Sev się mnie kiedyś spytał, dlaczego jak włożymy

Wódka z węgla i wody
(pobrano ze strony chemiagila.wordpress.com)
Sev się mnie kiedyś spytał, dlaczego jak włożymy węgiel do wody to nie ma tam wódki.
Przecież mamy tam węgiel, wodór i tlen… To samo co ma w sobie wódka. Teraz
postaramy się bliżej zbadać to zjawisko i przede wszystkim wyjaśnić, czy jest ono
możliwe.
Na początek krótki wstęp teoretyczny. Całe zjawisko będziemy analizować przez
termochemię. Termochemia to generalnie dział chemii, który bada zmiany energii w
układach reakcyjnych oraz skutki tych zmian. Można więc powiedzieć, że termochemik
siedzi w takim układzie i robi notatki w stylu „O! Temperatura w układzie wzrosła o 10K!”
albo „A niech mnie! Wydzieliło się 1000 J energii”. Następnie szuka on przyczyn tego typu
zmian.
Jednak każdy fachowiec ma swój język i swój sposób opisu świata. Fizyk używa prędkości,
pracy czy zdolności skupiającej. Matematyk będzie mówił o polach, wektorach i objętości.
Także termochemia ma swoje wielkości, dzięki którym termochemicy opisują świat. Warto
je więc zdefiniować:

zmiana entalpii – to efekt energetyczny danej reakcji, oznaczamy symbolem ΔH. Tą
zmianę entalpii trzeba traktować jak taką skarbonkę energii w układzie. Jeśli podczas
jakiegoś
procesu
układ
traci
energię,
zmiana
entalpii
jest
ujemna,
a
proces
egzoenergetyczny; jeśli układ zyskuje energię zmiana entalpii jest dodatnia, a proces
endotermiczny. To tak samo jak ktoś Ci zabierze pieniądze (bilans Twojej skarbonki jest
ujemy, można więc powiedzieć, że kradzież była egzoenergetyczna ) lub ktoś Ci da
pieniądze (bilans Twojej skarbonki jest dodatni, a zmiana endoenergetyczna). Warto także
zauważyć, że zmianę entalpii konkretnej reakcji możemy wyznaczyć na podstawie zmian
entalpii tworzenia. Są to entalpie reakcji tworzenia substancji z czystych pierwiastków,
np: H2 + 2O2 + S = H2SO4. Dla konkretnej reakcji entalpia jest różnicą entalpii tworzenia
produktów (z uwzględnieniem współczynników stechiometrycznych) i entalpii tworzenia
substratów. Na przykład, załóżmy, że chcesz wyznaczyć zmianę entalpii reakcji 2A + B 
2C. Wtedy znajdziesz w tablicach entalpie tworzenia substancji A, B oraz C. Następnie
obliczysz zmianę entalpii w następujący sposób ΔH = 2ΔHtwC – ΔHtwB - 2ΔHtwA.
Podstawowym założeniem termochemii jest fakt, że entalpia tworzenia czystych
pierwiastków jest równa 0. Jednostką entalpii jest J/mol substancji.

Zmiana entropii - jest to miara nieuporządkowania układu. Można by np. powiedzieć, że
jeśli rodzice dadzą Ci wolną chatę na cały tydzień, entropia będzie systematycznie rosła
wraz z kolejnymi imprezami, które urządzisz. W układzie jest zatem tak, iż czym
cząsteczki są bardziej nieuporządkowane tym entropia większa. Jednostką entropii jest
J/(mol * K). Symbolem jest S. Należy pamiętać, że entropia tworzenia dla czystych
pierwiastków NIE jest równa 0 co jest dosyć powszechnym błędem.

