Thermohemija. Energija. Prvi zakon termodinamike. Entalpija / kalorimetrija

Similar documents
CHEM 1105 S10 March 11 & 14, 2014

CHM 111 Dr. Kevin Moore

Chapter 5 Thermochemistry

Thermochemistry. Energy. 1st Law of Thermodynamics. Enthalpy / Calorimetry. Enthalpy of Formation

Energy Relationships in Chemical Reactions

Chapter 5. Thermochemistry

Energy, Enthalpy and Thermochemistry. Energy: The capacity to do work or to produce heat

Hemijska ravnoteža se dostiže kada su: brzina direktne i povratne reakcije jednake i koncentracije reaktanata i proizvoda konstantne

1) Calculate the kinetic energy in J of an electron moving at m / s. The mass of an electron is g.

Thermochemistry. Energy. 1st Law of Thermodynamics. Enthalpy / Calorimetry. Enthalpy of Formation

MUNISH KAKAR's INSTITUE OF CHEMISTRY

5/14/14. How can you measure the amount of heat released when a match burns?

Thermochemistry-Part 1

Termodinamika. FIZIKA PSS-GRAD 29. studenog Copyright 2015 John Wiley & Sons, Inc. All rights reserved.

Chapter 3. Thermochemistry: Energy Flow and Chemical Change. 5.1 Forms of Energy and Their Interconversion

Thermochemistry: Energy Flow and Chemical Reactions

Unit 8: Equilibrium Unit Review

Selected Questions on Chapter 5 Thermochemistry

Chapter 5 Thermochemistry

Lecture Outline. 5.1 The Nature of Energy. Kinetic Energy and Potential Energy. 1 mv

Thermochemistry. Using Heats of Reaction - Hess s Law - Standard Enthalpies of Formation - Fuels Foods, Commercial Fuels, and Rocket Fuels

BCIT Fall Chem Exam #2

Chapter 6 Thermochemistry

CHEMICAL THERMODYNAMICS

10/23/10. Thermodynamics and Kinetics. Chemical Hand Warmers

33. a. Heat is absorbed from the water (it gets colder) as KBr dissolves, so this is an endothermic process.

Thermodynamics Review 2014 Worth 10% of Exam Score

The Equilibrium State. Chapter 13 - Chemical Equilibrium. The Equilibrium State. Equilibrium is Dynamic! 5/29/2012

Thermochemistry is the study of the relationships between chemical reactions and energy changes involving heat.

Internal Energy (U) of a system is the total energy contained within the system, partly as kinetic energy and partly as potential energy

Thermochemistry AP Chemistry Lecture Outline

General Chemistry 1 CHM201 Unit 3 Practice Test

Energy & Chemistry. Internal Energy (E) Energy and Chemistry. Potential Energy. Kinetic Energy. Energy and Chemical Reactions: Thermochemistry or

CHEMISTRY. Chapter 5 Thermochemistry

The Nature of Energy Energy is the ability to do work or produce Heat, q or Q, is ; flows due to temperature differences (always to )

Thermochemistry: Energy Flow and Chemical Reactions

Thermochemistry: Part of Thermodynamics

Thermodynamics. Copyright The McGraw-Hill Companies, Inc. Permission required for reproduction or display.

Section 3.0. The 1 st Law of Thermodynamics. (CHANG text Chapter 4) 3.1. Revisiting Heat Capacities Definitions and Concepts

measure ΔT in water to get q = q surroundings and use q system = q surroundings

Sample Exercise 5.1 Describing and Calculating Energy Changes

s Traditionally, we use the calorie as a unit of energy. The nutritional Calorie, Cal = 1000 cal. Kinetic Energy and Potential Energy

Hemijska ravnoteža. Poglavlje 2.6 Zakon o dejstvu masa Van t Hofova reakciona izoterma Termodinamički uslov i položaj hemijske ravnoteže

Chemical Equilibrium

FACULTY OF SCIENCE MID-TERM EXAMINATION CHEMISTRY 120 GENERAL CHEMISTRY. Examiners: Prof. B. Siwick Prof. A. Mittermaier Prof. J.

AIR CURTAINS VAZDU[NE ZAVESE V H

If neither volume nor pressure of the system changes, w = 0 and ΔE = q = ΔH. The change in internal energy is equal to the change in enthalpy.

6. Reaction Chemistry

6. [EXO] reactants have more energy 7. [EXO] H is negative 8. [ENDO] absorbing sunlight to make sugar 9. [ENDO] surroundings get cold

First Law of Thermodynamics: energy cannot be created or destroyed.

