TERMOCHEMIE, ENTROPIE
TERMOCHEMICKÉ
ZÁKONY,
TERMODYNAMIKA,
Chemická reakce: Jestliže se za vhodných podmínek vyskytnou 2 látky schopné spolu reagovat, nastane chemická reakce. Při ní z výchozích látek (tzv. reaktantů) vznikají produkty. Během procesu reakce zaniknou staré vazby a vzniknou vazby nové. Při usuzování na energetickou bilanci chemické reakce si musíme povšimnout vlastností chemické vazby. K zániku chemické vazby je třeba vázaným atomům určité množství energie dodat, při vzniku chemické vazby se uvolní určité množství energie. Energie, kterou je třeba dodat k rozštěpení vazby je stejná jako energie, která se uvolní při vzniku této vazby. Nazýváme ji disociační energií vazby (nebo též vazebnou energií). Např. energie, která se uvolní při vzniku vazby H –Cl je 432,6 kJ.mol-1, pokud bychom chtěli tuto vazbu rozrušit, musíme dodat energii 432,6 kJ.mol-1. Většina chemických reakcí probíhá za konstantního tlaku. Reakční teplo za konstantního tlaku (nebo-li změna ENTHALPIE ) se značí ∆ H Reakční teplo: je množství tepla, které při chemické reakci vymění soustava s okolím (je vztaženo na 1mol reakčních přeměn) Termodynamika: vědní obor, který se zabývá studiem fyzikálních a chemických dějů spojených s energetickými změnami (zabývá se otázkami: Proč probíhají chemické reakce? Proč spolu některé látky reagují za běžných podmínek, jiné po zahřátí a některé vůbec?.....) Termochemie: „oblast“ termodynamiky, která se zabývá studiem tepelného zabarvení chemických reakcí. Exotermické reakce: reakce, při kterých se teplo uvolňuje. Endotermické reakce: reakce, při kterých se teplo spotřebovává (k tomu, aby reakce proběhla musíme teplo dodat) Termochemická rovnice: Chemická rovnice, která obsahuje u každého reaktantu či produktu některý ze symbolů s, l, aq, g . s…..symbol pro pevné skupenství l….symbol pro kapalné skupenství aq…symbol pro roztok g…symbol pro plynné skupenství Často bývají tyto rovnice doplněny také o hodnotu standardního reakčního tepla ∆ H 0298 Standardní reakční teplo: reakční teplo za standardních podmínek (T= 298 K, p = 101 325 Pa)
Termochemické zákony: 1) LAVOISIER-LAPLACEŮV ZÁKON Standardní reakční teplo přímé a zpětné reakce je až na znaménko stejné. Např: HCl(g) + NH3 (g) → NH4Cl (s)
∆ H 0298 = -996 kJ…reakce exotermická
NH4Cl (s) → HCl(g) + NH3 (g)
∆ H 0298 = 996 kJ….reakce endotermická
2) HESSŮV ZÁKON Standardní reakční teplo chemické reakce nezávisí na průběhu a případných mezistupních reakce, ale pouze na počátečním a konečném stavu. (∆ H 0298) 1 A +B
C
(∆ H 0298) 2
A, B – reaktany, AB- meziprodukt C- produkt
(∆ H 0298) 3 AB
(∆ H 0298) 2 + (∆ H 0298) 3 = (∆ H 0298) 1
Např. (∆ H 0298) 1 = -393,7 kJ
C(s) + O2(g) → CO2(g) ----------------------------------C(s) +1/2 O2(g) → CO(g) CO(g) +1/2 O2(g) → CO2 (g)
(∆ H 0298) 2 = -110 kJ (∆ H 0298) 3 = -283,7 kJ
(∆ H 0298) 1 C + O2
C O2
(∆ H 0298) 2
(∆ H 0298) 3 CO
(∆ H 0298) 2 + (∆ H 0298) 3 = (∆ H 0298) 1 -110 kJ
+
-283,7 kJ
=
-393,7 kJ
A, B – reaktanty, AB- meziprodukt C- produkt
Výpočet standardního reakčního tepla reakce 1) Z vazebných energií ∆ H 0298 = ∑vazebných energií rozštěpujících se vazeb - ∑vazebných energií vznikajících vazeb ∑….SOUČET
2) Ze standardních slučovacích tepel Slučovací teplo sloučeniny: reakční teplo reakce, při které vzniká 1 mol této sloučeniny přímo z prvků Standardní slučovací teplo sloučeniny: slučovací teplo sloučeniny za standardních podmínek (uvedeno v tabulkách)…značíme (∆ H 0298) sluč Standardní slučovací tepla prvků jsou nulová ν…stechiometrický koeficient ∑ ν (∆ H 0298) sluč………….součet všech standardních slučovacích tepel produktů P ∑ ν (∆ H 0298) sluč…………….. součet všech standardních slučovacích tepel reaktantů R
