Termochemie: Reakční teplo
Termochemie se zabývá studiem tepelného zabarvení chemických reakcí. Tepelný efekt závisí nejen na povaze zanikajících a vznikajících vazeb, ale také na množství reaktantů, skupenství reaktantů i produktů a také na podmínkách, za jakých chemická přeměna proběhne.
Během chemické reakce dochází ke štěpení vazeb v reaktantech a ke vzniku nových vazeb u produktů. Energie disociační vyjadřuje energii potřebnou na rozštěpení vazeb. Vyjadřuje se v jednotkách kJ⋅mol−1. Energie vazebná je energie, která se uvolní při vzniku vazeb, má opačné znaménko než disociační. Vyjadřuje se v jednotkách kJ⋅mol−1. Reakční teplo se vyjadřuje pomocí veličiny enthalpie. Je to teplo, které soustava přijme či uvolní za stálého tlaku a teploty při jednotkovém látkovém rozsahu reakce. Absolutní hodnotu nelze změřit, lze pouze stanovit změnu enthalpie ΔH, která je vyjadřována za standardních podmínek (t = 25 °C, p = 101,325 Pa). Standardní reakční teplo je tedy teplo za standardních reakčních podmínek.
Dle tepelného zabarvení dělíme reakce na exotermní (teplo se uvolňuje) a endotermní (teplo se spotřebovává). V termochemické rovnici se uvádí symboly skupenství u prvků či sloučenin, protože hodnoty reakčního tepla závisí i na skupenství.
Vypočítejte reakční teplo reakce.
\(CH_{4}(g)+4 F_{2}(g)\rightarrow CF_{4}(g)+4 HF(g)\)
Víme-li 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
Termochemické zákony
První termochemický zákon - Laplace-Lavoisierův zákon
Reakční teplo reakce a reakční teplo téže reakce probíhající za stejných podmínek opačným směrem je až na znaménko stejné.
Druhý termochemický zákon - Hessův
Reakční teplo kterékoliv chemické reakce nezávisí na způsobu přeměny výchozích látek v produkty, pouze na počátečním a konečném stavu soustavy.
Výpočet reakčního tepla z vazebných energií
Výpočet reakčního tepla z vazebných energií provedeme tak, že od součtu vazebných energií reaktantů (vynásobených stechiometrickými koeficienty) odečteme součet vazebných energií produktů (po vynásobení koeficienty):
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 :
\(\bigtriangleup H_{298}^{0} = \sum_{^{reaktanty}}v \cdot (\bigtriangleup H_{298}^{0})_{vaz}- \sum_{^{prudukty}}v \cdot (\bigtriangleup H_{298}^{0})_{vaz}\)
\(\bigtriangleup H_{298}^{0} = (4 \cdot 416,17+ 4 \cdot 158,26)-(4 \cdot 489,86+4 \cdot 569,40)\)
\(\bigtriangleup H_{298}^{0} = {\color{DarkGreen}\mathbf{-1939,32 kJ \cdot mol^{-1}}}\)
Reakční teplo je −1939,32 kJ⋅mol−1.
Kolik se uvolní tepla při spalování methanu?
\(CH_{4}(g)+2 O_{2}(g)\rightarrow 2 H_{2}O(g)+CO_{2}(g)\)
Víme-li slučovací tepla:\((\bigtriangleup H_{298}^{0})_{slu}\) CH4(g) = −76,37 kJ⋅mol−1
\((\bigtriangleup H_{298}^{0})_{slu}\) CO2(g) = −393,97 kJ⋅mol−1
\((\bigtriangleup H_{298}^{0})_{slu}\) H2O(g) = −242,00 kJ⋅mol−1
Termochemické zákony
První termochemický zákon - Laplace-Lavoisierův zákon
Reakční teplo určité reakce a reakční teplo téže reakce probíhající za stejných podmínek opačným směrem je až na znaménko stejné.
Druhý termochemický zákon - Hessův
Reakční teplo kterékoliv chemické reakce nezávisí na způsobu přeměny výchozích látek v produkty, ale pouze na počátečním a konečném stavu soustavy.
Výpočet reakčního tepla ze slučovacích tepel
Standardní slučovací teplo sloučeniny \((\bigtriangleup H_{298}^{0})_{slu}\) je reakční teplo reakce, při které za standardních podmínek vznikne 1 mol této sloučeniny z prvků.
Od součtu standardních slučovacích tepel produktů (vynásobených stechiometrickými koeficienty) odečteme součet standardních tepel reaktantů (též vynásobených příslušnými koeficienty).
Od součtu standardních slučovacích tepel produktu (vynásobených stechiometrickými koeficienty) odečteme součet standardních tepel reaktantů (též vynásobených příslušnými koefocienty).
Slučovací tepla prvků se považují za nulová.
\(\bigtriangleup H_{298}^{0} = \sum_{^{produkty}}v \cdot (\bigtriangleup H_{298}^{0})_{slu}- \sum_{^{reaktanty}}v \cdot (\bigtriangleup H_{298}^{0})_{slu}\)
\(\bigtriangleup H_{298}^{0} = (2 \cdot (-242)+(-393,97))-(-76,37)\)
\(\bigtriangleup H_{298}^{0} = {\color{DarkGreen}\mathbf{-801,60 kJ\cdot mol^{-1}}}\)
Při spalování methanu se uvolní teplo 801,60 kJ⋅mol−1.
Vypočítejte reakční teplo izomerace dimethyletheru na ethanol:
\(CH_{3}OCH_{3}(l)\rightarrow CH_{3}CH_{2}OH(l)\)
známe-li spalná tepla:
\(CH_{3}OCH_{3}(l)+3 O_{2}(g)\rightarrow 2 CO_{2}(g) + 3 H_{2}O(l)\)
\((\bigtriangleup H_{298}^{0}) spal CH_{3}OCH_{3} (l)= -1454 kJ\cdot mol^{-1} \)
\(CH_{3}CH_{2}OH(l)+3 O_{2}(g)\rightarrow 2 CO_{2} (g) + 3 H_{2}O(l) \)
\(\bigtriangleup H_{298}^{0} spal CH_{3}CH_{2}OH(l)= -1402 kJ\cdot mol^{-1}\)
Výpočet reakčního tepla ze spalných tepel
Reakční tepla spalovacích reakcí označujeme jako spalná. Standardní spalné teplo látky \((\bigtriangleup H_{298}^{0})_{slu}\) je teplo, které reagující soustava přijme při dokonalém izobarickém spálení 1 molu dané látky v kyslíkaté atmosféře na konečné produkty za standardních podmínek.
Reakční teplo ze spalných tepel se vypočítá jako součet spalných tepel reaktantů (vynásobených stechiometrickými koeficienty), od kterých jsou odečtena spalná tepla produktů (též vynásobená příslušnými koeficienty).
Od součtu spalných tepel reaktantů (vynásobených stechiometrickými koeficienty), od kterých jsou odečtena spalná tepla produktů (též vynásobená příslušnými koeficienty):
\(\bigtriangleup H_{298}^{0} = (-1454)-(-1402)\)
Reakční teplo reakce je -52 kJ⋅mol−1.
