Fern051138
อุณหเคมี แก้
อุณหเคมี คือ การศึกษาเกี่ยวกับการเปลี่ยนแปลงพลังงาน ที่เกิดขึ้นในกระบวนการทางกายภาพและเคมี ซึ่งการเปลี่ยนแปลงพลังงานนี้จะเกี่ยวกับความร้อน ในเรื่องนี้เราจะกล่าวถึง
พื้นฐานของอุณหเคมี ที่เกี่ยวข้องกับการสังเกต การวัด และการเปลี่ยนแปลงพลังงาน ทั้งทางกายภาพและทางเคมี
พลังงาน (Energy) คือ ความสามารถที่จะทำงานและเปลี่ยนแปลงพลังงานอันเกิดจากกระบวนการทางเคมี เพราะ พลังงานจะเป็นสิ่งที่เรามองไม่เห็น จับต้องดมกลิ่นและชั่งน้ำหนักไม่ได้นั่นคือพลังงานเป็นความสามารถทำในการทำงาน สามารทำให้เกิดแรงในช่วงระยะทางหนึ่งได้
งาน(work) คือ การเปลี่ยนแปลงพลังงานอันเกิดจากขบวนการทางเคมี
พลังงานที่นักเคมีต้องการศึกษา คือ ได้แก่พลังงานความร้อน (Thermal energy) พลังงานเกี่ยวกับการเคลื่อนที่แบบสุ่มของอะตอมใดอะตอมหนึ่ง ซึ่งจะ แปรผันกับ อุณหภูมิ
ตัวอย่างพลังงาน
- พลังงานจลน์ คือ พลังงานที่เกิดจากวัตถุเคลื่อนที่
- พลังงานเคมี คือ พลังงานที่สะสมอยู่ในหน่วยโครงสร้างของสารเคมีชนิดต่างๆ ปริมาณของพลังงานจะขึ้นอยู่กับชนิดและการจัดตัวของอะตอมในสารแต่ละชนิด
- พลังงานศักย์ คือ พลังงานที่ขึ้นอยู่กับตำแหน่งของวัตถุ
- พลังงานแสง คือ พลังงานที่เกิดจากดวงอาทิตย์เป็นพื้นฐาน ซึ่งพลังงานดวงอาทิตย์จะทำให้บรรยากาศและพื้นโลกร้อนขึ้น ช่วยกระตุ้นการเจริญเติบโตด้วยการสังเคราะห์ด้วยแสง
- พลังงานความร้อน คือ พลังงานที่เคลื่อนที่แบบสุ่มของอะตอมและโมเลกุล ยิ่งอะตอมและโมเลกุลของสารเคลื่อนที่รุนแรง สารนั้นก็จะร้อนขึ้นและมี่พลังงานสูงขึ้น
ตัวอย่างเช่น
เมื่อเรายืนอยู่กลางแดด,เมื่อออกกำลังกาย,เมื่อลูกบอลกลิ้งลงจากเนินสูง ในตัวอย่างที่กล่าวมาแล้วสรุปได้ว่า ถึงแม้พลังงานจะมีหลายรูปแบบ จะเปลี่ยนรูปหนึ่งไปยังรูปอื่นก็ได้
แต่พลังงานจะสุญเสียไปหรือเกิดใหม่เองไม่ได้ แต่เมื่อพลังงานรูปหนึ่งหายไปจะต้องมีพลังงานรูปอื่นที่มีปริมาณเท่ากันเกิดขึ้นมาแทน ดังนั้นจึงเกิดกฎการอนุรักษ์พลังงานขึ้นมา ซึ่งจะมีค่าคงที่[1]
เอนทัลปี คือการเปลี่ยนแปลงทางกายภาพและทางเคมีและขบวนการที่เกิดขึ้นในระบบ สมช จะเกิดขึ้นภายใต้สภาวะที่บรรยากาศมีความดันคงที่ ซึ่งอยู่ภายใต้ความดัน 1 บรรยากาศและปริมาณความร้อนที่ผ่านเข้าหรือออกจากระบบในขบวนการที่ความดันคงที่ด้วยปริมาณที่เรียกว่า เอนทัลปี สัญลักษณ์คือ H
