A2.1 Energi og entalpi
En gryde på et gasblus bliver varm af gassen, der brænder under den. En kuldepose bliver kold, når saltet i den går i opløsning. I begge tilfælde flytter en kemisk reaktion energi. Termodynamik handler om, hvor meget energi en reaktion flytter, og om, hvorfor nogle reaktioner forløber af sig selv, mens andre ikke gør.
System og omgivelser
I termodynamik deler man verden i to. Systemet er de stoffer, der reagerer. Omgivelserne er alt det andet: vandet, stofferne er opløst i, glasset, luften og dig.
- En exoterm reaktion afgiver varme til omgivelserne. Omgivelserne bliver varmere.
- En endoterm reaktion optager varme fra omgivelserne. Omgivelserne bliver koldere.
De to ord kender du fra afsnit B1.3. Det er altid systemet, man ser tingene fra. Når et bægerglas føles varmt, har systemet afgivet energi.
Entalpi
Stofferne i et system indeholder energi i deres kemiske bindinger. Den energi, der kan udveksles som varme ved konstant tryk, kaldes systemets entalpi. Den har symbolet H og måles i joule eller kilojoule.
Man kan ikke måle, hvor stor entalpien er. Man kan kun måle, hvor meget den ændrer sig. Ændringen kaldes tilvæksten i entalpi og skrives ΔH:
\[ \Delta H = H_\mathrm{slut} - H_\mathrm{start} \]
Tegnet Δ er det græske bogstav delta. Det betyder altid slutværdien minus startværdien.
Er ΔH negativ, har systemet afgivet varme, og reaktionen er exoterm. Er ΔH positiv, har systemet optaget varme, og reaktionen er endoterm.
Diagrammet ligner energiprofilen fra afsnit B1.3, men det viser kun, hvor reaktionen begynder, og hvor den slutter.
Entalpien er en tilstandsfunktion. Det betyder, at den kun afhænger af, hvilke stoffer der er, og hvilken tilstand de er i. Den afhænger ikke af, hvordan stofferne er blevet til. Derfor afhænger ΔH kun af, hvor reaktionen begynder, og hvor den slutter.
ΔH hører til reaktionsskemaet
Tilvæksten i entalpi angives i kJ/mol og hører til reaktionsskemaet, præcis som det er skrevet. For dannelsen af vand er
2 H2(g) + O2(g) → 2 H2O(l) ΔH = −571,6 kJ/mol
Det betyder, at der afgives 571,6 kJ, når 2 mol H2 reagerer med 1 mol O2 og danner 2 mol flydende vand. Enheden kJ/mol læses som kJ pr. mol reaktion, altså pr. gang reaktionsskemaet forløber med koefficienterne talt i mol.
Der gælder to regler:
| Reaktionsskemaet | ΔH | Eksempel |
|---|---|---|
| vendes om | skifter fortegn | 2 H2O(l) → 2 H2(g) + O2(g) har ΔH = +571,6 kJ/mol |
| ganges med et tal | ganges med det samme tal | H2(g) + ½ O2(g) → H2O(l) har ΔH = −285,8 kJ/mol |
Tilstandsformerne skal altid stå i reaktionsskemaet. Dannes vandet som damp i stedet for væske, er ΔH en anden, fordi det koster energi at få vand til at fordampe.
Sådan måles ΔH
Varmen fra en reaktion kan måles i et kalorimeter. Det enkleste kalorimeter er et bæger af skumplast med et termometer. Reaktionen foregår i vand i bægeret, og skumplasten sørger for, at næsten al varmen bliver i vandet.
Den varme, vandet har optaget, beregnes ud fra, hvor meget temperaturen er steget:
\[ q = m \cdot c \cdot \Delta T \]
| Symbol | Størrelse | Enhed |
|---|---|---|
| q | varme | J |
| m | massen af vandet | g |
| c | vands specifikke varmekapacitet | 4,18 J/(g · K) |
| ΔT | temperaturstigningen | K |
En temperaturstigning er lige stor i kelvin og i grader celsius. Den varme, vandet har optaget, har systemet afgivet. Derfor får ΔH det modsatte fortegn, og der deles med stofmængden for at få kJ/mol:
\[ \Delta H = -\frac{q}{n} \]
En måling i et bæger af skumplast giver altid en lidt for lille talværdi, fordi noget af varmen slipper ud i luften og i bægeret.
- Skriv altid fortegn på ΔH, også når den er positiv.
- Skriv enheden kJ/mol, og skriv reaktionsskemaet med tilstandsformer, så det er tydeligt, hvad tallet hører til.
- Kommentér fortegnet: ΔH < 0 betyder exoterm, og ΔH > 0 betyder endoterm.
Prøv selv: Energidiagram og aktiveret kompleks: se ΔH i et energidiagram.