Upload
lamtu
View
234
Download
0
Embed Size (px)
Citation preview
Lunds universitet / Naturvetenskapliga fakulteten / Kemiska institutionen / KEMA00
Repetition F7
• Intermolekylär växelverkan – kortväga repulsion – elektrostatisk växelverkan (attraktion och repulsion):
jon-jon (långväga), jon-dipol, dipol-dipol – medelvärdad attraktion (van der Waals): roterande
dipoler, dipol-inducerad dipol, dispersion (London)
Lunds universitet / Naturvetenskapliga fakulteten / Kemiska institutionen / KEMA00
Repetition F7 forts.
• Vätskor – viskositet, ytspänning
• Fasta ämnen – amorfa eller kristallina – molekylära ämnen, nätverk, metaller, salter
• Flytande kristaller – ordning map på riktning, men ej position
Lunds universitet / Naturvetenskapliga fakulteten / Kemiska institutionen / KEMA00
F8 – Energi / entalpi
• Energi är universums valuta • Ibland tar universum ut moms • För att veta vad vi kan få för den energi vi har i
plånboken, måste vi definiera begrepp som motsvarar pris med och utan moms
Lunds universitet / Naturvetenskapliga fakulteten / Kemiska institutionen / KEMA00
System – indelning
• Universum – allt, dvs.
system + omgivning • System
– det man studerar • Omgivning
– resten
Universum
Lunds universitet / Naturvetenskapliga fakulteten / Kemiska institutionen / KEMA00
System – typer
• Isolerat – ingen växelverkan med omgivningen • Slutet – utbyte av energi, men ej materia • Öppet – utbyte av både energi och materia
Lunds universitet / Naturvetenskapliga fakulteten / Kemiska institutionen / KEMA00
Termodynamikens första huvudsats
• Energin är konstant i ett isolerat system ∆U = 0 U = inre energi, all energi i systemet, både rörelseenergi och potentiell energi
• Eftersom universum är ett isolerat system: Energi kan varken nyskapas eller förstöras, bara omvandlas
Lunds universitet / Naturvetenskapliga fakulteten / Kemiska institutionen / KEMA00
Ideal gas
• Ingen växelverkan ⇒ ingen potentiell energi • Strukturlösa partiklar ⇒ ingen ”gömd” energi
• U = rörelseenergi (för ideal gas)
Lunds universitet / Naturvetenskapliga fakulteten / Kemiska institutionen / KEMA00
Första huvudsatsen – slutet system
• Energi kan överföras som värme, q, eller arbete, w ∆U = q + w
• Teckendefinitioner – q < 0: värme från systemet – q > 0: värme till systemet – w < 0: systemet uträttar arbete – w > 0: arbete på systemet
Lunds universitet / Naturvetenskapliga fakulteten / Kemiska institutionen / KEMA00
Tillståndsfunktioner
U är en tillståndsfunktion • Beror endast på systemets
tillstånd (ges av P, V, T, n, …) • Oberoende av vägen/historien
• Systemet har inre energi
Lunds universitet / Naturvetenskapliga fakulteten / Kemiska institutionen / KEMA00
Processvariabler
q och w är processvariabler • Dyker upp vid en förändring av systemets tillstånd • Beror på vägen
• Systemet har inte värme eller arbete, utan dessa är bara former för energiöverföring och existerar endast i processer, dvs. värme avges/upptas eller arbete uträttas
Lunds universitet / Naturvetenskapliga fakulteten / Kemiska institutionen / KEMA00
Tolkning av q och w
• Värme – oordnad rörelse – omfördelning av
tillstånd
• Arbete – ordnad rörelse – förflyttning under
inverkan av en motriktad kraft
Lunds universitet / Naturvetenskapliga fakulteten / Kemiska institutionen / KEMA00
Exempel på arbete
Lunds universitet / Naturvetenskapliga fakulteten / Kemiska institutionen / KEMA00
Tryck-volymarbete
• Den vanligaste formen av arbete i kemiska system
Pex = externt (omgivningens) tryck Vi, Vf = start- respektive slutvolym
• Om inget annat sägs, utgår vi hädanefter från att tryck-volymarbete är den enda formen av arbete som systemet kan uträtta eller utsättas för
€
w = − PexdV (Definition)Vi
Vf
∫
Lunds universitet / Naturvetenskapliga fakulteten / Kemiska institutionen / KEMA00
Tryck-volymarbete – specialfall
• Expansion mot vakuum
• Konstant volym
• Konstant tryck
€
Pex = 0⇒ w = 0
€
dV = 0⇒ w = 0
€
Pex konstant ⇒ w = −Pex dVVi
Vf
∫ = −Pex (Vf −Vi ) = −PexΔV
Lunds universitet / Naturvetenskapliga fakulteten / Kemiska institutionen / KEMA00
Övning
En cylinder med gas placerades på en värmare och tog upp 7,000 kJ värme. Samtidigt ökade volymen från 0,70 liter till 1,45 liter. Det yttre trycket var 759 torr. Vad var förändringen i inre energi för gasen i cylindern?
