ترمو شيمي

[*مینا*]

شيمي فيزيک : مطالعه ي اصول فيزيکي است که خواص ورفتار سيستم هاي شيميايي را معين مي نمايند.( شاخه اي از علم شيمي که هدف آن توجيه پديده هاي شيميايي به کمک قوانين فيزيکي است).

ترموديناميک : ترموديناميک به بررسي تبديلات انرژي ازصورتي به صورت ديگردرطي فرايندهاي شيميايي يافيزيکي مي پردازد و مي تواند درباره امکان انجام يک پديده به صورت خودبه خود دريک شرايط خاص پيش گويي کند.(بدون درنظرگرفتن سرعت آن)

ترموشيمي ياگرماشيمي: به مطالعه گرماي آزادياجذب شده درطي فرايندهاي فيزيکي يا واکنش هاي شيميايي مي پردازد.مباحث ترموشيمي درقلمرو قانون اول ترموديناميک جاي دارند.

انرژي: توانايي انجام کارياايجادتغييردرمواداست وبردونوع جنبشي وپتانسيل تقسيم بندي مي شود.

انواع انرژي جنبشي( عبارتند از: انرژي گرمايي، انرژي الکتريکي، انرژي تابشي، انرژي مکانيکي، انرژي صوتي)

پتانسيل (عبارتند از: شيميايي ، هسته اي)

واحدانرژي درسيستم بين المللي واحدها(SI) ،ژول است که به افتخارجيمزژول(يکي ازشاگردان دالتون) نامگذاري شده است.اواولين کسي بودکه باآزمايش هاي خود،ثابت کردکه گرمانوعي انرژي است.(ازديدگاه ديگرانرژي به دونوع مکانيکي وغيرمکانيکي تقسيم مي شود)

انرژي گرمايي: به مجموع انرژي هاي جنبشي(انتقالي،ارتعاشي،چرخ� �ي) ذرات سازنده يک نمونه ماده گويند.

گرما: انرژي گرمايي انتقال يافته ازجسمي به جسم ديگرراگويند.

دما: ميانگين انرژي هاي جنبشي ذرات تشکيل دهنده ي يک نمونه ماده است.(دماي بالاترنشان دهنده ي آن است که شدت جنبش هاي ذرات ماده بيشتر است ودماجهت انتقال خودبه خودي انرژي گرمايي رامشخص مي کند)

نخستين کسي که جيوه رابه عنوان ماده ي دماسنجي به کاربردفارنهايت بود .دلايي انتخاب جيوه به عنوان يک ماده دماسنجي:

1- تهيه ي جيوه مشکل نيست 2- ضريب انبساط جيوه تقريبا يکنواخت ونسبتازياداست 3- جيوه به شيشه نمي چسبد 4- کدر است وسطح آن به خوبي ديده مي شود 5- رسانايي گرمايي زيادوظرفيت گرمايي ويژه کمي داردوبه همين دليل :الف) به سرعت به دماي محيط مي رسد ب) ميزان گرمايي که با محيط خودمبادله مي کندناچيزاست وتغييرمحسوسي دردماي محيط نمي دهد 7- فاصله دماي انجمادونقطه جوش جيوه زياد است(زيادبودن دامنه دمايي کاربردآن رازيادکرده است)

سيستم يا سامانه: بخشي ازجهان مادي که توجه خودرابه آن معطوف نموده وموردمطالعه ترموديناميکي قرارمي دهيم.اين بخش ازجهان مادي به وسيله يک مرزواقعي يافرضي ازبقيه جهان جدا مي شودکه به مرز سامانه مي گويند.

محيط سامانه: آن بخشي از جهان مادي است که مي تواندباسامانه انرژي ، کاريا ماده مبادله نمايد.

