REAKTIOT JA ENERGIA, KE3 Ekso- ja endotermiset reaktiot sekä entalpian muutos

Transkriptio

1 ympäristö ympäristö REAKTIOT JA ENERGIA, KE3 Ekso- ja endotermiset reaktiot sekä entalpian muutos Kaikilla aineilla (atomeilla, molekyyleillä) on asema- eli potentiaalienergiaa ja liike- eli kineettistä energiaa. Kun kemiallinen reaktio tapahtuu eli aineet muuttuvat toisiksi aineiksi, liittyy siihen aina energiamuutoksia, jotka havaitaan: valona, lämpönä, entropian kasvuna. Sisäenergialla tarkoitetaan kaikkea mikrotason energiaa ja potentiaalienergialla kemiallista energiaa. Määritelmä, ekso- ja endoterminen reaktio: Jos kemiallinen reaktio vapauttaa lämpöä ympäristöön, sitä sanotaan eksotermiseksi reaktioksi. Havaitaan esimerkiksi reaktioastian lämpenemisenä. Vastaavasti, jos kemiallinen reaktio sitoo lämpöä ympäristöstä, sitä sanotaan endotermiseksi reaktioksi. Havaitaan reaktioastian kylmenemisenä. Kemiallisella systeemillä tarkoitetaan kemiallisen reaktion lähtöaineita ja reaktiotuotteita. Ympäristön muodostaa tällöin reaktioastia, vesiliuoksissa vesi, ilma jne. Sidosten katkeaminen on aina energiaa sitova eli endoterminen vaihe. Uusien sidosten muodostuminen puolestaan aina vapauttaa energiaa eli tämä on eksoterminen vaihe. Kemialliseen reaktioon liittyvä kokonaisenergian muutos voidaan siis ajatella näiden kahden vaiheen summana. 1

2 Käytännössä on mahdotonta mitata sidosten aukaisemiseen tarvittavaa tai muodostuvien sidosten vapauttamaa energiamäärää. Tämän vuoksi kemiallisten reaktioiden energiamuutoksia kuvataan entalpian muutoksella. Määritelmä, entalpia H lämpösisältö : Entalpia kuvaa aineen sisäenergiaa vakiopaineessa. Entalpia koostuu sidosten potentiaalienergiasta ja hiukkasten liike-energiasta. Reaktion entalpiamuutoksella eli lämpösisällön muutoksella, merkitään H, tarkoitetaan reaktiotuotteiden ja lähtöaineiden entalpia-arvojen erotusta, eli H = H reaktiotuotteet H lähtöaineet = H lopputila H alkutila Tietyn reaktion lähtöaineiden ja reaktiotuotteiden entalpian todellisia lukuarvoja ei voida mitata eikä laskea, mutta muutos H voidaan mitata kalorimetrillä. Kalorimetri on reaktioastia, joka on mahdollisimman hyvin eristetty, jotta systeemistä ei pääse karkaamaan lämpöä ympäristöön eikä ympäristöstä sitoudu lämpöä systeemiin. Eksotermisissä reaktioissa muodostuvien reaktiotuotteiden entalpia on pienempi kuin lähtöaineiden, jolloin energiaa siis vapautuu lämpönä ympäristöön. Entalpiamuutoksen arvo merkitään tällöin negatiivisena, eli H < 0. Endotermisissä reaktioissa tapahtuu toisinpäin eli energiaa sitoutuu ja tällaisille reaktioille H :n arvo merkitään positiivisena lukuna eli H > 0. Monet endotermiset reaktiot tapahtuvat vain jos systeemiä lämmitetään koko prosessin ajan! Näitä kuvataan usein energiakaavioilla. Huomaa, ettei pystyakselilla ole arvoja. 2