zmiana entalpii swobodnej - najważniejsza dla nas i najbardziej nam potrzebna, jest to
miara samorzutności procesu. Symbolem jest ΔG. Czym bardziej ta wielkość jest ujemna,
tym proces bardziej samorzutny, tzn ,,aż chce sam zachodzić, bez żadnego wpływu”. Im
dodatnia, tym proces żeby zaszedł musi być wymuszany przez zmianę warunków itp. Dla
przykładu, wiemy np. że reakcje strąceniowe są bardzo szybkie
reakcje strącania
zachodzą bardzo szybko, gdy np. zmieszamy roztwór zawierający jony srebra z roztworem
zawierającym jony chlorkowe automatycznie strąca się chlorek srebra. Proces ten ma
zatem bardzo ujemne ΔG. Bardziej obrazowy przykład: gdy budzisz się rano proces
wstawania z łóżka ma bardzo dodatnie ΔG (bo przecież nie chcesz wstawać), natomiast
proces dalszego pozostania w łóżku ma bardzo ujemne ΔG (bo przecież chcesz tam być).
Można powiedzieć, że reakcje też chcą a to, co nam pokazuje, że chcą czy nie chcą
nazywamy właśnie zmianą entalpii swobodnej.
Zmiana entalpii swobodnej jest związana z pozostałymi funkcjami termodynamicznymi w
nast. sposób:
ΔG = ΔH – ΔS * T
A zatem możemy teraz zająć się zagadnieniem wódki z węgla i wody. Będziemy więc badać
reakcję, podczas której z węgla i wody może się tworzyć alkohol etylowy, np. taką:
2 C + 3 H2O = C2H5OH + O2
Plan polega na tym by wyznaczyć wartość ΔG dla tej reakcji i sprawdzić jej znak. Uwaga:
wszystkie dane z tablic dotyczą warunków standardowych. Dla uproszczenia przyjmiemy,
że wartości funkcji term. nie zmieniają się wraz z temperaturą. To założenie jest dosyć
powszechne.
ΔH obliczamy na podstawie faktu że zmiana entalpii reakcji jest równa różnicy entalpii
tworzenia produktów i substratów. Wartości z tablic: ΔH[H2O] = -285,83 kJ/mol;
ΔH[C2H5OH] = -287,3 kJ/mol. Przypominamy, że entalpia tworzenia pierwiastków jest
równa 0.
ΔH = -287,3 kJ – (-285,83 kJ) * 3 = 570,19 kJ
ΔS obliczamy analogicznie do ΔH. Wartości z tablic w J/(mol*K): S[C] = 5,74 ; S[O2] =
205,043
;
S[H2O]=188,8
;
S[C2H5OH]
=
160,2.
Pamiętamy
o
współczynnikach
stechiometrycznych!
ΔS = 160,2 J/K + 205,043 J/K – 3*188,8 J/K – 2*5,74 J/K = -212,637 J/K = -0,212637 kJ/K
Teraz obliczamy ΔG pamiętając, że rozważamy T=298 K.
ΔG = 570,19 kJ – (-0,212637 kJ/K) * 298 K = 633,56 kJ
Jest to wartość cholernie duża. Czyli reakcja jest na pewno nie możliwa w temperaturze
T=298 K. Można sprawdzić dla jakiej temperatury ΔG jest ujemne, rozwiązując nierówność:
0 > ΔH – ΔS * T (czyli szukamy ujemnej entalpii swobodnej)
0 > 570,19 kJ – (-0,212637 kJ/K) * T
T < -2700 K
Co jest warunkiem nie do spełnienia więc możemy uznać, że reakcja jest niemożliwa,
______________________________________________________________________________
Zadania do tekstu:
1. Wyznacz standardowe entalpie tworzenia KClO3 oraz NaHCO3 znając entalpie tworzenia
KCl (–436,75), NaOH (–425,61), CO2 ( –393,51) <-- w kJ·mol–l oraz znając ΔH reakcji:
2KCIO3(s) → 2KCI(s) + 3O2(g)
r-cjiHo = –89,4 kJ·mol–l
NaOH(s) + CO2(g) → NaHCO3(s)
r-cjiHo = –127,5 kJ·mol–l
2. Standardowa entalpia tworzenia etylobenzenu (C8H10) wynosi -12,5 kJ·mol-l. Oblicz standardową entalpię spalania całkowitego tego związku. ΔHtw: CO2 (–393,51), H2O (–285,83).
3. Oblicz standardową entalpię uwodorniania heks-l-enu do heksanu, wiedząc, że standardowa entalpia spalania heks-l-enu wynosi –4003 kJ·mol–1. Standardowa entalpia spalania
heksanu wynosi –4163 kJ·mol–1.
4. Alkohol mógłby powstawać również w takiej reakcji: 2C + H2O + 2H2  C2H5OH.
Przeanalizuj możliwość zajścia tej reakcji analogicznie do sposobu przedstawionego w
artykule. Potrzebne dane wyszukaj w Tablicach Chemicznych/Internecie/gdziekolwiek.