תרמי - חום דינמיס - כוח

1. תרמודינמיקה תרמי - חוםדינמיס - כוח אבן שושן- ענף במדעי הפיסיקה העוסק בחקר הפיכת אנרגיית חום לצורות אנרגיה אחרות. המרכז הפדגוגי לעובדי הוראה, ירושלים, אילנה זהר

2. מדוע מתרחשות תגובות ?כימיות • הנטייה למינימום אנרגיה • הנטייה למקסימום אי סדרבעבר חשבו שרק ראקציות אכסותרמיות מתרחשות אבל...

3. קיימות תגובות אנדותרמיות המתרחשות בטמפ. החדר:לדוגמא • התאדות (אצטון, מים) • המסת אמון חנקתי NH4NO3במים. • התגובה הבאה מתרחשת תוך התקררות מהירה: • Ba(OH)2.8H20(s) + 2NH4SCN(s) 2NH3(g) + Ba(SCN)2(s) + 10H2O(l) • מתי תתרחש ספונטנית תגובה אנדותרמית?

4. אי סדר - אנטרופיה -S -מספר הדרכים לתיאור המערכת אי סדר גדול מספר גדול של דרכים לתיאור המערכת אנטרופיה גבוהה Sגדול

5. מספר הדרכים לתיאור המערכת • מהו מספר האפשרויות להכניס חלקיק לתיבה בה יש 10 תאים? • אם התיבה בת 20 תאים, האם מספר האפשרויות קטן/גדל/שווה? • אם מכניסים לתיבה בת 10 תאים שני חלקיקים שווים, האם מספר האפשרויות קטן/גדל/שווה? • אם מכניסים לתיבה בת 10 תאים שני חלקיקיםשונים, האם מספר האפשרויות קטן/גדל/שווה? • מהי ההתאמה הקיימת בין המקרים הנ”ל לאנטרופיה של גז?

6. יחידות • אנטרופיה - S - אי-סדריחידות - joule/oK • אנתלפיה - H - תכולת אנרגיה חומניתיחידות - joule • 1000joule = 1k.joule

7. אנטרופיה • S- לכל חומר ניתן לייחס אנטרופיה מוחלטת. • אפשר להקטין או להגדיל את האנטרופיה ע”י תוספת או הפחתה של אנרגיה. • אנטרופיה תיקנית - S0 - האנטרופיה המוחלטת של מול חומר בתנאי תקן.

8. S0 H2O(s) H2O(l) H2O(g) החומר 47.8 70 188.7 So J/0k גורמים הקובעים את גודל האנטרופיה א. מצב צבירה • מוצק מסודר יותר מנוזל כי לחלקיקים במוצק יש פחות חופש תנועה. • נוזל מסודר יותר מגז כי לחלקיקים בנוזל יש פחות חופש תנועה. • מדוע שונה השיפוע בגרף? • חומרים לרוב מסודרים יותר במוצק מאשר במצב מומס במים. הסבר את נתוני הטבלה

9. MgO NaCl KCl Al Mg Na החומר במוצק 26.8 72.4 82.7 28 32.7 51 האנטרופיה J/okלמול קשר יוני קשר מתכתי עליה בחוזק הקשר. מדוע? עליה בחוזק הקשר. מדוע? ירידה באנטרופיה ירידה באנטרופיה ב. מבנה וחוזק הקשר במוצקים לא בתכנית הסבר את נתוני הטבלה הסדר במוצק נקבע ע”י צורת האריזה וחוזק הקשר. ככל שהקשר חזק יותר המוצק מסודר יותר והאנטרופיה נמוכה יותר.

10. I- Br- Cl- K+ Na+ Li+ היון הממוים S0 J/0kmol 113.3 82.4 56.5 102.5 59.0 14.2 עליה ברדיוס היון עליה ברדיוס היון ירידה בחוזק המיום ירידה בחוזק המיום עליה באנטרופיה עליה באנטרופיה ג. האנטרופיה התקנית של יונים ממוימים לא בתכנית ככל שהמיום חזק יותר האנטרופיה נמוכה יותר. למי מהיונים הממוימים הבאים אנטרופיה גבוהה יותר? נמק Na+ אוMg2+

11. Kr Ar Ne He Xe החומר S0J/0kmol 169 164 155 146 126 ד. המסה המולרית בגזים אצילים הסבר את נתוני הטבלה ככל שעולה המסה המולרית האנטרופיה גדלה. יש יותר אלקטרונים נעים.

