Termokeemia: energia ja soojus keemilistes reaktsioonides
Termokeemia: avasta, kuidas energia ja soojus juhivad keemilisi reaktsioone — entalpia, entroopia, vaba energia ning endotermia ja eksotermia selgitused. Loe edasi.
Termokeemia on energia ja soojuse uurimine seoses keemiliste reaktsioonide ja füüsikaliste muundumistega (füüsikaliste muutustega). Füüsikalised muundumised toimuvad siis, kui aine olek (näiteks tahke või vedel aine) muutub teise olekusse. Ümberkujunduste näideteks on sulamine (kui tahke aine muutub vedelaks) ja keemine (kui vedelik muutub gaasiks).
Reaktsioon annab või võtab energiat. Füüsikaline muundumine annab või võtab samuti energiat. Termokeemia uurib neid energiamuutusi, eelkõige süsteemi energiavahetust ümbritseva keskkonnaga. Termokeemia on kasulik, et ennustada reaktijate ja produktide koguseid igal ajahetkel antud reaktsiooni ajal. Termokeemikud teevad seda andmete, sealhulgas entroopia määramise abil. Termokeemikud ütlevad, kas reaktsioon on spontaanne või mittespontaanne, soodne või ebasoodne.
Endotermilised reaktsioonid võtavad soojust. Eksotermilised reaktsioonid loovad soojust. Termokeemia ühendab termodünaamika mõisted keemiliste sidemete kujul esineva energia ideega. See hõlmab selliste suuruste arvutusi nagu soojusmahtuvus, põlemissoojus, moodustumissoojus, entalpia, entroopia, vaba energia ja kalorsus.
Põhimõisted ja seosed
Termokeemias kasutatavad põhikogused on entalpia (H), siseenergia (U), entroopia (S) ja vaba energia (G). Oluline seos on Gibbsi vaba energia definitsioon: G = H − T·S, kus T on absoluutne temperatuur (K). Reaktsioon on termodünaamiliselt spontaanne eeldusel, et ΔG on negatiivne (ΔG < 0).
Esimene termodünaamika seadus (energia jäävuse seadus) ütleb, et süsteemi siseenergia muutus on soojuse ja töö summa: ΔU = q + w (kus q on süsteemile antud soojus ja w on süsteemile tehtud töö). Keemilistes reaktsioonides on tihti oluline rõhu-tingimusel mõõdetav suurus entalpia muutus ΔH, sest konstantsel rõhul on ΔH = q_p (soojus, mida süsteem vahetab ümbritsevaga konstantsel rõhul).
Endotermilised ja eksotermilised protsessid
Endotermilised protsessid neelavad soojust ümbrusest (ΔH > 0), näiteks jää sulamine. Eksotermilised protsessid vabastavad soojust (ΔH < 0), näiteks orgaaniliste ainete põlemine. Näide: metaani põlemise standardne entalpiamuutus on ligikaudu −890 kJ·mol⁻¹ (eksotermiline), vee jäämine ehk sulamine on ligikaudu +6,01 kJ·mol⁻¹ (endotermiline per mol vett). Need väärtused annavad aimu, kui palju energiat üks või teine protsess vahetab.
Hessi seadus ja entalpia arvutamine
Hessi seadus ütleb, et reaktsiooni entalpiamuutus sõltub ainult alg- ja lõppolekust, mitte reaktsiooni teest. Seetõttu saab keeruka reaktsiooni ΔH leida sammude kaupa, kasutades standardseid moodustumisentalpia väärtusi ΔHf° või kirjeldades reaktsiooni osareaktsioonide summana.
Mõõtmismeetodid: kalorimeetria
Termokeemia eksp erimente ja andmeid saab hankida kalorimeetria abil. Lihtsas vedelikualuses kalorimeetris kehtib seos q = m·c·ΔT, kus m on mass, c on soojusmahtuvus ja ΔT on temperatuurimuutus. Rasketes ja kõrgeenergeetilistes reaktsioonides kasutatakse bomb-kalorimeetrit, kus reaktsioon toimub konstantsel ruummahul; sellisel juhul mõõdetakse ΔU (siseenergia muutust) ja teisendatakse vajadusel ΔH väärtuseks.
Entroopia ja spontaansus
Kuigi entalpia kirjeldab soojusvahetust, on reaktsiooni spontaanse olemuse hindamiseks sageli vajalik arvestada ka entroopiat (ΔS). Gibbsi energia võtab mõlemad arvesse: ΔG = ΔH − T·ΔS. Näiteks võib endothermiline reaktsioon muutuda spontaanseks kõrgel temperatuuril, kui ΔS on piisavalt positiivne, et termi T·ΔS väärtus kompenseerib positiivse ΔH.
Standardtingimused ja ühikud
Termokeemias kasutatakse tihti standardtingimuste entalpia- ja vabaenergia väärtusi tähistusega ° (näiteks ΔH°, ΔG°), mis viitavad tavaliselt 1 bar rõhule ja reagenditele nende standardolekus. Ühikutena kasutatakse sagedasti kJ·mol⁻¹ või kJ (sõltuvalt, kas väärtus on muudetud molaarsete suuruste järgi).
Piirangud ja rakendused
- Termokeemia annab vastuse, kas protsess on termodünaamiliselt soodne, kuid ei ennusta reaktsiooni kiirust — selleks on vaja keemilist kineetikat.
- Rakendused hõlmavad energiaallikate hindamist (põlemisprotsessid), materjalide töötemperatuuri planeerimist, kalorimeetriat laborites, toiduainetööstuse energiabilansse ja keskkonnateadust.
- Termokeemia on aluseks ka akude ja kütuseelementide tööpõhimõtetele, kus kehaenergia muutumine keemiliseks energiaks ja tagasi on kriitiline.
