repetition f7 - grundutbildning i kemi · f8 – energi / entalpi • energi är universums valuta...

Lunds universitet / Naturvetenskapliga fakulteten / Kemiska institutionen / KEMA00

Repetition F7

•  Intermolekylär växelverkan –  kortväga repulsion –  elektrostatisk växelverkan (attraktion och repulsion):

jon-jon (långväga), jon-dipol, dipol-dipol –  medelvärdad attraktion (van der Waals): roterande

dipoler, dipol-inducerad dipol, dispersion (London)


Repetition F7 forts.

•  Vätskor –  viskositet, ytspänning

•  Fasta ämnen –  amorfa eller kristallina –  molekylära ämnen, nätverk, metaller, salter

•  Flytande kristaller –  ordning map på riktning, men ej position


F8 – Energi / entalpi

•  Energi är universums valuta •  Ibland tar universum ut moms •  För att veta vad vi kan få för den energi vi har i

plånboken, måste vi definiera begrepp som motsvarar pris med och utan moms


System – indelning

•  Universum –  allt, dvs.

system + omgivning •  System

–  det man studerar •  Omgivning

–  resten

Universum


System – typer

•  Isolerat – ingen växelverkan med omgivningen •  Slutet – utbyte av energi, men ej materia •  Öppet – utbyte av både energi och materia


Termodynamikens första huvudsats

•  Energin är konstant i ett isolerat system ∆U = 0 U = inre energi, all energi i systemet, både rörelseenergi och potentiell energi

•  Eftersom universum är ett isolerat system: Energi kan varken nyskapas eller förstöras, bara omvandlas


Ideal gas

•  Ingen växelverkan ⇒ ingen potentiell energi •  Strukturlösa partiklar ⇒ ingen ”gömd” energi

•  U = rörelseenergi (för ideal gas)


Första huvudsatsen – slutet system

•  Energi kan överföras som värme, q, eller arbete, w ∆U = q + w

•  Teckendefinitioner –  q < 0: värme från systemet –  q > 0: värme till systemet –  w < 0: systemet uträttar arbete –  w > 0: arbete på systemet


Tillståndsfunktioner

U är en tillståndsfunktion •  Beror endast på systemets

tillstånd (ges av P, V, T, n, …) •  Oberoende av vägen/historien

•  Systemet har inre energi


Processvariabler

q och w är processvariabler •  Dyker upp vid en förändring av systemets tillstånd •  Beror på vägen

•  Systemet har inte värme eller arbete, utan dessa är bara former för energiöverföring och existerar endast i processer, dvs. värme avges/upptas eller arbete uträttas


Tolkning av q och w

•  Värme –  oordnad rörelse –  omfördelning av

tillstånd

•  Arbete –  ordnad rörelse –  förflyttning under

inverkan av en motriktad kraft


Exempel på arbete


Tryck-volymarbete

•  Den vanligaste formen av arbete i kemiska system

Pex = externt (omgivningens) tryck Vi, Vf = start- respektive slutvolym

•  Om inget annat sägs, utgår vi hädanefter från att tryck-volymarbete är den enda formen av arbete som systemet kan uträtta eller utsättas för

€

w = − PexdV (Definition)Vi

Vf

∫


Tryck-volymarbete – specialfall

•  Expansion mot vakuum

•  Konstant volym

•  Konstant tryck

€

Pex = 0⇒ w = 0

€

dV = 0⇒ w = 0

€

Pex konstant ⇒ w = −Pex dVVi

Vf

∫ = −Pex (Vf −Vi ) = −PexΔV


Övning

En cylinder med gas placerades på en värmare och tog upp 7,000 kJ värme. Samtidigt ökade volymen från 0,70 liter till 1,45 liter. Det yttre trycket var 759 torr. Vad var förändringen i inre energi för gasen i cylindern?


Svar

•  ∆U = q + w •  Konstant tryck: w = −Pex ∆V •  Använd SI-enheter:

–  1 torr = 133,3 Pa –  1 liter = 1 dm3 = 1×10-3 m3

•  Svar: Förändringen i inre energi var 6,924 kJ.

