TERMOCHEMIE, TERMOCHEMICKÉ ZÁKONY, TERMODYNAMIKA, ENTROPIE 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 0 298 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) + NH 3 (g) NH 4 Cl (s) NH 4 Cl (s) HCl(g) + NH 3 (g) H 0 298 = -996 kj reakce exotermická H 0 298 = 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 0 298) 1 A + B C A, B reaktany, AB- meziprodukt C- produkt ( H 0 298) 2 ( H 0 298) 3 AB ( H 0 298) 2 + ( H 0 298) 3 = ( H 0 298) 1 Např. C(s) + O 2 (g) CO 2 (g) ----------------------------------- C(s) +1/2 O 2 (g) CO(g) CO(g) +1/2 O 2 (g) CO 2 (g) ( H 0 298) 1 = -393,7 kj ( H 0 298) 2 = -110 kj ( H 0 298) 3 = -283,7 kj ( H 0 298) 1 C + O 2 C O 2 A, B reaktanty, AB- meziprodukt C- produkt ( H 0 298) 2 ( H 0 298) 3 CO ( H 0 298) 2 + ( H 0 298) 3 = ( H 0 298) 1-110 kj + -283,7 kj = -393,7 kj
Výpočet standardního reakčního tepla reakce 1) Z vazebných energií H 0 298 = 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 0 298) sluč Standardní slučovací tepla prvků jsou nulová ν stechiometrický koeficient ν ( H 0 298) sluč.součet všech standardních slučovacích tepel produktů P ν ( H 0 298) sluč.. součet všech standardních slučovacích tepel reaktantů R ν ( H 0 298) sluč prvky P produkty ν ( H 0 298) sluč H 0 298 R reaktanty H 0 298 + ν ( H 0 298) sluč = ν ( H 0 298) sluč R P H 0 298 = ν ( H 0 298) sluč - ν ( H 0 298) 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 0 298) sp Standardní spalná tepla prvků nejsou nulová. Standardní spalné teplo H 2 O a CO 2 jsou nulová. ν stechiometrický koeficient ν ( H 0 298) sp.součet všech standardních spalných tepel produktů P ν ( H 0 298) sp.. součet všech standardních spalných tepel reaktantů R ν ( H 0 298) sp reaktanty R nejstálejší oxidy H 0 298 ν ( H 0 298) sp P produkty H 0 298 + ν ( H 0 298) sp = ν ( H 0 298) sp P R H 0 298 = ν ( H 0 298) sp - ν ( H 0 298) 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: G 0 298 = H 0 298 T S 0 298 Samovolně probíhají děje, pro něž platí: G 0 298 < 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 : H 0 sp.c 3 H 8 (g) = -2220 kj.mol -1 H 0 sp.c(s) = -393,7 kj.mol -1 H 0 sp.h 2 (g) = -285,8kJ.mol -1 d. Vypočítejte standardní slučovací teplo benzenu, znáte-li : H 0 sp.c(s) = -393,7 kj.mol -1 H 0 sp.h 2 (g) = -285,8 kj.mol -1 H 0 sp.c 6 H 6 (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. H 0 sl.propenu(g) = 20, 4 kj.mol -1 H 0 sl.propanu(g) = -104,3 kj.mol -1
f. Vypočítejte, jaké množství tepla se uvolní případně spotřebuje, při oxidaci 5 dm 3 methanu za předpokladu, že děj probíhá za standardních podmínek. Pro výpočet využijte následující údaje: H 0 sluč.ch 4 (g) = -74, 8 kj.mol -1 H 0 sluč.co 2 (g) = -393,7 kj.mol -1 H 0 sluč.h 2 O(l) = -285,8 kj.mol -1 CH 4 (g) + O 2 (g) CO 2 (g) + H 2 O (l) g. Jaké teplo se uvolní nebo spotřebuje při reakci 2 dm 3 oxidu siřičitého s kyslíkem za vzniku oxidu sírového? Děj probíhá za standardních podmínek. H 0 