Základy termodynamiky
Přihlásit se
Základy termodynamiky (3/6) · 11:06

Entalpie a kalorimetrie V této epizodě si ukážeme praktickou stránku entalpie. Jak můžeme spočítat entalpii reakce a jak ji můžeme experimentálně změřit?

Navazuje na Ideální plyn.
Kyselina chlorovodíková: (ne)přítel každého chemika. Jak je hrozně nebezpečná, tak je hrozně užitečná. Popálí vaši kůži, oči, i vaše sliznice, pokud vdechnete její výpary. Avšak HCl jako kyselina se snadno vzdá svého vodíku, což je výhodné pro tvorbu hnojiv, barviv a dokonce i kuchyňské soli. Pak tu je hydroxid sodný, další látka, kterou bych nedal ani na svého největšího nepřítele, i když jsem rád, že ji máme. Můžete ji znát jako louh, extrémně žíravou látku používanou pro čištění ucpaného potrubí nebo čištění pitné vody. Je to zásada. Snadno přijímá protony uvolněné kyselinami. Co si tedy myslíte, že se stane, pokud roztoky těchto dvou látek smíchám? Vzájemně se vyruší, nebo vybuchnou, zda lze přeskočí v čase? Pokud jste dávali pozor, už dávno víte, co se stane. Projdou neutralizační reakcí, o níž už jsme mluvili. Tyto dvě potenciálně smrtelné látky vytvoří sůl a vodu. Ale ta reakce bude mít i účinek, který skutečně pocítíte. Uvolní teplo, a to ne jen trošku tepla. Míchání koncentrovaných kyselin a zásad uvolní tolik tepla, že to může vyústit až k výbuchu. Já vám ale ukážu, jak vyrobit bezpečné, ale značné množství tepla touto reakcí. Moje oblíbená část je to, odkud to teplo opravdu jde. Ta energie byla původně v chemických vazbách dané kyseliny či zásady. Podobně jako míček na vrchu kopce, molekuly jdou vždy směrem k nižší energetické hodnotě. A to je přesně to, co se stane. Vysokoenergetické vazby se rozbijí, vazby s nižším energií se vytvoří. Změnu energie mezi těmi stavy můžete reálně cítit, a to je dost cool. A ještě většíq paráda je to, že víme přesně spočítat kolik tepla bude uvolněné touto reakcí. Vzpomeňte si, že měření tepelné změny má úzký souvislost s entalpií, kterou jsme definovali jako vnitřní energii systému plus energie, kterou působí proti okolí a zachovává vlastní tlak a objem. Při konstantním tlaku, jaký máme tu na zemském povrchu, to vychází, že se rovná přesně teplu přijatému či uvolněnému danou reakcí. Opravdu může být skutečně užitečné vědět kolik tepla reakce přijme či uvolní. Kromě exotermických ohřívačů rukou, existují i endotermické chladivé sáčky na ošetření úrazu. Výpočet změny entalpie pomáhá pilotům předpovědět jak daleko doletí s momentálním objemem paliva v nádrži letadla, což je něco, na čem mi velmi záleží, aby jim to vyšlo správně. Jeden ze způsobů, jak vypočítáme změnu entalpie systému, je pomocí Hessova zákona, který říká, že celková změna entalpie pro chemickou reakci nezávisí na způsobu jejího průběhu, ale pouze na jejím výchozího a konečném stavu. Často je vyjádřen jako standardní slučovací entalpie, tedy jako množství odevzdaného nebo získaného tepla, když vznikne 1 mol sloučeniny z příslušných prvků. Přesně takto jsme zjistili, kolik tepla uvolňují moje ohřívače rukou. Ale to není jediné použití Hessova zákona. Zákon jako takový nemluví jen o standardní slučovací entalpii. Jakýkoliv způsob zjištění změny tepla mezi produkty a reaktanty nám poslouží stejně dobře, a tak zde přichází na řadu kalorimetrie. Kalorimetrie je věda o měření změn tepla souvisejících s chemickou reakcí. Toto může vypadat jako plastová láhev v ponožce, ale ve skutečnosti to je kalorimetr. Kalorimetr může být luxusní kus vybavení, ale může být i jednodušší. Ale jakkoli vypadá, je to v podstatě jen izolovaná nádoba obsahující teploměr. A může být z nerezu či