Kokkuvõtlikult: termokeemia ühendab termodünaamika abstraktsed seaduspärasused ja keemiliste sidemete energia konkretse mõõtmise, võimaldades mõista ning kvantitatiivselt kirjeldada, kuidas ja kui palju energiat muutub keemiliste ja füüsikaliste protsesside käigus.
Maailma esimene jääkalorimeeter, mida kasutasid 1782-83. aasta talvel Antoine Lavoisier ja Pierre-Simon Laplace. Seda kasutati erinevate keemiliste muutuste käigus tekkiva soojuse leidmiseks. Need arvutused põhinesid Joseph Blacki varasemal latentse soojuse avastusel. Need katsed panid aluse termokeemiale.
Ajalugu
Termokeemia sai alguse kahest ideest:
- Lavoisier ja Laplace'i seadus (1780): Energia muutus mis tahes ümberkujundamisel on võrdne ja vastupidine energia muutusega vastupidises protsessis.
- Hessi seadus (1840): Hess: Iga muundumise energiamuutus on sama, olenemata sellest, kas see toimub ühes või mitmes etapis.
Need avastused tehti enne termodünaamika esimest seadust (1845). Nad aitasid teadlastel seda seadust mõista.
Edward Diaz ja Hess uurisid erisoojust ja latentset soojust. Joseph Black töötas välja latentsete energiamuutuste mõiste.
Gustav Kirchhoff näitas 1858. aastal, et reaktsioonisoojuse muutus on antud produktide ja reaktantide soojusmahtuvuse erinevusega: ∂ Δ H ∂ T = Δ C p {\displaystyle {\partial \Delta H} \over \partial T}=\Delta C_{p}} 
. Selle võrrandi integreerimine võimaldab hinnata reaktsioonisoojust ühel temperatuuril teise temperatuuri mõõtmiste põhjal.
Kalorimeetria
Soojuse muutuste mõõtmist nimetatakse kalorimeetriks. Sellega mõõdetakse keemiliste reaktsioonide või füüsikaliste muutuste soojust. Kalorimeeter, kalorimeetriks kasutatav seade, on tavaliselt suletud kamber.
Kalorimeetria koosneb järgmistest etappidest: Keemikud muudavad muutuse kambri sees. Kambri temperatuuri mõõdetakse kas termomeetri või termopaari abil. Temperatuur joonistatakse aja suhtes, et saada graafik. Keemikud kasutavad graafikut põhiliste suuruste arvutamiseks.
Kaasaegsetel kalorimeetritel on väikesed arvutid, mis mõõdavad temperatuuri ja annavad kiiresti arvutatud andmed. Üks näide on diferentsiaalkaalorimeeter (DSC).
Süsteemid
Termokeemias on väga kasulikud mitmed termodünaamilised definitsioonid. Süsteem on universumi konkreetne osa, mida uuritakse. Kõik, mis asub väljaspool süsteemi, loetakse ümbritsevaks või keskkonnaks. Süsteem võib olla:
- isoleeritud süsteem - kui see ei saa vahetada energiat või ainet ümbritsevaga, nagu näiteks isoleeritud pommikalorimeeter;
- suletud süsteem - kui ta saab vahetada energiat, kuid mitte ainet ümbritsevaga, nagu aururadiaator;
- avatud süsteem - kui ta saab vahetada nii ainet kui ka energiat ümbritseva keskkonnaga, näiteks poti keeva veega.
Protsessid
Süsteem läbib "protsessi", kui üks või mitu selle omadust (omadust) muutub. Protsess on seotud (seostub) oleku muutusega. Isotermiline (sama temperatuuriga) protsess toimub siis, kui süsteemi temperatuur jääb samaks. Isobaarne (sama rõhk) protsess toimub, kui süsteemi rõhk jääb samaks. Adiabaatiline (soojusvahetust ei toimu) protsess toimub siis, kui soojus ei liigu.
Seotud leheküljed
- Olulised publikatsioonid termokeemia valdkonnas
- Isodesmiline reaktsioon
- Maksimaalse töö põhimõte
- Reaktsioonikalorimeeter
- Thomsen-Bertheloti põhimõte
- Julius Thomsen
- Puhtade ainete termodünaamilised andmebaasid
- Kalorimeetria
- Soojusfüüsika
Küsimused ja vastused
K: Mis on termokeemia?
V: Termokeemia on keemiliste reaktsioonide ja füüsikaliste muundumistega seotud energia ja soojuse uurimine.
K: Millised on mõned näited füüsikalistest muundumistest?
V: Füüsikaliste muundumiste näited on näiteks sulamine (kui tahke aine muutub vedelaks) ja keemine (kui vedelik muutub vedelaks).
K: Kuidas aitab termokeemia ennustada reaktijate ja produktide koguseid?
V: Termokeemikud kasutavad andmeid, sealhulgas entroopia määramisi, et ennustada reaktijate ja produktide koguseid igal ajahetkel antud reaktsiooni ajal.
K: Kas endotermilised reaktsioonid on soodsad või ebasoodsad?
V: Endotermilised reaktsioonid on ebasoodsad.
K: Kas eksotermilised reaktsioonid on soodsad või ebasoodsad?
V: Eksotermilised reaktsioonid on soodsad.
K: Milliseid mõisteid ühendab termokeemia?
V: Termokeemia ühendab termodünaamika mõisted ja energia idee keemiliste sidemete kujul.
K: Milliseid arvutusi teevad termokeemikud?
V: Termokeemikud teevad selliseid arvutusi nagu soojusmahtuvus, põlemissoojus, moodustumissoojus, entalpia, entroopia, vaba energia ja kalorsus.
Otsige