I den här videogenomgången och de följande ska vi ta och kolla på termokemi. Termokemi, det kommer av det grekiska ordet "termos", som betyder värme. Så termokemi, det är alltså värmets kemi, alltså hur värme eller energi upptas eller avges i kemiska reaktioner. Och ja, det heter faktiskt ”värmets kemi” – när man talar om fysikaliskt värme, så är det just ”värmet”. Vi ska börja med att kolla på en exoterm reaktion. Det du ser i den här bilden är att det pågår en kraftigt exoterm reaktion här. Du kanske har sett den här bilden förut? Om du anstränger dig riktigt, så kanske du kan se att det står ”Hindenburg” här? Det här var 1937, när luftskeppet ”Hindenburg” skulle landa i New Jersey, USA. Luftskeppet var fyllt med vätgas, och av någon ännu okänd anledning så fattade det eld. Kanske var det en gnista från den här radiomasten intill, eller överhettning i en motor. I alla fall, luftskeppet exploderade och 35 av de 97 ombord omkom, liksom en person på marken. Men fastän det här var en fruktansvärd olycka, så ska vi nu bara fokusera på den kemiska reaktion som ägde rum. Vätgas reagerar med syrgas i luften, och reaktionen är kraftigt exoterm – en massa värme avges! Det tar vi och skriver ner också! I exoterma reaktioner avges det värme. Och eftersom jag är humanist i grund och botten, så ska vi fundera lite över själva ordet "exoterm" också. ”Term”, det vet du ju redan att det har med värme att göra. ”Exo”, det är samma ord som i ”exit” eller varför inte ”exodus” som är det grekiska namnet på andra mosebok, det vill säga den som handlar om Moses uttåg ur Egypten. ”Ex” betyder alltså ”ut”, och i en exoterm reaktion avges det alltså värme, eller rättare sagt, energi. Som exempel har vi då den här reaktionen, där väte förbränns i syrgas, med en kemisk formel som du säkert redan har sett ett antal gånger: Två molekyler vätgas reagerar med en molekyl syrgas. Då bildas det två vattenmolekyler. Men i det här fallet, så skriver vi också till ”energi” här, för att visa att det avges energi i reaktionen. Nu är det viktigt att förstå att det inte bildas eller skapas någon energi reaktionen. Energi kan varken nybildas eller förstöras, den kan bara ombildas från en form till en annan. I den här reaktionen omvandlas energin som är lagrad i de kovalenta bindningarna i väte- och syremolekylerna till värmeenergi och ljus, som också är en slags energi. Vi tar och ritar ett energidiagram här för att förklara vad som händer med avseende på energi i reaktionen. Vi sätter energi här på y-axeln och reaktionsförlopp på x-axeln. Och så nånstans här uppe, så skriver vi in att vi har två vätemolekyler och en syremolekyl innan det har skett någon reaktion. Och för att göra det riktigt tydligt vad det är som händer, så ritar vi också två vätemolekyler såhär och en syremolekyl också. Nu är det såhär, att om vi vill att de här molekylerna ska reagera med varandra, då måste vi först bryta bindningarna mellan atomerna i molekylerna. Och för att bryta en bindning så är det alltid så att man måste tillföra lite energi, det finns inga undantag från den regeln. Så genom att tillföra en liten mängd energi såhär, så bryter vi bindningarna mellan väteatomerna och mellan syreatomerna. Vi ritar det såhär, och vi skriver också att nu har vi fyra väteatomer och två syreatomer. Den mängd energi som måste tillsättas för att en reaktion ska sättas igång kallas för aktiveringsenergin. Vi förlänger den här linjen här till vänster, och skriver in att detta är aktiveringsenergin. Som du kan se i den här reaktionen, så är aktiveringsenergin ganska liten. Kanske var det bara en liten ynka gnista som antände hela luftskeppet Hindenburg! När nya bindningar uppstår