Erilaisia entalpian muutoksia

Samankaltaiset tiedostot
Erilaisia entalpian muutoksia

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

Reaktiolämpö KINEETTINEN ENERGIA POTENTIAALI- ENERGIA

Lämpö- eli termokemiaa

Bensiiniä voidaan pitää hiilivetynä C8H18, jonka tiheys (NTP) on 0,703 g/ml ja palamislämpö H = kj/mol

Kemian koe, Ke3 Reaktiot ja energia RATKAISUT Perjantai VASTAA YHTEENSÄ KUUTEEN TEHTÄVÄÄN

KE03. Kurssikalvot. Tuomas Hentunen. Kevät Tuomas Hentunen KE03 Kevät / 26

Tehtävä 1. Avaruussukkulan kiihdytysvaiheen kiinteänä polttoaineena käytetään ammonium- perkloraatin ja alumiinin seosta.

Lukion kemia 3, Reaktiot ja energia. Leena Piiroinen Luento

Osio 1. Laskutehtävät

Reaktiosarjat

KE4, KPL. 3 muistiinpanot. Keuruun yläkoulu, Joonas Soininen

Johdantoa. Kemia on elektronien liikkumista/siirtymistä. Miksi?

Hapetus-pelkistymisreaktioiden tasapainottaminen

Ainemäärien suhteista laskujen kautta aineiden määriin

Vesi. Pintajännityksen Veden suuremman tiheyden nesteenä kuin kiinteänä aineena Korkean kiehumispisteen

Kaikki ympärillämme oleva aine koostuu alkuaineista.

Diplomi-insinöörien ja arkkitehtien yhteisvalinta dia-valinta Insinöörivalinnan kemian koe MALLIRATKAISUT

= P 0 (V 2 V 1 ) + nrt 0. nrt 0 ln V ]

Lasku- ja huolimattomuusvirheet ½ p. Loppupisteiden puolia pisteitä ei korotettu ylöspäin, esim. 2½ p. = 2 p.

Kaikenlaisia sidoksia yhdisteissä: ioni-, kovalenttiset ja metallisidokset Fysiikan ja kemian perusteet ja pedagogiikka

Törmäysteoria. Törmäysteorian mukaan kemiallinen reaktio tapahtuu, jos reagoivat hiukkaset törmäävät toisiinsa

Kemiallinen reaktio

Kemian koe kurssi KE5 Reaktiot ja tasapaino koe

Reaktioyhtälö. Sähköisen oppimisen edelläkävijä Empiirinen kaava, molekyylikaava, rakennekaava, viivakaava

Sukunimi: Etunimi: Henkilötunnus:

Liukoisuus

1. a) Selitä kemian käsitteet lyhyesti muutamalla sanalla ja/tai piirrä kuva ja/tai kirjoita kaava/symboli.

MOOLIMASSA. Vedyllä on yksi atomi, joten Vedyn moolimassa M(H) = 1* g/mol = g/mol. ATOMIMASSAT TAULUKKO

luku 1.notebook Luku 1 Mooli, ainemäärä ja konsentraatio

YLEINEN KEMIA. Alkuaineiden esiintyminen maailmassa. Alkuaineet. Alkuaineet koostuvat atomeista. Atomin rakenne. Copyright Isto Jokinen

VESI JA VESILIUOKSET

Mamk / Tekniikka ja liikenne / Sähkövoimatekniikka / Sarvelainen 2015 T8415SJ ENERGIATEKNIIKKA Laskuharjoitus

KEMIAN MIKROMAAILMA, KE2 VESI

Luento 2: Lämpökemiaa, osa 1 Keskiviikko klo Termodynamiikan käsitteitä

REAKTIOT JA ENERGIA, KE3. Kaasut

KE2 Kemian mikromaailma

Tasapainotilaan vaikuttavia tekijöitä

Mitkä ovat aineen kolme olomuotoa ja miksi niiden välisiä olomuodon muutoksia kutsutaan?

Ionisidos ja ionihila:

Lasku- ja huolimattomuusvirheet - ½ p. Loppupisteiden puolia pisteitä ei korotettu ylöspäin, esim. 2½ p. = 2 p.

