(Microsoft PowerPoint - \344\370\366\340\ \372\370\356\345\353\351\356\351\344.ppt)

תמליל

1 תרמוכימיה כימיה פיסיקלית דני פורת ד"ר Tel: porath@chem.ch.huji.ac.il Office: Los Angeles 027 Course book: Physical Chemistry P. Atkins & J. de Paula (7 th ed) Course site: סילבוס קורס תרמודינמיקה.1 הגזים א-תכונות ומנגנונים מושגים הראשון של התרמודינמיקה: החוק ב- ומנגנונים מושגים השני והשלישי: החוק ג- פזות ד-דיאגרמת משקל כימי ה-שיווי קינטיקה.2 ראקציות כימיות א-קצב וקטליזות ב-מנגנונים 2 שעור מס' 5 תרמוכימיה (Atkins (קריאה מלווה מומלצת : אנתלפיה סטנדרטיים שינויי.1 של שינוי פיסיקלי א-אנתלפיה של שינוי כימי ב-אנתלפיה (Hess) הס חוק ג- של יצירה סטנדרטיות אנתלפיות.2 יצירה אנתלפיות ריאקציה במושגי א-אנתלפית של קבוצות ב-תרומה מולקולריים ומודלים יצירה אנתלפיות ג- ריאקציה אנתלפיות בטמפרטורה של התלות.3 3 1

2 האנרגיה הפנימית פנימית: אנרגיה הכוללת של המערכת האנרגיה תמיד ניתן למדוד את האנרגיה הפנימית של לא המערכת U=q+W U=U final -U initial 4 (Enthalpy) אנתלפיה האנתלפיה בתהליך בלחץ קבוע הוא השינוי השינוי החום שהמערכת מקבלת או מוסרת: בכמות H U+ PV = H = H f Hi = q p 5 (Enthalpy) אנתלפיה בכמות החום בתהליך בלחץ קבוע שנבלע או השינוי מהמערכת: נפלט H = H (products) H (reactants) 6 H products < H reactants H < 0 H products > H reactants H > 0 2

3 משוואה תרמוכימית או שלילי? חיובי H האם בולעת חום המערכת אנדותרמית H>0 בכל נבלעים 6.01 KJ קרח המותך ב ב- 0 o C מול ב- 1 atm H 2 O (s) H 2 O (l) H = 6.01 kj 7 משוואה תרמוכימית או שלילי? חיובי H האם פולטת המערכת חום םום אקסותרמית H<0 לכל נפלטים KJ מתאן ושני מול מול הנשרפים ב ב- 25 o C חמצן ב- 1 bar CH 4 (g) + 2O 2 (g) CO 2 (g) + H 2 O (l) H = kj 8 שינוי האנתלפיה הסטנדרטית H 0 לחשב שינוי האנתלפיה בריאקציות כיצד בעיה: מורכבות? המצב ידי טיפול במצב פשוט יותר על פתרון: עבור כל המרכיבים הסטנדרטי סטנדרטי: מצב הסטנדרטי של חומר בטמפרטורה נתונה הוא המצב הטהור ב ב- 1 bar מצבו האנתלפיה הסטנדרטית: שינוי האנתלפיה המלווה יצירה בטמפרטורה נתונה שינוי ממרכיבים שכולם במצב תרכובת מול שלללל 1 הסטנדרטי 9 3

4 המצב הסטנדרטי יחוס מוגדר היטב להשוואה בין תכונות מצב תרמודינמיות מצב סטנדרטי: הגדרות גזזז::::ז P=1 atm אוווו 1 bar תמיסות: (mol/l) 1M או מוצק טהור נוזל ומוצקים: נוזלים הקיום של היסוד ב ב- 1 atm (אוווו צורת יסודות: 1 בדר"ככככ- (25 o C) K נתונה, ובטמפרטורה (bar 10 המצב הסטנדרטי - הגדרות סטנדרטי של יסודות: מצב מימן: (g=gas) H 2 מימן במצב אטומי) (לא חמצן: (g) O 2 פחמן: C(gr) שפופרות) ולא יהלום או פחם גרפיט (אוווו rxn H 0 : האנתלפיה בין מצבים סטנדרטיים מסומן שינוי 11 מושג ים אנתלפיה H 0 אנתלפיה סטנדרטית שינוי סטנדרטי מצב 12 4

