|
[[หมวดหมู่:สาขาของอุณหพลศาสตร์]]
{{โครงเคมี}}
บทนำ
อุณหเคมี คือ การศึกษาเกี่ยวกับการเปลี่ยนแปลงพลังงาน ที่เกิดขึ้นในกระบวนการทางกายภาพและเคมี ซึ่งการเปลี่ยนแปลงพลังงานนี้จะเกี่ยวกับความร้อน ในเรื่องนี้เราจะกล่าวถึงพื้นฐานของอุณหเคมี ที่เกี่ยวข้องกับการสังเกต การวัด และการเปลี่ยนแปลงพลังงาน ทั้งทางกายภาพและทางเคมี
พลังงาน (Energy) คือ ความสามารถที่จะทำงานและเปลี่ยนแปลงพลังงานอันเกิดจากกระบวนการทางเคมี เพราะ พลังงานจะเป็นสิ่งที่เรามองไม่เห็น จับต้องดมกลิ่นและชั่งน้ำหนักไม่ได้นั่นคือพลังงานเป็นความสามารถทำในการทำงาน สามารทำให้เกิดแรงในช่วงระยะทางหนึ่งได้
และคำว่างาน(work)คือการเปลี่ยนแปลงพลังงานอันเกิดจากขบวนการทางเคมี
พลังงานที่นักเคมีต้องการศึกษาคือ ได้แก่
• พลังงานจลน์ คือ พลังงานที่เกิดจากวัตถุเคลื่อนที่
• พลังงานความร้อน (Thermal energy) พลังงานเกี่ยวกับการเคลื่อนที่แบบสุ่มของอะตอมใดอะตอมหนึ่ง ซึ่งจะ แปรผันกับ อุณหภูมิ
• พลังงานเคมี คือ พลังงานที่สะสมอยู่ในหน่วยโครงสร้างของสารเคมีชนิดต่างๆ
• พลังงานศักย์ คือ พลังงานที่ขึ้นอยู่กับตำแหน่งของวัตถุ
ตัวอย่างเช่น
เมื่อเรายืนอยู่กลางแดด,เมื่อออกกำลังกาย,เมื่อลูกบอลกลิ้งลงจากเนินสูง ในตัวอย่างที่กล่าวมาแล้วสรุปได้ว่า ถึงแม้พลังงานจะมีหลายรูปแบบ จะเปลี่ยนรูปหนึ่งไปยังรูปอื่นก็ได้ แต่พลังงานจะสุญเสียไปหรือเกิดใหม่เองไม่ได้ แต่เมื่อพลังงานรูปหนึ่งหายไปจะต้องมีพลังงานรูปอื่นที่มีปริมาณเท่ากันเกิดขึ้นมาแทน ดังนั้นจึงเกิดกฎการอนุรักษ์พลังงานขึ้นมา ซึ่งจะมีค่าคงที่
เอนทัลปี คือการเปลี่ยนแปลงทางกายภาพและทางเคมีและขบวนการที่เกิดขึ้นในระบบ สมช จะเกิดขึ้นภายใต้สภาวะที่บรรยากาศมีความดันคงที่ ซึ่งอยู่ภายใต้ความดัน 1 บรรยากาศและปริมาณความร้อนที่ผ่านเข้าหรือออกจากระบบในขบวนการที่ความดันคงที่ด้วยปริมาณที่เรียกว่า เอนทัลปี สัญลักษณ์คือ H
เอนทัลปีของปฏิกิริยาคือ ความแตกต่างระหว่างเอนทัลปีของสารผลิตภัณฑ์และเอนทัลปีของสารตั้งต้น ซึ่งจะมีค่าบวกหรือลบก็ได้
การเปลี่ยนแปลงเอนทัลปีมาใช้ในขบวนการสามัญ 2 ขบวนการคือ
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
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)
การวัดความร้อน
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
http://www.chemistry.mut.ac.th/11-thermochemistry.ppt
การเปลี่ยนแปลงพลังงานในปฏิกิริยาเคมี
ปฏิกิริยาเคมีเกือบทุกปฏิกิริยาจะต้องดูดกลืนหรือคายพลังงานซึ่งมักจะอยู่ในรูปของความร้อน
