שינויי אנטרופיה

שינויי אנטרופיה

רוזנברג אוטיליהא" תשע

Sשינויי אנטרופיה,

לתנאים בהם רק המשוואה מתאימה •חימום.הוספה אנרגיה למערכת על ידי

לא לתנאים בהם רקהמשוואה מתאימה •תוך כדי מעבר חל שינוי בטמפרטורה

האנרגיה.

)גופים גדולים,מעבר מצבי צבירה(

בצעדים מעבר האנרגיה חייב להתבצע •,כך שבכל רגע נתון ניתן להפוך את זעירים

כיוון התהליך ע"י שינוי זעיר בתנאים ) תהליך הפיך או רוורסיבילי(

S=

יחידות :

שינויי אנטרופיה במעבר מצבי צבירה

המעברים בין מצבי הצבירה הם תהליכים הפיכים

בטמפרטורה קבועה. המתרחשים

שינוי האנטרופיה התקנית

בתהליכי היתוך :

שינוי האנטרופיה התקנית

בתהליכי רתיחה/אידוי :

שינויי אנטרופיה בתהליך חימום הקרח

שינויי אנטרופיה במעבר מצבי צבירה

בתהליך ההיתוך

- יש עליה בחופש התנועה של המולקולות. - גדל מספר התיאורים המיקרוסקופיים

האפשריים, כי הנוזל פחות מסודר מהמוצק.

יש עליה באנטרופיה.-- במצב גז, חופש התנועה של המולקולות הוא מרבי – יש אפשרויות

רבות יותר לתאר את פיזור האנרגיה בין המולקולות.

במצב גז,המולקולות תופסות נפח גדול בהרבה – יש עליה גדולה -במספר האפשרויות לתאר את פיזור/ מיקום המולקולות.

בתהליך האידוי יש עליה גדולה יותר באנטרופיה )באי -סדר המיקרוסקופי(.-

שינויי אנטרופיה בתהליכי אידויהחומר Ho

v ( kJ/mol ) Tb ( K ) Sov( J/Kmol )

HCl 16.21 188 86.2

HBr 17.68 206 85.8

HI 19.82 238 83.3

H2S 18.73 212 88.4

H2Se 19.57 232 84.4

H2Te 23.94 271 88.3

שינויי אנטרופיה בתהליכי אידויהחומר Ho

v ( kJ/mol ) Tb ( K ) Sov( J/Kmol )

HCl 16.21 188 86.2

HBr 17.68 206 85.8

HI 19.82 238 83.3

H2O 41.24 373 110.6

H2S 18.73 212 88.4

H2Se 19.57 232 84.4

H2Te 23.94 271 88.3

NH3 23.4 240 97.5

CH3OH 35.41 338 104.8

שינויי אנטרופיה בתהליכי אידוי של חומרים מולקולריים

נוזל שבו יש קשרי מימן

נוזל שבו יש אינטראקציות ו.ד.ו

גז שבו האינטראקציות בין המולקולות זניחות

(J/K mol)

S0

שינויי אנטרופיה בתהליכי אידוי

השינוי באנטרופיה בתהליך האידוי של נוזלים •בהם אינטראקציות ואן-דר-ואלס הוא בקירוב

ערך קבוע.

השינוי באנטרופיה בתהליך האידוי של נוזלים עם •קשרי מימן גדול משינוי האנטרופיה בתהליך

האידוי של נוזלים בהם אינטראקציות ו.ד.ו

שינויי אנטרופיה בתהליכי אידויהחומר Ho

v ( kJ/mol ) Tb ( K ) Sov( J/Kmol )

HF 7.56 293 25.8

HCl 16.21 188 86.2

HBr 17.68 206 85.8

HI 19.82 238 83.3

H2O 41.24 373 110.6

H2S 18.73 212 88.4

H2Se 19.57 232 84.4

H2Te 23.94 271 88.3

NH3 23.4 240 97.5

CH3OH 35.41 338 104.8

CH3COOH 24.4 391 62.4

שינויי אנטרופיה בתהליכי אידוי של חומרים מולקולריים

נוזל שבו יש קשרי מימן

נוזל שבו יש אינטראקציות ו.ד.ו

גז שבו עדיין יש קשרי מימן

גז שבו האינטראקציות בין המולקולות זניחות

(J/K mol)

S0

שינויי אנטרופיה בתגובות כימיות

שינויי אנטרופיה במערכת•

שינויי אנטרופיה בסביבה•

שינויי אנטרופיה ביקום•

שינויי אנטרופיה במערכת

חישוב שינוי האנטרופיה במערכת

, היא פונקצית מצב ולכן: Sאנטרופיה,

שינויי אנטרופיה במערכת

את הסימן של בתגובה שבה ניתן להעריך המגיבים ו/או התוצרים הם גזים , על פי השינוי במספר

המולים של גז מתוך ניסוח התגובה.