12. ה. סיבוך המולקולות במצב גזי הסבר את נתוני הטבלה עבור מצב צבירה גזי ומסה מולרית דומה, ככל שהמולקולה מורכבת מיותר אטומים האנטרופיה גבוהה יותר. יש יותר קשרים לכן יותר אפשרויות לתנודה בקשרים.

13. ו. האנטרופיה והטמפרטורה האנטרופיה של שני חומרים שונים. הסבר את הנתונים בחימום עולה האנטרופיה כי התנועה האקראית של החלקיקים גוברת.

14. שינוי האנטרופיה של חומר מנוסחה זו ניתן להבין ש- DS - הוא שינוי האנטרופיה בחומר מסוים כאשר מושקעת בו אנרגיה בשיעור Qוהוא מצוי בטמפ’ קבועהT . שינוי האנטרופיה לא תלוי בסוג החומר ובכמותו! כמות אנרגיה קבועה תגרום לשינוי אנטרופיה גדול בטמפרטורה נמוכה ולשינוי אנטרופיה קטן בטמפרטורה גבוהה. בנוסחה זו ניתן להשתמש רק כאשר תוספת אנרגיה לא משנה את הטמפרטורה. א. בשינוי מצב צבירה של חומר. ב. כאשר מוסיפים כמות אנרגיה נתונה לכמות חומר גדולה מאד כך ששינוי הטמפרטורה זניח. (דוגמא -מעבירים 100 ק’ ג’אול חום לכל הים התיכון).

15. נוזל (l) גז (g) S1 S2 DSלאידוי DS = S2-S1 DSלאידוי הוא תוספת האנטרופיה למול חומר כאשר הוספה לו אנתלפיית האידוי בטמפ. האידוי. היא מבטאת את הפרש הסדר בין הגז לנוזל. כנ”ל לגבי DSלהיתוך.

16. Sגז Sגז DS DS Sגז Sנוזל DS Sנוזל Sנוזל C6H14 H2O ון-דר ולס מימני DSלאידוי בחומרים שונים CH3COOH HF מימני בנוזל צברים בגז DSהמחושב לאידוי מלמד על סוג הקשרים בין חלקיקי החומר.

17. DH אנתלפיית אידוי 1 2 3 T גרף חום אידוי ונקודת רתיחה • מהו שיפוע העקומה? • נתונים החומרים: מים, פחמן ארבע כלורי, חומצה אצטית. • מצא את העקומה המתאימה לכל אחד. הסבר! תשובה: 1 - מים, 2 - פחמן ארבע כלורי, 3 - חומצה אצטית הסבר: שיפוע העקומה הוא DS. למים DSהגדול ביותר וכו’ ראה שקופית קודמת.

18. שינוי האנטרופיה בתגובות • תוצרים (S2) <-------- מגיבים (S1) DS = S2 - S1 • ערכי האנטרופיה התקנית למול תרכובת מצויים בספר הנתונים. • ישנה טבלה נפרדת ליסודות ובה נתונים ערכי האנטרופיה התקנית למול אטומים.

