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

Samankaltaiset tiedostot
Reaktiolämpö KINEETTINEN ENERGIA POTENTIAALI- ENERGIA

Erilaisia entalpian muutoksia

Erilaisia entalpian muutoksia

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

Kemiallinen reaktio

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

luku 1.notebook Luku 1 Mooli, ainemäärä ja konsentraatio

Johdantoa. Kemia on elektronien liikkumista/siirtymistä. Miksi?

Reaktiosarjat

Kemian koe kurssi KE5 Reaktiot ja tasapaino koe

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

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

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

Lukion kemia 3, Reaktiot ja energia. Leena Piiroinen Luento

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

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

Tasapainotilaan vaikuttavia tekijöitä

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

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

1. van der Waalsin tilanyhtälö: 2 V m RT. + b2. ja C = b2. Kun T = 273 K niin B = cm 3 /mol ja C = 1200 cm 6 mol 2

KEMIAN MIKROMAAILMA, KE2 VESI

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

Ainemäärien suhteista laskujen kautta aineiden määriin

Kohti entalpiamuutoksiin liittyviä laskuja

ln2, missä ν = 1mol. ja lopuksi kaasun saama lämpömäärä I pääsäännön perusteella.

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

REAKTIOT JA TASAPAINO, KE5 KERTAUSTA

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

Luku 2. Kemiallisen reaktion tasapaino

Esimerkiksi ammoniakin valmistus typestä ja vedystä on tyypillinen teollinen tasapainoreaktio.

P = kv. (a) Kaasun lämpötila saadaan ideaalikaasun tilanyhtälön avulla, PV = nrt

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

Hapetus-pelkistymisreaktioiden tasapainottaminen

Osio 1. Laskutehtävät

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

Luento 2: Lämpökemiaa, osa 1 Keskiviikko klo Termodynamiikan käsitteitä

Kemia s2011 ratkaisuja. Kemian koe s 2011 lyhennettyjä ratkaisuja

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

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

REAKTIOT JA ENERGIA, KE3. Kaasut

KEMIA HYVÄN VASTAUKSEN PIIRTEET

VESI JA VESILIUOKSET

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

Luento 9 Kemiallinen tasapaino CHEM-A1250

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

(l) B. A(l) + B(l) (s) B. B(s)

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

Teddy 7. harjoituksen malliratkaisu syksy 2011

13 KALORIMETRI Johdanto Kalorimetrin lämmönvaihto

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

vetyteknologia Polttokennon termodynamiikkaa 1 DEE Risto Mikkonen

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

Kemialliset reaktiot ja reaktorit Prosessi- ja ympäristötekniikan perusta I

RATKAISUT: 12. Lämpöenergia ja lämpöopin pääsäännöt

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,

Liukoisuus

. Veden entropiamuutos lasketaan isobaariselle prosessille yhtälöstä

Aineen olomuodot ja olomuodon muutokset

Helsingin yliopisto/tampereen yliopisto Henkilötunnus - Molekyylibiotieteet/Bioteknologia Etunimet valintakoe Tehtävä 3 Pisteet / 30

Osa2. Kemiallinen reaktio

Kaikki ympärillämme oleva aine koostuu alkuaineista.

KEMIA. Kemia on tiede joka tutkii aineen koostumuksia, ominaisuuksia ja muuttumista.

Veden ionitulo ja autoprotolyysi TASAPAINO, KE5

Teddy 1. välikoe kevät 2008

Termodynamiikan suureita ja vähän muutakin mikko rahikka

Seoksen pitoisuuslaskuja

PHYS-C0220 TERMODYNAMIIKKA JA STATISTINEN FYSIIKKA

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

Yhdisteiden nimeäminen

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

7 Termodynaamiset potentiaalit

c) Tasapainota seuraava happamassa liuoksessa tapahtuva hapetus-pelkistysreaktio:

Oppikirjan tehtävien ratkaisut

MIKKELIN AMMATTIKORKEAKOULU Tekniikka ja liikenne / Sähkövoimatekniikka T8415SJ Energiatekniikka. Hannu Sarvelainen HÖYRYKATTILAN SUUNNITTELU

Fysiikan, kemian ja matematiikan kilpailu lukiolaisille

Ohjeita opetukseen ja odotettavissa olevat tulokset

Astrokemia Kevät 2011 Harjoitus 1, Massavaikutuksen laki, Ratkaisut

Luku 3. Protolyysireaktiot ja vesiliuoksen ph

Käytetään nykyaikaista kvanttimekaanista atomimallia, Bohrin vetyatomi toimii samoin.

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

Luento 2: Lämpökemiaa, osa 1 Torstai klo Termodynamiikan käsitteitä

Näiden aihekokonaisuuksien opetussuunnitelmat ovat luvussa 8.

vetyteknologia Polttokennon tyhjäkäyntijännite 1 DEE Risto Mikkonen

HEIKOT VUOROVAIKUTUKSET MOLEKYYLIEN VÄLISET SIDOKSET

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

PHYS-A0120 Termodynamiikka syksy 2016

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

SISÄLLYSLUETTELO SYMBOLILUETTELO 4

Neutraloituminen = suolan muodostus

KE5 Kurssikoe Kastellin lukio 2012 Valitse kuusi (6) tehtävää. Piirrä pisteytystaulukko.

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

KE5 Kurssikoe Kastellin lukio 2014

CHEM-A1110 Virtaukset ja reaktorit. Laskuharjoitus 9/2016. Energiataseet

HSC-ohje laskuharjoituksen 1 tehtävälle 2

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

Luku 15 KEMIALLISET REAKTIOT

PHYS-A0120 Termodynamiikka syksy 2017

REAKTIOT JA TASAPAINO, KE5 Vahvat&heikot protolyytit (vesiliuoksissa) ja protolyysireaktiot

Transkriptio:

ympäristö ympäristö 15.12.2016 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

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

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

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 = 273,15 + 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! 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 = +1204 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

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 298. 2. 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 = 5,3548 10 3 mol Reaktioyhtälön perusteella n O 2 = V V m = 0,150 l 22,41 l/mol = 6,6934 10 3 mol n H 2 n O 2 = 2 1 = 2. 5

Laskettujen ainemäärien suhde on n H 2 n O 2 = 5,3548 10 3 mol 6,6934 10 3 0,80 < 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 = 5,3548 10 3 mol. Entalpia-arvo oli kuitenkin annettu reaktiolle, jossa vettä muodostuu kaksi moolia. Näin ollen kysytyn reaktion entalpiamuutokseksi tulee H = 5,3548 10 3 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

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