כימיה - 3 יחידות/אנרגיה

מתוך ויקיספר, אוסף ספרי הלימוד והמדריכים החופשי.

קפיצה אל: ניווט, חיפוש

פרק זה, אנו מתמקדים בנושא אנרגיה אנתלפיה (H).

אנרגיה אנתלפיה היא אנרגיה של מערכת (תגובה כימית), הבאה לידי ביטוי בשינוי פיזי של הסביבה.

הסבר המונח: אנרגיה היא דבר שאינו מוחשי, אין ביכולתנו לראות אותו, אך, ניתן לראות את תוצאותיו. למשל : אנרגית חום בא לידי ביטוי ע"י העלאת טמפרטורת הסביבה. כאשר אנו מדברים באנרגיה אנתלפיה, אנו מדברים על אנרגיה הקיימת בתוך מערכת.

תוכן עניינים

[עריכה] שלושת המצבים

קיימים שלושה שינויים של טמפרטורת הסביבה. על פי, שינוים אלו, אנו יכולים לדעת כמה אנרגיה נפלטה/התקבלה מיצרת תוצר, בתוך המערכת. האם המערכת הפסידה אנרגיה (שחררה אנרגיה לסביבה)? או שלהפך?; הרוויחה?.

סביבה מערכת (Hתוצר - Hמגיב = ΔH) דוגמא רווח/הפסד
אקסותרמית ΔT>0 ΔH<0 שריפה רווח/השקעת אנרגיה - בניה
אנדותרמית ΔT<0 ΔH>0 מקרר הפסד/ שחרור אנרגיה - פירוק
אתרומית ΔT=0 ΔH=0


רמת האנרגיה של התגובה נמוכה משל המגיבים – כלומר, למגיבים יש יותר אנרגיה מאשר לתוצרים, ולכן, במהלך התגובה, כאשר המגיבים הופכים לתוצרים, משתחררת אנרגיה

רמת האנרגיה של התגובה גבוה משל המגיבים – כלומר, למגיבים יש פחות אנרגיה מאשר לתוצרים, ולכן, במהלך התגובה מושקעת אנרגיה

[עריכה] חישוב אנרגיה כימית

ישנם מספר דרכים לחישוב אנרגיה כימית (אנרגית חום).

[עריכה] חישוב אנרגית חום לתמיסה

במקרה שלנו, אנו רוצים לדעת כמה אנרגיה כימית צריכים להשקיע בכדי לשבור את הקשר בין מולקולות המים (שבירת קשר מתבצעת ע"י העלאת טמפרטורה) :

  • H_2O_{(s)}\rightarrow H_2O_{(l)}
  • H_2O_{(l)}\rightarrow H_2O_{(g)}

[עריכה] גרף

מצבי צבירה של מים




[עריכה] אנתלפיה

אנו יכולים לומר כי : בכדי שקרח יהפוך למים אנו מנצלים אנרגית חום. אנרגית חום זו באה על חשבון הסביבה. כלומר : ΔT<0. לכן, ע"פ הטבלה שמוצגת למעלה, נוכל לומר כי הסביבה מפסידה, כלומר :ΔH>0.

[עריכה] שלושת הגורמים המשפיעים על חישוב אנרגית חום

[עריכה] מסה (m)

ככל שיש יותר מסה יש להשקיע יותר אנרגית חום (q).
בכתב כימי: qam (a - מסמלת על יחס ישיר בין שני חומרים)

[עריכה] הטמפרטורה אליה אנו רוצים להגיע (T)

ככל שאנו רוצים להגיע לטמפרטורה גבוהה יותר, כך, יש להקשיע יותר אנרגית חום.

[עריכה] סוג החומר/קיבול חום סגולי (C)

כמות החום שיש להשקיע באחד גרם חומר כדי לעלות בטמפרטורה צלזוס אחת. ככל ש-C נמוך יותר, החומר מתחמם מהר יותר, ולכן יש להשקיע פחות אנרגיה.
יחידות היחידה של J/gr*C°=ג'אול/גר*צלזיוס=C
יש לזכור את קיבול חום סגולי של מים שהם : 4.2J/grc.

[עריכה] הנוסחא

מכל שלושת הגורמים (מסה, טמפרטורה...) יצרו נוסחא והיא : q=\frac{\Delta Tmc}{1,000}

מקרא :

  • m - מסה
  • C - קיבולת חום סגולי.
  • ΔT - הפרש טמפרטורה מהטמפרטורה שהינו לטמפרטורה שנרצה להגיע.
  • q - אנרגית חום.

[עריכה] ΔHm ו- ΔHb

  • ΔHm = אנתלפיה היתוך - כמות האנרגיה הדרושה להעברת אחד מול חומר מדוד ממוצק לנוזל.
  • ΔHb = אנתלפיה רתיחה - כמות האנרגיה הדרושה להעברת אחד מול חומר מדוד מנוזל לגז.

בגלל שההפרש בין מעברים, כמו, מעבר ממוצק לנוזל, הוא אפס (בגרף : קו ישר) יצרו נוסחאות למעברים שהן :

  • q = ΔHm * n
  • q = ΔHb * n

[עריכה] תרגיל לדוגמא

נתון :

  • C קרח = 2.1 ג'אול/ג"ר*צלזיוס.
  • C מים = 4.2 ג'אול/ג"ר*צלזיוס.
  • C אדים 1.9 ג'אול/ג"ר*צלזיוס.
  • ΔHm מים = 6kj/mole
  • ΔHb מים = 40.7 kj/mole.

