termokemi - users.abo.fi · avsnitt 6.2 entalpi och kalorimetri return to toc bombkalorimeter •...
TRANSCRIPT
Kapitel 6
Innehåll
Copyright © Cengage Learning. All rights reserved 2
6.1 Energi och omvandling6.2 Entalpi och kalorimetri6.3 Hess lag6.4 Standardbildningsentalpi6.5 Energikällor6.6 Förnyelsebara energikällor
Avsnitt 6.1
Energi och omvandling
Return to TOC
Copyright © Cengage Learning. All rights reserved 3
• Kapaciteten att utföra arbete eller producera värme.Storhet: E = F × s (kraft · sträcka)
= P × t (effekt · tid)Enhet: J = Nm
= Ws
Energi
Avsnitt 6.1
Energi och omvandling
Return to TOC
Copyright © Cengage Learning. All rights reserved 4
Energi kan aldrig skapas eller förstöras utan endast omvandlas från en form till en annan.
(Euniversum är konstant)
Termodynamiskens första lag
Avsnitt 6.1
Energi och omvandling
Return to TOC
Energiformer
• Potentiell energi (lagrad energi)
• Kinetiskt energi (använd energi)
Avsnitt 6.1
Energi och omvandling
Return to TOC
Copyright © Cengage Learning. All rights reserved 6
är summan av den kinetiska och potentiella energin hos alla partiklar i ett ”system” (till exempel i ett ämnesprov)
U = Σ(KE + PE)
Inre energi (U)
Avsnitt 6.1
Energi och omvandling
Return to TOC
Copyright © Cengage Learning. All rights reserved 7
KJ
CJ
ökningtemperaturptionvärmeabsorC =
°==
Energilagringskapacitet
Avsnitt 6.1
Energi och omvandling
Return to TOC
Copyright © Cengage Learning. All rights reserved 8
specifik värmekapacitetC = J/°C g eller J/K g
molär värmekapacitetCm = J/°C mol eller J/K mol
Värmekapacitet
Avsnitt 6.1
Energi och omvandling
Return to TOC
Copyright © Cengage Learning. All rights reserved 9
Specifik värmekapacitet
Avsnitt 6.1
Energi och omvandling
Return to TOC
Copyright © Cengage Learning. All rights reserved 10
En kropps temperatur återspeglar partiklars slumpvisa rörelser och är kopplad till systemets kinetiska energi.
Värme är en form av energitransport som endast är möjlig vid en temperaturskillnad.
Energi versus energitransport
Avsnitt 6.1
Energi och omvandling
Return to TOC
Det infraröda fotografiet visar var energi transporteras i form av värme. Ju rödare färg desto större energitransport.
Avsnitt 6.1
Energi och omvandling
Return to TOC
Copyright © Cengage Learning. All rights reserved 12
System = Det som vi avser beskriva
Omgivning = Allt annat i universum
Universum = System + Omgivning
Systemgräns är mellan system och omgivning
System och omgivning
Avsnitt 6.1
Energi och omvandling
Return to TOC
Copyright © Cengage Learning. All rights reserved 13
Universums energi är konstant.
EUniversum = ESystem + EOmgivning
ΔESystem = -ΔEOmgivning
Termodynamikens första lag:
Avsnitt 6.1
Energi och omvandling
Return to TOC
Copyright © Cengage Learning. All rights reserved 14
Termodynamiska storheter består av två delar: (1) ettnummer som anger magnituden av förändringen och (2) ett tecken som anger förändringens riktning. Riktningen anges ALLTID från systemets synvinkel.
Avsnitt 6.1
Energi och omvandling
Return to TOC
Copyright © Cengage Learning. All rights reserved 15
är summan av den kinetiska och potentiella energin hos alla partiklar i systemet
kan förändras då energi passerar över systemgränsen som värme eller arbete
ΔE = q + w
ΔE = förändring i systemets inre energiq = värmew = arbete
Inre energi, U
Avsnitt 6.1
Energi och omvandling
Return to TOC
Copyright © Cengage Learning. All rights reserved 16
Värmeflöden vid kemiska reaktioner.
Exoterm: Värme flödar ut ur systemet (till omgivningen).
Endoterm: Värme flödar in till systemet (från omgivningen).
Värme
Avsnitt 6.1
Energi och omvandling
Return to TOC
Copyright © Cengage Learning. All rights reserved 17
arbete = kraft × sträcka
då tryck = kraft / area, ges att
arbete = tryck × volymförändring
wsystem = −p · ΔVsystem
Arbete
Avsnitt 6.1
Energi och omvandling
Return to TOC
Copyright © Cengage Learning. All rights reserved 18
Arbete
En volymförändring mot atmosfärstryck innebär ett arbete av storleken
w = - patm · ∆V
Volymförändringen påbilden ges av:
∆V = ∆h · A
Avsnitt 6.1
Energi och omvandling
Return to TOC
Copyright © Cengage Learning. All rights reserved 19
En varmluftsballong kan lyfta genom att man värmer upp luften inuti. I det sista skedet av den här processen används en propangaslåga för uppvärmningen. Då lågan tillför ballongen 1.3·108 J värme ökar volymen från 4.00·103 m3 till 4.50·103 m3. Beräkna ökningen i inre energi hos luftmassan inne i balongen.
