úvod
Fyzikálna chémia hľadá odpovede na dve otázky: prečo chemické deje vôbec prebiehajú a ako rýchlo. Opiera sa o fyziku, hlavne o náuku o teple a energii, termodynamiku. Základy, čo je exotermický a endotermický dej, poznáme z lekcie Energia pri reakciách. Tu ideme hlbšie.
teória
Sústava a okolie
Keď skúmame dej, vyberieme si časť sveta, ktorá nás zaujíma: roztok v kadičke, plyn vo valci, bunku. To je sústava. Všetko ostatné je okolie. Podľa toho, čo si sústava s okolím vymieňa, rozoznávame tri druhy:
| Sústava | Látka | Energia | Príklad |
|---|---|---|---|
| otvorená | áno | áno | hrnček čaju, ľudské telo |
| uzavretá | nie | áno | zatvorená plechovka v chladničke |
| izolovaná | nie | nie | dobrá termoska na krátky čas |
teória
Stavové a dejové veličiny
Stav sústavy opisujú stavové veličiny: tlak, objem, teplota, látkové množstvo. Ich hodnota závisí len od toho, v akom stave sústava je, nie od toho, ako sa doň dostala. Ako výškový rozdiel medzi údolím a vrcholom: je rovnaký po hrebeni aj po serpentínach.
Teplo q a práca w nie sú stavové veličiny. Opisujú dej, ktorým sa stav mení, a závisia od cesty. Sústava teplo ani prácu „neobsahuje“, iba ich prijíma alebo odovzdáva.
teória
Vnútorná energia a prvá veta
Častice každej látky sa pohybujú a pôsobia na seba silami. Súčet ich pohybovej a polohovej energie je vnútorná energia U. Zmeniť ju môžeme dvoma spôsobmi: teplom a prácou. Platí prvá veta termodynamiky:
ΔU = q + w
Znamienka berieme z pohľadu sústavy. Teplo, ktoré sústava prijme, je kladné, odovzdané záporné. Práca, ktorú vykoná okolie na sústave, je kladná, práca, ktorú vykoná sústava, je záporná. Prvá veta je zákon zachovania energie: energia nevzniká ani nezaniká, len prechádza z okolia do sústavy a späť.
vyskúšaj si
Piest s plynom
Akou sústavou je hrnček horúceho čaju bez pokrievky?
0 / 0Ktorá sústava si s okolím vymieňa látku aj energiu?
0 / 0Keď plyn pod voľným piestom zohrejeme, rozopne sa a zdvihne piest. Časť tepla tak odíde ako práca a plyn sa ohreje menej, než keby bol piest zaistený.
Zapamätaj si: sústava je časť sveta, ktorú skúmame, zvyšok je okolie. Otvorená sústava vymieňa s okolím látku aj energiu, uzavretá len energiu, izolovaná nič. Vnútornú energiu sústavy menia teplo a práca: ΔU = q + w. Energia sa nikdy nestratí, len prejde inam.
Objemová práca
Keď sa plyn rozpína proti stálemu vonkajšiemu tlaku p, vykoná prácu
w = −p · ΔV
Znamienko mínus vyjadruje, že pri rozpínaní (ΔV > 0) sústava prácu odovzdáva. Šikovná pomôcka: kPa · l = J. Plyn, ktorý sa rozopne o 2 l proti tlaku 100 kPa, vykoná prácu 200 J, teda w = −200 J.
Entalpia
Väčšina reakcií v laboratóriu prebieha v otvorených nádobách, teda pri stálom tlaku. Vtedy sa časť energie minie na objemovú prácu a meraním tepla nezistíme priamo ΔU. Preto sa zavádza entalpia
H = U + p · V
Pri stálom tlaku sa prijaté teplo rovná zmene entalpie: q = ΔH. Pri stálom objeme, napríklad v uzavretej kalorimetrickej bombe, sa práca nekoná a q = ΔU. Rozdiel medzi nimi spôsobuje len plyn, ktorý pri reakcii vzniká alebo zaniká:
ΔH − ΔU = Δn(g) · R · T
Pri spálení vodíka 2 H₂(g) + O₂(g) → 2 H₂O(l) zanikajú 3 mol plynu, Δn = −3, a pri 25 °C je rozdiel asi −7,4 kJ. Proti ΔH = −572 kJ je to málo, ale pri presných meraniach sa s tým počíta.
rozšírenie Teplo z mlynčeka
V 40. rokoch 19. storočia sládok a fyzik James Prescott Joule roztáčal v nádobe s vodou lopatkové koliesko poháňané padajúcimi závažiami. Voda sa trením nepatrne ohriala a Joule zistil, že na ohriatie istého množstva vody treba vždy rovnakú prácu. Ukázal tak, že teplo a práca sú dve podoby toho istého, energie. Jednotka energie dnes nesie jeho meno.
teória
Časté chyby
- „Sústava obsahuje teplo.“ Sústava má vnútornú energiu. Teplo je energia, ktorá prechádza medzi sústavou a okolím.
- „Práca, ktorú vykoná plyn, je kladná.“ Z pohľadu sústavy je záporná, sústava ňou energiu stráca.
- „Zatvorená plechovka je izolovaná sústava.“ Teplo cez plech prechádza, je to uzavretá sústava.
- „ΔH a ΔU sú vždy rovnaké.“ Líšia sa, keď pri reakcii vzniká alebo zaniká plyn.
Ako sa teplo pri reakcii presne zmeria, ukáže lekcia Kalorimetria.