term t, 1 rok mechatronika imir agh, Chemia WIMiR AGH imir, Wisła materiały instrukcje imir agh
[ Pobierz całość w formacie PDF ]
1
TERMOCHEMIA
TERMOCHEMIA
: dział chemii, który bada efekty cieplne towarzyszące
reakcjom chemicznym w oparciu o zasady
termodynamiki.
TERMODYNAMIKA
: opis
układu
w
stanac
h o ustalonych i niezmiennych
w czasie właściwościach.
PODSTAWY OBLICZŃ TERMOCHEMICZNYCH
: Dla prowadzenia
rozważań termochemicznych konieczne jest zdefiniowanie dwu
pojęć, a mianowicie
UKŁADU
oraz
STANU UKŁADU
.
UKŁAD
: wyodrębniony obiekt, oddzielony od otoczenia wyraźnymi
granicami, np. przestrzeń w której będzie zachodziła dana
reakcja chemiczna wraz z znajdującymi się tam substancjami.
UKŁAD IZOLOWANY
: układ, który nie wymienia ani masy ani energii z
otoczeniem.
UKŁAD OTWARTY:
układ który wymienia masę i energie z otoczeniem.
UKŁAD ZAMKNIĘTY
:
układ wymieniający energię, ale nie
wymieniający
masy z otoczeniem
.
STAN UKŁADU
: parametry opisujące układ: temperatura, ciśnienie,
objętość, liczba moli substancji tworzących układ:
TEMPERATURA
, T, [K] – T =
o
C + 273.15
(Skala bezwzględna [K] – 0 K = -273.15
o
C
0
o
C = +273.15 K
CIŚNIENIE
, p, [Pa]
(1 atm = 101 325 Pa = 1013.25 hPa = 101.325 kPa,
przedrostek hekto = 10
2
, kilo = 10
3
)
OBJĘTOŚĆ
, V, [dm
3
]
(1dm
3
= 10
-3
m
3
; 1 litr [l] = 1 dm
3
)
MOL
: (LICZNOŚĆ MATERII): ILOŚĆ SUBSTANCJI,
KTÓRA ZAWIERA TYLE ATOMÓW, JONÓW
CZĄSTECZEK, itp. ILE JEST ZAWARTYCH
ATOMÓW W 0.012 kg WĘGLA
12
6
C
n : LICZBA MOLI
MASA MOLOWA, [g/mol]
:
masa jednego mola danego
rodzaju materii
2
FUNKCJE TERMODYNAMICZNE
: zależności funkcyjne pomiędzy
parametrami opisującymi układ w stanie równowagi
ENERGIA WEWNĘTRZNA – U [J]
ENTALPIA – H [J]
ENTROPIA – S [J]
ENERGIA SWOBODNA – F [J]
ENTALPIA SWOBODNA (potencjał termodynamiczny) – G [J]
ENERGIA WEWNĘTRZNA UKŁADU
, U, energia zawarta w układzie
składa się z:
energii ruchu (postępowego, obrotowego, drgającego) wykonywanego
przez cząsteczki i atomy, z których układ jest zbudowany
energii elektronów, wiązań chemicznych i oddziaływań
międzycząsteczkowych
energii oddziaływań pomiędzy cząsteczkami elementarnymi, z
których są zbudowane atomy i cząsteczki stanowiące badany układ.
CAŁKOWITA ENERGIA UKŁADU, E,
: suma energii kinetycznej i
potencjalnej układu jako całości oraz jego energii wewnętrznej:
E = E
k
+ E
p
+ U
TERMOCHEMIA: wyznaczanie zmian energii wewnętrznej układu
związanych z reakcjami chemicznymi
≡
WYZNACZANIE EFEKTÓW CIEPLNYCH REAKCJI CHEMICZNYCH
WARUNKI TYPOWYCH REAKCJI CHEMICZNYCH:
UKŁAD ZAMKNIĘTY (układ wymienia energię z otoczeniem nie
wymienia masy)
STAŁE CIŚNIENIE: p const.
FUNKCJA TERMODYNAMICZNA OPISUJĄCA UKŁAD:
ENTALPIA: H
3
ENTALPIA
= def.:
H = U + pV
∆
H = U + p
∆
V
WARUNKI IZOTERMICZNO - IZOBARCZNE:
TEMPERATURA STAŁA
CIŚNIENIE STAŁE
∆
H = Q
p
gdzie Qp =
ciepło reakcji
CIEPŁO (ENTALPIA) REAKCJ
I
≡
CIEPŁO (H) TWORZENIA def.:
Efekt cieplny towarzyszący powstawaniu 1 mola związku z
pierwiastków w tych samych warunkach ciśnienia i temperatury.
STANDARDOWE CIEPŁO TWORZENIA
≡
STANDARDOWA
ENTALPIA TWORZENIA
: EFEKT CIEPLNY TOWARZYSZĄCY
POWSTAWANIU 1 MOLA ZWIĄZKU Z
PIERWIASTKÓW W WARUNKACH
STANDARDOWYCH.
