Elmélet · Általános kémia · Termokémia

Termokémia

Minden kémiai (és sok fizikai) változást energiaváltozás kísér — leggyakrabban hőfelvétel vagy hőleadás. A termokémia ezt írja le mennyiségileg: mekkora egy reakció hője, hogyan számítható ki képződéshőkből, és mi szabja meg, hogy egy folyamat magától végbemegy-e.

exoterm / endoterm reakcióhő képződéshő Hess-tétel entrópia szabadentalpia

A) A folyamatok energiaviszonyai

01

Exoterm és endoterm folyamatok

Ahhoz, hogy az energiaváltozásról beszélni tudjunk, először el kell határolnunk azt, amit vizsgálunk, mindentől, ami körülveszi. Ehhez két alapfogalomra van szükségünk.

Rendszer

A világnak az a része, amelyet éppen vizsgálunk — a kémiában a vizsgált anyaghalmaz (pl. a lombikban lévő reakcióelegy).

Környezet

Minden más, ami a rendszeren kívül van, és a rendszerrel energiát (esetleg anyagot) cserélhet. A rendszer és a környezet közötti energiacsere leggyakoribb formája a hő.

A folyamatokat aszerint csoportosítjuk, hogy a rendszer a környezetnek lead-e hőt, vagy a környezetből felvesz-e:

Exoterm folyamat

Olyan folyamat, amely hőt ad le a környezetnek. Eközben a rendszer energiája csökken, a környezeté nő, ezért a reakcióhője negatív (ΔrH < 0). A környezet melegszik.

Endoterm folyamat

Olyan folyamat, amely hőt vesz fel a környezetből. Eközben a rendszer energiája nő, a környezeté csökken, ezért a reakcióhője pozitív (ΔrH > 0). A környezet hűl.

Tipikus példák

💡
Nemcsak a kémiai reakciók, hanem a halmazállapot-változások (pl. olvadás → endoterm, fagyás → exoterm) és az oldódás is lehet exo- vagy endoterm. A halmazállapot-változások energiamérlegéről részletesen a Anyagi halmazok fejezetben olvashatsz.

Exoterm és endoterm — összehasonlítás

ExotermEndoterm
Energia irányahőt ad le a környezetnekhőt vesz fel a környezetből
Rendszer energiájacsökkennő
Környezet energiájanő (melegszik)csökken (hűl)
Reakcióhő előjelenegatív (ΔrH < 0)pozitív (ΔrH > 0)
Példaégés, közömbösítésbomlás, vízbontás, sok oldódás

Energiadiagram — válassz egy esetet

Az energiadiagram a reakció energiaszintjeit mutatja a reakciókoordináta mentén: a kiindulási anyagok szintjét, az aktivált komplexum energiapúpját (ennek tetejéig kell felmászni — ez az aktiválási energia, Ea), végül a termékek szintjét. A kiindulási és a termékszint különbsége a reakcióhő. Kattints a gombokra!


02

Standardállapot és jelölések

A reakcióhő értéke függ a körülményektől, ezért megállapodtak egy referenciaállapotban, amelyre a táblázati hőadatok vonatkoznak.

Standardállapot

A megállapodás szerinti referenciaállapot: 25 °C (298 K) hőmérséklet és 0,1 MPa (10⁵ Pa) nyomás. A táblázatokban szereplő hőadatok (képződéshők, reakcióhők) erre az állapotra vonatkoznak.

A halmazállapot jelölése

A reakcióhő függ az anyagok halmazállapotától — például a víz folyékony és gáz állapotban más energiaszintű. Ezért a termokémiai egyenletekben a képletek után zárójelben jelöljük a halmazállapotot:

JelölésHalmazállapotPélda
(sz)szilárdCaO(sz), C(grafit)
(f)folyékonyH₂O(f), Br₂(f)
(g)gázO₂(g), CO₂(g)
(aq)vizes oldatNa⁺(aq), Cl⁻(aq)
Standardállapot — egy állapotban a referencia
Hőmérséklet 25 °C = 298 K Nyomás 0,1 MPa = 10⁵ Pa
A táblázati hőadatok mindig erre az egységes referenciaállapotra vonatkoznak — így összehasonlíthatók.

03

A reakcióhő (ΔrH)

Reakcióhő (ΔrH)

A reakcióegyenletben feltüntetett anyagmennyiségű anyagok átalakulásakor felszabaduló vagy elnyelődő hő. Jele ΔrH, mértékegysége kJ/mol. Előjele negatív exoterm, pozitív endoterm folyamatnál.

Az energiadiagramon a reakcióhő egyszerűen leolvasható: a kiindulási anyagok és a termékek energiaszintjének különbsége. Ha a termékek lejjebb vannak, a reakció exoterm; ha feljebb, endoterm.

