background image

2009-11-24

1

Chemia VI

Termochemia

Termochemia

Charakterystyka zmian energii

towarzyszących przemianom

chemicznym, w tym

także procesom przebiegającym w

złożonych

układach

makrocząsteczkowych

jest

przedmiotem

termodynamiki

,

działu

nauki

o

szczególnie logicznej konstrukcji.

Trzy

zwięzłe twierdzenia, trzy zasady termodynamiki

stanowią najbardziej zwarty obraz naszej wiedzy o energii,
a logiczne konsekwencje tych zasad

dotyczą każdego

zjawiska fizycznego i chemicznego.

background image

2009-11-24

2

• Otoczenie

Energia

Układ

Probówka, w której zachodzi reakcja chemiczna, kolba z 

reagentami, naczynie kuchenne - 1 mol gazowego SO

2

izolowanym naczyniu, 

roztwór 0,4 molowego KNO

3

lub 

pojedynczy kryształ-NaCl.

Układ

• nie wymieniający z otoczeniem materii jest 

nazywany 

układem zamkniętym

• wymieniający materię z otoczeniem -

układem otwartym

• nie wymieniający z otoczeniem ani materii, 

ani energii (nie oddziałujący z otoczeniem) 
nazywa się 

układem izolowanym

background image

2009-11-24

3

Zasady termodynamiki

• pierwsza zasada termodynamiki

- zmiana energii 

wewnętrznej układu równa jest różnicy ciepła 

dostarczonego do układu i pracy wykonanej przez 

ten układ. 

• druga zasada termodynamiki

- istnieje entropia 

będąca funkcją stanu układu, stałą w odwracalnych 

procesach adiabatycznych i rosnącą we wszystkich 
innych. 

• trzecia zasada termodynamiki

-

entropia układu o 

ustalonych parametrach (np. o stałym ciśnieniu lub 

objętości) i temperaturze zmierzającej do zera 

bezwzględnego zmierza również do zera.

Proces adiabatyczny

• Proces adiabatyczny to proces, w którym 

gaz nie wymienia ciepła z otoczeniem

• Proces taki zachodzi w układzie dobrze 

izolowanym termicznie, albo gdy 
przeprowadzony zostanie na tyle szybko, by 
gaz nie zdążył wymienić ciepła z otoczeniem. 

• Otrzymanie równania wiążącego ze sobą 

parametry gazu w procesie adiabatycznym. 

• pV =nRT 

gdzie n-l. moli, R - st. Rydberga

• p

1

V

= p

2

V

2

background image

2009-11-24

4

Pojęcia

• W celu precyzyjnego zrozumienia zasad 

termodynamicznych niezbędne jest 
zrozumienie i przyswojenie niektórych pojęć 
z dziedziny termodynamiki chemicznej, 
takich jak; 

układ, energia cieplna, energia 

chemiczna, energia wewnętrzna, ciepło 
reakcji, entalpia, entropia.

Typ układu

• Układ nie wymieniający z otoczeniem 

materii jest nazywany 

układem 

zamkniętym

, a układ wymieniający 

materię z otoczeniem -

układem 

otwartym

. Układ nie wymieniający z 

otoczeniem ani materii, ani energii (nie 
oddziałujący z otoczeniem) nazywa się 

układem izolowanym

background image

2009-11-24

5

Stan układu, praktycznie określa się przez 

podanie makroskopowych wielkości

• temperatura 

• ciśnienie 

• objętość 

• skład chemiczny, 

• stężenia składników, 

Wielkościami termodynamicznymi

służącymi do opisywania pod względem energetycznym 

stanu układu są:

• energia wewnętrzna - U 
• entalpia - H 
• entropia - S 
• entalpia swobodna – G

• molowa energia wewnetrzna - U

m

= U/n 

• entalipa molowa - H

m

= H/n 

• entropia molowa - S

m

= S/n 

• molowa entalia swobodna - G

m

= G/n

background image

2009-11-24

6

Energia wewnętrzna U

-

energia układu związana z wzajemnymi ruchami i 

oddziaływaniami poszczególnych jego części: 
cząsteczek, atomów i jonów. Składa się z energii 
kinetycznej (U

kin

) cząsteczek, atomów i jonów, 

energii potencjalnej (U

pot

) wzajemnego 

oddziaływania cząsteczek oraz energii kinetycznej 
(U

jadr

) jąder atomowych.

