Termochemie se zabývá tepelným zabarvením chemických reakcí Vychází z 1. termodynamického zákona. U změna vnitřní energie Q teplo W práce

Transkript

1 Termochemie Termochemie se zabývá tepelným zabarvením chemických reakcí Vychází z 1. termodynamického zákona U = Q + W U změna vnitřní energie Q teplo W práce Teplo a práce dodané soustavě zvyšují její vnitřní energii. Změna vnitřní energie U charakterizuje změnu stavu soustavy stavová veličina. Probíhá-li reakce za konstantního objemu (izochorický děj je práce nulová (W = p V. U = Q Teplo dodané soustavě při konstantním objemu soustavy se spotřebuje na zvýšení její vnitřní energie ( U izochorické reakční teplo Q V. Většina chemických reakcí probíhá za konstantního tlaku, pro ně se zavádí stavová veličina entalpie H (izobarické reakční teplo Qp. Entalpie je definována vztahem H = U + p V Při změně stavu soustavy se změní všechny veličiny ve vztahu H = U + p V + V p Při izobarickém průběhu děje (p = konst. je člen V p roven nule. H = U + p V Entalpie má pro izochorické děje stejný význam jako vnitřní energie pro děje izochorické. Reakční teplo H ( U je množství tepla, které se uvolní, nebo které je třeba dodat při stechiometrickém průběhu příslušné chemické reakce. Údaj o reakčním teple je doprovázen chemickou rovnicí, v níž jsou vyznačená skupenství všech reakčních složek termochemické rovnice. Pro vzájemné srovnání a tabelování se užívají standardní reakční tepla ( H 298,15 ; U 298,15, což jsou reakční tepla dějů, při nichž výchozí látky i produkty jsou ve standardních stavech. Plynné látky (T = 298,15 K (t = 25 C, p= Pa, řídí se stavovou rovnicí Kapalné látky (T = 298,15 K (t = 25 C, p = Pa Pevné látky (T = 298,15 K (t = 25 C, p = Pa, nejstálejší modifikace

2 Rozdělení reakcí podle tepelného zabarvení a exotermické (exotermní - H < 0 (soustava teplo uvolňuje a předává ho do okolí b endotermická (endotermní - H > 0 (soustava teplo pohlcuje Termochemické zákony 1. termochemický zákon (Laplace a Lavoisier Tepelné zabarvení reakce probíhající jedním směrem je až na znaménko stejné jako tepelné zabarvení reakce probíhající směrem opačným. Př.: CO (g + H 2(g CO 2(g + H 2(g H 298 = -41,2 kj mol -1 CO 2(g + H 2(g CO (g + H 2 O (g H 298 = 41,2 kj mol termochemický zákon (Hess Tepelné zabarvení dané reakce je rovno součtu tepelných zabarvení dílčích reakcí, které vycházejí ze stejných výchozích látek a poskytující stejné produkty jako dané reakce. A B ( H 298,15 A B = ( Η 298,15 Α C + ( H 298,15 C B C Na základě termochemických zákonů lze vypočítat reakční teplo reakcí, které nelze přímo měřit. Standardní slučovací teplo ( H 298,15 sluč Standardní slučovací teplo ( H 298,15 sluč je reakční teplo reakce, při níž z prvků ve standardních stavech vznikne 1 mol sloučeniny ve standardním stavu. Př.: ½ N 2(g + 3/2 H 2(g NH 3(g [( H 298,15 sluč ]NH 3 = 46 kj mol -1 Standardní slučovací tepla volných prvků jsou rovna nule. Výpočet reakčních tepel ze standardních slučovacích tepel Η = v( Η sluč v( Η 298,15 prod 298,15 vých sluč v stechiometrické koeficienty příslušných chemických rovnic

3 Standardní spalné teplo ( H 298,15 spal Standardní spalné teplo ( H 298,15 spal je reakční teplo reakce, při níž se 1 mol látky ve standardním stavu spálí v proudu kyslíku na konečné oxidační produkty ve standardním stavu. Př.: C 6 H 6(l + 15/2O 2(g 6CO 2(g + 3H 2 O (l [( H 298,15 spal ]C 6 H 6 = kj mol -1 Standardní spalná tepla konečných oxidačních produktů jsou rovna nule. Výpočet reakčních tepel ze standardních spalných tepel Η = v( Η spal v( Η 298,15 vých 298,15 prod v stechiometrické koeficienty příslušných chemických rovnic spal

