Termochemia: definicja, zasady i pomiary energii reakcji chemicznych
Termochemia: poznaj zasady, pomiary i obliczenia energii reakcji chemicznych — entalpia, entropia oraz praktyczne zastosowania w chemii i inżynierii.
Termochemia jest badaniem energii i ciepła związanego z reakcjami chemicznymi i przemianami fizycznymi (zmianami fizycznymi). Przemiany fizyczne zachodzą wtedy, gdy stan materii (np. ciało stałe lub płyn) zmienia się na inny stan. Przykłady transformacji obejmują topnienie (gdy ciało stałe staje się cieczą) i wrzenie (gdy ciecz staje się gazem). Termochemia analizuje, ile energii jest pochłaniane lub wydzielane podczas takich procesów oraz w jaki sposób energia ta jest przekazywana między systemem a otoczeniem.
Podstawowe pojęcia i wielkości
W termochemii ważne są pojęcia takie jak entalpia (oznaczana często jako ΔH), energia wewnętrzna (ΔU), ciało i otoczenie, a także praca i ciepło jako sposoby przekazywania energii. Reakcja może oddawać energię do otoczenia (być egzotermiczna) lub pobierać energię z otoczenia (być endotermiczna). Pomocne są standardowe warunki (zwykle 25 °C i 1 atm) oraz wartości takie jak standardowe ciepło tworzenia (ΔHf°).
Reakcja daje lub pobiera energię. Przemiana fizyczna również daje lub pobiera energię. Termochemia przygląda się tym zmianom energetycznym, szczególnie w zakresie wymiany energii systemu z otoczeniem. Termochemia jest przydatna do przewidywania ilości reagentów i produktów przez cały czas trwania danej reakcji. Termochemicy robią to wykorzystując dane, w tym oznaczenia entropii. Termochemicy stwierdzą, czy reakcja jest spontaniczna czy nie, korzystna czy niekorzystna. Do oceny spontaniczności służy przede wszystkim wielkość energia swobodna Gibbsa ΔG, związana zależnością ΔG = ΔH − TΔS (gdzie ΔS to zmiana entropii), przy czym dla procesów przy stałej temperaturze i ciśnieniu: ΔG < 0 oznacza reakcję spontaniczną.
Pomiary i metody
Najprostszą metodą wyznaczania ilości ciepła wymienianego podczas procesu jest kalorymetria — pomiar zmiany temperatury znanej masy substancji i obliczenie przekazanego ciepła przy użyciu wzoru Q = mcΔT (gdzie m to masa, c to ciepło właściwe, ΔT to zmiana temperatury). Do pomiarów praktycznych stosuje się różne rodzaje kalorymetrów, m.in.:
- kalorymetr bombowy — używany dla reakcji spalania (zamknięty układ, pomiar przy stałej objętości),
- kalorymetr przy stałym ciśnieniu — odpowiedni do pomiaru ΔH dla reakcji w roztworach,
- skaningowa kalorymetria różnicowa (DSC) — mierzy strumień ciepła związany z przemianami fazowymi i reakcjami w funkcji temperatury.
W praktyce trzeba uwzględnić poprawki na straty ciepła, ciepło kalorymetru (stała kalorymetryczna) oraz ewentualne ciepło rozpuszczania lub mieszania. W wielu obliczeniach korzysta się też z prawa Hessa — suma entalpii etapów reakcji równa się entalpii reakcji całkowitej — co pozwala obliczać ΔH dla reakcji, których bezpośrednio nie można zmierzyć.
Wielkości używane w termochemii i ich znaczenie
Reakcje endotermiczne przyjmują ciepło. Reakcje egzotermiczne oddają ciepło. Termochemia łączy w sobie pojęcia termodynamiki z ideą energii w postaci wiązań chemicznych. Obejmuje ona obliczenia takich wielkości jak pojemność cieplna, ciepło spalania, ciepło tworzenia, entropia, entropia, wolna energia i kalorie. W praktyce używa się jednostek SI (dżule, J) oraz jednostek historycznych (kalorie) — przy czym 1 cal ≈ 4,184 J.
Zastosowania i przykłady
Termochemia ma szerokie zastosowania: w energetyce (ocena wydajności paliw i reakcji spalania), w przemysłowych procesach chemicznych (optymalizacja warunków reakcji i bilans energetyczny), w syntezie materiałów (kontrola warunków tworzenia związków) oraz w naukach biologicznych (analiza procesów metabolicznych i stabilności białek). Przykładowo, obliczając ciepło spalania paliwa można przewidzieć ilość uwolnionej energii, a określając ciepło parowania i topnienia można zaplanować procesy separacji i obróbki termicznej materiałów.
Podsumowując, termochemia dostarcza narzędzi do ilościowego opisu przemian energetycznych w reakcjach i przemianach fazowych, łączy pomiary eksperymentalne z zasadami termodynamiki i umożliwia przewidywanie zachowania układów chemicznych w różnych warunkach.
