Termochimie. Termochimie Dia 1/55

Termochimie 6-1 Terminologie 6-2 Căldură 6-3 Căldură de reacție, calorimetrie 6-4 Lucrare 6-5 Prima lege a termodinamicii 6-6 Căldură de reacție: U și H 6-7 Determinarea indirectă a H: teorema Hess 6-8 Entalpia standard de formare 6-9 Combustibili ca surse de energie Termochimie Dia 1/55

6-1 Sistem de terminologie Deschis Închis Mediu izolat Termochimie Slide 2/55

Terminologie Energie, U Capacitatea sistemului de a lucra. Lucrul Produsul forței și al deplasării în direcția sa (în cazul mișcării ordonate). Energia cinetică Energia din mișcare. Termochimie Dia 3/55

Energie Energie cinetică E k = 1 2 m v 2 [E k] = kg m2 s 2 = J Lucru W = F s [W] = kg m s 2 m = J Termochimie Dia 4/55

Energie Energie potențială Energie rezultată dintr-o stare, situație, compoziție. Este legat de atracția și repulsia dintre corpuri. Energia poate fi transformată din potențial în cinetic și invers. Termochimie Dia 5/55

Energie și căldură Energie termică Energie legată de mișcarea aleatorie a moleculelor sistemului. De obicei este proporțională cu temperatura. Caracteristică intensivă. Căldură și lucru Q și W. Sub influența lor, energia internă se schimbă. Cantități mari. Termochimie Dia 6/55

Energie termică care este transferată între sistem și mediu datorită diferenței de temperatură. Căldura curge de la sistemul mai cald la cel mai rece. Temperatura se poate modifica. Faza se poate schimba (proces izotermic). Termochimie Dia 7/55

Ilustrația fluxului de căldură Termochimie Dia 8/55

Unități de căldură Calorie (cal) Cantitatea de căldură necesară pentru schimbarea temperaturii de 1 gram de apă cu 1 grad Celsius. Joule (J) SI unitate 1 cal = 4.184 J Termochimie Dia 9/55

Capacitate de căldură Cantitatea de căldură necesară pentru a modifica temperatura sistemului cu 1 grad Celsius. Capacitatea de căldură molară Sistemul este de 1 mol de material. Căldură specifică, c Sistemul este de 1 gram de material. Capacitate termică, C Căldură specifică masei. Q = mc T Q = C T Termochimie Dia 10/55

Conservarea energiei În timpul interacțiunii dintre sistem și mediu, energia rămâne neschimbată, energia nu este generată și nu este distrusă. Sistem Q + mediu Q = 0 sistem Q = mediu -Q Termochimie Dia 11/55

Determinarea căldurii specifice Termochimie Dia 12/55

Exemplul 6-1 Determinarea căldurii specifice din datele experimentale Utilizați datele prezentate în diapozitivul anterior pentru a determina căldura specifică a plumbului. Q plumb = -Q apă Q apă = mc T = (50,0 g) (4,184 J/g C) (28,8-22,0) CQ apă = 1423 JQ plumb = -1423 J = mc T = (150, 0 g) (c ) (28,8-100,0) C c plumb = 0,1333 Jg -1 C -1 Termochimie Dia 13/55

6-3 Reacție căldură și calorimetrie Energie chimică Parte a energiei interne a sistemului. Căldura reacției, reacția Q Cantitatea de căldură schimbată de sistem și mediul său în timpul unei reacții chimice la o temperatură constantă (T = constantă). Termochimie Dia 14/55

Măsurarea căldurii de reacție Reacție exotermă Produce căldură, reacție Q 0. Ba (OH) 2 8 H 2 O + 2 NH 4 Cl (s) BaCl 2 (s) + 2 NH 3 (aq) + 8 H 2 O (l) Termochimie Dia 15/55

Bomba calorimetru Q reacție = -Q calorimetru Q cal. = Bombă Q + apă Q + fir Q + capacitate calorică calorimetrică necesară: Q kal. = S m i c i T = C T i căldură Termochimie Dia 16/55

Exemplul 6-2 Determinarea reacției de căldură din calorimetria bombei Datele 1,010 g de zahăr au fost arse într-un calorimetru bombă, ridicând temperatura combinată a calorimetrului și a probei de la 24,92 ° C la 28,33 ° C. Capacitatea termică a calorimetrului este de 4,90 kj/C. (a) Care este căldura de ardere a zahărului C 12 H 22 O 11 în kj/mol? (b) Verificați dacă o linguriță de zahăr (4,8 g) conține doar 19 calorii. Termochimie Dia 17/55

Exemplu Exemplu 6-27-3 Calculați: Q calorimetru Q cal. = C T = (4.90 kj/C) (28.33-24.92) C = (4.90) (3.41) kj = 16.7 kj Calculați: Q reacție Q reacție = -Q kal. = -16,7 kj per 1,010 g Termochimie Dia 18/55

