Χημεία Κατεύθυνσης Γ’ Λυκείου Θερμοχημεία Χημεία Κατεύθυνσης Γ’ Λυκείου 5ο Γενικό Λύκειο Καβάλας Επιμέλεια: Παπαδοπούλου Δέσποινα, ΠΕ 04.02

π.χ. καύση πετρελαίου, φωτοσύνθεση, βιοχημικές αντιδράσεις Εισαγωγικά… Κάθε φορά που πραγματοποιείται μία χημική αντίδραση παρατηρείται μεταβολή της ενέργειας των σωμάτων που συμμετέχουν. Σε πολλές περιπτώσεις ο λόγος για τον οποίο πραγματοποιούμε μία χημική αντίδραση είναι η χρησιμοποίηση της ενέργειας που εκλύουν και όχι των προϊόντων που παράγουν π.χ. καύση πετρελαίου, φωτοσύνθεση, βιοχημικές αντιδράσεις

Μορφές Ενέργειας Η ενέργεια που εκλύεται ή απορροφάται σε μία χημική αντίδραση εμφανίζεται σε διάφορες μορφές: Θερμική ενέργεια  Σχετίζεται με την τυχαία κίνηση των μορίων και ατόμων Χημική ενέργεια Είναι η ενέργεια των δεσμών στις χημικές ενώσεις Πυρηνική ενέργεια  Είναι η ενέργεια που απελευθερώνεται όταν μετασχηματίζονται ατομικοί πυρήνες. Ηλεκτρική ενέργεια  Συνδέεται με την κίνηση των ηλεκτρονίων (ηλεκτρ. φορτία) Δυναμική ενέργεια Η ενέργεια που έχει ένα σώμα λόγω της θέσης του Κινητική ενέργεια  Η ενέργεια που έχει ένα σώμα λόγω της ταχύτητας του

Που οφείλεται η Χημική Ενέργεια; Χημική ενέργεια είναι η ενέργεια που περικλείει κάθε ουσία λόγω των δυνάμεων του χημικού δεσμού, των μορίων, των υποατομικών σωματιδίων. Αποτελεί συνδυασμό δυναμικής και κινητικής ενέργειας. Η ενέργεια που εκλύεται ή απορροφάται σε μία χημική αντίδραση είναι ίση με τη διαφορά των χημικών ενεργειών μεταξύ αντιδρώντων και προϊόντων. H2 + Cl2  2HCl Για τη διάσπαση χημικών δεσμών απαιτείται ενέργεια ενώ για τη δημιουργία δεσμών ελευθερώνεται ενέργεια. Αντιδρώντα Προϊόντα

Τι συμβαίνει στα φυσικά φαινόμενα; Να απορροφηθεί θερμότητα από το περιβάλλον π.χ. κατά την τήξη στερεού ή την εξαέρωση υγρού Κατά την πραγματοποίηση φυσικών φαινομένων μπορεί: Να ελευθερωθεί θερμότητα στο περιβάλλον π.χ. κατά την υγροποίηση ατμού ή την πήξη υγρού

Αποτελεί κλάδο ενός ευρύτερου τομέα της Χημικής Θερμοδυναμικής Τι είναι η Θερμοχημεία είναι ο κλάδος της χημείας που μελετά τις ενεργειακές μεταβολές που συνοδεύουν τις χημικές αντιδράσεις και εμφανίζονται με τη μορφή θερμότητας. π.χ. 2 H2(g) + O2(g) → 2 H2O(l) + ενέργεια Αποτελεί κλάδο ενός ευρύτερου τομέα της Χημικής Θερμοδυναμικής

Απομάκρυνση ενέργειας Μερικοί ορισμοί Σύστημα ονομάζεται το υποσύνολο του σύμπαντος που επιθυμούμε να μελετήσουμε. Συνήθως στη χημεία ως σύστημα ορίζουμε ένα σύνολο ουσιών που υφίστανται μια χημική μεταβολή. Το σύστημα μπορεί να ανταλλάσσει μάζα ή ενέργεια με το περιβάλλον του. Περιβάλλον Σύστημα Απομάκρυνση ενέργειας Απορρόφηση ενέργειας Περιβάλλον ονομάζεται όλο το υπόλοιπο σύμπαν εκτός του συστήματος. Όριο ονομάζεται η διεπιφάνεια που διαχωρίζει το σύστημα από το περιβάλλον.