سامانه برسه نوع: باز ، بسته و منزوي مي باشد(شرط منزوي بودن يک سيستم آن است که توسط ديواره اي صلب(سخت)،ناتروا و بي دررو(عايق) احاطه شده باشد.* رابطه W = - P?V را ازرابطه ي W = F.d به دست آوريد.فرض کنيدمقداري گازدراستوانه اي قرارداردکه توسط پيستوني باسطح مقطع A محبوس شده است.اگرپيستون نيرويي برابرF برگازدرون استوانه واردنموده وآن رامتراکم کندبافرض اينکه پيستون به اندازه d حرکت کرده باشد.حجم گازبه اندازه ي A.d کاهش مي يابد:



COS180 = -1 , P =F/A , ?V = A.d ? d = ?V/A



W = F.d.COS180 ? W = - F.( ?V/A) ? W = - (F/A).?V ? W = - P.?V

* حساب کنيد هرليتر. اتمسفر (atm.l) برابرچند ژول است؟



1atm = 101325pa = 101325 N.m?2 و 1L = 10 -3 m3



1L . atm = 101325N.m-2 . 10-3 m3 = 101.352N.m = 101.325J

انرژي دروني: مجموع انرژي هاي جنبش وپتانسيل ذرات تشکيل دهنده يک نمونه ماده را گويند. ( E =EP + EK )

انرژي دروني يک ماده به نوع ماده ومقدار آن و دما وفشار وابسته است.وتعيين مقدارواقعي انرژي دروني يک ماده ممکن نيست.زيرا

براي اندازه گيري يک کميت معين، بايد نقطه مبدا مشخص باشد.حتي درصفرمطلق هم، انرژي جنبشي وپتانسيل ذرات ماده برابر صفرنيست(اگربتوانيم براي ماده شرايطي را بوجودآوريم که درآن انرژي دروني برابرصفرشود آنگاه بادادن انرژي به ماده مي توان انژي دروني آن رادرشرايط خاص تعيين کرد امااين کارممکن نيست)

منشا انرژي جنبشي ذرات: ذرات تشکيل دهنده ي يک ماده،جنبش هاي متفاوتي دارندکه به مجموع انرژي هاي وابسته به اين حرکت هارا انرژي گرمايي مي نامند. سهمي ازا انرژي جنبشي مولکولها رابه حرکات درون اتم ها مربوط مي شود.الکترون ها،درون اتم، به دور هسته مي چرخندوعلاوه برآن داراي اسپين هستندکه درانرژي جنبشي ذرات ماده سهم دارد.

منشا انرژي پتانسيل ماده: انرژي پتانسيل يک نمونه ماده ماده را مي توان به دو بخش تقسيم کرد:

1- بخشي ازآن انرژي پتانسيل گرانشي ناميده مي شودوبه موقعيت جسم، نسبت به يک سطح مبدا که انرژي پتانسيل گرانشي رادرآنجا

صفردرنظر مي گيريم مربوط مي شود

2- بخش ديگربه طرزاتصال اتم ها درمولکول(پيوندبين اتمي) وموقعيت مولکولها (نيروهاي بين مولکولي) نسبت به هم مربوط ميشود.

دو ذره که يکديگرراجذب مي کنند، هرچه به هم نزديکتر مي شوند،انرژي پتانسيل کاهش مي يابدوبه هنگام تشکيل پيوند بين دواتم، جاذبه بين ابرالکتروني هراتم باهسته اتم مجاوربردافعه ي بين ابرالکتروني دواتم وهسنه دواتم غلبه ميکندوآنهاراتايک فاصله ي تعادلي به هم نزديک مي کندو انرژي پتانسيل کاهش مي يابدوبه صورت گرما آزاد مي شود(کتاب شيمي2).همچنين هنگام تبخير و ميعان و...يک ماده،درقدرت نيروهاي بين مولکولي آن تغييراتي بوجود مي آيدودرواقع برانرژي پتانسيل ذرات اثرمي گذارد.

