LEKSIONI 8

1. LEKSIONI 8 ENERGJITIKA KIMIKE dhe ELEKTROKIMIA

2. A) 1- Energjetikakimike Energjitikakimike (osetermokimia) studionefektettermiketëreaksionevekimikedhebazohetnëdyprincipebazëtënjohurasiligjiiparëdheidytëitermodinamikës. Këtustudiohenefektettermikeqëshoqërojnëreaksionetkimike, mundësitë e kryerjessëtyreosejo, sidhedrejtimin e tyre.

3. 1.1- Koncepte per sistemitermodinamik “Tëfiksoshnjësistem do tëthotë, tëmarrëshnëkonsideratënjësasitëcaktuarmaterietëdalluar ose tëveçuarngamjedisirrethues, mbitëcilinkryhenvrojtimekimike ose fizike” Rrjedhimisht, njësistemtermodinamik, duhettëjetë i ndërtuartëpaktënnganjësasi (porcion) i perceptueshëm i materies. Zakonishtështë i ndërtuarnganjëbashkësitrupashhomogjenё ose heterogjenё.

4. Sistemetermodinamikejanë p.sh. njësasiuji, njëkristalkarboni, njësasioksigjeni, tretësira e njëacidi ose baze, njëlëngnëekuilibёr me avujt e tijetj. • Sistemiquhethomogjenkurpërbëhetnganjëfazëdhemungonsipërfaqja e ndarjesmidissubstancavetëndryshmeqëpërbëjnësistemin. • Njëpërzierjegazesh ose njëtretësirëmolekulare, përfaqësojnësistemehomogjene se midispjesëvepërbërësemungonsipërfaqjandarëse. Ndryshe, sistemihomogjenquhetdhesistemnjëfazor.

5. Me “fazë”kuptojmë: “njëtërësigrimcash me përbërjefizikedhekimiketënjejtëdheqëkufizohen me njësipërfaqendarjengapjesët e tjerapërbërësetësistemit”. • Sistemi i përbërëngady ose mëshumëfazaquhetsistemheterogjen. • P.sh., sistemiqëpërbëhetngauji i lëngëtdheakulli, njëtretësirë e mbingopur, ujidheavulli i tijmbitë, përbëjnësistemeheterogjeneetj.

6. 1-2 Energjia e reaksionevekimike • Energjia, ndonseështënjëterm me përdorimtëgjërë, realishtështënjëkonceptabstrakt. Nëlëndë (materie) tëndryshme, energjianukmundtëshikohet, nukmundtënuhatet, nukmundtëpreket ose tëpeshohet. Energjianjhetdhevlerësohetvetëmpërngaefektet e saja. Ajo zakonishtvlerësohet si aftёsi përtëkryerpunë. Ngakykënd-vështrimmundtapërkufizojmë: • Me energjikuptojmëaftësinëpërtëkryerpunëdhetransmetuarnxehtësi.

7. Dallojmëdisa forma tëçfaqiessëenergjisë: 1- Energjiatotale (energjiapotenciale + energjiakinetike) e cila sipas ligjittëruajtjessëenergjisë, nënjësistemtëmbyllur, nukndryshon. 2- Energjia e ngrohjes ose energjiatermikeqëështënjëngaformat e energjisëmolekulare. 3- Energjia radiante dheelektrike si dy forma tëveçantatëenergjisëatomikedheasajmolekulare.

8. 1.2 - Njësitë e energjisë Energjiamatetnëkalori. 1 kaloriështësasia e nxehtësisë e nevojshmepër tu shpenzuarnëmënyrëqë 1g ujë i lëngët, i pastër, tërrisitemperaturën e tijnga 14.50C në 15.50C. 1kcalori = 1kcal = 1000calori

9. Nësistemin SI, si njësi e energjisëpërdoretjouli. 1kalori është e barabartë me 4.184 joule. Përdoretjouli(J)sepsekjonjësi del ngallogaritjet e energjisë: Nëqoftësenjëtrupprej 2Kg e lëvizim me njëshpejtësi 1m/sek, atëhereenergjiakinetike do tëjetë: Energjiakinetike = EK = 1/2mv2 = ½(2.0Kg)(1.0m/sek)2 = 1.0Kg m2/s2 = 1.0 J (joule).