לדוגמה :

2C(s) + O2(g) 2CO(g)

N2(g) + 3H2(g) 2NH3(g)

C(g) + O2(g) CO2(g)

CO(g) + H2O(g) CO2(g) + H2(g)

עלייה קטנה באנטרופיה

לא ניתן להעריך

מעברי אנרגיה ושינויי אנטרופיה בסביבה

אקסותרמית תגובה תגובה אנדותרמית

מערכת

סביבה סביבה

מערכת

אנטרופיה אנטרופיה

∆H°∆H°

Surroundings

are where we make observation

on the energy transferred

into or out of the system.

)Atkins &Jones, General Chemistry(

מערכת וסביבה בתרמודינמיקה

מתוך "שיווי-משקל בתגובות כימיות" רות בן-צבי ויהודית זילברשטיין

שינויי אנטרופיה בסביבה

שינוי האנטרופיה ביקום

החוק השני של התרמודינמיקה

תהליך ספונטני מלווה בעלייה

באנטרופיה של היקום.

החוק השני בעל חשיבות רבה במדע כולו. שינוי כלשהומדועהוא מספק בסיס להבנה

מתרחש .על פי חוק זה ניתן לקבוע את של התרחשות תהליכים.הכיוון

הבסיס הסטטיסטי של החוק השני

מצב המערכת שמאופיין על ידי מספר מרבי של •תיאורים מיקרוסקופיים הוא המצב הסביר ביותר

להתקיים.

שינוי ספונטני יתרחש בכיוון שבו מספר •המצבים המיקרוסקופיים גדול יותר- בכיוון של

עליה באנטרופיה.

“ Spontaneous change occurs toward more probable states” )Atkins &Jones( .

ארבעה טיפוסי תגובות

האנטרופיה שינוי שבין היחס פי עלבמערכת

קיימים בסביבה האנטרופיה שינוי לבין

.בכל טמפרטורההתגובה ספונטנית

מערכת

סביבה יקום

תגובה אקסותרמית עם עליה באנטרופיה של המערכת

(1)

-ש בתנאי ספונטנית

מערכת

סביבה יקום

תגובה אקסותרמית עם ירידה באנטרופיה של המערכת

(2)

.בטמפרטורות נמוכותהתגובה ספונטנית

בטמפרטורות גבוהותהתגובה ספונטנית

מערכת

סביבה יקום

תגובה אנדותרמית עם עליה באנטרופיה של המערכת

(3)

ש-ספונטנית בתנאי

.בכל טמפרטורה ספונטניתלא התגובה

מערכת

סביבה יקום

תגובה אנדותרמית עם ירידה באנטרופיה של המערכת

(4)

תגובת הפירוק של מים ליסודות

H2O)l( H2)g( + O2)g(

נתונים תרמודינמיים

תגובת הפירוק של מים ליסודות

התגובה תנאי

אין שינוי

תגובה לא ספונטנית

תגובה ספונטנית

התגובה מתרחשת כתוצאה

מהשקעה מתמדת של

עבודה

תנאי תקן, 298K

תנאי תקן, 2000K

אלקטרוליז273Kה,

H2O H2)g( + O2)g(

מ”ל 10 אתאנול עם מ”ל10מערבבים : ניסוימים

עליה בטמפרטורה : תצפיות

ירידה בנפח

מדוע? : שאלה

ערבוב אתאנול ומים

ההסבר "המקובל"

בין מולקולות המיםלמולקולות הכהל

.נוצרים קשרי מימן חזקים

האמנם?

תרמודינמיים נתונים

CH3OH(l)

H2O)l( CH3OH(aq)

CH3CH2OH(l)

H2O)l(

CH3CH2OH(aq)

Ho = - 7 kJ/mol

S0 = + 5.8 J/K mol

Ho = - 11.5 kJ/mol S0 = - 12.2 J/K mol

צברים וחללים במים

של עשרות צברים במים יש • מבנה חלול דמוי מולקולות היוצרות

קרח. בהם חללים בתוך הצברים ישנם •

יכול שייר פחמימני להתארח.