A reakcióhő a diagramon: a két szint különbsége
reakciókoordináta → energia → kiindulási anyagok termékek ΔrH < 0 Ea
Exoterm reakció: a termékek energiaszintje alacsonyabb, mint a kiindulási anyagoké, ezért ΔrH negatív. A különbség a reakcióhő.
💡
Pontosítás emelt szinten. Állandó nyomáson a reakcióhő megegyezik a rendszer entalpiaváltozásával (ΔH) — ezért használjuk a ΔrH jelölést. Az entalpia (H) a rendszer „hőtartalmát" leíró állapotfüggvény; csak a változása mérhető, ezért mindig különbségként (Δ) jelenik meg.

B) A reakcióhő számítása

04

A képződéshő (ΔkH)

Képződéshő (ΔkH)

Annak a reakciónak a reakcióhője, amelyben a vegyület 1 mólja a stabilis elemeiből, standard körülmények között képződik. Mértékegysége kJ/mol; a képződő termék sztöchiometriai száma mindig 1.

🔑
Megállapodás: az elemek (stabilis módosulatuk) képződéshője 0 kJ/mol. Például O₂(g), H₂(g), N₂(g), C(grafit), Br₂(f) képződéshője nulla — hiszen önmagukból „képződnek", energiaváltozás nélkül.

A képződéshőket nem számoljuk fejből — táblázatból olvassuk ki. Lássunk egy konkrét példát: a víz képződéshője

ΔkH(H₂O, f) = −286 kJ/mol

A hozzá tartozó képződési egyenlet (a termék pontosan 1 mól, az elemek a stabilis módosulatukban):

H₂(g) + ½ O₂(g) → H₂O(f)

A „½ O₂" együttható azért lehetséges, mert termokémiai egyenletekben — ahol a hangsúly az 1 mól terméken van — törtszámú együtthatókat is használhatunk.

Néhány képződéshő (standard, kerekített értékek)

AnyagHalmazállapotΔkH (kJ/mol)
VízH₂O(f)−286
Szén-dioxidCO₂(g)−394
Kalcium-oxidCaO(sz)−635
Kalcium-hidroxidCa(OH)₂(sz)−986
MetánCH₄(g)−75
Elemek (stabilis módosulat)O₂(g), H₂(g), C(grafit)…0

A fenti értékek standard körülményekre vonatkozó, kerekített adatok. A negatív értékek azt jelzik, hogy ezek a vegyületek az elemeiből exoterm folyamatban (hőleadással) képződnek — ezért stabilisak.

A képződéshő: elemekből → 1 mól vegyület
stabilis elemek H₂(g) + ½ O₂(g) ΔkH = 0 képződés −286 kJ felszabadul 1 mól vegyület H₂O(f) ΔkH = −286 kJ/mol
A képződéshő a termék 1 móljára vonatkozik, és az elemek stabilis módosulatából indul ki. Itt 1 mól víz képződésekor 286 kJ szabadul fel.

05

A Hess-tétel

Hess-tétel

Ha egy reakció többféle úton is végbemehet, a reakcióhő független a részfolyamatok milyenségétől és sorrendjétől — kizárólag a kiindulási és a végállapottól függ.

A Hess-tétel az energiamegmaradás törvényének közvetlen következménye: ha az út megválasztásával lehetne energiát „nyerni" vagy „veszteni", örökmozgót lehetne építeni. Mivel az energia megmarad, a kezdő- és végállapot energiakülönbsége — a reakcióhő — minden úton ugyanakkora.

Következmények

Hess-tétel: a közvetlen és a kétlépéses út azonos
energia → A (kiindulás) C (termék) B (köztes) közvetlen út: ΔrH ΔrH₁ ΔrH₂ ΔrH = ΔrH₁ + ΔrH₂
Mindegy, hogy A-ból közvetlenül jutunk C-be, vagy a B köztes állapoton át: a teljes reakcióhő ugyanaz. ΔrH = ΔrH₁ + ΔrH₂.
🔑
A Hess-tétel teszi lehetővé, hogy a reakcióhőt a képződéshőkből kiszámítsuk — ezt csináljuk a következő szekcióban.

06

A reakcióhő kiszámítása

A Hess-tétel alapján a reakcióhőt megkapjuk a képződéshőkből: vegyük a termékek képződéshőinek (sztöchiometriai számmal súlyozott) összegét, és vonjuk ki belőle a reagensek ugyanígy súlyozott összegét.

ΔrH = Σ(termékek n·ΔkH) − Σ(reagensek n·ΔkH)

ahol n az adott anyag sztöchiometriai száma (együtthatója) az egyenletben. Lássuk lépésről lépésre egy konkrét reakción — kattints a „Következő lépés" gombra!

Ca(sz) + 2 H₂O(f) → Ca(OH)₂(sz) + H₂(g)
1. lépés · Képződéshők felírása

Írjuk az anyagok alá a (táblázati) képződéshőket — figyelve, hogy az elemek képződéshője 0:

Ca(sz): 0  ·  H₂O(f): −286  ·  Ca(OH)₂(sz): −986  ·  H₂(g): 0  (kJ/mol)

A Ca és a H₂ elemek (stabilis módosulat) → képződéshőjük 0.