Είδη συστημάτων Aνοικτό Κλειστό Απομονωμένο

Είδη συστημάτων Aνοικτό Κλειστό Απομονωμένο

Θερμότητα vs Θερμοκρασία Θερμότητα είναι η ενέργεια που ανταλλάσσει το σύστημα με το περιβάλλον του λόγω διαφοράς θερμοκρασίας μεταξύ τους Θερμοκρασία είναι το μέτρο της θερμικής ενέργειας ενός σώματος λόγω της κίνησης των δομικών μονάδων της ύλης Θερμοκρασία ≠ Θερμότητα Μονάδες Θερμότητας Joule (SI) ή kJ (1kJ = 1.000 J) cal: Είναι το ποσό θερμότητας που απαιτείται για να αυξηθεί η θερμοκρασία 1 g H2O κατά ένα βαθμό ( Από 14,5ο στους 15,5ο), kcal = 1.000 cal Ισχύει ότι: 1 cal = 4,184 J  1 kcal = 4,184 kJ 1 J = 0,24 cal  1 kJ = 0,24 kcal Μονάδες Θερμοκρασίας οC (βαθμοί Celcius) K (βαθμοί Kelnin) Ισχύει ότι: K=273 + oC

Ενθαλπία Η ενθαλπία μίας ουσίας (Η) ορίζεται ως το άθροισμα της εσωτερικής ενέργειας U και μίας ποσότητας ενέργειας P.V που εξαρτάται από την πίεση και τον όγκο της ουσίας. Η ενθαλπία εκφράζει ουσιαστικά το ενεργειακό περιεχόμενο της ουσίας που μπορεί να οφείλεται : - στην έλξη των ατόμων λόγω δεσμών (δυναμική ενέργεια) - στην κίνηση των ηλεκτρονίων, των ατόμων και του ίδιου του μορίου (κινητική ενέργεια) Η = U + P.V

Ιδιότητες της ενθαλπίας Η ενθαλπία είναι μία καταστατική ιδιότητα. Καταστατική ιδιότητα ενός συστήματος είναι το μέγεθος εκείνο που εξαρτάται από την ποσότητα και τις συνθήκες στις οποίες βρίσκεται το σύστημα και όχι από τον τρόπο με τον οποίο το σύστημα έφτασε στην κατάσταση αυτή.   π.χ. 2 mol CO2 σε Ρ = 1atm και θ = 25 °C έχουν την ίδια ενθαλπία είτε η ποσότητα αυτή σχηματίστηκε από την καύση CH4 είτε από τη διάσπαση CaCO3. Το γεωγραφικό ύψος, όπως και η ενθαλπία, είναι καταστατικές ιδιότητες. Η τιμή που τελικά παίρνουν σε μια θέση δε «κοιτάζει» τη διαδρομή που ακολουθεί το σύστημα για να φτάσει στη θέση αυτή

Μεταβολή της ενθαλπίας Η απόλυτη τιμή της ενθαλπίας μίας ουσίας (Η) δεν μπορεί να μετρηθεί. Αυτό που ενδιαφέρει και που μετριέται στις χημικές αντιδράσεις είναι οι μεταβολές της ενέργειας των αντιδρώντων και προιόντων. Η μεταβολή ενέργειας στις χημικές αντιδράσεις είναι γνωστή ως μεταβολή της ενθαλπίας ΔΗ. ΔΗ = Ηπροιόντων-Ηαντιδρώντων

Εξώθερμες αντιδράσεις Στις εξώθερμες αντιδράσεις, η ενθαλπία του συστήματος μειώνεται, άρα: Ητελικό < Ηαρχικό ∆Η = Ητελ. – Ηαρχ. < 0 αντιδρώντα 2 H2(g) + O2(g) Ενέργεια ΔΗ < 0 2 H2O(l) οι αντιδράσεις ελευθερώνουν ενέργεια υπό μορφή θερμότητας στο περιβάλλον. προϊόντα

Ενδόθερμες αντιδράσεις Στις ενδόθερμες αντιδράσεις, η ενθαλπία του συστήματος αυξάνεται, άρα: Ητελικό > Ηαρχικό ∆Η = Ητελ – Ηαρχ > 0 προϊόντα O2(g) + 2 Hg(l) Ενέργεια ΔΗ > 0 οι αντιδράσεις απορροφούν ενέργεια υπό μορφή θερμότητας στο περιβάλλον. 2 HgO(s) αντιδρώντα

