BiKe-Wiki

Biologi och kemi wiki

User Tools

Site Tools


termokemi

Termokemi

Övningsuppgifter inför provet VT2016

Grundläggande är att energi vare sig kan förstöras eller nybildas, men däremot omvandlas mellan olika former. Till exempel kan den kemiskt bundna energin i ett bränsle omvandlas till värme, som i sin tur kan omvandlas till rörelseenergi.

Termisk energi

Ämnens värmekapacitet

Olika ämnen har olika förmåga att lagra energi, de har olika värmekapacitet. För vatten innebär detta att det krävs 4,18 J för att öka temperaturen hos 1 g vatten med 1 C: vattnets värmekapacitet är därför 4,18 J/(g*K). För etanol krävs det bara 2,43 J för att få till samma temperaturökning.

Dessa värden varierar lite med olika temperaturer och faser, värdena i tabellen gäller vid 25 C1).

Ämne Specifik värmekapacitet (J/g*K)
Vatten 4,18
Järn 0,449
Stål 0.466
Luft 1,00
Aluminium 0,90
Koppar 0,39
Djurkropp2) 3,5

Som framgår av tabellen har vatten en mycket hög värmekapacitet, faktiskt bland de högsta (räknat per massenhet, det ser lite annorlunda ut om man räknar per volymenhet eller per mol).

Vid olika temperaturer och faser ändras värdena, som exempel gäller följande för vatten

Fas (temperatur) Specifik värmekapacitet (J/g*K)
Vattenånga (100C) 2.08
Vatten (25C) 4.18
Vatten (100C) 4.18
Is (-10C) 2,11

Som du ser har vatten i fast- och gasform betydligt lägre värmekapacitet än i vätskeform.

Beräkningar av avgiven eller upptagen värmeenergi

Den värmeenergi som behövs kan beräknas med formeln

$ q = c \cdot m \cdot \Delta T $

där c=ämnet specifika värmekapacitet (i enheten 1 J/(g*K)) och m= ämnets massa. $\Delta T$ är givetvis förändringen i temperatur. Om $\Delta T > 0$ stiger temperaturen, om det är <0 minskar den.

Elektronenergi

När t.ex. ett par fria väteatomer binds till en vätemolekyl (2 H → H2) frigöra energi. Denna energi kommer från elektronernas elektronenergi. När en elektron rör sig runt en atomkärna har den både lägesenergi3) och rörelseenergi: summan av dessa är dess totala elektronenergi. För en vätemolekyl är denna totala energi mindre än summan för den enskilda atomerna, och överskottet frigörs därför:

2 H → H2 + 436 kJ/mol

Den frigjorda energin frigörs som värme,

När atomer och molekyler deltar i kemiska reaktioner ändras alltid den totala elektronenergin, genom att vissa bindningar bryts och andra bildas: detta är den kemiska energin som omsätts i den kemiska reaktionen.

Energifattiga och energirika ämnen

Eftersom ämnen med svaga bindningar har mer elektronenergi än de med starka bindningar är de förra energirika. Till exempel koldioxid och vatten har mycket starka bindningar, och därför avger många reaktioner som leder till att dessa bildas energi, de är exoterma.

Exoterma och endoterma reaktioner

När ett bränsle brinner sker en kemisk reaktion:

C(s) + O2 → CO2 + värme

Eftersom reaktionen avger värme kallas den för exoterm. När det bildas bindningar mellan kol och syre frigörs energi. Samtidigt krävs det dock energi för att bryta t.ex. bindningen mellan de två syre-atomerna: bara om det frigörs mer energi än som går åt räknas reaktionen som exoterm.

Om man läöser ammoniumnitrat i vatten blir lösningen kall4), och denna reaktion är därför endoterm.

NH4NO3(s) + H2O → NH4+(aq) + NO3-(aq) + H2O

Entalpi

Entalpi är den energi som finns lagrad i ett ämne, både i form av elektronenergi och värmeenergi.

