אנרגיה בקצב הכימיה פרק ה מדוע מתרחשות תגובות כימיות? ד"ר מרים כרמי ד"ר אדית וייסלברג

Transkript

1 אנרגיה בקצב הכימיה פרק ה מדוע מתרחשות תגובות כימיות? ד"ר מרים כרמי ד"ר אדית וייסלברג

2 גולת הכותרת בלימודי הכימיה סוף, סוף...תרמודינמיקה! אנרגיה, משקל... קינטיקה, שיווי תגובות חומצה בסיס, חמצון חיזור, שיקוע,... שפת כימאים, חומרים, מבנה, כוחות,...

3 הנושאים בפרק ה החוק השני של התרמודינמיקה משמעות שינויים באנטרופיה שינוי אנטרופיה של מערכת אנטרופיה תגובות כימיות אנדותרמיות ספונטניות משמעות מבוא שאלות בכימיה שיודעים לענות יישום שינוי אנטרופיה בהיתוך ובאידוי מהי אנטרופיה? תהליכים שאלות בכימיה שלא יודעים לענות העשרה והרחבה שינוי אנטרופיה של הסביבה אנטרופיה תקנית של חומרים כמותית תגובות כימיות אקסותרמיות מטרת הפרק שינוי אנטרופיה של היקום

4 מבוא לאחר לימוד של פרקים א-ד כבר יודעים הרבה... מדוע דרושה אנרגיה להדלקת הזיקוק ואילו במהלך שריפתו אנרגיה? אנרגיית השפעול היא... מהו ההבדל בין תגובה איטית לתגובה מהירה? מהו שיווי משקל דינמי? בו זמנית... ניפלטת קצב התגובה הוא... מצב בו מתקיימות שתי תגובות הפוכות זו לזו

5 שאלות חדשות אבל יש עוד... מדוע, באותם תנאים, מתרחשות תגובות כימיות מסוימות ותגובות אחרות אינן מתרחשות? האם ניתן לחזות את התרחשותה של תגובה מסוימת? האם יש מדד כמותי העוזר בחיזוי קיומן של תגובות כימיות?

6 מדוע מתרחשות תגובות כימיות? נענה על שאלה זו על ידי בחינת תגובות שכיחות הנוטות להתרחש "מעצמן"

7 הדגמות תהליכים צעצוע הפו ע ל על קפיץ מים חמים מתקררים כדור נע במור ד מים נשפכים תגובות שריפת גפרור בעירת זיקו ק שריפת מגנזיום

8 מהי תגובה ספונטנית? תגובה ספונטאנית היא תגובה אשר מרגע שהתחילה, היא תמשיך להתרחש ללא שום התערבות חיצונית. תגובה ספונטנית היא תגובה שיש לה יכולת/נטייה להתרחש.

9 הבחנה בין המושג ספונטניות בחיי היום יום וספונטניות בכימיה. בחיי היום-יום מדובר במשהו פתאומי ללא חוקיות וללא קשר למה שקדם לו. בכימיה נראה שיש חוק המכתיב את קיומה של תגובה ספונטנית. חשבו על תגובות כימיות המוכרות לכם המתאימות להגדרה של תגובה ספונטנית: שריפת גפרור, שריפת נייר, שריפת דלק, שריפת מגנזיום, שריפת יערות הכרמל )לצערנו(...

10 פעילות כיתתית מיינו את התהליכים הבאים לתגובות ספונטניות ולתגובות לא ספונטניות.)כל התהליכים בטמפרטורת החדר 25 C( דבש הנשפך מצנצנת שריפת מגנזיום הפשרת קוביית קרח בחדר המסת סוכר במים גיבוש גביש מתוך תמיסה חימום מים בקומקום חשמלי פועל חשבו על התהליכים ההפוכים! האם הם ספונטניים?

11 אם תהליך הוא ספונטני בתנאים מסוימים, התהליך ההפוך באותם תנאים אינו ספונטני.

