Slučovací teplo

V minulém videu jsme viděli, že pokud definujeme entalpii „H“, která se rovná vnitřní energii systému plus jeho tlak krát objem... Je to téměř svévolná definice. Ale víme, že jde o stavovou veličinu. Bez ohledu na to, jak se do daného stavu dostanete, vždy bude mít stejnou hodnotu. Protože vznikla jako součet a součin dalších stavových veličin. Ale toto samotné není tak užitečné ani intuitivní. Viděli jsme ovšem v minulém videu, že pokud předpokládáme konstantní tlak – a to je zásadní předpoklad, ale není pro většinu chemických reakcí nerozumný, protože většina reakcí... Sedíme třeba na pláži s kelímky a ty jsou vystaveny standardní teplotě i tlaku, případně alespoň nějakému tlaku, který se nemění během reakce. Pokud předpokládáme konstantní tlak, viděli jsme, že se změna entalpie stává teplem dodaným systému za tohoto konstantního tlaku. Toto „P“ je tady proto, aby vám připomínalo, že tu máme změnu tepla za konstantního tlaku. Fajn. Takže jak můžeme tyto koncepty využít nějakým užitečným způsobem? Řekněme, že mám uhlík jako prvek, grafit, a přidám k němu... Řekněme, že mám mol uhlíku. A přidám k němu 2 moly vodíku v nejstabilnější formě prvku. Bude to plyn a bude mít podobu molekul, ano? Pokud mám trochu vodíku v plynném skupenství, řekněme v balonu, nepůjde o atomy vodíku. Budu se vázat a vytvoří tyto dvouatomové molekuly. A pokud budou reagovat, vytvořím mol methanu, CH4. Ale to není vše, co tu vznikne. Také se zde uvolní nějaké teplo. Uvolní se 74 kJ tepla – plus 74 kJ tepla – při vytvoření jednoho molu. Malé „k“ značí kilo. Při vytvoření jednoho molu methanu. Takže co se tady děje? Nejdříve – kolik tepla bylo systému dodáno? Předpokládejme, že toto teplo se uvolní ze systému. Že to není adiabatický proces. Neizoluji systém od čehokoli. Teplo se prostě uvolní, jednoduše systém opustí. Bude uvolněno. Takže moje otázka je, kolik... No, začal jsem s touto nádobou, tak jí asi můžeme říkat, za standardního, fixního tlaku. A možná mám trochu... No, chci udělat uhlík, použiju šedou. Mám trochu pevného uhlíku. Možná nějaký prach. A pak mám nějaké molekuly plynného vodíku. Každá tečka představuje dva atomy vodíku. A pak... nevím, zatřesu tím nebo je nějak donutím reagovat a dostanu trochu plynného methanu. Ten udělám zeleně. Takže mám pár molekul plynného methanu a uvolnilo se 74 kJ. Takže kolik tepla bylo přidáno do systému? No, ze systému se teplo uvolnilo. Uvolnili jsme 74 kilojoulů. Takže teplo přidané do systému bylo minus 74 kilojoulů. Pokud bych se vás zeptal na uvolněné teplo, bylo by 74 kJ. Ale pamatujte, jde nám o teplo přidané do systému, to je minus 74 kJ. A právě jsem vám ukázal, že je stejné jako změna entalpie. Takže jak o tom můžeme přemýšlet? Jaká je entalpie tohoto systému vzhledem k tomuto systému? No, tato bude nižší, že? Protože pokud jde o entalpii... Změna entalpie je entalpie konečného systému minus entalpie výchozího systému. A máme záporné číslo. Máme minus 74 kilojoulů. Takže toto musí být menší než toto, o 74 kilojoulů. Takže tato entalpie je menší než entalpie zde. Takže pokud bychom měli tuto reakci zakreslit do diagramu... Řekněme, že tato osa je čas nebo něco takového, postup reakce. A na osu y zakreslím entalpii. Takže reakce začíná na počáteční entalpii, Hi, a to je tento stav. Takže tady začnete. Udělám to ve žluté barvě té nádoby. Tady začnete. A potom, nevím, třeba tím zatřesete, nechci začít s aktivačními energiemi, tady může být malý hrbol a tak, ale kdo ví. Ale poté dojdeme k naší konečné entalpii. Máme tuto konečnou entalpii, právě tady, na konci reakce. To je tento stav. To je konečná entalpie, Hf. Takže vidíte, že zde došlo k tomuto poklesu entalpie. A to, co je zde zajímavé, není ani tolik absolutní hodnota entalpie tady nebo tady. Ale nyní, když máme entalpii, máme jistý rámec pro přemýšlení, kolik tepla obsahuje tento systém vůči tomuto systému. A pokud uvážíme, že je zde méně tepla v tomto systému než v tomhle, musela se energie uvolnit. A to jsem vám do jisté míry řekl na začátku, že? Řekl jsem, že energie se uvolňuje. A pro tento proces se používá slovo exotermní. Teď se vydejme opačným směrem... Řekněme, že jdeme od methanu zpět, pak je potřeba dodat systému teplo. Pokud chcete provést opačnou reakci, s nárůstem energie, budete muset přidat teplo, dostanete kladnou změnu entalpie a potom půjde o endotermní reakci. Takže pokud se uvolňuje energie, je reakce exotermní. Pokud reakce energii potřebuje, je endotermní. Teď se možná můžete ptát: Sale, odkud pochází ta energie? Takže jsem začal tady na této