Energija, toplinski kapacitet, egzotermne i endotermne reakcije

Uvod

U kemijskim reakcijama, neovisno o tome gdje se zbivaju, energija se dovodi u sustav (ulaže se) ili se oslobađa u različitim oblicima.

Prisjetite se što je energija – pogledajte videozapis o oblicima energije i odgovorite na pitanja.

Oblici energije

Energija

Čestice koje izgrađuju tvari (atomi, molekule, ioni) sadrže pri određenoj temperaturi potencijalnu i kinetičku energiju.

[latex]E_p=m\cdot g\cdot h[/latex]

Ep – potencijalna energija

m – masa tvari

g – gravitacijsko ubrzanje (akceleracija)

h – visina

[latex]E_k=\frac{m\cdot v^2}{2}[/latex]

Ek – kinetička energija

m – masa tvari

v – brzina

Potencijalna energija (Ep) rezultat je međudjelovanja čestica, a kinetička energija (Ek) rezultat je njihova gibanja. Pogledajte videozapis Potencijalna energija i odgovorite na pitanja.

Potencijalna energija

Agregacijsko stanje neke tvari pri određenoj temperaturi ovisi o međusobnom odnosu vrijednosti potencijalne i kinetičke energije.

Unutarnja energija (U) je zbroj kinetičke i potencijalne energije. Do promjene unutarnje energije sustava može doći razmjenom topline između sustava i okoline ili razmjenom rada.

[latex]U=E_k+E_p[/latex]

Toplina (Q) i rad (W) mogu imati pozitivan i negativan predznak ovisno o tome prima li ili otpušta li sustav toplinu, odnosno obavlja li sustav rad ili se rad obavlja nad sustavom.

Toplinski kapacitet

Toplinski kapacitet pokazuje koliko topline treba dovesti sustavu da bi mu se temperatura povisila za 1 K, odnosno 1 °C. Oznaka za toplinski kapacitet jest C, a mjerna jedinica jest J K–1.

[latex]C=\frac{Q}{\triangle T}[/latex]

C – toplinski kapacitet

Q – apsorbirana toplina

ΔT – prirast temperature

Toplinski kapacitet za različite vrste tvari iskazuje se kao specifični toplinski kapacitet, c, ili molarni toplinski kapacitet, Cm, pri konstantnome tlaku.

Specifični toplinski kapacitet jest toplina koju treba dovesti 1 kilogramu neke tvari da se temperatura povisi za 1 K, a molarni toplinski kapacitet jest toplina koju treba dovesti 1 molu neke tvari da se temperatura povisi za 1 K.

specifični toplinski kapacitet

[latex]c=\frac{Q}{m\cdot\triangle T}[/latex]

mjerna jedinica: J kg–1 K–1

molarni toplinski kapacitet

[latex]C_m=\frac{Q}{n\cdot\triangle T}[/latex]

mjerna jedinica: J mol–1 K–1

c – specifični toplinski kapacitet
m – masa
Q – apsorbirana toplina
ΔT – prirast temperature

Cm – molarni toplinski kapacitet
n – množina tvari
Q – apsorbirana toplina
ΔT – prirast temperature

Zadatak: 

Izračunajte količinu topline u kJ potrebne da se 750 g vode zagrije od 18 °C do 100 °C. Specifični toplinski kapacitet vode iznosi 4,20 J g–1 K–1.

Zadano je:

m(H2O) = 750 g

t1 = 18 °C

t2 = 100 °C

c(H2O) = 4,20 J g–1 K–1


Traži se:

Q = ?

Izradak:

 Δt = 100 °C – 18 °C = 82 °C ⇒ ΔT = 82 K

Q = c(H2O) · m(H2O) · ΔT

Q = 4,20 J g–1 K–1 · 750 g · 82 K

Q = 258 300 J = 258,300 kJ


Odgovor:

Q = 258,300 kJ

Kalorimetrija

Kalorimetrija je eskperimentalna metoda određivanja oslobođene ili uložene topline tijekom reakcije. Kalorimetar je uređaj u kojem provodimo kalorimetrijsko istraživanje. 

Izmijenjenu količinu topline tijekom reakcije u kalorimetru izračunavamo pomoću sljedećeg izraza:

[latex]Q=-C\cdot\triangle T[/latex]

Q – toplina

C – toplinski kapacitet kalorimetra

ΔT – prirast temperature

Egzotermne i endotermne reakcije

I kemijske i fizikalne promjene (promjena agregacijskih stanja tvari) prati izmjena energije između sustava i okoline.

Sustav se u kemiji najčešće definira kao posuda u kojoj se zbiva neka promjena (čaša, epruveta, tikvica) i njezin sadržaj. Okolina je sve ono što okružuje sustav.

Kemijske reakcije najčešće prati promjena energije pri čemu može doći do izmjene energije u obliku topline između sustava i okoline ili pretvorbe energije u neki drugi oblik.

S obzirom na izmjenu energije u obliku topline kemijske reakcije možemo podijeliti na egzotermne i endotermne reakcije:

  1. egzotermne reakcije – reakcije u kojima se oslobađa toplina iz sustava u okolinu
  2. endotermne reakcije – reakcije u kojima se ulaže (apsorbira) toplina iz okoline u sustav.

Energijske promjene tijekom kemijske reakcije mogu se prikazati i entalpijskim dijagramima (vidite jedinicu Entalpija i promjena entalpije).

Pogledajte videozapis Energijske promjene u reakciji i odgovorite na pitanja.

Energijske promjene u reakciji

Do promjena agregacijskih stanja tvari dolazi ulaganjem ili otpuštanjem topline.

S obzirom na izmjenu topline, promjene agregacijskih stanja možemo podijeliti na:

  1. endotermne promjene – toplina se ulaže tijekom procesa
  2. egzotermne promjene – toplina se otpušta tijekom procesa.

Završetak

Kroz povijest razvojni skokovi su nastajali uvijek kada je riješeno neko od energetskih ograničenja. U 19. stoljeću je potreba za velikim količinama mehaničkog rada riješena izumom parnog stroja kojemu su glavni energetski izvori bili drvo i ugljen; početkom 20. stoljeća je potreba za prijenosom energije na daljinu riješena centraliziranom proizvodnjom električne energije, a glavni izvori bili su ugljen, nafta i potencijalna energija vode; u 20. stoljeću je potreba za savladavanjem udaljenosti ljudi i robe riješena pojavom automobila i zrakoplova, a glavni energetski izvor bila je nafta; krajem 20. stoljeća je potreba za prijenosom velikog broja informacija riješena bežičnim digitaliziranim prijenosom putem elektromagnetske energije, a glavni izvor je postala električna energija; početkom 21. stoljeća potreba za električnom energijom je toliko narasla da se daljnji razvoj društva mora bazirati na obnovljivim izvorima svih vrsta i na povećanju stupnja korisnosti energijske pretvorbe. Svjesni smo da se danas oko 82,5 % svih energetskih potreba pokriva iz neobnovljivih izvora što je dugoročno neodrživo.

Moramo misliti na naš okoliš danas i okoliš sutra – izgaranjem fosilnih goriva oslobađaju se štetni plinovi koji uzrokuju promjenu klime, zagađenje zraka i bolesti.
  • Koristeći Word Online osmislite i izradite letak kojim ćete predstaviti inovativnu upotrebu nekih obnovljivih izvora energije.
  • Priredite letak tako da bude atraktivan i kreativan te neka uključuje što više primjera primjene.
  • Letak oglasite na mrežnim stranicama vaše škole, a ako ste u mogućnosti predstavite ideje i lokalnoj zajednici.