אנרגיה בקצב הכימיה פרק א'

1. אנרגיה בקצב הכימיהפרק א' עריכת המצגת: ד"ר תרצה גרוס ד"ר מרים כרמי

2. מושגים מרכזיים בפרק א • אנרגיה פנימית • אנרגיה קינטית • אנרגיה פוטנציאלית • טמפרטורה • מערכת – פתוחה, סגורה, מבודדת • סביבה • חוק שימור האנרגיה • מעברי אנרגיה כגון חימום • אנתלפיה, שינוי אנתלפיה • תגובה אנדותרמית • תגובה אכסותרמית • רמות ההבנה בכימיה – מיקרוסקופית, מאקרוסקופית, סמל, תהליך • אנרגיית שפעול

3. מהי אנרגיה? • אנרגיה היא היכולת לבצע עבודה • זהו גודל המאפיין תכונה חשובה של המערכת, אך אינו ניתן למדידה ישירה.

4. האנרגיה הפנימית של גופים גדולים • האנרגיה הפנימית של חומר מורכבת משני סוגים: I. אנרגיה קינטית - אנרגיית התנועה של הגוף כולו. תלויה במסת הגוף ובמהירותו II. אנרגיה פוטנציאלית– תלויה במיקומו של הגוף ובכוחות הפועלים עליו. גודל זה נמדד יחסית למצב בו אין כוחות שפועלים על הגוף, כלומר, אנרגיה פוטנציאלית אפס • כל האנרגיה בחומר – האנרגיה הפוטנציאלית והאנרגיה הקינטית – נקראת האנרגיה הפנימית של החומר

5. אנרגיה פוטנציאליתשל גופים קפיץ - אנרגיה פוטנציאלית אלסטית אנרגיה פוטנציאלית כובדית אנרגיית גובה – מושפעת מכוח הכובד הפועל על הגוף. קפיץ מתוח קפיץ רפוי השקעת אנרגיה פליטת אנרגיה

6. אנרגיה קינטית של מדגם חלקיקים • האנרגיה הקינטית של המדגם נובעת מתנועתם של החלקיקים. • האנרגיה הקינטית של מולקולה נקבעת על ידי מסת המולקולה ומהירותה. • לחלקיקים במדגם יש מהירויות שונות, ולכן נתייחס לאנרגיה הקינטית הממוצעת של המדגם. • האנרגיה הקינטית הממוצעת באה לידי ביטוי בטמפרטורה של מדגם החלקיקים.

7. אנרגיה קינטיתשל חלקיקים דוגמאות לאופני תנועה שונים של המולקולות* 7

8. אנרגיה פוטנציאלית של מדגם חלקיקים האנרגיה הפוטנציאלית היא גודל יחסי, התלוי בסוג החומר ומושפע מהיערכות החלקיקים וסוג הקשרים ביניהם. האנרגיה הפוטנציאלית של המדגם נובעת מכוחות המשיכה והדחייה בין החלקיקים המרכיבים אותו -כוחות משיכה ודחייה בין אטומים, בין אלקטרונים ובין אלקטרונים לגרעין האטום ככל שבמדגם יש מספר רב יותר של חלקיקים, מספר האינטראקציות ביניהם גדל. 8

9. דיאגרמת שינוי האנרגיה הפוטנציאלית כתלות במרחק בין שני אטומים. בנקודת המינימום בגרף האטומים קשורים ביניהם בקשר קוולנטי 9

10. סך כלהאנרגיה בחומר - האנרגיה הפוטנציאלית והאנרגיה הקינטית - • נקראתהאנרגיה הפנימית של החומר • האנרגיה של מערכת היא גודל המאפיין מצב נתון ואין זה משנה כיצד הגיעה המערכת למצב זה. • לדוגמה, כמות נתונה של מים בטמפרטורה מסוימת מאופיינת על ידי אנרגיה מסוימת ואין זה משנה באיזו דרך הגיעו המים לאותה טמפרטורה. 10

11. מערכת וסביבה • מערכת – מוקד ההתעניינות שלנו. כוללת את המגיבים לפני התרחשות התגובה, ואת התוצרים לאחר התרחשותה. • סביבה – כל מה שאינו מערכת. • מערכת מבודדת – אין חילופי אנרגיה או חומר עם הסביבה. • במערכת פתוחה קיימים חילופי אנרגיה וחומר עם הסביבה. • במערכת סגורה קיימים חילופי אנרגיה עם הסביבה.

