Termochemie Termochemie je oblast termodynamiky zabývající se studiem tepelného zabarvení chemických reakcí, tzn. zajímá se, zda se teplo při chemické reakci uvolňuje či spotřebovává. Tato tepelná energie vzniká nebo je spotřebována v důsledku štěpení vazeb ve výchozích látkách a vzniku nových vazeb v produktech. Na rozštěpení vazeb je třeba energii dodávat, zatímco při vzniku vazeb se energie uvolňuje. Většina chemických reakcí probíhá za izobarických podmínek (konstantní tlak) kdy je reakční teplo rovno enthalpii ΔQp = ΔH. Tyto izobarické reakce dělíme na reakce exotermické a endotermické. Reakce, při kterých systém teplo uvolňuje, se nazývají exotermické, tedy ΔH < 0 (změna enthalpie za konstantního tlaku je záporná), systém předal teplo do okolí a je o tuto energii chudší. Průběh těchto dějů může být doprovázen i světelnými efekty, například hořením. Mezi exotermní reakce patří například hoření železa v kyslíkové atmosféře, hoření hořčíkové pásky, ředění kyselin, katalytický rozklad peroxidu vodíku oxidem manganičitým, zapálení prskavky. Kromě „prudkých“ reakcí existují i reakce, ve kterých se také uvolňuje energie, a přitom nemusí hořet. Příkladem mohou být některé krystalizace. Enthalpie (tepla) skupenských přeměn Teplo tání Výparné teplo Sublimační teplo Enthalpie (tepla) rozpouštěcí a zřeďovací Reakční enthalpie Slučovací teplo Spalné teplo Výhřevnost Reakční teplo = maximální teplo přijaté soustavou. Reakční tepla exotermických reakcí jsou záporná, reakční tepla endotermických reakcí jsou kladná. Reakce spojené se spotřebou tepla jsou označovány jako endotermické, pak ΔH > 0 (změna enthalpie za konstantního tlaku je kladná), systém od okolí energii přijal. Jsou to tedy reakce, kterým musíte dodávat energii. Například tepelný rozklad vápence. Teplo, které se uvolní, popřípadě spotřebuje při provedení chemické reakce s látkami ve standardním stavu, se nazývá standardní reakční teplo, nebo lépe standardní reakční enthalpie. Standardní reakční enthalpie udává změnu enthalpie určité reakce při teplotě 298,15 K (25°C) a tlaku 101,325 kPa. Standardní reakční enthalpii označujeme obvykle jako ΔH°298. I. zákon termochemie (Lavoisier-Laplaceův zákon) říká, že reakční enthalpie přímé a zpětné reakce jsou až na znaménka stejné. Hodnota reakční enthalpie závisí mj. na teplotě, při níž reakce probíhá, ale také na skupenském stavu. U plynných reakčních složek na jejich tlaku. Proto v termochemických rovnicích je třeba označit skupenský stav. pevná látka – s (solid) kapalná látka – l (liquid) plynná látka – g (gas) exotermická reakce endotermická reakce II. zákon termochemie (Hessův zákon): Reakční enthalpie kterékoliv chemické reakce nezávisí na způsobu jejího průběhu, ale pouze na počátečním a konečném stavu soustavy. Z druhého termochemického zákona vyplývá, že celkové tepelné zabarvení vícestupňové reakce je dáno součtem reakčních enthalpií všech dílčích reakcí. Příklad: 1 1 1 1 1 1 1 Reakční enthalpie oxidace grafitu na oxid uhelnatý je rovno – 283,6 kJ.mol-1. Termochemické zákony •1. termochemický zákon (zákon Laplace – Lavoisierův): • •Reakční teplo přímé a zpětné reakce jsou až na znaménko stejné. • •1. 