10. 2- Entalpia ose nxehtësia e formimit Nëreaksionetkimikethithja e nxehtësisëQV, është e lidhurme ndryshimin e energjisësëbrendëshmetësistemit QV = ΔU. RjedhimishtefektitermikQp, është i barabartë me: Qp= ΔU + PΔV Qp= (U2-U1) + P(V2-V1) Ose: Qp= (U2+PV2) - (U1+PV1)

11. Shënojmë: U + PV = H Atëhere: Qp= H2 - H1 = ΔH MadhësiaH quhetEntalpi, ndërsamadhësiaΔH ndryshimientalpik i njëreaksionitëdhënë. Entalpia mundtëshihet si energjia e zgjerimittësistemit.

12. Zakonishtshfrytëzohenentalpitëstandartetëformimit. AtoshënohenΔH0f298. Entalpitëstandartetëformimittësubstancavetëthjeshta e tëqëndrueshme (oksigjenigaztë, bromilëngët, jodkristalin, squfurrombik, grafitetj), nëkushtestandarte, merrentëbarabarta me zero.Entalpitë e formimitdihenpërrreth 4 mijësubstancanëgjëndjetëndryshmedhekëtojepennëpasqyratrespektive. Entalpitёe formimitshprehennë J/mol.

13. Efektettermiketëraksionevepërcaktohensieksperimentalisht me anën e kalorimetrave (shëmbulliinjëbombolekalorimetrikeështëdhënënëfig.1), ashtudhe me ndihmën e llogaritjevetermokimike.

14. Fig1 Njëbombolekalorimetrikekumundtëmatenefektetenergjitiketëreaksionevetëndryshmekimike.

15. Përtabërëtëmundurkrahasimin e efekteveenergjitiketësistemevetëndryshmellogaritjettermokimikezakonishtireferohen1moli substance dhekushtevetëpranuarastandarteqëjanë: P = 1atm dhe T = 298K, prallogaritenefektettermikestandarteΔH0298 (ΔU0298). Barazimete reaksionevekimikekutregohetdheefektitermikquhenbarazimetermokimike.

16. 2.1- LigjiiHessit • Nëbazën e llogaritjevetermokimikeqëndronligjiiformuluarngaG. J. Hessqëshprehetsimëposhtë: • Efektitermikireaksionitvaretvetëmngallojidhegjëndja e substancavetënisjesdheproduktevedhenukvaretngarruga e procesit d.m.th. nganumridhekarakteristikat e stadevetëndërmjetëme.

17. Po sipasligjittëHessit, efektitermikinjëreaksionikimikështëibarabartë me shumën e entalpivetëformimit.tëproduktevetëreaksionit, minus shumën e entalpivetëformimittësubstancavetënisjesqë do tëthotë se përreaksionin e formëssëpërgjithshme: aA + bB = dD + eE EfektitermikΔH do tëpërcaktohetngabarazimi: ΔH = (dHfD + eHfE) - (aHfA + bHfB) Ose: ΔH = ΔHfprod – ΔHfsub.fill

18. 3- Entropia Shumicae procesevepërfaqësojnënëvetvetedydukuriqëzhvillohennjëkohësisht: Transmetimiienergjisëështënjeradukuridhendryshiminërenditjen e grimcavendajnjëra-tjetrësështëdukuria e dytë. Tekgrimcat (molekula, atome, jone) egzistontendencadrejtlëvizjessëçrregullt, prandajsistemitentontëkalojënganjëgjëndje me rregullsimëtëmadhenëgjëndjen me rregullsimëtëvogël.

19. Si masësasiore e rregullsisëparaqitetentropia S. Gjatëkalimittësistemitnganjëgjëndje me rregullsimëtëmadhenëgjëndje me rregullsimëtëvogëlentropia e sistemitrritet (ΔS > O). Kalimiisistemitngagjëndja me rregullsimëtëvogël, nëgjëndje me rregullsimëtëmadhe, është e lidhur me zvoglimin e entropisëdherrjedhja e vetvetishme e procesitështë e pamundur. Nërastet e kalimittësistemit me rregullsimëtëmadheentropia e sistemitzvogëlohet (ΔS < O).

