Diamanteak osatzeko beharrezkoak diren baldintzak dira:

Transcript

1 1

2 Diamanteak osatzeko beharrezkoak diren baldintzak dira: T= 2,000 C eta P= 50,000 a 100,000 atmosfera baldintza hauek bakarrik ematen dira sakonera 160 Km-koa denean eta beharrezkoak dira miloika eta miloika urte erreakzioa burutzeko. Beraz, erreproduzitzea laborategi batean zaila da. Ondorioz, erreakzio kimiko bat gertatzeko bi aspektu kontuan hartu behar ditugu: Erreakzioaren energia eta abiadura. Erreakzioen energia aztertzeko TERMOKIMIKA erabiliko dugu eta hau da, gai honetan ikasiko duguna. Abiadura aztertzeko ZINETIKA KIMIKOA erabiltzen da 2

3 Termodinamika : prozesu fisiko, kimiko zein nuklearretan gertatzen diren energia trukaketak aztertzen ditu. -Termokimika : erreakzio kimikoetan gertatzen diren bero trukaketak soilik aztertzen ditu. Erreakzio kimiko guztietan energia zurgatu edo askatu egiten da. 3

4 1.- TERMODINAMIKA OINARRIZKO KONTZEPTUAK TERMODINAMIKA aztertzen ditu fenomenoak maila MAKROSKOPIKOAN (errezagoa azaldu ahal izateko). Horretarako, definitzen da: SISTEMA: aztertuko duguna. Adib. erreakzio kimiko bat.puztuki bat gasez beteta. UNIBERTSOA-INGURUNEA:sistemaren inguru hurbila. UNIBERTSOA/INGURUNEA MUGA SISTEMAREN ETA INGURUNEAREN ARTEAN (ONTZIA,PUZTUKIA.) 4

5 1.- OINARRIZKO KONTZEPTUAK 1.2.-SISTEMA MOTAK SISTEMA IREKIA:masa eta energiaren trukaketa (ura berotzen dugunean ontzi ireki batean). SISTEMA ITXIA: energia bakarrik trukatzen du. (ura berotzen dugunean ontzi itxi batean). SISTEMA ISOLATUA: ez dago trukaketarik. (ura berotuta dugunean termo batean) IREKIA ITXIA ISOLATUA 5

6 ALDAGAI ESTENSIBOAK: SIESTEMAREN MATERIA KANTITATEAREN MENPE DAUDENAK ADIB. MASA, BOLUMENA ALDAGAI INTENSIBOAK: EZ DAUDE MATERIA KANTITATEAREN MENPE. ADIB. TENPERATURA, PRESIOA, DENTSITATEA, KONTZENTRAZIOA. EGOERA FUNTZIOA: MAGNITUDEAREN BALIOA BAKARRIK HASIERAKO EGOERAREN ETA AMAIERAKO EGOERAREN MENPE DAGOENEAN. (BOST AXOLA ZER GERTATU DEN ERDIAN). (ΔU) ADIB. PRESIOA, BOLUMENA, BARNE ENERGIA, ENTALPIA, ENTROPIA,GIBSEN ENERGIA. (MAGNITUDE TERMODINAMIKO GUZTIAK) 6

7 1.- OINARRIZKO KONTZEPTUAK 1.3.-SISTEMA BATEN BARRUKO ENERGIA U.ENERGIA KONTSERBAZIOA A) 1.- DEMAGUN BI PUZTUKI GASEZ BETETA (BI SISTEMA). 2.- PISTOI BATEN BITARTEZ ELKARTZEN DITUGU. 3.-ZER IKUSTEN DUGU?. GASA PASAKO DELA PUZTUKI HORITIK BERDERA, HORIAN PRESIO HANDIAGOA DAGOELAKO. P1 > W P2.-BERAZ, PISTOIAN LAN MEKANIKOA EGIN DA (W). INDARRAK PISTOIA DESPLAZATZEN DUELAKO..- LAN BAT EGIN AHAL IZATEKO ENERGIA BEHARREZKOA DENEZ, NONDIK ATERA DU GASAK?.- BARRUKO ENERGIATIK U ETA KOSTEA DA BOLUMENA ALDATZEN DELA.(ΔV) 7