Exemplu Exemplu 6-27-3 Reacție Q pentru 1 mol: reacție Q = -Q kal. = -16,7 kj -1,010 g = -16,5 kj/g reacție Q = -16,5 kj/g 343,3 g 1,00 mol = -5,679 10 3 kj/mol (a) reacție Q 1 linguriță (linguriță): reacție Q = (-16,5 kj/g) (4,8 g 1 linguriță 1,00 cal) () = -19 kcal/linguriță 4,184 J (b) Termochimie Dia 19/55

Calorimetru izolator din sticlă Calorimetru simplu din sticlă Bine izolat, deci izolat. Măsurați schimbarea temperaturii. Reacția Q = -Q calorimetru Calculat similar cu exemplul 6-2. Calibrare: determinarea capacității termice. Termochimie Dia 20/55

6-4 Lucrul Reacțiile chimice pot funcționa și ele. W = p (- V): volum de lucru. p: presiunea gazului în echilibru cu presiunea aerului. A: schimbarea volumului. Termochimie Dia 21/55

Volumul de lucru W = -F extern h = - (p extern A) h Volum negativ în caz de creștere, pozitiv în caz de scădere. = -p exterior (capăt V - început V) W = -p exterior V Termochimie Dia 22/55

Exemplu Exemplu 6-37-3 Calculul volumului Lucrare 0,100 Moli He 298 K. Cât de mult lucrați în Joule pe baza figurii anterioare? (p start = 243,18 kpa, p end = 131,72 kpa) Să presupunem că acesta este un gaz ideal și calculați schimbarea volumului! V start = nrt/p start = 1,02 l V end = nrt/p end = 1,88 l V = 1,88-1,02 l = 0,86 l R = 8,3145 J/mol K Termochimie Dia 23/55

Exemplu Exemplu 6-37-3 Lucrul sistemului: W = -p capăt V = - (131,72 kpa) (0,86 l) = -113,6 J Truf: presiune în kpa, volum în litri (l), obținem Jouli pentru energie. Termochimie Dia 24/55

6-5 Prima lege a termodinamicii Energia internă, U Energia totală a sistemului (potențială și cinetică) Mișcare avansată. Rotația moleculei. Vibrații de tricotat. Atracție intermoleculară. Legătură chimică. Electroni. Termochimie Dia 25/55

Distribuția ratei Maxwell M = 50 g/mol Termochimie Dia 26/55

Prima lege a termodinamicii Sistemul are doar energie internă. Nu există muncă sau căldură în sistem. Munca sau transferul de căldură schimbă energia internă. U = Q + W Legea conservării energiei: energia unui sistem izolat este constantă. Termochimie Dia 27/55

Prima lege a termodinamicii Termochimie Dia 28/55

Funcție de stare O cantitate determinată de valorile indicatorilor de stare. Schimbarea sa depinde doar de valorile inițiale și finale ale indicatorilor de stare și este independentă de valorile prin care au trecut indicatorii de stare în timpul schimbării. Apă: T = 293,15 K și p = 1,00 atm. Densitatea sa este d = 0,99820 g/ml. Această densitate este o funcție de stare. Este independent de modul în care punem apa în această stare. Termochimie Dia 29/55

Funcția de stare a energiei interne Funcția de stare a energiei interne: U (p, V, T). U Valoarea sa depinde de baza de referință. Ușor de măsurat. Termochimie Dia 30/55

Funcțiile căii Căldura și munca sunt funcții ale căii. Luați în considerare exemplul 6-3, W = -113,6 J presiunea externă a gazului într-o singură etapă variază de la 2,40 la 1,30 atm. Schimbați în doi pași mai întâi de la 2,40 la 1,80 și în cele din urmă la 1,30 atm. Presiuni: 243,18 kpa, 182,39 kpa și 131,72 kpa W = 182,39 (1,36-1,02) 131,72 (1,88-1,36) [kpa L] = -130, 8 J Termochimie Dia 31/55

p (kpa) Volum de lucru de 0,1 mol He gaz, 3 trepte np (kpa) V (l) 1 243,18 1,019 2 182,39 1,359 3 151,99 1,630 4 131,72 1,881 W (J) Trepte -113, 6 -p 4 * (V 4 -V 1) -130,8 -p 3 * (V 3 -V 1) -p 4 * (V 4 -V 3) -136,3-p 2 * (V 2 -V 1) -p 3 * (V 3 -V 2) -p 4 * (V 4 -V 3) W - VV final start p extern (V) dv 250 200 150 100 50 pv Lucru, He, 298 K 0 1,0 1,5 2,0 V (l) Lucrul volumetric este o funcție . Termochimie Dia 32/55

