Termochimie

Termochimia este studiul energiei și al căldurii care au legătură cu reacțiile chimice și transformările fizice (schimbări fizice). Transformările fizice au loc atunci când o stare a materiei (un solid sau un lichid, de exemplu) se transformă într-o altă stare. Exemple de transformări includ topirea (când un solid devine lichid) și fierberea (când un lichid devine gaz).

O reacție produce sau absoarbe energie. De asemenea, o transformare fizică produce sau absoarbe energie. Termochimia analizează aceste schimbări de energie, în special schimbul de energie al unui sistem cu mediul înconjurător. Termochimia este utilă pentru a prezice cantitățile de reactanți și de produși în orice moment în timpul unei anumite reacții. Termochimiștii fac acest lucru folosind date, inclusiv determinări ale entropiei. Termochimiștii vor spune dacă o reacție este spontană sau nespontană, favorabilă sau nefavorabilă.

Reacțiile endotermice absorb căldură. Reacțiile exotermice cedează căldură. Termochimia combină conceptele termodinamicii cu ideea de energie sub formă de legături chimice. Aceasta include calcule ale unor cantități precum capacitatea termică, căldura de combustie, căldura de formare, entalpia, entropia, energia liberă și caloriile.

Primul calorimetru de gheață din lume, utilizat în iarna 1782-1783 de Antoine Lavoisier și Pierre-Simon Laplace. Acesta a fost folosit pentru a afla căldura degajată în diferite schimbări chimice. Aceste calcule se bazau pe descoperirea anterioară a lui Joseph Black privind căldura latentă. Aceste experimente au dat startul termochimiei.

Istoric

Termochimia a pornit de la două idei:

Lavoisier și legea lui Laplace (1780): Schimbarea de energie pentru orice transformare este egală și opusă schimbării de energie pentru procesul invers.
Legea lui Hess (1840): Schimbarea de energie pentru orice transformare este aceeași, indiferent dacă are loc într-o singură etapă sau în mai multe.

Aceste descoperiri au fost făcute înainte de prima lege a termodinamicii (1845). Ele i-au ajutat pe oamenii de știință să înțeleagă această lege.

Edward Diaz și Hess au studiat căldura specifică și căldura latentă. Joseph Black a dezvoltat conceptul de modificări ale energiei latente.

Gustav Kirchhoff a arătat în 1858 că variația căldurii de reacție este dată de diferența de capacitate termică dintre produși și reactanți: ∂ Δ H ∂ T = Δ C p {\displaystyle {{\partial \Delta H} \upra \partial T}=\Delta C_{p}} ${{\partial \Delta H} \over \partial T}=\Delta C_{p}$ . Integrarea acestei ecuații permite evaluarea căldurii de reacție la o anumită temperatură pornind de la măsurători efectuate la o altă temperatură.

Calorimetrie

Măsurarea schimbărilor de căldură se numește calorimetrie. Aceasta măsoară căldura reacțiilor chimice sau a schimbărilor fizice. Un calorimetru, un dispozitiv pentru calorimetrie, este, de obicei, o cameră închisă.

Calorimetria are următoarele etape: Chimiștii fac ca schimbarea să se producă în interiorul camerei. Temperatura camerei este măsurată fie cu ajutorul unui termometru, fie cu ajutorul unui termocuplu. Temperatura este trasată în funcție de timp pentru a obține un grafic. Chimiștii folosesc graficul pentru a calcula cantitățile fundamentale.

Calorimetrele moderne au calculatoare mici care măsoară temperatura și oferă rapid datele calculate. Un exemplu este un calorimetru cu scanare diferențială (DSC).

Sisteme

Mai multe definiții termodinamice sunt foarte utile în termochimie. Un "sistem" este secțiunea specifică a universului care este studiată. Tot ceea ce se află în afara sistemului este considerat mediul înconjurător sau mediu. Un sistem poate fi:

un sistem izolat - atunci când nu poate face schimb de energie sau de materie cu mediul înconjurător, ca în cazul unui calorimetru izolat pentru bombe;
un sistem închis - atunci când poate face schimb de energie, dar nu și de materie cu mediul înconjurător, cum este cazul unui radiator cu abur;
un sistem deschis - atunci când poate schimba atât materie, cât și energie cu mediul înconjurător, de exemplu, o oală cu apă clocotită.

Procese

Un sistem este supus unui "proces" atunci când una sau mai multe dintre proprietățile (caracteristicile) sale se modifică. Un proces se referă (se conectează) la schimbarea stării. Un proces izoterm (aceeași temperatură) are loc atunci când temperatura sistemului rămâne aceeași. Un proces izobarian (aceeași presiune) are loc atunci când presiunea sistemului rămâne aceeași. Un proces adiabatic (fără schimb de căldură) are loc atunci când nu există mișcare de căldură.

Pagini conexe

Publicații importante în termochimie
Reacția izodesmică
Principiul muncii maxime
Calorimetru de reacție
Principiul Thomsen-Berthelot
Julius Thomsen
Baze de date termodinamice pentru substanțe pure
Calorimetrie
Fizica termică

Întrebări și răspunsuri

Î: Ce este termochimia?

R: Termochimia este studiul energiei și căldurii legate de reacțiile chimice și transformările fizice.

Î: Care sunt câteva exemple de transformări fizice?

R: Printre exemplele de transformări fizice se numără topirea (când un solid devine lichid) și fierberea (când un lichid devine lichid).

Î: Cum ajută termochimia la prezicerea cantităților de reactanți și produse?

R: Termochimiștii utilizează date, inclusiv determinări ale entropiei, pentru a prezice cantitățile de reactanți și de produși în orice moment în timpul unei anumite reacții.

Î: Sunt reacțiile endotermice favorabile sau nefavorabile?

R: Reacțiile endotermice sunt nefavorabile.

Î: Reacțiile exotermice sunt favorabile sau nefavorabile?

R: Reacțiile exotermice sunt favorabile.

Î: Ce concepte combină termochimia?

R: Termochimia combină conceptele termodinamicii cu ideea de energie sub formă de legături chimice.

Î: Ce tipuri de calcule fac termochimiștii?

R: Termochimiștii efectuează calcule precum capacitatea termică, căldura de combustie, căldura de formare, entalpia, entropia, energia liberă și caloriile.