אנרגיה בקצב הכימיה פרק א' עריכת המצגת: ד"ר תרצה גרוס שרה פרח לפי המצגת של ד"ר מרים כרמי

כימית חלופית חשמלית פוטנציאלית שמש קינטית רוח חום גרעינית אור מקורות שחרור מעבר עתיר

מהי אנרגיה? אנרגיה היא היכולת לבצע עבודה. זהו גודל המאפיין תכונה חשובה של המערכת, אך אינו ניתן למדידה ישירה. תצפיות ומדידות של אנרגיה מתבססות בפועל על מעברי אנרגיה.

האנרגיה הפנימית של גופים גדולים האנרגיה הפנימית של גוף מורכבת משני סוגים: I. אנרגיה קינטית - אנרגיית התנועה של הגוף כולו. תלויה במסת הגוף ובמהירותו. II. אנרגיה פוטנציאלית – תלויה במיקומו של הגוף ובכוחות הפועלים עליו. גודל זה נמדד יחסית למצב בו אין כוחות שפועלים על הגוף, כלומר, אנרגיה פוטנציאלית אפס. סך כל האנרגיה של הגוף – האנרגיה הפוטנציאלית והאנרגיה הקינטית – נקראת האנרגיה הפנימית של הגוף.

אנרגיה פוטנציאלית של גופים קפיץ - אנרגיה פוטנציאלית אלסטית אנרגיה פוטנציאלית כובדית אנרגיית גובה – מושפעת מכוח הכובד הפועל על הגוף. קפיץ מתוח קפיץ רפוי השקעת אנרגיה פליטת אנרגיה

אנרגיה קינטית של מדגם חלקיקים האנרגיה הקינטית של המדגם נובעת מתנועתם של החלקיקים. האנרגיה הקינטית של חלקיק תלויה במסה, בסוג התנועה ובמהירות התנועה של החלקיק. לחלקיקים במדגם יש מהירויות שונות, ולכן נתייחס לאנרגיה הקינטית הממוצעת של החלקיקים במדגם. האנרגיה הקינטית הממוצעת באה לידי ביטוי בטמפרטורה הנמדדת של המדגם.

אנרגיה קינטית של חלקיקים דוגמאות לאופני תנועה שונים של המולקולות* תנודה סימטרית אסימטרית כיפוף סיבוב מעתק בסריג מוצק, נוזל וגז *במוצק אטומרי מתקיימות תנודות אטומים. בנוזל ובגז בגז. בנוזל במידה מוגבלת 7

אנרגיה פוטנציאלית של מדגם חלקיקים האנרגיה הפוטנציאלית של המדגם נובעת מכוחות המשיכה בין החלקיקים המרכיבים אותו - בין מולקולות, בין אטומים ובין אלקטרונים לגרעין האטום. לכן, האנרגיה הפוטנציאלית תלויה בסוג החומר ומושפעת מהיערכות החלקיקים וסוג הקשרים ביניהם. האנרגיה הפוטנציאלית היא גודל יחסי, כאשר ההשוואה היא למצב בו החלקיקים נפרדים (כשהמרחק אינסופי, המשיכה היא אפס והאנרגיה הפוטנציאלית היא אפס). 8

דיאגרמת שינוי האנרגיה הפוטנציאלית כתלות במרחק בין שני אטומים. דיאגרמת שינוי האנרגיה הפוטנציאלית כתלות במרחק בין שני אטומים. בנקודת המינימום בגרף האטומים קשורים ביניהם בקשר קוולנטי 9

סך כל האנרגיה בחומר - האנרגיה הפוטנציאלית והאנרגיה הקינטית - נקראת האנרגיה הפנימית של החומר. האנרגיה של מערכת היא גודל המאפיין מצב נתון ואין זה משנה כיצד היגיעה המערכת למצב זה. לדוגמה, כמות נתונה של מים בטמפרטורה מסוימת, מאופיינת על ידי אנרגיה מסוימת ואין זה משנה באיזו דרך היגיעו המים לאותה טמפרטורה. 10

מערכת וסביבה מערכת – מוקד ההתעניינות שלנו. כוללת את המגיבים לפני התרחשות התגובה, ואת התוצרים לאחר התרחשותה. סביבה – כל מה שאינו מערכת, אך נוגע במערכת. במערכת פתוחה מתקיימים חילופי אנרגיה וחילופי חומר עם הסביבה. במערכת סגורה לא מתקיימים חילופי חומר, כן מתקיימים חילופי אנרגיה עם הסביבה. במערכת מבודדת – אין חילופי אנרגיה ואין חילופי חומר עם הסביבה.