เอนทัลปีของปฏิกิริยา คือ ความแตกต่างระหว่างเอนทัลปีของสารผลิตภัณฑ์และเอนทัลปีของสารตั้งต้น ซึ่งจะมีค่าบวกหรือลบก็ได้
การเปลี่ยนแปลงเอนทัลปีมาใช้ในขบวนการสามัญ 2 ขบวนการคือ
- การเปลี่ยนแปลงทางกายภาพ
- การเปลี่ยนแปลงทางเคมี
การเปลี่ยนแปลงทางกายภาพและการเปลี่ยนแปลงทางเคมีสามารถที่แสดงทั้งความสัมพันธ์ของมวลและความสัมพันธ์ของมวลและความสัมพันธ์ของเอนทัลปีเรียกว่า สมการเทอร์โมเคมี
เอนทัลปีของสารมีค่าเพิมขึ้นตามอุณหภูมิและการเปลี่ยนแปลงเอนทัลปีของปฏิกิริยาก็ขึ้นอยู่กับอุณหภูมิด้วย ดังนั้น การเปลี่ยนแปลงอุณภูมิในขณะที่เกิดปฏิกิริยานั้นไม่มีผลต่อเอนทัลปี
เอนทัลปี (Enthalpy, H) คือ ปริมาณความร้อนที่ ไหลเข้า / ออก จากระบบที่ ความดันคงที่
Hrxn = H (products) - H (reactants)
H ติดลบ < 0 = Exothermic
บวก > 0 = Endothermic
เรียกว่า สมการอุณหเคมี (thermochemical equation) ซึ่งเป็นสมการที่แสดง
การเกิดปฏิกิริยาเคมี
การเกิดปฏิกิริยาเคมี หมายถึง การที่สารสร้างพันธะเคมีต่อกันแล้วได้สารใหม่ที่มีสมบัติต่างไปจากสารเดิม อาจได้จากการเกิดตะกอน การเกิดก๊าซ การเปลี่ยนสี และความเป็นกรด-เบสของสารเปลี่ยนไป
ตัวอย่างเช่น
ปฏิกิริยาระหว่างแก๊สไฮโดรเจนกับแก๊สออกซิเจน ได้น้ำเป็นผลิตภัณฑ์ ซึ่งเขียนแทนสมการดังนี้ 2H2 (g) + O2 (g) → 2H2O (l)
อัตราการเกิดปฏิกิริยาเคมี
อัตราการเกิดปฏิกิริยาเคมี หมายถึง ปริมาณของผลิตภัณฑ์ที่เกิดขึ้นจากปฏิกิริยาใน 1 หน่วยเวลา
การวัดอัตราการเกิดปฏิกิริยาจึงเป็นการวัดปริมาณของผลิตภัณฑ์ที่เกิดขึ้นใน 1 หน่วยเวลา เขียนสมการได้ดังนี้
อัตราการเกิดปฏิกิริยาเคมี = ปริมาณของผลิตภัณฑ์ที่เพิ่มขึ้น
———————————————
เวลา
(เวลา หมายถึง ระยะเวลาที่เกิดปฏิกิริยา)
การที่มีปฏิกิริยาเคมีเกิดขึ้นั้นก็เนื่องจากมีผลิตภัณฑ์เกิดขึ้น จึงสามารถวัดอัตราการเกิดปฏิกิริยาจากปริมาณของผลิตภัณฑ์ที่เกิดขึ้นได้ ในระหว่างเกิดปฏิกิริยา ในขณะที่สารผลิตภัณฑ์เกิดเพิ่มมากขึ้น
สารตั้งต้นก็จะลดลง ซึ่งการเปลี่ยนแปลงปริมาณของสารผลิตภัณฑ์และสารตั้งต้นมีส่วนสัมพันธ์กัน ยิ่งสารผลิตภัณฑ์เกิดขึ้นมากเท่าใร สารตั้งต้นก็จะยิ่งลดลงเท่านั้น ดังนั้นในกรณีที่ผลิตภัณฑ์ที่เกิดขึ้น
ไม่อยู่ในสภาพที่วัดปริมาณได้สะดวก ก็สามารถวัดอัตราการเกิดปฏิกิริยาจากปริมาณของสารตั้งต้นที่ลดลงแทน
ซึ่งหาได้จากสมการนี้
อัตราการเกิดปฏิกิริยาเคมี = ปริมาณของผลิตภัณฑ์ที่ลดลง
———————————————
เวลา
