2.2 Θερμιδόμετρι α- Νό μόι Θερμόχήμει ας

Transcript

1 2.2 Θερμιδόμετρι α- Νό μόι Θερμόχήμει ας Τι είναι η θερμιδομετρία; Τι είναι το θερμιδόμετρο; Ποιος είναι ο νόμος της θερμιδομετρίας; Περιγράψτε το θερμιδόμετρο βόμβας Η διαδικασία προσδιορισμού μέτρησης της θερμότητας που εκλύεται ή απορροφάται σε μία χημική αντίδραση ονομάζεται θερμιδομετρία. Η μέτρηση της θερμότητας που εκλύεται η απορροφάται σε μια χημική αντίδραση πραγματοποιείται σε ειδικές συσκευές που ονομάζονται θερμιδόμετρα. Ο νόμος της θερμιδομετρίας παρέχεται από την εξίσωση θερμιδομετρίας: q=m c ΔT m c : η θερμοχωρητικότητα της ουσίας (π.χ. νερό), εκφρασμένη συνήθως σε J grad -1 ή cal grad -1 c : η ειδική θερμοχωρητικότητα της ουσίας (π.χ. νερό) εκφρασμένη συνήθως σε J g -1 grad -1 ή cal grad -1. ΔΤ: η μεταβολή της θερμοκρασίας σε C ή Κ. Παρατηρήσεις!! Αν το θερμιδόμετρο έχει θερμοχωρητικότητα, τότε η εξίσωση της θερμιδομετρίας γίνεται q= (mc+c)δt όπου, C: η θερμοχωρητικότητα : του θερμιδομέτρου. H ουσία καίγεται και ανεβάζει τη θερμοκρασία του νερού του θερμιδόμετρου. Τη μεταβολή της θερμοκρασίας την ανιχνεύουμε με το θερμόμετρο. Εφαρμόζουμε το νόμο της θερμιδομετρίας και υπολογίζουμε την ενθαλπία καύσης της. 24

2 Ερωτή σεις κατανό ήσής & πρόβλή ματα Στο Φροντιστήριο: Σχολικού βιβλίου: (23, 24, 25, 26, 27)/70, 28/71, 38.39/ Η θερμότητα καύσης της ζάχαρης, C 12 H 22 O 11, είναι 5648,4 kj/mol. Να υπολογιστούν: α) πόσες θερμίδες προσλαμβάνει ο ανθρώπινος οργανισμός, όταν καταναλώνει 20 g ζάχαρης την ημέρα β) αν η ενέργεια που καταναλώνεται για κάθε ώρα βαδίσματος με έντονο ρυθμό είναι ίση με 2000 kj, ποιο είναι το ποσό της ζάχαρης που πρέπει να καταναλώσει ένας άνθρωπος, που βαδίζει για δύο ώρες. Στο Σπίτι: [α) 330,3 kj, β)242,1 g] Σαράντα οκτώ (48) g C καίγονται σε θερμιδόμετρο που περιέχει 5 kg Η 2 Ο θερμοκρασίας 10 C. Αν η τελική θερμοκρασία του νερού είναι 85,2 C, να βρεθεί η θερμότητα καύσης του άνθρακα σε kcal / mol και σε kj / mol. Δίνονται : η ειδική θερμότητα του νερού c=1cal/g grad και 1cal=4,18J. Το δοχείο δεν απορροφά θερμότητα. [ 94 kcal/mol και 392,9 kj/mol ] Σε ένα θερμιδόμετρο από αφρώδες πλαστικό αναμιγνύονται 200mL διαλύματος ΝαΟΗ 0,5Μ και 200mL διαλύματος HCl 0,5Μ. Η αρχική θερμοκρασία των δύο διαλυμάτων είναι 170C, ενώ μετά την ανάμιξή τους η τελική θερμοκρασία βρέθηκε ίση με 200C. Να υπολογίσετε την ενθαλπία εξουδετέρωσης του ΝαΟΗ(αq) με ΗCl(αq). Δίνονται: η θερμοχωρητικότητα του θερμιδομέτρου: C=220JK -1, η ειδική θερμοχωρητικότητα των διαλυμάτων: c=4,2jg -1 K -1, η πυκνότητα των διαλυμάτων: ρ=1g/ml. [ Απ. ΔHn =-57 kj ] ,3g αιθανόλης (C 2 H 5 OH) καίγονται πλήρως σε ένα θερμιδόμετρο, το οποίο περιέχει 1 Κg νερού. Η αρχική θερμοκρασία του νερού είναι 200C. Να υπολογιστούν: α) το ποσό θερμότητας πού ελευθερώνεται κατά την καύση, β) η τελική θερμοκρασία που θα αποκτήσει το νερό. Δίνονται η θερμοχωρητικότητα του θερμιδομέτρου: 200JK -1, η ειδική θερμοχωρητικότητα του νερού: 4,2 KJ kg -1 K -1, η ενθαλπία καύσης της αιθανόλης: KJ mol -1. [ Απ. α) Q=70kJ, β) θτελ.=35,9 ο C ] Ένα καύσιμο όγκου 8,96 L, μετρημένων σε STP, περιέχει μεθάνιο, CH 4 (g) και αιθάνιο, C 2 H 6 (g). Η ποσότητα θερμότητας που εκλύεται από την καύσh του μίγματος ανεβάζει τη θερμοκρασία 2 kg νερού κατά 50 C. Να υπολογιστεί η % ν/ν σύσταση του μίγματος, αν η θερμότητα καύσης του CH 4 (g) και του C 2 H 6 ( g ) είναι 879kJ/mol και 1548 kj/mol, αντίστοιχα. Δίνεται η ειδική θερμότητα του νερού, ίση με c = 1 cal g -1 grad -1. [25% ν/ν] 25

