Πανεπιστήμιο Κύπρου Τμήμα Χημείας. ΕΙΣΑΓΩΓΗ ΣΤΗ ΧΗΜΕΙΑ ΓΙΑ ΒΙΟΛΟΓΟΥΣ ΚΑΙ ΦΥΣΙΚΟΥΣ ΧΗΜ 021 Χειμερινό Εξάμηνο 2008

Transcript

1 Πανεπιστήμιο Κύπρου Τμήμα Χημείας ΕΙΣΑΓΩΓΗ ΣΤΗ ΧΗΜΕΙΑ ΓΙΑ ΒΙΟΛΟΓΟΥΣ ΚΑΙ ΦΥΣΙΚΟΥΣ ΧΗΜ 021 Χειμερινό Εξάμηνο 2008 Κωνσταντίνος Ζεϊναλιπούρ Λευκωσία, Σεπτέμβριος 2008

2 ΑΣΚΗΣΕΙΣ

3 ΕΝΘΑΛΠΙΑ (Η) ΚΑΙ ΕΣΩΤΕΡΙΚΗ ΕΝΕΡΓΕΙΑ (U) Ενθαλπία (ή καλύτερα η μεταβολή της ενθαλπίας ΔΗ) είναι η θερμότητα η οποία απορροφάτε ή εκλύεται κατά την διάρκεια μιας χημικής αντίδρασης η οποία συμβαίνει υπό σταθερή πίεση, ορίζεται ώς: H = U + P V όπου H = ενθαλπία (J) U = εσωτερική ενέργεια (J) P= πίεση (Pa) V= όγκος (m 3 ) 3 N 3 Pa m = m = N m = 2 m J Για αντιδράσεις οι οποίες συμβαίνουν υπό σταθερή πίεση (P = σταθερό) ισχύει ότι: ΔH = ΔU + P ΔV Θερμότητα αντιδράσεων: Εάν ΔH > 0 ενδόθερμες αντιδράσεις Εάν ΔΗ < 0 εξώθερμες αντιδράσεις Επίσης για πρότυπες συνθήκες P = 1 atm, T = 298 K και συγκέντρωση διαλυμάτων C = 1M ισχύει η εξής σχέση: ΔH = ΔU +P ΔV

4 EΛΕΥΘΕΡΗ ΕΝΕΡΓΕΙΑ (G) O J. Willard Gibbs ( ) εισήγαγε την έννοια της ελεύθερης ενέργειας Gibbs. Η μεταβολή της ελεύθερης ενέργειας Gibbs (ΔG) είναι το άμεσο κριτήριο για την αυθόρμητη επιτέλεση ενός πειράματος (χημικής αντίδρασης) ορίζεται η μεταβολή της ενέργειας του συστήματος υπό σταθερή πίεση και θερμοκρασία και δίνεται από την εξής σχέση: G = H - T S όπου G = ελεύθερη ενέργεια Gibbs (J) H = ενθαλπία (J) Τ = θερμοκρασία (K) S= εντροπία (J/K) Για αντιδράσεις οι οποίες συμβαίνουν υπό σταθερή θερμοκρασία ισχύει ότι: ΔG = ΔH - T ΔS Επίσης για πρότυπες συνθήκες P = 1 atm, T = 298 K και συγκέντρωση διαλυμάτων C = 1M ισχύει η εξής σχέση: ΔG = ΔH -T ΔS Κριτήριο αυθορμητισμού αντίδρασης: Εάν ΔG > 0 μη αυθόρμητη αντίδραση Εάν ΔG < 0 αυθόρμητη αντίδραση Εάν ΔG = 0 αντίδραση σε ισορροπία Επίσης ισχύει ότι, ΔH > 0 και ΔS <0 ΔG > 0 ΔH <0 και ΔS >0 ΔG < 0 Εάν ΔH <0 και ΔS <0 ήδh > 0 και ΔS >0 τότε πρέπει να συγκρίνουνε ΔH και T ΔS

5 ΑΣΚΗΣΕΙΣ

6 ΕΝΤΡΟΠΙΑ (S) Eντροπία (S) ειναι μια θερμοδυναμική ποσότητα η οποία αποτελεί μέτρο της αταξίας σε ένα σύστημα. ΑΕΡΙΟ Εντροπία (J/K) ΥΓΡΟ Εντροπία εξαέρωσης ΑΥΞΗΣΗ ΑΤΑΞΙΑΣ ΣΥΣΤΗΜΑΤΟΣ ΣΤΕΡΕΟ Εντροπία τήξης θερμοκρασία τήξης θερμοκρασία εξαέρωσης Θερμοκρασία (Τ) (K) Κατά την διάρκεια φασικών μεταπτώσεων η θερμοκρασία παραμένει σταθερή