Chapter 6 Energy and Chemical Change. Brady and Senese 5th Edition

Gilbert Kirss Foster. Chapter 9. Thermochemistry. Energy Changes in Chemical Reactions

) DON T FORGET WHAT THIS REPRESENTS.

PRORAČUN I ANALIZA ADIJABATSKE TEMPERATURE REAKCIJA SAMORASPROSTIRUĆE VISOKOTEMPERATURNE SINTEZE U SISTEMU CaWO 4 + Mg(Al)

BCIT Winter Chem Exam #1

5.1 Exothermic and endothermic reactions

Chem 112, Fall 05 Exam 2a

Questions 1-3 relate to the following reaction: 1. The rate law for decomposition of N2O5(g) in the reaction above. B. is rate = k[n2o5] 2

Chapter 8 Thermochemistry: Chemical Energy

8. Relax and do well.

Homework Problem Set 6 Solutions

Chapter 5 THERMO. THERMO chemistry. 5.4 Enthalpy of Reactions 5.5 Calorimetry 5.6 Hess s Law 5.7 Enthalpies of Formation

Thermochemistry Chapter 4

Chapter 5: Thermochemistry. Molecular Kinetic Energy -Translational energy E k, translational = 1/2mv 2 -Rotational energy 5.

Ch 6. Energy and Chemical Change. Brady & Senese, 5th Ed.

M10/4/CHEMI/SPM/ENG/TZ2/XX+ CHEMISTRY. Wednesday 12 May 2010 (afternoon) 45 minutes INSTRUCTIONS TO CANDIDATES

Chemical Kinetics and Equilibrium

Chapter 8. Thermochemistry

CHEM J-11 June /01(a)

Practice Midterm 1 CHEMISTRY 120 GENERAL CHEMISTRY. Examiners: Prof. B. Siwick Prof. A. Mittermaier Prof. A. Fenster

THERMODYNAMICS. Topic: 5 Gibbs free energy, concept, applications to spontaneous and non-spontaneous processes VERY SHORT ANSWER QUESTIONS

SASTAV MATERIJE ELEMENTI, ATOMI, JEDINJENJA, MOLEKULI, JONI HEMIJSKE REAKCIJE

Unit 2 Pre-Test Reaction Equilibrium

Chapter 8. Thermochemistry 강의개요. 8.1 Principles of Heat Flow. 2) Magnitude of Heat Flow. 1) State Properties. Basic concepts : study of heat flow

Learning Check. How much heat, q, is required to raise the temperature of 1000 kg of iron and 1000 kg of water from 25 C to 75 C?

1 A reaction that is spontaneous.

Lecture 7 Enthalpy. NC State University

Chapter 6 Thermochemistry

Chapter 17 Thermochemistry

Najbrži procesi Prenos elektrona Prenos H atoma Prenosi drugih atoma izmedju molekula DNK sinteza. dc dt

Definitions and Basic Concepts

Ch 10 Practice Problems

Thermodynamics & kinetics

Chemistry 123: Physical and Organic Chemistry Topic 2: Thermochemistry

Topic 05 Energetics : Heat Change. IB Chemistry T05D01


Lecture outline: Chapter 5

Chemistry 163B. Thermochemistry. Chapter 4 Engel & Reid

Name Date Class SECTION 16.1 PROPERTIES OF SOLUTIONS

Thermochemistry. Chapter 6. Dec 19 8:52 AM. Thermochemistry. Energy: The capacity to do work or to produce heat

For more info visit

C h a p t e r 13. Chemical Equilibrium

Thermochemistry. Energy and Chemical Change

Thermochemistry Notes

Chemistry: The Central Science. Chapter 5: Thermochemistry

Thermochemistry: Heat and Chemical Change

Chemistry. Friday, March 30 th Monday, April 9 th, 2018

WORKSHEET #1. Dougherty Valley HS AP Chemistry Hess s Law Problems

DO NOT OPEN UNTIL INSTRUCTED TO DO SO. CHEM 110 Dr. McCorkle Exam #3. While you wait, please complete the following information:

Measuring and Expressing Enthalpy Changes. Copyright Pearson Prentice Hall. Measuring and Expressing Enthalpy Changes. Calorimetry

Transcription:

Thermohemija Energija Prvi zakon termodinamike Entalpija / kalorimetrija Hess-ov zakon Kirchoff-ov zakon

Prenos toplote U endotermalnom procesu, toplota se uvek prenosi sa toplijeg objekta (okruženja) na hladniji sistem. T(sistema) raste T (okruženja) opada

Prenos toplote U egzotermalnom procesu, toplota se prenosi iz toplijeg SISTEMA u hladnije OKRUŽENJE. T(sistema) opada T(okruženja) raste

U toku hemijske reakcije se može apsorbovati (trošiti) ili oslobadjati (davati) tolota. Medjutim u toku hemijskih reakcija se takodje može vršiti rad. Zn(s) + 2H + (aq) Zn 2+ (aq) + H 2 (g) Ako je pritisak konstantan w P V Sistem vrši rad!