על מנת "לארח " את השייר •ההידרופובי של מולקולות

האתאנול, יוצרות מולקולות המים מעטפת סביבם. התארגנות

ביצירת מולקולות המים כרוכה ביניהן.קשרי מימן נוספים

של בירידה באנטרופיה יצירת קשרי המימן הנוספים בא לידי ביטוי •ובפליטת אנרגיה.המערכת

במים כהלים מסיסות

CH3OH(l) H2O)l( CH3OH(aq)

CH3CH2OH(l)

H2O)l(

CH3CH2OH(aq)

Ho = - 7 kJ / mol

Ho = - 11.5 kJ / mol

מסיסות כהלים במים

• , במים אתאנול של ההמסה באנטרופיה העלייהבתהליךהסביבה ) ( של מהירידה גדולהשל באנטרופיה

המערכת.

היא. ספונטיניהתהליך • אתאנול של במים המסיסותגבוהה. ככל שהשייר הפחמימני גדול יותר,מידת התארגנות של •

יותר והירידה באנטרופיה של גדולהמולקולות המים המערכת. גדולה יותר

על אינה מפצה העלייה באנטרופיה של הסביבה •הירידה באנטרופיה של המערכת.

עם עלייה בגודל השייר הולכת וקטנה המסיסות במים •הפחמימני.

התרמודינמיקה. ספונטני לא או ספונטני התהליך אם קובעת

תרמודינמי ספונטניות - מערכת לנטייהמדד שלשינוי למהירות לעבור .ולא יתרחש השינוי שבה

הקינטיקה. ספונטני תהליך מתרחש המהירות באיזה קובעת

בקרה תרמודינמית ובקרה קינטית

( הן תגובות מתחרות 2( ו- )1תגובות ) המתרחשות במסלוליםשונים.

לשתי התגובות אנרגית שפעול שונה.

משפיעים על התוצר שיתקבל:שני גורמים

i. היציבות היחסית של התוצר .

ii.מהירות היווצרות התוצר .

המועדפת - כאשר מתקבל התוצר של התגובה בקרה תרמודינמית תרמודינמית. מבחינה

יותר.המהירה– כאשר מתקבל התוצר של התגובה בקרה קינטית

לחץ, טמפרטורה, ממס, זרז – יכולים לכוון לתוצר תנאי התגובה –הרצוי.

(1 )A B (2 )A C

בקרה תרמודינמית ובקרה קינטית

(1 )A B

(2 )A C

( היא התגובה המועדפת 1אם תגובה ) מבחינה תרמודינמית.

גדול בהרבהC אבל אם קצב ההיווצרות של .B מקצב ההיווצרות של

הבקרה הקינטית. מתקבל בתנאים בהם פועלת Cתוצר

בקרה תרמודינמית ובקרה קינטית

(2) 1/8S8(s) + 3/2 O2(g) SO3(l)

(1) 1/8 S8(s) + O2(g) SO2(g)

(3) SO2(g) + 1/2 O2(g) SO3(l)

)SO2)gהתוצר המתקבל הוא –

– שרפת גופרית 1דוגמה

בקרה קינטית

בקרה תרמודינמית ובקרה קינטית

– חמצון מתאנול2דוגמה

(1) 2CH3OH(l) + 3O2(l) 2CO2(g)+ 4H2O(l)

)2 (2CH3OH(l) + O2(l) 2CH2O(g) + 2H2O(l)

בקרה קינטית(.2בתנאי החדר מתקבלים תוצרי התגובה )

מציתים את תערובת המגיבים – (1מתרחשת תגובה )

בקרה תרמודינמית

אנטרופיה ושיווי-משקל

שיווי-משקל כימי : • שיווי -משקל בין שני תהליכים הפוכים

שיווי-משקל תרמי :•שיווי-המשקל שבין המערכת לסביבתה או בין שני

גופים המצויים במגע אחד עם השני באותה טמפרטורה.

שיווי משקל מכני:• שיווי-משקל בין גז שנמצא במזרק לבין הגז שמחוץ

למזרק.

אנטרופיה ושיווי-משקל

במצב שיווי-משקל שתי תגובות הפוכות •מתרחשות בו זמנית באותה מידה ובאותה

מהירות .

מערכת הנמצאת במצב שיווי-משקל אינה •נוטה להתקדם באופן ספונטני לשום כיוון.

מבחינה מאקרוסקופית, במצב של שיווי-משקל, •לא חל שום שינוי במערכת.

אנטרופיה ושיווי-משקל

לא חל שום שינוי במצב של שיווי-משקל •באנטרופיה של היקום ולכן

האנטרופיה של היקום במצב שיווי-משקל •מגיעה לערכה המרבי.