20. Nuk ështëvështirëtëkuptohet se gjatëkalimittëlëngutnëavull, gjatëtretjessësubstancavekristalineetj, entropiarritet. Nëtëgjithakëtoraste, vërehetzvogëlimi i renditjessërregullttëgrimcavendajnjera-tjetrës. Përkundrazi, nëproceset e kondensimit, kristalizimittësubstancaveetj, entropiazvogëlohet.

21. 4- Energjia e lirë e Gibbsit • Nëmënyrëtëvetvetishme d.m.th. paharxhuarenergjingajashtë, sistemimundtëkalojënganjëgjëndjemëpak e qëndrueshmenënjëgjëndjemëtëqëndrueshme. • Ngaato që u trajtuanmësipër, rrjedh se nëprocesetkimikeveprojnënjëkohësishtdytendenca: • (a)- Tendenca e bashkimittëgrimcavemëtëthjeshtanëgrimcamëtëpërbëra, nësajëtëformimittëlidhjevemëtëfortaqëshoqërohet me uljen e entalpisëtësistemit, • (b)- Tendenca e përgjithëshme e grimcavepër tu shpërndarë, tendencë e cilashoqërohet me rritjen e entropisë.

22. Me fjalëtëtjera, shfaqetveprimi i dyfaktorëvetëkundërt, faktoritentalpik (ΔH) dheatijentropik (TΔS). Efektirezultant i këtyretendencavetëkundërtanëprocesetkimike, pasqyrohennëpërmjetnjëfunksionitermodinamik i ciliemërtohet si energjia e lirë e Gibbsitose thjeshtenergjisë e lirë (G).

23. Matematikisht, energjia e lirë e njësistemiG, jepet me barazimin: G = H – TS Ku: H-është entalpia; T-është temperatura në kelvin dheS-ështëentropia. Ndryshimii energjisësëlirë (ΔG) i njësistemillogaritet sipas barazimit: ΔG = ΔH – TΔS Energjiae lirë e GibbsitshprehetzakonishtnëkJ/mol.

24. Karakterii ndryshimittëenergjisësëGibbsit, lejontëgjykohetmbimundësinë ose pamundësinë e zhvillimittëprocesit. Si kusht i mundësisësëprocesitparaqitetΔG < O. Reaksionetrrjedhinnëmënyrëtëvetvetishmenërast se energjia e Gibbsitnëgjëndjenfillestareështëmë e madhe se nëgjëndjenpërfundimtare. Rritja e energjisësëGibbsitΔG > O dëshmonpërpamundësinë e zhvillimittëvetvetishëmtëprocesitnëkushtet e dhëna. Nërast se ΔG = Oatëheresistemindodhetnëgjëndjen e ekuilibritkimik.

25. B) 1-ELEKTROKIMIA Ndryshkjae hekurit, fotosintezatekgjethet e pemëvedhenëtëtjerabimëtëgjelbrasidheshndërrimet e ushqimevenëenergji, qëndodhinnëorganizëm, janëshembujtëatyreshndërrimevekimikeqëjanëtëlidhur me kalimin e elektronevenganjësubstancëkimikenënjëtjetër.

26. Kurndodhinkëtareaksionelindnjëflukselektroneshicilimundtëdrejtohetdhetëkalojënëpërmjetnjëteli, oseedhe e kundërta, këtoreaksionemundtëshkaktohennganjëflukselektronesh. Këtoprocesequhenshndërrimeelektrokimike. Studimiikëtyreshndërrimeveështëquajturelektrokimi. Zbatimete elektrokimisëjanëmjafttëpërhapura. Bateritë, tëcilatprodhojnëenergjielektrikenësajëtëreaksionevekimike, përdorengjerësisht duke filluarngalodrat, makinatllogaritese, radiot, magnetofonët e deritek "pacemaker" qëmbajnëritmin e zemrës, apodisaautomobilaetj.

27. Nëlaboratormundtëkryhenmatjeelektriketëreaksionevekimiketëtëgjithallojeve, madjeedhetëatyreqëndodhinnësistemeshumëtëvegjël, siçjanëqelizat e gjalla. Nëindustri, pjesamë e madhe e komponimevetërëndësishmekimike (përmendimkëtuhipokloritindhehidroksidin e natriumit), përftohennëpërmjetreaksioneveelektrokimike. Sikurtëmosqenëreaksionetelektrokimike, strukturatmetalikeprejalumini e magneziumi do tëishinvetëmkuriozitetelaboratori.