sluč.so 2 (g) = -296,6 kj.mol -1 H 0 sluč.so 3 (g) = -394,8 kj.mol -1 h. Vypočítejte standardní reakční teplo následující reakce, znáte-li hodnoty vazebných energií CH 4 + F 2 HF + CF 4 Typ vazby Vazebná energie C H 417, 06 kj. mol -1 F F 159,6 kj. mol -1 H F 568,5 kj. mol -1 C F 487,2 kj. mol -1 i. Vypočítejte standardní reakční teplo následující reakce, znáte-li hodnoty vazebných energií CH CH + H 2 CH 3 CH 3 Typ vazby Vazebná energie C H 417, 06 kj. mol -1 C C 839,16 kj. mol -1 H H 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) + O 2 (g) CO 2 (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 : H 0 sp.c 3 H 8 (g) = -2220 kj.mol -1 H 0 sp.c(s) = -393,7 kj.mol -1 H 0 sp.h 2 (g) = -285,8kJ.mol -1 3 C (s) + 4 H 2 (g) C 3 H 8 (g) (Z definice standardního slučovacího tepla lze napsat tuto rovnici) 3C(s), 4H 2 (g), 5O 2 (g) 3. H 0 sp.c(s) + 4. H 0 sp.h 2 (g) 3 CO 2, 4 H 2 O H 0 sluč C 3 H 8 (g) H 0 sp.c 3 H 8 (g) C 3 H 8 (g), 5O 2 (g) H 0 sluč C 3 H 8 (g) + H 0 sp.c 3 H 8 (g) = 3. H 0 sp.c(s) + 4. H 0 sp.h 2 (g) H 0 sluč C 3 H 8 (g) = 3. H 0 sp.c(s) + 4. H 0 sp.h 2 (g) - H 0 sp.c 3 H 8 (g) H 0 sluč C 3 H 8 (g) = 3. (-393,7) + 4. (-285,8) - (-2200) H 0 sluč C 3 H 8 (g) = -104,3 kj.mol -1 Standardní slučovací teplo propanu je -104,3 kj.mol -1
d. Vypočítejte standardní slučovací teplo benzenu, znáte-li : H 0 sp.c(s) = -393,7 kj.mol -1 H 0 sp.h 2 (g) = -285,8 kj.mol -1 H 0 sp.c 6 H 6 (l) = 49 kj.mol -1 6 C (s) + 3 H 2 (g) C 6 H 6 (l) (Z definice standardního slučovacího tepla lze napsat tuto rovnici) 6C(s), 3H 2 (g), 15/2O 2 (g) 6. H 0 sp.c(s) + 3. H 0 sp.h 2 (g) 6 CO 2, 3 H 2 O H 0 sluč C 6 H 6 (l) H 0 sp.c 6 H 6 (l) C 6 H 6 (l), 15/2O 2 (g) H 0 sluč C 6 H 6 (l) + H 0 sp.c 6 H 6 (l) = 6. H 0 sp.c(s) + 3. H 0 sp.h 2 (g) H 0 sluč C 6 H 6 (l) = 6. H 0 sp.c(s) + 3. H 0 sp.h 2 (g) - H 0 sp.c 6 H 6 (l) H 0 sluč C 6 H 6 (l) = 6. (-393,7) + 3. (-285,8) - 49 H 0 sluč C 6 H 6 (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. H 0 sluč. propenu(g) = 20, 4 kj.mol -1 H 0 sluč.propanu(g) = -104,3 kj.mol -1 CH 3 CH= CH 2 (g) + H 2 (g) CH 3 CH 2 CH 3 (g) Z definice standardního slučovacího tepla lze napsat tyto rovnice 3C(s) + 3 H 2 (g) CH 3 CH= CH 2 (g) 3C (s) + 4 H 2 (g) CH 3 CH 2 CH 3 (g) 3C(s), 4H 2 (g) H 0 sluč CH 3 CH 2 CH 3 (g) CH 3 CH 2 CH 3 (g) H 0 sluč CH 3 CH= CH 2 (g) H 0 298 CH 3 CH= CH 2 (g), H 2 (g) H 0 298 + H 0 sluč CH 3 CH= CH 2 (g) = H 0 sluč CH 3 CH 2 CH 3 (g) H 0 298 = H 0 sluč CH 3 CH 2 CH 3 (g) H 0 sluč CH 3 CH= CH 2 (g) H 0 298 = -104,3 20, 4 H 0 298 = -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 dm 3 methanu za předpokladu, že děj probíhá za standardních podmínek. Pro výpočet využijte následující údaje: H 0 sluč.ch 4 (g) = -74, 8 kj.mol -1 H 0 sluč.co 2 (g) = -393,7 kj.mol -1 H 0 sluč.h 2 O(l) = -285,8 kj.mol -1 2 CH 4 (g) +3 O 2 (g) 2 CO 2 (g) +2 H 2 O (l) Z definice standardního slučovacího tepla lze napsat tyto rovnice C(s) + 2 H 2 (g) CH 4 (g), v chemické rovnici oxidace methanu máme 2 moly methanu C (s) + O 2 (g) CO 2 (g), v chemické rovnici oxidace methanu máme 2 moly oxidu uhličitého H 2 (g) + 1/2O 2 (g) H 2 O(l), v chemické rovnici oxidace methanu máme 2 moly vody 2C(s), 4H 2 (g), 3O 2 (g) 2. H 0 sluč CO 2 (g) + 2. H 0 sluč H 2 O(l) 2CO 2 (g), 2 H 2 O(l) 2. H 0 sluč CH 4 (g) H 0 298 2 CH 4 (g), 3 O 2 (g) H 0 298 + 2. H 0 sluč CH 4 (g) = 2. H 0 sluč CO 2 (g) + 2. H 0 sluč H 2 O(l) H 0 298 = 2. H 0 sluč CO 2 (g) + 2. H 0 sluč H 2 O(l) 2. H 0 sluč CH 4 (g) H 0 298 = 2. ( -393,7) + 2. (-285,8) 2. (-74, 8) H 0 298 = -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 dm 3. Protože ale máme 2 moly methanu, musíme objem 22,4 dm 3 vynásobit 2. Pomocí trojčlenky pak provedeme přepočet na objem 5 dm 3. -1209,4 kj.2moly 2. 22,4 dm 3 x kj.5 dm 3 x = -1209,4. 5 /2. 22,4 = -135 kj Při oxidaci 5 dm 3 methanu se uvolní teplo 135 kj.
g. Jaké teplo se uvolní nebo spotřebuje při reakci 2 dm 3 oxidu siřičitého s kyslíkem za vzniku oxidu sírového? Děj probíhá za standardních podmínek. H 0 sluč.so 2 (g) = -296,6 kj.mol -1 H 0 sluč.so 3 (g) = -394,8 kj.mol -1 2 SO 2 (g) + 3 O 2 (g) 2 SO 3 (g) Z definice standardního slučovacího tepla lze napsat tyto rovnice S(s) + O 2 (g) SO 2 (g), v chemické rovnici oxidace oxidu siřičitého máme 2 moly oxidu siřičitého S (s) + 3/2O 2 (g) SO 3 (g), v chemické rovnici oxidace oxidu siřičitého máme 2 moly oxidu sírového 2S(s), 3O 2 (g) 2. H 0 sluč SO 3 (g) 2 SO 3 (g) 2. H 0 sluč SO 2 (g) H 0 298 2 SO 2 (g), 3 O 2 (g) H 0 298 + 2. H 0 sluč SO 2 (g) = 2. H 0 sluč SO 3 (g) H 0 298 = 2. H 0 sluč SO 3 (g) 2. H 0 sluč SO 2 (g) H 0 298 = 2. (-394,8) 2. (-296,6) H 0 298 = -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 dm 3. Protože ale máme 2 moly oxidu siřičitého, musíme objem 22,4 dm 3 vynásobit 2. Pomocí trojčlenky pak provedeme přepočet na objem 2 dm 3. -196,4 kj.2moly 2. 22,4 dm 3 x kj...2 dm 3 x = -196,4. 2 /2. 22,4 = -8,8 kj Při oxidaci 2 dm 3 oxidu siřičitého se uvolní teplo 8,8 kj.
h. Vypočítejte standardní reakční teplo následující reakce, znáte-li hodnoty vazebných energií CH 4 +4 F 2 4 HF + CF 4 Typ vazby Vazebná energie C H 417, 06 kj. mol -1 F F 159,6 kj. mol -1 H F 568,5 kj. mol -1 C F 487,2 kj. mol -1 H 0 298 = vazebných energií rozštěpujících se vazeb - vazebných energií vznikajících vazeb H 0 298 = (4. C H + 4. F F ) (4. H F + 4.C F ) H 0 298 = (4. 417, 06 + 4. 159,6 ) (4. 568,5 + 4. 487,2) H 0 298 = -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 + 2H 2 CH 3 CH 3 Typ vazby Vazebná energie C H 417, 06 kj. mol -1 C C 839,16 kj. mol -1 H H 435,56 kj. mol -1 C C 348,6 kj. mol -1 H 0 298 = vazebných energií rozštěpujících se vazeb - vazebných energií vznikajících vazeb H 0 298 =( 1. C C + 2. C H + 2. H H ) (1. C C + 6. C H ) H 0 298 = (839,16 + 2. 417, 06 +2. 435,56 ) ( 348,6 + 6. 417, 06 ) H 0 298 = -306,56 kj Standardní reakční teplo reakce je -306,56 kj.