doc05 Gazy, termochemia
download 
Reklamacja Transkrypt
05 Gazy, termochemia
5. Gazy, termochemia Doś Doświadczalne prawa gazowe Model gazu doskonał doskonałego Temperatura bezwzglę bezwzględna Ukł Układ i otoczenie Energia wewnę wewnętrzna, praca obję objętoś tościowa i entalpia Prawo Hessa i cykl koł kołowy Standardowe entalpie tworzenia i spalania 4. Stechiometria 1 Doś Doświadczalne prawa gazowe prawo BoyleBoyle-Mariotte W izotermicznej przemianie gazu jego ciś ciśnienie jest odwrotnie proporcjonalne do obję objętoś tości T = const p1 ⋅ V1 = p2 ⋅V2 prawo GayGay-Lussaca Lussaca W izobarycznej przemianie gazu jego obję objętość tość jest wprost proporcjonalna do temperatury p = const prawo Charlesa Charlesa V1 V2 = T1 T2 W izochorycznej przemianie gazu jego ciś ciśnienie jest wprost proporcjonalne do temperatury V = const 5. Gazy, termochemia p1 p2 = T1 T2 2 Doś Doświadczalne prawa gazowe prawo Daltona Cał Całkowite ciś ciśnienie mieszaniny gazó gazów ró równe jest sumie ciś ciśnień nień czą cząstkowych jej skł składnikó adników p = ∑ pi i hipoteza Avogadro Równe obję objętoś tości gazó gazów w tej samej temperaturze i pod takim samym ciś ciśnieniem zawierają zawierają taką taką samą samą liczbę liczbę czą cząsteczek p, T = const V ∝n 5. Gazy, termochemia 3 Równanie Clapeyrona Uogó Uogólnienie empirycznych praw gazowych p ⋅V = const T pV = nRT p ⋅V =R T dla 1 mola gazu R – stał stała gazowa (niezależ (niezależna od rodzaju gazu) n – liczba moli Temperatura bezwzglę bezwzględna izobara V(t) V(t) T [K] = t [˚ [˚C] + 273,15 5. Gazy, termochemia p = 105 Pa n = 1 mol 4 Model gazu doskonał doskonałego Zał Założenia modelu • czą cząsteczki punktowe (znikome rozmiary i obję objętość tość)) • nieustanny ruch • doskonale spręż yste zderzenia czą sprężyste cząsteczek • brak oddział oddziaływań ywań na odległ odległość Równanie stanu gazu doskonał doskonałego Uwaga na jednostki! pV = nRT Jednostki SI p [Pa] , V [m3], T [K], c [mol/m3] pV = c= m RT M mRT pV p c= RT R = 8,314 J/(mol J/(mol··K) M= n V 1 atm = 760 Torr = 1,01325· 1,01325·105 Pa 1 bar = 105 Pa 5. Gazy, termochemia 5 Zastosowanie ró równania Clapeyrona Przykł onym powietrzem o pojemnoś Przykład 5.1: Ile kg gazu zawiera butla ze spręż sprężonym pojemności 3 50 dm , jeż jeżeli w 20˚ 20˚C ciś ciśnienie wewną wewnątrz wynosi 150 bar? Jednostki z ukł układu SI 150 bar = 150 · 105 Pa = 1,5· 1,5·107 Pa 20˚ 20˚C = 20 + 273,15 K ≈ 293 K 50 dm3 = 50· 50·10-3 m3 = 5· 5·10-2 m3 Liczba moli z ró równania Clapeyrona n = pV : (RT) = 1,5· 1,5·107 Pa · 5·10-2 m3 : (8,314 J/(mol J/(mol··K) · 293 K) n = 307,9 mol Średnia masa czą cząsteczkowa powietrza (ś (średnia waż ważona) Mpow = 0.78· 0.78·MN2 + 0.21· 0.21·MO2 + 0.01· 0.01·MAr = 28,97 g/mol mpow = n · Mpow = 307,9 mol · 28,97 g/mol = 8919 g ≈ 8,92 kg 5. Gazy, termochemia 6 Zastosowanie ró równania Clapeyrona cd. cd. Przykł Przykład 5.2: Któ Który gazowy wę węglowodó glowodór w temperaturze 25˚ 25˚C i pod ciś ciśnieniem 1 atm wykazuje gę gęstość stość 1,065 g/dm3? 5. Gazy, termochemia 7 Ukł Układ i otoczenie Ukł Układ - pewna część część przyrody, któ której zachowanie nas interesuje. Wszystko, co jest poza ukł układem, nazywamy jego otoczeniem. otoczeniem. Ukł Układ otwarty - wymienia masę masę i energię energię z otoczeniem Ukł Układ zamknię zamknięty - wymienia energię energię z otoczeniem Ukł Układ izolowany – nie wymienia ani masy, ani energii z otoczeniem 5. Gazy, termochemia 8 Energia wewnę wewnętrzna (U) Funkcja termodynamiczna, oddają oddająca cał całkowity zapas energii danego ukł układu. Uwzglę Uwzględnia: • energię energię kinetyczną kinetyczną i potencjalną potencjalną atomó atomów i czą cząsteczek • energię energię oddział oddziaływań ywań