Θερμοχημικές εξισώσεις Ονομάζονται οι χημικές εξισώσεις στο δεξιό μέρος των οποίων αναγράφεται η μεταβολή της ενθαλπίας (∆Η). Προσοχή! Στη θερμοχημική εξίσωση μίας ενδόθερμης αντίδρασης, η μεταβολή της ενθαλπίας έχει θετική τιμή, ενώ το ποσό θερμότητας αρνητική, για παράδειγμα: C(s) + H2O(g) CO(g) + H2 (g) ∆Η = 129,7 KJ ή C(s) + H2O (g)CO(g) + H2 (g) Q = -129,7 KJ

Θερμοχημικές εξισώσεις Προσοχή! Στη θερμοχημική εξίσωση μίας εξώθερμης αντίδρασης, η μεταβολή της ενθαλπίας έχει αρνητική τιμή, ενώ το ποσό θερμότητας θετική, για παράδειγμα: H2(g) + Cl2(g) 2HCl(g) ∆Η = - 184,6 ΚJ ή ή H2(g) + Cl2(g) 2HCl(g) Q = + 184,6 ΚJ Στις θερμοχημικές εξισώσεις θα πρέπει να δηλώνεται και η φυσική κατάσταση των σωμάτων που συμμετέχουν.

Θερμοχημικές εξισώσεις Η μεταβολή της ενθαλπίας ΔΗ εξαρτάται από τους συντελεστές της χημικής εξίσωσης. Μπορεί να ενταχθεί στους στοιχειομετρικούς υπολογισμούς. Στις θερμοχημικές εξισώσεις το ποσό της ΔΗ που αναγράφεται στο δεξί μέλος αναφέρεται στις ποσότητες που περιγράφονται στην χημική εξίσωση. π.χ. CH4 (g) + 2O2 (g)  CO2 (g) + 2H2O(g) ΔH = - 802 kJ 2CH4 (g) + 4O2 (g)  2CO2 (g) + 4H2O(g) ΔH = - 1604 kJ Το ποσό θερμότητας που εκλύεται ή απορροφάται σε μια χημική αντίδραση είναι ανάλογο της ποσότητας είτε του προϊόντος που παράγεται είτε του αντιδρώντος που καταναλώνεται πλήρως.

Παρατηρήσεις Κατά την πραγματοποίηση μίας χημικής αντίδρασης η θερμοκρασία δεν διατηρείται σταθερή. Παρ’ ολ’αυτά για τον υπολογισμό της ενθαλπίας μίας αντίδρασης τα αντιδρώντα και τα προϊόντα ανάγονται στην ίδια θερμοκρασία η κινητική ενέργεια των μορίων ενός σώματος είναι μεγαλύτερη όταν αυτό είναι αέριο, μικρότερη όταν είναι υγρό κι ακόμα μικρότερη όταν είναι στερεό. Οι αντιδράσεις καύσεις και οι αντιδράσεις εξουδετέρωσης είναι εξώθερμες αντιδράσεις Θερµοουδέτερες: Είναι οι αντιδράσεις που όταν πραγµατοποιούνται εκλύεται ή απορροφάται πολύ µικρό ποσό ενέργειας, µε µορφή θερµότητας ( Q =0) 

π.χ. Η2 (g) + ½O2 (g)  H2O (g) ΔH = - 241,8 kJ Η2 (g) + ½O2 (g)  H2O (l) ΔH = - 285,8 kJ

πως ζεσταίνουν οι στρατιώτες το φαγητό τους Παραδείγματα καθημερινότητας πως ζεσταίνουν οι στρατιώτες το φαγητό τους Προσθέτουν νερό σε ένα σακουλάκι που περιέχει Μg. Η αντίδραση είναι εξώθερμη. Mg(s)+ 2H2O(l)  Mg(OH)2 (s) + H2(g) ΔΗ=-353kJ

