Hoofdstuk 7: Chemische thermodynamica

Question 1

Wat houdt de term energie in?

Answer 1

Energie is het vermogen om arbeid te verrichten (inclusief warmte te leveren). De SI-eenheid voor energie, arbeid en warmte is de Joule (J).

Question 2

Welke verschillende vormen van energy zijn er te onderscheiden?

Answer 2

inetische energie, potentiële energie, chemische energie, maar ook elektrische energie, elastische energie, kernenergie en stralingsenergie. In beginsel kunnen alle vormen van energie in elkaar worden omgezet.

Question 3

Waarom kan er nooit energie verbruikt of geproduceerd worden?

Answer 3

Altijd geldt de wet van behoud van energie: er kan geen energie verloren gaan of uit het niets te voorschijn komen. Deze wet houdt in dat er nooit sprake kan zijn van energieverbruik of energieproductie, zoals in het dagelijks leven wel eens wordt gezegd, maar uitsluitend van energieomzettingen

Question 4

Wat is de eerste hoofdwet van de thermodynamica?

Answer 4

Het principe van de constante hoeveelheid energie is geformuleerd in de eerste hoofdwet van de thermodynamica: In een geïsoleerd systeem is de inwendige energie constant.

Question 5

Welke systemen onderscheiden we in de thermodynamica en wat zijn hun kenmerken?

Answer 5

– Een open systeem is een systeem dat zowel materie als energie (via warmte en/of arbeid) kan uitwisselen met de omgeving.

– Een gesloten systeem is een systeem dat alleen energie kan uitwisselen met de omgeving.

– Een geïsoleerd systeem is een systeem dat noch materie, noch energie kan uitwisselen met de omgeving.

Question 6

Wat is de inwendige of interne energie U?

Answer 6

Inwendige energie De totale hoeveelheid energie van een systeem noemen we de inwendige of interne energie U. Tot de totale hoeveelheid energie van een systeem rekenen we alle vormen van energie.

Question 7

ΔU > 0 is dit proces endo- of exotherm?

Answer 7

Het systeem neemt energie op (vanuit de omgeving), dus de inwendige energie van het systeem neemt toe: het proces is endotherm (endo = in).

Question 8

ΔU < 0 is dit proces endo- of exotherm?

Answer 8

Het systeem staat energie af (aan de omgeving), dus de inwendige energie van het systeem neemt af: het proces is exotherm (exo = uit).

Question 9

We spreken van macroscopisch niveau als we … We spreken van microscopisch (of moleculair) niveau als we …

Answer 9

We spreken van macroscopisch niveau als we de waarneembare stof bedoelen, de stof zoals die zich aan ons voordoet. We spreken van microscopisch (of moleculair) niveau als we de stof zien als een enorme verzameling moleculen.

Question 10

Is arbeid dat op een systeem wordt verricht positief of negatief? En arbeid die door het systeem wordt verricht?

Answer 10

We definiëren arbeid die op het systeem wordt verricht als positief (omdat het systeem hierbij in energie toeneemt: compressie) en arbeid die door het systeem wordt verricht als negatief (omdat het systeem hierbij energie verliest: expansie)

Question 11

Arbeid, die vaak voorkomt bij chemische processen, is volumearbeid bij expansie of compressie.

Wat is hiervan de formule?

Answer 11

w = –p ΔV

w (arbeid)

p (druk)

ΔV (verandering in volume)

Question 12

De inwendige energie van een systeem is ook te veranderen door de temperatuur te veranderen. Als er warmte wordt toegevoerd is q … en als er warmte vrijkomt (het systeem verlaat) is q …

Answer 12

De inwendige energie van een systeem is ook te veranderen door de temperatuur te veranderen. Als er warmte wordt toegevoerd is q positief en als er warmte vrijkomt (het systeem verlaat) is q negatief.

q = warmte

Question 13

Wat is een isochoor proces?