polystyrénových pohárků, ale prakticky se nijak zásadně neliší v tom, jak fungují. A tak už víte obecnou strukturu: chemické látky v kalorimetru představují termodynamický systém a vše ostatní představuje jejich okolí. Izolace minimalizuje množství tepla unikající z či vnikající do systému, abychom si mohli být jisti, že veškerá výměna tepla je součástí systému, nikoli okolí. Teploměr sleduje změnu teploty, která je součástí našich výpočtů. A pak tam obvykle je nějaký způsob míchání roztoku, zabezpečující úplný průběh reakce. Dobře, bezpečnost je prvořadá, i když bych také měl mít rukavice... Do svého kalorimetru dám 100ml, či 100g, jednomolárního roztoku HCl... A teď přidám stejné množství roztoku hydroxidu sodného. Předtím než začnu s reakcí, musím vědět naši počáteční teplotu, takže vložím teploměr dovnitř a chvíli počkám co se s ním stane. Měl by být o pokojové teplotě, byl v místnosti celkem dlouhou dobu. Tak, momentálně jsme na zhruba 20,8 °C. Takže to je, asi 294 Kelvina, a nyní přidám mých 100 mL hydroxidu sodného. Teplota, nepřekvapivě, roste vcelku rychle. A teď dělám něco, co byste vy nikdy neměli, a tedy míchám s teploměrem, protože pokud by se toto dělo ve školách napříč světem, byly by na světě haldy zlomených teploměrů a to co je v nich, není dobré. Takže nikdy nedělejte to, co dělám já. Dobře, teplota by již měla být ustálená, máme kolem 28,2 °C. Existuje jednoduchá rovnice, která umožňuje vypočítat tepelnou výměnu reakce jednoduše odměřením změny teploty, která nastala v kalorimetru. Říká, že změna tepla je rovna specifické tepelné kapacitě látky krát její celková hmotnost, krát změna teploty. Rozdělme si to na části. Změna tepla v kalorimetru je obvykle značená malým (či velkým) písmenem "q", ale také může být vyjádřeno změnou entalpie neboli delta H, protože při konstantním tlaku se delta H rovná q, a konstantní tlak je skoro vždy dobrý předpoklad platící pro trvání experimentu tedy alespoň dokud zůstaneme na povrchu Země. Z důvodů, které se ozřejmí později, výměnu tepla označíme prozatím delta H. Specifická tepelná kapacita, značená malým písmenem "s", (obvykle se značí malým 'c') je množství tepla potřebné ke zvýšení teploty látky o jednotkové hmotnosti, gram či kilogram, o 1 stupeň Celsia. Různé množství tepla totiž způsobí různé změny v teplotě, takové kovy se ohřejí velmi snadno a také chladnou velmi snadno. Jiné, jako voda, vyžadují hodně tepelné energie na zvýšení teploty, a tím pádem musí uvolnit hodně tepla, aby znovu ochladly. Vždy mě však zajímalo, co to ale opravdu znamená? Vždyť, fyzicky v molekule, nemělo by teplo zvýšit teplotu všech látek stejně? A proč právě voda má takto vysokou specifickou tepelnou kapacitu? Tepelná energie může dělat mnoho jiných věcí kromě jen zvyšování teploty. Teplota, nebo rychlost kterou se molekuly odrážejí kolem, je jen jeden způsob jak atomy, zda molekuly vstřebávají energii. Tepelná energie může být také vstřebána rozbitím a tvořením vazeb mezi molekulami, a, jak se dozvíme v jiné části, extrémně vysoká specifická tepelná kapacita vody má podklad v rušení a tvoření vodíkových vazeb, které jsou spojeny s poměrně malými změnami teploty. A jak zjistíme specifickou tepelnou kapacitu? No, radostně hlásím, že jistí vznešení chemici na tom těžce pracovali, a určili specifické tepelné kapacity stovek látek, abychom my už nemuseli. My si ty čísla pouze vyhledáme v tabulkách. Takže specifická tepelná kapacita krát hmotnost, krát změna teploty. Ta hmotnost je důležitá, neboť čím je vyšší, tím více obsahuje daná látka vazeb. A protože energie je uchována ve vazbách. mají