אנרגיה בקצב הכימיהפרק א'

עריכת המצגת: ד"ר תרצה גרוס

ד"ר מרים כרמי

מושגים מרכזיים בפרק א

אנרגיה פנימית•אנרגיה קינטית•אנרגיה פוטנציאלית•טמפרטורה•מערכת – פתוחה, סגורה, מבודדת•סביבה•חוק שימור האנרגיה•מעברי אנרגיה כגון חימום•אנתלפיה, שינוי אנתלפיה•תגובה אנדותרמית•תגובה אכסותרמית•רמות ההבנה בכימיה – מיקרוסקופית, מאקרוסקופית, סמל, תהליך•אנרגיית שפעול•

מהי אנרגיה?

אנרגיה היא היכולת לבצע עבודה•

זהו גודל המאפיין תכונה חשובה של •המערכת, אך אינו ניתן למדידה ישירה.

האנרגיה הפנימית של גופים גדולים

האנרגיה הפנימית של חומר מורכבת משני סוגים:•

I .אנרגיית התנועה של הגוף כולו. תלויה אנרגיה קינטית - במסת הגוף ובמהירותו

II .תלויה במיקומו של הגוף ובכוחות אנרגיה פוטנציאלית –הפועלים עליו. גודל זה נמדד יחסית למצב בו אין כוחות

שפועלים על הגוף, כלומר, אנרגיה פוטנציאלית אפס

כל האנרגיה בחומר – האנרגיה הפוטנציאלית והאנרגיה •האנרגיה הפנימית של החומרהקינטית – נקראת

אנרגיה פוטנציאלית של גופים

קפיץ - אנרגיה פוטנציאלית אלסטית•

קפיץ רפוי

קפיץ מתוח

השקעת

אנרגיה

פליטת אנרגיה

אנרגיה פוטנציאלית כובדית•

אנרגיית גובה – מושפעת מכוח הכובד הפועל על הגוף.

אנרגיה קינטית של מדגם חלקיקים

של המדגם נובעת מתנועתם של האנרגיה הקינטית•החלקיקים.

האנרגיה הקינטית של מולקולה נקבעת על ידי מסת •המולקולה ומהירותה.

לחלקיקים במדגם יש מהירויות שונות, ולכן נתייחס •לאנרגיה הקינטית הממוצעת של המדגם.

האנרגיה הקינטית הממוצעת באה לידי ביטוי •בטמפרטורה של מדגם החלקיקים.

7

אנרגיה קינטיתשל חלקיקים

דוגמאות לאופני תנועה שונים של המולקולות*

תנודהסיבובמעתק

כפוף

תנודה

אסימטרית

תנודה

סימטרית

בגז ובנוזל במידה מוגבלת

בסריג מוצק, נוזל וגזבנוזל ובגז*במוצק אטומרי מתקיימות תנודות אטומים.

8

אנרגיה פוטנציאלית של מדגם חלקיקים

היא גודל יחסי, התלוי בסוג האנרגיה הפוטנציאלית•החומר ומושפע מהיערכות החלקיקים וסוג

הקשרים ביניהם. מכוחות האנרגיה הפוטנציאלית של המדגם נובעת •

בין החלקיקים המרכיבים אותו -המשיכה והדחייהכוחות משיכה ודחייה בין אטומים, בין אלקטרונים

ובין אלקטרונים לגרעין האטוםככל שבמדגם יש מספר רב יותר של חלקיקים, •

מספר האינטראקציות ביניהם גדל.

9

דיאגרמת שינוי האנרגיה הפוטנציאלית כתלות במרחק בין שני אטומים.

בנקודת המינימום בגרף האטומים קשורים ביניהם בקשר קוולנטי

R

0

10

בחומר - האנרגיה האנרגיה סך כלהפוטנציאלית והאנרגיה הקינטית -

האנרגיה הפנימית של החומר נקראת

האנרגיה של מערכת היא גודל המאפיין מצב •נתון ואין זה משנה כיצד הגיעה המערכת למצב

זה.

לדוגמה, כמות נתונה של מים בטמפרטורה •מסוימת מאופיינת על ידי אנרגיה מסוימת ואין

זה משנה באיזו דרך הגיעו המים לאותה טמפרטורה.

מערכת וסביבה

מערכת – מוקד ההתעניינות שלנו. כוללת את • התוצרים לפני התרחשות התגובה, ואת המגיבים

לאחר התרחשותה.סביבה – כל מה שאינו מערכת. •מערכת מבודדת – אין חילופי אנרגיה או חומר עם •

הסביבה.במערכת פתוחה קיימים חילופי אנרגיה וחומר עם •

הסביבה. במערכת סגורה קיימים חילופי אנרגיה עם הסביבה. •

חוק שימור האנרגיה

האנרגיה הכוללת של היקום היא גודל קבוע. •

מערכת הנמצאת בסביבה מוגדרת מהווה •"מיני יקום".

