Termochémia

Termochemie

Termochemie se zabývá tepelným zabarvením chemických reakcí

Vychází z 1. termodynamického zákona
ΔU = Q + W ΔU – změna vnitřní energie
Q – teplo
W – práce

Teplo a práce dodané soustavě zvyšují její vnitřní energii. Změna vnitřní energie ΔU charakterizuje změnu stavu soustavy – stavová veličina. Probíhá-li reakce za konstantního objemu (izochorický děj) je práce nulová (W = p · ΔV).
ΔU = Q

Teplo dodané soustavě při konstantním objemu soustavy se spotřebuje na zvýšení její vnitřní energie (ΔU – izochorické reakční teplo QV).
Většina chemických reakcí probíhá za konstantního tlaku, pro ně se zavádí stavová veličina – entalpie H (izobarické reakční teplo Qp).

Entalpie je definována vztahem
H = U + p · V

Při změně stavu soustavy se změní všechny veličiny ve vztahu
ΔH = ΔU + p · ΔV + V · Δp

Při izobarickém průběhu děje (p = konst.) je člen V · Δp roven nule.
ΔH = ΔU + p · ΔV

Entalpie má pro izochorické děje stejný význam jako vnitřní energie pro děje izochorické. Reakční teplo ΔH (ΔU) je množství tepla, které se uvolní, nebo které je třeba dodat při stechiometrickém průběhu příslušné chemické reakce.
Údaj o reakčním teple je doprovázen chemickou rovnicí, v níž jsou vyznačená skupenství všech reakčních složek – termochemické rovnice.

Pro vzájemné srovnání a tabelování se užívají standardní reakční tepla (ΔH°298,15; ΔU°298,15), což jsou reakční tepla dějů, při nichž výchozí látky i produkty jsou ve standardních stavech.

Plynné látky (T = 298,15 K (t = 25°C), p= 101325 Pa, řídí se stavovou rovnicí)
Kapalné látky (T = 298,15 K (t = 25°C), p = 101325 Pa)
Pevné látky (T = 298,15 K (t = 25°C), p = 101325 Pa, nejstálejší modifikace)

Rozdělení reakcí podle tepelného zabarvení
a) exotermické (exotermní) - ΔH < 0 (soustava teplo uvolňuje a předává ho do okolí)
b) endotermická (endotermní) - ΔH > 0 (soustava teplo pohlcuje)

Termochemické zákony

1. termochemický zákon (Laplace a Lavoisier)
Tepelné zabarvení reakce probíhající jedním směrem je až na znaménko stejné jako
tepelné zabarvení reakce probíhající směrem opačným.
Př.: CO (g) + H2(g) → CO2(g) + H2(g) ΔH°298 = -41,2 kJ · mol-1
CO2(g) + H2(g) → CO(g) + H2O(g) ΔH°298 = 41,2 kJ · mol-1

2. termochemický zákon (Hess)
Tepelné zabarvení dané reakce je rovno součtu tepelných zabarvení dílčích reakcí, které vycházejí ze stejných výchozích látek a poskytující stejné produkty jako dané reakce.
A B (ΔH°298,15)A→B = (ΔΗ°298,15)Α→C + (ΔH°298,15)C→B
C
Na základě termochemických zákonů lze vypočítat reakční teplo reakcí, které nelze přímo měřit.
Standardní slučovací teplo (ΔH°298,15)sluč
Standardní slučovací teplo (ΔH°298,15)sluč je reakční teplo reakce, při níž z prvků ve standardních stavech vznikne 1 mol sloučeniny ve standardním stavu.
Př.: ½ N2(g) + 3/2 H2(g) → NH3(g) [(ΔH°298,15)sluč)]NH3 = 46 kJ · mol-1
Standardní slučovací tepla volných prvků jsou rovna nule.
Výpočet reakčních tepel ze standardních slučovacích tepel
ΔΗ° = (ΔΗ° ) − (ΔΗ° ) 298,15 298,15 Σ Σ sluč
vých      sluč       prod
v v
v – stechiometrické koeficienty příslušných chemických rovnic
Standardní spalné teplo (ΔH°298,15)spal
Standardní spalné teplo (ΔH°298,15)spal – je reakční teplo reakce, při níž se 1 mol látky ve
standardním stavu spálí v proudu kyslíku na konečné oxidační produkty ve
standardním stavu.
Př.: C6H6(l) + 15/2O2(g) → 6CO2(g) + 3H2O(l) [(ΔH°298,15)spal)]C6H6 = -3300 kJ · mol-1
Standardní spalná tepla konečných oxidačních produktů jsou rovna nule.
Výpočet reakčních tepel ze standardních spalných tepel
ΔΗ° = (ΔΗ° ) − (ΔΗ° ) 298,15 298,15 Σ Σ spal
prod
spal
vých
v v
v – stechiometrické koeficienty příslušných chemických rovnic

Výpočty tepelného zabarvení chemických reakcí

1) Výpočet reakčního tepla z vazebných energií
Při vzniku chemické vazby se energie uvolňuje ( vazebná energie ) a při štěpení chemických vazeb se musí energie dodávat. (disociační energie). Obě energie se udávají v kJ/mol.
Vypočítejte reakční teplo reakce.
CH4(g) + 4F2(g) → CF4(g) + 4HF CH(g)
EC-H = 415,47 kJ/mol
EF-F = 158,99 kJ/mol
EC-F = 485,34 kJ/mol
EH-F = 569,02 kJ/mol
Rozštěpí se 4 vazby C – H . . . . . . .4.EC-H energie se znaménkem +
4 vazby F – F. . . . . . . 4. EF-F
Vytvoří se nové vazby:
4 vazby C – F . . . . . . .4.EC-F energie se znaménkem -
4 vazby H – F . . . . . . .4.EH-F
{ Δ H} = [4 . 415,47 + 4 . 158,99 – 4 . 485,485,34 – 4 . 569,02] = - 1919,6
Δ H = - 1919 kJ.mol-1
Při reakci se uvolní 1919,6 kJ/mol tepla, rekce je exotermní.
Vypočítejte reakčníteplo vzniku jodovodíku z prvků.
H2 + I2 → 2HI
EH-H = 435 kJ/mol ΔH = EH-H + EI-I - 2 . EH-I
EI-I = 150 kJ/mol {ΔH}= 435 + 150 - 2 . 299 = -13
EH-I = 299 kJ/mol ΔH= -13 kJ/mol
Reakční teplo dané reakce je -13 kJ/mol.

2) Výpočet reakčního tepla z termochemických rovnic
Při těchto výpočtech musí reaktanty a produkty zůstat ve stejných standardních stavech. Nelze např., aby došlo ke změně skupenství, krystalické soustavy atd. Vypočítejte standardní reakční teplo při 25°C pro reakci: H2(g) + S(s)