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

חוק שימור האנרגיה האנרגיה הכוללת של היקום היא גודל קבוע. מערכת הנמצאת בסביבה מוגדרת מהווה "מיני יקום". החוק הראשון של התרמודינמיקה: שינוי האנרגיה במערכת מבודדת כלשהי מתבטא רק במעברי אנרגיה או במיקומה, ואילו כמות האנרגיה קבועה תמיד.

יחידות המידה של אנרגיה לא ניתן למדוד אנרגיה באופן ישיר אלא את השינוי הנגרם ממעבר אנרגיה בצורת חום או עבודה. היחידה המקובלת היא היחידה הנגזרת מעבודה, ג'אול, וסימנה J או קילוג'אול kJ 1000J = 1kJ כאשר אדם מרים משקולת של 100 ק"ג לגובה של 1 מ' הוא משקיע בכך אנרגיה של 1 קילוג'אול

יחידת אנרגיה הנגזרת מחום היחידה המשמשת היום בעיקר למדידת ערך קלורי של מזון נקראת קלוריה. קלוריה cal היא כמות האנרגיה הדרושה לחימום 1 גרם מים במעלה אחת. 1000 cal = 1kcal בשפת היום יום כאשר מדברים על קלוריה, מתכוונים לקילוקלוריה המכונה גם Calorie ומסומנת ב-.C 1cal = 4.184J או 1kcal = 4.184kJ

- איך מפיקים או מה אפשר לעשות עם 100 KJ שריפת 6.7 גרם סוכר שריפת 3 גרם פחם ביקוע של 10-6 גרם אורניום נורה של 100V הדולקת 17 דקות מכונית של 1000 ק"ג הנוסעת במהירות 50 קמ"ש ונעצרת במקום חימום של 1 ק"ג מים ב 100 העלאת אדם במשקל 100 ק"ג לגובה 100 מ' העלאת פיל במשקל 3 טון לגובה 3 מ'

אנרגיה, טמפרטורה ומה שביניהן הטמפרטורה הנמדדת של חומר היא מדד לאנרגיה הקינטית הממוצעת של החלקיקים בחומר. טמפרטורה היא גודל שאינו תלוי בכמות החומר (תכונה אינטנסיבית). כאשר שני גופים שהטמפרטורות שלהם אינן זהות באים במגע זה עם זה, הטמפרטורות שלהן ישתנו עד לשיוויון (שיווי-משקל תרמי). פעולת החימום היא דרך להעברת אנרגיה מגוף בעל טמפרטורה גבוהה יחסית לגוף בעל טמפרטורה נמוכה יחסית.

אנרגיה וטמפרטורה - השוואה אנרגיה פנימית של חומר טמפרטורה של חומר תלות במסה אנרגיה פנימית היא גודל התלוי בכמות החומר. ככל שכמות החומר גדולה יותר, כך גדולה יותר כמות האנרגיה הפנימית. (גודל אקסטנסיבי) טמפרטורה היא גודל שאינו תלוי בכמות החומר. (גודל אינטנסיבי) ערך מצטבר אנרגיה היא גודל הניתן לחיבור. כאשר נערבב כמויות שונות של מים, כמות האנרגיה הפנימית הכוללת שווה לסכום האנרגיה הפנימית של כמויות המים ההתחלתיות. טמפרטורה היא גודל שאינו ניתן לחיבור. לאחר ערבוב מים בטמפרטורה גבוהה עם מים בטמפרטורה נמוכה, טמפרטורת המים אינה סכום הטמפרטורות. 18

