Termochemie

Termochemie

= Oblast termodynamiky, která studuje tepelné zabarvení chemických reakcí

Termodynamika = fyzikální disciplína, která studuje energetickou stránku soustav

Reakce probíhají v soustavách

Soustava = část prostoru ohraničená skutečnými nebo myšlenými hranicemi

Typy soustav: otevřená, uzavřená, izolovaná

Viz /ch/6

Stav soustavy popisují:

• Stavové veličiny:

  • Intenzivní – hodnota nezávisí na velikosti soustavy – $p$, $t$, $\rho$, ...

  • Extenzivní – hodnota závisí na velikosti soustavy – $V$, $m$, $n$, ...

• Stavové funkce:

  • Vnitřní energie

  • Entropie

  • Enthalpie

Izotermický děj = děj probíhající za konstantní teploty

Izobarický děj = děj probíhající za konstantního tlaku

Izochorický děj = děj probíhající za konstantního objemu

Adiabatický děj = děj probíhající za konstantního tepla

Nejčastější děje jsou děje izobarické

V termochemii se využívají tzv. termochemické rovnice = klasické chemické rovnice doplněné o 2 další informace:

• Skupenství reagujících látek – $s$, $l$, $g$, $aq$

• Tepelné zabarvení = množství tepla, které se spotřebuje/uvolní – $\Delta H$ = enthalpie

Enthalpie

Značka: $\Delta H$

= Množství tepla, které soustava vymění s okolím, když v ní reakce proběhne v rozsahu odpovídajícím stechiometrickým koeficientům (= v rozsahu 1 molu reakční přeměny)

Př.:

$\to$ $485.6 \space \text{kJ}$ tepla se uvolní, když zreaguje 1 mol kyslíku se 2 moly $\text{H}_2$ za vzniku 2 molů $\text{H}_2\text{O}$

Enthalpie nabývá hodnot buď záporných (= uvolnění tepla do okolí $\to$ exotermická reakce), nebo kladných (= spotřebování tepla z okolí $\to$ endotermická reakce)

Při chemické reakci dochází k zániku chemických vazeb v molekulách reaktantů (= spotřebování $E$) a ke vzniku chemických vazeb v molekulách produktů (= uvolnění $E$)

Rozdíl těchto dvou energií $\to \Delta H$

Exotermické reakce

= Reakce, při nichž dojde k uvolnění tepla

Energie reaktantů $>$ energie produktů

Energii soustavy lze vyjádřit grafem

Endotermické reakce

= Reakce, při nichž se teplo spotřebovává

Energie reaktantů $<$ energie produktů

Termochemické zákony

1. První termochemický zákon = Lavoisier-La Placeův zákon:
   Reakční teplo dané reakce a reakční teplo téže reakce probíhající v opačném směru za stejných podmínek je až na znaménko shodné.

   $$A + B \to C + D \space (\Delta H = -283 \space \text{kJ} \cdot \text{mol}^{-1}) \\~\\~ C + D \to A + B \space (\Delta H = 283 \space \text{kJ} \cdot \text{mol}^{-1})$$

2. Druhý termochemický zákon = Hessův zákon:
   Reakční teplo dané reakce je dáno součtem reakčních tepel postupně prováděných reakcí, které začínají stejnými reaktanty a končí stejnými produkty.

   $$A + B \to E + F \space (\Delta H_1 = ...) \\~\\~ E + F \to C + D \space (\Delta H_2 = ...) \\~\\~ A + B \to C + D \space (\Delta H = \Delta H_1 + \Delta H_2)$$

Typy reakčních tepel

1. Slučovací teplo:
   Značka: ${\Delta H}_\text{sluč}$

   Kolečko $^\circ$ v horním indexu značky = měřeno za standardních podmínek ($25° \space \text{C}$ a atmosférický tlak)

   = Reakční teplo reakce, při níž vznikne 1 mol látky přímo z prvku

   $$1 \space \text{H}_2 + \frac{1}{2}\space \text{O}_2 \to 1 \space \text{H}_2\text{O} \\~\\~ \Delta H_\text{sluč} = -498 \space \text{kJ} \cdot \text{mol}^{-1}$$

   Slučovací tepla prvků jsou nulová – např.:

   $$\Delta H_\text{sluč}(\text{H}_2) = 0$$

   ---

   16. 6. 2022

2. Spalné teplo:
   Značka: ${\Delta H}_\text{spal}$

   = Reakční teplo reakce, při níž se spálí 1 mol látky za vzniku nejstabilnějších oxidů

   Typické pro prvky a organické sloučeniny

   Většinou záporné hodnoty (exotermické reakce)

   Spalné teplo oxidu uhličitého a vody je nulové – nelze je dále spálit:

   $$\text{CH}_4 + \text{O}_2 \to \text{CO}_2 + \text{H}_2\text{O}$$

   Spalování vodíku $\to$ voda:

   $$1 \space \text{H}_2 + \frac{1}{2} \space \text{O}_2 \to 1 \space \text{H}_2\text{O} \space ({\Delta H}_\text{spal} = -498 \space \text{kJ} \cdot \text{mol}^{-1} = {\Delta H}_\text{sluč}) \\~\\~ {\Delta H}_\text{sluč}(\text{H}_2\text{O}) = {\Delta H}_\text{spal}(\text{H}_2)$$

   Spalování uhlíku $\to$ oxid uhličitý:

   $${\Delta H}_\text{sluč}(\text{CO}_2) = {\Delta H}_\text{spal}(\text{C})$$

Entropie

Značka: $\Delta S$

Vychází z 2. termodynamického zákona

Udává míru neuspořádanosti soustavy a samovolnost dějů

S rostoucí neuspořádaností roste i hodnota entropie

$\Delta S > 0 \to$ děj probíhá samovolně (= bez dodání energie)

$\Delta S < 0 \to$ děj nesamovolný (= probíhá za spotřeby energie)

$\Delta S = 0 \to$ soustava je v rovnováze

Gibbsova energie / Volná energie

$\Delta G$ – Gibbsova energie