HEMIJSKE REAKCIJE I ENERGIJA TERMOHEMIJA Sve hemijske reakcije

HEMIJSKE REAKCIJE I ENERGIJA

TERMOHEMIJA • Sve hemijske reakcije praćene su odgovarajućim energetskim promenama, koje se najčešće manifestuju u vidu oslobađanja ili vezivanja toplote. • Proučavanjem energetskih promena tokom hemijkih reakcija bave se termohemija i hemijska termodinamika.

TERMOHEMIJA • Ukupna energija molekula je zbir njegove kinetičke i potencijalne energije. • Eu = E k + Ep • Ep = E(e-j) + E(e-e) + E(j-j) • Tokom praćenja hemijskih reakcija važnije je odrediti promenu energije, nego znati apsolutnu vrednost potencijalne energije reaktanata i produkata.

TERMOHEMIJA • C(s) + O 2(g) → CO 2(g) ∆E = − 394 k. J mol− 1 • 1/2 N 2(g) +1/2 O 2(g) → NO(g)∆E = + 90 k. Jmol− 1 • Reakcije u kojima dolazi do oslobađanja energije nazivamo egzotermnim reakcijama. • Reakcije u kojima dolazi do apsorpcoije toplote nazivamo endotermnim reakcijama.

TERMOHEMIJA • Reakcije u kojima su zapremine produkata iste nazivamo reakcijama. • Reakcije u kojima su zapremine produkata različite nazivamo reakcijama. reaktanata i izohorskim reaktanata i izobarskim

TERMOHEMIJA • H 2(g) + 1/2 O 2(g) → H 2 O(g) ∆E = − 242 k. J mol− 1 • C(g) + H 2 O(g) → CO(g) + H 2(g)∆E = +131 k. J mol− 1 • Energija jednog mola vodonika i pola mola kiseonika nije veća za 242 k. J od energije jednog mola vodene pare, jer u reakciji dolazi do promene zapremine reakcione smeše. • Deo energije koju sistem apsorbuje ili oslobađa tokom reakcije troši se na promenu zapremine.

TERMOHEMIJA

TERMOHEMIJA • 2 KCl. O 3(s) → 2 KCl(s) + 3 O 2(g) ∆E = − 89 k. J mol− 1 • Razlika u energetskom sadržaju između produkata i reaktanata manja od navedene vrednosti, jer se deo energije troši na vršenje rada (na pomeranje klipa). • Entalpija predstavlja ukupan sadržaj energije nekog sistema ili neke supstance i obeležavamo je slovom H. Promena entlpije hemijske reakcije ∆H jednaka je oslobođenoj ili vezanoj toploti reakcije na konstantnom pritisku.

TERMOHEMIJA • Reakciona entalpija ∆r. H je jednaka razlici entalpija reaktanata i entalpija produkata reakcije. • Kada je ∆r. H < 0, reakcija je egzotermna. • Kada je ∆r. H > 0, reakcija je endotermna. • Standardne reakcione entalpije ∆r. HӨ se odnosi na reakcije koje se odvijaju pod standarnim uslovima, na temperaturi od 298 K i pritisku od 101 325 Pa.

TERMOHEMIJA • Termohemijske jednačine prikazuju promenu entalpije i oznake za agregatno stanje. • H 2(g) + 1/2 O 2(g) → H 2 O(g) ∆H = − 242 k. J mol− 1 • H 2(g) + 1/2 O 2(g) → H 2 O(l) ∆H = − 286 k. J mol− 1 • H 2 O(g) → H 2(g) + 1/2 O 2(g) ∆r. H = +242 k. J mol− 1 • H 2 O(l) → H 2(g) + 1/2 O 2(g) ∆r. H = +286 k. J mol− 1

TERMOHEMIJA • Standardna entalpija stvaranja ∆f. HӨ neke supstance je entalpija reakcije u kojoj nastaje jedan mol te supstance iz odgovarajućih elementa, pod standardnim uslovima. • Entalpije stvaranja elemenata pod standardnim uslovima su jednake nuli. • Kada se element javlja u više alotropskih modifikacija, onda je samo entalpija stvaranja najstabilnijeg alotropa jednaka nuli.

TERMOHEMIJA • Kiseonik, azot, fluor, hlor i vodonik pod standardnim uslovima postoje u obliku stabilnih dvoatomskih molekula. • Zato je entalpija stvaranja ovih elemenata u obliku dvoatomskih molekula jednaka nuli. • Entalpija stvaranja jednog mola atoma kiseonika, nije jednaka nuli, jer je za raskidanje kovalentnih veza u molekulu kiseonika potrebno utrošiti određenu količinu energije.