2. lépés · Termékek összege

A jobb oldal: 1 mól Ca(OH)₂ és 1 mól H₂, a sztöchiometriai számokkal súlyozva:

Σ(termékek) = 1·(−986) + 1·(0) = −986 kJ

A hidrogéngáz nem ad hozzá semmit, mert a képződéshője 0.

3. lépés · Reagensek összege

A bal oldal: 1 mól Ca és 2 mól H₂O (az együttható 2!):

Σ(reagensek) = 1·(0) + 2·(−286) = −572 kJ

Vigyázz a 2-es együtthatóra a víznél — ezt könnyű elfelejteni.

4. lépés · Reakcióhő

A reakcióhő a két összeg különbsége (termékek − reagensek):

ΔrH = −986 − (−572) = −414 kJ/mol

Mivel ΔrH < 0, a reakció EXOTERM · hőleadás — felszabadul 414 kJ. (A −414 kerekített érték.)

🧮
A termokémiai számítási feladatokat (reakcióhő képződéshőkből, égéshő, Hess-tételes feladatok) a vezérlőpult Számítás fülén gyakorolhatod: Termokémiai számítások.

C) A folyamatok iránya

07

A folyamatok iránya: entrópia és szabadentalpia

Kézenfekvő lenne azt hinni, hogy minden exoterm folyamat magától végbemegy, az endotermek pedig nem. Ez azonban nem igaz: van magától le nem játszódó exoterm folyamat, és van magától végbemenő endoterm folyamat is. A folyamat irányát ugyanis két hajtóerő együtt szabja meg.

⬇️ Energiaminimumra törekvés

A folyamatok az alacsonyabb energiájú állapot felé hajlanak. Ez a hajtóerő az exoterm iránynak kedvez (a rendszer „lecsúszik" egy alacsonyabb energiaszintre).

🔀 Rendezetlenség (entrópia) növekedése

A folyamatok a nagyobb rendezetlenség felé hajlanak. Ez a hajtóerő gyakran az endoterm iránynak is kedvezhet, ha közben az entrópia jelentősen nő.

Entrópia (S)

A rendezetlenség mértéke. A folyamatok a nagyobb rendezetlenség (nagyobb S) felé hajlanak. A hőmérséklet emelése növeli a rendezetlenséget (a részecskék hevesebben mozognak). Általában: szilárd → folyékony → gáz irányban nő az entrópia.

Rendezett → rendezetlen: az entrópia nő (animált)
rendezett (kis S) S nő rendezetlen (nagy S)
A szabályos rácsból (kis entrópia) szabadon mozgó részecskékké válva (nagy entrópia) a rendezetlenség — és vele az entrópia — nő.

A szabadentalpia (Gibbs-energia) — emelt szintű kitekintés

A két hajtóerőt egyetlen mennyiség egyesíti: a szabadentalpia (más néven Gibbs-energia). Változása összekapcsolja az energiát (ΔrH) és az entrópiát (ΔS) a hőmérsékleten (T) keresztül:

ΔG = ΔrH − T·ΔS
🔑
A folyamat magától (spontán) végbemegy, ha ΔG < 0. Ehhez kedvez: a negatív ΔrH (exoterm) és a pozitív ΔS (nő a rendezetlenség). A T·ΔS tag miatt a hőmérséklet emelése felerősíti az entrópia szerepét.
A ΔG = ΔrH − T·ΔS mérlege
ΔG spontán, ha < 0 = ΔrH energia (entalpia) − T·ΔS hőmérséklet × entrópia A két hajtóerő (energia + rendezetlenség) egyetlen mérlegben.
Ha az entrópia nő (ΔS > 0), a −T·ΔS tag csökkenti a ΔG-t — ezért a magas hőmérséklet a rendezetlenséget növelő folyamatoknak kedvez.

Példa: a magától végbemenő endoterm folyamat

Az ammónium-nitrát oldódása vízben ENDOTERM · hőfelvétel — az oldat érezhetően lehűl (ΔH > 0, ezen alapszanak a hűtőtasakok). Mégis magától végbemegy. Miért?

Mert a folyamatot az entrópia nagy növekedése hajtja: a szabályos ionrácsból (kis entrópia) szabadon mozgó, hidratált ionok lesznek az oldatban (nagy entrópia). A T·ΔS tag „túlnyomja" az energianövekedést, így a ΔG mégis negatív lesz — a folyamat spontán.

NH₄NO₃(sz) → NH₄⁺(aq) + NO₃⁻(aq)    ΔH > 0,   ΔS ≫ 0   ⇒   ΔG < 0
🎯
Összefoglalva: a termokémia két nagy kérdésre válaszol. (1) Mennyi hő szabadul fel vagy nyelődik el? — ezt a reakcióhő adja meg, amelyet képződéshőkből és a Hess-tételből számítunk. (2) Magától lejátszódik-e a folyamat? — ezt az energia és az entrópia együtt dönti el, amit a szabadentalpia (ΔG = ΔrH − T·ΔS) fog össze: spontán, ha ΔG < 0.