19. דוגמא - חישוב DS0לתגובה. תוצרים (S2) <-------- מגיבים (S1) DS = S2 - S1 N2(g) + 3H2(g) -----> 2NH3(g) 191.4 K.J/mol 130.6 K.J/mol נתונים למול מולקולות: 192.5 K.J/mol DS0לתגובה=SS0תוצרים -SS0מגיבים DS0 = 2x192.5-(191.4+3x130.6)= -198.2 J/0k

20. DSt - האנטרופיה של התבל והחוק השני של התרמודינמיקה כל תהליך ספונטני מלווה עליה באנטרופיה של התבל. במצב שיווי משקל אין שינוי באנטרופיה של התבל. עבור תגובה כימית: DSt = DSמערכת+ DSסביבה

21. מערכת סביבה מערכת מערכת במשואה זו הובאו נתוני התבל בעזרת נתוני המערכת DStמהווה מדד להתרחשות תגובה. ככל שהוא גדול יותר התגובה נוטה יותר להתרחש. DSt - חיובי - התגובה מתרחשת ספונטנית. DSt - שלילי - התגובה לא מתרחשת ספונטנית. DSt - אפס - מצב שיווי משקל.

22. מערכת מערכת הוכח שתערובת מוצק נוזל הנמצאת בטמפרטורת ההיתוך נמצאת במצב שיווי משקל!העזר בנוסחה: פתרון - מציבים בנוסחה, DSמערכת שווה ל - DH/T מתקבל : DSt = 0

23. DStכמדד להתרחשות תגובה מערכת סביבה האנטרופיה סוג התגובה היקום IIהסביבה Iהמערכת עולה תמיד עולה עולה אקסותרמית עולה אם II>I עולה יורדת אקסותרמית עולה אם II<I אנדותרמית עולה יורדת DSt = DSמערכת+ DSסביבה DS0לתגובה=SS0תוצרים -SS0מגיבים שלושה מצבים שונים בהם תהיה עליה באנטרופיה של היקום :

24. W - העבודה שיכולה לבצע מערכת מבחינת החוק השני מספיקה עליה מזערית באנטרופיה של התבל לביצוע תגובה. לכן אפשרי שכמעט כל היתרה מעל האפס תנוצל לביצוע עבודה. Wmax= TDSt כל מערכת שעבורה DStחיובי יכולה לבצע עבודה. גם מערכת אנדותרמית אם היא מלווה עליה משמעותית באנטרופיה.

25. DG - השינוי באנרגיה החופשית - האנרגיה הניתנת לניצול כעבודה. DG = -Wmax Wmax = TDSt DG = - TDSt = -T(DS-DH/T) DG = DH - TDS מהנוסחה: DG = -TDStניתן להסיק ש- DG>0התגובה לא מתרחשת ספונטנית DG<oהתגובה מתרחשת ספונטנית DG = 0התגובה בשיווי משקל

26. DG0 - האנרגיה החופשית בתנאי תקן 1. DH0 DS0המחושבים אינם תלויים בטמפרטורה. 2. ניתן לחשב בעזרתם את DG0Tלפי הנוסחה: DG0T = DH0 - TDS0 DG0f- האנרגיה החופשית בתגובה בה נוצרת תרכובת מיסודותיה היציבים בתנאי תקן. עבור יסודות 0=DG0f

27. מגיבים תוצרים דרכים לחישוב DG0 1. לפי DG0fמנתונים בספר הנתונים DG0שיחושב בדרך זו יתאים רק ל- 2980קלוין. תרגיל 1 - חשב את DG0השריפה של מתאן מנתוני DG0f. פתרון בשקף הבא CH4(g)+ 2O2(g)---> CO2(g)+2H2O(l)

28. פתרון תרגיל 1 CH4(g) + 2O2(g)---> CO2(g)+ 2H2O(l) DG0f k.j -394.4 2(-237.2) -50.8 0 DG0 = -394.4 + 2(-237.2)-(-50.8) = -818 k.j

29. 2. עפ”י המשוואה: DG0T = DH0 - TDS0 החישוב מתאים לכל טמפרטורה T.מניחים ש- DH0 ,DS0המחושבים לתנאי תקן אינם משתנים עם השינוי בטמפרטורה. תרגיל 2 לדוגמא - חשב את DG0לתגובת השריפה של מתאן ב- 8000 קלווין. (פתרון בשקף הבא)