prvky
∑ ν (∆ H 0298) sluč P
∑ ν (∆ H 0298) sluč R
produkty ∆ H 0298
reaktanty ∆ H 0298 + ∑ ν (∆ H 0298) sluč = ∑ ν (∆ H 0298) sluč R P ______________________________________ ∆ H 0298 = ∑ ν (∆ H 0298) sluč - ∑ ν (∆ H 0298) sluč P R ______________________________________
3) Ze standardních spalných tepel Spalné teplo sloučeniny: reakční teplo reakce, při které se 1 mol této sloučeniny zoxiduje na nejstálejší oxidy Standardní spalné teplo sloučeniny: spalné teplo sloučeniny za standardních podmínek (uvedeno v tabulkách) ….značíme (∆ H 0298) sp Standardní spalná tepla prvků nejsou nulová. Standardní spalné teplo H2O a CO2 jsou nulová. ν…stechiometrický koeficient ∑ ν (∆ H 0298) sp………….součet všech standardních spalných tepel produktů P ∑ ν (∆ H 0298) sp…………….. součet všech standardních spalných tepel reaktantů R
reaktanty
∑ ν (∆ H 0298) sp R ∆ H 0298
nejstálejší oxidy ∑ ν (∆ H 0298) sp P
produkty ∆ H 0298 + ∑ ν (∆ H 0298) sp = ∑ ν (∆ H 0298) sp P R ______________________________________ ∆ H 0298 = ∑ ν (∆ H 0298) sp - ∑ ν (∆ H 0298) sp R P ______________________________________
Proč probíhají chemické reakce? Tímto se zabývá termodynamika Rozhodujícím faktorem pro uskutečnění daného děje není jen změna energie systému, ale také entropie. Entropie: míra neuspořádanosti systému. Čím je systém neuspořádanější, tím je entropie větší. Entropie se značí S. Změna entropie: ∆ S Standardní změna entropie: změna entropie za standardních podmínek Faktory ovlivňující samovolnost děje jsou tedy entropie a entalpie. Vztah mezi entropií a entalpií vyjadřuje GIBBSOVA ENERGIE G.
Změnu Gibsovy energie určíme ze vztahu: ∆G = ∆H –T ∆S T…..teplota (v Kelvinech) Pro standardní změnu Gibsovy energie platí: ∆G0298 = ∆H0298 –T ∆S0298 Samovolně probíhají děje, pro něž platí: ∆G0298 < 0
PROCVIČOVÁNÍ
a. Jaké množství tepla se uvolní spálením 5,2 g acetylenu, jehož standardní spalné teplo je -1300 kJ .mol-1 ?
b. 24g uhlíku bylo spáleno na oxid uhličitý. V průběhu reakce se uvolnilo teplo 787,4 kJ. Vypočítejte standardní spalné teplo uhlíku a standardní slučovací teplo oxidu uhličitého.
c. Vypočítejte standardní slučovací teplo propanu, je-li známo : ∆ H0sp.C3H8(g) = -2220 kJ.mol-1 ∆ H0sp.C(s) = -393,7 kJ.mol-1 ∆ H0sp.H2(g) = -285,8kJ.mol-1 d. Vypočítejte standardní slučovací teplo benzenu, znáte-li : ∆ H0sp.C(s) = -393,7 kJ.mol-1 ∆ H0sp.H2(g) = -285,8 kJ.mol-1 ∆ H0sp.C6H6(l) = 49 kJ.mol-1 e. Jaké teplo se uvolní nebo spotřebuje při hydrogenaci 0,5 litrů propenu za vzniku propanu? Děj probíhá za standardních podmínek. ∆ H0sl.propenu(g) = 20, 4 kJ.mol-1 ∆ H0sl.propanu(g) = -104,3 kJ.mol-1
f. Vypočítejte, jaké množství tepla se uvolní případně spotřebuje, při oxidaci 5 dm3 methanu za předpokladu, že děj probíhá za standardních podmínek. Pro výpočet využijte následující údaje: ∆ H0sluč.CH4(g) = -74, 8 kJ.mol-1 ∆ H0sluč.CO2(g) = -393,7 kJ.mol-1 ∆ H0sluč.H2O(l) = -285,8 kJ.mol-1 CH4 (g) + O2 (g) → CO2(g) + H2O (l) g. Jaké teplo se uvolní nebo spotřebuje při reakci 2 dm3 oxidu siřičitého s kyslíkem za vzniku oxidu sírového? Děj probíhá za standardních podmínek. ∆ H0sluč.SO2(g) = -296,6 kJ.mol-1 ∆ H0sluč.SO3(g) = -394,8 kJ.mol-1 h. Vypočítejte standardní reakční teplo následující reakce, znáte-li hodnoty vazebných energií CH4 + F2 → HF + CF4 Typ vazby C –H F –F H –F C –F
i.