12. חוק שימור האנרגיה • האנרגיה הכוללת של היקום היא גודל קבוע. • מערכת הנמצאת בסביבה מוגדרת מהווה "מיני יקום". • החוק הראשון של התרמודינמיקה: שינוי האנרגיה במערכת סגורה כלשהי מתבטא רק במעברי אנרגיה או במיקומה, ואילו כמות האנרגיה קבועה תמיד.

13. שינוי באנרגיה הפנימית של המערכת • האנרגיה הפנימית של המערכת עשויה לעלות או לרדת כתוצאה ממעברי אנרגיה בין המערכת לסביבה. • דוגמאות: • מעבר אנרגיה הגורם לחימום המערכת • מעבר אנרגיה הגורם לקירור המערכת • מעבר אנרגיה הגורם לחימום וביצוע עבודה • מעבר אנרגיה הגורם לפליטת קרינה

14. אנרגיה, טמפרטורה ומה שביניהן • הטמפרטורה הנמדדת של חומר היא מדד לאנרגייה הקינטית הממוצעת של החלקיקים בחומר • טמפרטורה היא גדל שאינו תלוי בכמות החומר (תכונה אינטנסיבית) • כאשר שני גופים שהטמפרטורות שלהם אינן זהות באים במגע זה עם זה, הטמפרטורות שלהן ישתנו עד לשוויון (שווי משקל תרמי) • פעולת החימום היא דרך להעברת אנרגיה מגוף בעל טמפרטורה גבוהה יותר לגוף בעל טמפרטורה נמוכה יותר

15. אנרגיה וטמפרטורה - השוואה 15

16. 16

17. יחידות המידה של אנרגיה • לא ניתן למדוד אנרגיה באופן ישיר אלא את השינוי הנגרם ממעבר אנרגיה כמו חימום או עבודה. • היחידה המקובלת היא היחידה הנגזרת מעבודה, ג'אול, וסימנה J או קילוג'אול kJ • 1000J = 1kJ • כאשר אדם מרים משקולת של 100 ק"ג לגובה של 1 מ' הוא משקיע בכך אנרגיה של 1 קילוג'אול

18. יחידת אנרגיה הנגזרת מחימום • היחידה המשמשת היום בעיקר למדידת ערך קלורי של מזון נקראת קלוריה. • קלוריה cal היא כמות האנרגיה הדרושה לחימום 1 גרם מים במעלה אחת. • 1000 cal = 1kcal • בשפת היום יום כאשר מדברים על קלוריה, מתכוונים לקילוקלוריה המכונה גם calorie ומסומנת ב- C • 1cal = 4.184J או1kcal = 4.184kJ

19. מעברי אנרגיה בתגובותכימיות • כאשר מתרחשת תגובה כימית, חל שינוי בהרכב החומרים, ולכן חל שינוי גם באנרגיה הפנימית של המערכת. • אפשרות א' – ירידהבאנרגיה הפנימית של המערכת. לתוצרים תהיה אנרגיה נמוכה מזו של המגיבים. תגובהאכסותרמית • אפשרות ב' – עליהבאנרגיה הפנימית של המערכת. לתוצרים תהיה אנרגיה גבוהה מזו של המגיבים. תגובה אנדותרמית.

20. שינוי באנרגיהפנימית 20

21. אנרגיהוסביבה • השינוי בכמות האנרגיה במהלך תגובה כימית, שווה לכמות האנרגיה הנקלטת ע"י הסביבה או הנפלטת מהסביבה. דוגמה: אנרגיה הנפלטת בתגובה כימית משתחררת לסביבה 21

22. מערכת וסביבה - הגדרה נוספת • מערכת – עוברת שינוי כימי • סביבה – עוברת שינוי תרמי • כאשר האנרגיה של המערכת יורדת, האנרגיה עוברת לסביבה וטמפרטורת הסביבה עולה. לדוגמה, שריפת דלק. • כאשר האנרגיה של המערכת עולה, אנרגיה נקלטת מהסביבה וטמפרטורת הסביבה יורדת. לדוגמה, תהליך ההזעה.