• U = U

kin

+ U

pot

+ U

jadr

Energia

• Energia cieplna

-

jest to część energii wewnętrznej 

układu, której zródłem jest energia kinetyczna ruchu 

cząsteczek.

• Energia chemiczna

-

część energii wewnetrznej 

układu w postaci energii potencjalnej wiązań 

wewnątrzcząsteczkowych i wzajemnych 

oddziaływań cząsteczek.
Podczas przebiegu reakcji chemicznej w wyniku 
tworzenia

wiązań część energii chemicznej 

przekształca się w inne rodzaje energii, np. jako 
energia elektryczna.

background image

2009-11-24

7

Pierwsza zasada termodynamiki

• znana jest także pod nazwą zasady zachowania 

energii.

Jeżeli przyjmiemy, że masa reagującego układu 

praktycznie nie ulega zmianie w czasie zachodzących 

w nim procesów fizycznych i chemicznych to pierwsza 

zasada termodynamiki mówi nam, że;

zmiana energii wewnętrznej układu U będzie wynikiem 

wymiany energii przez układ na sposób ciepła Q oraz 

przekazania energii przez układ otoczeniu, bądź 

dostarczeniu energii do układu z otoczenia na sposób 
pracy W.

• Wiąże to następująca zależność:

U = Q + W

Przemiana izochoryczna

• Dla przypadku, kiedy proces zachodzi w 

stałej objętości - objętość układu 
reagującego nie ulega zmianie i nie ma w 
związku z tym wymiany pracy między 
układem a otoczeniem (W=0) :

U = Q

v

• ciepło przemiany zachodzącej w stałej

objętości

jest

równe

zmianie

energii

wewnętrznej układu

background image

2009-11-24

8

Ciepło molowe

• Jezeli przez C

v

oznaczymy ciepło molowe w 

stałej objętości, czyli ciepło potrzebne do 
ogrzania 1 mola substancji o 1

o

K w stałej 

objetości, to wtedy dla jednego mola 
otrzymujemy zależność:

U = C

v

*  T

Przemiana izobaryczna

• Jeżeli układ w czasie przemiany zmienia 

objętość, to wówczas energia wewnętrzna 
tego układu zmienia się zarówno na skutek 
wymiany ciepła jak i pracy z otoczeniem.
Gdy zmiana objetości odbywa się, pod 
stałym ciśnieniem zewnętrznym p, wtedy:

• W = -p V

background image

2009-11-24

9

Większość procesów chemicznych przebiega w 

czasie przemiany chemicznej pod stałym 

ciśnieniem atmosferycznym. 

• równanie wyrażające I zasadę termodynamiki 

przyjmie prostszą postać:

U = Q

p

- p V

czyli

Q

p

=  U + p V

Q

p

- oznacza

ilość ciepła wymienioną przez

układ z otoczeniem w procesie izobarycznym

Entalpia

• Wyrażenie U + pV jest więc funkcją 

stanu. Funkcję tę nazywamy 

entalpią

(symbol H) lub zawartością cieplną 
układu:

• U + pV = H

background image

2009-11-24

10

Zmiana entalpii układu

• Dla stanu początkowego przed przemianą 

mamy więc:

• U

1

+ pV

1

= H

1

a dla stanu końcowego:

• U

2

+ pV

2

= H

2

Zatem

• Q = H

2

- H

1

=  H

Równanie to oznacza, że ciepło reakcji 

zachodzącej pod stałym ciśnieniem jest 

równe zmianie entalpii.

Zmiany entalpii zależą od temperatury

• Jeżeli przez C

p

to

ciepło molowe pod stałym ciśnieniem, czyli 

ilość ciepła potrzebną do ogrzania 1 mola substancji o 1

o

przy p = const, to dla jednego mola otrzymamy:

H = C

p

T

Efekt cieplny jest

indywidualną cechą każdej reakcji,

• zależną od ilości reagentów i stanu ich skupienia. 
• opisując przemianę, należy podawać równanie chemiczne, 

ilość głównego reagentu, stany skupienia wszystkich 
reagentów - indeksy s, c, g, aq do fazy stałej, ciekłej, gazowej 
oraz rozcieńczonego roztworu wodnego. Oto przykład.

• H

2(g)

+ 1/2O

2(g)

---> H

2

O

(c)

background image

2009-11-24

11

Zmiany

• Bezwzględne wartości entalpii, podobnie jak energii 

wewnętrznej, nie są mierzalne bezpośrednio-
odnosząc te zmiany najczęściej względem tzw. stanu 
standardowego.