Answer 13

Vindt een proces plaats bij constant volume (isochoor proces), dan wordt er geen volumearbeid verricht (ΔV = 0). De verandering van de inwendige energie van het systeem is dan gelijk aan de bij constant volume uitgewisselde warmte, hetgeen we aangeven door q de index V te geven:

qV = ΔU

Question 14

Wat is een isobaar proces?

Answer 14

Wanneer een proces verloopt onder constante druk (isobaar proces) geven we de opgenomen of afgegeven warmte aan met de index p bij q. Onder zulke omstandigheden is de verrichte volumearbeid niet nul (ΔV ≠ 0) en de verandering van de inwendige energie van het systeem is dan niet precies gelijk aan de bij constante druk uitgewisselde warmte:

q_p = ΔU + p ΔV

Question 15

Welke druk wordt er bij de meeste chemische reacties gebruikt?

Answer 15

De meeste chemische reacties en processen in het milieu vinden plaats bij constante druk, namelijk bij atmosferische druk.

Question 16

Wat is enthalpie en met welk symbool geven we het aan?

Answer 16

In de thermodynamica is een speciale grootheid enthalpie met symbool H (H = U + pV) gedefinieerd zodat geldt:

q_p = ΔU + p ΔV = ΔH

Question 17

Onder welke omstandigheden worden de ΔH-waarde (enthalpie) meestal opgegeven?

Answer 17

ΔH-waarden zijn direct evenredig met de hoeveelheid reactanten en producten en afhankelijk van de druk en de temperatuur. ΔH-waarden worden daarom altijd opgegeven per mol stof voor standaardomstandigheden (p = p0 en T = 298 K).

Question 18

Wat is de verdampingsenthalpie van water in de volgende vergelijking?

CH₄ (g) + 2 O₂ (g) → CO₂ (g) + 2 H₂O (l) ΔH0 = − 890,7 kJmol⁻¹

CH₄ (g) + 2 O₂ (g) → CO₂ (g) + 2 H₂O (g) ΔH0 = − 802,3 kJmol⁻¹

Answer 18

Het verschil in ΔH-waarden voor deze twee reacties is de hoeveelheid energie die nodig is om 2 mol water bij 298 K te verdampen; de verdampingsenthalpie van water is 44,2 kJ mol^–1.

Question 19

Zijn de volgende processen endotherm of exotherm?

• Smelten
• Verdampen
• Stollen
• Rijpen
• Sublimeren
• Condenseren

Answer 19

. Smelten, verdampen en sublimeren zijn endotherme processen.

Condenseren, stollen en rijpen zijn exotherme processen.

Question 20

De hoeveelheid warmte q, die nodig is om een hoeveelheid stof met massa m een temperatuurstijging ΔT te geven, is:

Answer 20

q = m c ΔT

q (warmte)

m (massa)

c (soortelijke warmte)

ΔT (temperatuursstijging)

Bij temperatuurdaling moet uiteraard dezelfde hoeveelheid warmte worden afgevoerd.

Question 21

Wat is de soortelijke warmte van een stof?

Answer 21

Aangezien ook de hoeveelheid stof van belang is voor de hoeveelheid warmte per graad temperatuurstijging, of -daling, werken we meestal met de soortelijke warmte (of specifieke warmtecapaciteit) c. Dit is de warmtecapaciteit per kilogram stof in J kg–1 K–1. Dit is een stofeigenschap. In formule:

c = C/m

Question 22

De berekening van de hoeveelheid warmte die nodig is om 1,0 kg water te verwarmen van 20 °C tot het kookpunt. De soortelijke warmte van water is c = 4,18 kJ kg^–1 K^–1 (zie BINAS-tabel 11). Invullen: q = m c ΔT

Answer 22

q = 1,0kg x 4,18 kJ kg^-1 K^-1 x (100-20) K = 3,4 x 10² kJ

Question 23

Hoeveel m3 aardgas moet je verbranden om 3,4x10² kJ warmte op te wekken? Aardgas heeft een verbrandingsenthalpie ΔH = –31 MJ m–3 (zie BINAStabel 28A).