značný vliv na množství energie, kterou jsme schopni vstřebat či uvolnit. A nakonec tu máme změnu teploty. Když děláme kalorimetrii, počítáme změnu tepla měřením změny teploty, ale jak jsme již zopakovali milionkrát, teplo a teplota jsou dvě rozdílné věci. Jen si prosím nemyslete, že toto měří teplo, protože to tedy neměří. Máme štěstí, že v tomto konkrétním případě spolu teplo a teplota souvisí díky kalorimetrické rovnici. Možná jste si všimli, že se nacházíme přesně na hranici mezi fyzikou a chemií. Tento fenomén souvisí s chemií a fyzikou, ale rozdíl mezi fyzikou a chemií si stejně vymysleli lidé, tak je to jedno. Termodynamiku, vědu o teple, energii, a práci, nezajímají naše malé pravidla. Termodynamika samotná tvoří pravidla vesmíru. Je to to nejvyšší pravidlo. Tak teď to víte, i když vás to možná nezajímalo, ale mělo! Protože je dobrá! Je zcela fidli-mýdlo, bum bác! Dost bylo řečí, pojďme na matematiku. Pamatujte si rovnici delta H = s krát m krát delta T. Roztoky, které zde používáme, jsou tak zředěné, že skoro celou jejich hmotnost představuje voda. Tím pádem můžeme použít specifickou tepelnou kapacitu vody. Dle naší tabulky to je 4,184 joulů na gram a na °C. Použil jsem 100g z každé látky, celková hmotnost je tedy 200g. Jako poslední potřebujeme znát také změnu teploty. Vzpomeňte si, že teplota nám vzrostla z 294,0 kelvinů na 301,4 kelvinů. To je rozdíl 7,4 kelvinů. Tato hodnota je kladná, neboť teplota vzrostla. Příslušné jednotky se vykrátí, a kalkulačka nám vyplivne hodnotu 6192,32 J neboli 6,2 kilojoullů uvolněného reakčního tepla. Znaménko ze vzorečku závisí na změně teploty. Teplota se zvětšila, takže nám vyšel kladný výsledek. Ale především nám to říká, kolik tepla se uvolnilo. Zajímalo by mě, kolik by nám vyšlo s použitím Hessova zákona a hodnot standardních slučovacích entalpií. Zapamatujte si, že standardní slučovací entalpie produktů a reaktantů můžeme vždy najít v tabulkách v učebnici či na internetu. Chemická reakce kyseliny chlorovodíkové a hydroxidu sodného vytváří kapalnou vodu a chlorid sodný. Standardní slučovací entalpie kyseliny chlorovodíkové je -167,2 kJ na mol, pro hydroxid sodný je to -469,15 kJ na mol, pro kapalnou vodu je to -285,8 a pro chlorid sodný je to -407,27. Nebudu zde počítat počet molů, ale věřte mi, že jsme použili 0,100 molů HCl a stejně molů NaOH. Protože všechny látky v reakci jsou ve stejném poměru 1:1:1:1, můžeme předpokládat, že nám vzniklo stejné množství produktů. Pokud tyto hodnoty vložíme do Hessova zákona, vyjde nám změna reakční entalpie -5,67 kJ. Systém ztrácí neboli uvolňuje energii, a proto je tato hodnota záporná. Jde nám ale především o její absolutní hodnotu. Tady to máme. Kalorimetrická rovnice dává změnu entalpie 6,7 kJ, zatímco Hessův zákon předpovídá 5,67 kJ. Kde se bere ten rozdíl? Hlavním důvodem je asi to, že jsme použili specifickou tepelnou kapacitu čisté vody místo slané vody, kterou jsme ve skutečnosti vytvořili. Také jsme nezahrnuli tepelnou kapacitu samotného kalorimetru. Stěny kalorimetru a teploměr se také zahřály, takže se nám část vyprodukovaného tepla nezahrnula do rovnice. Těsnění kalorimetru také není dokonalé, takže část tepla nám úplně unikla, to je také velká chyba. Ale i tak nám to myslím vyšlo dost dobře a ukázali jsme si to podstatné, i když jsme použili jen izolovanou plastovou láhev. I takto jednoduchý kalorimetr nám dal hodnotu blízkou výpočítané. Pokud bychom počítali množství paliva pro let na Mars, nebo vynalézali rukavice proti omrzlinám, museli bychom požít lepší vybavení a pracovat pečlivěji, ale pro naše účely to postačilo.
video