9.5.2014 Energian muutokset Sähköisen oppimisen edelläkävijä | www.e-oppi.fi Lämpökemiaa • • • Eksoterminen reaktio = reaktio, jossa vapautuu lämpöenergia (∆H < 0) Endoterminen reaktio = reaktio, jossa sitoutuu lämpöenergiaa (∆H > 0) Entalpia ja entalpian muutos – Reaktiossa vapautuvaa tai sitoutuvaa lämpötilaa sanotaan reaktiolämmöksi; sitä merkitään ∆H – ∆H = H (reaktiotuotteet) – H (lähtöaineet); jossa H ilmoittaa reaktiotuotteiden ja lähtöaineiden lämpösisällöt eli entalpiat (näitä ei voida mitata) – Entalpian muutos ∆H, ilmoittaa vakiopaineessa tapahtuvan reaktion reaktiolämmön Hessin laki – energian säilymisen periaatteesta seuraa se, että reaktiolämpö on riippumaton siitä, tapahtuuko reaktio suoraan vai välivaiheiden kautta 8.5.2014 Orbitaali 3 -kalvoaineisto 39 1 9.5.2014 Lämpökemian töitä 1 • Demo 1 – Ammoniumnitraattiin vettä – Kaksi teelusikallista ammoniumnitraattia NH4NO3 muovipussiin. Lisää kaksi millilitraa vettä. Sulje pussi ja sekoita sisältö. • Demo 2 – Rikkihappoa veteen – Laita erlenmeyeriin 30 ml vettä ja mittaa lämpötila. Lisää pienissä erissä, koko ajan sekoittaen, 5 ml väkevää rikkihappoa H 2SO4 (KÄYTÄ SUOJALASEJA). Mittaa seoksen lämpötila. • Demo 3 – Magnesiumia suolahapossa – Laita erlenmeyeriin ¼ lusikallinen magnesiumlastuja (jauhetta). Laita astiaan lämpömittari ja lisää siihen 20 ml 1 M vetykloridiliuosta HCl. HAVAINNOT? • Mitä havaitaan? Onko ilmiö endo- vai eksoterminen? Kirjoita ilmiötä kuvaava reaktioyhtälö olomuotomerkintöineen. Mitä sidoksia katkeaa, mitä muodostuu. 8.5.2014 Orbitaali 3 -kalvoaineisto 40 Veden eri olomuodot - entalpiamuutoksia 8.5.2014 Orbitaali 3 -kalvoaineisto 41 2 9.5.2014 Hessin lain soveltaminen – perusmuodostumislämpö ja sidosenergia • Perusmuodostumislämpö ∆H 0f on lämpöenegia, joka sitoutuu tai vapautuu, kun perustilassa olevista alkuaineista muodostuu yksi mooli ainetta – Perustilassa olevan puhtaan alkuaineen perusmuodostumislämpö on 0 kJ/mol • Sidosenergia on energiamäärä, joka vapautuu sidoksen muodostuessa (kaasufaasissa) – Mitä suurempi sidoksen sidosenergian arvo on, sitä voimmakkaampi sidos on kyseessä – Sidoksen katkeaminen vaatii energiaa eli se on endoterminen reaktio; sidoksen muodostuessa vapautuu energiaa eli kyseessä on eksoterminen reaktio 8.5.2014 Orbitaali 3 -kalvoaineisto 42 Hessin laki – tapaus NO2 8.5.2014 Orbitaali 3 -kalvoaineisto 43 3 9.5.2014 Hessin lain soveltamista • C (s) + 2 H2 (g) --> CH4 (g) Muodostumislämpö lasketaan kolmen reaktion avulla: (1) C (s) + O2 (g) --> CO2 (g); ∆H1 = -394 kJ (2) 2 H2 (g) + O2 (g) --> 2 H2O (l); ∆H2 = -572 kJ (3) CH4 (g) + 2 O2 (g) --> CO2 (g) + 2 H2O (l) ; ∆H3 = -890 kJ C(grafiitti) + O2(g) → CO2(g) ΔH = –394kJ CO2(g) + 2 H2O(l) → CH4(g) + 2O2(g) ΔH = +890 kJ C(grafiitti) + O2(g)+ CO2(g) + 2 H2O(l) → CO2(g) + CH4(g) + 2 O2(g) ΔH = +496 kJ C(grafiitti) + 2 H2O(l) → CH4(g) + O2(g) ΔH = +496 kJ • Jatkuu … 8.5.2014 Orbitaali 3 -kalvoaineisto 44 Liukoisuus • Kun ainetta liuotetaan veteen tai johonkin muuhun liuottimeen (voi olla myös kaasu), liukenevaa ainetta koossa pitäviä sidoksia katkeaa. Katkeavat sidokset voivat olla vahvoja tai heikkoja sidoksia. • Muodostuu uusia sidoksia liuottimen ja liukenevan aineen tai sen rakenneosien välille. • Liukenemisen edellytyksenä on, että liukenevan aineen ja liuottimen välille muodostuvat uudet sidokset ovat suurin piirtein yhtä vahvoja kuin liukenevaa ainetta tai sen rakenneosia koossa pitävät sidokset. 8.5.2014 Orbitaali 3 -kalvoaineisto 45 4 9.5.2014 Miksi reaktio tapahtuu? • Kemialliseen reaktioon vaikuttaa kaksi samanaikaista tekijää: 1. 2. • • Kemiallisen systeemin pyrkimys energiaminimiin Kemiallisen systeemin pyrkimys suuntaan, jossa sen epäjärjestys kasvaa Pelkästään siitä, että reaktio on mahdollinen, ei voida päätellä, miten nopeasti reaktio tapahtuu Gibbsin energia, entropia (Neon3 –kirjassa) – Muutos (reaktio) on spontaani, jos siihen liittyvä Gibbsin energianmuutos ∆G on negatiivinen – Kun reaktiot tapahtuvat vakiopaineessa ja – lämpötilassa, Gibbsin energianmuutos on: ∆G=∆H–T∆S ∆S<0 ∆S>0 ∆H>0 Ei koskaan spontaani On riippuvainen lämpötilassa ∆H<0 On riippuvainen lämpötilasta Aina spontaani 8.5.2014 Gibbsin energia Termodynamiikan toisen pääsäännön mukaisesti eristetty systeemi pyrkii spontaanisti kehittymään suuntaan, jossa entropia (epäjärjestys) kasvaa. Käytännön teknillisissä prosesseissa usein lämpötila ja paine ovat vakioita. Tällöin voidaan osoittaa, että tasapainotila saavutetaan, kun Gibbsin energia G saa minimiarvon. Gibbsin energia G määritellään kaavalla G = H – TS , jossa H on systeemin entalpia, T lämpötila ja S entropia (Lähde: Wikipedia Gibbsin energia) Orbitaali 3 -kalvoaineisto 46 5