דוגמאות לגדלים אחרים דרך המדידה אנרגיה פנימית של חומר טמפרטורה של חומר דוגמאות לגדלים אחרים מס' המולים תלוי בכמות החומר וניתן לחיבור. צפיפות, ריכוז (של תמיסות), מקדם התפשטות, מוליכות חשמלית של מתכות - הם גדלים שאינם תלויים בכמות החומר ואינם ניתנים לחיבור דרך המדידה אנרגיה לא ניתנת למדידה ישירה. ניתן להבחין או למדוד מעברי אנרגיה בלבד. טמפרטורה ניתנת למדידה בעזרת מד טמפרטורה. (קיימים מדי טמפרטורה הפועלים על פי עקרונות שונים.) 19

אנרגיה וסביבה השינוי בכמות האנרגיה במהלך תגובה כימית, שווה לכמות האנרגיה המשתחררת אל הסביבה או נקלטת מהסביבה. דוגמה: אנרגיה הנפלטת בתגובה כימית משתחררת לסביבה 20

מערכת וסביבה - הגדרה נוספת מערכת – 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.

מעברי אנרגיה – חום ועבודה אנו מתעניינים במעברי אנרגיה מהמערכת אל הסביבה מעבר האנרגיה יכול להיות בצורת חום, Q או בצורות אחרות להן אנחנו קוראים בשם הכולל עבודה W מעבר אנרגיה בצורת חום או עבודה משפיע על הכמות הכוללת של האנרגיה הפנימית של המערכת U

אנתלפיה אם התגובה מתרחשת בלחץ קבוע, כפי שמתרחשות רוב התגובות במעבדה ובגוף האדם, משתמשים בגודל אנתלפיה במקום אנרגיה פנימית. אנתלפיה מסומנת באות H

שינויי אנתלפיה בתגובות כימיות כמות החום Qp המועבר בתהליך המתרחש בלחץ קבוע, שווה לשינוי באנתלפיה ΔH של המערכת: Qp = H2 – H1 = ΔH = ΔU + PΔV ההבדל בין שינוי האנתלפיה ΔH לבין השינוי באנרגיה הפנימית ΔU הוא הביטוי PΔV הקשור לעבודת ההתפשטות של גזים. עבור נוזלים ומוצקים, השינויים בנפח מזעריים ולכן הגודל PΔV קרוב ל-0 והשינוי באנתלפיה שווה בקירוב לשינוי באנרגיה הפנימית של המערכת. מאחר שרוב התגובות הכימיות מתרחשות בלחץ קבוע (כלים פתוחים לאטמוספירה), נתייחס לשינויים באנתלפיית התגובה ולא לשינוי באנרגיה הפנימית, למרות ההבדלים הקטנים ביניהם. http://hyperphysics.phy-astr.gsu.edu/hbase/thermo/intengcon.html#c1

תרגיל – חישוב ΔH, ΔU בהתכת מול קרח בהתכת מול קרח ב- 0°c בלחץ קבוע של 1 אטמ' נספגים במערכת 6020J. הנפחים המולריים: קרח 0.0196 ליטר, מים 0.018 ליטר ΔH = ΔU + PΔV 6020J = ΔV = 0.018 – 0.0196 = -0.0016L PΔV = 1atm · (-0.0016L) = -0.0016L·atm 1atm·L = 101.24J ולכן -0.0016L·atm = -0.162J ΔU = ΔH – PΔV = 6020 + 0.162 ~ 6020J כלומר, במערכת ללא גזים ΔU ~ ΔH

מעברי אנרגיה בתגובות כימיות כאשר מתרחשת תגובה כימית, חל שינוי בהרכב החומרים, ולכן חל שינוי גם באנתלפיה של המערכת. אפשרות א' – ירידה באנתלפיה של המערכת. לתוצרים תהיה אנתלפיה נמוכה מזו של המגיבים. התגובה נקראת תגובה אקסותרמית. אפשרות ב' – עליה באנתלפיה של המערכת. לתוצרים תהיה אנתלפיה גבוהה מזו של המגיבים. התגובה נקראת תגובה אנדותרמית.