entalpii, entalpie má tuto zvláštní definici, a potom skončíme s touto druhou entalpií. A jak vidíte, entalpie... No, předpokládáme konstantní tlak. Řekněme, že objem se zde moc nemění nebo se možná nemění vůbec. Takže většina změny bude pocházet ze změny vnitřní energie, ano? Zde je vyšší vnitřní energie, tato nižší vnitřní energie způsobí pokles entalpie. A změna vnitřní energie je vlastně přeměna potenciální energie na uvolněné teplo. Takže se uvolnilo nějaké teplo, 74 kilojoulů, a poklesla vnitřní energie. A toto všechno nám dává rámec, takže pokud víme, kolik tepla potřebujeme na vytvoření nebo nevytvoření jistých produktů, pak můžeme částečně předpovědět, kolik tepla se uvolní nebo kolik tepla bude pohlceno jinými reakcemi. A tady se dotknu jiného pojmu. A to sice pojmu „slučovací teplo“, někdy se mu říká „slučovací entalpie“. Takže mluvíme o něm jako o změně slučovací entalpie. A tato změna je běžně zadána za standardní teploty a standardního tlaku. Proto sem takto umístí malá nula, někdy je to jen kolečko. A říká nám, jaká je změna entalpie k získání nějakých molekul z prvků. Takže například, pokud chceme methan... Pokud tady máme methan a chceme zjistit jeho slučovací teplo, řekneme si – pokud ho vytvoříme z prvků, jaké bude deltaH takové reakce? No, zrovna jsme se dozvěděli, kolik je její deltaH. Bylo to minus 74 kJ. Což znamená, že pokud vytvoříte methan z prvků, z jeho součástí, uvolní se přitom 74 kilojoulů energie. Protože je to exotermní reakce. Jelikož se uvolnilo teplo, můžete říci, že methan je stabilnější, má nižší potenciální energii než tyto molekuly. A protože má menší potenciální energii, je stabilnější. Chci říct – jeden způsob, jak o tom přemýšlet – máte tady kopec a na něm míč. A tohle není, jak víte, úplná, přímá analogie. Ale je to analogie k potenciální energii. Když máte nižší potenciální energii, jste ve stabilnějším stavu. A tak v běžném světě, pokud máte nějaký methan, skutečnost, že má záporné slučovací teplo, vlastně standardní slučovací teplo, protože tady máme tuhle nulu, neboli zápornou slučovací entalpii – to všechno je to samé –, vám říká, že methan je stabilnější než složky, které ho tvoří. A tyto věci si můžete dohledat. Nemusíte se je učit, ale je dobré vědět, kde jsou. A vše jsem sem zkopíroval... Vlastně sem dám přímo tabulky z Wikipedie. Vše jsem zkopíroval přímo z Wikipedie. Ty vám dají standardní slučovací teplo mnoha sloučenin. A pokud se podíváte sem dolů – schválně, jestli tu máme methan –, s tímto zde pracujeme. Říkají nám vlastně deltaH reakce vytvoření methanu. Tato tabulka zde nám říká, že pokud začneme s uhlíkem v pevném skupenství, přidáme dva moly vodíku v plynném skupenství a vytvoříme jeden mol methanu, že pokud vezmete tuto entalpii minus tuto entalpii, – takže změnu entalpie pro tuto reakci – za standardní teploty i tlaku, bude rovna minus 74 kJ na mol. Toto vše je na mol. Takže pokud máme mol tohoto, dva moly tohoto a vytvoříme mol methanu, uvolní se 74 kJ teplo. Takže jde o „stabilní“ reakci. Je tady několik zajímavých věcí a využijeme tuto tabulku i v dalších několika videích. Tady vidíte, že jednoatomový kyslík má kladné standardní slučovací teplo. Což znamená, že je k jeho vytvoření potřeba dodat energii. Takže pokud máte reakci, řekněme tuto reakci, napíšu ji takto... Polovina molekuly kyslíku v plynném skupenství jde na mol atomů kyslíku, ten je také v plynném skupenství. Toto nám říká, že tento stav má vyšší potenciální energii než tento stav. A aby se tato reakce uskutečnila, musíme dodat energii. Dodat energii na druhou stranu. Takže musíte dodat 249 kilojoulů. Teď můžete říct: Ale Sale, do nedává smysl. Kyslík je prostě kyslík. Proč je tu slučovací teplo kyslíku? A to je proto, že vždy používáme prvky jako referenční bod. Takže pro kyslík, pokud máte k dispozici trochu kyslíku, bude ve formě O2. Pokud máte vodík, bude to H2. Pokud máte dusík, bude to N2. Uhlík na druhou stranu bude prostě C a bude v pevném skupenství, jako grafit. Takže všechna slučovací tepla jsou zadána vzhledem k formě, ve které naleznete daný prvek v jeho čisté podobě. Ne nutně jako atom, ačkoli někdy to atom je. Takže v příštím videu použijeme tuto tabulku, která je velmi šikovná – vyberu z ní části –, abychom řešili konkrétní příklady. V tomto videu jsem vám zadal slučovací teplo a jen jsme o něm trochu přemýšleli. V následujících videích využijeme tuto tabulku, která nám dává slučovací tepla, abychom zjistili, zda jsou reakce endotermní a absorbují energii nebo exotermní a energii uvolňují. A zjistíme, do jaké míry.