12 סרטונים מתאימים על תגובות ספונטניות שונות y?docid= # v=ezsurll1c&feature=related

13 חיפוש גורם לתגובה ספונטנית המשותף לכל התגובות והתהליכים הספונטניים הנ"ל היא ירידה באנרגיה )פנימית או פוטנציאלית(. האם תהליכים ספונטניים הם אקסותרמים? בתהליך אקסותרמי, המגיבים. לתוצרים, אנרגיה פנימית נמוכה מזו של האם הירידה באנרגיה פנימית היא הגורם לספונטניות של תהליך? על פי תומסן אבל... וברטלוט 1864 התשובה היא כן.

14 יש תגובות ספונטניות שאינן אקסותרמיות!? הדגמות בכיתה המראת יוד נידוף אצטון, מים, כהל המסת ליתיום כלורי, אשלגן על מנגנתי ערבוב באריום הידרוכסידי ואמון תיוציאנט היתוך קרח )בטמפרטורת החדר( כולן תגובות אנדותרמיות, בכולן מתרחשת עלייה באנרגיה הפנימית כלומר הירידה באנרגיה הפנימית אינה הקריטריון לספונטניות של התגובה. יש להמשיך את החיפוש אחר הגורם האחראי לספונטניות התגובות הן האקסותרמיות והן האנדותרמיות

15 חיפוש גורם אחר? נוסף? לספונטניות של תגובות נעשה זאת על ידי התייחסות לתגובות ברמה החלקיקית )מיקרו(

16 הדגמות ודיון בתגובות ספונטניות אנדותרמיות H הדגמה ניסוח תגובה סימנו של H2O (s) H2O (l) CH3COCH3(l) CH3COCH3(g) CO2(s) CO2(g) H2O(l) H2O(g) Ba(OH)2 8H2O(s) + 2NH4NO3(s) 2NH3(g) + 1 H2O(l) + Ba 2+ (aq) + 2NO -1 3 (aq) קרח היתוך אידוי אצטון המראת קרח יבש אידוי מים תגובה בין באריום הידרוכסידי חנקתי ואמון גדול מאפס )שבירת קשרים בין מולקולריים, ק. מימן( גדול מאפס )שבירת קשרים בין מולקולריים, ו.ד.ו( גדול מאפס )שבירת קשרים בין מולקולריים, ו.ד.ו( גדול מאפס )שבירת קשרים בין מולקולריים, ק. מימן( גדול מאפס המים שעל הקרש קפאו נלקחה אנרגיה מהסביבה מה המשותף לכל התגובות הנ"ל???

17 התייחסות ברמת החלקיקים )מיקרו( ניסוח התגובה H2O(s) H2O(l) CH3COCH3(l) CH3COCH3(g) CO2(s) CO2(g) הבדלים באופני תנועה במוצק: רק תנודות; בנוזל: יותר אפשרויות לתנועה, גם סבוב וגם מעתק במידה מסוימת. בנוזל: תנודות, סבוב ומעט מעתק; בגז: אפשרויות רבות לתנועות מעתק. במוצק: תנודות בלבד בגז: כל סוגי התנועה. הבדלים בפיזור החלקיקים במוצק כל המולקולות קשורות בקשרי מימן ומכוונות בהתאם, בנוזל, לאחר שבירת חלק מהקשרים, יותר אפשרויות שונות להימצאות במרחב. פיזור החלקיקים במרחב גדול יותר בגז לעומת הנוזל. במוצק החלקיקים קשורים ומסודרים ובגז אפשרויות רבות יותר מבחינת מיקום במרחב.

18 ניסוח התגובה שינויים באופני תנועה לתוצרים יש יותר אופני תנועה לתוצרים יש יותר אפשרויות תנועה כי התקבלו נוזל, גז ותמיסה בה יש יונים ממוימים, עם אפשרויות תנועה שלא היו ליונים קודם, לעומת המוצקים במגיבים. שינויים בפיזור חלקיקים בתוצרים יש יותר פיזור חלקיקים במרחב בתוצרים יש יותר פיזור חלקיקים במרחב. H2O(l) H2O(g) Ba(OH)2 8H2O(s) + 2NH4NO3(s) 2NH3(g) + 1 H2O(l) + Ba 2+ (aq) + 2NO 3-1 (aq) לכל מערכת יש מספר גדול של מצבים מיקרוסקופיים המתארים אותה. המצבים המיקרוסקופים מתייחסים הן לריבוי אופני התנועה של החלקיק והן לריבוי האפשרויות של מיקום החלקיקים )פיזור חלקיקים(. האנטרופיה היא מדד לפיזור האנרגיה ולפיזור החלקיקים. )"פיזור" אנרגיה( ככל שלמערכת יש מצבים מיקרוסקופיים רבים יותר שמתארים אותה, האנטרופיה גדלה.