23. שינויי אנתלפיה בתגובות כימיות • כמות החום Qp המועבר בתהליך המתרחש בלחץ קבוע, שווה לשינוי באנתלפיה ΔH של המערכת: • Qp = H2 – H1 = ΔH = ΔU + PΔV • ההבדל בין שינוי האנתלפיה ΔH לבין השינוי באנרגיה הפנימית ΔU הוא הביטוי PΔV הקשור לעבודת ההתפשטות של גזים • עבור נוזלים ומוצקים, השינויים בנפח מזעריים ולכן הגודל PΔV קרוב ל-0 והשינוי באנתלפיה שווה לשינוי באנרגיה הפנימית של המערכת. • מאחר שרוב התגובות הכימיות מתרחשות בלחץ קבוע (כלים פתוחים לאטמוספירה), נתייחס לשינויים באנתלפיית התגובה ולא לשינוי באנרגיה הפנימית, למרות שההבדלים ביניהם קטנים ויחידות המדידה זהות.

24. תרגיל – חישוב ΔH, ΔU בהתכת מול קרח • בהתכת מול קרח ב- 0°c בלחץ קבוע של 1 אטמ' נספגים במערכת 6020J. • הנפחים המולריים: קרח 0.0196 ליטר, מים 0.018 ליטר • ΔH = ΔU + PΔV6020J = • ΔV = 0.018 – 0.0196 -0.0016L • PΔV = 1atm · (-0.0016L) = -0.0016L·atm • 1atm·L = 101.24J ולכן -0.0016L·atm = -0.162J • ΔU = ΔH – PΔV = 6020 – 0.162 ~ 6020J • כלומר, במערכת ללא גזים ΔU ~ ΔH

25. אנתלפיה - סיכום • במהלך תגובה כימית יש שינוי באנרגיה הפנימית. • אם התגובה מתבצעת בנפח קבוע, השינוי באנרגיה הפנימית בא לידי ביטוי רק ע"י אנרגיית חום הנפלטת או הנקלטת.

26. תגובות אקסותרמיות ואנדותרמיות בתגובה אקסותרמית H2 – H1 < 0 בתגובה אנדותרמית H2 – H1 > 0 26

27. ניסוי – המסה של נתרן הידרוקסידי NaOH • NaOH(s)H2O Na+(aq) + OH-(aq) • מהו השינוי שחל בסביבה? • - עליה בטמפרטורה - קליטת אנרגיה מהמערכת • מהו השינוי שחל במערכת? • - ירידה באנרגיה • H2 – H1 < 0 • תגובה אכסותרמית NaOH(s) אנתלפיה Na+(aq)+ OH-(aq)

28. ניסוי – המסה של נתרן חנקתי NaNO3 • NaNO3(s)H2O Na+(aq) + NO3(aq) • מהו השינוי שחל בסביבה? • - ירידה בטמפרטורה – מעבר אנרגיה אל המערכת • מהו השינוי שחל במערכת? • - עליה באנרגיה • H2 – H1 > 0 • תגובה אנדותרמית Na+(aq) + NO3-(aq) אנתלפיה NaNO3(S)

29. כימיה וחדר כושר • במהלך העיסוק בספורט, מולקולות שומן בגוף מתפרקות לתרכובות הנקראות חומצות שומן. לדוגמה, חומצה לאורית CH3(CH2)10COOH • חומצות שומן אלו הופכות בסדרה של תגובות ל- CO2 ול-H2O. • כאשר משווים תגובות שריפה של תרכובות שונות המכילות מספר פחמנים שווה, כגון חומצה לאורית ודו סוכר, מתקבל הגרף הבא:

30. - מאגר האנרגיה בגוף כולל מולקולות שומן ומהווה כ-17% ממשקל הגוף. כיצד היה משתנה משקל הגוף לו מאגר האנרגיה בגוף היה מכיל מולקולות סוכר בלבד?- הערך הקלורי של 1 גרם סוכר הוא 4 קק"ל. הסתמך על הגרף ובדוק נתון זה. CH3(CH2)10COOH + 17O2 אנתלפיה C12H22O11+ H2O + 12O2 ΔH = --7377kJ ΔH = --5640kJ 12CO2 + 12H2O גרף אנרגיה - שריפה של חומצת שומן לאורית לעומת דו סוכר