Vazebná energie 417, 06 kJ . mol-1 159,6 kJ . mol-1 568,5 kJ . mol-1 487,2 kJ . mol-1
Vypočítejte standardní reakční teplo následující reakce, znáte-li hodnoty vazebných energií CH ≡ CH + H2 → CH3 –CH3 Typ vazby C –H C≡C H –H
Vazebná energie 417, 06 kJ . mol-1 839,16 kJ . mol-1 435,56 kJ . mol-1
Řešení: a. Jaké množství tepla se uvolní spálením 5,2 g acetylenu, jehož standardní spalné teplo je -1300 kJ .mol-1 ? Vzorec acetylenu je H – C ≡ C –H M (H – C ≡ C –H) = 2 . M(C) + 2. M( H) = 2 .12 g.mol-1 + 2 .1 g.mol-1 = 26 g. mol-1 n(H – C ≡ C –H) = m (H – C ≡ C –H) / M(H – C ≡ C –H) n(H – C ≡ C –H) = 5,2 g / 26 g. mol-1 n((H – C ≡ C –H) = 0, 2 mol Standardní spalné teplo je vztaženo na 1 mol. V našem případě je ale 0,2 mol acetylenu. Jednoduše dopočítáme trojčlenkou. 1 mol………………..-1 300 kJ 0,2 mol………………. x kJ
x = 0,2 . (-1300) = -260 kJ spálením 5,2 g acetylenu se uvolní teplo 260 kJ.
b. 24 g uhlíku bylo spáleno na oxid uhličitý. V průběhu reakce se uvolnilo teplo 787,4 kJ. Vypočítejte standardní spalné teplo uhlíku a standardní slučovací teplo oxidu uhličitého. M(C) = 12 g.mol-1 n(C) = m(C)/ M(C) n(C) = 24g / 12 g.mol-1 n(C) = 2 mol Standardní spalné teplo je vztaženo na 1 mol. My víme, že při spalování 2 mol uhlíku se uvolnilo teplo 787,4 kJ. Jednoduše trojčlenkou přepočítáme na 1 mol. 2moly…………….-787,4 kJ 1mol……………….x kJ x = (-787,4) /2 = -393,7 kJ C(s) + O2 (g) → CO2 (g) Lze říci, že standardní spalné teplo uhlíku je rovno standardnímu slučovacímu teplu oxidu uhličitého (vyvozeno z definice spalného a slučovacího tepla) Standardní spalné teplo uhlíku je rovno -393,7 kJ. mol-1 Standardní slučovací teplo oxidu uhličitého je rovno -393,7 kJ. mol-1
c. Vypočítejte standardní slučovací teplo propanu, je-li známo : ∆ H0sp.C3H8(g) = -2220 kJ.mol-1 ∆ H0sp.C(s) = -393,7 kJ.mol-1 ∆ H0sp.H2(g) = -285,8kJ.mol-1 3 C (s) + 4 H2(g)→ C3H8 (g) (Z definice standardního slučovacího tepla lze napsat tuto rovnici) 3 . ∆ H0sp.C(s) + 4 . ∆ H0sp.H2(g) 3C(s), 4H2 (g), 5O2 (g)
3 CO2, 4 H2 O ∆ H0sp.C3H8(g)
∆ H 0sluč C3H8(g) C3 H8 (g), 5O2 (g)
∆ H 0sluč C3H8(g) + ∆ H0sp.C3H8(g) = 3 . ∆ H0sp.C(s) + 4 . ∆ H0sp.H2(g) ∆ H 0sluč C3H8(g)
= 3 . ∆ H0sp.C(s) + 4 . ∆ H0sp.H2(g) - ∆ H0sp.C3H8(g)
∆ H 0sluč C3H8(g)
= 3. (-393,7) + 4. (-285,8) - (-2200)
∆ H 0sluč C3H8(g)
= -104,3 kJ.mol-1
Standardní slučovací teplo propanu je -104,3 kJ.mol-1
d. Vypočítejte standardní slučovací teplo benzenu, znáte-li : ∆ H0sp.C(s) = -393,7 kJ.mol-1 ∆ H0sp.H2(g) = -285,8 kJ.mol-1 ∆ H0sp.C6H6(l) = 49 kJ.mol-1 6 C (s) + 3 H2(g)→ C6H6 (l) (Z definice standardního slučovacího tepla lze napsat tuto rovnici) 6 . ∆ H0sp.C(s) + 3 . ∆ H0sp.H2(g) 6C(s), 3H2 (g), 15/2O2 (g)
6 CO2, 3 H2 O ∆ H0sp.C6H6(l)
∆ H 0sluč C6H6(l) C6 H6 (l), 15/2O2 (g)