3 Kalorimetrin avulla saadaan selville paljonko kemiallinen reaktio muuttaa ympäristön lämpötilaa. Kun kemiallinen reaktio tapahtuu vesiliuoksessa tai aine liuotetaan veteen kalorimetrissä, lasketaan reaktioentalpia seuraavasti: H = c m T, missä c on veden ominaislämpökapasiteetti 4,19 kj kg K, m on veden massa (tiheyden ja tilavuuden kautta) ja T on reaktion aikana mitattu lämpötilan muutos kelvineinä. Huomautus Ennen yllä olevan kaavan käyttöä on korostettava, että lämpötilan nousu, siis T = T loppu T alku > 0, tapahtuu (esiintyy) eksotermisillä reaktioilla ja lämpötilan lasku, siis T = T loppu T alku < 0, endotermisillä reaktioilla. Eli juuri toisinpäin kuin entalpian muutos H arvoilla yleisesti! Esimerkki 1: Opiskelija liuotti natriumhydroksidia 100 ml:aan vettä, jonka lämpötila oli 18. Kun kaikki NaOH oli täysin liuennut, liuoksen lämpötila oli 43. a) Kirjoita yhtälö, joka kuvaa NaOH:n liukenemista veteen. b) Mitä sidoksia katkeaa ja mitä muodostuu liukenemisen aikana? c) Laske entalpian muutos (NaOH:n liukenemisentalpia) d) Onko ekso- vai endoterminen tapahtuma? 3

4 Ratkaisu: a) Liukenemisyhtälö on NaOH s Na + aq + OH aq b) Kun NaOH liukenee veteen, ionihilaa koossa pitävät ionisidokset katkeavat ja muodostuu vesimolekyylien ja ionien välisiä ioni-dipoli-sidoksia. Ilmiö on hydratoituminen. Mitä on liukeneminen? Määritelmä! c) Lasketaan liukenemisentalpia yhtälöä H = c m T käyttäen. Nyt siis T = T loppu T alku = 316,15 K 291,15 K = 25 K, missä T loppu = 273, , T alku = 273, , m H 2 O = 0,100 kg ja c vesi = 4,19 kj kg K H = c m T = 4,19. Sijoitetaan lukuarvot, saadaan kj 0,100 kg 25 K = 10,48 kj 10 kj. kg K Koska liuoksen loppulämpötila on korkeampi kuin veden alkulämpötila, liukenemisen aikana vapautuu energiaa, jolloin laskettu arvo merkitään negatiivisena eli H 10 kj. Katso Huomautus edellinen dia! d) Kyseessä on siis eksoterminen tapahtuma. Vesiliuos on siis ympäristö ja ympäristön H kasvaa! Esimerkki 2, käänteisten prosessien entalpian muutokset: Yleisesti aineiden (veden) höyrystyminen ja tiivistyminen sekä sulaminen ja jähmettyminen ovat käänteisiä prosesseja. Energian säilymislaista ja merkkisopimuksista seuraa, että käänteisten prosessien entalpioiden muutokset ovat lukuarvoltaan samat, mutta vastakkaismerkkiset. a) Veden höyrystymisentalpia 100 :ssa on +40,7 kj/mol ja tiivistymisentalpia 40,7 kj/mol. Sulamisentalpia 0 :ssa on +6,01 kj/mol ja jähmettymisentalpia 6,01 kj/mol. b) Magnesiumin palaminen 2 Mg s + O 2 g 2 MgO s, H = 1204 kj on eksoterminen reaktio, joten käänteisreaktio on endoterminen 2 MgO s 2 Mg s + O 2 g, H = kj c) Kidevedellisen natriumsulfaatin liukeneminen veteen Na 2 SO 4 H 2 O s 2 Na + aq + SO 4 2 aq, H = +79 kj on endoterminen reaktio, joten sen kiteytyminen on eksoterminen reaktio 2 Na + aq + SO 4 2 aq Na 2 SO 4 H 2 O s, H = 79 kj 4

