אנרגיה בתגובות כימיות

1. אנרגיה בתגובות כימיות האנרגיה הנפלטת או נקלטת בזמן התרחשות תגובה כימית. הפרק יעסוק באנרגיה הנפלטת או נקלטת כחום בלבד. אילנה זהר, מה”ד ירושלים

2. הגדרות: מערכת כימית = מגיבים + תוצרים כלי מבודד - כלי בו אין מעבר אנרגיה בין הסביבה לפנים. כלי מבודד

3. סביבה מימית בכלי מבודד מערכת - מגיבים הפכו לתוצרים אנרגיה תאור של תגובה בסביבה מימית בכלי מבודד כאשר נפלטת אנרגיה מהתגובה הסביבה המימית מתחממת. כאשר נקלטת אנרגיה ע”י החומרים במהלך התגובה הסביבה המימית מתקררת. הטמפ’ של כלי מבודד לא מושפעת משינויי אנרגיה במערכת.

4. מגיבים תוצרים H1 H2 שינוי האנתלפיה בתגובות כימיות אנתלפיה - H , ס”כ האנרגיה העצורה בחומר ויכולה להיפלט כחום. DH = H2 - H1

5. אנרגיה תוצרים H2 DH חיובי מגיבים H1 תגובה אנדותרמית תכולת האנרגיה של התוצרים גבוהה משל המגיבים H2 > H1 המערכת קולטת אנרגיה מהסביבה במהלך התגובה

6. דוגמא H2(g)+ I2(s) ------> 2HI(g) DH = 26.5 k.j אנרגיה 2HI(g) ל- DH סימן חיובי. בגרף האנרגיה התוצרים גבוהים מהמגיבים. 26.5 k.j H2(g)+ I2(s)

7. תגובה אכסותרמית תכולת האנרגיה של המגיבים גבוהה משל התוצרים H1 > H2 אנרגיה מגיבים H1 המערכת פולטת אנרגיה לסביבה במהלך התגובה DH שלילי תוצרים H2

8. דוגמא תגובת שריפה של תרכובת אורגנית תמיד אכסותרמית: CH4(g)+ 2O2(g) ----> CO2(g)+ 2H2O(g)DH = -890.4 k.j ל- DH סימן שלילי. בגרף האנרגיה התוצרים מתחת למגיבים אנרגיה CH4(g)+ 2O2(g) 890.4 k.j CO2(g)+ 2H2O(g)

9. DH מוגדר לניסוח תגובה כמות האנרגיה הנפלטת או נקלטת בתגובה כימית נמצאת ביחס ישר לכמות החומרים. (יותר חומר --> יותר אנרגיה). לכן, תמיד יינתן שינוי האנרגיה בתהליך בהתייחס לכמות החומר שהגיבה. נהוג להתייחס אל מקדמי האיזון של תגובה כימית כאל מולים. כאשר יופיע שינוי האנרגיה- DH ליד ניסוח מסויים, מקדמי האיזון של התגובה יציינו את כמות החומרים שהגיבו במולים. אם משנים את איזון התגובה יש לשנות גם אתDH בהתאם.

10. דוגמא כאשר מול מימן מגיב עם חצי מול חמצן משתחרר חום בשיעור 258.9 ק’ג’אול. מבטאים זאת בעזרת ניסוח התגובה: H2(g)+ 0.5O2(g) -----> H2O(l)DH = -285.9 k.j כאשר מאזנים את התגובה עם מקדמי איזון מוכפלים פי- 2 גם כמות האנרגיה המשתחררת תוכפל פי- 2 והניסוח יהיה: 2H2(g)+ O2(g) -----> 2H2O(l)DH = - 571.8 k.j

11. Q Q תוצרים מגיבים DH מגיבים תוצרים מערכת סביבה סביבה מערכת מעבר חום -מהמערכת לסביבה תגובה אנדותרמית הסביבה מאבדת חום תגובה אכסותרמית הסביבה מקבלת חום DH