€

w = −PexΔV =

= −759 torr ×133,3 Pa/torr × (1,45 − 0,70) liter ×10-3 m3/liter = −75,9 JΔU = q + w = 7,000 ×103 J − 75,9 J = 6924 J = 6,924 kJ

Not: Beräkningen av w är en produkt (multiplikation) med som mest två signifikanta siffror, vilket gör 76 J signifikant, dvs. ner till ental (1 J). Beräkningen av ∆U är en summa där 7,000 kJ också är signifikant ner till 1 J. Svaret är därför signifikant ner till 1 J.


•  Normalsituationen på lab är att det externa (atmosfärs)trycket är konstant

•  Volymsförändringar vid värmeöverföring och (gas)reaktioner ger upphov till tryck-volymarbete, som justerar inre energin

•  Definiera en ny tillståndsfunktion, entalpi, som automatisk inkluderar detta tryck-volymarbete

•  Matematiskt ”trick” för att byta variabler U(V)→ H(P) •  ”Energi med moms”, fast ”momsen” kan vara negativ €

H =U + PV

Entalpi, H


•  Värmekapaciteten beskriver hur mycket värme som behöver tillföras systemet för att öka temperaturen en grad (en Kelvin)

Enhet: J/K

•  Molär värmekapacitet: [J/(K mol)]

•  Specifik värmekapacitet: [J/(K g)] €

C =qΔT

Värmekapacitet, C

€

Cm =Cn

€

Cs =Cm


•  Värme som överförs vid konstant volym, qV, motsvarar ändringen i inre energi (inget annat arbete än tryck-volymarbete)

•  Värmekapaciteten vid konstant V

€

ΔU = q + w = q + 0 = qV

Värme och värmekapacitet vid konstant volym

€

CV =qVΔT

=ΔUΔT


•  Värme som överförs vid konstant tryck, qP, motsvarar ändringen i entalpi (endast tryck-volymarbete)

•  Jämvikt med omgivningen: P = Pex

–  ∆H < 0: värme avges – exoterm process –  ∆H > 0: värme upptas – endoterm process

•  Värmekapaciteten vid konstant P

€

ΔH = ΔU + Δ(PV ) = q + w + PΔV = q − PΔV + PΔV = qP

Värme och värmekapacitet vid konstant tryck

€

CP =qPΔT

=ΔHΔT


•  ∆H för processen X(l) → X(g) (”vaporisation”) ∆Hvap = Hg − Hl

•  Attraktiv växelverkan i vätskan ska övervinnas för att bilda ånga ∆Hvap > 0, endoterm process

Förångningsentalpi, ∆Hvap


•  ∆H för processen X(s) → X(l) (”fusion”) ∆Hfus = Hl − Hs

•  Attraktiv växelverkan i den fasta fasen ska övervinnas för att bilda vätska ∆Hfus > 0, endoterm process (He undantag, fast fas endast vid höga trycka och extremt låg temperatur, 25,3 bar och 1.1 K)

Smältentalpi, ∆Hfus


•  ∆H för processen X(l) → X(s) (”freeze”) ∆Hfreeze = Hs − Hl

•  Omvänd process mot smältning ∆Hfreeze = −∆Hfus

Frysentalpi, ∆Hfreeze


•  ∆H för processen X(s) → X(g) (”sublimation”) ∆Hsub = Hg − Hs

•  H är en tillståndsfunktion, vägen saknar betydelse X(s) → X(l) → X(g) ∆Hsub = Hg − Hs = ∆Hfus + ∆Hvap

•  Obs! ∆Hfus och ∆Hvap vid samma temperatur

Sublimeringsentalpi, ∆Hsub


Vid fasövergångar är temperaturen konstant

Uppvärmningskurva


•  Reaktionsentalpin är beroende av hur reaktionen är skriven

•  Exempel (a): CH4(g) + 2 O2(g) → CO2(g) + 2 H2O(g) ΔH = -802 kJ/mol (per mol reaktion)

2 × (a): 2 CH4(g) + 4 O2(g) → 2 CO2(g) + 4 H2O(g) ΔH = -1604 kJ/mol

-(a): CO2(g) + 2 H2O(g) → CH4(g) + 2 O2(g) ΔH = 802 kJ/mol

Reaktionsentalpi


•  Eftersom H är en tillståndsfunktion och oberoende av vägen är totala entalpin för en given reaktion lika med summan av reaktionsentalpierna för delreaktionerna

•  Exempel (x): C(s) + 2 H2(g) → CH4(g) ∆H = ?