שינוי החוק הראשון של התרמודינמיקה:•האנרגיה במערכת סגורה כלשהי מתבטא רק

במעברי אנרגיה או במיקומה, ואילו כמות האנרגיה קבועה תמיד.

שינוי באנרגיה הפנימית של המערכת

האנרגיה הפנימית של המערכת עשויה לעלות או •לרדת כתוצאה ממעברי אנרגיה בין המערכת

לסביבה.

דוגמאות:•

מעבר אנרגיה הגורם לחימום המערכת•

מעבר אנרגיה הגורם לקירור המערכת•

מעבר אנרגיה הגורם לחימום וביצוע עבודה•

מעבר אנרגיה הגורם לפליטת קרינה•

אנרגיה, טמפרטורה ומה שביניהן

הטמפרטורה הנמדדת של חומר היא מדד לאנרגייה •הקינטית הממוצעת של החלקיקים בחומר

טמפרטורה היא גדל שאינו תלוי בכמות החומר )תכונה •אינטנסיבית(

כאשר שני גופים שהטמפרטורות שלהם אינן זהות באים •במגע זה עם זה, הטמפרטורות שלהן ישתנו עד לשוויון

)שווי משקל תרמי(

פעולת החימום היא דרך להעברת אנרגיה מגוף בעל •טמפרטורה גבוהה יותר לגוף בעל טמפרטורה נמוכה יותר

15

אנרגיה פנימית של חומר של חומר טמפרטורה

טמפרטורה היא גודל שאינו תלוי בכמות החומר.

)גודל אינטנסיבי(

אנרגיה פנימית היא גודל התלוי בכמות החומר. ככל שכמות

החומר גדולה יותר, כך גדולה יותר כמות האנרגיה הפנימית.

)גודל אקסטנסיבי(

תלות במסה

שאינושאינוטמפרטורה היא גודל . ניתן לחיבור

לאחר ערבוב מים בטמפרטורה גבוהה עם מים

בטמפרטורה נמוכה, טמפרטורת המים אינה סכום

.הטמפרטורות

אנרגיה היא גודל הניתן לחיבור.

כאשר נערבב כמויות שונות של מים, כמות האנרגיה הפנימית הכוללת שווה לסכום האנרגיה

הפנימית של כמויות המים ההתחלתיות.

ערך מצטבר

אנרגיה וטמפרטורה - השוואה

16

אנרגיה פנימית של חומר של חומר טמפרטורה

)של תמיסות(, צפיפות, ריכוזמקדם התפשטות, מוליכות חשמלית של מתכות - הם

גדלים שאינם תלויים בכמות

החומר ואינם ניתנים לחיבור

מס' המולים תלוי בכמות החומר

וניתן לחיבורדוגמאות לגדלים אחרים

טמפרטורה ניתנת למדידה בעזרת מד טמפרטורה. קיימים מדי טמפרטורה

הפועלים על פי עקרונות .שונים

.אנרגיה לא ניתנת למדידה ישירה

ניתן להבחין או למדוד מעברי אנרגיה בלבד.

דרך המדידה

יחידות המידה של אנרגיה

לא ניתן למדוד אנרגיה באופן ישיר אלא את השינוי •הנגרם ממעבר אנרגיה כמו חימום או עבודה.

היחידה המקובלת היא היחידה הנגזרת מעבודה, •kJ או קילוג'אול Jג'אול, וסימנה

•1000J = 1kJ

ק"ג לגובה של 100כאשר אדם מרים משקולת של • קילוג'אול1 מ' הוא משקיע בכך אנרגיה של 1

יחידת אנרגיה הנגזרת מחימום

היחידה המשמשת היום בעיקר למדידת ערך קלורי •של מזון נקראת קלוריה.

1 היא כמות האנרגיה הדרושה לחימום calקלוריה •גרם מים במעלה אחת.

•1000 cal = 1kcalבשפת היום יום כאשר מדברים על קלוריה, •

calorieמתכוונים לקילוקלוריה המכונה גם Cומסומנת ב-

•1cal = 4.184J1 אוkcal = 4.184kJ

כימיות מעברי אנרגיה בתגובות

כאשר מתרחשת תגובה כימית, חל שינוי בהרכב •החומרים, ולכן חל שינוי גם באנרגיה הפנימית של

המערכת. של באנרגיה הפנימית ירידהאפשרות א' – •

המערכת. לתוצרים תהיה אנרגיה נמוכה מזו של אכסותרמית תגובההמגיבים.

של באנרגיה הפנימית עליהאפשרות ב' – •המערכת. לתוצרים תהיה אנרגיה גבוהה מזו של

תגובה אנדותרמית.המגיבים.

20

1

פנימית שינוי באנרגיה

21

וסביבה אנרגיה

השינוי בכמות האנרגיה במהלך תגובה •כימית, שווה לכמות האנרגיה הנקלטת ע"י

הסביבה או הנפלטת מהסביבה.

