background image

1

Obliczenia chemiczne

termochemia

Układ – pewna  część przyrody, której zachowanie się w rozważanym 

przez nas procesie nas interesuje. Wszystko co znajduje się poza 

układem nazywamy otoczeniem.

Pojęcia podstawowe

Rodzaje układów:

1. Otwarty – zachodzi przepływ masy między układem a 

otoczeniem

2. Zamknięty – nie zachodzi przepływ masy między układem a 

otoczeniem

3. Izolowany – nie zachodzi ani przepływ masy ani energii 

między układem a otoczeniem

4. Nieizolowany – zachodzi bądź przepływ masy bądź energii 

bądź też i masy i energii równocześnie między układem a 

otoczeniem

5. Jednoskładnikowy/dwu(wielo-)składnikowy

6. Jednofazowy/dwu(wielo-)fazowy

7. Jednorodny (homogeniczny)/niejednorodny (heterogeniczny)

Faza – część homogeniczna układu, dająca się rozróżnić pod względem 

własności fizycznych, ograniczona określonymi powierzchniami.

Układ może zawierać kilka różnych faz stałych i ciekłych ale tylko jedną

fazę gazową.

background image

2

Wielkości intensywne – niezależne od masy układu np.. T, p, C

Wielkości ekstensywne – wprost proporcjonalne do masy układu np.. m, V, 

liczba moli cząsteczek składników

Opis układu

Do opisu układu musimy podać pewną ilość informacji dotyczących jego 

masy, objętości, temperatury, składu chemicznego, panującego w nim 

ciśnienia itp.. Wielkości te, nazywane zmiennymi stanu układu opisują

stan układu

Funkcja stanu - funkcja zależna wyłącznie od stanu układu, czyli od 

aktualnych wartości jego parametrów, takich jak masa, liczność materii, 

temperatura, ciśnienie, objętość i inne.

Zmiana wartości funkcji stanu zależy tylko od stanu początkowego i 

końcowego układu, a nie od sposobu w jaki ta zmiana została zrealizowana.

Termodynamiczne funkcje stanu (1)

Energia wewnętrzna U - wszystkie rodzaje energii związane ze 

składnikami układu.
9

Energia kinetyczna – energia związana z ruchem cząsteczek (rotacja, 

drgania, ruch translacyjny)
9

Energia wiązań chemicznych

9

Energia potencjalna – związana z wzajemnym oddziaływaniem na siebie 

atomów i cząsteczek w układzie

dU = Q

el

+ W

el

gdzie: Q

el

– ciepło elementarne

W

el

– praca elementarna

jednostka: [U] = J lub J mol

-1

background image

3

Entropia S – ekstensywna funkcja stanu, która jest miarą stopnia 

nieuporządkowania układu. Określa też kierunek przebiegu procesów 

spontanicznych (samorzutnych)

dS = lQ

el

gdzie: Qel – ciepło elementarne

l = 1/T - czynnik całkujący w przypadku procesu odwracalnego

Zatem dla:

a). procesu odwracalnego:

dS = dQ

el

(odw) /T

b). procesu nieodwracalnego:

dS > dQ

el

(nd) /T

jednostka: [S] = J K

-1

Termodynamiczne funkcje stanu (2)

Entalpia ∆H - miara energii wewnętrznej substancji mierzonej przy 

stałym ciśnieniu, jeśli wzrasta temperatura wzrasta też entalpia 

substancji.

H = U + pV

Prawo Hessa

Ciepło reakcji mierzone zarówno w warunkach izotermiczno-

izochorycznych oraz izotermiczno-izobarycznych zależą tylko od 

stanu początkowego oraz od stanu końcowego, nie zależą natomiast 

od drogi, na jakiej dana reakcja została przeprowadzona

substraty 

produkty pośrednie produkty 

końcowe

∆H

1

∆H

2

∆H

3

∆H

3

= ∆H

1

+ ∆H

2

Termodynamiczne funkcje stanu (3)

background image

4

Ciepło tworzenia

Efekt cieplny towarzyszący syntezie 1 mola związku chemicznego z 

pierwiastków w stanie standardowym (298 K, 1013 hPa)

∆H°

tw

= ∑(n∆H°

tw prod

) - ∑(n∆H°

tw sub

)