8 1.- OINARRIZKO KONTZEPTUAK 1.3.-SISTEMA BATEN BARRUKO ENERGIA U.ENERGIA KONTSERBAZIOA Q B).- BESTE BI SISTEMA AZTERTUKO DITUGU..- GORPUTZ BERO BAT ELKARTZEN DUGUNEAN GORPUTZ HOTZ BATERA..- BEROA PASAKO DA BERO DAGOEN GORPUTZETIK HOTZ DAGOEN GORPUTZERA..- HORI GERTATZEKO NONDIK ATERAKO DA BEHARREZKOA DEN ENERGIA? BERRIRO, BARRUKO ENERGIATIK U.- KOSTEA DA TENPERATURA ALDATZEN DELA.(ΔT) BI KASUETAN ENERGIA TRANSFERENTZIA BAT EMATEN DA BARRUKO ENERGIATIK SORTZEN DENA. TERMODINAMIKAREN LEHENENGO PRINTZIPIOAK (ENERGIA- KONTSERBAZIOA) HORRELA DIO: ENERGIA EZ DA SORTZEN EZTA DESAGERTZEN ERE BAKARRIK ERALDATZEN DA. 8

9 1.- OINARRIZKO KONTZEPTUAK 1.3.-SISTEMA BATEN BARRUKO ENERGIA U. ENERGIA KONTSEBAZIOA BALDIN BADUGU GAS BAT ENBOLO MUGIKOR BAT DUEN ONTZI BATEAN SARTUTA ETA BEROTZEN BADUGU AURREKO BI ADIBIDEAK BATERA GERTATUKO DIRA, HAU DA, EXPANTSIO LANA ETA BERO TRANSFERENTZIA. HAU GERTATZEKO BARRUKO ENERGIATIK SORTUKO DA BEHARREZKOA DEN ENERGIA. ΔU = Q+W ORAIN ARTE ESPANTSIO LANA ETA BERO TRANSFERENTZIA AZTERTU DITUGU BAINA NOLA BEREIZTU KONPRESIO BATETIK EDO BEROTU BEHARREAN HOZTEN BADUGU SISTEMA? HORRETARAKO IKURRAK ERABILIKO DITUGU. 9

10 1.- OINARRIZKO KONTZEPTUAK Sistemak beroa zurgatzen badu Q (+) eta U hazi IKURREN IRISPIDEA Sistema baten barne energiaren aldaketa, U, sistemaren eta ingurunearen artean trukaturiko beroa, Q, eta sitemak egindako edo sistemaren gainean egindako lanaren, W, batura da ΔU = Q+W Sistemak beroa askatzen badu Q (-) eta U txikitu. (sistemak askatzen du beroa bere U erabiliz) Sistema konprimitzen bada ( sistemari egiten zaio lana) U hazi egingo eta W (+) izan behar. INGURUNEA Sistema zabaltzen bada (sistemak egiten du lana bere U erabiliz) U txikitu eta W(-). ONDORIOZ: U positiboa ala negatiboa izan daiteke 10

11 2.-LEHENENGO PRINTZIPIOA ERREAKZIO KIMIKOETAN APLIKATUTA "Energia ez da sortzen ez da desagertzen, eraldatu egiten da soilik". Barne energia(u) : sistemaren barne energiari dagokion energia, haren partikulen energia zinetikoa eta potentziala. U = Q + W U= barne energiaren aldaketa,egoera funtzioa da U=U-U 0.(J) Q= sistemaren eta ingurunearen artean trukaturiko beroa.(j) W= sistemak egindako edo jasaten duen lana.(j) 11

12 2.-LEHENENGO PRINTZIPIOA ERREAKZIO KIMIKOETAN APLIKATUTA W kalkuloa : PRESIO-BOLUMEN LANA Errakzio kimiko askotan substantzia bat edo gehiago gaseosoa da, kasu honetan energia aldaketa lan moduan izan daiteke, preisobolumen lana deritzona Suposa dezagun barruan gasa duen ontzia (sistema itxia) eta honek marruskadurarik gabeko enboloa duela. Energia kantitate zehatza (Q) ematen badiogu eta sistemak espantsio lana egiten badu(w) PRESIO ATMOSFERIKOA S V x Hedapen-lana hartzen badugu P = F/S W= -F r (1) V= S r r = V/S F= P S Ordezkatuz (1) ekuazioan: W = - P S V/S = -P V W = -P V 12

13 Espantsio lana w = -P. V W 0 V 0 (V V 0 ) Konpresio lana w = -P. V W 0 V 0 (V V 0 ) Beraz : U = Q + W U = Q - P V eta : Q = U + P V Unitateak (SI) V (m 3 ) P (Pascal.- P) 1atm= Pa 1at=760mm Hg W,Q (Joul.- J) A)-BOLUMENA ALDATZEN EZ DENEKO ERREAKZIO KIMIKOAK (Qv) PROZESU ISOKORIKOAK Ontzi zurrun eta itxietan burutzen dira, beraz, prozesuan ez da gertatzen bolumen aldaketarik.horregatik trukatzen den beroari, erreakzio-beroa bolumen konstantean, Qv, deitzen diogu. Q = U + P V V=kte V=0 w = -P. V =0 beraz Qv = U 13