ปัจจัยที่มีผลต่ออัตราการเกิดปฏิกิริยา
1.ความเข้มข้นของสารตั้งต้น ในกรณีที่สารตั้งต้นเป็นสารละลาย ถ้าสารตั้งต้นมีความเข้มข้นมากปฏิกิริยาเกิดเร็ว เพราะตัวถูกละลายมีโอกาสชนกันมากขึ้นและในทางกลับกันถ้าเราเพิ่มปริมาตร
ของสารละลายโดยความเข้มข้นเท่าเดิม อัตราการเกิดปฏิกิริยาจะเท่าเดิม
2.พื้นที่ผิวสัมผัส ในกรณีที่สารตั้งต้นมีสถานะเป็นของแข็ง สารที่มีพื้นที่ผิวสัมผัสมากจะทำปฏิกิริยาได้เร็วขึ้น เพราะจะเกิดการสัมผัสกันมากขึ้น ใช้พิจารณากรณีที่สารตั้งต้นมีสถานะของแข็ง
3.ความดัน ในกรณีที่สารตั้งต้นมีสถานะเป็นก๊าซ หากความดันมากปริมาตรก็ลดลง และปฏิกิริยาก็จะเกิดได้เร็ว เพราะอนุภาคของสารมีโอกาสชนกันมากขึ้นในพื้นที่ที่จำกัดนั่นเอง
4. อุณหภูมิ การที่อุณหภูมิของสารตั้งต้นเพิ่มขึ้นอัตราการเกิดปฏิกิริยาจะเพิ่มขึ้น เนื่องจากเมื่ออุณหภูมิสูงขึ้น โมเลกุลของสารในระบบจะมีพลังงานจลน์สูงขึ้นและมีการชนกันของโมเลกุลมากขึ้น
5.ตัวเร่งปฏิกิริยา หมายถึงสารเคมีที่ช่วยทำให้อัตราการเกิดปฏิกิริยาเร็วขึ้น เนื่องจากตัวเร่งจะช่วยรลดพลังงานกระตุ้นโดยช่วยปรับกลไกในการเกิดปฏิกิริยาให้เหมาะสม โดยจะเข้าไปช่วยตั้งแต่
เริ่มปฏิกิริยาแต่เมื่อสิ้นสุดปฏิกิริยาจะกลับมาเป็นสารเดิม
6.ธรรมชาติของสาร เนื่องจากสารมีแรงยึดเหนี่ยวซึ่งแตกต่างกัน โดยปกติสารประกอบไอออนิกจะเคลื่อนที่ได้เร็วกว่าสารประกอบโควาเลนต์ ฉนั้นสารประกอบไอออนิกจะเกิดปฏิกิริยาเร็วกว่า
สารประกอบโควาเลนต์
[2]
การเกิดปฏิกิริยา และพลังงาน
หลักการเขียน Thermochemical Equation
1. ค่าสัมประสิทธิ์ (coefficient) ในสมการ = จำนวนโมล
2. ถ้าเขียนสมการกลับทิศทาง H มีค่าเดิมแต่กลับเครื่องหมาย
3. ถ้าคูณสมการด้วย factor n ค่า H ต้องคูณด้วย n ด้วย
4. บอกสถานะ (states)
[3]
การวัดความร้อนธีการวัดอัตราการเกิดปฏิกิริยา
การวัดอัตราการเกิดปฏิกิริยาจะดูจากการวัดปริมาณของสารตั้งต้น หรือสารผลิตภัณฑ์ก็ได้ ทั้งนี้ขึ้นอยู่กับความสะดวกของการทดลอง ขึ้นอยู่กับลักษณะและสมบัติของสารที่เกี่ยวข้อง เช่น
1. ถ้าในปฏิกิริยาเกี่ยวข้องเป็นก๊าซ อาจจะวัดอัตราการเกิดปฏิกิริยาจากปริมาณของก๊าซที่เกิดขึ้น หรือวัดจากความดันของระบบที่เปลี่ยนแปลงไป
2. ถ้าในปฏิกิริยาเกี่ยวข้องกับสารที่มีสี อาจจะวัดอัตราการเกิดปฏิกิริยาจากความเข้มข้นของสีที่ลดลงของสาตั้งต้น หรือความเข้มของสีที่เพิ่มขึ้นของผลิตภัณฑ์