Entalpija je tolota razmenjena izmedju sistema i okoline pri konstantnom pritisku Entalpija je funkcija stanja definisana sa: H = U + PV Na konstantnom pritisku promena entalpije je: H = H 2 - H 1 = U 2 + PV 2 - (U 1 + PV 1 ) H = U + P V Iz prvog zakona : U = Q - P V H = Q p (konstantnom P)

Veza U i H H U P V V H nrt P U n g n g RT RT Prethodna jednačina znači da se promena unutrašnje energije i promena entalpije sistema razlikuju značajno samo kada u reakciji dolazi do promene broja molova kada u reakciji učestvuju gasovi bilo kao reaktanti, ili kao produkti. P

CH 4 (g) + 2O 2 (g) CO 2 (g) + 2 H 2 O (g) + Q (-802,3 kj/mol) Q + H 2 O (s) H 2 O (l). Većina hemijskih reakcija odvija se na konstantnom pritisku, pa se toplota razmenjena u tim uslovima može izraziti termodinamičkom funkcijom stanja - entalpijom. Kako je entalpija funkcija stanja, H zavisi samo od početnog i krajnjeg stanja. Takodje, treba napomenuti da je kod mnogih reakcija na P = const, i V = 0, tako da je H = U. 1. u reakciji nema gasova: 2 KOH (aq) + H 2 SO 4 (aq) K 2 SO 4 (aq) + 2H 2 O (l) Kako se radi o tečnostima, promena V = U. 0, pa je P V = 0, i H

2. broj molova reaktanata jednak je broju molova produkata u gasnoj reakciji: N 2 (g) + O 2 (g) 2 NO (g) V = 0, P V = 0 H = U. 3. broj molova gasa menja se tokom reakcije, pa P V 0. Medjutim, kako je najčešće q P >> P V H U. 2 H 2 (g) + O 2 (g) 2H 2 O (g); H - 483.6 kj; P V = - 2.5 kj U = H - P V = - 481,1 kj H Za najveći broj hemijskih reakcija može se pouzdano uzeti vrednost H kao jednaka ili približno jednaka U.

Promena entalpije hemijske reakcije prikazuje se entalpijskim dijagramom CaO(s) + CO 2 (g) CaCO 3 (s) rxnh o = -178.3kJmol -1 Entalpija je ekstenzivna veličina, pa je promena entalpije H direktno proporcionalna količini supstance!

Promena Standardne Enthalpije, odnosno, H 0, je promena entalpije za proces u kome se i reaktanti i produkti nalaze u svojim standardnim stanjima (STP). Standardne entalpije nastajanja supstanci: toplota nastanka jednog jedinjenja jeste povećanje toplotnog sadržaja H kada se nagradi 1 mol supstance iz njenih elemenata. Dogovorno je uzeto da je: Toplotni sadržaj jednog jedinjenja jednak njegovoj toploti postojanja. C (s) + O 2 (g) = CO 2 (g) H = - 393.5 kj/mol=-94 kcal/mol H = U + P V U = H - P V; U = H - PV = H - RT n g. Ovde je - promena broja molova, a n g - promena broja molova gasnih učesnika reakcije. Kako je u ovoj reakciji, n g = 0 H = U.

izračunavanje toplote nastanka metana iz ugljenika i vodonika: C grafit + 2 H 2 (g) CH 4 (g) H = - 74.8 kj Znamo toplote nastanka CO 2 i H 2 O (toplotni sadržaji elemenata - C, O i H su jednaki 0!), a takodje i toplotu rekacije izmedju metana i kiseonika: a) C grafit + O 2 (g) CO 2 (g) H = - 393.5 kj b) H 2 (g) + 1/2 O 2 (g) H 2 O (l) H = - 285.8 kj c) CH 4 (g) + 2O 2 (g) CO 2 (g) + 2 H 2 O (l) H = - 890.36 kj Kombinacijom: (a) + 2(b) - (c),dobija se da je H za traženu reakciju - 74.8 kj.