mellan syre- och väteatomerna, så avges det energi. Precis som innan så finns det inga undantag från den här regeln, att när det uppstår bindningar, så avges det alltid energi. I det här fallet bildas det två vattenmolekyler på det här sättet. Som du kan se, så avges det en hel del energi, ganska mycket mer än den energi som först togs upp. Det är därför som den här reaktionen är kraftigt exoterm. I endoterma reaktioner är det istället så att värme, eller ännu hellre, energi, tas upp. Det kan du se i det här ”endo” här uppe, från grekiska ”endon” som betyder ”in”. I endoterma reaktioner går värme in i reaktanterna, och tas därför upp. Mitt favoritexempel på en endoterm reaktion är nog fotosyntesen. I fotosyntesen reagerar sex koldioxidmolekyler med sex vattenmolekyler, och med hjälp av energin i solljuset bildas glukos, C₆H₁₂O₆. Och ja, så bildas det ju sex syremolekyler också, som någon slags biprodukt. Vi ritar upp ett energidiagram för fotosyntesen också, med energin på y-axeln och reaktionsförloppet på x-axeln. Här nere nånstans så börjar vi med de sex koldioxidmolekylerna och de sex vattenmolekylerna. Och ja – den här gången ritar jag inte alla molekylerna, jag hoppas du förstår ändå! Precis som innan, så är det så att vi måste tillsätta en del energi för att reaktionen ska sparka igång. I det här fallet är aktiveringsenergin ganska hög. Energi i form av solljus tillsätts, så att bindningarna mellan atomerna i koldioxid och vatten bryts. Nu vill jag dock poängtera att reaktionen som sker är mycket mer komplex än vad jag visar. I verkligheten bildas det inga fria kol-, väte- och syreatomer på det här sättet – – det här är bara en modell för att visa vad som händer med avseende på energin i reaktionen. I alla fall, när glukosen och syremolekylerna bildas, så uppstår det nya bindningar, och en del energi frigörs. I det här fallet är det dock så att det är mycket mindre energi som avges än vad som ursprungligen togs upp. Totalt sett upptas ganska mycket av energin i solljuset och lagras kemiskt i glukos- och syremolekylerna. Nu ska vi ta och kolla på två kul reaktioner som man ofta demonstrerar i klassrummet. I den första av dem, så har vi en bägare med vatten såhär, och rita av detta du med! Till det här vattnet sätter vi lite fast natriumhydroxid, som ser ut ungefär såhär. När natriumhydroxiden löses i vattnet så går natrium- och hydroxidjonerna ut i lösning. Det är därför vi skriver dem med ”aq” såhär. Det som händer när natriumhydroxiden löses i vatten, det är att ganska mycket energi avges. Värme avges till det omgivande vattnet, och temperaturen stiger. Man kan lätt känna det om man håller i bägaren – – det blir helt enkelt varmt! Vi kan skriva en kemisk formel för vad det är som händer också. Vi har fast natriumhydroxid här. Men eftersom natriumhydroxiden egentligen inte reagerar med vattnet – den löses bara upp i vattnet – så kan vi skriva vatten ovanför reaktionspilen såhär. Då bildas det natriumjoner i vattenlösning och hydroxidjoner i vattenlösning. Men som jag sa också, så avges det energi. Det anger vi genom att skriva ”energi” här till höger i reaktionsformeln också. Vi kan förstås rita ett energidiagram för den här reaktionen också. Vi skriver in den fasta natriumhydroxiden här. Precis som alltid, så måste man först tillföra lite energi för att bryta bindningarna mellan natrium- och hydroxidjonerna. Och precis som innan skriver vi in att detta är aktiveringsenergin. Men lägg märke till här uppe, att i den här modellen är inte jonerna lösta i vatten riktigt än! När jonerna blir lösta i vattnet, så uppstår det nya bindningar mellan jonerna och vattnet – jon–dipol-bindningar. När de här