2H2(g) + O2(g) → 2H2O(g) ΔH1= -483,9 kJ.mol-1 (exotermická reakce) • •2. 2H2O (g) → 2H2(g) + O2(g) ΔH2= 483,9 kJ.mol-1 (endotermická reakce) • •Příklad: •Určete změnu enthalpie při reakci rozkladu sulfanu na vodík a síru, víte-li, že Δ H reakce H2(g) + S(s) → H2S (g) je – 19, 74 kJ • •Řešení: •Na základě 1. termochemického zákona určíme, že Δ H = +19,74 kJ • Termochemické zákony •2. termochemický zákon (zákon Hessův): •Reakční teplo dané reakce je součtem tepel postupně prováděných reakcí, vycházejících ze stejných počátečních látek a končících stejnými produkty reakce. • 2C(s) + O2(g) → 2CO(g) ΔH1= -219,4 kJ.mol-1 2CO(g) +O2(g) → CO2(g) ΔH2= -566,5 kJ.mol-1 2C(s) + 2O2(g) → 2 CO2(g) ΔH= ΔH1+ ΔH2=-785,5kJ.mol-1 Příklad: Určete reakční enthalpii Δ H reakce CO(g) + 1/2O2(g) →CO2 (g) C(s, grafit) + O2 (g) → CO2(g) Δ H = −395 kJ C(s, grafit) + 1/2O2(g) → CO(g) Δ H = − 111 kJ Řešení: ΔH= -395 – (-111) = - 284 kJ Součet reakčních tepel dílčích reakcí musí být roven reakčnímu teplu reakce souhrnné. Teplo slučovací a spalné Slučovací teplo sloučeniny je reakční teplo reakce, při níž vznikne jednotkové látkové množství (1 mol) této sloučeniny přímo z prvků v nejstálejším stavu za daných podmínek. Standardní slučovací teplo dané látky (ΔH°T)sluč je standardní reakční teplo reakce, při které vznikne 1 mol této látky přímo z prvků ve standardním stavu za standardních podmínek, přičemž dané prvky jsou při zvolené teplotě a standardním tlaku ve své nejstálejší podobě. (například při 25°C je to grafit a ne diamant) Standardní slučovací teplo prvků v jejich nejstálejší podobě je nulové a totéž platí při všech ostatních teplotách. Spalné teplo sloučeniny je reakční teplo reakce, při níž se jednotkové látkové množství (1 mol) dané sloučeniny zoxiduje na nejstálejší oxidy anebo nejstálejší produkty oxidace. Standardní spalné teplo dané látky (ΔH°T)spal je standardní reakční teplo reakce, při které dojde ke spálení 1 molu této látky v nejstálejší podobě za standardních podmínek na konečné spalné produkty (obvykle nejstálejší oxidy, například u uhlíku je to CO2, u železa je to Fe2O3, apod.). Výpočet reakčního tepla ze slučovacích tepel •přímá přeměna prvků na produkty •přímá přeměna prvků na výchozí látky •výsledek (to, co chcete spočítat ΔH°T) – přeměna výchozích látek na produkty 1 1 1 1 Odečtením reakčních tepel odpovídajících přípravě výchozích látek přímo z prvků od reakčních tepel odpovídající přípravě produktů přímo z prvků, dostaneme reakční teplo hledané reakce. Standardní spalná a standardní slučovací tepla jsou tabelována. Na základě druhého termochemického zákona lze vypočítat standardní reakční teplo libovolné reakce, známe-li standardní spalná