Vid en reaktion där det frigörs energi (totalt)säger man att den totala energiändringen är systemets entalpiändring, skrivet $\Delta$H. Då energin avges får denna ändring ett negativt tecken5). Om vi t.ex. låter järn och svavel reagera sker följande reaktion

Fs(s) + S(s) → FeS(s) + 100 kJ/mol

I denna reaktion blir därför Delta-H -100 kJ. Då detta är när grundämnena järn och svavel bildar FeS är detta bildningsentalpin för FeS. Man använder betecknngen Delta-Hf för detta6).

När man skriver en reaktionsformel kan man ange entalpiändringen efter själva reaktionen

Fe(s) + S(s) → FeS(s) $\Delta H$ = -100 kJ

man kan även skriva in energin direkt i formeln

Fe(s) + S(s) → FeS(s) + 100 kJ

Bildningsentalpin och ämnens stabilitet

Ämnen som bildas genom endoterma reaktioner är alltid termiskt instabila, med andra ord kan en stöt eller mindre upphettning få dem att falla sönder.. Ett exempel på en sådan termiskt instabil förening är blyazid

Pb(N3)2 → Pb(s) + 3 N2(g) $\Delta H$ = -477 kJ

Blyazid är så pass instabilt att det exploderar vid upphetting eller om det får en stöt. Därför använder man det som initialsprängämne i tändhattar.

Varför sker en kemisk reaktion?

En reaktion som när den väl startat fortsätter av sig själv sägs vara spontan7). Ofta utvecklar spontana reaktioner värme, men inte alla spontana reaktioner är exoterma. Ett exempel är när du låter ett lättflyktigt ämne som eter eller etanol i handflatan och låter det avdunsta: det blir kallare.

Det som avgör om en reaktion är spontan är inte bara ändringen i entalpi, utan ändringen i entropi: partiklarna är från början packade i vätskan, men är sedan utspridda, och oordningen har därför ökat. Även energin har spridits: den går från din hand ut i rummet8).

Ändringen av entropi betecknas med $\Delta S = S_{slut} - S_{start} $ Om $\Delta S$ är positiv har spridningen av energi ökat, och därmed oordningen.

Gibbs fria energi: kravet för en spontan reaktion

Gibbs fria energi beräknas med formeln $\Delta G = \Delta H - T \cdot \Delta S$ är $\Delta H$ är systemets entalpiändring $\Delta S$ är entropiändringen i systemet och T är den absoluta temperaturen (i Kelvin).

En kemisk reaktion är spontan om $\Delta G <0 $, alltså om Gibbs fria energi minskar. Vi kan ni skapa en tabell över när en reaktion är spontan, alltså när

$\Delta G = \Delta H - T \cdot \Delta S <0$

Entalpi Entropi När spontan?
Exoterm $\Delta H <0$ Ökad entropi , $\Delta S >0 $ Vid alla temperaturer
Exoterm $\Delta H <0$ Minskad entropi , $\Delta S <0 $ Vid relativt låga temperaturer $\Delta H < T\cdot \Delta S$
Endoterm $\Delta H >0$ Ökad entropi , $\Delta S >0 $ Vid höga temperaturer $\Delta H < T\cdot \Delta S$
Endoterm $\Delta H >0$ Minskad entropi , $\Delta S <0 $ Aldrig spontan

Om man känner till ändringen i entalpi och entropi kan man alltså förutsägas om en reaktion skall är spontan eller inte om vi vet $\Delta H$ och $\Delta S$

2)
T.ex. människa. Genomsnitt av typisk vävnad.
3)
Lägesenergin avgörs av dess avstånd från atomkärnan.
4)
Det är oftast ammoniumnitrat som finns i s.k. kylpåsar som du kan köpa i idrottsbutiker för att kyla ned skador.
5)
De ingående ämnena har sammanlagt mindre energi i sina bindningar efter reaktionen än före
6)
Enheten är 1 J/mol
7)
Detta gäller även om den behöver “hjälp” att starta: tänk på en eld som brinner av sig själv när den väl har tänts.
8)
Entropi betecknas med S och har enheten $1 ~J \cdot K^{-1} \cdot mol^ {-1}$
termokemi.txt · Last modified: 2017/03/28 10:21 by Pär Leijonhufvud