12 Reaksi Kimia
12.1 Reaksi pada Volume atau Tekanan Konstan
Reaksi Kimia
Kami menganggap reaksi kimia sebagai pembentukan atau disosiasi molekul kimia atau senyawa dimana tidak ada unsur kimia yang dibuat atau dihancurkan. Dengan kata lain, kami mengecualikan reaksi nuklir di mana inti baru dapat terbentuk dan selama itu ada adalah perubahan 0 dalam massa istirahat 0, menghasilkan perubahan energi yang diberikan oleh Hubungan Einstein 0 2 dimana c adalah kecepatan cahaya. Dengan mengecualikan reaksi nuklir,
massa dan energi secara terpisah dikekalkan selama reaksi kimia dan reaksi pertama hukum termodinamika, yang mencakup kekekalan energi, berlaku diformulir yang disajikan pada Bab 2 untuk sistem kimiawi tertutup. Karena itu, jika bahan kimia reaksi terjadi dalam sistem yang terisolasi, perubahan energi internal dari awal ke keadaan akhir 01 Secara mikroskopis hal ini masuk akal karena internal energi terdiri dari energi kinetik dan energi potensial yang terkait dengan ikatan kimia atau gaya antarmolekul. Pembuatan atau pemutusan ikatan kimia selama kimia reaksi dalam sistem terisolasi melibatkan redistribusi energi kinetik dan potensial, tetapi tidak ada perubahan energi bersih.
Seperti pada Bagian 5.7 di mana kami memperkenalkan reaksi kimia secara singkat, kami memecah menjadi dua bagian, t t di mana t disebabkan oleh reaksi kimia dan disebabkan oleh pertukaran dengan lingkungan. Kami menulis reaksi kimia dalam bentuk simbolik.
0 (12.1)
dengan adalah simbol kimia dan adalah koefisien stoikiometri positif untuk produk (di sisi kanan persamaan reaksi) dan negatif untuk reaktan (di sisi kiri persamaan reaksi); lihat Persamaan. (5.121) dan yang terkait contoh. Kemudian jika adalah variabel kemajuan reaksi, kita akan mendapatkan2
t (12.2)
Disini, memiliki dimensi mol; nol ketika reaksi dimulai dan final saat reaksi berakhir. Dalam bab ini, kami hanya membahas sistem kimiawi tertutup, jadi t = 0 dan = t
1Di bagian ini kami menambahkan subskrip ke kuantitas seperti untuk menekankan bahwa simbol tersebut menunjukkan perubahan dari keadaan awal ke akhir. Ini untuk menghindari kebingungan dengan notasi standar untuk itu jumlah sebagai dalam Persamaan. (12.13), yang sebenarnya merupakan turunan dari H sehubungan dengan variabel kemajuan .
2Generalisasi beberapa reaksi kimia sangatlah mudah. Seseorang hanya perlu menambahkan superscript ke kedua jumlah di sisi kanan dan jumlah untuk mendapatkan t
12.1 Reaksi pada Volume atau Tekanan Konstan
Reaksi kimia biasanya dilakukan pada volume konstan atau konstan tekanan. Yang melibatkan gas biasanya dapat dilakukan dengan mudah pada volume konstan karena gas dapat terkandung dalam wadah padat yang kuat dan hampir lembam. Kemudian bekerja 㘈 0, jadi perubahan energi internal gas adalah
136
dimana kalor Q positif jika ditambahkan ke gas dan negatif jika diekstraksi dari gas. Jika bejana reaksi diisolasi secara termal, reaksi akan menghasilkan perubahan suhu yang bisa diukur. Misalnya, bom calorimeter adalah kapal yang kaku dengan diketahui kapasitas kalor Ccal yang lebih besar dibandingkan dengan kapasitas kalor gas menjalani reaksi. Biasanya itu diisi dengan oksigen pada tekanan tinggi dan beberapa bahan bakar itu dibakar sampai selesai selama reaksi. Jika kalorimeter diisolasi dengan baik darinya lingkungan sekitar dan suhunya berubah , maka , di mana adalah kalornya kapasitas kalorimeter dan gas. Sampai-sampai kapasitas kalor dari gas-gas tersebut bisa diabaikan, 䁐 mewakili energi yang diubah dari energi ikatan kimia sebagai hasil dari reaksi.
Namun, yang sangat penting secara praktis adalah reaksi kimia yang dilakukan seperti itu
bahwa satu-satunya pekerjaan yang dilakukan adalah melawan konteks tekanan eksternal yang konstan. Dalam reaksi seperti itu, disana adalah perubahan volume dan tidak ada upaya untuk memaksakan batasan konstanta volume, yang mungkin sangat sulit jika hanya fase terkondensasi yang terlibat. Bahkan, atmosfer mungkin memberikan tekanan eksternal yang konstan dalam reaksi industri. Itu pekerjaan yang dilakukan oleh sistem kemudian akan menjadi 㘈 t dan dari hukum pertama yang akan kita miliki.
t (12.4)
Jika tekanan t di awal dan akhir sistem, kita dapat memperkenalkan entalpi dalam hal Persamaan. (12.4) mengambil formulir.
