Magnus Ehingers undervisning

Allt du behöver för A i Biologi, Kemi, Bioteknik, Gymnasiearbete m.m.

Entropi. Gibbs fria energi

Entropi. Gibbs fria energiVideogenomgång (flippat klassrum)

Plocka fram

  • Stor kristallisationsskål
  • KMnO4(s)
  • Glycerol
  • Degel med lock

Inledning

En droppe bläck som släpps ner i en bägare kommer att diffundera ut i hela lösningen, även om man inte rör om i den. En droppe bläck som släpps ner i en bägare kommer att diffundera ut i hela lösningen, även om man inte rör om i den.

Demolab: KMnO4(s) löser sig i vatten

  • Efter ett tag har kaliumpermanganaten spridit sig i hela kristallisationsskålen.
  • Fråga eleverna, varför?

Eventuellt: Kul demo.

  • Gör en hög med KMnO4(s). Gör en liten försänkning i toppen av högen med KMnO4(s).
  • Droppa ner lite glycerol i försänkningen.
  • Vänta...
  • Efter ett tag sker följande kraftigt exoterma reaktion:
  • 14KMnO4 + 4C3H5(OH)3 → 7K2CO3 +7Mn2O3(s) +5CO2 + 16H2O + värme
  • Lågor och kraftigt violett rök slår upp
  • Säkerhet: Måste utföras under draghuv. Se upp med stänk! Labrock måste bäras, liksom skyddsglasögon.

Entropi

Naturen strävar hela tiden efter ökad oordning.

Detta är en av termodynamikens viktigaste lagar

  • Det har aldrig bevisats, men har aldrig observerat något annorlunda. Det är ett postulat.

Är det sant att naturen hela tiden strävar efter ökad oordning?

  • Tja, kolla bara på era egna rum hemma! 😉
En bil som lämnas i skogen är först ganska välordnad (den har låg entropi), men allteftersom väder och vind bryter ner den får den högre entropi. En bil som lämnas i skogen är först ganska välordnad (den har låg entropi), men allteftersom väder och vind bryter ner den får den högre entropi. Om du inte lägger energi på att städa ditt rum, kommer oordningen att öka i det också. Entropin ökar hela tiden, om man inte tillför energi!Om du inte lägger energi på att städa ditt rum, kommer oordningen att öka i det också. Entropin ökar hela tiden, om man inte tillför energi!

Oordningen i naturen kallar vi entropi.

Entropi tecknas S, har enheten J/K.

Ju högre oordning, desto högre entropi.

Naturen strävar hela tiden efter högre entropi.

En titt på aggregationsformerna

Vilket har högst/lägst entropi?

  1. Is
  2. Vatten
  3. Vattenånga

Entropin i en iskristall är låg medan entropin är högre i flytande vatten. I vattenånga är entropin allra högst.Entropin i en iskristall är låg medan entropin är högre i flytande vatten. I vattenånga är entropin allra högst.

Och igen:

  1. Salt & vatten i skilda kar
  2. En saltlösning

Och igen:

  1. Kaliumpermanganat och en kristallisationsskål med vatten (i skilda kar)
  2. Kaliumpermanganat löst i vatten

Varför sker en reaktion?

 

Annons

 

Ett försök till svar är att om reaktionen avger energi, så kan den ske.

  • Det är dock inte till 100% rätt!

Man kan säga att ett system kan reagera, om

  1. Det bildas starkare bindningar mellan ämnena (entalpin blir lägre) och/eller
  2. Vi får en ökad oordning efter reaktionen.

Exoterma reaktioner leder till ökad oordning i universum

Ammoniumnitrat exploderar

  • NH4NO3(s) → N2(g) + 2H2O(g) + ½O2(g)
  • Liten oordning → Hög oordning

Endoterma reaktioner leder till ökad oordning i universum

Ammoniumnitrat löses i vatten

  • Det tas visserligen upp värme från omgivningen, d.v.s. omgivningens entropi sjunker något (omgivningen blir något mer ordnad)
  • Men entropin hos ammoniumnitratet + vattnet blir högre än det var från början, i separerat skick!
  • Så, på det hela taget, blir entropin (oordningen) i universum högre i alla fall!

Filosofi, del I.

Universums entropi ökar hela tiden.

Filosofi, del II.

Liv, det är system som strävar efter lägre entropi hos sig självt (på bekostnad av resten av universum, förstås)

Gibbs fria energi

Drivkraften för en reaktion beror på systemets fria energi, \(∆G\) (Gibbs fria energi). Om \(∆G < 0\) så är det alltid en spontan reaktion. Sambandet mellan entalpi, entropi och temperatur ges av \(∆G = ∆H - T\Delta S\).

Blyazid sönderfaller under stor energiutveckling

Pb(N3)2 → Pb + 3N2(g) + energi

\(∆H < 0\) (exoterm reaktion)

\(∆S > 0\) (ökad oordning efter reaktion)

\[\Delta G = \underbrace {\Delta H \underbrace {- \underbrace {T \Delta S}_{>0}}_{<0}}_{<0}\]

Eftersom \(∆G < 0\) för alla \(T\), är reaktionen spontan oavsett temperatur.

Bildning av vatten ur grundämnena

 

O2(g) + 2H2(g) → 2H2O(g) + energi

\(∆H < 0\) (exoterm reaktion)

\(∆S < 0\) (minskad oordning efter reaktion)

\[\Delta G = \underbrace {\Delta H \underbrace {- \underbrace {T \Delta S}_{<0}}_{>0}}_{< 0 \text{ vid låga }T\text{, } > 0 \text{ vid höga }T}\]

Eftersom \(∆G < 0\) för låga \(T\), är reaktionen spontan endast om temperaturen inte är alltför hög. Detta kan man inse, om man tänker på sönderdelningen av H2O till H2 och O2: för att göra detta krävs att vi tillsätter stor energi (hög temperatur), och då återbildas ju ej H2O!

Upplösning av ammoniumnitrat i vatten

NH4NO3(s) + energi → \({\sf \text{NH}_4^+}\)(aq) + \({\sf \text{NO}_3^-}\)(aq)

\(∆H > 0\) (endoterm reaktion)

\(∆S > 0\) (ökad oordning efter reaktion)

\[\Delta G = \underbrace {\Delta H \underbrace {- \underbrace {T \Delta S}_{>0}}_{<0}}_{<0 \text{ vid höga }T\text{, }>0 \text{ vid låga }T}\]

Eftersom \(∆G < 0\) för höga \(T\), är reaktionen spontan endast om temperaturen är tillräckligt hög.

Bildning av hydrazin ur grundämnena

N2(g) + 2H2(g) + energi → N2H4(l)

\(∆H > 0\) (endoterm reaktion)

\(∆S < 0\) (minskad oordning e. reakt.)

\[\Delta G = \underbrace {\Delta H \underbrace {- \underbrace {T \Delta S}_{<0}}_{>0}}_{>0}\]

Eftersom \(∆G > 0\) för alla \(T\), är reaktionen aldrig spontan, utan energi måste hela tiden tillföras till reaktionen!

 

 
[Ingen än…]