elektronó elektronów i ją jąder atomó atomów • energię energię oddział oddziaływań ywań jądrowych (pomię (pomiędzy nukleonami) Nie uwzglę uwzględnia: • energii kinetycznej i potencjalnej ukł układu jako cał całości Nie moż można zmierzyć zmierzyć absolutnej wartoś wartości energii wewnę wewnętrznej ukł układu Moż Można wyznaczać wyznaczać zmiany energii wewnę wewnętrznej ukł układu w reakcjach chemicznych i przemianach fizycznych 5. Gazy, termochemia 9 I zasada termodynamiki ∆U = q + w ukł układ oddaje ciepł ciepło ∆U < 0 ukł układ wykonuje pracę pracę ∆U < 0 ukł układ pobiera ciepł ciepło ∆U > 0 otoczenie wykonuje pracę pracę ∆U > 0 praca obję objętoś tościowa w = –p(V2 – V1 ) 5. Gazy, termochemia 10 Ciepł Ciepło reakcji ∆U = q + w V = const ⇒ w = 0 praca obję objętoś tościowa ∆U = qV Ciepł Ciepło reakcji (przemiany) w stał stałej temperaturze i obję objętoś tości jest równe zmianie energii wewnę wewnętrznej ukł układu Entalpia (H) H = U + pV ∆H = q p Ciepł Ciepło reakcji (przemiany) w stał stałej temperaturze i pod stał stałym ciś ciśnieniem jest ró równe zmianie entalpii ukł układu 5. Gazy, termochemia 11 Prawo Hessa Energia wewnę wewnętrzna i entalpia są są funkcjami stanu U = U ( p, T ,V , c1 , c2 , c3 , ...) H = H ( p, T , V , c1 , c2 , c3 , ...) ich wartość cznie od wartość zależ zależy wyłą wyłącznie wartoś wartości parametró parametrów stanu ukł układu, Ciepł Ciepło reakcji w warunkach izotermicznoizotermiczno-izochorycznych (q (qV) oraz ciepł ciepło reakcji w warunkach izotermicznoizotermiczno-izobarycznych (q (qp) • zależą zależą tylko od stanu począ początkowego i koń końcowego ukł układu • nie zależą zależą natomiast od drogi, na jakiej reakcja został została przeprowadzona 5. Gazy, termochemia 12 Cykl koł kołowy Sumaryczny efekt cieplny w zamknię zamkniętym cyklu ∑q i koł kołowym jest ró równy zero =0 i q1 B stan stanpoczą koń ątkowy D= –A pocz końcowy q2 q3 C 5. Gazy, termochemia 13 Cykl koł kołowy - obliczenia Przykł Przykład 5.3: Obliczanie ciepł ciepła reakcji, któ którego nie moż można zmierzyć zmierzyć bezpoś bezpośrednio: C(grafit) (grafit) + ½O2 (g) = CO (g) C(grafit) (grafit) + ½O2 (g) = CO (g) ∆H1 = x CO(g) (g), ½O2 (g) C(grafit) (grafit) , O2 (g) CO (g) + O2 (g) = CO2(g) ∆H2 = -283,0 kJ/mol kJ/mol CO2(g) C(grafit) (grafit) + O2 (g) = CO2(g) ∆H3 = -392,5 kJ/mol kJ/mol ∆H1 + ∆H2 - ∆H3 = 0 x + ((-283,0) – (-392,5) = 0 x = -110,5 kJ/mol kJ/mol 5. Gazy, termochemia 14 Standardowa entalpia tworzenia to entalpia reakcji, w któ której jeden mol substancji powstaje z ∆H two pierwiastkó pierwiastków w ich stanach podstawowych /w warunkach standardowych (T=298,15K, p=105 Pa)/ Standardowe entalpie tworzenia pierwiastkó pierwiastków są są równe zero Dla dowolnej reakcji ∆H ro substraty suma entalpii tworzenia substrató substratów ∆H ro = ∑ν ∆H i i = prod o tw ,i − ∑ν j produkty pierwiastki ∆H two , j j = subst suma entalpii tworzenia produktó produktów νi, νj – wspó współczynniki stechiometryczne 5. Gazy, termochemia 15 Standardowe entalpie tworzenie – obliczenia Przykł Przykład 5.4: Obliczanie standardowej entalpii spalania izooktanu C8H18 (c) + 12½ 12½ O2 (g) = 8 CO2 (g) + 9 H2O (c) ∆Hθr 8∆Hθtw CO2(g) ∆Hθtw C8H18(c) + 9∆ 9∆Hθtw H2O(c) 8 C(grafit) 12½ O2(g) (grafit), 12½ ∆Hθr + ∆Hθtw C8H18(c) – (8∆ (8∆Hθtw CO2(g) + 9∆ 9∆Hθtw H2O(c)) = 0 ∆Hθr = 8∆Hθtw CO2(g) + 9∆ 9∆Hθtw H2O(c) - ∆Hθtw C8H18(c) ∆Hθr = 8· 8·(-393,5) + 9· 9·(-285,8) - (-255,1) = -5465 kJ/mol kJ/mol 5. Gazy, termochemia 16 Standardowe entalpie tworzenie – obliczenia cd. cd. Przykł Przykład 5.5: Oblicz standardową standardową entalpię entalpię tworzenia benzenu wiedzą wiedząc, że standardowa entalpia jego spalania wynosi –3268 kJ/mol. kJ/mol. 5. Gazy, termochemia 17