Pierwszy na świecie lodokalorymetr, używany zimą 1782-83 przez Antoine'a Lavoisiera i Pierre'a-Simona Laplace'a. Używano go do odnajdywania ciepła ewoluującego w różnych zmianach chemicznych. Obliczenia te zostały oparte na wcześniejszym odkryciu utajonego ciepła przez Josepha Blacka. Eksperymenty te zapoczątkowały termochemię.
Historia
Termochemia zaczęła się od dwóch pomysłów:
- Prawo Lavoisiera i Laplace'a (1780): Zmiana energii dla każdej przemiany jest równa i przeciwna do zmiany energii dla procesu odwrotnego.
- Prawo Hessa (1840): Zmiana energii dla każdej przemiany jest taka sama bez względu na to, czy idzie ona w jednym kroku czy w wielu.
Odkrycia te nastąpiły przed pierwszym prawem termodynamiki (1845). Pomogły one naukowcom zrozumieć to prawo.
Edward Diaz i Hess badali ciepło właściwe i utajone. Joseph Black opracował koncepcję zmian energii utajonej.
Gustav Kirchhoff wykazał w 1858 r., że zmiana ciepła reakcji jest spowodowana różnicą w pojemności cieplnej pomiędzy produktami i reaktorami: ∂ Δ H ∂ T = Δ C p {\i0}styk styropianu {\i0}częściowy \i0}Delta H} \Delta C_{p} 
. Integracja tego równania pozwala na ocenę ciepła reakcji w jednej temperaturze z pomiarów w innej temperaturze.
Kalorymetria
Pomiar zmian temperatury nazywany jest kalorymetrią. Mierzy ona ciepło reakcji chemicznych lub zmian fizycznych. Kalorymetr, czyli urządzenie do kalorymetrii, jest zazwyczaj urządzeniem zamkniętym w komorze.
Kalorymetria ma te kroki: Chemicy dokonują zmiany wewnątrz komory. Temperatura komory jest mierzona albo za pomocą termometru albo termopary. Temperatura jest wykreślana w stosunku do czasu, aby otrzymać wykres. Chemicy używają wykresu do obliczenia podstawowych ilości.
Nowoczesne kalorymetry posiadają małe komputery, które mierzą temperaturę i szybko podają obliczone dane. Jednym z przykładów jest skaningowy kalorymetr różnicowy (DSC).
Systemy
Kilka definicji termodynamicznych jest bardzo przydatnych w termochemii. System" to specyficzna część wszechświata, która jest badana. Wszystko, co znajduje się poza systemem, jest uważane za otoczenie lub środowisko. System może nim być:
- izolowany system - gdy nie może wymieniać energii lub materii z otoczeniem, jak w przypadku izolowanego kalorymetru bombowego;
- system zamknięty - kiedy może wymieniać energię, ale nie ma znaczenia z otoczeniem, jak w przypadku grzejnika parowego;
- system otwarty - gdy może wymieniać zarówno materię jak i energię z otoczeniem, np. garnek z wrzącą wodą.
Procesy
System przechodzi "proces", gdy zmienia się jedna lub więcej jego właściwości (charakterystyk). Proces odnosi się (łączy) do zmiany stanu. Proces izotermiczny (ta sama temperatura) zachodzi, gdy temperatura systemu pozostaje taka sama. Proces izobaryczny (to samo ciśnienie) zachodzi wtedy, gdy ciśnienie w systemie pozostaje takie samo. Proces adiabatyczny (bez wymiany ciepła) zachodzi wtedy, gdy nie przemieszcza się żadne ciepło.
Powiązane strony
- Ważne publikacje z zakresu termochemii
- Reakcja izodezyjna
- Zasada maksymalnej pracy
- Kalorymetr reakcyjny
- Zasada Thomsena-Berthelota
- Juliusz Thomsen
- Termodynamiczne bazy danych dla substancji czystych
- Kalorymetria
- Fizyka termiczna
Pytania i odpowiedzi
P: Co to jest termochemia?
O: Termochemia to badanie energii i ciepła związanego z reakcjami chemicznymi i przemianami fizycznymi.
P: Jakie są przykłady przemian fizycznych?
O: Przykłady przemian fizycznych to topnienie (kiedy ciało stałe staje się cieczą) i wrzenie (kiedy ciecz staje się płynem).
P: W jaki sposób termochemia pomaga przewidzieć ilość reagentów i produktów?
O: Termochemicy wykorzystują dane, w tym oznaczenia entropii, do przewidywania ilości reagentów i produktów w każdym momencie trwania danej reakcji.
P: Czy reakcje endotermiczne są korzystne czy niekorzystne?
O: Reakcje endotermiczne są niekorzystne.
P: Czy reakcje egzotermiczne są korzystne czy niekorzystne?
O: Reakcje egzotermiczne są korzystne.
P: Jakie pojęcia łączy termochemia?
O: Termochemia łączy pojęcia termodynamiki z ideą energii w postaci wiązań chemicznych.
P: Jakiego rodzaju obliczeń dokonują termochemicy?
A: Termochemicy wykonują takie obliczenia jak pojemność cieplna, ciepło spalania, ciepło tworzenia, entalpia, entropia, energia swobodna i kalorie.
Przeszukaj encyklopedię