تغييرانرژي دروني سامانه: وقتي سامانه اي دچارتغييرفيزيکي ياشيميايي مي شود انرژي دروني آن بامبادله انرژي يا کارتغييرمي کندوقتي کاري ازنوع فشار- حجم برروي سامانه انجام شود(حجم سامانه کاهش يابد) کارانجام شده(W>0) به صورت انرژي درسامانه ذخيره مي شود وهنگامي که سامانه برروي محيط کار(W<0)انجام دهد(حجم آن افزايش يابد)بخشي ازانرژي دروني سامانه صرف انجام کارمي شودوانرژي دروني سامانه کاهش مي يابد

تمرين1- تغييرانرژي دروني سيستم را درهريک ازحالات زيرمحاسبه نماييد:


الف) سامانه 13430ژول کاربرروي محيط انجام داده ومحيط نيز 1500ژول گرما به سامانه داده است.

ب) دراثرانجام واکنش، حجم سامانه درفشار 1atm از2Lبه4L افزايش يافته و 2700Jگرما نيزبه محيط داده است

پ) تغييرانرژي دروني يک سيستم گازي راهنگامي که 40KJگرما دريافت ودرفشارثابت1atm دستخوش افزايش حجمي برابر5L ميشود.





شيرين کريمي



گروه شيمي منطقه جي (http://shimijey.parsiblog.com/-481202.htm)

[*مینا*]

ترموشيمي
تابع حالت : خاصيتي از سيستم است که تنها به حالت فعلي سيستم وابسته است و وضعيت فعلي سيستم مهم است واصلا اهميتي نداردکه چگونه سيستم به اين حالت رسيده است.براي يک سيستم 8 تابع حالت وجود داردکه عبارتنداز: فشار، دما ،حجم ،انرژي دروني (qv) ،آنتالپي (qp)،ظرفيت گرمايي درحجم يافشارثابت،آنتروپي،انرژي آزاد.وقتي مقادير2يا3 تابع حالت براي يک سيستم معلوم باشدمقاديرسايرتابع هاي حالت آن قابل تعيين است.مثلا باداشتن حجم ودماي يک مول گاز،ميتوان از رابطه pv = nRT فشار آن رااندازه گيري کرد.

آنتالپي ( H ): مرکب ازدولغت يوناني Endonبه معني در يا درون و Thalpein به معني گرم کردن که برروي هم به معني گرماي دروني ياانرژي دروني است.چون فشار وحجم کميت هايي مثبت هستند،آنتاپي يک سيستم به اندازه P.V ازانرژي دروني آن بيشتراست( H - E = P.V ) چون اغلب واکنش ها درفشارثابت اتمسفر انجام مي شوند،گرماي واکنش هابرابرباتغييرآنتالپي سيستم خواهدبودونه تغييرانرژي دروني سيستم.

چند نکته:

1-طبق قرارداد،علامت ?H درواکنش گرماگيرمثبت ودرواکنش گرماده منفي است.

2- اگرموادشرکت کننده درواکنش درحالت مايع ياجامدباشند،تغييرحجم،قابل توجه نخواهدبودوعملامي توان?H و ?E رابرابردرنظر گرفت.اما اگر واکنش درفازگازي انجام شوداين تفاوت ،قابل اغماض نخواهد بود.

3- مقدار ?H به حالت فيزيکي مواد شرکت کننده درواکنش بستگي دارد.

4- اگرضرايب مواد شرکت کننده در واکنش،درعددي ضرب يابرعددي تقسيم شوند ?H نيزبرآن عددضرب يا تقسيم خواهدشد

5- مقاديرH? واکنش با تغيير دما وفشار اندکي تغيير مي کند.طبق قرارداد،مقاديرH? درفشاراستانداردگزارش مي شود(?H0 )

6- چنانچه جهت واکنش عوض شود،علامت?H تغيير مي کندبدون آنکه درمقدارآن تغييري حاصل شود.

7- اگرواکنشي درچندمرحله انجام شود،H? واکنش نهايي برابربامجموع ?H هاي مراحل چندگانه ي آن واکنش خواهدبود.