3. ถ้าในปฏิกิริยาเกี่ยวข้องกับสารละลาย จะวัดอัตราการเกิดปฏิกิริยาจากความเข้มข้นของสารละลายที่เปลี่ยนไป
นอกจากนี้ก็ยังสามารถวัดอัตราการเกิดปฏิกิริยาด้วยวิธีการอย่างอื่น เช่น ถ้าเป็นของแข็ง ใช้วิธีการชั่งมวล ถ้าเป็นสารละลายที่เกี่ยวข้องกับกรด-เบส ใช้วิธีวัด pH เป็นต้น
[4]
[5]
การวัดการเปลี่ยนแปลงความร้อนในทางกายภาพและทางเคมี ได้ด้วยแคลอริมิเตอร์
แคลอริมิเตอร์ หมายถึง การวัดการเปลี่ยนแปลงความร้อน ซึ่งเราจะต้องรู้ความร้อนจำเพาะและความจุความร้อนก่อน
ความร้อนจำเพาะและความจุความร้อน
•ความร้อนจำเพาะ (Specific Heat, s)
- ปริมาณความร้อนที่ต้องใช้ในการทำให้สารนั้น 1 กรัมมีอุณหภูมิสูงขึ้น 1 องศาเซลเซียส
• ความจุความร้อน (Heat Capacity, C)
- ปริมาณความร้อนที่ต้องใช้ในการทำให้สารจำนวนหนึ่ง มีอุณหภูมิ สูงขึ้น 1 องศาเซลเซียส
การวัดความร้อน (Calorimetry)
: การวัดความร้อนที่เปลี่ยนแปลงของปฏิกิริยาเคมี
โดยใช้ “ Calorimeter ”
q = ms DT = C DT
q = ปริมาณความร้อน (J) m = มวล (g)
s = specific heat (J/goC) C = heat capacity (J/ oC)
DT = อุณหภูมิที่เปลี่ยนแปลงไป (Tfinal – Tinitial) (oC)
เครื่องหมายของ q เหมือนกับ DH คือ
ถ้าเครื่องหมายบวก (+) เป็นกระบวนการดูดกลืนความร้อน
ลบ (- ) เป็นกระบวนการคายความร้อน
การวัดความร้อนแบบปริมาตรคงที่ (Constant Volume Calorimeter)
- หาปริมาณความร้อนจากการเผาไหม้ (heat of combustion)
- บรรจุใน steel container (ปริมาตรคงที่) บรรจุ O2 30 atm
- เรียกเครื่องมือนี้ว่า constant volume bomb calorimeter
การเปลี่ยนแปลงพลังงานในปฏิกิริยาเคมี
ปฏิกิริยาเคมีเกือบทุกปฏิกิริยาจะต้องดูดกลืนหรือคายพลังงานซึ่งมักจะอยู่ในรูปของความร้อน
ตัวอย่างเช่น
การทำการเผาไหม้เชื้อเพลิง เมื่อมีการเปลี่ยนแปลงพลังในกระบวนการทางเคมีจะถูกเรียกว่า เทอร์โมเคมีหรือ อุณหเคมี ดังนั้น จักรวารส่วนที่เหลือทั้งหมดซึ่งอยู่ภายนอกระบบ
เรียกว่า สิ่งแวดล้อม ซึ่งความร้อน คือพลังงานความร้อนที่ถ่ายเทระหว่างวัตถุ 2 ชั้นที่มีอุณหภูมิแตกต่างกัน จะไหลจากวัตถุรอนไปวัตถุเย็น
การเกิดปฏิกิริยาเคมี
การเกิดปฏิกิริยาเคมี เป็นการเปลี่ยนแปลงของสารที่ได้ผลิตภัณฑ์ของสารที่แตกต่างจากสารเดิมโดยอาจสังเกตจากการเปลี่ยนสีของสาร การเกิดตะกอน หรือการเกิดกลิ่นใหม่
ทฤษฎีที่ใช้อธิบายปฏิกิริยาเคมี มีอยู่ 2 ทฤษฎี คือ
1. ทฤษฎีการชน เป็นฏิกิริยาเคมีที่เกิดขึ้นได้ ก็ต่อเมื่ออนุภาคของสารตั้งต้นต้องมาปะทะหรือมาชนกัน
