Kapitel 6. Termokemi

(1)

Termokemi

(2)

6.1 Energi och omvandling 6.2 Entalpi och kalorimetri 6.3 Hess lag

6.4 Standardbildningsentalpi 6.5 Energikällor

6.6 Förnyelsebara energikällor

(3)

• Kapaciteten att utföra arbete eller producera värme.

Storhet: E = F × s (kraft · sträcka)

= P × t (effekt · tid) Enhet: J = Nm

= Ws

Energi

(4)

Return to TOC

Energi kan aldrig skapas eller förstöras utan endast omvandlas från en form till en annan.

(E_universum är konstant)

Termodynamiskens första lag

(5)

Energiformer

• Potentiell energi (lagrad energi)

• Kinetiskt energi (använd energi)

(6)

Return to TOC

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)

(7)

K J C

J ökning

temperatur

ption värmeabsor

C =

= °

=

Energilagringskapacitet

(8)

Return to TOC

specifik värmekapacitet

C = J/°C g eller J/K g molär värmekapacitet

C_m = J/°C mol eller J/K mol

Värmekapacitet

(9)

Specifik värmekapacitet

(10)

Return to TOC

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

(11)

värme. Ju rödare färg desto större energitransport.

(12)

Return to TOC

System = Det som vi avser beskriva Omgivning = Allt annat i universum Universum = System + Omgivning

Systemgräns är mellan system och omgivning

System och omgivning

(13)

Universums energi är konstant.

E_Universum = E_System + E_Omgivning ΔE_System = -ΔE_Omgivning

Termodynamikens första lag:

(14)

Return to TOC

Termodynamiska storheter består av två delar: (1) ett

nummer som anger magnituden av förändringen och (2) ett tecken som anger förändringens riktning.

Riktningen anges ALLTID från systemets synvinkel.

(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 energi q = värme

w = arbete

Inre energi, U

(16)

Return to TOC

Värmeflöden vid kemiska reaktioner.

Exoterm: Värme flödar ut ur systemet (till omgivningen).

Endoterm: Värme flödar in till systemet (från omgivningen).

Värme

(17)

arbete = kraft × sträcka

då tryck = kraft / area, ges att arbete = tryck × volymförändring w_system = −p · ΔV_system

Arbete

(18)

Return to TOC

Arbete

En volymförändring mot

atmosfärstryck innebär ett arbete av storleken

w = - p_atm · ∆V

Volymförändringen på bilden ges av:

∆V = ∆h · A

(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

(20)

Return to TOC

Konceptkoll

När vatten fryser, är det en endoterm eller exoterm process? Förklara.

(21)

Konceptkoll

Vätgas och syrgas reagerar häftigt och bildar vattenånga. Förklara...

Vad har lägre energi: en blandning av syrgas och vätgas eller

vattenånga?

(22)

Return to TOC

Arbete och energitransport

(23)

• Tillståndsstorhet

• ΔH = q vid konstant tryck

• ΔH = H_produkter – H_reaktanter

Entalpiförändring

(24)

Return to TOC

Entalpi = H = E + p·V ΔH = ΔE + p·ΔV

Inre Energi = E = Σ(KE+PE) ΔE = q + w = q – p·ΔV Vid konstant tryck:

q_p = ΔE + p·ΔV

ΔH = q_p = värmeenergiflöde

Entalpi, H

(25)

• Vetenskapen för mätning av reaktionsvärmet – Vid konstant tryck:

q_p = ΔH = C_H2O · m_H2O · ΔT_H2O – Vid konstant volym:

q_v = ΔE = C_H2O · m_H2O · ΔT_H2O

Kalorimetri

(26)

Return to TOC

Kalorimetri

• Konstant tryck

(27)

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

(28)

Return to TOC

Bombkalorimeter

• Konstant volym

• Varierande tryck

• Gör skäl för sitt

namn när den slutar fungera

(29)

Övning

Beakta förbränningen av propan:

C₃H₈(g) + 5O₂(g) → 3CO₂(g) + 4H₂O(l)

ΔH = –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.

