Základy termodynamiky
Přihlásit se
Základy termodynamiky (2/6) · 10:25

Entalpie V této nabité epizodě rychlokurzu chemie se dozvíme o stavových a nestavových veličinách, k čemu je dobrá entalpie a jak souvisí s teplem a něco málo o kalorimetrii. Hlavně se ale dozvíme, jak pomocí Hessova zákona můžeme měřit energii chemických vazeb.

Navazuje na Ideální plyn.
Energie. Základ Vesmíru, bez kterého bychom nemohli existovat. Dělá všechnu práci, dodává nám teplo, můžeme ji uchovávat a nikdy ji neztratíme. Zní to jako ideální kámoš. Většina lidí ji bere za samozřejmost, ale my tady ne. My se ji snažíme porozumět, abychom pro ni byli lepšími společníky a abychom rozuměli tomu, co se nám snaží sdělit. Například že každá vazba mezi dvěma atomy obsahuje energii. Kolik energie obsahuje? To už není tak jednoduché. I přesto tuto otázku dnes zodpovíme... skoro. A k tomu použijeme věc zvanou entalpie. [Hlavní znělka] V minulém videu jsme si řekli o vnitřní energii a jak se může přenášet: teplem nebo prací. Teplo a práce jsou velice užitečné pojmy, ale mají svá omezení. Převážně to, že je nesmírně těžké určit jejich hodnoty. Práce je energie vynaložená na pohyb objektů a teplo je energie vynaložená na pohyb částic. Při změně energie ale může být rozdíl mezi teplem a prací jakýkoliv, pokud jde nějaká energie do obou. Řekněme, že moje auto je na vrcholu kopce a pod tím kopcem je stánek s banány. Pokud pojedu dolů s brzdou na podlaze, hodně tepla se převede na brzdové destičky a jenom mírně ťuknu do toho stánku, čímž na něm vykonám malé množství práce. Ale pokud pojedu jako šílenec, vytvoří se malé množství tepla a moje auto vykoná obrovskou práci na stánku s banány. Oba způsoby využívají stejnou energii, ale jeden produkuje málo tepla a druhý hodně. Takovým veličinám říkáme "nestavové veličiny". Teplo a vykonaná práce závisí na cestě, kterou se vydáte. Na druhé straně, změna energie je stejná v obou případech. Změna energie nezávisí na cestě. Takovým veličinám říkáme "stavové veličiny", protože jediné na čem záleží je jejich stav a ne jak se do toho stavu dostali. Stavové veličiny jsou vážně super, protože všechno výrazně ulehčují. Je to prostě tolik minus tolik. Bylo by fascinující vědět kolik energie se skrývá v molekule. Bohužel to je nemožné. Je to až moc velké číslo a ta energie může být ukryta téměř kdekoliv. Je to jako kdybyste chtěli změřit objem vody v oceánu- zkuste si to. Jelikož je ale energie stavová veličina, můžeme hovořit o její změně. Jako kdybyste přilili 2 litry sodovky do oceánu, nevíte kolik litrů tam je, ale můžete říct, že objem se změnil. Právě se zvýšil o dva. A stejným způsobem můžeme hovořit o energii, která se pohlcuje nebo uvolňuje díky chemickým reakcím. A ve většině případů nás zajímá pouze teplo. Pokud třeba zapálím dřevo, zajímá mě, kolik tepla to bude vyzařovat, ne jakou práci to vykoná při zvětšování nebo při stoupání kouře. Takže hlídat si kompletní vnitřní energii je tak trochu zbytečné. Co potřebujeme je stavová veličina, která nám řekne, jak se změnilo teplo v reakci. Což je samozřejmě již zmíněná entalpie. I když to zní samo o sobě divně, entalpie, kterou značíme velkým tiskacím H, tak nám popisuje celou vnitřní energii a k tomu práci, kterou vykoná objem při zvětšování a uvolňuje místo pro látky, které vznikají. Pro entalpii můžeme udělat jisté předpoklady a trochu matematiky a vytvoříme tu nejjednodušší