3– )(

דוגמה: אנרגיה הנפלטת בתגובה כימית משתחררת

לסביבה

מערכת וסביבה - הגדרה נוספתמערכת – עוברת שינוי כימי•

סביבה – עוברת שינוי תרמי•

כאשר האנרגיה של המערכת יורדת, האנרגיה •עוברת לסביבה וטמפרטורת הסביבה עולה.

לדוגמה, שריפת דלק. כאשר האנרגיה של המערכת עולה, אנרגיה נקלטת •

מהסביבה וטמפרטורת הסביבה יורדת. לדוגמה, תהליך ההזעה.

שינויי אנתלפיה בתגובות כימיות

המועבר בתהליך המתרחש בלחץ קבוע, שווה לשינוי Qpכמות החום • של המערכת: ΔHבאנתלפיה

•Qp = H2 – H1 = ΔH = ΔU + PΔV ΔU לבין השינוי באנרגיה הפנימית ΔHההבדל בין שינוי האנתלפיה •

הקשור לעבודת ההתפשטות של גזיםPΔVהוא הביטוי קרוב PΔVעבור נוזלים ומוצקים, השינויים בנפח מזעריים ולכן הגודל •

והשינוי באנתלפיה שווה לשינוי באנרגיה הפנימית של המערכת.0ל-מאחר שרוב התגובות הכימיות מתרחשות בלחץ קבוע )כלים פתוחים •

לאטמוספירה(, נתייחס לשינויים באנתלפיית התגובה ולא לשינוי באנרגיה הפנימית, למרות שההבדלים ביניהם קטנים ויחידות

המדידה זהות.

בהתכת מול קרחΔH, ΔUתרגיל – חישוב אטמ' 1בלחץ קבוע של 0°c בהתכת מול קרח ב-•

. 6020Jנספגים במערכת 0.018 ליטר, מים 0.0196הנפחים המולריים: קרח •

ליטר•ΔH = ΔU + PΔV 6020J= •ΔV = 0.018 – 0.0196 -0.0016L•PΔV = 1atm · (-0.0016L) = -0.0016L·atm•1atm·L = 101.24J

0.0016L·atm = -0.162J-ולכן •ΔU = ΔH – PΔV = 6020 – 0.162 ~ 6020J ΔU ~ ΔHכלומר, במערכת ללא גזים •

אנתלפיה - סיכום

במהלך תגובה כימית יש שינוי באנרגיה •הפנימית.

אם התגובה מתבצעת בנפח קבוע, השינוי •באנרגיה הפנימית בא לידי ביטוי רק ע"י

אנרגיית חום הנפלטת או הנקלטת.

26

תגובות אקסותרמיות ואנדותרמיות

4 –

H

H1

H2 H1

H2

∆H>0

H

∆H<0

H2 – H1 > 0 בתגובה אנדותרמית H2 – H1 < 0בתגובה אקסותרמית

NaOH ניסוי – המסה של נתרן הידרוקסידי

•NaOH(s) H2O Na+(aq) + OH-

(aq)

מהו השינוי שחל בסביבה?•

עליה בטמפרטורה - קליטת אנרגיה מהמערכת- •

מהו השינוי שחל במערכת?•

ירידה באנרגיה- •

•H2 – H1 < 0

תגובה אכסותרמית•

NaOH(s)

Na+(aq)+ OH-

(aq)

הפי

תלאנ

NaNO3ניסוי – המסה של נתרן חנקתי

•NaNO3(s) H2O Na+(aq) + NO3(aq)

מהו השינוי שחל בסביבה?•

ירידה בטמפרטורה – מעבר אנרגיה אל המערכת- •

מהו השינוי שחל במערכת?•

עליה באנרגיה- •

• H2 – H1 > 0

תגובה אנדותרמית•

הפי

תלאנ

NaNO3(S)

Na+(aq) + NO3

-(aq)

כימיה וחדר כושר

במהלך העיסוק בספורט, מולקולות שומן בגוף •מתפרקות לתרכובות הנקראות חומצות שומן.

CH3(CH2)10COOHלדוגמה, חומצה לאורית

חומצות שומן אלו הופכות בסדרה של תגובות ל- •CO2-ול H2O.

כאשר משווים תגובות שריפה של תרכובות שונות •המכילות מספר פחמנים שווה, כגון חומצה לאורית

ודו סוכר, מתקבל הגרף הבא:

ממשקל הגוף. כיצד היה 17%- מאגר האנרגיה בגוף כולל מולקולות שומן ומהווה כ-משתנה משקל הגוף לו מאגר האנרגיה בגוף היה מכיל מולקולות סוכר בלבד?

קק"ל. הסתמך על הגרף ובדוק נתון זה.4 גרם סוכר הוא 1- הערך הקלורי של

הפי

תלאנ CH3(CH2)10COOH + 17O2

C12H22O11+ H2O + 12O2

ΔH = --5640kJ

ΔH = --7377kJ

12CO2 + 12H2O

גרף אנרגיה - שריפה של חומצת שומן לאורית לעומת דו סוכר