Standardne Entalpije Formiranja C(s, graphite) + O 2 (g) CO 2 (g) H f 0 = - 393.51 kj mol -1 C(s, graphite) + 2H 2 (g) CH 4 (g) H f 0 = - 74.81 kj mol -1 ½ N 2 (g) + 3/2 H 2 (g) NH 3 (g) H f 0 = - 46.11 kj mol -1 (1/2) N 2 (g) + (1/2) O 2 (g) NO(g) H f 0 = + 33.18 kj mol -1

2. Toplota sagorevanja: promena toplotnog sadržaja koja prati potpuno sagrevanje jednog mola nekog jedinjenja: 3. Toplota topljenja: promena toplotnog sadržaja koja prati topljenje jednog mola čvrste supstance. 4. Toplota isparavanja: promena toplotnog sadržaja koja prati isparavanje jednog mola čvrste supstance. 5. Toplota hidrogenacije: promena toplotnog sadržaja koja prati prevodjenje jednog mola nezasiććenog ugljovodonika u odgovarajuće zasićeno jedinjenje pomoću gasovitog vodonika:

Energy H 2 O(l) H final > H initial H = H final H initial Endothermic H 2 O(s) H 2 O(s) H 2 O(l) ΔH = + 6.01 kj mol -1

Energy H 2 O(l) H final < H initial H = H final H initial Exothermic H 2 O(s) H 2 O(l) H 2 O(s) ΔH = - 6.01 kj mol -1

Odakle potiče toplota reakcije? Kada raguje 2 g H 2 i 16 g O 2 nastaje 18 g vode i oslobadja se 242 kj toplote. Pitanje je: odakle potiče ova energija? Energija nastala tokom stvaranja jednog mola vode nastala je kao transformisana energija iz unutrašnje energije reaktanata, vodonika i kiseonika. Unutrašnja energija čestica: U = E kinetičko + E potencijalno Dakle, kada se stvara voda u reakciji: H 2 + 1/2 O 2 H 2 O E 1 E 2 i E 1 > E 2 Pitanje je: koji delovi unutrašnje energije sistema su odgovorni za promenu u energiji koja se javlja tokom hemijske reakcije (odnosno za Q P = H)?

U = E K trans + E K rot + E K vib + E P(atom) + E P(nukleus) + E P (bond) Kako je kineticka energija E K T, na T = const E K 0. Energija koja se oslobadja ili apsorbuje tokom hemijske promene potiče od razlike potencijalne energije E P medjuatomskih (unutarmolekulskih) veza reaktanata i produkata. Hemijska reakcija je proces u kome se hemijske veze u molekulima reaktanata kidaju (potrebna je energija E 1 ), a veze u novim molekulima, produktima nastaju (oslobadja se energija E 2 ). Kada je E 2 >E 1, reakcija je egzotermna.

Stehiometrija termohemijske jednačine Pomoću termohemijskih jednačina se predstavljaju termohemijske promene. Postoje 2 pravila: 1. H je iste vrednosti ali suprotnog znaka za reakciju u suprotnom smeru. 2. Veličina H je proporcionalna količini susptance. H 2 (g) + 1/2O 2 (g) H 2 O (l) H = - 286 kj/mol 2H 2 (g) + O 2 (g) 2H 2 O (l) H = - 572 kj/mol 2H 2 O (l) 2H 2 (g) + O 2 (g) H = + 572 kj/mol

H isparavanja: Promena entalpije potrebna da jedan mol supstance ispari na tački ključanja pri pritisku od 1 atm. (+40.66 kjmol-1 at 373K za vodu ) endoterman H topljenja : Promena entalpije potrebna da se jedan mol čiste supstance istopi na tački topljena pri pritisku od 1 atm. (+6.01 kjmol-1 at 273K za led) endoterman

Hesov zakon sumiranja toplota Promena entalpije ukupnog hemijskog procesa je suma entalpija u pojedinačnim procesima. Promena toplote u hemijskoj reakciji je ista nezavisno od toga da li se reakcija dešava u jednom ili više stupnjeva.

Posledica činjenice da je entalpija funkcija stanja (ne zavisi od prethodnog stanja sistema) je da se: može se odrediti promena entalpije H za složenu reakciju bez razmatranja kako se reakcija odvila u realnosti. Termohemijske jednačine se mogu sabirati i oduzimati, pa se entalpija velikog broja hemijskih reakcija može izračunati bez meranja. Ovo je posebno važno kada su u pitanju složene reakcije, kao i reakcije koje se odvijaju u nepovoljnim eksperimentalnim uslovima.