Answer 23

V_aardgas = 0,34 MJ/ 31 MJ m^-3 = 0,011 m³ = 11 liter

Question 24

Waaruit bestaat een warmte meter?

Answer 24

Een warmtemeter bestaat uit een goed geïsoleerd vat, dat deels is gevuld met water. In een apart vat kan een reactie plaatsvinden. Sommige reacties kunnen in het water zelf plaatsvinden. De energie die daarbij vrijkomt, wordt als warmte afgegeven aan het water.

Question 25

Hou luidt de wet van Hess?

Answer 25

Het energieeffect van een chemische reactie is niet afhankelijk van de gevolgde weg (via welke tussenproducten een reactie verloopt), alleen van de begin- en eindtoestand.

Question 26

De reactie-enthalpie van de reactie C(s) + ½O₂(g) → CO(g) waarom wordt er met een gebroken coeefiecient gewerkt in deze vergelijking?

Answer 26

In de reactievergelijking gebruiken we gebroken coëfficiënten, omdat we de berekeningen per mol stof uitvoeren.

Question 27

Wat is de bindingsenthalpie?

Answer 27

De bindingsenthalpie **ΔH_b** is de enthalpie die vrijkomt bij de vorming van een atoombinding uit de losse atomen in de gasfase, berekend per mol binding. Bindingsenthalpieën zijn altijd negatief: er komt altijd energie vrij bij het vormen van een binding.

Question 28

Wat is de bindingsdissociatie-enthalpie?

Answer 28

De enthalpie die nodig is om een binding te splitsen in losse atomen per mol binding noemen we de bindingsdissociatie-enthalpie. Deze is uiteraard gelijk aan de negatieve bindingsenthalpie en dus altijd positief.

Question 29

Wat is de standaardvormings enthalpie?

Answer 29

Onder de (standaard)vormingsenthalpie van een stof, aangegeven met **ΔH_f⁰** (f van formation) verstaan we de enthalpieverandering bij de vorming van één mol van die stof uit de elementen in de standaardtoestand. De standaardtoestand is voor ieder element gedefinieerd als de meest stabiele vorm onder standaardomstandigheden.

Question 30

Wat is de definitie van exergie?

Answer 30

De maximale hoeveelheid arbeid die ergens uit gewonnen kan worden bij het op een reversibele manier in evenwicht brengen met de omgeving. Exergie wordt in de praktijk gebruikt als ander woord voor ‘kwaliteit van energie’.

Question 31

Wanneer zet zich een dynaimsch evenwicht in?

Answer 31

Chemische of fysische processen gaan niet altijd één kant op, ze kunnen ook in tegengestelde richting verlopen. Beide processen kunnen zelfs gelijktijdig plaatsvinden, waardoor een dynamisch evenwicht ontstaat.

Question 32

Wat is entropie?

Answer 32

Entropie is een maat voor de spreiding van deeltjes en energie; hoe groter deze spreiding, des te groter de entropie. Een toestand met een volledig gelijkmatige spreiding van deeltjes en energie heeft een maximale entropie. Dit is de andere drijfveer achter chemische en fysische processen, het streven naar een maximale entropie S .

Question 33

Welke verdelings neiging hebben deeltjes van nature?

Answer 33

Door hun bewegingen vertonen deeltjes (moleculen, atomen, ionen) van nature een gelijkmatige spreiding, zowel in de plaatsen die ze innemen (een gelijkmatige spreiding van deeltjes over de ruimte) als in hun manieren van beweging (een gelijkmatige spreiding van energie over de deeltjes).

Question 34

Op welke drie manieren kunnen deeltjes bewegen?

Answer 34

Deeltjes kunnen in principe op drie manieren bewegen: door **vibratie, rotatie en translatie**. Neemt een stof energie op, dan komt deze energie ten goede aan een toename in die bewegingsmogelijkheden van de deeltjes: dit maakt een grotere spreiding van energie mogelijk. Bij spreiding van deeltjes over de ruimte is ook altijd spreiding van energie, doordat energie gebonden is aan deeltjes.