6-6 Căldura de reacție: Reactivi U și H Produse U start U end U = U end - U start U = Q reacție + W Pentru un sistem de volum constant: U = Q reacție + 0 = Q reacție = QV Dar trăim în o lume de presiune constantă! Cum se raportează Q p și Q V? Termochimie Dia 33/55

Căldura izosterică și izobară de reacție Termochimie Dia 34/55

Căldura de reacție de entalpie, p = stă. Q V = Q p + W W = -p V și U = Q V, prin urmare: U = Q p - p V Q p = U + p V În dreapta sunt funcții de stare, deoarece lucrarea volumetrică la presiune constantă este o funcție de stare. Fie H = U + p V Atunci H = H sfârșitul H începe = U + (p V) La presiune constantă, căldura de reacție este o funcție de stare: H = U + p V = Q p Termochimie Dia 35/55

Comparația căldurii de reacție (T = 300 K) 2 CO (g) + O 2 (g) = 2 CO 2 (g) QV = U = -563,5 kj W = -p V = -p (V sfârșitul V start) = -RT (n capăt n start) = 2,5 kj Q p = H = UW = -566 kj Termochimie Dia 36/55

Modificarea stării Entalpia molară de evaporare (p = 1 atm): H 2 O (l) H 2 O (g) H = 44,0 kj, T = 298 K Entalpia molară de îngheț (p = 1 atm): H 2 O (s ) H 2 O (l) H = 6,01 kj, T = 273,15 K Termochimie Dia 37/55

Exemplu Exemplu 6-77-3 Schimbarea entalpiei de tranziție de fază Calculați H dacă 50,0 g de apă la 10,0 C este transformată în abur la 25,0 C. Împărțiți în două etape: încălziți apa și apoi evaporați-vă. Modificarea totală a entalpiei va fi suma celor două modificări ale entalpiei. Scrieți ecuația: Q p = mc H 2 O T + n H vapori = (50,0 g) (4,184 J/g C) (25,0-10,0) C + 50,0 g 18,0 g/mol = 3,14 kj + 122 kj = 125 kj 44,0 kj/mol Termochimie Dia 38/55

Stări standard și modificări de entalpie standard Definiți o stare dată ca standard. Entalpia de reacție standard, H Modificarea entalpiei de reacție atunci când toți reactivii și produsele sunt în starea standard. Starea standard este de 1 atm presiune, 1 mol sau o substanță de activitate la o temperatură dată. Termochimie Dia 39/55

Diagramele de entalpie 2 H 2 + O 2 2 H 2 O Termochimie Dia 40/55

6-7 Definiția indirectă a lui H: teorema lui Hess Proprietatea extinsă H. Modificarea entalpiei este direct proporțională cu cantitatea de material din sistem. N 2 (g) + O 2 (g) 2 NO (g) H = +180,50 kj ½ N 2 (g) + ½ O 2 (g) NO (g) H = +90,25 kj H dacă reacția este scrisă în direcția opusă: NO (g) ½ N 2 (g) + ½ O 2 (g) H = -90,25 kj Termochimie Dia 41/55

Teorema lui Hess Suma de entalpie: entalpia de reacție rezultată este suma entalpiei reacțiilor pentru care reacția brută poate fi descompusă. ½ N 2 (g) + ½ O 2 (g) NO (g) NO (g) + ½ O 2 (g) NO 2 (g) H 1 = +90,25 kj H 2 = -57,07 kj ½ N 2 (g ) + O 2 (g) NO 2 (g) H total = +33,18 kj Termochimie Dia 42/55

Teorema lui Hess pe diagrama de entalpie Termochimie Dia 43/55

6-8 Entalpia de formare standard Modificarea entalpiei care are loc în timpul formării H f 1 mol dintr-o substanță de stare standard din elementele sale de stare stabilă. Entalpia de formare a elementelor în starea de referință este 0. Prin stare de referință se înțelege structura de set cea mai stabilă existentă la o temperatură și presiune date de 10 5 Pa. 298 K: C (grafit), O 2 (g), Br 2 (l) Termochimie Dia 44/55

Entalpia standard de formare a HCHO (g) (298 K) Termochimie Dia 45/55

Entalpii standard de formare (298 K) Termochimie Dia 46/55

2 C (grafit) + 3 H 2 (g) + ½ O 2 (g) C 2 H 5 OH (l) Termochimie Dia 47/55

H20 (g) și (l) 298 K 1 atm Termochimie Dia 48/55

C (grafit) + O 2 (g) = CO 2 (g) 298 K 1 atm Termochimie Dia 49/55

Reacție utilizând teorema entalpiei Hess H reacție = H f produse - reactivi H f Termochimie Dia 50/55

Entalpia de reacție standard 2 NaHCO 3 (s) = Na 2 CO 3 (s) + H 2 O (l) + CO 2 (g) H total = -2 H f NaHCO 3 + H f Na2CO3 + H f CO2 + H f H2O Termochimie Dia 51/55