تغييرآنتالپي برخي فرايندهاي مهم:

1- گرماي تشکيل مولي(H0F?) : گرماي مبادله شده درفرايندي است که طي آن يک مول ماده ي مرکب ازعناصرسازنده اش تشکيل شود(معمولا برحسب KJ mol-1 بيان مي شود). مثال : 2Na(S) + 1/2O2(g) ? Na2O(S)

الف) درحالت استاندارديک ماده ي شيميايي،پايدارترين حالت آن درفشارثابت1atm است.مثلاحالت استانداردکربن،گرافيت است ونه الماس.

ب) هرچه ?H0F ترکيبي کوچکتر باشد،آن ترکيب پايدارتراست .

پ) مقدار ?H0F براي عناصر، صفردرنظرگرفته مي شود.

2- انرژي تفکيک پيوند( ?H0D ) : گرماي جذب شده درطي فرايند است که طي آن يک مول پيوند، به صورت متقارن بشکندواتم هاي منفرد گازي حاصل شود. (معمولا برحسب KJ mol-1 بيان مي شودو همواره مثبت است). مقدار ?H0Dبراي يک پيوند معين همواره ثابت نيست و ميانگين مقادير ?H0Dيک پيوند درترکيبات مختلف است.

تعيين تغييرآنتالپي واکنش به روش تجربي: در اين روش ،تحت شرايط کنترل شده مقدار معيني ازموادرادرگرماسنج واکنش مي دهند،آنگاه بااندازه گيري گرماي مبادله شده وبايک سري کسرهاي استوکيومتري ساده ،H? واکنش رابراي معادله موازنه شده به دست مي آورند

مثال:ازاحتراق کامل نمونه اي از اتانول به جرم 2/83g در دماي 25 0C دريک بمب کالريمترطبق معادله واکنش زير،84 KJ گرما آزاد شده است.?E و ?H واکنش را محاسبه کنيد. C2H5OH(L) + 3O2(g) ? 2CO2(g) + 3H2O(L)


=-1365/4KJ ?E = q V = 46g



?H = ?E + (?n)RT , ?n = -1 ? ?H = ?E – RT



?H = -1365/5KJ –{(1mol . 0/0083KJ.mol-1.K-1).298K}= -1367/9KJ

[*مینا*]

آنتروپي(S) : (مرکب از دولغتendon به معني درون يادر و tropein به معني گردش ياتغييروبرروي هم به معني گردش دروني يا بي نظمي است).آنتروپي کميتي ترموديناميکي ومعياري ازبي نظمي يک سيستم است ويکاي آن J.K-1.mol-1 مي باشد.

قواعد کلي براي حدس زدن علامت آنتروپي:

1- معمولا جامدات از مايعات ومايعات ازگازها منظم ترند(SS <SL <Sg )

2- بي نظمي همه جامدات بايکديگر برابرنيست(درجامدات يوني با افزايش تعداديون هادرواحدفرمولي،آنتروپي افزايش مي يابد)

3- بي نظمي همه ي مايعات ياگازهاباهم برابرنيست(به طورکلي هرچه مولکول پيچيده ترشودبي نظمي نيز بيشترخواهدشد)

4- آنتروپي يک نمونه ماده باافزايش دما، افزايش مي يابد.اين افزايش آنتروپي براي گازها قابل توجه است ولي براي مايعات و به خصوص جامدات، چندان زياد نيست.

5- تغييرآنتروپي تغييرفاز هميشه مقداري قابل توجه است

6- انحلال يک جامديا مايع خالص دريک حلال عموما باافزايش درآنتروپي همراه است.ولي درانحلال يک گازدرحلال،علامت S? منفي است.

پرفسور جوسيا ويلارد گيبس باتلفيق سه عامل آنتالپي و آنتروپي ودما ،تابع حالت جديدي رابه نام ((تابع انرژي آزاد گيبس)) معرفي نمود: G = H – TS ودرشرايط استاندارد تغييرانرژي آزادعبارت است از : ?G0 = ?H0 – T?S0