7 2 ος ΝΟΜΟΣ ΘΕΡΜΟΔΥΝΑΜΙΚΗΣ Μια διεργασία λαμβάνει χώρα με φυσικό τρόπο ως αποτέλεσμα μιας συνολικής αύξησης σε αταξία. Υπάρχει μια φυσική τάση των πραγμάτων να αναμειγνύονται και να διασπόνται, γεγονότα τα οποία συνδέονται με αύξηση της αταξίας. Αν μια διεργασία προκαλεί αύξηση της τάξης στο σύστημα αυτό σημαίνει ότι παράλληλα υπήρξε μια μεγαλύτερη αύξηση της αταξίας στο περιβάλλον. Ο 2 ος νόμος της θερμοδυναμικής λεει ότι το άθροισμα των μεταβολών της εντροπίας του συστήματος και του περιβάλλοντος για μια αυθόρμητη διεργασία είναι θετικό: ΔS συστήματος + ΔS περιβάλλοντος > 0 H εντροπία σε αντίθεση με την ενέργεια μπορεί να δημιουργηθεί κατά την διάρκεια μιας αντίδρασης ή χημικής διεργασίας. Mε την πάροδο του χρόνου η ενέργεια ενός συστήματος μειώνεται και η εντροπία του σύμπαντος (σύστημα και περιβάλλον) αυξάνεται.

8 ΥΠΟΛΟΓΙΣΜΟΣ ΔΗ και ΔG ΑΝΤΙΔΡΑΣΗΣ n Όταν αναφερόμαστε σε πρότυπες μεταβολές θερμοδυναμικών παραμέτρων τότε οι μονάδες για το ΔG f, ΔH f kj/mol S J/Kmol Στους 25 C η θερμοκρασίαείναι298κ ΔG = ΔΗ ΤΔS = -6.01(kJ/mol) (K)( -22(J/Kmol)) ΔG = kj/mol J/mol = ( )kJ/mol = 0.54 kj/mol

9 ΜΕΤΑΒΟΛΗ ΕΣΩΤΕΡΙΚΗΣ ΕΝΕΡΓΕΙΑΣ (ΔU)

10 ΕΝΤΡΟΠΙΑ (S)

11 ΜΕΤΑΒΟΛΗ ΕΝΤΡΟΠΙΑΣ (ΔS)

12 ΘΕΡΜΟΔΥΝΑΜΙΚΗ ΣΤΑΘΕΡΟΤΗΤΑ Η θερμοδυναμική σταθερότητα των ενώσεων καθορίζει κατά πόσο μια χημική ένωση έχει την τάση να διασπαστεί σε άλλα μόρια και άτομα Θερμότητα η οποία δεν μπορεί να μετατραπεί σε έργο

13 ΜΕΤΑΒΟΛΗ ΕΛΕΥΘΕΡΗΣ ΕΝΕΡΓΕΙΑΣ (ΔG)

14 ΜΕΤΑΒΟΛΗ ΕΛΕΥΘΕΡΗΣ ΕΝΕΡΓΕΙΑΣ (ΔG)

15 ΑΣΚΗΣΕΙΣ

16 ΑΣΚΗΣΕΙΣ

17 ΑΣΚΗΣΕΙΣ

18 ΑΣΚΗΣΕΙΣ ΦΡΟΝΤΙΣΤΗΡΙΟΥ ΑΣΚΗΣΕΙΣ Το σετ ασκήσεων μαζί με τις λύσεις για το μάθημα μπορείτε να το «κατεβάσετε» από την ιστοσελίδα του μαθήματος:

19 ΒΙΒΛΙΟΓΡΑΦΙΑ ΔΙΑΦΑΝΕΙΩΝ 1. Γενική Χημεία, Darell D. Ebbin and Steven D. Gammon, 6 η έκδοση, Μεταφρασμένο στα Ελληνικά από τον Καθηγητή Νικόλαο Κλούρα, Εκδόσεις Τραυλός, Εφαρμοσμένη Ανόργανη Χημεία, Στυλιανός Λιοδάκης, Επιστημονικές εκδόσεις Παρισιανού Α.Ε., Αρχές Χημείας, Νικόλαου Δ. Χατζηλιάδη, 1992, Μακεδονικές εκδόσεις, Εκδόσεις ΙΩΝ, Chemistry, The Molecular Nature of Matter and Change, Martin S. Silberberg, 3 rd edition, Mc Graw Hill, General Chemistry, The Essential Concepts, Raymond Chang, Annotated Instructor s Edition, 4 th edition, Mc Graw Hill, Introductory Chemistry, Steve Russo and Mike Silver, 3 rd edition, Pearson, General, Organic and Biological Chemistry, Structures of Life, Karen C. Timberlake, Platinum edition, Pearson, Chemistry, Matter and Its Changes, James E. Brady and Fred Senese, 4 th edition, Wiley, The Practice of Chemistry, Donald J. Wink, Sharon Fetzer-Gislason, Sheila D. McNicholas, W.H. Freeman and Company, Chemistry in your Life, Colin Baird, 2 nd edition, W.H. Freeman and Company, Physical Chemistry for the Life Sciences, Peter Atkins and Julio de Paula, Oxford University Press and W.H. Freeman and Company, General Chemistry, Linus Pauling, Dover Publications Inc., 1970.