30. פתרון תרגיל 2 CH4(g) + 2O2(g)---> CO2(g)+ 2H2O(l) DH0f k.j -74.8 0 -393.5 -285.9*2 S j/0k 186.2 2*205 213.6 70*2 DH0 = -393.50 - 285.9*2 + 74.8 = -890.5 k.j DS0 = 213.6 + 70*2 - 186.2 -2*205 = -242.6 j/0k DG0800= -890.5 - 800*(-242.6/1000) = -696.4 k.j

31. Cu Ag Cu2++ Ag+ 3. בתאים חשמליים.מחשבים את Wmaxלפי הנוסחה: Wmax=ZFE ואז DG0 = - Z F E0 תא כסף נחושת החישוב מתאים רק לתנאי תקן. Z-מספר מולי אלקט’ שעברו F = 96500j/volt חישוב לדוגמה: 2Ag+(aq)+ Cu(s) <=> 2Ag(s)+ Cu2+(aq) DGo = -2x96500x0.46 = -88,788j = -88.788k.j

32. DG0 DG0 DG0 DG0 DH0 א DH0 ד ג ב T DH0 DH0 DG0T = DH0 - TDS0 הנוסחה: Y = aX + b היא נוסחת ישר: תאור גרפי נק’ המפגש עם ציר Y: b = DH השיפוע: a = - DS קיימות 4 אפשרויות, הסבר! התגובה תתרחש באזור בו DG0שלילי. מה יקרה כאשר אחד ממרכיבי המערכת ישנה את מצב הצבירה שלו?

33. עקומות DGכפונקציה של הטמפרטורה וניתוחן. • מה מבטא שיפוע העקומה? • נסח את התגובות המתאימות לאזורים השונים בגרף. • הסבר את השינויים בשיפוע העקומה. • מה לדעתך יהיה שיפוע העקומה בטמפרטורות גבוהות בהם כל החומרים גזים. נמק. (תשובות בשקף הבא) 0 4Na + O2 ----> 2Na2O DGo kj/mol III b II I m T / oK

34. תשובות • מה מבטא שיפוע העקומה? DS- של התהליך. • נסח את התגובות המתאימות לאזורים השונים בגרף. • (I) 4Na(s) + O2(g) ----> 2Na2O(s) • (II) 4Na(l) + O2(g)----> 2Na2O(s) • (III) 4Na(g)+ O2(g) ----> 2Na2O(s) • הסבר את השינויים בשיפוע העקומה. יש שבירה בעקומה בשל שינוי מצב צבירה של אחד ממרכיבי התגובה. שינוי מצב הצבירה גורם לשינוי באנטרופיה של התגובה. מאחר ש DSשל התגובה שלילי במצב (I) שינויי מצב הצבירה במגיב גורמים לו להיות שלילי יותר ואז שיפוע העקומה נעשה חיובי יותר. • מה לדעתך יהיה שיפוע העקומה בטמפי גבוהות בהם כל החומרים גזים. נמק4Na(g)+O2(g) 4Na+(g)+ 2O2-(g) • DSשל התגובה יהיה חיובי (במגיבים פחות מולים) ולכן השיפוע שלילי.

35. חישוב הטמפרטורה בה תתרחש התגובה DG0T = DH0 - TDS0 DH0ו- 0DSבלתי תלויים בטמפ. לכן ניתן לחשב בעזרתם את DG0בכל טמפרטורה. - התגובה נוטה למגיבים DH0 - TDS0 > 0 - התגובה נוטה לתוצרים DH0 - TDS0 < 0 - מצב שיווי משקל K=1כי הריכוזים תיקניים (1 מולר). קיימת רק טמפ’ שיווי משקל אחת עבורה DG0 = 0בתנאי תקן. DH0 - TDS0 = 0

