Reactie- en verbrandingswarmte - theorie en berekening
Als aardgas (CH4) verbrandt vormt het koolstofdioxide en waterdamp. De verbranding van aardgas is een reactie die dagelijks wordt waargenomen bij het koken met een gasfornuis. Bij deze reactie komt, naast de gevormde stoffen, warmte vrij, en die warmte kan prima gebruikt worden om een pan mee te verhitten zodat de inhoud kan bakken, braden of koken. Maar wat houdt die warmte in? Valt deze te berekenen, en zijn er ook nog andere reacties waarbij warmte vrijkomt, of waarbij energie juist moet worden geïnvesteerd?Reactiewarmte
Bij reacties die zich voltrekken is een bepaalde hoeveelheid energie betrokken. Deze hoeveelheid energie wordt doorgaans de reactiewarmte genoemd (officieel de reactie-energie), omdat vrijwel alle energie betrokken bij de reactie uit warmte bestaat. De reactiewarmte is een simpele formule die enkel berust op de vormingswarmten van de stoffen die betrokken zijn in de reactie. Deze warmte wordt meestal gegeven. Het symbool voor de reactiewarmte is ΔΕ en de eenheid is in joule, oftewel J. De formule voor de reactiewarmte is hieronder weergegeven.ΔΕ = VWrp - VWbp
ΔΕ in J
VWrp = som van de vormingswarmte van de reactieproducten
VWbp = som van de vormingswarmte van de beginproducten
ΔΕ kan zowel positief als negatief zijn. Dit is karakteristiek voor de reactie en geeft aan of deze exotherm of endothermΔΕ in J
VWrp = som van de vormingswarmte van de reactieproducten
VWbp = som van de vormingswarmte van de beginproducten
is.
| ΔΕ < 0 | Exotherm | Reactie verloopt vanzelf |
|---|---|---|
| ΔΕ > 0 | Endotherm | Reactie verloopt niet vanzelf |
IJzererts reageert met koolstofmonoxide in hoogovens zodat er elementair ijzer en koolstofdioxide wordt gevormd. Geef de reactievergelijking en de reactiewarmte van dit proces.
Na het opstellen van de reactievergelijkingen moeten de vormingswarmten van de betrokken stoffen worden vermenigvuldigd met de hoeveelheid mol waarin ze voorkomen in de reactie, omdat de vormingswarmten zijn gegeven in joule per mol.
Fe2O3 + 3 CO → 2 Fe + 3 CO2
Vormingswarmte Fe2O3: - 8,24 * 10^5 * 1 = - 8,24 * 10^-5 J
Vormingswarmte CO: - 1,105 * 10^5 * 3 = - 3,315 * 10^-5 J
Vormingswarmte Fe: 0 * 2 = 0 J (elementaire stoffen hebben per definitie geen vormingswarmte)
Vormingswarmte CO2: - 3,935 * 10^5 * 3 = - 11,805 * 10^5 J
Invullen geeft ΔΕ = (0 - 11,805 * 10^5) - (- 3,315 * 10^5 - 8,24 * 10^5) = - 0,25 * 10^5 J
Voorbeeld 2: Elektrolyse van waterVormingswarmte Fe2O3: - 8,24 * 10^5 * 1 = - 8,24 * 10^-5 J
Vormingswarmte CO: - 1,105 * 10^5 * 3 = - 3,315 * 10^-5 J
Vormingswarmte Fe: 0 * 2 = 0 J (elementaire stoffen hebben per definitie geen vormingswarmte)
Vormingswarmte CO2: - 3,935 * 10^5 * 3 = - 11,805 * 10^5 J
Invullen geeft ΔΕ = (0 - 11,805 * 10^5) - (- 3,315 * 10^5 - 8,24 * 10^5) = - 0,25 * 10^5 J
Bij de elektrolyse van water ontstaan twee gassen. Geef de reactievergelijking en bereken de reactiewarmte.
Bij deze reactie is het nogmaals het geval om de vormingswarmten te vermenigvuldigen met de hoeveelheid mol.
2 H2O (l) → 2 H2 + O2
Vormingswarmte H2O: - 2,86 * 10^5 * 2 = - 5,64 * 10^5 J
Vormingswarmte H2: 0 * 2 = 0 J
Vormingswarmte O2: 0 J
ΔΕ = (0 + 0) - (- 5,64 * 10^5) = 5,64 * 10^5 J
Vormingswarmte H2O: - 2,86 * 10^5 * 2 = - 5,64 * 10^5 J
Vormingswarmte H2: 0 * 2 = 0 J
Vormingswarmte O2: 0 J
ΔΕ = (0 + 0) - (- 5,64 * 10^5) = 5,64 * 10^5 J
Verbrandingswarmte
De verbrandingswarmte van een reactie wordt dikwijls gegeven bij, de naam verklapt het al, een verbranding. Dit zijn reacties waarbij gassen zoals propaan of methaan worden verbrand. De verbrandingswarmte kan worden berekend met behulp van de vormingswarmten. Dit wordt aan de hand van enkele voorbeelden nader uitgelegd.Voorbeeld 3: Oxidatie van butaan
Butaangas wordt verbrand waarbij twee gassen ontstaan. Bereken de verbrandingswarmte met behulp van de vormingswarmte.
