Termochemija – termodinamikos ir šilumos mokslas apie chemines reakcijas

Atraskite termochemiją: kaip termodinamika ir šiluma lemia chemines reakcijas — entalpija, entropija, energijos pokyčiai ir reakcijų palankumas.

Termochemija - tai mokslas apie energiją ir šilumą, susijusią su cheminėmis reakcijomis ir fizikiniais virsmai (fizikiniais pokyčiais). Fizikiniai virsmai vyksta tada, kai medžiagos būsena (pvz., kieta arba skysta) pasikeičia į kitą būseną. Fizikinių virsmų pavyzdžiai: lydymasis (kai kieta medžiaga virsta skysčiu) ir virimas (kai skystis virsta dujomis). Šiuose procesuose keičiantis tarpmolekuliniams ryšiams, prisijungia arba atsiskiria šiluminė energija; termochemija aiškinasi, kiek energijos reikia arba išsiskiria ir kaip šie pokyčiai priklauso nuo temperatūros ir slėgio.

Pagrindinės sąvokos

Termochemija remiasi termodinamikos principais, kad būtų galima kiekybiškai aprašyti energijos pokyčius. Svarbiausios sąvokos:

• Entalpija (H) – sistema atiduoda arba sugeria šilumą esant pastoviam slėgiui. Entalpijos pokytis ΔH apibūdina, ar reakcija išskiria, ar sugeria energiją. ΔH < 0 reiškia, kad reakcija yra egzoterminė (išskiria šilumą), o ΔH > 0 – endoterminė (sugeria šilumą).
• Entropija (S) – sistemos netvarkos arba dalelių išsidėstymo laisvės matas; didėjanti entropija paprastai palanki reakcijai vykti.
• Laisvoji energija (G) (Gibbs) – ΔG = ΔH − TΔS; ji nusako reakcijos savaiminio (spontaniškumo) linkį esant pastoviai temperatūrai ir slėgiui. Jei ΔG < 0, procesas yra termodinamiškai palankus (savaiminis).
• Šiluminė talpa – kiek energijos reikia, kad medžiagos temperatūra pakiltų vienu laipsniu.
• Degimo šiluma, susidarymo šiluma – specialūs entalpijų tipai, dažnai naudojami cheminės energetikos apskaičiavimuose.
• Kalorijos ir džauliai – energijos vienetai (1 cal ≈ 4,184 J).

Endo- ir egzoterminės reakcijos

Tekste yra tas teiginys: Vykstant endoterminėms reakcijoms, išsiskiria šiluma. Tačiau svarbu paaiškinti teisingai: endoterminės reakcijos išorėje sugeria šilumą (ΔH > 0), o egzoterminės reakcijos atiduoda šilumą (ΔH < 0). Kitaip tariant, egzoterminėms reakcijoms reikia pašalinti šilumą iš sistemos, kad aplinka sušiltų, o endoterminėms – tiekti šilumą iš aplinkos, kad sistema atšaltų ar įsisavintų energiją.

Kas lemia, ar reakcija įvyks?

Termochemijoje derinamos termodinamikos sąvokos su cheminių ryšių energijos idėja: suskaidant ir formuojant cheminius ryšius pasikeičia vidinė energija. Termodinaminiu požiūriu svarbiausi faktoriai yra:

• ΔH – entalpijos pokytis (energetinis „biudžetas“),
• ΔS – entropijos pokytis (sistemos išsidėstymo laisvė),
• T – temperatūra, kuri įtakoja ΔG pagal ryšį ΔG = ΔH − TΔS.

Termochemikai naudoja šiuos dydžius, kad nustatytų, ar procesas bus savaiminis ar nesavaiminis, palankus ar nepalankus, ir kaip temperatūra gali pakeisti reakcijos kryptį.

Matavimai, skaičiavimai ir įrankiai

Termochemijoje atliekami kalorimetrijos bandymai, kad matuoti išskiriamą arba įsisavinamą šilumą:

• Bombų kalorimetrai – matuoja degimo šilumą (naudojama standžiai uždarytiems degimo procesams);
• Kalorimetrai su variniu indeliu ir matavimais vandens temperatūros pakitimui;
• Skaičiavimai pagal Hess'o dėsnį – entalpijų pokytis nepriklauso nuo reakcijos eigos, tad galima sudėti žingsnius ir naudoti žinomų reakcijų entalpijas norint gauti sudėtingesnės reakcijos ΔH;
• Naudojant standartines susidarymo entalpijas ir lentelese pateiktus duomenis apskaičiuojamos entalpijos, entropijos ir laisvosios energijos reikšmės.

Tipiniai matavimo vienetai yra džauliai (J) arba kilodžauliai (kJ) vienai molinei medžiagos kiekiui. Termocheminiai skaičiavimai dažnai susiejami su prognozuojant reaguojančių medžiagų ir produktų kiekius tam tikru laiku bei vertinant, ar reakcija termodinamiškai palanki, net jei kinetiškai lėta.

Praktinė reikšmė ir taikymai

Termochemija turi platų pritaikymą:

• Energetika ir degimo procesai – įvertinti kuro energinę vertę (šiluminė talpa, degimo šiluma);
• Pramoninės cheminių procesų optimizavimas – energijos balansai ir aušinimo/šilumos tiekimo sprendimai;
• Medžiagų mokslo – faziniai perėjimai, lydosi ir garavimai priklauso nuo energetinių sąlygų;
• Biochemija ir metabolizmas – cheminės reakcijos gyvuose organizmuose taip pat turi entalpinius ir entropinius aspektus;
• Aplinkos analizė – pvz., šiluminiai pokyčiai chemijos reakcijose atmosferoje ar dirvožemyje.

Trumpas apibendrinimas

Termochemija jungia termodinamikos principus su cheminėmis žiniomis, kad nustatytų, kiek energijos yra susiję su cheminėmis reakcijomis ir fizikiniais virsmais. Ji apima tokių dydžių kaip entalpija, entropija, laisvoji energija ir kalorijos skaičiavimus bei praktinius matavimus kalorimetruose. Aiškus supratimas apie energijos tėkmę leidžia numatyti reakcijų palankumą, optimizuoti procesus ir taikyti žinias pramonėje, energetikoje ir moksle.

Klausimai ir atsakymai

K: Kas yra termochemija?

K: Kokie yra fizikinių virsmų pavyzdžiai?

K: Kaip termochemija padeda numatyti reagentų ir produktų kiekius?

K: Ar endoterminės reakcijos yra palankios, ar nepalankios?

K: Ar egzoterminės reakcijos yra palankios, ar nepalankios?

K: Kokias sąvokas jungia termochemija?

K: Kokius skaičiavimus atlieka termochemikai?

Paieška pagal raidę