STANDARDOWE CIEPŁO (ENTALPIA) TWORZENIA
PIERWIASTKÓW RÓWNA SIĘ ZERO !!!
WARUNKI STANDARDOWE
: temperatura: 25
o
C = 298 K
ciśnienie: 101.3 kPa
REAKCJA EGZOTERMICZNA
: reakcja w której ciepło jest
odprowadzane z układu - ZNAK
MINUS
-
bo
układ
traci
energię – zyskuje otoczenie
REAKCJA ENDOTERMICZNA:
reakcja w której ciepło jest przez układ
pobierane - ZNAK PLUS - bo układ
zyskuje energię – traci otoczenie
CIEPŁO SPALANIA
: efekt cieplny towarzyszący spaleniu 1 mola
substancji w tlenie
STANDARDOWE CIEPŁO SPALANIA
: efekt cieplny towarzyszący
spaleniu 1 mola substancji w tlenie
w warunkach standardowych
4
OBLICZENIA TERMOCHEMICZNE
CEL: Wyznaczanie efektów cieplnych reakcji, których bezpośrednie
zmierzenie jest niemożliwe lub trudne
PRAWO HESSA
Ciepło reakcji w warunkach izotermiczno – izobarycznych nie zależy
od drogi, na jakiej dana reakcja została przeprowadzana, a zależy
tylko od stanu początkowego i końcowego układu
∆
H
o
=
∑∆
H
o
prod
.x n moli
prod
. –
∑∆
H
o
substr
.x n moli
substr
.
STANDARDOWA ENTALPIA REAKCJI RÓWNA SIĘ RÓŻNICY
STANDARDOWYCH ENTALPI TWORZENIA PRODUKTÓW
POMNOŻONYCH PRZEZ LICZBĘ ICH MOLI i STANDARDOWYCH
ENTALPII SUBSTRATÓW POMNOŻONYCH PRZEZ LICZBĘ ICH
MOLI.
Do obliczeń konieczna jest znajomość ilości (liczby moli) reagujących
substancji (n), obok temperatury, ciśnienia albo objętości, i standardowych
entalpii tworzenia substratów oraz produktów.
Dla ciał stałych:
n, [mol] =
masa, m, [
g
]
masa molowa, M, [g/mol]
Dla gazów:
PRAWO AVOGADRO
Objętość gazowych substancji (pierwiastków i związków
chemicznych) w warunkach
normalnych
jest stała i wynosi 22.4 dm
3
.
Warunki normalne: temperatura: 0
o
C = 273 K
ciśnienie: 101.3 kPa
RÓWNANIE CLAPEYRONA - sprowadzanie objętości gazów do
warunków normalnych:
R = 8.31 [J/mol K]
p
o
V
o
/T
o
= p
1
V
1
/T
1
= nR
5
PRZYKŁADY
Obliczyć w warunkach standardowych efekt cieplny (entalpię) reakcji
redukcji tlenku żelaza(III) węglem do żelaza i tlenku węgla (II)
wiedząc, że standardowe entalpie tworzenia tlenku żelaza(III) i tlenku
węgla(IV) wynoszą odpowiednio : -822.2kJ/mol i –393.5 kJ/mol.
ROZWIĄZANIE:
1. Zapisuję reakcję:
Fe
2
O
3
(s) + C(s) = Fe(s) + CO
2
(g)
2. Uzgadniam współczynniki reakcji:
2Fe
2
O
3
(s) + 3C(s) = 4Fe(s) + 3CO
2
(g)
3. Określam, które z reagentów są substratami, a które produktami:
2Fe
2
O
3
(s) + 3C(s) = 4Fe(s) + 3CO
2
(g)
substrat substrat produkt produkt
4. Przypominam sobie prawo Hessa:
∆
H
o
r
=
∑∆
H
o
prod.
* n moli
prod.
–
∑∆
H
o
substr.
* n moli
substr.
5. Podstawiam dane, pamiętając, że standardowe entalpie czystych
pierwiastków są równe zero
∆
H
o
r
= {(
∆
H
o
Fe
* 4 mole
Fe
) + (
∆
H
o
CO
2
* 3 mole
CO
2
)} –
{(
∆
H
o
Fe
2
O
3
* 2mole
Fe
2
O
3
)+(
∆
H
o
C
*
3 mole
C
)}
∆
H
o
r
= {(0 * 4) + (-393.5 kJ/mol. * 3 mole)}–
{(-822.2kJ/mol * 2 mole) + (0 * 3 mole)}
∆
H
o
r
={(0)+(-1180.5 kJ)}–{(-1644.4kJ)+(0)} =(-1180.5 + 1644.5) kJ =
+463.9 kJ
ODPOWIEDŹ
: Ciepło reakcji redukcji tlenku żelaza(III) węglem w
warunkach standartowych wynosi + 463.9kJ. Reakcja ta jest reakcją
endotermiczną
– przebiega z pochłanianiem energii z otoczenia
ZADANIE:
I.
[ Pobierz całość w formacie PDF ]