nebo slučovací tepla výchozích látek a produktů. Pro obecnou reakci: aA + bB ---› cC + dD kde a, b, c, d jsou stechiometrické koeficienty látek A, B, C, D A, B jsou výchozí látky C, D jsou produkty, pro výchozí látky a, b < 0 pro produkty c, d > 0. je reakční teplo: 1 Standardní slučovací teplo Příklad: Kolik se uvolní tepla při spalování methanu? CH4(g) + 2 O2(g) → 2 H2O(g) + CO2(g) Víme-li slučovací tepla: (△H2980)sluč CH4(g) = −76,37 kJ⋅mol−1 (△H2980)sluč CO2(g) = −393,97 kJ⋅mol−1 (△H2980)sluč H2O(g) = −242,00 kJ⋅mol−1 Řešení: Od součtu standardních slučovacích tepel produktu odečteme součet standardních tepel reaktantů. Slučovací tepla prvků se považují za nulová. △H2980 = ∑produktyv⋅(△H0298)sluč − ∑reaktantyv⋅(△H0298)sluč △H2980 = (2⋅(−242,00) + (−393,97)) − (−76,37) kJ⋅mol−1 △H2980 = −801,60 kJ⋅mol−1 Při spalování methanu se uvolní teplo 801,60 kJ⋅mol−1. Výpočet reakčního tepla ze spalných tepel výchozí látky se spálí v kyslíku na nejstálejší oxidy produkty se spálí v kyslíku na nejstálejší oxidy výsledek (to, co chcete spočítat ΔH°T) – přeměna výchozích látek na produkty 1 1 1 1 Je zřejmé, že pokud odečteme reakční tepla odpovídající přeměně produktů na jejich nejstálejší oxidy od reakčních tepel odpovídajících přeměně reaktantů na jejich nejstálejší oxidy, dostanete reakční teplo hledané reakce. Pro obecnou chemickou reakci aA + bB ---› cC + dD kde a, b, c, d jsou stechiometrické koeficienty látek A, B, C, D A, B jsou výchozí látky C, D jsou produkty, pro výchozí látky a, b > 0 pro produkty c, d < 0. Při výpočtu reakčních tepel ze slučovacích tepel jsou znaménka stechiometrických koeficientů u výchozích látek a produktů obráceně, než je tomu u slučovacích tepel. Pak reakční teplo 1 Příklad: Vypočítejte reakční teplo izomerace dimethyletheru na ethanol: CH3OCH3(l)→CH3CH2OH(l) známe-li spalná tepla: CH3OCH3(l) + 3 O2(g) → 2 CO2(g) + 3 H2O(l) (△H2980)spalCH3OCH3(l) = −1454 kJ⋅mol−1 CH3CH2OH(l) + 3 O2(g) → 2 CO2(g) + 3 H2O(l) (△H2980)spalCH3CH2OH(l) = −1402 kJ⋅mol−1 Řešení: Od součtu spalných tepel reaktantů, od kterých jsou odečtena spalná tepla produktů: △H2980 = (−1454) − (−1402) = −52 kJ⋅mol−1 Reakční teplo reakce je −52 kJ⋅mol−1. Standardní spalné teplo Příklad: Kolik se uvolní tepla při spalování methanu CH4(g) + 2 O2(g) → 2 H2O(g) + CO2(g) ? Slučovací tepla: (△H0298)sluč CH4(g) = −76,37 kJ⋅mol−1 (△H0298)sluč CO2(g) = −393,97 kJ⋅mol−1 (△H0298)sluč H2O(g) = −242,00 kJ⋅mol−1 Řešení: △H0298 = ∑vreaktanty⋅(△H0298 )spal−∑vprudukty⋅(△H0298 )spal △H0298 =(−1454)−(−1402) △H0298 =−52kJ⋅mol−1 Reakční teplo reakce je −52 kJ⋅mol−1. Výhřevnost je vlastnost paliva, která udává, kolik energie se uvolní úplným spálením jedné jednotky (obvykle 1 kg). Proti spalnému teplu není v hodnotě zahrnuto měrné skupenské teplo páry, obsažené ve spalinách (předpokládá se, že její teplo je nevyužitelné a uniká v plynném stavu se spalinami). Obsah obrázku snímek obrazovky Popis byl vytvořen