14 B)PRESIOA ALDATZEN EZ DENEKO ERREAKZIO KIMIKOAK (Qp) PROZESU ISOBARIKOAK Inguruneari irekita dauden ontzietan burutzen dira horregatik sistemaren gainean presio atmosferikoa konstante mantentzen da. P=kte Erreakzioan bolumen aldaketa badago lana egiten da : zabalkuntza edo konprimatze lana. Zabalkuntza : sistemak bere energia erabiltzen du lana egiteko. Konprimaketan : sistemari lana egiten zaio eta ondorioz bere energia hazi egiten da. Atera dezagun erreakzio hauetako bero-aldaketa :Q = U + P V Qp = U + P V= ΔH Barne-energiaren aldaketak ez du adierazten sistemak askatzen edo zurgatzen duen bero kantitatea. Hau adierazteko beste magnitudea erabiltzen da : ENTALPIAREN ALDAKETA (ΔH). Qp = H H 0 = ΔH (EGOERA FUNTZIOA ETA ESTENSIBOA) 14

15 Presio konstantean gertatzen direneko erreakzio kimikoetan askatu edo zurgatzen den bero-kantitatea H-ren berdina da.. Qp = H H 0 = ΔH (egoera funtzioa) H (+) : Endotermikoa H Produktuak>H erreaktiboak H (-) : Exotermikoa H Produktuak H erreaktiboak 15

16 2.-LEHENENGO PRINTZIPIOA ERREAKZIO KIMIKOETAN APLIKATUTA Erreakzio exotermikoak: produktuen energia erreaktiboena baino txikiagoa da, hau da, energia askatu egiten da. Erreakzio endotermikoak: produktuen energia erreaktiboena baino handiagoa da,hau da, energia zurgatu egiten da. Erreakzio kimikoetan askatzen edo zurgatzen den beroa erreakzio-beroa deitzen da. 16

17 17

18 LEHENENGO PRINTZIPIOA ERREAKZIO KIMIKOETAN APLIKATUTA Ekuazio termokimikoa :erreaktibo eta produktuaz aparte haien egoera fisikoak eta trukatutako beroa ere adierazten da. Adibidez: C(s) + O 2 (g) > CO 2 (g) + 387,5 kj Erreakzio honetan beroa askatu egiten da (exotermikoa).δh= -387,5kJ N 2 (g) + O 2 (g) + 158,6 kj > 2 NO(g) Erreakzio honetan beroa zurgatu egiten da (endotermikoa) ΔH=+158,6kJ 18

19 ERREAKZIOAK PRESIO KONSTANTEAN-DIAGRAMAK ΔH=Q p ΔH= HPRODUKTUAK H ERREAKTIBOAK ERREAKZIO ENDOTERMIKOA ΔH > 0 H Produktuak>H erreaktiboak ERREAKZIO EXOTERMIKOA ΔH < 0 H Produktuak H erreaktiboak 19

20 Qp eta Qv-ren ARTEKO ERLAZIOA U =Q+W = Q-P V (espantsio lana) Q= U + P V (Q askatzen badugu formulatik). P=kta-n Q=Qp beraz Qp = U + P V demostratu genuen bezala: U= Qv (prozesu isokorikoak) eta H=Qp (isobarikoak) ondorioz Qp = U + P V = Qv + P V Qp= Qv + P V + Gas ideala bada P.V=n R T, beraz Qp= Qv + n R T edo H= U + P V R= 8,314J/ºK mol; V=m3; P= Pascal; Q=J

21 ERREAKZIO BATEN ENTALPIA ESTANDARRA( ΔHº) ERREAKZIO KIMIKOAK GERTATZEN DIRA P=kta BERAZ Qp = Hproduktuak H ereaktiboak = ΔH (kj) ENTALPIA ALDAKETA EXPERIMENTALKI NEUR DAITEKE BAINA PRESIO ETA TENPERATURAREN MENPE DAUDENEZ P ETA T-ren BALIOAK FINKATZEN DIRA P= 1 atm (presio atmosferikoa) eta T= 25ºC= 298K BALDINTZA ESTANDARRAK dira BALDINTZA ESTANDARRAK (P= 1 atm.- T= 25ºC ).- baldintza hauetan entalpia aldaketa horrela ΔHº ADIERAZTEN DA. 21