28. 2- Elektroliza Kurkalonelektricitetnëpërmjetnjëkomponimikimiknëgjëndjetëshkrirëaponënjëtretësirëqëpërmbanjone (elektrolit) ndodhnjëreaksionkimikiquajturelektrolizë. Njëaparattipikpërelektrolizëiquajturenëelektrolitikeoseelektrolize, ështëilustruarnëfigurën2.

29. Fig 2Enae elektrolizësnëtëcilën, kalimiirrymëselektrike, zbërthenklorurin e natriumittëshkrirënënatriummetalikdheklortëgaztë.

30. Dyelektrodainerte (elektrodaqënukbashkëveprojnë me NaCl e shkrirë) zhytennëenëdhelidhen me njëburimtërrymëselektriketëvazhduar. Kurrrymafillontëkalojë, nisintëkryhenedheshndërrimetkimike. Nëelektrodënpozitive, anodë, kuelektronetshkëputenngajonetklorurtëngarkuarnegativisht, ndodhoksidimi. Burimiirrymësshtynkëtaelektronenëpërmjetqarkutelektriktëjashtëmdrejtelektrodës negative katodësku, nëmomentinkurelektronetmerrenngajonetnatriumtëngarkuarpozitivisht, ndodhreduktimi.

31. Emërtimi i një elektrode të një ene elektrolitike si anodë apo katodë, varet nga lloji i shndërrimit kimik (oksidim ose reduktim) që ndodh në të. Në çdo enë elektrolitike do të emërtojmë: • Anodë është emri i elektrodës në të cilën ndodh oksidimi. • Katodë ështe emri i elektrodës në të cilën ndodh reduktimi.

32. 2- Shndërrimet sasiore gjatë elektrolizës Shkencëtari anglez Michael Faradayqe i pari që përdori i termat anodë, katodë, elektrodë, elektrolit dhe elektrolizë. Faraday zbuloi se sasia e substancës e shndërruar gjatë elektrolizës është në përpjestim të drejtë me sasinë e elektricitetit që kalon nëpër enën elektrolitike.

33. Për shembull, reduktimi i jonit bakër në katodë jepet nga ekuacioni i mëposhtëm: Cu2+(aq) + 2e- Cu(ng) Depozitimi i një moli bakër metalik kërkon dy mole elektrone; për të depozituar dy mole bakër janë të nevojshme katër mole elektrone, çfarë do të thotë një sasi dyfish elektriciteti:

34. Njësia që normalisht përdoret në elektrokimi për të treguar një mol elektrone është faradeiF, i quajtur kështu për nder të Michael Faraday-t. 1F = 1mol e- Për të përdorur ashtu siç duhet faradein duhet ta lidhim atë me matjet elektrike që mund të kryhen në laborator.

35. Njësia në SI e rrymës elektrike është amperi (A), ndërsa ajo e ngarkesës është kulomb (C). Një kulomb është sasia e ngarkesës që kalon në një fije kur rryma prej një amper kalon për një sekondë. • 1 kulomb = 1 amperx1 sekond 1C = 1Axs

36. Nëmënyrëeksperimentaleështëpërcaktuar se 1faradej (një mol me elektrone) mbartnjëngarkesëprej96494C. Këtënumërpërzbatimeelektrokimie do tapërdorimtërrumbullakosur. 1F = 96500C

37. 3- Zbatime të elektrolizës Elektroliza ka shumë zbatime industriale. Në këtë lekswion do të shikojmë shkurtimisht kiminë e elektrodepozitimit si edhe prodhimin e disa komponimeve kimike më të rëndësishme.

38. 3.1- Elektrodepozitimi Elektrodepozitimi (vendosja e një shtrese të hollë zbukuruese ose mbrojtëse në sipërfaqen e një metali), është një teknikë për t’ju dhënë sendeve një pamje të veçantë dhe një farë rezistence. Për shembull, në strukturat prej çeliku që ju vendosen makinave për tu mbrojtur nga përplasjet, vendoset një shtresë e hollë kromi metalik për t’i bërë ato më të hijshme dhe për të mënjanuar ndryshkjen. Veshjet me argjenddhe me arpërdorenshumënëargjendaripërtëmbuluar me to metalemëpaktëkushtueshëm. Krijimiikëtyreshtresavetëholla (0.03-0.05 mm) bëhet me anëtëelektrolizës.