쳌 t t (12.5)
dimana adalah kalor yang ditambahkan ke sistem reaksi. Jadi entalpi memainkan peran yang sama pada tekanan konstan karena energi internal U bermain pada volume konstan. Secara umum, bisa menganggap entalpi sebagai fungsi dari variabel alaminya, dalam hal ini.
(12.6) Namun, untuk tujuan praktis, lebih nyaman menggunakan suhu dari pada entropi, yang menghasilkan.
ⶾ ⶾ (12.7)
dimana besaran adalah entalpi molar parsial. Kami mengenali
ⶾ ⶾ sebagai
kapasitas panas pada tekanan konstan. Selanjutnya tentang untuk bergantung pada kami
dengan mudah menetapkan bahwa saya dan dan ⶾ
ⶾ , Relasi
Maxwell berdasarkan pada diferensial menghasilkan
ⶾ di mana α adalah koefisien termal ekspansi. Jadi Persamaan. (12.7) dapat ditulis
1 (12.8)
Untuk sistem kimiawi tertutup kami mempertimbangkan, Persamaan. (12.8) mengambil formulir
1 (12.9)
Karena T dan p adalah variabel intensif, persamaan Euler untuk entalpi (lihat Persamaan. (5.101)
(12.10) Kami menekankan Persamaan itu. (12.10) berlaku sebagai fungsi asalkan dievaluasi pada dan komposisi yang sesuai. Pada setiap tahap reaksi, 0
t dimana 0 adalah nilai awal . Persamaan Euler (12.10) menjadi.
137
0 (12.11)
dimana dapat dipahami bahwa harus dievaluasi pada komposisi yang sesuai, suhu, dan tekanan.
Contoh soal 1.
Untuk reaksi kimia yang diberikan oleh Persamaan. (5.122), yaitu 12 쳌2 , asumsikan pada awalnya bahwa nomor molnya adalah 3
2 1 2 C = 3, Jika kondisi sedemikian rupa sehingga reaksi berjalan ke kanan sampai salah satu reaktan benar-benar digunakan, apa berapa nilai final dan berapa mol setiap komponen yang ada? Jawabannya sama
pertanyaan di bawah kondisi yang berbeda dimana reaksi pergi ke kiri sampai semua CO adalah sisa.
Solusi:
Koefisien stoikiometri untuk C, 2, dan CO adalah −1, −1/2, dan 1, masing-masing. Untuk reaksi
maju atau mundur kita memiliki 3 2 1 12 2 . Reaksi bisa
berlanjut ke kanan sampai 䁐 2 dalam hal ini 1 2 0 0 . Reaksi dapat berjalan ke kiri hingga 䁐 1 yang mana 2 3 2 0 . Arah reaksi dan luas yang sebenarnya reaksi akan tergantung pada kondisi di mana reaksi dilakukan, khususnya suhu. Untuk kondisi yang akan dibahas di bawah ini, reaksi dapat mencapai kesetimbangan dibeberapa nilai
䁐
12.1.1 Panas Reaksi
Menurut Persamaan. (12.5), panas dibebaskan ke lingkungan melalui reaksi sistem pada tekanan konstan p diberikan oleh.
䁐 0
䁐 t 䁐 0 (12.12)
Tetapi bukanlah cara yang sangat berguna untuk mengkarakterisasi suatu reaksi karena bergantung secara spesifik pada kondisi awal. Kuantitas yang jauh lebih berguna adalah turunan dari H sehubungan ke variabel kemajuan pada suhu dan tekanan konstan, yaitu
ⶾ (12.4)
Kuantitas ini biasa disebut " dari reaksi ”tapi itu agaknya keliru karena ini adalah turunan. Khususnya, jangan bingung dengan ⶾ untuk reaksi tertentu, yang merupakan perbedaan entalpi antara keadaan akhir dan awal diberikan oleh Persamaan. (12.12). adalah panas yang dibebaskan oleh reaksi per unit perubahan variabel kemajuan pada p konstan dan T. Callen [2, hal. 170] mengacu pada sebagai panas reaksi dan menyarankan bahwa itu dievaluasi dekat keadaan
kesetimbangan; Namun, tergantung pada kondisi tertentu, reaksi tertentu mungkin akan selesai sebelum keadaan kesetimbangan tercapai. Untuk 0 , reaksinya dikatakan eksoterm sedangkan untuk 䔈 0 , reaksinya disebut endotermik3.Dalam Bagian 12.3 kita akan
berhubungan t tt adalah Reaksi.
Untuk kasus khusus tetapi sering diperlakukan dimana reaktan dan produknya tidak dalam larutan, atau jika berbentuk gas mereka membentuk solusi yang ideal, yang memiliki
t t adalah entalpi per mol dari masing-masing komponen murni. Ini mengikuti untuk solusi gas ideal karena potensi kimianya.
138
dimana berkorespondensi dengan komponen murni dan adalah fraksi mol. Catat itu tekanan total adalah p dan tekanan parsial adalah Jadi,