• standardowa energia i standardowa entalpia reakcji 

są wyłącznie funkcjami temperatury; są na ogół 
podawane wartości w temperaturze 298,15 K 
(25,00

o

C).

Dla celów termochemicznych przyjęto umownie, że 
molowe entalpie standardowe wszystkich 
pierwiastków w ich stanach standardowych są równe 
zeru.

Stanem standardowym

• reagentów gazowych, stałych i ciekłych jest 

czysta substancja pod ciśnieniem P

o

= 10

5

Pa 

(1 bar -

dokładnie) w podanej temperaturze. 

• Stanem standardowym reagentów będących 

składnikami roztworu jest fikcyjny roztwór 
doskonały o molalności 1mol/1000g 
rozpuszczalnika.

• Funkcje standardowe oznacza się kółeczkiem 

w prawym górnym indekse, np.  H

o

(298 K).

background image

2009-11-24

12

Standardowe efekty cieplne

• odnoszą się do fikcyjnej reakcji, w której z czystych 

substratów powstają czyste produkty lub do reakcji 
jonowej przebiegającej w fikcyjnym roztworze 
doskonałym (bez oddziaływań między-jonowych). 
Na tej podstawie możemy zdefiniować 

molowe 

ciepło tworzenia związku chemicznego

• Molowe ciepło tworzenia związku chemicznego jest 

to ciepło tworzenia 1 mola tego związku z 
pierwiastków w stanie standardowym.

Na przykład molowe ciepło tworzenia dwutlenku 
węgla będzie równe:

• C

grafit(s)

+ O

2(g)

--> CO

2(g)

H

o

298

= - 393,42 kJ/mol

Pierwsze prawo termochemiczne -

prawo Laplace'a

• molowa entalpia reakcji rozkładu związku 

chemicznego na pierwiastki jest równa molowej 

entalpii reakcji tworzenia się tego związku, wziętej ze 
znakiem przeciwnym

CO

g

+ H

2

O

(g)

--> CO

2(g)

+ H

2(g)

H

o

298

= -41,59kJ/mol

• jest 

egzotermiczna

reakcja odwrotna

CO

2(g)

+ H

2(g)

--> CO

(g)

+ H

2

O

(g)

H

o

298

= +41,59 kJ/mol

• jest 

endotermiczną

background image

2009-11-24

13

Prawo Laplace'a

Pierwsze prawo termodynamiki

Jeżeli A + B → C + Q

tw

to C → A + B -Q

tw

Prawo to można uogólnić na wszystkie reakcje 

chemiczne. Jeżeli reakcja przebiega w obydwu 
kierunkach, to przy zmianie kierunku reakcji 
wielkości ΔH liczbowo nie ulegają zmianie, a 
jedynie przyjmują przeciwne znaki. 

Drugie prawo termochemiczne

(prawo Hessa)

• molowa entalpia przemiany zależy jedynie od 

stanu początkowego i końcowego reagującego 
układu, a nie zależy od drogi przemiany.

Z prawa Hessa -

ciepło dowolnej reakcji Q

r

równa się sumie ciepeł tworzenia produktów, 
pomniejszonej o sumę ciepeł tworzenia 
substratów (z uwzględnieniem liczby moli n 
każdego produktu i substratu).

• Q

r

=  n

i

Q

p

- n

i

Q

s

background image

2009-11-24

14

Drugie prawo termochemiczne

(prawo Hessa)

• Odpowiednio standardowa entalpia molowa 

reakcji, równa jest sumie standardowych 
entalpii molowych tworzenia produktów 

n

i p

H

o

298

pomniejszonej o sumę 

standardowych molowych tworzenia 
substratów  n

i s

H

o

298

.

r

H

o

298

=  n

i p

H

o

298

- n

i s

H

o

298

Prawo Hessa

Drugie prawo termodynamiki:

Efekt cieplny reakcji chemicznej nie zależy od

drogi przemiany danych substratów w
określone produkty, jeżeli tylko wszystkie
przemiany

izobaryczne

lub

izochoryczne (przebiegają pod stałym
ciśnieniem lub w stałej objętości) i nie
towarzyszy im praca nieobjętościowa.

background image

2009-11-24

15

Metoda I

• NH

3(g)

+ HCl

(g)