rovnici, kterou jste kdy viděli. Takže začneme. Nejprve si uvědomme, že nás nezajímá celková entalpie, protože ta nejde změřit. Zajímá nás jenom, jak moc se mění jakožto stavová veličina. Takže si to celé zapíšeme jako změnu entalpie. Změna energie (ΔE) se rovná Q plus W, takže tuhle část můžeme nahradit a teď můžeme udělat dva velké předpoklady. Prvně máme konstantní tlak. Naštěstí, když mluvíme o tlaku tady na Zemi, tak atmosférický tlak se mění velice málo oproti ostatním veličinám v rovnici. Konstantní tlak je dobrý předpoklad, protože na Zemi téměř je. Takže poslední Δ platí pouze pro objem. Druhý předpoklad je, že jediná práce vykonána systémem je práce objemová. Takže W se rovná pΔV Můžete si všimnout, že jsme přidali minus. To proto, že při zvýšení objemu se vykoná práce a sníží energie, což se definuje záporným znaménkem. Proto jsme tam přidali minus. Takže znaménka pro W a pΔV budou vždy opačná a voila! pΔV se vyruší a dostaneme ΔH se rovná teplu reakce. Změna entalpie je stejná jako teplo přijaté nebo odevzdané systémem. Proto se asi používá velké H (teplo- anglicky Heat). Díky tomuto je lepší pro většinu reakcí, které probíhají za konstantního tlaku, pracovat s entalpii než s vnitřní energii. Entalpie je velice užitečná. Můžeme určit kolik energie obsahuje téměř libovolná látka. Jednoduše změříme změnu teploty během chemické reakce. Takže víme, co to je, víme, že stavové veličiny jsou super, ale proč? Proč jsme tohle dělali? Můžu se jít už koukat na obrázky koťátek? No, ne, protože ani nevíte proč je entalpie cool. Když proběhne reakce a u toho se změní entalpie tak teplo vyjde z chemických vazeb nebo se k nim přidá. Atomy a molekuly můžou obsahovat po zreagování jinou energii a ta energie se buď uvolní do okolí nebo je mu ukradena. Všechny chemické vazby jsou jenom z energie a díky entalpie můžeme určit, kolik té energie mají. A entalpii můžeme změřit pomocí metody zvané kalorimetrie. V kalorimetrii necháme reakci proběhnut v izolované nádobě, třeba v termosce, a měříme jak se mění teplota, což se přímo pojí s teplem, tudíž i s entalpií. Doufám, že to zní zajímavě, protože tohoto si ještě užijete v episodě o měření entalpie. Vědci za nás naštěstí udělali většinu práce, takže můžeme jednoduše dohledat změnu tepla pro většinu reakcí. Možná se vám to nezdá tak úžasné, ale tady v Montaně, kde já bydlím, jsou zimy celkem chladné. Díky entalpii můžu vynalézt ohřívač na ruce jenom díky výpočtům, aniž bych musel jet do Texasu nakupovat a dělat nějaké drahé experimenty. A za to musíme poděkovat Germainovi Hessovi. Ne, nemyslím Hermana Hesse, hubeného plešatějícího švýcarského spisovatele. Germain Hess byl hubený, plešatějící, švýcarský... uh... spisovatel a chemik. Dokonce i historie chemie je matoucí. Hess byl chemik, geolog, profesor, spisovatel a doktor a je po něm pojmenovaný zákon, což je vlastně nejvyšší cíl pro chemika. Hessův zákon, díky kterému máme první zákon termodynamiky. Takže celkem důležitý. Dost dobrý. Hessův zákon říká, že změna entalpie reakce nezávisí na cestě, kterou probíhá, ale pouze na počátečním a koncovém stavu. Zní vám to povědomě? Pokud začnete se stejnými reaktanty a dostanete stejné produkty, změna entalpie bude stejná. Aby tomu lépe porozuměl, studoval standardní slučovací entalpii reaktantů a produkt. První si řekneme, co je to standardní stav. Je to několik podmínek, aby mohli