(a): C(s) + O2(g) → CO2(g) ∆Ha (b): H2(g) + ½ O2(g) → H2O(l) ∆Hb (c): CH4(g) + 2 O2(g) → CO2 (g) + 2 H2O(l) ∆Hc

(x) = (a) + 2 (b) – (c): ∆H = ∆Ha + 2 ∆Hb − ∆Hc

Hess lag


Övning

Beräkna ∆H för reaktionen N2H4(l) + H2(g) → 2 NH3(g) givet N2(g) + 2 H2(g) → N2H4(l) ∆H = 50,63 kJ/mol N2(g) + 3 H2(g) → 2 NH3(g) ∆H = -92,22 kJ/mol


Svar

(x): N2H4(l) + H2(g) → 2 NH3(g) ∆H = ?

(a): N2(g) + 2 H2(g) → N2H4(l) ∆Ha = 50,63 kJ/mol (b): N2(g) + 3 H2(g) → 2 NH3(g) ∆Hb = -92,22 kJ/mol

(x) = (b) – (a) ∆H = ∆Hb − ∆Ha = = -92,22 – 50,63 kJ/mol = -142,85 kJ/mol

•  Svar: ∆H för reaktionen är -142,85 kJ/mol.


•  För att göra tabellvärden jämförbara och mera praktiskt användbara definieras ett standardtillstånd

•  Rent ämne vid 1 bar

•  Markeras med °, t.ex. reaktionsentalpin ∆H° då alla reaktanter och produkter är i sina standardtillstånd

•  Obs! Temperaturen är odefinierad och måste anges (ofta 25°C i tabeller).

Standardtillstånd


•  Entalpin då 1 mol av ett ämne i sitt standardtillstånd förbränns med O2(g) (”combustion”)

•  Reaktanter och produkter i sina standardtillstånd

•  Organiska föreningar bildar CO2(g), H2O(l) samt N2(g) om de innehåller N

•  Värden finns tabellerade för många ämnen

Standardförbränningsentalpi, ∆Hc°


•  Entalpin då 1 mol av ett ämne bildas ur grundämnena i sina mest stabila former

•  ∆Hf° = 0 per definition för ett grundämne i sin mest stabila form

•  Reaktanter och produkter i sina standardtillstånd •  Värden finns tabellerade för många ämnen •  Används för att beräkna godtycklig standard-

reaktionsentalpi

där n är koefficienterna i reaktionsformeln

Standardbildningsentalpi, ∆Hf°

€

ΔH = nΔHf(produkter)∑ − nΔHf

(reaktanter)∑


Övning

Beräkna ∆H° för följande reaktion: C6H6 (l) + 3 H2(g) → C6H12(l) ∆Hf°(C6H6 (l)) = 49,0 kJ/mol och ∆Hf°(C6H12(l)) = -156,4 kJ/mol.


Svar

C6H6 (l) + 3 H2(g) → C6H12(l)

•  H2(g) – grundämne i sin mest stabila form ⇒ ∆Hf°(H2(g)) = 0

•  Svar: ∆H° för reaktionen är -205,4 kJ/mol.

€

ΔH = nΔHf(produkter)∑ − nΔHf

(reaktanter)∑ =

= ΔHf (C6H12(l)) - ΔHf

(C6H6(l)) - 3ΔHf(H2(g)) =

= -156,4 - 49,0 - 3 × 0 kJ/mol = −205,4 kJ/mol

repetition f7 - grundutbildning i kemi · f8 – energi / entalpi • energi är universums valuta...

Documents