Termokemi

För andra betydelser, se Kemisk termodynamik.

Termokemi är den del av termodynamiken som behandlar värmeutbytet vid kemiska reaktioner.

I nästan alla kemiska reaktioner frigörs eller absorberas värme, en form av energi. När man bränner exempelvis kol eller bensin frigörs stora mängder värme i de (exoterma) reaktionerna som sker. Samma sak händer även när man droppar syra i vatten. Sådana reaktioner är viktiga källor av värme och energi. Kemiska reaktioner som absorberar värme kallas (endoterma) och är ofta mindre dramatiska.

Termokemi är studier av reaktioner där man mäter avgivning och upptagning av värme (dvs. energi). Värmen kan mätas med en kalorimeter. Den inre energin i ett system betecknas U, där alltså U är

U = ΣE

eller enligt relativitetsteorin

U = mc²

Denna massa är omöjlig att tillräckligt noggrant mäta, och därför använder man av praktiska skäl förändringen hos den totala energin ΔU:

ΔU = q + w

där q är värmemängden (dvs. värmeenergin) och w är arbetsmängden (dvs. all annan energi). Antag att man har ett slutet system; trycket i detta system är p. Kraften som detta tryck utövar på systemets väggar är då

F = pA

Om man nu ändrar på systemets volym med ΔV genom att flytta arean A en sträcka s, fås formeln

ΔV = As

Enligt

A = A

fås

F/p = ΔV/s

vilket ger

Fs = pΔV

Att en kraft F flyttas en sträcka s motsvarar ett arbete w, dvs.

w = Fs

och man får

ΔU = q-pΔV

Observera att riktningen för arbetet är negativt på grund av att systemet gör ett arbete. Om volymen i systemet är konstant, då gäller ΔU = q_v där V är konstant.

Entalpi H är energin som finns lagrad i ett ämne (observera ej i systemet):

H = U + pV

På motsvarande sätt som hos den inre energin, kan endast ΔH mätas. Antag att man går från en situation A till en situation B, A→B. Då blir ΔH

ΔH = HB - HA = ΔU + ΔpΔV

samt gäller också att

ΔH = Σ(B) - Σ(A)

eller

ΔH = ΣH(produkterna) - ΣH(reaktanterna)

Om trycket i systemet är konstant, då gäller

ΔH = ΔU + pΔV = q - pΔV + pΔV = q

dvs.

ΔH = qp

där p är konstant. Förändringen ΔH kallas för reaktionsentalpin, och enligt

ΔH = ΣH(produkterna) - ΣH(reaktanterna)

gäller att då

• ΔH < 0 frigörs energi och det är en exoterm reaktion.
• ΔH > 0 binds energi och det är en endoterm reaktion.

Den totala entalpin av flera delreaktioner fås som

ΔH_tot = SΔH

Som viktigt begrepp inom termokemin som tidigare nämndes, är värmemängden Q, där

Q = cmΔt

Bildningsentalpin ΔH₀ är ett annat viktigt begrepp. Denna är reaktionsentalpin för en mol av ett ämne som bildas från rena grundämnen, dvs.

ΔH₀ = ΔH / n.