∆ H 0sluč C6H6(l) + ∆ H0sp.C6H6(l) = 6 . ∆ H0sp.C(s) + 3 . ∆ H0sp.H2(g) ∆ H 0sluč C6H6(l)
= 6 . ∆ H0sp.C(s) + 3 . ∆ H0sp.H2(g) - ∆ H0sp.C6H6(l)
∆ H 0sluč C6H6(l)
= 6. (-393,7) + 3. (-285,8) - 49
∆ H 0sluč C6H6(l)
= -3268,6 kJ.mol-1
Standardní slučovací teplo propanu je -3268,6 kJ.mol-1
e. Jaké teplo se uvolní nebo spotřebuje při hydrogenaci 0,5 litrů propenu za vzniku propanu? Děj probíhá za standardních podmínek. ∆ H0sluč. propenu(g) = 20, 4 kJ.mol-1 ∆ H0sluč.propanu(g) = -104,3 kJ.mol-1 CH3 – CH= CH2 (g) + H2(g) → CH3 –CH2 –CH3 (g) Z definice standardního slučovacího tepla lze napsat tyto rovnice 3C(s) + 3 H2 (g) → CH3 – CH= CH2 (g) 3C (s) + 4 H2 (g) → CH3 –CH2 –CH3 (g) ∆ H 0sluč CH3 – CH2 –CH3 (g) 3C(s), 4H2 (g)
CH3 – CH2 – CH3 (g)
∆ H 0sluč CH3 – CH= CH2 (g)
∆ H0298
CH3 – CH= CH2 (g), H2(g) ∆ H0298 + ∆ H 0sluč CH3 – CH= CH2 (g) = ∆ H 0sluč CH3 – CH2 –CH3 (g) ∆ H0298 = ∆ H 0sluč CH3 – CH2 –CH3 (g) – ∆ H 0sluč CH3 – CH= CH2 (g) ∆ H0298 = -104,3 –20, 4 ∆ H0298 = -124,7 kJ Z chemické rovnice hydrogenace vidíme, že propenu je 1 mol. 1 mol plynné látky zaujímá za normálních podmínek objem 22,4 litrů. V zadání máme uvedeno 0,5 litru plynného propenu. -124,7 kJ…………….1mol…………………22,4 litru x kJ…………………………………………0,5 litru x = -124,7 . 0,5 /22,4 = -2,78 kJ Při hydrogenaci 0,5 litrů propenu se uvolní teplo 2,78 kJ.
f. Vypočítejte, jaké množství tepla se uvolní případně spotřebuje, při oxidaci 5 dm3 methanu za předpokladu, že děj probíhá za standardních podmínek. Pro výpočet využijte následující údaje: ∆ H0sluč.CH4(g) = -74, 8 kJ.mol-1 ∆ H0sluč.CO2(g) = -393,7 kJ.mol-1 ∆ H0sluč.H2O(l) = -285,8 kJ.mol-1 2 CH4 (g) +3 O2 (g) → 2 CO2(g) +2 H2O (l) Z definice standardního slučovacího tepla lze napsat tyto rovnice C(s) + 2 H2 (g) → CH4 (g), v chemické rovnici oxidace methanu máme 2 moly methanu C (s) + O2 (g) → CO2 (g), v chemické rovnici oxidace methanu máme 2 moly oxidu uhličitého H2 (g) + 1/2O2 (g) → H2O(l), v chemické rovnici oxidace methanu máme 2 moly vody 2. ∆ H 0sluč CO2 (g) + 2. ∆ H 0sluč H2O(l) 2C(s), 4H2 (g), 3O2(g)
2CO2(g), 2 H2O(l) ∆ H0298
2. ∆ H 0sluč CH4 (g) 2 CH4 (g), 3 O2(g) ∆ H0298 + 2. ∆ H 0sluč CH4 (g)
= 2. ∆ H 0sluč CO2 (g) + 2. ∆ H 0sluč H2 O(l)
∆ H0298 = 2. ∆ H 0sluč CO2 (g) + 2. ∆ H 0sluč H2 O(l) – 2. ∆ H 0sluč CH4 (g) ∆ H0298 = 2. ( -393,7) + 2. (-285,8) – 2. (-74, 8) ∆ H0298 = -1209,4 kJ Z chemické rovnice oxidace methanu vidíme, že množství methanu jsou 2 moly a tomu pak odpovídá reakční teplo -1209,4 kJ. 1 mol plynné látky zaujímá za normálních podmínek objem 22,4 dm3. Protože ale máme 2 moly methanu, musíme objem 22,4 dm3 vynásobit 2. Pomocí trojčlenky pak provedeme přepočet na objem 5 dm3. -1209,4 kJ…………….2moly…………………2. 22,4 dm3 x kJ……………………………………………….5 dm3 x = -1209,4 . 5 /2. 22,4 = -135 kJ Při oxidaci 5 dm3 methanu se uvolní teplo 135 kJ.