12. 1 מדידה וחישוב H לתגובה בניסוי

13. מבצעים את התגובה בכמויות ידועות (לרוב קטנות), בסביבה מימית, מוגדרת , מבודדת (הכלי מבודד). מודדים אתDt בסביבה של התגובה המתרחשת (במעלות צלזיוס) ומחשבים:

14. מהלך החישוב שלDH בניסוי q = mct m - מסת הסביבה שהתחממה בגרמים. (עבור מים- 1מ”ל שוקל 1 גרם) c- קיבול חום סגולי של הסביבה שהתחממה. בתמיסות מימיות c = 4.2 j/gr/oc (כמו למים כי מזניחים את המומסים). q - החום ביחידות ג’אול. למול Q = q/n (עבור אחד החומרים בתהליך) n - מספר המולים של החומרים בתגובה. H = -Q  למול

15. דוגמא • ערבבו בכלי מבודד 100 מ”ל HCl 1M עם 100 מ”לNaOH 1M.מדדו בניסויDt=2ocחשב אתDH לתגובה. • ניסוח התגובה: H3O+(aq) + OH-(aq) --> 2H2O(l • חישוב: • 1680 ג’אול = q = 200x4.2x2 • כמות המגיבים במולים: 0.1 מול • DH = -1680/0. 1 = -16800j = -16.8 k.j

16. 2 H C DH2 B DH DH1 A חוק הס - חוק שמור האנרגיה שינוי האנתלפיה המלווה שינוי כימי, אינו תלוי בדרך בה מבוצע השינוי. דוגמא - נתונות שלוש תגובות: 1. A ----> B DH1 2. B ----->C DH2 3. A----->C DH =? תגובה 3 היא סכום התגובות 1 ו- 2 לכן גם: DH = DH1+ DH2

17. דוגמא • העזר בהצגה גרפית לחישובDH עבור התגובה:SO2(g) +0.5O2(g) --> SO3(g)DH= Xבעזרת הנתונים:S8(s) + 8O2(g)-->8SO2(g)DH= -2373 k.j S8(s) + 12O2(g)-->8SO3(g)DH= -3163 k.j H S8(s) + 12O2(g) 2373 DH = DH1/8 8SO2(g)+ 4O2(g) DH= - (3163-2373)/8 DH = - 98.75k.j 3163 1DH 8SO3(g)

18. חישוב DH בעזרת אנרגיות קשר 3

19. אנרגיה מרחק אנרגיית הקשר - האנרגיה שיש להשקיע כדי לשבור מול קשרים. (נמדדת ביחידות ק’ ג’אול למול) כל קשר כימי יציב שנוצר משחרר אנרגיה בהיווצרותו. גרף המתאר את שינוי האנרגיה בהיווצרות קשר. במרכז הצירים מוצב אטום אחד. האטום השני מתקרב אליו למרחק בו כוחות המשיכה גוברים על כוחות הדחייה בהפרש הגדול ביותר.

20. אנרגיה תוצרים DH גרף כללי- DH ואנרגיות קשר אטומים בודדים במצב גזי תמיד הגבוהים ביותר בגרף קשרים נוצרים קשרים נשברים DH לתגובה הוא ההפרש בין קשרים נשברים לקשרים נוצרים. מגיבים DH = S אנ’ קשרים נשברים - S אנ’ קשרים נוצרים

21. דוגמא לחישובDHלתגובה: DH = 436 +242 - 2x431 = -184k.j

22. חישוב גרפי H 2H(g) + 2Cl(g) 436 +242 2x431 H2(g) + Cl2(g) DH DH = 242+436-2x431 2HCl(g) DH= 678-862=-184k.j