KEMIA HYVÄN VASTAUKSEN PIIRTEET

REAKTIOT JA TASAPAINO, KE5 KERTAUSTA

Hapettuminen ja pelkistyminen: RedOx -reaktiot. CHEM-A1250 Luento

T F = T C ( 24,6) F = 12,28 F 12,3 F T K = (273,15 24,6) K = 248,55 K T F = 87,8 F T K = 4,15 K T F = 452,2 F. P = α T α = P T = P 3 T 3

Luku 2. Kemiallisen reaktion tasapaino

m h = Q l h 8380 J = J kg 1 0, kg Muodostuneen höyryn osuus alkuperäisestä vesimäärästä on m h m 0,200 kg = 0,

Fysiikan, kemian ja matematiikan kilpailu lukiolaisille

Yhdisteiden nimeäminen

Osa2. Kemiallinen reaktio

Luento 2: Lämpökemiaa, osa 1 Torstai klo Termodynamiikan käsitteitä

Lämpöoppi. Termodynaaminen systeemi. Tilanmuuttujat (suureet) Eristetty systeemi. Suljettu systeemi. Avoin systeemi.

Seoksen pitoisuuslaskuja

Käytetään nykyaikaista kvanttimekaanista atomimallia, Bohrin vetyatomi toimii samoin.

vi) Oheinen käyrä kuvaa reaktiosysteemin energian muutosta reaktion (1) etenemisen funktiona.

REAKTIOT JA TASAPAINO, KE5 KERTAUSTA

Luku 3. Protolyysireaktiot ja vesiliuoksen ph

kun hiilimonoksidia ja vettä oli 0,0200 M kumpaakin ja hiilidioksidia ja vetyä 0,0040 M kumpaakin?

CHEM-A1250 Luento

Kertausta 1.kurssista. KEMIAN MIKROMAAILMA, KE2 Atomin rakenne ja jaksollinen järjestelmä. Hiilen isotoopit

- Termodynamiikka kuvaa energian siirtoa ( dynamiikkaa ) systeemin sisällä tai systeemien kesken (vrt. klassinen dynamiikka: kappaleiden liike)

Kemian koe, KE3 Reaktiot ja energia RATKAISUT Maanantai VASTAA YHTEENSÄ VIITEEN TEHTÄVÄÄN

ATOMIN JA IONIN KOKO

1. Tarkasta, että tehtäväpaperinipussa on kaikki sivut Kirjoita nimesi ja syntymäaikasi kaikkiin sivuille 1 ja 3-16 merkittyihin kohtiin.

Oppikirjan tehtävien ratkaisut

Luento 9 Kemiallinen tasapaino CHEM-A1250

Heikot sidokset voimakkuusjärjestyksessä: -Sidos poolinen, kun el.neg.ero on 0,5-1,7. -Poolisuus merkitään osittaisvarauksilla

Esimerkiksi ammoniakin valmistus typestä ja vedystä on tyypillinen teollinen tasapainoreaktio.

Alkuaineita luokitellaan atomimassojen perusteella

Teddy 7. harjoituksen malliratkaisu syksy 2011

125,0 ml 0,040 M 75,0+125,0 ml Muodostetaan ionitulon lauseke ja sijoitetaan hetkelliset konsentraatiot

Väittämä Oikein Väärin. 1 Pelkistin ottaa vastaan elektroneja. x. 2 Tyydyttynyt yhdiste sisältää kaksoissidoksen. x

a) Puhdas aine ja seos b) Vahva happo Syövyttävä happo c) Emäs Emäksinen vesiliuos d) Amorfinen aine Kiteisen aineen

2. Reaktioyhtälö 3) CH 3 CH 2 COCH 3 + O 2 CO 2 + H 2 O

Tehtävä 1. Tasapainokonversion laskenta Χ r G-arvojen avulla Alkyloitaessa bentseeniä propeenilla syntyy kumeenia (isopropyylibentseeniä):

KE2 Kemian mikromaailma

Tehtävä 2. Selvitä, ovatko seuraavat kovalenttiset sidokset poolisia vai poolittomia. Jos sidos on poolinen, merkitse osittaisvaraukset näkyviin.

Elektrolyysi Anodilla tapahtuu aina hapettuminen ja katodilla pelkistyminen!

Käytännön esimerkkejä on lukuisia.