3 Νό μόι Θερμόχήμει ας Παναγιώτης Αθανασόπουλος 1 η διατύπωση: Το ποσό της θερμότητας που εκλύεται ή απορροφάται κατά τη σύνθεση 1 mol μιας χημικής ένωσης από τα συστατικά της στοιχεία είναι ίσο με το ποσό της θερμότητας, το οποίο απορροφάται ή εκλύεται κατά τη διάσπαση 1 mol της ίδιας χημικής ένωσης στα συστατικά της στοιχεία. 2 η διατύπωση: Αν κατά το σχηματισμό 1 mol μιας ουσίας παρατηρείται μεταβολή ενθαλπίας ΔΗ 1, κατά τη διάσπαση 1 mol της ίδιας ουσίας στα στοιχεία της παρατηρείται ΔΗ 2 = - ΔΗ 1 Δηλαδή αν: τότε: Παρατηρήσεις!! Από τα παραπάνω προκύπτει ότι αν μας είναι γνωστή η τιμή ΔΗ 1 μιας αντίδρασης, τότε μπορούμε να προβλέψουμε την τιμή ΔΗ 2 και της αντίστροφης αντίδρασης (ΔΗ 2 = - ΔΗ 1 ). SOS: Ποιας αρχής είναι συνέπεια ονόμος (ή Της Αρχής Διατήρησης της Ενέργειας αρχή) SOS: O νόμος (ή αρχή) Lavoisier- Laplace Lavoisier- Laplace; SOS: O νόμος του Hess (Eς). Το ποσό της θερμότητας που εκλύεται ή απορροφάται σε μία χημική αντίδραση είναι το ίδιο, είτε η αντίδραση πραγματοποιείται σε ένα είτε σε περισσότερα στάδια. Ερμηνεία του νόμου του Hess με ένα παράδειγμα Για παράδειγμα η αντίδραση: Μπορεί να πραγματοποιηθεί και σε δύο στάδια: 26

4 Με την πρόσθεση των ενδιάμεσων αυτών αντιδράσεων προκύπτει η συνολική αντίδραση και το άθροισμα των ποσών θερμότητας των αντιδράσεων αυτών ισούται με το ποσό της θερμότητας που εκλύεται συνολικά. Δηλαδή ισχύει: ΔΗ = ΔΗ 1 + ΔΗ 2 SOS: Τι εκφράζει ο νόμος του Ο νόμος του Hess, είναι άμεση συνέπεια του πρώτου θερμοδυναμικού νόμου και αποτελεί τη βάση πολλών θερμοχημικών υπολογισμών. Hess; Η χρησιμότητα του νόμου του Hess Tο αξίωμα της τελικής και της αρχικής κατάστασης. Πως σχετίζεται με το νόμο του Hess; Η μεγάλη του πρακτική σημασία έγκειται στο γεγονός ότι επιτρέπει την αλγεβρική πρόσθεση και αφαίρεση των θερμοχημικών εξισώσεων. Έτσι, μπορούν να υπολογιστούν έμμεσα, μέσω θερμοχημικών κύκλων, οι θερμότητες πολλών αντιδράσεων, των οποίων ο άμεσος προσδιορισμός είναι δύσκολος (π. χ. αργές, με μικρή απόδοση ή θερμοδυναμικά αδύνατες αντιδράσεις). Για παράδειγμα οι τιμές ενθαλπίας σχηματισμού πολλών ενώσεων μπορούν να υπολογιστούν έμμεσα, μέσω του νόμου του Hess και των αντίστοιχων τιμών ενθαλπίας καύσης (στοιχείων και ενώσεων), που προσδιορίζονται πειραματικά με θερμιδόμετρο. Το ποσό της θερμότητας, που εκλύεται ή απορροφάται κατά τη μετάβαση ενός χημικού συστήματος από μια καθορισμένη αρχική σε μια επίσης καθορισμένη τελική κατάσταση, είναι ανεξάρτητο από τα ενδιάμεσα στάδια, με τα οποία μπορεί να πραγματοποιηθεί η μεταβολή. Το αξίωμα της αρχικής και τελικής κατάσταση είναι η γενίκευση τον νόμου τον Hess. Με τη γενίκευση αυτή είναι δυνατό να διευρύνουμε τους θερμοχημικούς υπολογισμούς, ώστε στις μεταβολές να μπορούν να συμπεριληφθούν πλην των χημικών αντιδράσεων και φυσικές μεταβολές π.χ. μεταβολές φυσικών καταστάσεων. 27