5 השימוש "התיאורי" ביסודות elements q reactants products H rxn בצורת היסודות כמצב יחוס לבחינת תרכובות נשתמש המגיבים בריאקציה את מפרקים" "מפרקים תיאורי, באופן את התוצרים מחדש בונים" ו"בונים היסודיים למרכיביהם היצירה של יסודות במצב הסטנדרטי היא: אנתלפית 0 13 דוגמא: בעירת מתאן CH 4 (g) + 2O 2 (g) CO 2 (g) + 2H 2 O(l) להשתמש באנתלפיה סטנדרטית בטמפרטורות שונות ניתן 25 o ו- C 1 bar בתנאים של משתמשים בדר"ככככ אולם 14 אנתלפיה של שינוי פיסיקלי של שינוי פיסיקלי: אנתלפיה trs H 0 - standard enthalpy of transition של שינוי במצב הצבירה: האנתלפיה נוזל, גזזז----ז נוזל- וכו' מוצק אידוי: VAP H 0 אנתלפית היתוך: fus H 0 אנתלפית H 2 O(s) H 2 O(l) fus H 0 (273 K)=+6.01 KJ/mol 15 5

6 דוגמאות 16 אנתלפיה וכוון הריאקציה היא פונקצית מצב ולכו אינה תלויה באופן אנתלפיה הריאקציה: ביצוע H 2 O(s) H 2 O(g) sub H o ובשלבים: H 2 O(s) H 2 O(l) fus H o H 2 O(l) H 2 O(g) vap H o ובסה"ככככ: H 2 O(s) H 2 O(g) fus H o + vap H o כלומר: sub H o = fus H o + vap H o 17 אנתלפיה וכוון הריאקציה: מסקנה מזו של גדולה סובלימציה) (סובלימציה של המראה אנתלפיה אידוי זהה בשני הכוונים: האנתלפיה H o (A B)=- H o (B A) 18 6

7 דוגמא H 2 O (g) kj Enthalpy kj H 2 O (l) kj H = H final - H initial (transition) אנתלפית מעבר Transition Process Symbol Transition Phase α Phase β trs H o Fusion s l fus H o Vaporization l g vap H o Sublimation s g sub H o Mixing of fluids Pure mixture mix H o Solution Solute solution sol H o Hydration X ± (g) X ± (aq) hyd H o Atomization Species(s,l,g) atoms(g) at H o Ionization X(g) X + (g)+e - (g) ion H o Electron gain X(g)+e - (g) X - (g) eg H o Reaction Reactants products r H o Combustion Compounds(s,l,g)+O 2 (g) CO 2 (g),h 2 O(l,g) c H o Formation Elements compound f H o Activation Reactants activated complex H o דוגמאות 21 7

