úvod
Pri ohníku sa zohrejeme, a keď do vody v chladiacom vrecku nasypeme soľ, vrecko za chvíľu vychladne. Vápenec sa zas rozkladá na pálené vápno, len kým ho v peci zohrievame. Pri chemických reakciách nevznikajú len nové látky, vždy sa pri nich mení aj energia. V tejto lekcii zistíš, odkiaľ sa berie, kedy sa uvoľňuje a kedy spotrebúva a ako ju zmerať teplomerom.
teória
Energia ukrytá vo väzbách
V každej látke je uložená chemická energia, a to vo väzbách medzi atómami. Pri chemickej reakcii sa pôvodné väzby štiepia a vznikajú nové:
- Na štiepenie väzieb treba energiu dodať.
- Pri vzniku nových väzieb sa energia uvoľní.
Podľa toho, čo prevládne, sa pri reakcii energia uvoľní alebo spotrebuje. Najčastejšie ide o teplo, ale môže to byť aj svetlo plameňa, elektrická energia v batérii alebo zvuk pri výbuchu.
Spomeň si na ohník. Drevo a kyslík majú spolu viac energie ako popol, oxid uhličitý a vodná para, ktoré z nich vzniknú. Rozdiel sa uvoľní ako teplo a svetlo plameňa a my sa pri ňom zohrejeme.
Energia potrebná na rozštiepenie väzby sa volá väzbová energia. Pri reakcii 2 H₂ + O₂ → 2 H₂O(g) treba rozštiepiť väzby v 2 mol molekúl vodíka (2 · 436 kJ) a v 1 mol molekúl kyslíka (498 kJ), spolu 1370 kJ. Pri vzniku 2 mol molekúl vody vznikne 4 mol väzieb medzi kyslíkom a vodíkom a uvoľní sa 4 · 463 kJ = 1852 kJ. Uvoľní sa teda o 482 kJ viac, než sa spotrebovalo, a reakcia je exotermická. Presne namerané reakčné teplo vzniku vodnej pary je −484 kJ/mol, odhad z väzbových energií sa s ním takmer zhoduje.
teória
Exotermické deje
Exotermický dej teplo uvoľňuje do okolia. Okolie sa pri ňom ohreje.
- Horenie dreva, sviečky, benzínu či zemného plynu. Vďaka nemu varíme, kúrime a jazdíme autom.
- Neutralizácia kyseliny zásadou. Roztok sa pri nej citeľne zohreje.
- Hasenie vápna: pálené vápno s vodou sa zohreje tak, že voda môže až vrieť.
- Reakcie alkalických kovov s vodou. Pri draslíku s vodou sa uvoľní toľko tepla, že unikajúci vodík vzbĺkne.
- Rozklad peroxidu vodíka: z penovej zubnej pasty pre slona sa až parí.
- Hrdzavenie železa. Je také pomalé, že teplo nezbadáme, ale v jednorazových ohrievačoch rúk hrdzavie jemný železný prášok rýchlo a hreje.
- Dýchanie v bunkách. Glukóza sa s kyslíkom mení na oxid uhličitý a vodu a uvoľnená energia poháňa naše telo.
Teplo sa uvoľňuje aj pri niektorých fyzikálnych dejoch, napríklad keď voda zamŕza alebo keď kryštalizuje horúci ľad, presýtený roztok octanu sodného.
teória
Endotermické deje
Endotermický dej teplo spotrebúva. Berie si ho z okolia, ktoré sa ochladí, alebo mu ho musíme stále dodávať.
- Rozklad vápenca na pálené vápno a oxid uhličitý. Vo vápenke prebieha len pri teplote okolo 900 °C, a keď pec vychladne, rozklad sa zastaví.
- Fotosyntéza. Rastliny vyrábajú z oxidu uhličitého a vody glukózu a kyslík a energiu im dodáva slnečné svetlo.
- Pečenie s práškom do pečiva. Hydrogenuhličitan sodný sa rozkladá len v teple rúry a uvoľnený oxid uhličitý nadýchne cesto.
- Kyselina citrónová so sódou bikarbónou. Pri tejto reakcii šumí šumienka a príjemne chladí na jazyku.
- Rozklad vody elektrickým prúdom. Energiu, ktorá sa pri horení vodíka uvoľní, treba pri rozklade vody znova dodať.
Teplo spotrebúvajú aj mnohé fyzikálne deje: topenie ľadu, vyparovanie vody (preto nás pot ochladzuje) a rozpúšťanie niektorých solí, napríklad dusičnanu amónneho.