automaticky Spalné teplo je takové množství tepla, které se uvolní dokonalým spálením jednotkového množství paliva (J/kg, resp. J/mol nebo J/m³). Předpokládá se, že voda, uvolněná spalováním, zkondenzuje a energii chemické reakce není třeba redukovat o její skupenské teplo. Tím se spalné teplo liší od výhřevnosti, kde se předpokládá na konci reakce voda v plynném skupenství. Proto je hodnota spalného tepla vždy větší nebo rovna hodnotě výhřevnosti. Rovnost nastává, když spalováním nevzniká voda. Spalné teplo a výhřevnost v energetice Výpočet reakčního tepla z vazelných energií Při vzniku chemické vazby se energie uvolňuje ( vazebná energie ) a při štěpení chemických vazeb se musí energie dodávat. (disociační energie). Obsah obrázku snímek obrazovky Popis byl vytvořen automaticky Příklad: Vypočítejte reakční teplo reakce CH4(g) + 4 F2(g) → CF4(g) + 4 HF(g) Vazebné energie: EC-H = 416,17 kJ⋅mol−1 EC-F = 489,86 kJ⋅mol−1 EH-F = 569,40 kJ⋅mol−1 EF-F = 158,26 kJ⋅mol−1 Řešení: Reakcí se rozštěpí na straně reaktantů 4 vazby C-H a 4 vazby F-F, vzniknou na straně produktů 4 vazby C-F a 4 vazby H-F: △H0298 =∑reaktantyv⋅(△H0298)vaz−∑pruduktyv⋅(△H0298)vaz △H0298 =(4⋅416,17+4⋅158,26)−(4⋅489,86+4⋅569,40) H0298 =−1939,32kJ⋅mol−1 Reakční teplo je −1939,32 kJ⋅mol−1. Z daných hodnot vypočítejte reakční teplo následující reakce: CH4(g) + 2 O2(g) → CO2(g) + 2 H2O(l) (1) C(s) + O2(g) → CO2(g) ΔH1 = -393,1 kJ·mol-1 (2) H2(g) + ½ O2(g) → H2O(l) ΔH2 = -285,6 kJ·mol-1 (3) C(s) + 2 H2(g) → CH4(g) ΔH3 = -73,1 kJ·mol-1 Reakční teplo reakce je -891,2 kJ·mol-1. Z daných hodnot vypočítejte reakční teplo následující reakce: C (s) + 2 H2(g) → CH4(g) ΔH = ? (1) C(s) + O2(g) → CO2(g) ΔH1 = -393,1 kJ·mol-1 (2) H2(g) + ½ O2(g) → H2O(l) ΔH2 = -285,6 kJ·mol-1 (3) CH4(g) + 2 O2(g) → CO2(g) + 2 H2O(l) ΔH3 = -889 kJ·mol-1 Reakční teplo reakce je 710,9 kJ·mol-1. Jaká bude hodnota reakčního tepla zpětné reakce? N2 (g) + 3 H2 (g) → 2 NH3 (g) ΔH0298 = -92,4 kJ⋅mol−1 92.4 kJ⋅mol−1 Pokud je reakční teplo chemické reakce -386,3 kJ⋅mol−1, je reakce exotermní? Ano Pomocí uvedených rovnic a hodnot reakčních tepel vypočítejte reakční teplo následující reakce: SnCl2 (l) + Cl2 (g) → SnCl4 (l) Sn (s) + 2 Cl2 (g) → SnCl4 (l) Δ H2980 = -544 kJ⋅mol−1 Sn (s) + Cl2 (g) → SnCl2 (l) Δ H2980 = -349 kJ⋅mol−1 -195 kJ⋅mol−1 Kolik se uvolní tepla při reakci H2 (g) + I2 (g) → 2 HI (g) znáte-li velikost energie vazeb: H-H 435 kJ⋅mol−1 I-I 150 kJ⋅mol−1 H-I 299 kJ⋅mol−1 13 kJ⋅mol−1 Vypočítejte reakční teplo reakce CH4 (g) + 4 F2 (g) → CF4 (g) + 4 HF (g) znáte-li velikost energie vazeb: C-H 416,2 kJ⋅mol-1 F-F 158,3 kJ⋅mol−1 C-F 489,9 kJ⋅mol-1 H-F 569,4 kJ⋅mol-1 -1939.32 kJ⋅mol−1 •Určete množství tepla, které se spotřebuje nebo uvolní při vzniku 20 g C2H4. •2 C (s) + 2 H2(g) → C2H4(g) ΔH = ? (1)C(s) + O2(g) → CO2(g) ΔH1 = -393,1 kJ·mol-1 (2)2 H2(g) + O2(g) → 2 H2O(l) ΔH2 = -571,5 kJ·mol-1 •(3) C2H4(g) + 3 O2(g) → 2 CO2(g) + 2 H2O(l) ΔH3 = -1409,9 