תגובות אקסותרמיות ואנדותרמיות בתגובה אקסותרמית H2 – H1 < 0 בתגובה אנדותרמית H2 – H1 > 0 27

ניסוי – המסה של נתרן הידרוקסידי NaOH NaOH(s) H2O Na+(aq) + OH-(aq) מהו השינוי שחל בסביבה? - עליה בטמפרטורה מהו השינוי שחל במערכת? - ירידה באנרגיה H2 – H1 < 0 תגובה אקסותרמית NaOH(s) אנתלפיה Na+(aq)+ OH-(aq)

ניסוי – המסה של נתרן חנקתי NaNO3 NaNO3(s) H2O Na+(aq) + NO3(aq) מהו השינוי שחל בסביבה? - ירידה בטמפרטורה מהו השינוי שחל במערכת? - עליה באנרגיה H2 – H1 > 0 תגובה אנדותרמית Na+(aq) + NO3-(aq) אנתלפיה NaNO3(S)

חישוב השינוי באנתלפיית תגובה באופן ניסויי חישוב השינוי באנתלפיית תגובה באופן ניסויי השיטה מתאימה לתגובות המתרחשות בתמיסה. בניסוי מודדים את שינוי הטמפרטורה בסביבה (בתמיסה) וממנו לומדים על שינוי האנרגיה במערכת. Q = m·c·Δt Q= האנרגיה הנפלטת או נקלטת בתהליך. נמדדת ביחידות של ג'אול J m= מסת המים יחידות של גרם g c = חום סגולי של מים = 4.18 ג'אול / גרם ·מעלה J/g·ºc Δt = שינוי הטמפרטורה של הסביבה (מים) בתגובות שאינן מתרחשות בתמיסה מימית אלא בממסים אחרים, יש להשתמש בערכי החום הסגולי המתאימים.

כימיה וחדר כושר במהלך העיסוק בספורט, מולקולות שומן בגוף מתפרקות לתרכובות הנקראות חומצות שומן. לדוגמה, חומצה לאורית CH3(CH2)10COOH חומצות שומן אלו הופכות בסדרה של תגובות ל- CO2 ול-H2O. כאשר משווים תגובות שריפה של תרכובות שונות המכילות מספר שווה של אטומי פחמן, כגון חומצה לאורית ודו-סוכר, מתקבל הגרף הבא:

- מאגר האנרגיה בגוף כולל מולקולות שומן (המהוות כ-17% ממשקל הגוף) - מאגר האנרגיה בגוף כולל מולקולות שומן (המהוות כ-17% ממשקל הגוף). כיצד היה משתנה משקל הגוף לו מאגר האנרגיה בגוף היה מכיל מולקולות סוכר בלבד? - הערך הקלורי של 1 גרם סוכר הוא 4 קק"ל. הסתמך על הגרף ובדוק נתון זה. CH3(CH2)10COOH + 17O2 אנתלפיה C12H22O11+ H2O + 12O2 ΔH = --7377kJ ΔH = --5640kJ 12CO2 + 12H2O גרף אנרגיה - שריפה של חומצת שומן לאורית לעומת דו סוכר

מושגים מרכזיים בפרק א אנרגיה פנימית אנרגיה קינטית אנרגיה פוטנציאלית טמפרטורה מערכת – פתוחה, סגורה, מבודדת סביבה חוק שימור האנרגיה מעברי אנרגיה: חום ועבודה אנתלפיה, שינוי אנתלפיה תגובה אנדותרמית תגובה אקסותרמית רמות הבנה בכימיה – מיקרוסקופית, מאקרוסקופית, סמל, תהליך חישוב השינוי באנתלפיה באופן ניסויי

נספח למעוניינים לפי החוק הראשון של התרמודינמיקה, במערכת מבודדת אין שינוי באנרגיה הפנימית הכוללת: ΔU = 0 אם המערכת לא מבודדת, חוק שימור האנרגיה מקבל צורת ביטוי חדשה: ΔU = Q + W כאשר Q מייצג חום ו- W מייצג עבודה אלו הן שתי הדרכים בהן אנרגיה יכולה לעבור בין המערכת לסביבה ולכן הן חלק מחישוב המאזן הכולל.