19 אנטרופיה - הגדרה לכל מערכת יש מספר רב של מצבים מיקרוסקופיים המתייחסים לפיזור האנרגיה השונה של החלקיקים במערכת ולמיקומם. ככל שמספר המצבים המיקרוסקופיים רב יותר יש במערכת פיזור אנרגיה גדול יותר. אנטרופיה- S ממד לפיזור האנרגיה והחלקיקים הקיים בחומר. **אין הכוונה כי האנרגיה מפוזרת בין מצבים רבים יותר, אלא, שיש יותר מצבים מיקרוסקופיים בהם האנרגיה של החומר יכולה להימצא. בכל רגע ורגע האנרגיה יכולה להימצא במצב מיקרוסקופי יחיד.

20 עוד דוגמאות של תהליכם ספונטניים... המסת חומר יוני - הסתכלות מיקרוסקופית

21 המסת חומר יוני - הסתכלות מיקרוסקופית בחומר היוני המומס יש יותר מצבים שונים )הן יותר אופני תנועה, והן יותר אפשרויות לתיאור מצב החלקיקים( מאשר בחומר היוני המוצק. כלומר: האנטרופיה של חומר יוני מומס גדולה מהאנטרופיה של חומר יוני מוצק.

22 התפשטות גז חנקן דו חמצני לכלי אחר מאקרוסקופית )לחץ, נפח, טמפרטורה( מיקרוסקופית )מהירות ומיקום של מספר רב של חלקיקים המשתנה כל הזמן( תיאור 1 מיני רבים

23 אנטרופיה היבטים כמותיים

24 החוק השלישי של התרמודינמיקה בטמפרטורה של האפס המוחלט K האנטרופיה של גביש מושלם, של חומר טהור הינה אפס. בטמפרטורה K לכל אטום מצב אנרגתי יחיד. אין אפשרויות שונות. אין תיאור שונה של מצבים לכן האנטרופיה היא ערך השווה באופן אבסולוטי לאפס ולא קביעה שרירותית.* מעל לטמפרטורה זו- נקלטה אנרגיה ונוצר מצב בו יש לאטומים אפשרויות שונות לתנועה, כלומר נוצרו מצבים מיקרוסקופיים רבים יותר ולכן האנטרופיה עולה ואינה כבר אפס. *למרות זאת יש חומרים בהם האנטרופיה באפס המוחלט אינה אפס. אנטרופיה שיורית.

25 אנטרופיה מולרית סטנדרטית S האנטרופיה בטמפרטורה מסוימת היא ביטוי לפיזור האנרגיה שיש בחומר. ככל שיש יותר דרכים לתיאור החומר יש יותר פיזור אנרגיה והאנטרופיה של החומר גדולה יותר. הוספת אנרגיה בצורת חום לחומר מגדילה את פיזור האנרגיה שלו. * Qrev S T * T קבוע

26 S Q rev T העלייה באנטרופיה תלויה בשני גורמים: כמות האנרגיה )Q( בצורת חום אשר מועברת לחומר. ככל שהועברה כמות אנרגיה רבה יותר השינוי באנטרופיה גדול יותר ( יחס ישר(. טמפרטורה. ככל שהחומר נמצא בטמפרטורה גבוהה יותר, בה יש כבר ריבוי של מצבים מיקרוסקופיים אפשריים, אותה תוספת של אנרגיה גורמת לשינוי קטן יותר באנטרופיה )יחס הפוך(.

27 אנלוגיה לעלייה באנטרופיה עם הוספת אנרגיה בקופסת פאזל חדשה יש 5 חלקים מסודרים היוצרים תמונה שלמה. טלטול של הקופסה גורם לתזוזת חלקים. ככל שאנו מטלטלים יותר את הקופסה, יותר חלקים נעים ולא נמצאים במקום המקורי. מתקבלת תמונה חלקית ואי סדר של החלקים. יש הרבה אפשרויות לתיאור האי סדר הקיים בקופסה.