(30)

Return to TOC

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)

(31)

• 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).

(32)

Return to TOC

1. Entalpiförändringen är oberoende reaktionsvägen

N₂(g) + O₂(g) → 2NO(g) ΔH = 180 kJ 2NO(g) + O₂(g) → 2NO₂(g) ΔH = −112 kJ N₂(g) + 2O₂(g) → 2NO₂(g) ΔH = 68 kJ

2. Omvänd reaktion ger teckenbyte:

N₂(g) + O₂(g) → 2NO(g) ΔH = 180 kJ 2NO(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

+

(33)

1. Förening

För en gas är trycket 1 atm.

För en lösning är koncentrationen 1 M

För en vätska eller fast ämne är standardtillståndet det rena ämnet.

2. Grundämne

Aggregationstillståndet vid 1 atm and 25°C [ex.vis. N₂(g), K(s)].

Standardtillstånd

(34)

Return to TOC

Principen av Hess lag

(35)

(36)

Return to TOC

• 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

(37)

1. Förening

För en gas är trycket 1 atm.

För en lösning är koncentrationen 1 M

För en vätska eller fast ämne är standardtillståndet det rena ämnet.

2. Grundämne

Aggregationstillståndet vid 1 atm and 25°C [ex.vis. N₂(g), K(s)].

Standardtillstånd

(38)

Return to TOC

ΔH°_f för ett ämne är entalpiförändringen då av 1 mol av ämnet bildas från dess grundämnen vid standardtillstånd

Standardbildningsentalpi, ΔH°_f

(39)

Standardbildningsentalpier

(40)

Return to TOC

Entalpiförändringen vid kemiska reaktioner

• kan beräknas ur standardbildningsentalpierna för reaktanter och produkter.

ΔH_r° = Δn·Δ H_f°(produkter) - Δn·ΔH_f°(reaktanter)

• värdet ΔH_r° beror på hur reaktionslikheten är given

• om reaktionen är omvänd, är ΔH_r° omvänd

• om koefficienten för en reaktion multipliceras med en siffra, multipliceras ΔH_r° med samma siffra.

• grundämnen i sitt standardtillstånd, ΔH_f° = 0

(41)

Utnyttjande av standardbildningsentalpier

CH₄(g) + 2O₂(g) → CO₂(g) + 2H₂O(l)

ΔH°_reaction = –(–75 kJ) + 0 + (–394 kJ) + (–572 kJ) = –891 kJ

(42)

Return to TOC

Övning

Beräkna ΔH° för reaktionen:

2Na(s) + 2H₂O(l) → 2NaOH(aq) + H₂(g) m.h.a. följande standardbildningsentalpier:

ΔH_f° (kJ/mol)

Na(s) 0

H₂O(l) –286 NaOH(aq) –470

H₂(g) 0

ΔH° = –368 kJ

(43)

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

(44)

Return to TOC

/Statistikcentralen - Energistatistik 2002/

Energikällor som utnyttjas i Finland

(45)

Energikällor: 1486 PJ

• Olja 25 %

• Kol 15 %

• Naturgas 11 %

• Kärnenergi 16 %

• Vattenkraft 4 %

• Vindkraft 0 %

• Träbränslen 21 %

• Torv 6 %

• Övriga 2 %

Slutanvändning: 1125 PJ

• Industri 50%

• Transport 16%

• Uppvärmning 22%

• Övrigt 11%

Energikällor och slutanvändning i Finland 2004

(46)

Return to TOC

Energikällor i USA 1850 – 2000

(47)

• Sol

• Vatten

• Vind

• Biomassa – Avfall – Torv

Förnyelsebara energikällor

(48)

Return to TOC

Växthuseffekt

(49)

Koldioxid och medeltemperatur

(50)

• Energi

– lagar, former, källor

• Transport

– system, värme, arbete

• Entalpi

– förändring, Hess lag, ΔH_f°

Termodynamik, del 1