22 ERREAKZIO BATEN ENTALPIA ESTANDARRA ΔHº PROPIETATE ESTENSIBOA DENEZ ERREAKZIOAREN KOEFIZIENTE ESTEKIOMETRIKOEN MENPE ETA ERREAKZIOAREN NORANTZAREN MENPE EGONGO DA. 2H2(g) +O2 (g) 2H2O (l) ΔHº=-571,6 Kj 2mol ur osatzeko askatu den beroa H2(g) + ½ O2 (g) 1H2O (l) ΔHº=-571,6/2 Kj=-285,8Kj 1mol ur osatzeko askatzen den beroa 2H2O (l) 2H2(g) +O2 (g) ΔHº=-(-571,6 Kj)=+571,6 Kj Erreakzioaren NORANTZA ALDERANTZIZKOA denez hori ere beroan islatzen da. 22

23 FORMAZIO ENTALPIA ESTANDARRA Substantzia baten formazio(eraketa)-entalpia estandarra, ΔH f : 1 mol eratzean, elementu osatzaileetatik abiatuta, bai erreaktiboak, bai produktuak beren egoera estandarrean. H 2 (g) + 1/2 O 2 (g) H 2 O(l) ΔH f =-285,8 kj/mol 1/2 Elementuen formazio-entalpia estandarra zero da : Adibidea : O 2 (g) > O 2 (g) Hº = 0 1 Beraz : Hfº = 0 23

24 Hurrengo erreakzioen beroek eraketa-entalpiak adierazten dute? 2H2(g) +O2 (g) 2H2O (l) ΔHº=-571,6 Kj CO (g)+ 2H2(g) CH3OH (l) ΔHº=-128 Kj 2C(s) +2H2(g) C2H4 ΔHº=-128 Kj 24

25 25

26 EDOZEIN ERREAKZIO-ENTALPIA ESTANDARRAREN KALKULUA FORMAZIO- ENTALPIA ESTANDARRETATIK ABIATUTA ΔHº erreakzioa = n ΔH f º (produktuak) - m ΔH f º (erreaktiboak) H 0 : erreakzio-entalpia baldintza estandarretan ( 1 atm eta 25ºC). H f0 : formazio-entalpiak estandarrak. n : produktuen mol-kopurua. m : erreaktibo mol-kopurua. 26

27 Adibidea : Kalkulatu ondorengo prozesuaren erreakzio-beroa edo entalpia baldintza estandarretan: CH 4 (g) + 4 CuO(s) > CO 2 (g) + 2 H 2 O(l) + 4 Cu(s) Datuak : H f0 (CH 4 )=-74,9 kj/mol H f0 (CuO)=-155 KJ/mol H f0 (CO 2 )=-393,13 kj/mol H f0 (H 2 O)=285,8 kj/mol H f0 (Cu) = 0 Hr 0 = [ -393,3+ (285,8. 2 ) ] - [ -74,9 + ( )] = -267,1 kj H 0 = - 267,1 kj Erreakzioa, beraz, exotermikoa izango da.(beroa askatzen da) 27

28 ERREKUNTZA ERREAKZIOAK 28

29 ERREKUNTZA-BERO ESTANDARRA ( Hc 0 ) Errekuntza-bero estandarra : 1 atm eta 25ºC-tan, sustantziaren mol bat erretzean( oxigeno bitartez) askatzen den beroa edo gertatzen den entalpia aldaketa. Adibidea : 1CH 4 (g) + 2 O 2 (g) > CO 2 (g) + 2H 2 O(l) Beraz, aurrekoa metanoaren errekuntza denez : Hº = -889,7 kj H c 0 = -889,7 kj/mol Errekuntza beroa kalkulatzeo ezgutzen baditugu erreaktibo eta produktuen eraketa-entalpiak. ΔHº c = n ΔH f º (produktuak) - m ΔH f º (erreaktiboak) 29

30 ERREKUNTZA ENTALPIA ESTANDARRA Substantzia baten 1 mol erretzen denean baldintzak estandarrean, gertatzen den entalpia aldaketa, errekuntzaentalpia estandarra deitzen da. 30

31 Erreakzio baten entalpia aldaketaren kalkuloa formazio entalpiak datuak ez direnean HESS-en LEGEA(datuak EZ DIRENEAN eraketa-entalpiak). Erreakzio kimikoa, beste batzuen batura algebraiko bezala, adieraz daitekeenean; haren erreakzio beroa edo entalpia erreakzio partzialen erreakzio-beroen edo entalpien batura algebraikoa izango da. OHARRA: entalpiak mol kopuruaren menpekoak dira (estekiometria) eta definituta daude erreakzio bakoitzarentzat bere norantza kontuan hartuta, beraz aldaketaren bat egiten badugu erreakzio batean aldaketa berbera ΔH-n egin behar dugu. 31