Pomôcka na zapamätanie: exo znamená von, teplo ide von do okolia. Endo znamená dnu, teplo ide z okolia dnu do deja.
teória
Energetický diagram
Energiu pri deji ukazuje energetický diagram. Na zvislej osi je energia, na vodorovnej priebeh deja. Vľavo je hladina energie reaktantov, vpravo produktov.
- Pri exotermickom deji majú produkty menej energie ako reaktanty. Rozdiel sa uvoľní ako teplo, šípka smeruje dole.
- Pri endotermickom deji majú produkty viac energie ako reaktanty. Rozdiel musí prísť z okolia, šípka smeruje hore.
Energia sa pritom nestráca ani nevzniká z ničoho. Len prechádza z látok do okolia alebo naopak, podobne ako sa pri reakcii zachováva hmotnosť.
Rozdiel hladín je reakčné teplo ΔH. Pri exotermickom deji je hladina produktov nižšie, sústava energiu stráca a ΔH je záporné. Pri endotermickom deji je hladina produktov vyššie a ΔH je kladné.
teória
Kde ich stretneš
| Výrobok | Čo v ňom prebieha | Dej |
|---|---|---|
| ohrievač rúk s kovovou platničkou | kryštalizácia octanu sodného | exotermický |
| jednorazový ohrievač rúk | hrdzavenie železného prášku | exotermický |
| samoohrievacia konzerva | pálené vápno s vodou | exotermický |
| plynový sporák | horenie zemného plynu | exotermický |
| chladiace vrecko na úrazy | rozpúšťanie dusičnanu amónneho alebo močoviny | endotermický |
| šumienka | kyselina citrónová so sódou bikarbónou | endotermický |
teória
Ako teplo zmerať
Teplo pri deji zmeriame v kalorimetri. V škole stačí jednoduchý: dva polystyrénové poháre vložené do seba, veko, teplomer a miešadlo. Polystyrén teplo takmer neprepúšťa, takže všetko teplo z deja ohreje vodu v pohári, alebo sa naopak všetko teplo pre dej vezme z vody.
- Teplota stúpne: dej teplo uvoľnil, je exotermický.
- Teplota klesne: dej teplo spotreboval, je endotermický.
vyskúšaj si
Kalorimeter
Tipni, čo urobí teplota, a spusti meranie.
0 / 0Hydroxid sodný vo vode
Do 100 ml vody v kalorimetri nasypeme 4,0 g hydroxidu sodného a miešame, kým sa nerozpustí.
Na začiatku: 21,0 °C
Najprv tipni, či teplota stúpne alebo klesne, a spusti meranie. Potom vyber energetický diagram, ktorý k deju patrí. Pozor, niektoré deje sú fyzikálne, napríklad rozpúšťanie alebo kryštalizácia.
Po meraní uvidíš aj zápis deja s ΔH. Pri dejoch so známym zložením sa z nameranej zmeny teploty vypočíta teplo q = m · c · ΔT, kde m je hmotnosť roztoku a c = 4,18 J/(g·°C) merná tepelná kapacita vody. Vydelením látkovým množstvom dostaneš ΔH na 1 mol.
teória
Reakčné teplo
Chemici vedia presne zmerať, koľko tepla sa pri reakcii uvoľní alebo spotrebuje, a udávajú ho v kilojouloch (kJ). Pri spálení 1 g zemného plynu sa uvoľní asi 55 kJ, pri spálení 1 g suchého dreva asi 15 kJ. Rovnako sa udáva energia v potravinách: na obale nájdeš energetickú hodnotu v kJ aj v kcal. Telo získa z 1 g cukru asi 17 kJ a z 1 g tuku asi 37 kJ.
Reakčné teplo ΔH je teplo, ktoré sa pri stálom tlaku uvoľní alebo spotrebuje, keď zreagujú látkové množstvá podľa rovnice. Udáva sa v kJ/mol a jeho znamienko sa určuje z pohľadu sústavy: exotermická reakcia má ΔH < 0, endotermická ΔH > 0.
Rovnica so stavovými symbolmi a reakčným teplom je termochemická rovnica:
- 2 H₂(g) + O₂(g) → 2 H₂O(l), ΔH = −572 kJ/mol
- 2 H₂(g) + O₂(g) → 2 H₂O(g), ΔH = −484 kJ/mol
Stavové symboly sú dôležité. Keď vodná para skondenzuje na kvapalnú vodu, uvoľní sa ďalšie teplo, preto je pri vzniku kvapalnej vody ΔH zápornejšie.