Lunds universitet / Naturvetenskapliga fakulteten / Kemiska institutionen / KEMA00
Svar
• ∆U = q + w • Konstant tryck: w = −Pex ∆V • Använd SI-enheter:
– 1 torr = 133,3 Pa – 1 liter = 1 dm3 = 1×10-3 m3
• Svar: Förändringen i inre energi var 6,924 kJ.
€
w = −PexΔV =
= −759 torr ×133,3 Pa/torr × (1,45 − 0,70) liter ×10-3 m3/liter = −75,9 JΔU = q + w = 7,000 ×103 J − 75,9 J = 6924 J = 6,924 kJ
Not: Beräkningen av w är en produkt (multiplikation) med som mest två signifikanta siffror, vilket gör 76 J signifikant, dvs. ner till ental (1 J). Beräkningen av ∆U är en summa där 7,000 kJ också är signifikant ner till 1 J. Svaret är därför signifikant ner till 1 J.
Lunds universitet / Naturvetenskapliga fakulteten / Kemiska institutionen / KEMA00
• Normalsituationen på lab är att det externa (atmosfärs)trycket är konstant
• Volymsförändringar vid värmeöverföring och (gas)reaktioner ger upphov till tryck-volymarbete, som justerar inre energin
• Definiera en ny tillståndsfunktion, entalpi, som automatisk inkluderar detta tryck-volymarbete
• Matematiskt ”trick” för att byta variabler U(V)→ H(P) • ”Energi med moms”, fast ”momsen” kan vara negativ €
H =U + PV
Entalpi, H
Lunds universitet / Naturvetenskapliga fakulteten / Kemiska institutionen / KEMA00
• Värmekapaciteten beskriver hur mycket värme som behöver tillföras systemet för att öka temperaturen en grad (en Kelvin)
Enhet: J/K
• Molär värmekapacitet: [J/(K mol)]
• Specifik värmekapacitet: [J/(K g)] €
C =qΔT
Värmekapacitet, C
€
Cm =Cn
€
Cs =Cm
Lunds universitet / Naturvetenskapliga fakulteten / Kemiska institutionen / KEMA00
• Värme som överförs vid konstant volym, qV, motsvarar ändringen i inre energi (inget annat arbete än tryck-volymarbete)
• Värmekapaciteten vid konstant V
€
ΔU = q + w = q + 0 = qV
Värme och värmekapacitet vid konstant volym
€
CV =qVΔT
=ΔUΔT
Lunds universitet / Naturvetenskapliga fakulteten / Kemiska institutionen / KEMA00
• Värme som överförs vid konstant tryck, qP, motsvarar ändringen i entalpi (endast tryck-volymarbete)
• Jämvikt med omgivningen: P = Pex
– ∆H < 0: värme avges – exoterm process – ∆H > 0: värme upptas – endoterm process
• Värmekapaciteten vid konstant P
€
ΔH = ΔU + Δ(PV ) = q + w + PΔV = q − PΔV + PΔV = qP
Värme och värmekapacitet vid konstant tryck
€
CP =qPΔT
=ΔHΔT
Lunds universitet / Naturvetenskapliga fakulteten / Kemiska institutionen / KEMA00
• ∆H för processen X(l) → X(g) (”vaporisation”) ∆Hvap = Hg − Hl
• Attraktiv växelverkan i vätskan ska övervinnas för att bilda ånga ∆Hvap > 0, endoterm process
Förångningsentalpi, ∆Hvap
Lunds universitet / Naturvetenskapliga fakulteten / Kemiska institutionen / KEMA00
• ∆H för processen X(s) → X(l) (”fusion”) ∆Hfus = Hl − Hs
• Attraktiv växelverkan i den fasta fasen ska övervinnas för att bilda vätska ∆Hfus > 0, endoterm process (He undantag, fast fas endast vid höga trycka och extremt låg temperatur, 25,3 bar och 1.1 K)
Smältentalpi, ∆Hfus
Lunds universitet / Naturvetenskapliga fakulteten / Kemiska institutionen / KEMA00
• ∆H för processen X(l) → X(s) (”freeze”) ∆Hfreeze = Hs − Hl
• Omvänd process mot smältning ∆Hfreeze = −∆Hfus
Frysentalpi, ∆Hfreeze
Lunds universitet / Naturvetenskapliga fakulteten / Kemiska institutionen / KEMA00
• ∆H för processen X(s) → X(g) (”sublimation”) ∆Hsub = Hg − Hs
• H är en tillståndsfunktion, vägen saknar betydelse X(s) → X(l) → X(g) ∆Hsub = Hg − Hs = ∆Hfus + ∆Hvap
• Obs! ∆Hfus och ∆Hvap vid samma temperatur
Sublimeringsentalpi, ∆Hsub
Lunds universitet / Naturvetenskapliga fakulteten / Kemiska institutionen / KEMA00
Vid fasövergångar är temperaturen konstant
Uppvärmningskurva
Lunds universitet / Naturvetenskapliga fakulteten / Kemiska institutionen / KEMA00
• Reaktionsentalpin är beroende av hur reaktionen är skriven
• Exempel (a): CH4(g) + 2 O2(g) → CO2(g) + 2 H2O(g) ΔH = -802 kJ/mol (per mol reaktion)
2 × (a): 2 CH4(g) + 4 O2(g) → 2 CO2(g) + 4 H2O(g) ΔH = -1604 kJ/mol
-(a): CO2(g) + 2 H2O(g) → CH4(g) + 2 O2(g) ΔH = 802 kJ/mol
Reaktionsentalpi
Lunds universitet / Naturvetenskapliga fakulteten / Kemiska institutionen / KEMA00
• Eftersom H är en tillståndsfunktion och oberoende av vägen är totala entalpin för en given reaktion lika med summan av reaktionsentalpierna för delreaktionerna
• Exempel (x): C(s) + 2 H2(g) → CH4(g) ∆H = ?
