Er is nog een aspect van de scheikunde dat bij reakties om de hoek komt kijken, een tamelijk natuurkundig concept dat de energie van scheikundige veranderingen op een andere
manier omschrijft, een niet-moleculaire macroscopische manier.
We behandelen deze theorie op een globale en beperkte manier, en beperken ons tot de belangrijkste begrippen, waarbij we het natuurkundige begrip 'arbeid' weglaten.
Je wordt verondersteld de volgende begrippen te kennen: energie (chemische, kinetische, electrische, potentiële en stralingsenergie); activeringsenergie, endo- en exotherm,
bindingsenergie.
De hoofdwet van de thermodynamica is: energie gaat niet verloren en komt ook niet uit het niets voort.
Eigenlijk net zoiets als: de wet van behoud van massa. We kennen de hoofdwet als de Wet van Hess, al heel lang geleden - lang voor de thermodynamica - geformuleerd.
Verlies of winst van energie door stoffen tijdens een chemische reaktie hangt alleen af van de energienivo's van de reagentia en de producten, niet van de weg die tijdens de
reaktie wordt afgelegd.
Maar natuurlijk kan de ene vorm van energie wel overgaan in een andere vorm en dat geldt ook voor het natuurkundige begrip "arbeid".
Deze "arbeid" (p x ΔV) wordt dan beschouwd als energie die zich manifesteert. Je ziet het er aan af, zeg maar.
De energie zonder de "arbeid" krijgt het symbool: U.
De energie met die arbeid krijgt het symbool H (ook wel enthalpy genoemd, maar dit woord laten we in deze cursus buiten beschouwing).
Dus: U is de som van H en "arbeid".
Tijdens een chemisch proces zijn er omzettingen van energie: ΔH en ΔU,
ΔU is de reaktie-energie (met negatief teken als het systeem energie verliest en positief teken als het systeem energie wint).
En hier duikt nu een nieuwe vorm van energie op, die we ENTROPIE noemen en het symbool S heeft.
S is niet een positieve vorm van energie, zoals warmte of electriciteit, waar je wat mee kunt doen. Nee, de entropie is eigenlijk een negatief soort energie, een verloren energie.
Het wordt gekoppeld aan de wanorde die in een systeem heerst: hoe netter geordend een systeem, des te minder entropie (in kristallen bijvoorbeeld).
Zodra je zo'n kristal oplost in water gaat die keurige orde geheel verloren, de wanorde neemt toe in het systeem, ofwel: de entropie S neemt toe:
ΔS >0
Dit gaat geheel ten koste van de nuttige vormen van energie.
Zodoende kwam men tot het definiëren van nog een begrip: de energie die alle mogelijke vormen van energie omvat, de vrije energie, met het symbool G (dat H en S bevat).
Een chemisch systeem in verandering (dus meestal een reaktie) ondergaat verandering in G:
ΔG
en deze veranderingen betekenen ook veranderingen in H en veranderingen in S.
De wiskundige formule die deze veranderingen weergeeft is als volgt:
ΔG = ΔH - TΔS
ΔS krijgt een negatief teken omdat het een vorm vertegenwoordigt van negatieve energie.
Entropie heeft direct verband met de temperatuur wat je kunt zien aan de T (in Kelvin) in de formule.
Opdracht 43
Je kunt het proces "keukenzout lost op in water" beschouwen als een systeem in verandering.
Eerst heb je zout(s) en water(l) en daarna verschijnt een zout oplossing:
NaCl(s)
NaCl(aq) ΔH > 0
Het is niet exact een chemische reaktie, maar er gebeurt wel iets met de deeltjes:
- Het ionrooster wordt doorbroken
- De ionen worden gehydrateerd (omgeven door watermoleculen)
- Is stap 1 endotherm of exotherm? Leg je antwoord uit.
- Is stap 2 endotherm of exotherm? Leg je antwoord uit.
- Het totaalproces is in elk geval endotherm, en het totaalproces is spontaan (Je hoeft geen energie toe te voegen).
De reden hiervor is de enorme toename van de entropie gedurende dit proces. Leg ook dit uit.
Het al dan niet spontaan verlopen van een chemische reaktie heeft alles te maken met thermodynamische gegevens.
Er is een zgn. tweede hoofdwet van de thermodynamica die zegt:
Processen zijn spontaan als er toename is van Entropie.
Je kunt ook zeggen: als de mate van wanorde toeneemt bij een systeem dan is het proces spontaan, zelfs als heb je een endotherm proces.
Als ionen in een ionrooster zich van elkaar verwijderen en vrij kunnen gaan bewegen door de oplossing, dan neemt de mate van wanorde flink toe en dus de entropie.
Oplossen in water van zout is dan ook duidelijk een spontaan proces.
Neem een explosie: een vaste stof, met veel orde (weinig entropie) verandert volkomen in gassen (veel wanorde, veel entropie); Explosie is zeer spontaan.