8 המסה של מלח H soln = Step 1 + Step 2 = = 4 kj/mol אנתלפיה של שינוי כימי ותוצרים במצב סטנדרטי): (מגיבים תרמוכימית משוואה H rxn = H(pure, unmixed products) - H (pure separated reactants) CH4 ( g ) + 2O 2( g ) CO 2( g ) + 2H2O(l ) H 0 = 890 kj היא תכונה אקסטנסיבית ולכן יחסית לכמות: אנתלפיה CH 4 (g) + 2O 2 (g) CO 2 (g) + 2H 2 O(g) H = -802 kj 2CH 4 (g) + 4O 2 (g) 2CO 2 (g) + 4H 2 O(g) H = kj משתנה: H של הסימן משנים כוון הריאקציה, כאשר CO 2 (g) + 2H 2 O(g) CH 4 (g) + 2O 2 (g) H = +802 kj באנתלפיה תלוי במצב: שינוי 2H 2 O(g) 2H 2 O(l) H = -88 kj 24 חוק הס האנתלפיה זהה בכל מסלול בלי תלות במספר שינוי 2 C 3 H 7 OH (l) + 9 O 2 (g) ==> 6 CO 2 (g) + 8 H 2 O (g) H 2 O (l) ==> H 2 O (g) 2 C 3 H 7 OH (l) + 9 O 2 (g) + H 2 O (l) ==> 6 CO 2 (g) + 9 H 2 O (g) הצעדים kj/mol 130 kj/mol kj/mol הכולל השינוי ריאקציה מתבצעת במספר שלבים, כאשר הכוללת הוא סך שינויי האנתלפיה בשלבים באנתלפיה אם הם תיאורטיים בלבד) (גם השונים CH 4 (g) + 2O 2 (g) CO 2 (g) + 2H 2 O(g) H = -802 kj 2H 2 O(g) 2H 2 O(l) H = -88 kj CH 4 (g) + 2O 2 (g) CO 2 (g) + 2H 2 O(l) H = -890 kj 8

9 חוק הס H 1 = H 2 + H 3 25 אנתלפיה של יצירה מול של תוצר נוצר ממרכיביו במצבם כאשר שינוי האנתלפיה בריאקציה נקרא אזי הסטנדרטי, 26 (enthalpy of formation) H o f היצירה אנתלפית סטנדרטיים: C)] 1 bar, [298 K (25 o תנאים במצב סטנדרטי נמדד הכל כאשר סטנדרטית: אנתלפיה יש יותר ממצב אפשרי אחד לחומר בתנאים כאשר המצב היציב יותר ישמש לחישוב אזי סטנדרטיים, היצירה של יסודות במצבם אנתלפית תזכורת: טמפרטורה לכל "0" היא הסטנדרטי אנתלפיה של יצירה היצירה של המצב היציב ביותר של יסוד היא אפס אנתלפית 27 9

10 אנתלפיה של יצירה 28 חישוב אנתלפיה של יצירה באנתלפיה של יצירה לחישוב אנתלפיה של ריאקציה נשתמש חוק הס: בעזרת H rxn = H 1 + H 2 + H 3 29 דוגמא: חישוב אנתלפיה של יצירה 2NO 2 (g) q N 2 (g) + 2O 2 (g) H = 68KJ N 2( g ) + 2O2( g ) 2NO2( g ) 30 N 2 (g) + O 2 (g) 2NO(g) H = 180 kj 2NO (g) + O 2 (g) 2NO 2 (g) H = -112 kj N 2 (g) + 2O 2 (g) 2NO 2 (g) H = 68 kj 10

11 שינו י כ ו ו ן הריאקצ יה נהפוך כוון הריאקציה נקבל אותה תוצאה בהיפוך סימן: אם N 2 (g) + 2O 2 (g) 2NO 2 (g) H = 68 kj 2NO 2 (g) N 2 (g) + 2O 2 (g) H = -68 kj השינוי תלוי ישירות בכמויות: ערך N 2 (g) + 2O 2 (g) 2NO 2 (g) H = 68 kj 2N 2 (g) + 4O 2 (g) 4NO 2 (g) H = 136 kj 31 שימ וש בחוק הס הפוך": "הפוך שינוי האנתלפיה בכוון מחשבים בדר"ככככ 3C (gr) + 4H 2 (g) C 3 H 8 (g) H =? הריאקציות הבאות: נתונות C (gr) + O 2 (g) CO 2 (g) H = -394 kj C 3 H 8 (g) + 5O 2 (g) 3CO 2 (g) + 4H 2 O (l) H = kj H 2 (g) + 1/2O 2 (g) H 2 O (l) H = -286 kj 32 שלב 1 לקבל את כדי נכפיל ב ב- 3 ולכן C(gr) יש 1 בריאקציה רק בתוצר הסופי: הדרושה ה ה- C(gr) כמות Initial: C (gr) + O 2 (g) CO 2 (g) H = -394 kj Final: 3C (gr) + 3O 2 (g) 3CO 2 (g) H = kj 33 11