Kertausluennot: Mahdollisuus pisteiden korotukseen ja rästisuorituksiin Keskiviikko klo 8-10

c) Tasapainota seuraava happamassa liuoksessa tapahtuva hapetus-pelkistysreaktio:

Kondensaatio ja hydrolyysi

7 Termodynaamiset potentiaalit

Liukeneminen

Astrokemia Kevät 2011 Harjoitus 1, Massavaikutuksen laki, Ratkaisut

Mamk / Tekniikka ja liikenne / Sähkövoimatekniikka / Sarvelainen 2015 T8415SJ ENERGIATEKNIIKKA Laskuharjoitus

NIMI: Luokka: c) Atomin varaukseton hiukkanen on nimeltään i) protoni ii) neutroni iii) elektroni

ULKOELEKTRONIRAKENNE JA METALLILUONNE

Näiden aihekokonaisuuksien opetussuunnitelmat ovat luvussa 8.

SISÄLLYSLUETTELO SYMBOLILUETTELO 4

1. Kemialliset reaktiot Kemiallisessa reaktiossa tapahtuu energiamuutoksia, kun sidoksia katkeaa ja uusia sidoksia muodostuu. Kemiallinen reaktio voi

KE2 KURSSIKOE 4/2014 Kastellin lukio

HEIKOT VUOROVAIKUTUKSET MOLEKYYLIEN VÄLISET SIDOKSET

Kemiallisia reaktioita ympärillämme Fysiikan ja kemian pedagogiikan perusteet

Ilman suhteellinen kosteus saadaan, kun ilmassa olevan vesihöyryn osapaine jaetaan samaa lämpötilaa vastaavalla kylläisen vesihöyryn paineella:

= 1 kg J kg 1 1 kg 8, J mol 1 K 1 373,15 K kg mol 1 1 kg Pa

d) Klooria valmistetaan hapettamalla vetykloridia kaliumpermanganaatilla. (Syntyy Mn 2+ -ioneja)

joka voidaan määrittää esim. värinmuutosta seuraamalla tai lukemalla

Puhtaat aineet ja seokset

HSC-ohje laskuharjoituksen 1 tehtävälle 2

Transkriptio:

Erilaisia entalpian muutoksia REAKTIOT JA ENERGIA, KE3 Erilaisille kemiallisten reaktioiden entalpiamuutoksille on omat terminsä. Monesti entalpia-sanalle käytetään synonyymiä lämpö. Reaktiolämmöllä eli reaktioentalpialla tarkoitetaan sitä entalpiamuutosta, joka liittyy tasapainotetun reaktioyhtälön mukaisiin ainemääriin. Esimerkiksi reaktiolle mutta H 2 g + 1 2 O 2 g H 2 O l, H = 286 kj 2 H 2 g + O 2 g 2 H 2 O l, H = 576 kj Tarkastellaan erilaisia reaktioentalpioita: 1. Muodostumisentalpia eli muodostumislämpö 2. Palamisentalpia 3. Liukenemislämpö Muita entalpioita on mm. höyrystymisentalpia, ionisoitumisentalpia, aktivoitumisentalpia, faasi-muutosentalpia, standardientalpia, ominaisentalpia, jne. Määritelmä, muodostumisentalpia eli muodostumislämpö: Alkuaineiden reagoidessa keskenään muodostuu yhdisteitä. Yhdisteen muodostumisentalpia H f tarkoittaa sellaisen reaktion reaktioentalpiaa, jossa yksi mooli tiettyä ainetta syntyy perustilassa (298,15 K ja 101,325 kpa) olevista alkuaineista. Alkuaineiden olomuodoksi tulkitaan tällöin niiden pysyvin olomuoto huoneen lämpötilassa. Huom! Yhdiste on sitä pysyvämpi, mitä enemmän energiaa vapautuu sen muodostuessa alkuaineistaan eli mitä pienempi on sen muodostumislämpö. Esimerkki 1: Jos yksi mooli vettä, ammoniakkia ja eteeniä muodostuisi alkuaineistaan, reaktioyhtälöt olisivat seuraavat: H 2 g + 1 2 O 2 g H 2 O l, H f H 2 O = 285,8 kj/mol 1 2 N 2 g + 3 2 H 2 g NH 3 g, H f NH 3 = 46,2 kj/mol 2 C s + 2 H 2 g C 2 H 2 g, H f C 2 H 2 = +52,3 kj/mol 1