C + O 2 CO 2 H = -393.5 kj C+ ½ O 2 CO H = -110.5 kj CO (g) ½ O 2 CO 2 H = -283.0 kj -110.5 + (-283) = 393.5 kj/mol

Izračunavanje H za reakciju kod koje se ta vrednost teško meri, iz poznatih vrednosti, kada znamo H za neke druge reakcije.

Hess-ov zakon Promena entalpije ukupnog hemijskog procesa je suma entalpija u pojedinačnim procesima. rxnh o = H o products - H o reactants

A C Hess-ov zakon Ako je reakcija zbir dve reakcije tada je promena entalpije u toku zbirne reakcije zbir promena entalpije komponenata reakcije. -C = H A-B + H B-C products C A B C reactants A

Kalorimetrija - Promena unutrašnje energije se može meriti kalorimetrijski U = q - P V pri konstantnoj zapremini V=0! Tako da je U = q

H = ΔQ ΔT H = ΔQ = const ΔT H =ΔQ = C ΔT Promena enthalpije Promena temperature Tolotni kapacitet C = m C spec C spec = specifični toplotni kapacitet H = ΔQ = m C spec ΔT

Specifični tolotni kapacitet Sposobnost supstance da primi toplotu C spec = J g -1 K -1 Količina energije (J) potrebna da se 1g supstance zagreje za 1 K

Al C Fe Cu Au NH 3 H 2 O C 2 H 5 OH drvo staklo 0.9 0.71 0.45 0.387 0.129 4.7 4.184 2.46 1.76 0.84

Kirhoff-ov zakon - uticaj temperature na toplotu reakcije I H 1 + T C PB II H 2 + T C PA H 1 = (H B - H A ) T1 ; H 2 = (H B - H A ) T2 H 1 + T C PB = H 2 + T C PA H T H 2 1 H T T H P C C C P PB PA P H produkata T P H H T reak tanata T ( C ) ( C ) C tan P produkti P reak ti P P P C P

Za reakciju: n A A + n B B + n C C + = n L L + n M M + n N N + C [ n ( C ) n ( C )...] [ n ( C ) n ( C )...] P L P L M P M A P A B P B H H C dt 0 T 0 P 2 3 C a bt ct dt P... 2 2 3 C na nb T nc T... T T T... P T 2 H H T T... dt H T 1/ 2 T 1/ 3 T 0 0 0 2 3 H H T 0

rh(t 2 ) Reactants(T 2 ) Products(T 2 ) H R Reactants(T 1 ) Products(T 1 ) H P rh(t 1 ) rh(t 2 ) = H R + rh(t 1 ) + H P

Foods: Fuels for the Body Three classes of food are carbohydrates, proteins, and fat. Carbohydrates include starches and sugars. During digestion, they are converted to simple sugar glucose C 6 H 12 O 6. C6H12O6(s) + 6 O2(g) 6 CO2(g) + 6 H2O(l) H = -2803 kj Fats belong to the ester family, which is derived from a carboxylic acid RCOOH and an alcohol ROH. An OH group of the acid is replaced by a OR group of the alcohol. On a mass basis, the heat of combustion of fats (-37.4 kj/g C39H74O6) is almost twice that of glucose (-15.56 kj/g). Therefore, fats are the perfect material for energy storage. Proteins are polymers of amino acids, and have about the same energy values as O carbohydrates. Food calories (Cal) 1 Kcal = 1 Cal = 1000 cal = 4.18 kj H H C C NH 2 OH

Energy Content of Foods Chemical energy in animals is derived from carbohydrates, fats, and proteins. Carbohydrates 17 Fat 38 Protein 17 Fuel value (kj/g) Fuel value is usually expressed in kcal or Cal per serving. 1 Cal = 1 kcal = 4.184 kj

Energy Content of Foods If a person uses about 420 kj/mi when running, how many candy bars are required to run three miles? 1 Butterfinger : 42 g carbohydrates 11 g fat 3 g protein 56 g 710 kj 420 kj 50 kj 1180 kj

Energy 2 H 2 (g) + O 2 (g) NH 4 NO 3 (aq) H final < H initial H final > H initial Exothermic Endothermic 2 H 2 O(l) NH 4 NO 3 (s) + H 2 O(l)