5 Mistä entalpian muutos delta H riippuu? Tarkoilla mittauksilla on voitu osoittaa, että entalpian muutos H on kullekkin lämpökemialliselle muutokselle ominainen vakio, jonka lukuarvo riippuu seuraavista asioista: 1. Mittauslämpötilasta ja paineesta 2. Lähtöaineiden ja reaktiotuotteiden määristä 3. Lähtöaineiden ja reaktiotuotteiden olomuodoista 1. Mittauslämpötilasta ja paineesta Entalpian muutokset mitataan tavallisesti samassa lämpötilassa ja paineessa (25 = 298,15 K, 101,325 kpa) eli vertailu(standardi)olosuhteissa. Tämä helpottaa eri prosessien entalpiamuutosten vertaamista keskenään. Vertailuolosuhteissa mitatut entalpian muutokset ilmoitetaan kirjoittamalla H:n yläindeksiksi astemerkki H. Taulukkokirjoissa esitetyt entalpia-arvot ovat mitattu standardiolosuhteissa 25 = 298,15 K, 101,325 kpa, liuosten konsentraatiot 1,0 mol/l. Tämä merkitään tunnuksella H Lähtöaineiden ja reaktiotuotteiden määristä Entalpian muutokset ilmoitetaan yleensä reaktioyhtälön ilmoittamia ainemääriä kohti. Esimerkiksi vedyn palamista kuvaavasta reaktioyhtälöstä 2 H 2 g + O 2 g 2 H 2 O l, H = 572 kj voidaan lukea seuraavaa: Kun vertailuolosuhteissa 2 moolia kaasumaista vetyä ja 1 mooli kaasumaista happea reagoivat keskenään, syntyy 2 moolia nestemäistä vettä ja vapautuu 572 kj lämpöenergiaa. Laske entalpian muutos, kun 120 ml vetykaasua ja 150 ml happikaasua saatetaan reagoimaan keskenään NTP- olosuhteissa. Ratkaisu: Vedyn ja hapen ainemäärät: n H 2 = V V m = 0,120 l 22,41 l/mol = 5, mol Reaktioyhtälön perusteella n O 2 = V V m = 0,150 l 22,41 l/mol = 6, mol n H 2 n O 2 = 2 1 = 2. 5

6 Laskettujen ainemäärien suhde on n H 2 n O 2 = 5, mol 6, ,80 < 2, mol joten vety on rajoittava tekijä. Muodostuvan veden ainemäärä lasketaan vedyn ainemäärän kautta: n H 2 n H 2 O = 2 2 = 1 n H 2O = 5, mol. Entalpia-arvo oli kuitenkin annettu reaktiolle, jossa vettä muodostuu kaksi moolia. Näin ollen kysytyn reaktion entalpiamuutokseksi tulee H = 5, mol 572 kj 2,0 mol = 1,5315 kj 1,53 kj 3. Lähtöaineiden ja reaktiotuotteiden olomuodoista Myös olomuodon muutoksissa sitoutuu tai vapautuu lämpöenergiaa. Tämän takia reaktioyhtälöön pitää merkitä lähtöaineiden ja reaktiotuotteiden olomuodot. 2 H 2 g + O 2 g 2 H 2 O g, H = 484 kj 2 H 2 O g 2 H 2 O l, H = 88 kj 2 H 2 g + O 2 g 2 H 2 O l, H = 572 kj Ylimmässä palamisreaktiossa syntyy kaasuuntunutta vettä ja vapautuu 484 kj lämpöenergiaa. Alimmassa palamisreaktiossa syntyy nestemäistä vettä ja vapautuu 572 kj lämpöenergiaa. Erotus 88 kj johtuu siitä, että alimman reaktion reaktioentalpiassa on mukana myös veden tiivistyessä höyrystä nesteeksi vapautuva lämpöenergia (keskimmäinen reaktioyhtälö). Energiakaaviosta nähdään, miten vedyn palamisreaktion reaktioentalpia riippuu reaktiossa syntyvän veden olomuodosta. Jos reaktiossa syntyvä vesi on höyrynä, kahden kaasuuntuneen vesimoolin tiivistyessä vapautuva energia 88 kj ei ole mukana reaktioentalpian arvossa. 6

7 Esimerkki: Mitä tietoja seuraava lämpökemiallinen reaktioyhtälö välittää? Metaani CH 4 on maakaasun pääkomponentti. CH 4 g + 2 O 2 g CO 2 g + 2 H 2 O l, H = 890 kj Ratkaisu: 1) Kun 1 mooli (= 16,0 g) metaanikaasua palaa täydellisesti puhtaassa hapessa, se kuluttaa 2 moolia (= 64,0 g) happikaasua ja syntyy 1 mooli (= 44,0 g) kaasumaista hiilidioksidia ja 2 moolia (= 36,0 g) nestemäistä vettä. 2) Reaktio on eksoterminen. Lämpöä vapautuu 890 kj reaktioyhtälön ilmoittamia ainemääriä kohti. Reaktioentalpia on ilmoitettu standardiolosuhteissa. 3) Reaktio on eksoterminen, joten reaktiotuotteiden sidosten syntyessä vapautuu enemmän energiaa kuin lähtöaineiden sidosten purkautuessa. 4) Olomuodot on merkitty reaktioyhtälöön, koska myös olomuodon muutoksissa sitoutuu tai vapautuu merkittäviä lämpömääriä. 7