2. ทฤษฎีแอกติเวเตดคอมเพลกซ์หรือทฤษฎีสภาวะทรานซิชัน เป็นทฤษฎีที่ดัดแปลงมาจากทฤษฎีการชน โดยจะเกี่ยวถึงการชนอย่างมีประสิทธิภาพของสารตั้งต้นในลักษณะที่เหมาะสม โดยจะเกิดเป็นสารประกอบใหม่ชั่วคราว ที่เรียกว่า สารเชิงซ้อนกัมมันต์ (Activated Complex)
[6]
พลังงานกับการเกิดปฏิกิริยา
การเกิดปฏิกิริยาเคมีประกอบด้วยกระบวนการที่สำคัญ 2 กระบวนการ
1.กระบวนการสลายแรงยึดเหนี่ยวระหว่างอะตอมของสารตั้งต้น คือ
โมเลกุลของสารตั้งต้นจะรับเอาพลังงานจากภายนอกเข้าไปช่วยทำลายแรงยึดเหนี่ยวระหว่างอะตอมทำให้เกิดเป็นอะตอมอิสระ
2.กระบวนการสร้างแรงยึดเหนี่ยวระหว่างอะตอมของสารผลิตภัณฑ์
คืออะตอม จะเข้ารวมกันกลายเป็นผลิตภัณฑ์และมีการปลดปล่อยพลังงานภายในที่เป็นส่วนเกินออกมา เพื่อให้อะตอมของสารสร้างแรงยึดเหนี่ยวต่อกันได้
การเกิดปฏิกิริยาของสาร จะต้องมีพลังงานเข้ามาเกี่ยวข้องกับการเกิดปฏิกิริยาเคมี 2 ขั้นตอน ดังนี้
ขั้นที่ 1 เป็นขั้นที่ดูดพลังงานเข้าไปเพื่อสลายพันธะในสารตั้งต้น
ขั้นที่ 2 เป็นขั้นที่คายพลังงานออกมาเมื่อมีการสร้างพันธะในผลิตภัณฑ์
1. ปฏิกิริยาดูดความร้อน (Endergonic reaction) คือ ปฏิกิริยาที่มีการใช้พลังงานในการสลายแรงยึดเหนี่ยวระหว่างอะตอมมากกว่าพลังงานที่ถูกปล่อยออกมาเพื่อสร้างแรงยึดเหนี่ยวระหว่างอะตอม ทำให้เมื่อสิ้นสุดปฏิกิริยาเคมีแล้ว สารจะมีการดูดพลังงานเข้าไปมากกว่าพลังงานที่คายออกมา
2. ปฏิกิริยาคายความร้อน (Exergonic reaction) คือ ปฏิกิริยาที่มีการใช้พลังงานในการสลายแรงยึดเหนี่ยวระหว่างอะตอมน้อยกว่าพลังงานที่ปล่อยออกมาเพื่อสร้างแรงยึดเหนี่ยวระหว่างอะตอม
ทำให้เมื่อสิ้นสุดการเกิดปฏิกิริยาเคมีแล้ว สารจะคายพลังงานออกมามากกว่าพลังงานที่ดูดเข้าไป[7]
การทดลอง เรื่องอุณหเคมี
วัตถุประสงค์
1. ศึกษาเพื่อสามารถคำนวณหาความร้อนที่แคลอริมิเตอร์ได้รับได้
2. ศึกษาเพื่อที่จะคำนวณหาค่าความจุความร้อนของแคลอริมิเตอร์ที่ใช้ในการคำนวณได้
3. ศึกษาเพื่อให้สามารถคำนวณความร้อนของการสะเทินในหน่วย kJ/mol H2O ได้
4. ศึกษาเพื่อให้สามารถคำนวณหา ความเข้มข้นของสารละลายตัวอย่าง HCl ที่ใช้ในการทดวิธีการทำลอง
อุปกรณ์
- บีกเกอร์ ขนาด 50 mL
- กระบอกตวง ขนาด 100 mL
- ชุดแคลอริมิเตอร์อย่างง่าย
- นาฬิกาจับเวลา
- เทอร์โมมิเตอร์
- เครื่องชั่ง
- ตะแกรงลวด
- Hot plate
- เครื่องคิดเลข