32 HESS-EN LEGEA Adibidea: (d) 2C (grafito) + H 2 (g) C 2 H 2 (g) H 0 r=? (a) C (grafito) + O 2 (g) CO 2 (g) H 0 a = -393,5 kj (b) H 2 (g) + ½ O 2 (g) H 2 O(l) H 0 b = -285,8 kj (c) 2 C 2 H 2 (g) + 5 O 2 (g) 4 CO H 2 O(l) H 0 c = -2598,8 kj 2(a) : 2C (grafito) + 2 O 2 (g) 2 CO 2 (g) (b) : H 2 (g) + ½ O 2 (g) H 2 O(l) -1/2(c) : 2 CO 2 + H 2 O (l) C 2 H 2 (g) + 5/2 O 2 (g) (d) 2C (grafito) + H 2 (g) C 2 H 2 (g) H 0 r=? (d) = 2 (a) + (b) ½ (c) H 0 r= 2 H 0 a+ H 0 b ½ H 0 c =226,6KJ 32

33 LOTURA ENERGIA/ENTALPIA Lotura-entalpia edo energia presio konstate izanik, lotura mol bat apurtzeko behar den bero kantitatea, gas egoeran. Lotura-entalpia positiboa da beti. Lotura entalpiak ezagutuz atera daiteke erreakzio-entalpia : 33

34 34

35 ENERGIA KONTSERBAZIOA ERREAKZIO KIMIKOETAN APLIKATUTA BEROAREN KALKULOA(Q) Q BEROA EDO ENERGIA TERMIKOA DA tenperatura diferentziren kausaz bi gorputzen artean transferitutako energia da. Unitatea (J) Ce: bero espezifikoa= sustantziaren Kg baten temperatura 1K igotzeko behar den bero kantitatea Q=m.Ce.ΔT= m.ce.(t-t 0 ) Q :J M: masa (Kg) ΔT: K Ce: bero espezifikoa (J/Kg.K) Adibidez: uraren Ce = 4180 J/Kg.K= 4,18 KJ/Kg.K. 35

36 Adibidea Bizkotxo bat, 600 g-koa bera, 180 C-an dagoen labetik atera dugu eta hozten uzten dugu, giro-tenperaturan (20 C). Zenbat bero trukatu du ingurunearekin, bizkotxoaren bero espezifikoa 2,5 kj kg -1.K -1? Datuak: m= 600 g = 0,6 kg T 0 = 180 C T = 20 C Ce =2,5 kj kg -1.K -1 Bizkotxoaren tenperatura 180 C-tik 20 C-ra aldatu da. Tenperatura-aldaketari lotuta dagoen beroaren adierazpena erabiliko dugu: Q= m Ce ΔT T= (20+273) ( ) = -160 K Q= m Ce ΔT= 0,6 kg 2500 J Kg -1 K -1 (-160) K = J Bero kantitatea negatiboa da, bizkotxoa beroa galdu duelako. 36

37 Q neurtzeko KALORIMETROA ERABILTZEN DA: erreakzioa Erreakzioan askatzen den beroak uraren tenperatura igotzen du, eta aldaketa hori termometroan islatzen da. Kontuan hartu behar da kalorimetroa ez dela guztiz sistema itxi bat ; bere ezaugarriengatik (materiala, forma..)bero kantitate bat galdu egiten du. Horregatik definitzen da kalorimetroaren ur-baliokidea:ur masa bat da. Ad. 0,5kg ba da,esan nahi du galdu den beroa 0,5kg ur berotzeko adinakoa izan dela. 37

38 Adibidez: Ponpa kalorimetriko batean 1,44g naftaleno(c 10 H 8 ) bolumen konstantean,erretzen dira, eta kalorimetroak dituen 2000g uraren tenperatura 20,2ºC-tik 25,8ºC-ra igotzen da. Naftalenoaren errekuntza beroa bolumen konstantean kalkulatu (kalorimetroaren ur-baliokidea,430g). ΔT=25,8-20,2=5,6ºk m ura = =2430g=2,43kg Ce ura =4,18 KJ/Kg.ºK. M (C 10H8) =128g/mol Q=m.Ce.ΔT= 2,43 x 4,18 x 5,6 =56,88kj erretzean 1,44g naftaleno Beraz mol bat erretzeko: Q= 56,88kj/1,44 g x 128g/mol=5056kj/mol 38