chemici studovat vše stejně. Standardní teplota je 25 stupňů Celsia a tlak je jedna atmosféra (101 325 Pa). Standardní slučovací entalpie je teplo, které dostaneme, když vznikne 1 mol látky z jejich základních elementárních složek. Samozřejmě musí být všechny látky reakce ve standardním stavu. Ovšem jelikož neznáme přesnou hodnotu entalpie, musíme si určit nějaký základ a ten základ jsou samotné prvky v nejstabilnějších formách. Nejstabilnější formy se definují jako nula. Hodnoty pro sloučeniny se měří od této nuly a tyto standardní hodnoty můžeme použít na vypočtení změny entalpie jakékoliv reakce. Hessův zákon se často vyjadřuje pomocí standardní slučovací entalpie. Změna entalpie reakce se rovná součtu standardních slučovacích entalpiích produktů minus součet standardních slučovacích entalpiích reaktantů. Díky tvrdě pracujícím chemikům, standardní slučovací entalpie je nyní změřena pro stovky sloučenin. Můžeme je vyhledat v tabulkách a zadat je do rovnice. Tady je Hessův zákon jako matematický výraz. Vypadá to složitě, ale říká nám to samé. Změna entalpie reakce se rovná součtu standardních slučovacích entalpiích produktů minus součet standardních slučovacích entalpiích reaktantů. To divné 'E', které vidíte, je řecké písmeno sigma (Σ) a značí součet. np a nr je počet molů produktů a reaktantů. To musíme započítat, protože standardní slučovací entalpie se měří na jeden mol látky. Pokud je v reakci více než jeden mol, musíme vynásobit standardní slučovací entalpii počtem molů. A nyní si zkusme něco vypočítat. Příklad jedna. Ohřívač na ruce. Ohřívá se díky exotermické reakci, která v něm probíhá. A jsem rád, že vynálezci tohoto uměli počítat změnu entalpie. Vybrali takovou reakci, která odevzdává dost tepla na ohřátí rukou, aniž by uhořely. Reaguje zde železný prášek, který je uvnitř, a kyslík, který tam proniká obalem. Vytvoří se oxid železitý, hlavní složka rzi. Abychom mohli vypočítat změnu entalpie reakce, prostě dohledáme ΔHf reaktantů a produktů, buď v učebnicích nebo na internetu, a hodíme je do Hessova zákona. ΔHf železa a kyslíku jsou nula podle definice. Pokud si nejste jistí, koukněte do tabulek. A ΔHf oxidu železitého je -826 kilojoulů na mol. První musíme vyčíslit rovnici reakce. A za druhé, koukněme se na Hessův zákon a vložme do něj ΔHf. Potom vložme látková množství produktů a reaktantů. Napište to do kalkulačky a zjistíte, že ΔH reakce je -1652 kJ. Takže reakce čtyř molů železného prášku, což je přibližně 223 gramů, uvolní 1652 kilojoulů tepla. Všechna ta energie je uzavřena ve vazbách a potom vypuštěna, aby mi zahřála prsty. Zlatá chemie. Děkuji vám za zhlédnutí této episody Crash Course. Dnes jste se naučili, co to jsou stavové a nestavové veličiny. Proč se liší entalpie od tepla, i když jsou nakonec stejné. To, že vazby se skládají z energie, která se při jejich vzniku/zániku uvolňuje/pohlcuje. Dali jsme vám nejjednodušší úvod do kalorimetrie v historii, čehož využijeme příště, a ukázali jsme si moc Hessova zákona a jak použít standardní slučovací entalpii pro výpočet tepla jakékoliv reakce. Tato episoda Crash Course byla napsána Edim Gonzalezem a mnou. Scénář byl upraven Blakem de Pastinem. A náš chemický konzultant byl Dr. Heiko Langer. Vše bylo natočeno, upraveno a režírováno Nicholasem Jenikinsem. Dohled nad scénářem a hudební designer je Micheal Aranda. A o grafiku se postaral tým Thought Cafe.
video