39. Nëfig 3 jepetnjëaparatipërdorurpërtëmbuluarsendet me argjend. Joni argjend, qëndodhetnëtretësirë, reduktohetnëkatodë, kudepozitohetsiargjendmetalikmbiobjektinqëduhetmbuluar. Nëanodë, e cilapërbëhetnganjëfletëargjendimetalik, argjendioksidohet duke zëvendësuarjonetargjendtëtretësirës. Me kalimin e kohësargjendikalongradualishtngafletëzaqëpërbënanodënteksendiqëpërbënkatodën. Përbërjae saktë e banjos sëpërdorurpërtërealizuarnjëelektro-depozitimndryshonnëvartësitëmetalitqëduhettëdepozitohet.

40. Fig 3 Aparatpërelektrodepozitimineargjendit

41. 3.2- Rafinimi i bakrit Një nga zbatimet më interesante dhe më ekonomike të elektrolizës është pastrimi dhe rafinimi i bakrit metalik. Bakri metalik i përftuar nga mineralet e tij ka një pastërti prej rreth 99%. Papastërtitë ulin përcjellshmërinë elektrike të bakrit në mënyrë të ndjeshme, aq sa duhet rafinuar më tej para përdorimit si përcjellës elektrik. Në figurën 4është ilustruar proçesi që përdoret për këtë rafinim.

42. Fig 4 Pastrimielektrolitikibakrit.

43. Bakri i papastër përbën anodën e enës elektrolitike që përmban një tretësirë të sulfatit të bakrit dhe acid sulfurik si elektrolit. Katoda është një fletë e hollë bakri shumë e pastër. Kur fillon elektroliza me tensionin e kërkuar, në anodë, bakri dhe papastërtitë të cilat oksidohen më shpejt se bakri.

44. Gradualisht, anoda me bakër të papastër tretet, ndërsa katoda prej bakri trashet. Bakri i depozituar tashmë ka një pastërti prej 99.95%. Mbetjet (balta anodike) që grumbullohen në fund të enës hiqen herë pas here dhe vlera e argjendit dhe e arit të nxjerra prej tyre, është shpesh sa gjithë shpenzimet e rafinimit.

45. 4- Elementi galvanik Elementët që prodhojnë energjinë nga reaksione redoks të vetvetishme, në të cilat kalimi i elektroneve arrihet nëpërmjet një qarku të jashtëmjanë quajtur elementë galvanikë,

46. Një aparat në të cilin realizohet ideja e mësipërme (një element galvanik) ilustrohet në figurën 5. Në të majtë, një elektrodë argjendi zhytet në një tretësirë të nitratit të argjëndit, ndërsa në të djathtë një elektrodë bakri në një tretësirë të nitratit të bakrit, Cu(NO3)2. Të dy tretësirat lidhen nëpërmjet një ure kripore të jashtëm.

47. Fig 5 Njëelement galvanik

48. Bateriae zakonshme me plumb, e cilapërdoretpërtëvënënëlëvizjemotorrat e makinave, ështënjëzbatimelementëshgalvanikë, tëlidhuranëseri, kusecili ka njëf.e.m.rreth 2V. Pjesamë e madhe e baterivenëtregpërmbajnëgjashtëelementëdhejapinrreth 12V. Ndërtimiinjëbaterie me plumb tregohetnëfigurën 6. Anodaështë e përbërëngadisaelektrodaplumbi, ndërsakatodangaelektrodaprejdioksidplumbi. Si elektrolitpërdoretacidisulfurik.

49. Figura 6 Një bateri me plumb prej 6V është e ndërtuar nga tre elementë të lidhur në seri. Secili element prodhonrreth 2V

50. Nje tjeter zbatim galvanik eshte pila e zakonëshme e thatë zink-karbon prej 1,5V, e cila përdoret për flesh, magnetofonë etj. Një prerje e saj tregohet në figurën 7. Pjesa e jashtme është prej zinku dhe funksionon si anodë. Në kontakt është vetëm fundi i saj dhe përbën skajin negativ. Katoda (skaji pozitiv i elementit) është i përbërë nga një shufër karboni (grafit) e rrethuar nga një masë grafiti pluhur, oksid mangani dhe klorur amoni.