázen rovnicí příslušné chemické reakce, v níž jsou vyznačena skupenství všech reakčních složek.
Rozdělení reakcí:
- endotermické - DHT = Qm > 0 - kladná hodnota molár. tepla reakce vyjadřuje, že reakcí se teplo spotřebovává a do soustavy je nutné teplo dodávat
- exotermické - DHT = Qm < 0 – záporná hodnota mol. t. r. vyjadřuje, že reakcí se teplo vytváří.
|