36. השפעת שינוי טמפרטורה על Kשיווי משקל, בראקציות בהן קיים DG0=0 DG0T = DH0 - TDS0 במשוואה: Tמכפיל את DS0ולכן מגביר או ממזער השפעת גורם האנטרופיה בהתאם. בטמפרטורה גבוהה גורם האנטרופיה משמעותי יותר מגורם האנתלפיה והפוך בטמפ’ נמוכה. בטמפרטורה גבוהה תיטה התגובה לכיוון בו האי-סדר גדול ובטמפ’ נמוכה לכיוון מינימום אנרגיה. בתגובת שיווי משקל, בה הנטייה לאי סדר מכוונת את התגובה לכיוון הפוך מהנטייה למינימום אנרגיה, כשהטמפרטורה נמוכה, תיטה התגובה לכיוון האכסותרמי כי אז גורם האנתלפיה הוא הקובע. ובטמפ’ גבוהה לכיוון האנדותרמי כי אז גורם האנטרופיה קובע. (בתגובה אנדותרמית בה שינוי האנטרופיה שלילי ואין בה מצב ש.מ. חימום יגרום לתגובה להתרחש פחות!!!)

37. השפעת הטמפרטורה על מידת התרחשות התגובה - הסבר גרפי - התגובה מתרחשת ספונטנית - DG שלילי DG DG 1 3 T 2 T 4 התגובה נוטה יותר להתרחש ככל שעולההטמפ’. במקרה 3- תגובה שיכולה להיות בשיווי משקל התגובהאנדו’ ותתרחשבטמפ’ גבוההמטמפ’ משיווי משקל. במקרה 4 - (תגובהאקסו’) התגובה תתרחש בכלטמפ’. בחימום תתרחש יותר. התגובה נוטה פחות להתרחש ככל שעולההטמפ’. במקרה 2 - תגובה שיכולה להיות בשיווי משקל התגובהאקסו’ ותתרחשבטמפ’ נמוכהמטמפ’ משיווי משקל. במקרה 1 - (תגובהאנדו’) התגובה לא תתרחש בשוםטמפ’. בחימום תתרחש פחות.

38. האם פחמן יגיב עם תחמוצת נתרן בתנאי החדר? נמק תשובתך בהסתמך על הגרף הבא:(היכן על הגרף טמפ’ החדר?) 0 2. C+ O2 ---> CO2 1. 2C+ O2 --->2CO DGo kj/mol תשובה - לא. כדי שהתגובה בין פחמן ותחמוצת הנתרן תתרחש D Gלתגובה ( 2 + 3- ) צריך להיות שלילי. זה קורה בטמפ’ גבוהה משיווי משקל- ממפגש העקומות. אז העקומה 3 גבוהה מ- 1 או מ- 2 . DG = DG2-DG3 b m 3. 4Na + O2 ----> 2Na2O T / oK

39. א. יציבות יחסית ליסודות תרכובת תהיה יותר יציבה יחסית ליסודותיה כאשר DG0fשלה נמוך יותר. NO2(g) אוN2O4(g) מי יציב יותר יחסית ליסודותיו ? ב. יציבות של תרכובת אחת יחסית לאחרת. (שתיהן מורכבות מאותם יסודות). NO2(g) אוN2O4(g) מי יציבה יותר יחסית לאחרת ? יציבות תרמודינמית של תרכובות בודקים את DG0לתהליך: התגובה נוטה לכיוון התרכובת היציבה. 2NO2(g) -----> N2O4(g)

40. יציבות קינטית של חומרים לתגובה מסוימת יציבות קינטית היא תוצאה של גודל אנרגיית השיפעול של התגובה. כאשר אנרגית השיפעול גבוהה, יתכן שהתגובה לא תתרחש למרות ש- DGשלה שלילי. במקרה זה המגיבים יציבים קינטית. I DG אנרגייתשיפעולגבוהה מגיבים תוצרים

41. עדיפות קינטית ועדיפותתרמודינמית של תגובה: בקרה קינטית - בקרהתרמודינמית כאשר מגיבים נתונים יכולים להגיב בתגובות שונות יכול להיווצר מצב בו אחת התגובות תהיה מועדפת מסיבותתרמודינמיות (DG לתגובה יותר שלילי) והשניה מועדפת מבחינה קינטית (אנרגיתשיפעולנמוכה יותר). על איזו תגובה תשפיע יותר הוספת זרז? I DG לתגובה II עדיפות קינטית II מגיבים תוצרים II לתגובה I עדיפות תרמודינמית תוצרים I התקדמות התגובה