5 Στο Φροντιστήριο: Ερωτήσεις: Σχολικού βιβλίου: 29/71, 30/71, 31/71, 33/71, 35,36/71, 40,41/73, 32,33/ Σχολικού βιβλίου: 30/71, 31/71, 33/71, 35,36/71, 40,41/73, 32,33/71 Παναγιώτης Αθανασόπουλος Οι θερμότητες εξουδετέρωσης των οξέων ΗΑ και ΗΒ είναι 13,35 και 13,7 kcal/mol, αντίστοιχα. Να υπολογίσετε τη θερμότητα της αντίδρασης: NαA(aq) + ΗΒ(aq) HA (aq) + NaB(aq) [0,35kcal] Στο Σπίτι: Δίνονται οι θερμοχημικές εξισώσεις: 2C 2 Η 2 + 5O 2 4CO 2 + 2Η 2 Ο Q = +598 kcal C 2 Η 4 + 3O 2 2CO 2 + 2Η 2 Ο Q = +315 kcal 2Η 2 + Ο 2 2Η 2 Ο Q = +138 kcal Να βρεθεί η θερμότητα που εκλύεται ή απορροφάται κατά την αντίδραση: C 2 Η 2 + Η 2 C 2 Η 4 [ +53 kcal ] Να υπολογιστεί η θερμότητα σχηματισμού του νερού συμφωνά με τη χημική εξίσωση: H 2 ( g ) + O 2 ( g ) H 2 O (l) και με βάση τα παρακάτω δεδομένα: C(s) + 2Η 2 O (g) CO 2 (g) + 2Η 2 (g), ΔH o = 39 kcal C(s) + ½ O 2 (g) CO (g), ΔH o = -29 kcal H 2 O (g) H 2 O ( l ), ΔH o = -9,7 kcal CO (g) +½ O 2 (g) CO 2 (g), ΔH = -67,7 kcal [-77,5 5kcal/mol] Με βάση τις ενθαλπίες καύσης του C (γραφίτης)= -97,3 kcal/mol, του Η 2 (g) = -68,4 kcal/mol, του αιθινίου, C 2 H 2 (g) = -310 kcal/mol και του αιθανίου, C 2 H 6 (g) = -370,5 kcal/mol, να υπολογίσετε: α) τη θερμότητα σχηματισμού του αιθινίου, β) τη θερμότητα σχηματισμού του αιθανίου και γ) τη θερμότητα της αντίδρασης αναγωγής του αιθινίου σε αιθάνιο. [α) ΔΗ 0 =47κcal/mol, β) ΔΗ 0 = - 29,3κcal/mol, γ) ΔΗ 0 = - 76,3κcal/mol,]] Υπολογίστε την θερμότητα που ελκύεται ή απορροφάται κατά την αντίδραση: C + 2H 2 CH 4 από τα παρακάτω δεδομένα: i. 4 g C με καύση δίνουν 131 kj ii. 4 g Η 2 με καύση δίνουν 578 kj iii. 4 g CH 4 με καύση δίνουν 221,75 kj [Απάντηση: +84kJ ] Δίνονται οι θερμοχημικές εξισώσεις : CaCO 3 CaO + CO 2 Q = -40 kcal C + O2 CO 2 Q = +94 kcal Πόσα g C πρέπει να καούν ώστε το ποσό της θερμότητας που θα ελευθερωθεί να είναι ικανό να διασπάσει 4,7 kg CaCO 3 ; [ 240 g ] 30. Όταν καίγονται 1,2g C εκλύονται 9 kcal θερμότητα. Όταν καίγονται 5,6 L Η 2 (σε STP) εκλύονται 17,5 kcal θερμότητα. Όταν καίγονται 8g προπινίου ( C 3 H 4 ) εκλύονται 91 kcal θερμότητα. Να βρεθεί η θερμότητα σχηματισμού του C 3 H 4. [Απάντηση: -45 kcal/mol ] 28