28 מה הכוונה באנלוגיה? הפריט באנלוגיה תמונה שלמה טלטול של הקופסה אי סדר של חלקי הפאזל. תמונות שונות יותר אפשרויות לתיאור הבלגן בקופסה. אי הסדר בקופסה גדל המושג הכימי אנטרופיה באפס המוחלט. אין לחלקיקים אפשרות תזוזה הוספת אנרגיה על ידי חימום פיזור אנרגיה וחלקיקים עם חימום גז גדלה. יותר מצבים מיקרוסקופים. אנטרופיה עולה. יתרון המחשת מצבים מיקרוסקופיים רבים יותר באופן קונקרטי. חיסרון- שימוש במושג אי סדר רק כאנלוגיה ולא להסבר אנטרופיה

29 אנלוגיה לשינוי האנטרופיה כתלות בטמפרטורה אדם נמצא בספריה ומתעטש. כולם מסתובבים אליו ומסתכלים. ראש בגלל ההפרעה. אדם נמצא ברחוב סואן ומתעטש. אף אחד לא שם לב. מרימים

30 מה הכוונה באנלוגיה? הפריט באנלוגיה התעטשות השינוי ברעש ספרייה מקום שקט. בו אין רעש השינוי ברעש, בגלל התעטשות, בספרייה גדול השינוי ברעש, בגלל התעטשות, ברחוב- קטן המושג הכימי תוספת אנרגיה על ידי חימום השינוי באנטרופיה טמפרטורה נמוכה של החומר- אנטרופיה נמוכה השינוי באנטרופיה, לאחר הוספת אנרגיה, כשהטמפרטורה נמוכה גדול השינוי באנטרופיה, כשהטמפרטורה גבוהה קטן יתרון הבנה אינטואיטיבית של שינוי קטן וגדול כתלות בסביבה חיסרון- לא מתקבלת הבחנה בין טמפרטורה לאנטרופיה.

31 אנטרופיה סטטיסטית

32 דוגמא 1 CO CO OC CO 2 2 "גביש" )מצב מוצק( של 2 מולקולות CO לכל מולקולה 2 אפשרויות לסידור מספר המצבים לתיאור ה"גביש" סה"כ = 4 CO OC OC OC

33 דוגמא 2 להוסיף מעבר אנרגיה אטום פחמן גביש מושלם של CO אטום חמצן ב- K מספר האפשרויות לסידור = 1 אנטרופיה אפס )מס' חלק. ) 1 הוספת אנרגיה על ידי חימום למורה: W=2 2 2 = 2 1 = 124 S = k ln W )בולצמן( מספר האפשרויות לסידור רבות מאוד

34 אנטרופיה של חומרים לחומרים שונים באותה טמפרטורה, יש אנטרופיה שונה. )מספר שונה של מצבים מיקרוסקופיים בגלל שוני במצבי צבירה( לאותו חומר בטמפרטורות שונות אנטרופיה שונה.

35 הקשר בין אופני התנועה למצבי צבירה במוצק- אופני התנועה מוגבלים. תנודות. בנוזל-אופני תנועה בעיקר של תנודות וסיבוב. בגז- אופני תנועה תנודות. סיבוב ומעתק.

36 שינוי האנטרופיה של חומר עם שינוי הטמפרטורה אטקינס פ. כימיה כללית, כרך א עמ' 383

37 אנטרופיה מולרית כתלות בטמפרטורה Petrucci et al. General Chemistry 792

38 נתונים לדוגמה: אנטרופיה של מים בטמפ' שונות C מצב צבירה טמפרטורה גאול למול מעלה S מוצק נוזל גז

39 הגורמים העיקרים המשפיעים על ערכי אנטרופיה של חומרים בחומרים מוצקים בטמפרטורה של 25 C : חוזק הקשרים. ככל שהקשרים בין החלקיקים המרכיבים את המוצק חזקים יותר, התנועה מוגבלת יותר ולכן פיזור האנרגיה הבא לידי ביטוי באופני תנועה יהיה קטן יותר וערך האנטרופיה נמוך יותר. מורכבות החלקיקים אף היא משפיעה. החלקיקים מסודרים יותר במבנה גבישי