--> NH

4

Cl

(s)

H = -176,15 kJ/mol

• NH

4

Cl

(s)

+ H

2

O

(c)

-->NH

4

Cl

(aq)

H = +16,32 kJ/mol

ogólny efekt cieplny  H = -159,83 kJ/mol

Metoda II

• NH

3(g)

+ H

2

O

(c)

--> NH

3(aq)

H = -35,15 kJ/mol

• HCl

(g)

+ H

2

O

(c)

--> HCl

(aq)

H = -72,38 kj/mol

• NH

3(aq)

+ HCl

(aq)

--> NH

4

Cl

(aq)

H = -52,30 kJ/mol

ogólny efekt cieplny  H = -159,83 kJ/mol

background image

2009-11-24

16

Ciepło właściwe - c (pojemność cieplna)

jest to ilość energii jaką musimy dostarczyć na sposób ciepła

aby ogrzać 1kg substancji o 1K. 

Jednostką ciepła właściwego jest J

.

kg

-1.

K

-1 

c=Q

.

m

-1.

ΔT

-1

.

Substancję możemy ogrzewać izochorycznie lub izobarycznie

Dla ciał stałych i cieczy nie ma to większego znaczenia
Na ogrzanie substancji gazowej 
- przy stałym ciśnieniu potrzeba dostarczyć nieco większej

ilości ciepła niż na ogrzanie identycznej ilości substancji w 

stałej objętości

c

p

- ciepło wł. przy p=const,  c

v

-ciepło wł. w V=const. 

Najczęściej mamy do czynienia z ciepłem właściwym przy 

stałym ciśnieniu.

Molowe ciepło właściwe - C

Ilość energii jaką musimy dostarczyć na sposób ciepła by 

ogrzać 1mol substancji o 1K. 

Jednostką molowego ciepła właściwego jest J

.

Mol

-1.

K

-1

C=Q

.

n

-1.

ΔT

-1

substancję możemy ogrzewać przy stałym ciśnieniu - C

p

lub w stałej objętości C

v

Dla ciał stałych ciepła te są praktycznie sobie równe. 
Dla substancji gazowych C

p

>C

v

ponieważ przy stałym 

ciśnieniu ogrzewany gaz rozpręża się i wykonuje 
dodatkową pracę (pracę objętościową). Dlatego musimy 
dostarczyć dodatkową ilość energii równą pracy 
objętościowej. 

background image

2009-11-24

17

Ciepło spalania

• nazywany jest efekt cieplny towarzyszący 

spalaniu jednego mola substancji. Najczęściej 
ciepło spalania podawane jest dla reakcji 
przebiegającej w warunkach standardowych 
(temp 298,15K, ciśnienie P=1013,25hPa). 

• W takich warunkach produktami reakcji są 

gazowy tlenek węgla(IV), ciekła woda i 
niekiedy azot. 

Ciepło tworzenia ( Entalpia tworzenia)

Każda substancja chemiczna ma charakterystyczne dla 

siebie ciepło tworzenia. 

Ciepłem tworzenia Q

tw

związku chemicznego nazywa się 

efekt cieplny towarzyszący syntezie jednego mola tego 

związku w warunkach standardowych (temp. 298,15K, 

ciśnienie P=1013,25hPa) z substancji prostych 

(pierwiastków) w postaci trwałej w podanych warunkach.

Umownie ciepło tworzenia substancji prostych (N

2

, Na, Fe, 

O

2

, S, P) trwałych w warunkach standardowych jest 

równe zeru. Jednakże odmiany alotropowe jak ozon, 

siarka jednoskośna, fosfor biały lub czarny mają w tych 

warunkach ciepła tworzenia różne od zera. Ciepło 
tworzenia Q

tw

to standardowa entalpia tworzenia ΔH

298

o

background image

2009-11-24

18

Zadanie

• Oblicz entalpię rekakcji 
• 3C

(s)

+ 4H

2(g)

= C

3

H

8(g)

• widząc, że: 
C

3

H

8(g)

+ 5O

2(g)

=3CO

2(g)

+ 4H

2

O

(c)

ΔH=-2220kJ

2H

2(g)

+ O

2

= 2H

2

O

(c)

ΔH=-572kJ

C

(s)

+ O

2(g)

= CO

2(g)

ΔH=-394kJ

• Należy dodać stronami równania (1-3) tak by 

otrzymać poszukiwane równanie reakcji:

• C

3

H

8(g)

+ 5O

2(g)

→3CO

2(g)

+ 4H

2

O

(c)

-2220kJ (1)

2H

2(g)

+ O

2

→ 2H

2

O

(c)

-572kJ (2)

• C

(s)

+ O

2(g)

→ CO

2(g)

-394kJ (3)

• 3C

(s)

+ 4H

2(g)

→ C

3

H

8(g)

+Q

Rozwiązanie

background image

2009-11-24

19

Rozwiązanie c.d.