12 שלב 2 :2 להפוך את כוון ריאקציה צריך בתוצר, C 3 H 8 לקבל כדי Initial: C 3 H 8 (g) + 5O 2 (g) 3CO 2 (g) + 4H 2 O (l) H = kj Final: 3CO 2 (g) + 4H 2 O (l) C 3 H 8 (g) + 5O 2 (g) H = kj 34 שלב 3 לראות מה נשאר: כדי חדשות" ה"חדשות את שתי הריאקציות ה נחבר 3C (gr) + 3O 2 (g) 3CO 2 (g) H = kj 3CO 2 (g) + 4H 2 O (l) 3C (gr) + 4H 2 O (l) C 3 H 8 (g) + 5O 2 (g) H = kj 2 C 3 H 8 (g) + 2O 2 (g) H =+1038 kj 35 שלב 4 א הריאקציה הקודמת לתוצר ונבדוק מה חסר נשווה להשלמתה: 3C (gr) + 4H 2 O (l) C 3 H 8 (g) + 2O 2 (g) H = kj H 2 (g) + 1/2O 2 (g) H 2 O (l) H = -286 kj 3C (gr) + 4H 2 (g) C 3 H 8 (g) ב- 4 השניה צורך להכפיל הריאקציה יש 36 12

13 שלב 4 ב הריאקציה הקודמת לתוצר ונבדוק מה חסר נשווה להשלמתה: 3C (gr) + 4H 2 O (l) C 3 H 8 (g) + 2O 2 (g) H = kj 4H 2 (g) + 2O 2 (g) 4H 2 O (l) H = kj 3C (gr) + 4H 2 (g) C 3 H 8 (g) 37 סי ום הריאקציה הקודמת לתוצר ונבדוק מה חסר נשווה להשלמתה: 3C (gr) + 4H 2 O (l) C 3 H 8 (g) + 2O 2 (g) H = kj 4H 2 (g) + 2O 2 (g) 4H 2 O (l) H = kj 3C (gr) + 4H 2 (g) C 3 H 8 (g) H = -106 kj 38 חוק קירכהוף התלות בטמפ' של אנתלפית ריאקציה מידע רב לגבי שינויי אנתלפיה בריאקציות חשובות, קיים כאשר המידע חסר ניתן להעריכו מקיבולי החום אולם של המגיבים ושל האנתלפיה משנים את הטמפרטורה, כאשר לא באותו קצב אך משתנה, התוצרים 39 קירכהוף: חוק קוק H(T2 ) = H(T1 ) + T2 T1 C dt H (T ) = H (T ) + C dt rxn 2 0 rxn P rxn 0 P,m Pr oducts 1 P T2 T1 rxn C = νc ν C P 0 P,m Re ac tants 13

14 מושג ים אנתלפיה H 0 אנתלפיה סטנדרטית שינוי סטנדרטי מצב תיאורי ביסודות שימוש של שינוי פיסיקלי אנתלפיה וכוון הריאקציה אנתלפיה מעבר אנתלפית של שינוי אנתלפיה כימי הס חוק של יצירה אנתלפיה קירכהוף חוק קוק 40 תרמודינמיקה.1 ± הגזים א-תכונות סילבוס קורס ומנגנונים ומנגנ מושגים הראשון של התרמודינמיקה: החוק ב- ומנגנונים מושגים השני והשלישי: החוק ג- פזות ד-דיאגרמת משקל כימי ה-שיווי קינטיקה.2 ראקציות כימיות א-קצב וקטליזות ב-מנגנונים 41 14