Muodostumisentalpian yksikkö on kj/mol. Siksi myös muodostumisentalpian reaktioyhtälöt tasapainotetaan niin, että reaktiotuotteen kerroin on yksi. Kaikkien alkuaineiden pysyvimmän muodon muodostumisentalpia H f on määritelmän mukaan nolla. Huom! Allotrooppiset yhdisteet: esim. happi O 2 on pysyvämpi kuin otsoni O 3. Ainoa poikkeus on fosfori, P 4 (valkoinen) määritellään pysyvimmäksi. Esimerkki 2: Veden muodostumista hapesta ja vedystä kuvaa reaktioyhtälö H 2 g + 1 2 O 2 g H 2 O l ja veden muodostumisentalpia on H f H 2 O = 285,8 kj/mol. a) Laske entalpiamuutos, kun vettä muodostuu 1,00 10 3 litraa. b) Lämpeneekö vai viileneekö ympäristö, kun reaktio tapahtuu? a) Veden massa m H 2 O = ρ H 2 O + V H 2 O = 1,0 kg/l 1,00 10 3 l = 1,00 10 6 g, ja ainemäärä n H 2 O = m H 2O M H 2 O = 1,00 106 g = 55 510 mol. 18,016 g/mol H = 55 510 mol 285,8 kj/mol = 1,586 10 7 kj 1,6 10 7 kj b) Entalpia-arvon perusteella veden muodostumisreaktio on eksoterminen eli lämpöä vapautuu ympäristöön ympäristö lämpenee. (Palamisreaktio!) 2

Esimerkki 3, reaktioentalpian laskeminen muodostumisentalpioiden kautta: Minkä tahansa reaktion reaktioentalpia H voidaan laskea, jos lähtöaineiden ja reaktiotuotteiden muodostumisentalpiat H f tunnetaan. Laskuissa on otettava huomioon reaktioyhtälön kertoimet, siis H = n H f reaktiotuotteet n H f lähtöaineet Masuunissa käytetään hiilimonoksidia pelkistämään rauta(iii)oksidiin rauta metalliseksi raudaksi. Laske reaktion Fe 2 O 3 s + 3 CO g 2 Fe s + 3 CO 2 g reaktioentalpia muodostumisentalpioiden avulla. Onko reaktio endo- vai eksoterminen? Taulukkokirjasta saadaan muodostumisentalpiat: H f Fe 2 O 3 s H f CO g H f CO 2 g = 822,2 kj/mol = 110,5 kj/mol = 393,5 kj/mol Lisäksi rauta on perustilainen alkuaine, joten H f Fe s = 0 kj/mol. Sijoitetaan kaavaan ainemäärät huomioiden kertoimina, saadaan H = n H f reaktiotuotteet n H f lähtöaineet H = 2 mol 0 kj mol + 3 mol 1 mol 822,2 kj mol kj 393,5 mol + 3 mol 110,5 kj mol H = 1180,5 kj + 822,2 kj + 331,5 kj = 26,8 kj Reaktio on eksoterminen. Määritelmä, palamisentalpia eli palamislämpö: Palamislämpö kuvaa sellaisen reaktion entalpiamuutosta, jossa yksi mooli ainetta reagoi täydellisesti hapen kanssa. Huom! Kaikki palamisreaktiot ovat eksotermisiä (lämpöä vapauttavia) entalpia-arvot ovat siksi negatiivisia, eli H pal. < 0. 3

Esimerkki 4, palamisentalpia: a) Labran kaasupolttimessa on 450 g butaania. Kuinka paljon lämpöä on vapautunut, kun kaikki kaasu on palanut loppuun? Butaanin palamislämpö on 3 509 kj/mol. b) Kuinka monta litraa vettä saadaan lämmitetyksi kiehumispisteeseen a)- kohdassa vapautuvalla lämpömäärällä, jos veden alkulämpötila on 22? a) Alkutiedot: H pal C 4 H 10 = 3 509 kj/mol, m C 4 H 10 = 450 g ja M C 4 H 10 = 58,12 g/mol. Butaanin ainemääräksi saadaan n C 4 H 10 = m C 4H 10 450 g = 7,7426 mol. M C 4 H 10 58,12 g/mol Vapautuva lämpömäärä on näin ollen H = n C 4 H 10 H pal C 4 H 10 = 7,7426 mol 3 509 kj/mol H = 27 169 kj 2,7 10 4 kj. b) Veden ominaislämpökapasiteetti c = 4,19 kj/(kg K), lämpötilojen erotus T = T 2 T 1 = 373,15 295,15 = 78 K ja H = 27 169 kj (huomaa, että nyt käytettävä H arvo on positiivinen, koska vesi lämpenee). Veden massaksi saadaan yhtälöstä H = c m T m = H c T = 27 169 kj 4,19 kj = 83,13 kg. kg K 78 K Veden tilavuus saadaan tiheyden ρ H 2 O = 1,00 kg/l kautta: V H 2 O = m H 2O ρ H 2 O 83,13 kg = = 83,13 l 83 l. 1,00 kg/l Määritelmä, liukenemisentalpia eli liukenemislämpö: Liukenemislämpö on entalpiamuutos, joka liittyy ioniyhdisteiden liukenemistapahtumaan. Liukenemisessa ionihila hajoaa (endoterminen vaihe) ja vapautuneet ionit hydratoituvat vesimolekyylien kanssa (eksoterminen vaihe). Eli liukenemisentalpia on näiden kahden vaiheen entalpiamuutosten summa. 4