Ciepło spalania

Efekt cieplny towarzyszący spalaniu 1 mola związku chemicznego lub 

pierwiastków w tlenie

∆H°

sp

= ∑(n∆H°

sp sub

) - ∑(n∆H°

sp prod

Entalpia wiązań chemicznych

Standardowa entalpia reakcji polegającej na rozpadzie cząsteczki AB na 

atomy A i B

∆H° = ∑(n∆H°

wiaz zerwanych

) - ∑(n∆H°

wiaz powstałych

Energia swobodna F – zwana również energią swobodną Helmholtza

F = U -TS

Entalpia swobodna G – zwana również energią swobodną Gibbsa lub 

potencjałem termodynamicznym

G = H - TS

Termodynamiczne funkcje stanu (4)

background image

5

Związki między termodynamicznymi funkcjami stanu

U

H

+ pV

F

G

+ pV

- TS

- TS

np. G = F + pV = H – TS = U + pV – TS

W układzie izolowanym (w układzie, który nie wymienia energii ani żadnej 

substancji z otoczeniem) całkowita ilość energii pozostaje stała. 

Natomiast energia może ulegać przemianom w różne formy energii. 

Zmiana energii wewnętrznej, ∆U, zależy tylko od stanu początkowego i 

końcowego: ∆U = U

2

– U

1

I zasada termodynamiki

background image

6

II zasada termodynamiki

Wszystkie zjawiska, które zachodzą w przyrodzie samorzutnie, są

zjawiskami nieodwracalnymi

Proces odwracalny - zmienne stanu zmieniają wartości od X

1

, X

2

, ….Y

1

, Y

2

, …. 

oraz  istnieje proces odwrotny, w wyniku którego zmienne stanu przyjmują z 

powrotem wartości X

1

, X

2

, ….

Proces odwrotny spełnia wówczas następujące warunki:
9

układ przechodzi w nim przez te same stanu pośrednie, co w procesie 

pierwotnym, lecz w kolejności odwrotnej
9

układ wymienia w tym procesie z otoczeniem ilość masy, ciepła i pracy 

różniące się jedynie znakiem od wymienianych w procesie pierwotnym

Proces nieodwracalny – proces nie spełniający chociażby jednego z 

powyższych warunków

Warunki zachodzenia procesów samorzutnych

9

Dla T, V = const (warunki izotermiczno-izochoryczne)

∆F <  0  proces  samorzutny

∆F =  0  równowaga

∆F >  0  proces  wymuszony

9

Dla T, p = const (warunki izotermiczno-izobaryczne)

∆G <  0  proces  samorzutny

∆G =  0  równowaga

∆G >  0  proces  wymuszony

background image

7

Stan równowagi chemicznej

Jeżeli szybkość tworzenia produktów jest równa szybkości 

odtwarzania substratów w jednostce czasu to mówimy, że w takim 

układzie istnieje równowaga (dynamiczna).

A + B 

C + D 

v

1

v

2

v

= k

1

[A][B]

v

= k

2

[C][D]

=

k

1

k

2

=

[A][B]

[C][D]

Stosunek stałych szybkości reakcji k

1

do k

2

jest wielkością stałą i jest 

nazywany stałą równowagi reakcji chemicznej

Prawo działania mas Guldberga-Waagego

W stanie równowagi chemicznej w określonej temperaturze 

stosunek iloczynu stężeń produktów podniesionych do 

odpowiednich potęg (będących współczynnikami 

stechiometrycznymi) do iloczynu stężeń substratów 

podniesionych do odpowiednich potęg ma wartość stałą.

K =

[C]

c

[D]

d

[A]

a

[B]

b

Reguła przekory (Le Chateliera-Brauna)

Jeżeli na układ znajdujący się w stanie równowagi zadziała bodziec 

zewnętrzny to układ zachowuje się tak aby temu bodźcowi 

przeciwdziałać

Wpływ zmian stężenia:

A + B ↔ C + D

9

wprowadzenie substratu A lub B                        w prawo

9

wprowadzenie produktu C lub D                         w lewo

9

usunięcie substratu A lub B                               w lewo

9

usunięcie produktu C lub D                                w prawo

Wpływ zmian temperatury:
9

reakcja egzotermiczna ∆H < 0      wzrost T        w lewo

9

reakcja egzotermiczna ∆H < 0      spadek T        w prawo

9

reakcja endotermiczna ∆H > 0      wzrost T        w prawo

9

reakcja endotermiczna ∆H > 0      spadek T        w lewo 

Wpływ zmian ciśnienia:
9

zmniejszenie objętości gazów     wzrost p       w prawo

spadek p  

w lewo

9

zwiększenie objętości gazów      wzrost p        w lewo

spadek p  

w prawo

9

bez zmiany objętości gazów       brak wpływu p