g. Jaké teplo se uvolní nebo spotřebuje při reakci 2 dm3 oxidu siřičitého s kyslíkem za vzniku oxidu sírového? Děj probíhá za standardních podmínek. ∆ H0sluč.SO2(g) = -296,6 kJ.mol-1 ∆ H0sluč.SO3(g) = -394,8 kJ.mol-1 2 SO2 (g) + 3 O2 (g) → 2 SO3(g) Z definice standardního slučovacího tepla lze napsat tyto rovnice S(s) + O2 (g) → SO2 (g), v chemické rovnici oxidace oxidu siřičitého máme 2 moly oxidu siřičitého S (s) + 3/2O2 (g) → SO3(g), v chemické rovnici oxidace oxidu siřičitého máme 2 moly oxidu sírového 2. ∆ H 0sluč SO3 (g) 2S(s), 3O2(g)
2 SO3(g) ∆ H0298
2. ∆ H 0sluč SO2 (g) 2 SO2(g), 3 O2(g) ∆ H0298 + 2. ∆ H 0sluč SO2 (g)
= 2. ∆ H 0sluč SO3 (g)
∆ H0298 = 2. ∆ H 0sluč SO3 (g) – 2. ∆ H 0sluč SO2 (g) ∆ H0298 = 2. (-394,8) – 2. (-296,6) ∆ H0298 = -196,4 kJ Z chemické rovnice oxidace oxidu siřičitého vidíme, že oxidu siřičitého jsou 2 moly a tomu pak odpovídá reakční teplo -196,4 kJ. 1 mol plynné látky zaujímá za normálních podmínek objem 22,4 dm3. Protože ale máme 2 moly oxidu siřičitého, musíme objem 22,4 dm3 vynásobit 2. Pomocí trojčlenky pak provedeme přepočet na objem 2 dm3. -196,4 kJ…………….2moly…………………2. 22,4 dm3 x kJ………………………………………………...2 dm3 x = -196,4 . 2 /2. 22,4 = -8,8 kJ Při oxidaci 2 dm3 oxidu siřičitého se uvolní teplo 8,8 kJ.
h. Vypočítejte standardní reakční teplo následující reakce, znáte-li hodnoty vazebných energií CH4 +4 F2 → 4 HF + CF4 Typ vazby C –H F –F H –F C –F
Vazebná energie 417, 06 kJ . mol-1 159,6 kJ . mol-1 568,5 kJ . mol-1 487,2 kJ . mol-1
∆ H 0298 = ∑vazebných energií rozštěpujících se vazeb - ∑vazebných energií vznikajících vazeb
∆ H 0298 = (4. C –H + 4. F –F ) – (4. H –F + 4 .C –F ) ∆ H 0298 = (4. 417, 06 + 4. 159,6 ) – (4. 568,5 + 4. 487,2) ∆ H 0298 = -1916,16 kJ Standardní reakční teplo reakce je -1916,16 kJ.
i.
Vypočítejte standardní reakční teplo následující reakce, znáte-li hodnoty vazebných energií CH ≡ CH + 2H2 → CH3 –CH3 Typ vazby C –H C≡C H –H C –C
Vazebná energie 417, 06 kJ . mol-1 839,16 kJ . mol-1 435,56 kJ . mol-1 348,6 kJ . mol-1
∆ H 0298 = ∑vazebných energií rozštěpujících se vazeb - ∑vazebných energií vznikajících vazeb
∆ H 0298 =( 1. C≡C + 2. C –H + 2. H –H )
– (1. C–C + 6. C –H )
∆ H 0298 = (839,16 + 2. 417, 06 +2. 435,56 ) – ( 348,6 + 6. 417, 06 ) ∆ H 0298 = -306,56 kJ Standardní reakční teplo reakce je -306,56 kJ.