kJ·mol-1 Při reakci se spotřebuje 37,29 kJ tepla. Určete reakční teplo reakce. Vypočítejte, jaké množství tepla se uvolní při reakci 60 g C2H4. C2H4(g) + H2(g) ® C2H6(g) ΔH = ? (1) C2H4(g) + 3 O2(g) ® 2 H2O(l) + 2 CO2(g) ΔH1 = -1409,9 kJ·mol-1 (2) 2 C2H6(g) + 7 O2(g) ® 6 H2O(l) + 4 CO2(g) ΔH2 = -3119,1 kJ·mol-1 (3) H2(g) + ½ O2(g) ® H2O(l) ΔH3 = -285,9 kJ·mol-1 [-136,25 kJ·mol-1, 255,47 kJ] Jaké množství tepla se uvolní spálením 50 l vodíku za konstantního tlaku (za normálních podmínek)? ΔH0sluč H2O(l) = -285,8 kJ.mol-1 637,3 kJ Jaké teplo je za standardních podmínek potřeba na převedení 1 kg vody z kapalného stavu do plynného ΔH0sluč H2O(l) = -285,8 kJ.mol-1 ΔH0slučH2O(l) = -241,8 kJ.mol-1 2444,6 kJ Jaké množství tepla se uvolní spálením vodíku, který vznikl rozpuštěním 90 g zinku ve zředěné kyselině sírové? Spalování proběhlo za standardních podmínek a ΔH0slučH2O(l) = -285,8 kj.mol-1 393,6 kJ Jaké množství tepla je nutno do systému dodat aby vzniklo 40 g sirouhlíku? 4 C(s) + S8(g) = 4 CS2(l) Δ H0slučCS2(l) = +358,8 kJ.mol-1 47,2 kJ Vypočítejte standardní slučovací teplo ΔH0298 (NH3 (g) sluč, znáte-li: 4 NH3(g) + 5 O2(g) → 4 NO(g) + 6 H2O(g) (ΔH0298) sluč = -904,8 kJ⋅mol−1 (ΔH0298) O2 (g) sluč = 0 kJ⋅mol−1 (ΔH0298) NO (g) sluč = 90,3 kJ⋅mol−1 (ΔH0298) H2O (g) sluč = -241,8 kJ⋅mol-1 Reakce probíhá podle termochemické rovnice: 2 H2 (g) + O2 (g) → 2 H2O (g) Δ H0298 = -483,6 kJ⋅mol−1 Jaké teplo se uvolní, jestliže reakcí vznikne 5 mol H2O? 1209 kJ Jaké teplo se uvolní při vzniku 379 g produktu, probíhá-li reakce podle rovnice: 2 Fe (s) + 3/2 O2 (g) → Fe2O3 (s) ΔH0298 = -822 kJ·mol−1 M(Fe2O3) = 159,69 g⋅mol−1 2.3733 mol 1950.89 kJ -46.2 kJ⋅mol−1 Vypočítejte standardní reakční teplo reakce: C (s) + H2O (g) → CO (g) + H2 (g) (ΔH0298) sluč C (s) = 0 kJ⋅mol−1 (ΔH0298) sluč H2O (g) = -241,8 kJ⋅mol−1, (ΔH0298) sluč CO (g) = -110,5 kJ⋅mol−1 (ΔH0298) sluč H2 (g) = 0 kJ⋅mol−1 131.3 kJ⋅mol−1 Jaké teplo se uvolní při vzniku 17 g CO2? CH4 (g) + 2 O2 (g) → CO2 (g) + 2 H2O (g) M(CO2) = 44,01 g⋅mol−1 ΔH0298 = −855,8 kJ⋅mol−1 0.3863 mol 330.57 kJ Vypočítejte reakční teplo reakce: C2H4 (g) + H2 (g) → C2H6 (g), (ΔH0298) C2H4 (g) spal = -1411,3 kJ⋅mol-1 (ΔH0298) H2 (g) spal = 285,9 kJ⋅mol−1 (Δ H0298) C2H6 (g) spal = -1560,2 kJ⋅mol−1 -137 kJ⋅mol−1 Jaké množství tepla se uvolní spálením 10 dm3 vodíku (za normálních podmínek), probíhá-li reakce při konstantním tlaku? Standardní slučovací teplo H2O(l) = - 285,80 kJ⋅mol-1 2 H2+O2 → 2 H2O 0.4462 mol 127.53 kJ Jaké množství tepla se uvolní spálením 250 g acetylenu? MC2H2 = 26, ΔH0spal C2H2 = -1300 kJ.mol-1 12506 kJ 24 g uhlíku bylo za standardních podmínek spáleno na CO2. V průběhu reakce se uvolnilo teplo 787,4 kJ. Vypočítejte standardní slučovací teplo CO2. -393,7 kJ.mol-1 Vypočítejte standardní slučovací teplo propanu. 3 C + 4 H2 = C3H8 ΔH0spalC3H8(g) = -2220 kJ.mol-1 ΔH0spalC(s)grafit = -393,7 kJ.mol-1 ΔH0slučH2O(l) = -285,8 kJ.mol-1 -104,3 kJ.mol-1