การทดลองนั้นจะถูกแบ่งออกเป็น 2ชุด
ตอนที่ 1 การวัดค่าความจุความร้อนของแคลอริมิเตอร์
1. ใช้กระบอกตวงตวงน้ำกลั้นในปริมาตร 50 mL แล้วเทลงในแคลอริมิเตอร์ที่แห้งสนิท
2. ใช้กระบอกตวงตวงน้ำกลั้นที่ร้อนประมาณ 50 องศา ปริมาตร 50 mL
3. บันทึกอุณหภูมิในทุก ๆ 1 นาที เป็นระยะเวลา 3 นาที ของน้ำทั้งสองพร้อมกัน
4. เมื่อถึงนาทีที่ 4 ให้เทนำอุ่นลงไปในแคลอริมิเตอร์อย่างรวดเร็ว แล้วปิดจุกให้สนิท จากนั้นก็ใช้แท่งแก้วคน คนอย่างช้าๆ แล้วบันทึกผลอุณหภูมิในนาทีที่ 5 และต่อไปเรื่อยๆจน อุณหภูมิคงที่
5. อ่านค่าอุณหภูมิที่ได้ แล้วนำมาเขียนกราฟ
ตอนที่ 2 การวัดการเปลี่ยนแปลงพลังงานความร้อนของการละลายของสาร
1. ชั่งสารตัวอย่างที่เตรียมไว้ แล้วบันทึกน้ำหนัก
2. ตวงน้ำกลั้นปริมาตร 50 mL ด้วยกระบอกตวง แล้วเทลงไปในแคลอริมิเตอร์ที่แห้งสนิท แล้วบันทึกอุณหภูมิเป็นช่วงๆ 1 นาที เป็นระยะเวลา 3 นาที
3. แล้วพอถึงนาทีที่ 4 ให้เติมสารลงไปในแคลอริมิเตอร์ แล้วปิดจุกให้สนิท ใช้แท่งแก้วคนสารอย่างช้าๆ แล้วบันทึกอุณหภูมิในนาทีที่5 และต่อๆไปจนอุณหภูมิเกือบคงที่
4. นำข้อมูลที่ได้มาเขียน
[8]
- ↑ https://books.google.co.th/books?id=gcRLngEACAAJ&dq=%E0%B9%80%E0%B8%97%E0%B8%AD%E0%B8%A3%E0%B9%8C%E0%B9%82%E0%B8%A1%E0%B9%80%E0%B8%84%E0%B8%A1%E0%B8%B5&hl=th&sa=X&ei=0xw5Vc6KKdidugSH5oH4Bw&ved=0CDYQ6AEwBA
- ↑ https://krooaoy.files.wordpress.com/2011/07/4e0b89be0b88fe0b8b4e0b881e0b8b4e0b8a3e0b8b4e0b8a2e0b8b2e0b980e0b884e0b8a1e0b8b5.doc
- ↑ http://www.chemistry.mut.ac.th/11-thermochemistry.ppt
- ↑ https://krooaoy.files.wordpress.com/2011/07/4e0b89be0b88fe0b8b4e0b881e0b8b4e0b8a3e0b8b4e0b8a2e0b8b2e0b980e0b884e0b8a1e0b8b5.doc
- ↑ http://webcache.googleusercontent.com/search?q=cache:kNZaE9qG8qgJ:www.nakhamwit.ac.th/pingpong_web/PDF/CH-Tem.pdf+&cd=4&hl=th&ct=clnk&gl=th
- ↑ http://webcache.googleusercontent.com/search?q=cache:kNZaE9qG8qgJ:www.nakhamwit.ac.th/pingpong_web/PDF/CH-Tem.pdf+&cd=4&hl=th&ct=clnk&gl=th
- ↑ www2.nkc.kku.ac.th/kitiyaporn.w/kku_nkc/.../genchemlab-new.doc
- ↑ ภาควิชาเคมี คณะวิทยาศาสตร์และเทคโนโลยีการจัดการอุตสาหกรรม มหาวิทยาลัยสงขลานครินทร์ วิทยาเขตสุราษฏร์ธานี 937 132 ปฏิบัติการเคมีทั่วไป โรงพิมพ์ มหาวิทยาลัยมหาวิทยาลัยสงขลานครินทร์