ΔH platí pre látkové množstvá podľa koeficientov. Keď rovnicu vynásobíme dvoma, ΔH sa zdvojnásobí. Keď rovnicu otočíme, ΔH zmení znamienko (zákon Lavoisiera a Laplacea): rozklad vody 2 H₂O(l) → 2 H₂(g) + O₂(g) má ΔH = +572 kJ/mol. Koľko tepla sa uvoľní pri spálení 8,0 g metánu, ak CH₄(g) + 2 O₂(g) → CO₂(g) + 2 H₂O(l), ΔH = −890 kJ/mol? Látkové množstvo metánu je n = 8,0 g / 16,04 g/mol = 0,50 mol, teplo Q = 0,50 · 890 kJ = 445 kJ.
V tabuľkách nájdeš zlučovacie teplá (vznik 1 mol zlúčeniny z prvkov) a spaľovacie teplá (spálenie 1 mol látky). Spaľovacie teplo metánu je −890 kJ/mol.
Hessov zákon: reakčné teplo závisí len od počiatočného a konečného stavu, nie od cesty, ktorou reakcia prebehne. Preto sa dá ΔH reakcie, ktorú nevieme zmerať, poskladať z iných rovníc. Pri horení uhlíka vzniká vždy aj oxid uhličitý, ΔH vzniku samotného oxidu uhoľnatého preto vypočítame:
- (1) C(s) + O₂(g) → CO₂(g), ΔH₁ = −393,5 kJ/mol
- (2) CO(g) + 1/2 O₂(g) → CO₂(g), ΔH₂ = −283,0 kJ/mol
- hľadaná rovnica C(s) + 1/2 O₂(g) → CO(g) je (1) − (2), teda ΔH = −393,5 − (−283,0) = −110,5 kJ/mol
Ďalšie príklady s novými číslami počítaš v časti Koľko tepla? pod lekciou.
rozšírenie Ako sa meria energia v potravinách
Energetická hodnota potravín sa zisťuje spálením vzorky v kalorimetrickej bombe, oceľovej nádobe naplnenej kyslíkom a ponorenej vo vode. Z toho, o koľko sa voda ohreje, sa vypočíta uvoľnené teplo. Staršia jednotka kilokalória je teplo, ktoré ohreje 1 kg vody o 1 °C, a platí 1 kcal = 4,184 kJ.
Telo potravu nespaľuje plameňom, ale postupne v mnohých krokoch pri dýchaní v bunkách. Podľa Hessovho zákona sa však z glukózy uvoľní rovnaké množstvo energie, či zhorí v bombe naraz, alebo sa v bunkách rozloží po kúskoch. Výnimkou je vláknina, ktorú telo nestráví, a bielkoviny, z ktorých telo časť dusíka vylúči v močovine.
teória
Časté chyby
- „Exotermický znamená, že produkt je horúci.“ Znamená, že sa teplo uvoľní do okolia. Okolie sa ohreje, produkty časom vychladnú na teplotu miestnosti a dej bol aj tak exotermický.
- „Keď treba horenie zapáliť, je endotermické.“ Plameň zápalky reakciu len naštartuje. Potom sa uvoľní oveľa viac tepla, než sme dodali, a horenie pokračuje samo.
- „Endotermická reakcia prebieha v chlade.“ Endotermickej reakcii treba teplo dodať. Chladiace vrecko chladí práve preto, že teplo berie z okolia.
- „Rozpúšťanie je chemická reakcia, lebo sa pri ňom mení teplota.“ Rozpúšťanie je fyzikálny dej. Teplo sa uvoľňuje alebo spotrebúva aj pri fyzikálnych dejoch, napríklad pri topení ľadu či kryštalizácii.
- „ΔH = −890 kJ/mol znamená, že sa teplo spotrebuje.“ Záporné ΔH znamená, že sústava energiu stráca a teplo sa uvoľní. Znamienko sa udáva z pohľadu sústavy, nie okolia.
- „Reakčné teplo je vždy na 1 mol každej látky.“ ΔH patrí k látkovým množstvám podľa koeficientov v rovnici. Pri 2 H₂ + O₂ → 2 H₂O sa −572 kJ vzťahuje na 2 mol vodíka.
Ako rýchlo reakcia prebieha, je iná otázka ako to, koľko tepla uvoľní. Tomu sa venuje ďalšia lekcia Rýchlosť chemických reakcií.