Ερώτηση: Η κόλαση είναι εξώθερμος (αποδίδει θερμότητα) ή ενδόθερμος; (απορροφά θερμότητα); Η ακόλουθη είναι μια πραγματική ερώτηση που δόθηκε πριν xρόνια στο Μετσόβειο Πολυτεχνείο στο τμήμα Χημικών Μηχανικών. Η απάντηση ήταν τόσο εμβριθής ώστε ο καθηγητής την τοιχοκόλλησε στον πίνακα ανακοινώσεων και έκτοτε έχει γίνει θρύλος Ερώτηση: Η κόλαση είναι εξώθερμος (αποδίδει θερμότητα) ή ενδόθερμος; (απορροφά θερμότητα);  Οι περισσότεροι φοιτητές τεκμηρίωσαν τις απαντήσεις τους χρησιμοποιώντας τον νόμο του Boyle, (τα αέρια ψύχονται όταν εκτονώνονται και θερμαίνονται όταν συμπιέζονται) ή κάποιο παραπλήσιο φυσικό νόμο. Ένας όμως φοιτητής, έδωσε την ακόλουθη απάντηση:  Αρχικά, πρέπει να ξέρουμε πως μεταβάλλεται η μάζα της κόλασης, συναρτήσει του χρόνου. 'Aρα, πρέπει να γνωρίζουμε τον ρυθμό μετακίνησης των ψυχών πρός την κόλαση καθώς και τον ρυθμό αποχώρησης από αυτήν. Πιστεύω πως ασφαλώς μπορούμε να υποθέσουμε ότι άπαξ και μία ψυχή εισαχθεί στην κόλαση, δεν θα αποχωρήσει ποτέ. Έτσι λοιπόν, καμία ψυχή δεν φεύγει. Όσο για τον αριθμό των ψυχών που εισέρχονται στην κόλαση, ας εξετάσουμε τις διάφορες θρησκείες που υπάρχουν στον κόσμο σήμερα.Μερικές από αυτές τις θρησκείες, διακηρύσσουν ότι όσοι δεν είναι μέλη τους, τους περιμένει η κόλαση. Εφ' όσον υπάρχουν  περισσότερες από μία τέτοιες θρησκείες και οι άνθρωποι δεν ανήκουν σε περισσότερες από μία θρησκείες, προκύπτει ότι όλες οι ψυχές, πηγαίνουν στην κόλαση. Λαμβάνοντας τους ρυθμούς γεννήσεων και θανάτων ως έχουν, μπορούμε να αναμένουμε ότι ο αριθμός των ψυχών στην κόλαση, αυξάνεται με εκθετική μορφή. Τώρα, παρατηρούμε τον ρυθμό μεταβολής του όγκου στην Κόλαση διότι ο νόμος του Boyle ορίζει ότι προκειμένου η θερμοκρασία και η πίεση στην κόλαση να παραμείνουν σταθερές, ο όγκος οφείλει να αυξάνεται καθώς προστίθενται ψυχές. Αυτό μας δίνει δύο πιθανότητες: 1. Αν η κόλαση διογκούται με ρυθμό μικρότερο από τον ρυθμό εισαγωγής των ψυχών σε αυτήν, τότε η θερμοκρασία και η πίεση στην κόλαση θα αυξάνεται έως ότου αυτή εκραγεί. 2. Βεβαίως, αν η κόλαση διογκούται με ρυθμό γρηγορότερο από τον ρυθμό εισόδου των ψυχών σε αυτήν, τότε η θερμοκρασία και η πίεση θα μειώνονται έως ότου η κόλαση παγώσει. Τι από τα δύο ισχύει λοιπόν: Αν αποδεχθούμε αυτό που είπε κάποια πρώην μου προς εμένα, κατά την διάρκεια του πρώτου έτους, ότι '...θα κοιμηθώ μαζί σου όταν παγώσει η κόλαση...' και συνυπολογίσω το γεγονός ότι συνεχίζω να μην έχω πετύχει να έχω σεξουαλικές σχέσεις μαζί της, τότε η 2η πιθανότητα δεν μπορεί να ισχύει και έτσι, είμαι σίγουρος ότι η κόλαση είναι εξώθερμη και δεν θα παγώσει. Ο φοιτητής έλαβε το μοναδικό 10 !!

Βιβλιογραφία http://www.chem-net.gr/course-chem/physic-chem/16-thermochemistry.html https://sites.google.com/site/xhmeiablyk/news/thermochemeia/2a-theoria