23. DHoa אנתלפיית אטומיזציה אנתלפיית האטומיזיה - שינוי האנתלפיה בתהליך האטומיזציה: כמות האנרגיה הדרושה להעביר מול אחד של אטומי יסוד, ממצבו התקני למצב של גז אטומרי ב-250 צלזיוס. היסוד יכול להיות; אטומרי - קוולנטי, מתכתי, או מולקולרי באחד ממצבי הצבירה השונים. דוגמאות - C(s) ---> C(g) Na(s) ---> Na(g) 0.5I2(s) ---> I(g) 0.5Br2(l) ---> Br(g) 0.5H2(g) ---> H(g) ראה בספר הנתונים בטבלה: נתונים תרמודינמים עבור יסודות.

24. C(g) + 2O(g) 715+ 497 -2x803 C(s)+ O2(g) CO2(g) דוגמא • חשב אתDH לתהליך • C(s) + O2(g) ---> CO2(g) • השתמש בנתונים של אנתלפיות קשר ואנתלפיות אטומיזציה מספר הנתונים. פתרון DH = 715+497-2x806 = -394k.j

25. מצבי צבירה, אטומיזציה ו- DH סיכום אטומים בודדים H אטומיזציה 0 מגיבים(g) מגיבים (l) היתוך+אידוי (s)מגיבים תוצרים (g) DH תוצרים (l) תוצרים (s)

26. 4 חישובDH בעזרת נתוניDH0f - אנתלפיית התהוות תיקנית תת נושא זה לא נדרש לבחינת הבגרות בהיקף 3 י”ל אבל כן נדרש ליחידה הרביעית, לפרק תרמודינמיקה.

27. DH0fאנתלפיית התהוות תיקנית DH0f - אנתלפיית ההתהוות התיקנית של חומר היא שינוי האנתלפיה בתגובה בה נוצרת תרכובת מיסודותיה היציבים בתנאי תקן. DH0f- של יסודות שווה אפס. דוגמאות: C(s)+ 2H2(g) ---> CH4(g) DH0f = -74.8k.j 0.5H2(g)+ C(s)+ 0.5N2(g) ---> HCN(l) DH0f = 135.1k.j

28. תרגיל: נסח את תגובות ההתהוות התיקניות של החומרים הבאים ומצא עבורן אתDH0fבספר הנתונים. C6H12O6(s) , NaCl(s) , H2O(l) , S8(S)

29. חישובDH בעזרת נתוניDH0f DH = SDH0f תוצרים-SDH0f מגיבים תרגיל: אמת את הנוסחה במקרה הפרטי: חישוב אנתלפיית השריפה שלCH4 . א. נסח את תגובת השריפה שלCH4 . ב.נסח את תגובות ההתהוות המתאימות עבור כל אחת מהתרכובות המעורבות בתהליך השריפה והראה שחיבורן וחיבורDH0f עבורן מתאים לנוסחה הנ”ל)

30. דוגמא לחישוב גרפי שלDH בעזרת נתוניDH0f לא בתכנית CH4(g) + 2O2(g) ---> CO2(g) + 2H2O(l) -74.8k.j -393.5k.j -285.9 DH0f 0 C(s) , 2H2(g) , 2O2(g) היסודות בגרף ב-0 אנתלפיה והם שלב המעבר בגרף 0 CH4(g) -74.8k.j CO2(g) + 2H2O(l) -965.3k.j DH = -393.5 -2x285.9 +74.8 = -890.5k.j

31. 1. מדידתDt 2. q=mcDt 3. חישוב למול 4. DH=-Q יסודות במצבם היציב בתנאי תקן אטומים בודדים במצב הגזי דרכים לחישובDH בעזרת אנתלפיות התהוות תקניות אנתלפיות קשר ניסוי חיבורDH לתגובות המעבר בחישוב ובגרף דרך תרכובות משותפות

32. A B מגיבים תוצרים סיכום- דרכים לחישוב אנתלפיית תגובה אנתלפיות קשר אנתלפיית התהוות חיבור תגובות