מוסכמה לגבי הסימנים של החום והעבודה: Q חיובי כאשר חום נמסר מהסביבה אל המערכת W חיובי כאשר עבודה נעשית על המערכת. הערה: מכל השלוש שהוזכרו לעיל: אנרגיה פנימית, חום ועבודה, הכי קל לעקוב ולמדוד באופן ניסויי את החום (שהוא מעבר אנרגיה הנגרם כתוצאה מהפרשי טמפרטורה).

חישוב העבודה הקשר בין המשתנים נתון ע"י: W = F · d = P · A · d = P · V העבודה השכיחה ביותר שניתן להפיק מתגובה כימית זו עבודה של שינוי בנפח. הקשר בין המשתנים נתון ע"י: W = F · d = P · A · d = P · V אם במהלך תגובה כימית נוצרים גזים והם מתפשטים כנגד הלחץ החיצוני, נקבל: W = - P · ΔV כאשר P הוא הלחץ ו- ΔV הוא השינוי בנפח. הערה לגבי הסימן: כשהגזים מתפשטים, ΔV חיובי ו- W שלילי, כי זו עבודה שהמערכת מבצעת על סביבתה (כתוצאה ממנה האנרגיה הפנימית של המערכת פוחתת).

הבהרה אנחנו מתייחסים לתגובה כימית כמתרחשת בטמפרטורה קבועה. אמנם מיד לאחר התרחשות התגובה, התוצרים מצויים בטמפרטורה שונה מזו של המגיבים (ה-Q כביכול עוד נמצא במערכת), אבל, כעבור זמן קצר, הטמפרטורה שלהם חוזרת להיות טמפרטורת החדר וההפרש עבר לסביבה. כך מתקבלת "חלוקת התפקידים" הרצויה בין שינוי כימי – מערכת ושינוי תרמי – סביבה. ΔH – PΔV

תגובה כימית יכולה להתרחש בתנאי נפח קבוע או בתנאי לחץ קבוע. כשהתגובה מתרחשת בתנאי נפח קבוע (בקלורימטר פצצה, למשל) נקבל: ΔV= 0 W = - P · ΔV = 0 ΔU = Q + W = Q + 0 = Qv כאשר Qv מציין חום שנמדד בתנאי נפח קבוע.

כשהתגובה מתרחשת בתנאי לחץ קבוע ובהנחה שהעבודה היחידה האפשרית היא עבודה מסוג שינוי בנפח, נקבל: ΔU = Q + W ΔU = Qp - P ·ΔV כאשר Qp מציין חום שנמדד בתנאי לחץ קבוע. מהמשוואה הנ"ל ניתן לחלץ את Qp, נקבל: Qp = ΔU + P ·ΔV

סיכום ביניים כשמתרחשת, לדוגמא, תגובה אקסותרמית בתנאי נפח קבוע, כל השינוי באנרגיה הפנימית הופך לחום Qv. (ΔU שלילי וכמובן גם Qv שלילי). ואילו כאשר אותה תגובה מתרחשת בתנאי לחץ קבוע, מרבית האנרגיה אמנם הופכת לחום (הפעם זהו Qp), אבל חלק ממנה הופך לעבודה של התפשטות גזים (ΔU שלילי, P·ΔV חיובי ובסה"כ נקבל Qp שלילי אבל פחות). │ Qp │< │ Qv │

אנתלפיה בדרך כלל תגובות כימיות מתרחשות בכלים פתוחים, זאת אומרת, בלחץ קבוע (הלחץ האטמוספירי), לכן, מטעמי נוחות, הוגדרה פונקציה תרמודינמית חדשה הנקראת אנתלפיה ומסומנת ב- H: H = U + P ·V ומכאן ש: ΔH = ΔU + P ·ΔV לפי מה שראינו לעיל, יוצא שהשינוי באנתלפיה הוא בדיוק החום המועבר בתנאי לחץ קבוע Qp ΔH =Qp במילים אחרות, ΔH מבטא את השינוי באנרגיה בצורת חום בלבד. הצלחנו להוציא את העבודה מהתמונה שהרי : ΔH = ΔU - W אם כך, יוצא שמכאן ואילך נעסוק בקלורימטריה (כשהמשמעות היא מעקב אחר שינויי טמפרטורה בלבד שזה הרבה יותר פשוט).