TERMOCHEMIE, TERMOCHEMICKÉ ZÁKONY

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.