ตัวอย่างเช่น การทำการเผาไหม้เชื้อเพลิง เมื่อมีการเปลี่ยนแปลงพลังในกระบวนการทางเคมีจะถูกเรียกว่า เทอร์โมเคมีหรือ อุณหเคมี ดังนั้น จักรวารส่วนที่เหลือทั้งหมดซึ่งอยู่ภายนอกระบบเรียกว่า สิ่งแวดล้อม ซึ่งความร้อน คือพลังงานความร้อนที่ถ่ายเทระหว่างวัตถุ 2 ชั้นที่มีอุณหภูมิแตกต่างกัน จะไหลจากวัตถุรอนไปวัตถุเย็น
การเกิดปฏิกิริยาเคมีประกอบด้วยกระบวนการที่สำคัญ 2 กระบวนการ
1.กระบวนการสลายแรงยึดเหนี่ยวระหว่างอะตอมของสารตั้งต้น คือ
โมเลกุลของสารตั้งต้นจะรับเอาพลังงานจากภายนอกเข้าไปช่วยทำลายแรงยึดเหนี่ยวระหว่างอะตอมทำให้เกิดเป็นอะตอมอิสระ
2.กระบวนการสร้างแรงยึดเหนี่ยวระหว่างอะตอมของสารผลิตภัณฑ์
คืออะตอม จะเข้ารวมกันกลายเป็นผลิตภัณฑ์และมีการปลดปล่อยพลังงานภายในที่เป็นส่วนเกินออกมา เพื่อให้อะตอมของสารสร้างแรงยึดเหนี่ยวต่อกันได้
1. ปฏิกิริยาดูดความร้อน (Endergonic reaction)คือ ปฏิกิริยาที่มีการใช้พลังงานในการสลายแรงยึดเหนี่ยวระหว่างอะตอมมากกว่าพลังงานที่ถูกปล่อยออกมาเพื่อสร้างแรงยึดเหนี่ยวระหว่างอะตอม ทำให้เมื่อสิ้นสุดปฏิกิริยาเคมีแล้ว สารจะมีการดูดพลังงานเข้าไปมากกว่าพลังงานที่คายออกมา
2. ปฏิกิริยาคายความร้อน (Exergonic reaction)คือ ปฏิกิริยาที่มีการใช้พลังงานในการสลายแรงยึดเหนี่ยวระหว่างอะตอมน้อยกว่าพลังงานที่ปล่อยออกมาเพื่อสร้างแรงยึดเหนี่ยวระหว่างอะตอม ทำให้เมื่อสิ้นสุดการเกิดปฏิกิริยาเคมีแล้ว สารจะคายพลังงานออกมามากกว่าพลังงานที่ดูดเข้าไป
<ref>http://www.trueplookpanya.com/new/cms_detail/knowledge/3068-00/</ref><ref>http://www.chemistry.mut.ac.th/11-thermochemistry.ppt</ref>
การทดลอง เรื่องอุณหเคมี
วัตถุประสงค์
1. ศึกษาเพื่อสามารถคำนวณหาความร้อนที่แคลอริมิเตอร์ได้รับได้
2. ศึกษาเพื่อที่จะคำนวณหาค่าความจุความร้อนของแคลอริมิเตอร์ที่ใช้ในการคำนวณได้
3. ศึกษาเพื่อให้สามารถคำนวณความร้อนของการสะเทินในหน่วย kJ/mol H2O ได้
4. ศึกษาเพื่อให้สามารถคำนวณหา ความเข้มข้นของสารละลายตัวอย่าง HCl ที่ใช้ในการทดวิธีการทำลอง
อุปกรณ์
1. บีกเกอร์ ขนาด 50 mL
2. กระบอกตวง ขนาด 100 mL
3. ชุดแคลอริมิเตอร์อย่างง่าย
4. นาฬิกาจับเวลา
5. เทอร์โมมิเตอร์
6. เครื่องชั่ง
7. ตะแกรงลวด
8. Hot plate
9. เครื่องคิดเลข
<ref>www2.nkc.kku.ac.th/kitiyaporn.w/kku_nkc/.../genchemlab-new.doc</ref>
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
<ref>www2.nkc.kku.ac.th/kitiyaporn.w/kku_nkc/.../genchemlab-new.doc</ref>
| 