Övning
Avsnitt 6.1
Energi och omvandling
Return to TOC
Copyright © Cengage Learning. All rights reserved 20
Konceptkoll
När vatten fryser, är det en endoterm eller exoterm process? Förklara.
Avsnitt 6.1
Energi och omvandling
Return to TOC
Copyright © Cengage Learning. All rights reserved 21
Konceptkoll
Vätgas och syrgas reagerar häftigt och bildar vattenånga. Förklara...
Vad har lägre energi: en blandningav syrgas och vätgas ellervattenånga?
Avsnitt 6.2
Entalpi och kalorimetri
Return to TOC
Copyright © Cengage Learning. All rights reserved 22
• Tillståndsstorhet• ΔH = q vid konstant tryck• ΔH = Hprodukter – Hreaktanter
Entalpiförändring
Avsnitt 6.2
Entalpi och kalorimetri
Return to TOC
Copyright © Cengage Learning. All rights reserved 23
Entalpi = H = E + p·VΔH = ΔE + p·ΔV
Inre Energi = E = Σ(KE+PE)ΔE = q + w = q – p·ΔV
Vid konstant tryck:qp = ΔE + p·ΔVΔH = qp = värmeenergiflöde
Entalpi, H
Avsnitt 6.2
Entalpi och kalorimetri
Return to TOC
Copyright © Cengage Learning. All rights reserved 24
• Vetenskapen för mätning av reaktionsvärmet– Vid konstant tryck:
qp = ΔH = CH2O · mH2O · ΔTH2O
– Vid konstant volym:
qv = ΔE = CH2O · mH2O · ΔTH2O
Kalorimetri
Avsnitt 6.2
Entalpi och kalorimetri
Return to TOC
Copyright © Cengage Learning. All rights reserved 26
1.00 l av 1.00 M Ba(NO3)2(aq) vid 25°C sätts med 1.00 l av 1.00 M Na2SO4(aq) vid 25°C, BaSO4 (s) fälls ut och blandningens temperatur ökar till 28.1°C. Antag att ingen värme avges till omgivningen och att lösningarnas specifika värmekapacitet är 4.18 J/(°C·g) och densiteten 1.0 g/ml samt beräkna entalpiförändringen per mol BaSO4 (s) som bildas.
Övning
Avsnitt 6.2
Entalpi och kalorimetri
Return to TOC
Bombkalorimeter• Konstant volym• Varierande tryck
• Gör skäl för sitt namn när den slutar fungera
Avsnitt 6.2
Entalpi och kalorimetri
Return to TOC
Copyright © Cengage Learning. All rights reserved 28
Övning
Beakta förbränningen av propan:
C3H8(g) + 5O2(g) → 3CO2(g) + 4H2O(l)
ΔHr = –2221 kJ/mol
Antag att all värme i processen kommer från förbränningen av propan. Beräkna ΔH då 5.00 g propan förbränns i ett överskott av syre vid konstant tryck.
–252 kJ
Avsnitt 6.2
Entalpi och kalorimetri
Return to TOC
Copyright © Cengage Learning. All rights reserved 29
Beror enbart på systemets tillstånd, inte hur det blev så (den är oberoende av färdväg).Energi, entalpi, och tryck är tillståndsstorheter Arbete och värme är inte tillståndsstorheter
Tillståndsstorheter (eng. State functions)
Avsnitt 6.3
Hess lag
Return to TOC
Copyright © Cengage Learning. All rights reserved 30
• Då man går från en viss uppsättning av reaktanter till en viss uppsättning av produkter spelar det ingen roll om rekationen sker i ett steg eller i en serie av steg, entalpiförändringen är den samma (tillståndsstorhet).
Avsnitt 6.3
Hess lag
Return to TOC
Copyright © Cengage Learning. All rights reserved 31
1. Entalpiförändringen är oberoende reaktionsvägenN2(g) + O2(g) → 2NO(g) ΔH = 180 kJ
2NO(g) + O2(g) → 2NO2(g) ΔH = −112 kJN2(g) + 2O2(g) → 2NO2(g) ΔH = 68 kJ
2. Omvänd reaktion ger teckenbyte:N2(g) + O2(g) → 2NO(g) ΔH = 180 kJ2NO(g) → N2(g) + O2(g) ΔH = −180 kJ
3. Om reaktionen multipliceras med en siffra, multipliceras ΔH med samma siffra.
6NO(g) → 3N2(g) + 3O2(g) ΔH = −540 kJ
Hess lag
+
Avsnitt 6.3
Hess lag
Return to TOC
Copyright © Cengage Learning. All rights reserved 32
Principen av Hess lag
Avsnitt 6.3
Hess lag
Return to TOC
Copyright © Cengage Learning. All rights reserved 33
• Arbeta baklänges från den sökta reaktionen och dess reaktanter och produkter för att manipulera fram den sökta reaktionsvägen.