TERMOHEMIJA • Hesov zakon • Entalpija jedne reakcije ili jednog niza reakcija jednaka je entalpiji druge reakcije ili drugog niza reakcija, pod uslovom da su u oba slučaja polazne supstance i krajnji produkti isti. • C(s) + O 2(g) → CO 2(g) ∆r. H 1 = − 394 k. J mol− 1 • C(s) + 1/2 O 2(g) → CO(g) ∆r. H 2 = − 111 k. J mol− 1 • CO(g) + 1/2 O 2(g) → CO 2(g)∆r. H 3 = − 283 k. Jmol− 1

TERMOHEMIJA • Svi sistemi u prirodi teže postizanju stanja sa minimalnim sadržajem energije – možemo očekivati da se spontano odigravaju jedino egzotermni procesi. • Rastvaranje nekih soli je endoterman proces i odvija se spontano. • Difuzija gasova koji međusobno ne reaguju je spontan proces tokom koga ne dolazi do promene entalpije sistema.

TERMOHEMIJA • Druga pokretačka sila hemijskih reakcija je povezana sa stepenom neuređenosti sistema. • Sila koja pokreće mešanje gasova ili rastvaranje soli, predstavlja njihovu težnju da pređu iz stanja manje neuređenosti u stanje veće neuređenosti. • Entropija S je proporcionalna verovatnoći postojanja sistema i izražava se u istim jedinicama kao i entalpija.

TERMOHEMIJA • Kada u sistemu ne dolazi do promene entalpije (∆H = 0), promena se spontano odvija samo u onom pravcu u kome dolazi do povećanja entropije (∆S > 0). • Da bi se odigrao suprotan proces, u kome dolazi do smanjenja entropije (∆S < 0), potrebno je utrošiti izvesnu količinu energiju.

TERMOHEMIJA • Kada u nekom procesu ne dolazi do promene entropije (∆S = 0), promena se spontano odvija samo u onom pravcu u kome dolazi do smanjenja entalpije (∆H < 0). • Da bi se odigrao suprotan proces, u kome dolazi do povećanja entalpije (∆H > 0), potrebno je dovesti izvesnu količinu energije.

TERMOHEMIJA • Kod većine procesa dolazi do istovremene promene i entalpije i entropije. • Promena entalpije odražava težnju molekula ili atoma da sjedinjavanjem grade složenije molekule, uz prelazak u stanje sa minimalnim sadržajem unutrašnje energije. • Promena entropije pokazuje težnji sistema da pređe u stanje maksimalne neuređenosti, koja je utoliko veća ukoliko je veći broj čestica.

TERMOHEMIJA • Hemijska reakcija se spontano odvija u onom smeru u kome dolazi do opadanja ukupne energije sistema, odnosno do smanjenja slobodne energije sistema. • ∆r. G = ∆r. H − T∆r. S • Hemijska reakcija se odvija spontano samo kada je ∆r. G < 0. • Procesi kod kojih dolazi do pozitivne promene slobodne energije, ∆r. G > 0, ne mogu se odigravati spontano.

TERMOHEMIJA • Kada je ∆r. H < 0 i kada je T∆r. S > 0, odnosno kada tokom egzotermne reakcije dolazi do povećanja entropije sistema, promena slobodne energije sistema je takođe manja od nule, ∆r. G < 0 i takve reakcije se uvek odvijaju spontano. • Što je veća temperatura na kojoj se odigrava reakcija, to je promena slobodne energije sistema negativnija.

TERMOHEMIJA • Egzotermne reakcije pri kojima dolazi do smanjenja entropije sistema biće spontane samo kada je proizvod T∆r. S < ∆r. H, jer je u tom slučaju promena slobodne energije reakcije i dalje negativna, ∆r. G < 0. • Ovaj uslov može biti ispunjen samo pri dovoljno niskim temperaturama: na niskim temperaturama spontano se odigravaju samo egzotermni procesi.

TERMOHEMIJA • Promena slobodne enrgije je negativna kod endotermnih reakcija tokom kojih dolazi do povećanja entropije sistema, pod uslovom da je T∆r. S > ∆r. H. • Ovaj uslov može biti ispunjen samo pri dovoljno visokim temperaturama: endotermni procesi se mogu odvijati spontano na visokim temperaturama. • Endotermni procesi se mogu spontano odvijati na niskim temperaturama samo kada tokom procesa dolazi do izuzetno velike promene entropije.

PITANJA 1. U kom odnosu stoje entalpije direktne i povratne reakcije? 2. Koji uslov mora biti ispunjen da bi se jedna reakcija odigravala spontano? 3. Entalpija neke reakcije je +90 k. J mol-1. Koliko izosi entalpija njene povratne reakcije?