4 Výpočty tepelného zabarvení chemických reakcí 1 Výpočet reakčního tepla z vazebných energií Při vzniku chemické vazby se energie uvolňuje ( vazebná energie a při štěpení chemických vazeb se musí energie dodávat. (disociační energie. Obě energie se udávají v kj/mol. Vypočítejte reakční teplo reakce. CH 4(g + 4F 2(g CF 4(g + 4HF CH (g E C-H = 415,47 kj/mol E F-F = 158,99 kj/mol E C-F = 485,34 kj/mol E H-F = 569,02 kj/mol Rozštěpí se 4 vazby C H E C-H energie se znaménkem + 4 vazby F F E F-F Vytvoří se nové vazby: 4 vazby C F E C-F energie se znaménkem - 4 vazby H F E H-F { H} = [4. 415, , ,485, ,02] = ,6 H = kj.mol -1 Při reakci se uvolní 1919,6 kj/mol tepla, rekce je exotermní. Vypočítejte reakční teplo vzniku jodovodíku z prvků. H 2 + I 2 2HI E H-H = 435 kj/mol H = E H-H + E I-I - 2. E H-I E I-I = 150 kj/mol { H}= = -13 E H-I = 299 kj/mol H= -13 kj/mol Reakční teplo dané reakce je -13 kj/mol. 2 Výpočet reakčního tepla z termochemických rovnic Při těchto výpočtech musí reaktanty a produkty zůstat ve stejných standardních stavech. Nelze např., aby došlo ke změně skupenství, krystalické soustavy atd. Vypočítejte standardní reakční teplo při 25 C pro reakci: H 2(g + S (s H 2 S (g Znáte-li reakční tepla těchto rovnicí: (1 Zn (s + S (s ZnS (s H 0 298,15 = -202,92 kj/mol (2 Zn (s + H 2 SO 4(aq ZnSO 4 (s + H 2(g H 0 298,15 = -167,23 kj/mol

5 (3 ZnS (s + H 2 SO 4(aq ZnSO 4(s + H 2 S (g H 0 298,15 = 15,54 kj/mol Rovnice dá danou reakci: Zn (s + S (s - Zn (s - H 2 SO 4(aq + ZnS (s + H 2 SO 4(aq = ZnS (s - ZnSO 4(s - H 2(g + ZnSO 4(s +H 2 S (g H 2(g + S (S H 2 S (g { H}= -202,92 - (-167, ,54 = -20,15 H = -20,15 kj/mol Reakční teplo dané rovnice je -20,15kJ/mol.Reakce je exotermní. 3 Výpočet reakčního tepla ze slučovacích tepel Vypočítejte reakční teplo reakce uhlíku s vodní párou ze slučovacích tepel. [ ( H sluč] H 2 O (g = - 241,8 kj/mol [ ( H sluč] CO (g = - 110,5 kj/mol H =? C (s, grafit + H 2 O (g CO (g + H 2(g H = [ ( H sluč] CO - [ ( H sluč] H 2 O { H } = -110, ,8 = 131,3 H = 131,3 kj/mol Tepelné zabarvení reakce je 131,3 kj/mol. Oxid železitý se redukuje vodíkem na železo. Vypočítejte, kolik tepla je zapotřebí k vyredukování 10 g železa za standardních podmínek. [( H 0 298,15sluč] Fe 2 O 3(s = -822,16 kj/mol [( H 0 298,15sluč] H 2 O (g = -241,84 kj/mol M(Fe = 55,85 g/mol Fe 2 O 3(s + 3H 2(g 2Fe (s + 3 H 2 O (g H 0 298,15 = 3( H 0 298,15sluč H 2 O - ( H 0 298,15sluč Fe 2 O 3 { H 0 298,15 }= 3. (-241, ,16 = 96,64 H 0 298,15 = 96,64 kj/mol Na vyredukování 2 molu Fe (2. 55,85g je zapotřebí 96,64 kj/mol. na vyredukování 10g...x kj 2.55,85g Fe...96,64 kj 10g Fe...x kj 96,94 10 = = 8, ,85 x = 8,652 kj/mol {} x

6 K vyredukování 10g Fe je zapotřebí dodat 8,652 kj/mol. 4 Výpočet reakčního tepla ze spalných tepel Vypočítejte reakční teplo reakce uhlíku s vodní párou ze spalných tepel. [ ( H spal] C (s = -393,1 kj/mol [ ( H spal] CO (g = -282,6 kj/mol [ ( H spal] H 2(g = -241,8 kj/mol H =? C (s, grafit + H 2 O (g CO (g + H 2(g H 0 298,15 = [ ( H 0 298,15 spal] C - [ ( H 0 298,15 spal] CO - [ ( H 0 298,15 spal] H 2 { H 0 298,15} = -393, , ,8 H 0 298,15 = 131,3 kj/mol Tepelné zabarvení reakce je 131,3 kj/mol. Vypočítejte standardní reakční teplo uvedené reakce: 6C (s grafit + H 2(g C 6 H 6(l [( H 0 298,15spal] C (s = -393,51 kj/mol [( H 0 298,15spal] H 2(g = -285,85 kj/mol [( H 0 298,15spal] C 6 H 6(l = ,89 kj/mol H 0 = 6( H 0 298,15spal C + 3( H 0 298,15spal H 2 - ( H 0 298,15spal C 6 H 6 { H 0 }= 6.(-393, (-285,85 - (-3 271,89 = 53,28 H 0 = 53,28 kj/mol Reakční teplo vzniku benzenu z prvků je 53,28 kj/mol, reakce je endotermická.