Om de vormings- en verbrandingswarmten te berekenen moet eerst een reactievergelijking worden opgesteld om de molverhoudingen tussen de stoffen bekend te maken. dit kan vervolgens worden gebruikt in de verdere berekening.
2 C4H10 + 13 O2 → 8 CO2 + 10 H2O (g)
Vormingswarmte C4H10: - 1,26 * 10^5 * 2 = - 2,52 *10^5 J
Vormingswarmte O2: 0 * 13 = 0 J
Vormingswarmte CO2: - 3,935 * 10^5 * 8 = - 31,48 * 10^5 J
Vormingswarmte H2O: - 2,42 * 10^5 * 10 = - 24,2 * 10^5 J
ΔΕ = (- 24,2 * 10^5 - 31,48 * 10^5) - (- 2,52 * 10^5 + 0) = - 53,16 * 10^5 J
Omdat de verbrandingswarmte in joule per mol is moet de uitkomst door twee gedeeld worden, wat een antwoord geeft van ΔΕ = - 28,78 * 10^5 J mol^-1
In voorbeeld 3 wordt de reactiewarmte door twee gedeeld. Dit komt omdat in deze reactie twee mol butaangas is betrokken. Hierdoor moet de reactie-energie door twee worden gedeeld om de verbrandingswarmte van butaangas te verkrijgen. Het delen is een significant verschil tussen het berekenen van de reactie-energie en de verbrandingswarmte: bij het berekenen van de verbrandingswarmte moet er gedeeld worden door de hoeveelheid mol stof die verbrandt.Vormingswarmte C4H10: - 1,26 * 10^5 * 2 = - 2,52 *10^5 J
Vormingswarmte O2: 0 * 13 = 0 J
Vormingswarmte CO2: - 3,935 * 10^5 * 8 = - 31,48 * 10^5 J
Vormingswarmte H2O: - 2,42 * 10^5 * 10 = - 24,2 * 10^5 J
ΔΕ = (- 24,2 * 10^5 - 31,48 * 10^5) - (- 2,52 * 10^5 + 0) = - 53,16 * 10^5 J
Omdat de verbrandingswarmte in joule per mol is moet de uitkomst door twee gedeeld worden, wat een antwoord geeft van ΔΕ = - 28,78 * 10^5 J mol^-1
Voorbeeld 4: Oxidatie van azijnzuur
Azijnzuur verbrandt en vormt twee gassen. Bereken de verbrandingswarmte.
Bij verbrandingswarmte moet er rekening worden gehouden met het restproduct water: in sommige gevallen wordt aangenomen dat het gevormde water als vloeistof vrijkomt. Omdat water over twee verschillende vormingswarmten beschikt kan dit het antwoord beïnvloeden als de verkeerde aggregatietoestand wordt gekozen. Ter verduidelijking:
- H2O (g): - 2,42 * 10^5 J mol^-1
- H2O (l): - 2,86 * 10^5 J mol^-1
CH3COOH + 3 O2 → 2 CO2 + 2 H2O (l)
Vormingswarmte CH3COOH: - 4,84 *10^5 J
Vormingswarmte O2: 0 * 3 = 0 J
Vormingswarmte H2O: 2 * - 2,86 * 10^5 = - 5,72 * 10^5 J
Vormingswarmte CO2: 2 * - 3,935 * 10^5 = -7,870 * 10^5 J
ΔΕ = (-7,870 * 10^5 - 5,72 * 10^5) - (- 4,84 * 10^5 + 0) = - 8,75 * 10^5 J
Omdat er maar één mol azijnzuur is betrokken in deze reactie, is de uiteindelijke verbrandingswarmte ook - 8,75 * 10^5 J mol^-1.
Vormingswarmte CH3COOH: - 4,84 *10^5 J
Vormingswarmte O2: 0 * 3 = 0 J
Vormingswarmte H2O: 2 * - 2,86 * 10^5 = - 5,72 * 10^5 J
Vormingswarmte CO2: 2 * - 3,935 * 10^5 = -7,870 * 10^5 J
ΔΕ = (-7,870 * 10^5 - 5,72 * 10^5) - (- 4,84 * 10^5 + 0) = - 8,75 * 10^5 J
Omdat er maar één mol azijnzuur is betrokken in deze reactie, is de uiteindelijke verbrandingswarmte ook - 8,75 * 10^5 J mol^-1.