מהי כמות האנרגיה שיש להשקיע ב-50 ג"ר מים בטמפרטורה מינוס 20 מעלות צלזיוס בכדי להפוכם לאדים בטמפרטורה 120 מעלות צלזיוס?

[עריכה] תשובה

qΣ = A+B+C+D+E.

  • A - מוצק.
  • B - מעבר ממוצק לנוזל.
  • והלאה.

חישוב :

  • m = 50gr
  • cקרח = 2.1 ג'אול/ג"ר*צלזיוס.
  • ΔT = 0--20=20
  • qA = 36*2.1*20/1000=1.5
  1. qb = ΔHm*n
  2. n_{H_2O}=\frac{gr}{mm}=\frac{36}{18}=2mole
  3. ΔHm = 6 kj/grc
  4. qb=6*2=12

וכך הלאה עבור כל אחד מהמצבים.

[עריכה] הערות

  1. שיטה זו מתאימה לתמיסות. כאשר מדובר בתמיסה אנו מניחים שתי הנחות :
    • כמות האנרגיה שנפלטת או שנקלטה במערכת זהה לכמות האנרגיה שהקולט/פולט המומס ואין איבוד אנרגיה לכלי, למערכת ולסביבה.
    • קיבול החום הסגולי של תמיסה מימית זהה למים.
  2. נתון נוסף חשוב : 100 מ"ל מים = 100 ג"ר מים.

[עריכה] חישוב גז

אנתלפית (אנרגיה) קשר - האנרגיה הדרושה לפירוק 1 מול מולקולה דו אטומית במצב גזי לאטומים בודדים; גם הם נמצאים במצב גזי (כאשר יש יותר משני מולים אטומים במולקולה; יש לחשב ע"פ אנתלפיית קשר ממוצעת).

  • כששוברים קשר יש להשקיע אנרגיה.
  • כשנוצר קשר מרוויחים אנרגיה.

[עריכה] דוגמא

כמה אנרגיה דרוש להשקיע בכדי לשבור את הקשר : H_{2 (g)}+Cl_{2 (g)}\rightarrow 2HCl_{(g)}
. אם בכדי לשבור את הקשרם הבאים יש להשקיע:

  • H-H : 436
  • Cl-Cl : 242
  • H-Cl : 431.

[עריכה] פתרון

  1. נצייר את הקשר : H-H+Cl-Cl\rightarrow 2*H-Cl
  2. נעזר בנוסחא : Hתוצר - Hמגיב = ΔH
  3. נציב בה : ΔH=436+242-2(431)=-184KJ

[עריכה] לכל מצבי הצבירה

חוק הס - חוזה את השינוי באנתלפיה בתגובה כימית. לפי החוק, מכיוון שהשינוי באנתלפיית התגובה הוא פונקציית מצב, השינוי באנתלפיה של תגובה הוא קבוע, בלי תלות בתגובות ביניים. לכן שלבי ביניים בתגובה הכימית אינם משפיעים על שינוי האנתלפיה.

[עריכה] דוגמא

ΔH = -393.5KJ/mole C_{(s)}+O_{2(g)}\rightarrow CO_{2(g)}
ΔH = -285.9KJ/mole H_{2(g)}+0.5O_{2(g)}\rightarrow H_2O_{(l)}
ΔH = -890.4KJ/mole CH_{4(g)} + 2O_{2(g)}\rightarrow Co_{2(g)}+2H_2O_{(l)}
ΔH = ? C_{(g)}+2H_{2(g)}\rightarrow CH_{4(g)}

מה היא ΔH של התגובה?

[עריכה] דרך פתרון

א. סימון היסודות שרוצים (יש להבדיל בין מצבי הצבירה, מצב צברירה שונה מבטא "יסוד שונה")

ΔH = -393.5KJ/mole C(s) + O2(g)--->CO2(g)
ΔH = -285.9KJ/mole H2(g) + 0.5O2(g) ---> H2O(l)
ΔH = -890.4KJ/mole CH4(g)+2O2(g)--->CO2(g) + 2H2O
ΔH = ? C(s)+2H2(g)--->CH4(g)

ב. סימון + הכפלה של מה שחסר ולכן נרשום : 2H(g) + 0.5O2(g) ---> 2H2O(l)

ΔH = -285.9*2 = -571.8KJ/mole

ג. נפטרים מהגורמים המיותרים במשוואה - כמו במערכת משוואות עם נעלמים במתמטיקה. במקרה שלנו נחבר את משוואה א' וב', ונחסיר אותן מג'. כאשר מבציעים פעולות על המשוואה לקבלת המשוואה רצויה (המשוואה האחרונה שנתונה, לה אין אנו יודעים את ΔH), מבצעים את אותן פעולות גם עבור ΔH.

פתרון : ΔH = -74.9KJ/mole.

[עריכה] מושגים נוספים

  1. אנתלפית אטומוזציה (ΔHa)-כמות האנרגיה הדרושה להעברת מול של אטומי יסוד ממצו התרקני (2.5C מעלות צלזיוס) למצב של גז אטומרי ב-25 מעלות צלזיוס.
  2. שקע = יון חופשי שוקע.
  3. אלטלתה = שבירת קשר.

מקור: http://he.wikibooks.org/wiki/%D7%9B%D7%99%D7%9E%D7%99%D7%94_-_3_%D7%99%D7%97%D7%99%D7%93%D7%95%D7%AA/%D7%90%D7%A0%D7%A8%D7%92%D7%99%D7%94