40 בנוזלים גזים בטמפרטורה של 25 C: חוזק הקשרים קשרים חזקים משפיעים על ניידות נמוכה ואופני תנועה. מורכבות המולקולות יותר אטומים במולקולה יותר דרגות חופש ויותר סוגים של אופני תנועה. בטמפרטורה של 25 C מולרית מסה מורכבות מולקולות

41 דיון על פי נתונים

42 ל ו ג ר ת ם י נ ו ש ם י ר מ ו ח ל ש ה י פ ו ר ט נ א ת א ו ו ש ה

43 השינוי באנטרופיה של מערכת בעת התרחשות תגובה כימית יש שינוי בסוג החומרים כי מגיבים הופכים לתוצרים. לכן, משתנה האנטרופיה של החומרים.

44 השינוי באנטרופיה של מערכת ( תגובה( השינוי באנטרופיה הוא ההפרש בין אנטרופיה של התוצרים לבין אנטרופיה של המגיבים. היות והאנטרופיה היא מולרית יש לקחת בחשבון את מספר מול המרכיבים בתגובה על פי האיזון. )n( S מערכת ns תוצרים ns מגיבים

45 הערכת השינוי באנטרופיה )עליית או ירידת( התרחשות תגובה במהלך השינוי באנטרופיה חיובי, גדול מאפס, כאשר: עולה הטמפרטורה של חומר. נוזלים נוצרים ממוצקים )תהליכי היתוך של חומרים טהורים(. תמיסות נוזליות נוצרות ממוצקים )תהליכי המסה(. גזים נוצרים ממוצקים או מנוזלים )תהליכי אידוי או המראה(. מתרחשת תגובה כימית בה נוצרים יותר גזים מאשר במגיבים נוצרת תערובת.

46 בחלק זה בפרק נדון ב: השוואת אנטרופיה של חומרים הערכת השינוי באנטרופיה של המערכת )תגובה(. חישוב השינוי באנטרופיה של המערכת )תגובה(.

47 תרגול 2

48 נתונה התגובה: 2(g) CO (g) + H 2 O (g) CO 2(g) + H הערך, במידת האפשר את סימנו של השינוי באנטרופיה של התגובה. במקרה זה לא ניתן להעריך האם השינוי באנטרופיה של המערכת גדול מאפס או קטן מאפס. גם במגיבים וגם בתוצרים יש תערובת חומרים, המכילה 2 מול גזים. הרחבה: מולקולות התוצרים שונות ממולקולות המגיבים אך הן בעלות מספר אטומים זהה )אותה מורכבות(. בחינת מסה מולרית של החומרים אינה מצביעה על הבדל בין מגיבים או תוצרים. לכן, אנו יכולים להעריך שהשינוי באנטרופיה יהיה קטן אולם ללא נתונים כמותיים מדויקים, לא נוכל להעריך את סימנו.

49 J/K חשב את השינוי באנטרופיה של התגובה CO (g) + H 2 O (g) CO 2(g) + H 2(g) החומר אנטרופיה מולרית תקנית ג'אול/מול מעלות קלוין CO 2(g) 13.6 H 2(g) CO (g) H 2 O(g) S - תוצרים =S n מערכת מגיבים S n S מערכת 6 ( ) = J/K

50 T שינויי אנטרופיה במהלך שינויים במצבי צבירה שינוי אנטרופיה במהלך היתוך X (s) X (l) S (melting( m H T m m S Q rev ניתן להשתמש כאשר הוספת האנרגיה אינה משנה את הטמפרטורה והיא נעשיית בצורה הפיכה. שינויים במצבי צבירה הם תהליכים הפיכים בטמפרטורות ההיתוך והרתיחה. X (l) X (g) שינוי אנתלפיה במהלך אידוי )vaporization( S b H T b b בדרך כלל השינוי באנטרופיה במהלך אידוי גבוה משינוי האנטרופיה במהלך היתוך.

