Termochemie

Termochemie se zabývá studiem energie a tepla při chemických reakcích a fyzikálních přeměnách (fyzikálních změnách). Fyzikální přeměny probíhají tehdy, když se stav hmoty (například pevná látka nebo kapalina) mění na jiný stav. Příkladem přeměn je tání (kdy se pevná látka mění v kapalinu) a var (kdy se kapalina mění v plyn).

Reakcí se energie odevzdává nebo přijímá. Fyzikální přeměna také odevzdává nebo přijímá energii. Termochemie se zabývá těmito energetickými změnami, zejména energetickou výměnou systému s okolím. Termochemie je užitečná při předpovídání množství reaktantů a produktů v každém okamžiku dané reakce. Termochemici k tomu využívají data, včetně stanovení entropie. Termochemici určí, zda je reakce spontánní nebo nesontánní, příznivá nebo nepříznivá.

Endotermické reakce přijímají teplo. Exotermické reakce teplo odevzdávají. Termochemie spojuje pojmy termodynamiky s představou energie ve formě chemických vazeb. Zahrnuje výpočty takových veličin, jako je tepelná kapacita, spalné teplo, teplo vzniku, entalpie, entropie, volná energie a kalorie.

První ledový kalorimetr na světě, který v zimě 1782-83 použili Antoine Lavoisier a Pierre-Simon Laplace. Sloužil ke zjištění tepla uvolněného při různých chemických změnách. Tyto výpočty vycházely z dřívějšího objevu latentního tepla Josepha Blacka. Tyto experimenty odstartovaly termochemii.

Historie

Na počátku termochemie byly dvě myšlenky:

Lavoisier a Laplaceův zákon (1780): V tomto zákoně se uvádí, že změna energie při jakékoliv přeměně je rovna změně energie při opačném procesu.
Hessův zákon (1840): Hessův zákon: Změna energie při jakékoli přeměně je stejná, ať už probíhá v jednom kroku nebo v mnoha.

Tyto objevy přišly ještě před přijetím prvního termodynamického zákona (1845). Pomohly vědcům tento zákon pochopit.

Edward Diaz a Hess zkoumali měrné a latentní teplo. Joseph Black vyvinul koncept latentních energetických změn.

Gustav Kirchhoff v roce 1858 ukázal, že změna reakčního tepla je dána rozdílem tepelné kapacity produktů a reaktantů: ∂ Δ H ∂ T = Δ C p {\displaystyle {{\partial \Delta H} \přes \část T}=\Delta C_{p}} ${{\partial \Delta H} \over \partial T}=\Delta C_{p}$ . Integrace této rovnice umožňuje vyhodnotit reakční teplo při jedné teplotě na základě měření při jiné teplotě.

Kalorimetrie

Měření tepelných změn se nazývá kalorimetrie. Měří teplo chemických reakcí nebo fyzikálních změn. Kalorimetr, přístroj pro kalorimetrii, je obvykle uzavřená komora.

Kalorimetrie má tyto kroky: Chemikové provedou změnu uvnitř komory. Teplota v komoře se měří buď teploměrem, nebo termočlánkem. Teplota se vynese do grafu v závislosti na čase. Chemikové použijí graf k výpočtu základních veličin.

Moderní kalorimetry mají malé počítače, které měří teplotu a rychle poskytují vypočtené údaje. Příkladem je diferenciální skenovací kalorimetr (DSC).

Systémy

V termochemii je velmi užitečných několik termodynamických definic. "Systém" je konkrétní část vesmíru, která je předmětem zkoumání. Vše mimo systém se považuje za okolí nebo prostředí. Systémem může být např:

izolovaný systém - když si nemůže vyměňovat energii nebo hmotu s okolím, jako je tomu u izolovaného kalorimetru bomby;
uzavřený systém - když si může vyměňovat energii, ale ne hmotu s okolím, jako je tomu u parního radiátoru;
otevřený systém - když si může vyměňovat hmotu i energii s okolím, například s hrncem vařící vody.

Procesy

Systém prochází "procesem", když se změní jedna nebo více jeho vlastností (charakteristik). Proces souvisí (navazuje) na změnu stavu. K izotermickému procesu (při stejné teplotě) dochází, když teplota systému zůstává stejná. K izobarickému (stejný tlak) procesu dochází, když tlak soustavy zůstává stejný. Adiabatický (bez výměny tepla) proces nastává, když se v systému nepohybuje žádné teplo.

Související stránky

Důležité publikace z termochemie
Izodesmická reakce
Princip maximální práce
Reakční kalorimetr
Thomsenův-Berthelotův princip
Julius Thomsen
Termodynamické databáze pro čisté látky
Kalorimetrie
Tepelná fyzika

Otázky a odpovědi

Otázka: Co je termochemie?

A: Termochemie je nauka o energii a teple, které souvisejí s chemickými reakcemi a fyzikálními přeměnami.

Otázka: Jaké jsou příklady fyzikálních přeměn?

Odpověď: Mezi příklady fyzikálních přeměn patří tání (kdy se pevná látka mění v kapalinu) a var (kdy se kapalina mění v kapalinu).

Otázka: Jak pomáhá termochemie předpovídat množství reaktantů a produktů?

Odpověď: Termochemici používají údaje, včetně stanovení entropie, k předpovědi množství reaktantů a produktů v každém okamžiku dané reakce.

Otázka: Jsou endotermické reakce příznivé nebo nepříznivé?

Odpověď: Endotermické reakce jsou nepříznivé.

Otázka: Jsou exotermické reakce příznivé nebo nepříznivé?

Odpověď: Exotermické reakce jsou příznivé.

Otázka: Jaké pojmy termochemie spojuje?

Odpověď: Termochemie spojuje pojmy termodynamiky s představou energie ve formě chemických vazeb.

Otázka: Jaké typy výpočtů termochemici provádějí?

Odpověď: Termochemici provádějí výpočty, jako je tepelná kapacita, spalné teplo, teplo vzniku, entalpie, entropie, volná energie a kalorie.