• Reversera reaktioner för att producera och förbruka reaktanter och produkter.
• Multiplicera reaktioner för att erhålla rätt antal reaktanter och produkter.
Problemlösningsstrategi
Avsnitt 6.4
Standardbildningsentalpier
Return to TOC
Copyright © Cengage Learning. All rights reserved 34
ΔH°f för ett ämne är entalpiförändringen då av 1 mol av ämnet bildas från dess grundämnen vid standardtillstånd
Standardbildningsentalpi, ΔH°f
Avsnitt 6.4
Standardbildningsentalpier
Return to TOC
Copyright © Cengage Learning. All rights reserved 35
Standardbildningsentalpier
Avsnitt 6.4
Standardbildningsentalpier
Return to TOC
Copyright © Cengage Learning. All rights reserved 36
1. FöreningFör en gas är trycket 1 atm.För en lösning är koncentrationen 1 MFör en vätska eller fast ämne är standardtillståndet det rena ämnet.
2. GrundämneAggregationstillståndet vid 1 atm and 25°C [ex.vis. N2(g), K(s)].
Standardtillstånd
Avsnitt 6.4
Standardbildningsentalpier
Return to TOC
Copyright © Cengage Learning. All rights reserved 37
Entalpiförändringen vid kemiska reaktioner
• kan beräknas ur standardbildningsentalpierna för reaktanter och produkter.
ΔHr° = Δn·Δ Hf°(produkter) - Δn·ΔHf°(reaktanter)
• värdet ΔHr° beror på hur reaktionslikheten är given
• om reaktionen är omvänd, är ΔHr° omvänd
• om koefficienten för en reaktion multipliceras med en siffra, multipliceras ΔHr° med samma siffra.
• grundämnen i sitt standardtillstånd, ΔHf° = 0
Avsnitt 6.4
Standardbildningsentalpier
Return to TOC
Copyright © Cengage Learning. All rights reserved 38
Utnyttjande av standardbildningsentalpierCH4(g) + 2O2(g) → CO2(g) + 2H2O(l)
ΔH°r = –(–75 kJ) + 0 + (–394 kJ) + (–572 kJ) = –891 kJ
Avsnitt 6.4
Standardbildningsentalpier
Return to TOC
Copyright © Cengage Learning. All rights reserved 39
Övning
Beräkna ΔH° för reaktionen:2Na(s) + 2H2O(l) → 2NaOH(aq) + H2(g)
m.h.a. följande standardbildningsentalpier: ΔHf° (kJ/mol)
Na(s) 0H2O(l) –286NaOH(aq) –470H2(g) 0
ΔH° = –368 kJ
Avsnitt 6.4
Standardbildningsentalpier
Return to TOC
Copyright © Cengage Learning. All rights reserved 40
Metanol används ofta som bränsle i tävlingsbilar i stället för vanlig bensin. Hur mycket energi frigörs under förbränning av 1.0 gram metanol jämfört med förbränning av 1.0 gram bensin (som egentligen är en blanding av olika kolväten, men som för enkelhetens skull kan sägas vara ren oktan, C8H18) ?
Övning
Avsnitt 6.5
Energikällor
Return to TOC
Copyright © Cengage Learning. All rights reserved 41/Statistikcentralen - Energistatistik 2002/
Energikällor som utnyttjas i Finland
Avsnitt 6.5
Energikällor
Return to TOC
Copyright © Cengage Learning. All rights reserved 42
Energikällor: 1486 PJ• Olja 25 %• Kol 15 %• Naturgas 11 %• Kärnenergi 16 %• Vattenkraft 4 %• Vindkraft 0 %• Träbränslen 21 %• Torv 6 %• Övriga 2 %• El nettoimp. 1 %
Slutanvändning: 1125 PJ• Industri 50%• Transport 16%• Uppvärmning 22%• Övrigt 11%
Energikällor och slutanvändning i Finland 2004
Avsnitt 6.5
Energikällor
Return to TOC
Copyright © Cengage Learning. All rights reserved 43
Energikällor i USA 1850 – 2000
Avsnitt 6.6
Förnyelsebara energikällor
Return to TOC
Copyright © Cengage Learning. All rights reserved 44
• Sol• Vatten • Vind• Biomassa
– Avfall – Torv
Förnyelsebara energikällor