Sidosenergia REAKTIOT JA ENERGIA, KE3 Kemiallisen reaktion entalpiamuutos voidaan laskea myös taulukoitujen sidosenergia-arvojen avulla. Määritelmä, sidosenergia: Sidosenergia kuvaa sitä energiamäärää (yksikkönä kj/mol), joka tarvitaan katkaisemaan yksi mooli tarkasteltavia (kovalenttisia) sidoksia. Sidoksen katkeaminen ja syntyminen ovat käänteisiä prosesseja, joten lukuarvo ilmoittaa miinusmerkkisenä myös sidoksen muodostuessa vapautuvan energiamäärän. Sidosenergia on lujuuden mitta. Mitä suurempi sidosenergia on, sitä vahvempi sidos. Esimerkiksi C H-sidos (sidosenergia 412 kj/mol) on vahvempi kuin C C-sidos (sidosenergia 348 kj/mol). 5

Vetymolekyylissä H 2 vetyatomien välisen kovalenttisen sidoksen sidosenergia on siis 436 kj/mol. Typpimolekyylissä N 2 typpiatomien välisen kovalenttisen kolmoissidoksen sidosenergia on puolestaan 944 kj/mol. Kun reaktioentalpiaa lasketaan sidosenergioiden avulla, summataan yhteen sidosten katkeamisessa kuluva energiamäärä ja uusien sidosten muodostumisessa vapautuva energiamäärä esimerkki. Koska kahden alkuaineen välisen sidoksen sidosenergian arvo vaihtelee jossain määrin eri yhdisteissä, ei sidosenergioiden avulla laskettu reaktioentalpian arvo ole aivan tarkka kyseiselle reaktiolle! Yhteenveto, kts kuva oikealla. Polttoaineissa reaktiotuotteiden sidokset ovat selvästi vahvempia kuin lähtöaineiden, joten reaktio on hyvin voimakkaasti eksoterminen Esimerkki: Laske entalpiamuutos, kun yksi mooli bensiinin pääkomponenttia oktaania palaa hiilidioksidiksi ja vedeksi. Oktaanin palamisreaktion tasapainotettu reaktioyhtälö on: C 8 H 18 l + 12 1 2 O 2 g 8 CO 2 g + 9 H 2 O g Huomaa kielletty puolikas kerroin hapella! Miksi? Lasketaan taulukkokirjan ilmoittamien sidosenergia-arvojen avulla, kuinka paljon energiaa kuluu lähtö-aineiden sidosten katkeamisessa (endoterminen vaihe). 6

Lasketaan taulukkokirjan avulla kuinka paljon energiaa vapautuu, kun reaktiotuotteiden sidokset muodostuvat (eksoterminen vaihe). Lasketaan lopuksi yhteen sitoutuva ja vapautuva energiamäärä eli H = +16 052 kj + 20 222 kj Tämän takia hiilivedyt ovat hyviä polttoaineita. = 4 170 kj 4,2 MJ Mutta miksi taulukossa on ilmoitettu vain kovalenttisten sidosten sidosenergioita, eikä esimerkiksi ollenkaan ionisidosten energioita? Sivu 126/ Reaktio 3 Vastaus: Yksittäistä ionisidosta ei voida osoittaa ionihila ja sähköiset vuorovaikutukset (vetovoimat) ovat joka suuntaan. 7

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. 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? 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 = 273,15 + 43, T alku = 273,15 + 18, 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! Vesiliuos on siis ympäristö ja ympäristön H d) Kyseessä on siis eksoterminen tapahtuma. kasvaa! 8