(a): C(s) + O2(g) → CO2(g) ∆Ha (b): H2(g) + ½ O2(g) → H2O(l) ∆Hb (c): CH4(g) + 2 O2(g) → CO2 (g) + 2 H2O(l) ∆Hc
(x) = (a) + 2 (b) – (c): ∆H = ∆Ha + 2 ∆Hb − ∆Hc
Hess lag
Lunds universitet / Naturvetenskapliga fakulteten / Kemiska institutionen / KEMA00
Övning
Beräkna ∆H för reaktionen N2H4(l) + H2(g) → 2 NH3(g) givet N2(g) + 2 H2(g) → N2H4(l) ∆H = 50,63 kJ/mol N2(g) + 3 H2(g) → 2 NH3(g) ∆H = -92,22 kJ/mol
Lunds universitet / Naturvetenskapliga fakulteten / Kemiska institutionen / KEMA00
Svar
(x): N2H4(l) + H2(g) → 2 NH3(g) ∆H = ?
(a): N2(g) + 2 H2(g) → N2H4(l) ∆Ha = 50,63 kJ/mol (b): N2(g) + 3 H2(g) → 2 NH3(g) ∆Hb = -92,22 kJ/mol
(x) = (b) – (a) ∆H = ∆Hb − ∆Ha = = -92,22 – 50,63 kJ/mol = -142,85 kJ/mol
• Svar: ∆H för reaktionen är -142,85 kJ/mol.
Lunds universitet / Naturvetenskapliga fakulteten / Kemiska institutionen / KEMA00
• För att göra tabellvärden jämförbara och mera praktiskt användbara definieras ett standardtillstånd
• Rent ämne vid 1 bar
• Markeras med °, t.ex. reaktionsentalpin ∆H° då alla reaktanter och produkter är i sina standardtillstånd
• Obs! Temperaturen är odefinierad och måste anges (ofta 25°C i tabeller).
Standardtillstånd
Lunds universitet / Naturvetenskapliga fakulteten / Kemiska institutionen / KEMA00
• Entalpin då 1 mol av ett ämne i sitt standardtillstånd förbränns med O2(g) (”combustion”)
• Reaktanter och produkter i sina standardtillstånd
• Organiska föreningar bildar CO2(g), H2O(l) samt N2(g) om de innehåller N
• Värden finns tabellerade för många ämnen
Standardförbränningsentalpi, ∆Hc°
Lunds universitet / Naturvetenskapliga fakulteten / Kemiska institutionen / KEMA00
• Entalpin då 1 mol av ett ämne bildas ur grundämnena i sina mest stabila former
• ∆Hf° = 0 per definition för ett grundämne i sin mest stabila form
• Reaktanter och produkter i sina standardtillstånd • Värden finns tabellerade för många ämnen • Används för att beräkna godtycklig standard-
reaktionsentalpi
där n är koefficienterna i reaktionsformeln
Standardbildningsentalpi, ∆Hf°
€
ΔH = nΔHf(produkter)∑ − nΔHf
(reaktanter)∑
Lunds universitet / Naturvetenskapliga fakulteten / Kemiska institutionen / KEMA00
Övning
Beräkna ∆H° för följande reaktion: C6H6 (l) + 3 H2(g) → C6H12(l) ∆Hf°(C6H6 (l)) = 49,0 kJ/mol och ∆Hf°(C6H12(l)) = -156,4 kJ/mol.
Lunds universitet / Naturvetenskapliga fakulteten / Kemiska institutionen / KEMA00
Svar
C6H6 (l) + 3 H2(g) → C6H12(l)
• H2(g) – grundämne i sin mest stabila form ⇒ ∆Hf°(H2(g)) = 0
• Svar: ∆H° för reaktionen är -205,4 kJ/mol.
€
ΔH = nΔHf(produkter)∑ − nΔHf
(reaktanter)∑ =
= ΔHf (C6H12(l)) - ΔHf
(C6H6(l)) - 3ΔHf(H2(g)) =
= -156,4 - 49,0 - 3 × 0 kJ/mol = −205,4 kJ/mol