Question 35

Wanneer is de entropie S groter in een systeem?

Answer 35

We noemen de entropie S van een systeem groter naarmate er meer wanorde heerst of naarmate er meer mogelijkheden zijn de toestand van het systeem op moleculair niveau te realiseren.

Question 36

Wat is de tweede hoofdwet van de thermodynamica?

Answer 36

Een fysisch of chemisch proces kan slechts verlopen als de totale entropie, dat is de entropie van het systeem en die van de omgeving (in totaal een geïsoleerd systeem), toeneemt.

Question 37

Hoe kan fotosynthese uitgelegd worden aan de hand van entropie?

Answer 37

Tijdens de groei van een plant worden kleine moleculen met behulp van zonne-energie (fotosynthese) omgezet in grotere moleculen (zoals koolhydraten); er ontstaat dus orde uit wanorde. Dit gebeurt echter uitsluitend ten koste van een entropietoename van de omgeving, met name in de zon. Uiteindelijk resulteert deze in het uitdoven van de zon – en een bitterkoude aarde.

Question 38

Bij elk proces vindt een entropieverandering plaats, aangeduid met ΔS. Wanneer is deze positief en wanneer neatief?

Answer 38

Als de ordening toeneemt is ΔS negatief, als de wanorde toeneemt is ΔS positief. Volgens de tweede hoofdwet moet altijd gelden: ΔS_{geïsoleerd systeem} = ΔS_systeem + ΔS_omgeving \> 0

Question 39

Wat is de derde hoofdwet van de thermodynamica?

Answer 39

Bij het absolute nulpunt is de entropie van elke stof gelijk aan nul.

Question 40

Wat gebeurt er met de entropie van een stof als deze afkoelt?

Answer 40

Naarmate een stof afkoelt, neemt zijn inwendige energie af en neemt het aantal realiseringsmogelijkheden af. Bij het absolute nulpunt, T = 0 K, zijn de deeltjes perfect geordend en is er slechts één realiseringsmogelijkheid: W = 1. De entropie van de stof is dan: S = k ln W = k ln 1 = 0

Question 41

Welke 2 begrippen maakt de vrije enthalpie of Gibbsenergie (G) gebruik van?

Answer 41

Om chemische reacties goed te kunnen beschrijven dient er gebruik te worden gemaakt van zowel het enthalpiebegrip (1) als het entropiebegrip (2). Daartoe kan het best een nieuwe grootheid worden gebruikt de vrije enthalpie of Gibbsenergie G.

Question 42

Wat is de formule voor de Gibbsenergie?

Answer 42

Question 43

Er zijn op grond van de tweede hoofdwet van de thermodynamica 3 mogelijkheden voor de Gibbsenergie: 1 ΔG \< 0 2 ΔG \> 0 3 ΔG = 0 Wat gebeurt er in deze gevallen met de reactie?

Answer 43

1 ΔG \< 0: spontane reactie mogelijk. Het systeem kan arbeid verrichten. 2 ΔG \> 0: geen spontane reactie mogelijk. Het proces kan niet vanzelf verlopen. Het omgekeerde proces kan daarentegen wel verlopen. 3 ΔG = 0: evenwicht. Het systeem verkeert in een dynamische evenwichtstoestand: het proces verloopt in beide richtingen gelijktijdig en even snel.

Question 44

Stoffen kunnen op twe manier stabiel zijn, welke twee?

Answer 44

Een stof A is thermodynamisch stabiel als de Gibbsenergie van de vorming van stof A negatief is: ΔG⁰ \< 0. De hoge activeringsenergie van de ontleding van een aantal stoffen, deze stoffen zijn kinetisch stabiel. Diamant is een voorbeeld van een stof die thermodynamisch niet stabiel maar kinetisch stabiel is.