• W poszukiwanym równaniu 

termochemicznym występują 3 mole węgla i 
4 mole wodoru. 

• Równania (2) i (3) należy pomnożyć 

odpowiednio przez 2 i 3:
4H

2(g)

+ 2O

2

→ 4H

2

O

(c)

-1144kJ (4)

3C

(s)

+ 3O

2(g)

→ 3CO

2(g)

-1182kJ (5)

Rozwiązanie c.d.

• W poszukiwanym równaniu propan jest po stronie 

produktów. Równanie (1) należy więc przekształcić 
korzystając z prawa Laplace'a:
3CO

2(g)

+ 4H

2

O

(c)

→ C

3

H

8(g)

+ 5O

2(g)

+2220kJ (6)

• Po dodaniu stronami równań (4-6) i redukcji 

wyrazów podobnych otrzymamy poszukiwane 
równanie: 
3C

(s)

+ 4H

2(g)

→ C

3

H

8(g)

-106kJ

background image

2009-11-24

20

Przemiana samorzutna

• jest to przemiana, która zachodzi bez potrzeby napędzania 

przez zewnętrzny bodziec 

• wymianę energii na sposób ciepła, wykonywanie pracy 

objętościowej, dyfuzję (wyrównanie stężeń) i reakcje 
chemiczne (w określonych warunkach ciśnienia i 
temperatury reakcja chemiczna przebiega w określonym 
kierunku). 

• Szybkość przemiany samorzutnej maleje w miarę upływu 

czasu i układ zamknięty zbliża się do stanu równowagi 
termodynamicznej.

Entropia -

S

• Entropia, podobnie jak energia wewnętrzna U i 

entalpia H, jest funkcją stanu, tzn, jej zmiany 

wyznacza jedynie stan początkowy i końcowy układu, 

a nie zależą one od drogi przemiany.

• Jest miarą nieuporządkowania
• duża entropia - tj. wielkiego nieładu, z dużą ilością 

energii w postaci cieplnych ruchów rozproszonych 

atomów i cząsteczek – mała entropia - tj. 

uporządkowanego ułożenia, niewielkiej ilości energii w 

układzie, z atomami i cząsteczkami zlokalizowanymi.

Entropia substancji może wzrosnąć w dwojaki sposób;
• w wyniku ogrzewania 
• w wyniku zwiększenia się liczby miejsc.

background image

2009-11-24

21

Entalpia swobodna

całkowita zmiana entropii = zmiana entropii 

układu + zmiana entropii otoczenia

S

całk.

=  S +  S

otocz.

Wyrażenie -T S

całk.

określa zmianę tzw. 

entalpii swobodnej  G

Entalpia swobodna definiowana jest wzorem:

G = H - TS

G =  H - T S 

• Ogrzewając zwiększamy 

nieporządek 

termiczny

-

nieład wynikający z cieplnych 

ruchów cząsteczek. 

• Zwiększenie liczby miejsc możemy uzyskać w 

wyniku zwiększenia objętości lub zmieszania 
substancji z inną substancją. 

• Takie zwiększenie objętości lub zmieszanie z 

inną substancją rozprzestrzenia cząsteczki 
substancji na dodatkowych miejscach, co 
nazywamy 

nieporządkiem pozycyjnym.

background image

2009-11-24

22

Czynniki sprzyjające samorzutności

Zmiana entalpii

Zmiana 

entropii

Proces samorzutny

Egzotermiczna, 

( H < 0)

Wzrost, 

( S > 0)

Tak,  G < 0

Egzotermiczna, 

( H < 0)

Zmniejszenie 

( S < 0)

Tak, jeśli |T S| <  H, 

G < 0

Endotermiczna, 

( H > 0)

Wzrost,

( S > 0)

Tak, jeśli T S >  H, 

G < 0

Endotermiczna, 

( H > 0)

Zmniejszenie 

( S < 0)

Nie,  G > 0