51 שאלות ויישומים כלל טרוטון שינוי האנטרופיה במהלך אידוי של נוזלים רבים היא 87 J /mol K לערך. מהו השינוי באנתלפיה של מים בטמפרטורה של 373K אם ידוע כי אנתלפיית האידוי של המים שווה ל- 4.7 קג'אול למול? 4.7kJmol 1 S.19kJ / molk 19 J / b 373K molk תשובה: קשרי המימן בין מולקולות המים גורמים לאופני תנועה מעטים יותר ולכן לאנטרופיה נמוכה יחסית לנוזלים אחרים. לכן ערך זה גדול מהממוצע.

52 מדוע מתרחשות תגובות? האם תגובות מתרחשות רק כאשר האנטרופיה עולה? שרפת מגנזיום 2Mg (s) + O 2(g) 2 MgO (s) האנטרופיה של המערכת יורדת ניפלטת אנרגיה ( בצורת חום וקרינה(

53 הרחבת התמונה

54 בחיפוש גורם מאפיין לכל התגובות הספונטניות סביבה מערכת מערכת + סביבה = יקום

55 חישוב השינוי באנטרופיה של הסביבה S Q T rev סביבה S H T הנחה: הסביבה מספיק גדולה כדי שהטמפרטורה לא תשתנה

56 אנטרופיה של היקום התרחשות תגובה מלווה על ידי: השינוי באנטרופיה של המערכת השינוי באנטרופיה של הסביבה השינוי באנטרופיה של היקום השינוי באנטרופיה של היקום = השינוי באנטרופיה של המערכת + השינוי באנטרופיה של הסביבה מערכת = S S יקום - = סביבה S H T סביבה + S Sיקום = S H - T מערכת

57 קריטריון לספונטניות של תגובה בעת התרחשות של תגובה ספונטנית, האנטרופיה של היקום עולה. < יקום S מסקנה זו ידועה גם, כחוק השני של התרמודינמיקה.

58 בחינת תגובה סביבה S H T S ספונטני H2O (s) H2O (l) J/ K = מערכת T=298K ΔSסביבה = J/K > J/K ΔSיקום = תהליך לא ספונטני T=248K ΔSסביבה = J/K < J/K ΔSיקום = תהליך

59 נמצא כי כל תהליך ספונטני גורם לעליה באנטרופיה של היקום - החוק השני של התרמודינמיקה

60 סיכום ביניים תגובות ספונטניות יכולות להיות: תגובות אקסותרמיות שיש בהן עליה או ירידה באנטרופיה של המערכת יכולות להיות: תגובות אנדותרמיות שיש בהן עליה באנטרופיה של המערכת

61 התנאי לקיומן של תגובות ספונטניות ה ח ו ק ה ש נ י ש ל ה ת ר מ ו ד י נ מ י ק ה S י ק ו ם S ס ב י ב ה + S מ ע ר כ ת < S מערכת יקום S H T

62 סוגי תגובות מסקנה יקום S סביבה S מערכת S + + עליה עליה תמיד ספונטנית בכל טמפרטורה. +

63 מסקנה יקום S סביבה S מערכת S - תמיד - עליה עליה אינה ספונטנית באף טמפרטורה -

64 מסקנה יקום S יקום S סביבה S מערכת S?? עליה - ירידה תלוי בערכים, תלוי בטמפרטורה. +

65 מסקנה יקום S סביבה S מערכת S?? ירידה + עליה תלוי בערכים, תלוי בטמפרטורה. -

66 דוגמאות נתונה התגובה: H2(g) + I2(g) 2HI(g) H o =-11kJ T מערכת S סביבה S יקום S ג'אול למול K למול K למול K מעלות K ג'אול ג'אול

67 N2O4(g) נתונה התגובה: 2NO2(g) H o =+57.2kJ T מערכת S סביבה S יקום S ג'אול למול K למול K למול K מעלות K ג'אול ג'אול

68 ספונטניות של תגובה והתרחשות של תגובה סוגי תגובות ספונטניות לא ספונטניות מתרחשת בתנאים הנתונים יכולה אך אינה מתרחשת בגלל א. שפעול יכולה להתרחש אם יהיה צימוד תגובות שמתרחשות בזכות צימוד: אלקטרוליזה של מים, פוטוסינטיזה...

69 תודה!