bindningarna uppstår, så avges det – som alltid – energi. I det här fallet avges det mer energi än den ursprungliga aktiveringsenergin, och det är därför som det omgivande vattnet värms upp och temperaturen stiger. Eftersom det totalt sett avges energi, så har produkterna här – natrium- och hydroxidjonerna som lösts i vatten – lägre energi än reaktanterna, i det här fallet den fasta natriumhydroxiden. Så är det alltid för exoterma reaktioner. Den andra skojiga reaktionen liknar lite grann den första, men istället för fast natriumhydroxid ska vi använda fast ammoniumnitrat. Precis som i den förra reaktionen, så bildas det ammoniumjoner och nitratjoner i vattenlösning när ammoniumnitraten löses upp. Men den här gången tas energi istället upp, och temperaturen sjunker avsevärt. Därför är den här processen endoterm. När vi beskriver den här reaktionen med en reaktionsformel, så måste vi lägga till energi för att reaktionen ska äga rum. Precis som innan så skriver vi H₂O ovanför reaktionspilen, och att det bildas ammoniumjoner lösta i vatten och nitratjoner lösta i vatten. Låtom oss rita ett energidiagram för den här reaktionen också! Här nere så skriver vi in den fasta ammoniumnitraten, NH₄NO₃(s). För att bryta bindningarna mellan ammoniumjonerna och nitratjonerna, måste vi tillsätta en hel del energi. Aktiveringsenergin i det här fallet är alltså ganska hög. När det uppstår jon–dipol-bindningar mellan jonerna och vattenmolekylerna, så avges det en del energi och vattenlösta ammonium- och nitratjoner bildas på det här sättet. Men eftersom den mängd energi som avges är mindre än aktiveringsenergin, så tas det totalt sett upp energi i reaktionen. Som du kan se har då produkterna – jonerna som lösts i vattnet – högre energi än reaktanterna, det vill säga den fasta ammoniumnitraten. Så är det alltid för endoterma reaktioner. Nu när du har förstått vad det är som händer i exoterma och endoterma reaktioner, så kan vi föra in begreppet entalpi. Då är det såhär, att entalpin är energiinnehållet i ett visst ämne. Entalpin tecknas H och har enheten J eller ibland J/mol. I kemiska reaktioner så ändras entalpin för de ingående ämnena, precis som jag har visat i den här videogenomgången. Ändringen skrivs ΔH och den är lika produkternas entalpi minus reaktanternas entalpi. Om just det var lite knepigt att förstå direkt, så är det okej, för här krävs det lite mer förklaring. Jag ska försöka förklara genom att visa ett exempel, nämligen hur en mol kol reagerar med en mol syrgas och bildar en mol koldioxid. Vi skriver en reaktionsformel för det också: En mol kol i fast form plus en mol syrgas blir till en mol koldioxid i gasform. I det här fallet avges det också en del energi, närmare bestämt 394kJ. Frågan som jag vill ställa nu är, vad är ΔH för reaktionen? Ja, som jag sa, så är ΔH förändringen i entalpi, det vill säga entalpin för produkterna minus entalpin för reaktanterna. I det här fallet blir det entalpin för koldioxid minus entalpin för kol och syrgas. Men vad är då de? Ja, jag är ledsen, men det går inte att säga. Det är tyvärr inte möjligt att mäta absoluta entalpier för olika ämnen, det går bara att mäta *förändringen* i entalpi för en given reaktion. Men faktum är att den redan är med här i reaktionsformeln: För varje mol koldioxid som bildas, så avges det 394kJ. Så i det här fallet är ΔH lika med –394kJ. Men vänta lite här nu, va. Varifrån kom det där minustecknet? Bra fråga, som det brukar heta. Bra fråga! Då ska jag försöka förklara hur tecknet för ΔH blir för exo- och endoterma reaktioner. Vi gör det genom att rita, inte ett energidiagram, utan ett entalpidiagram, med entalpin här på y-axeln. I reaktionen mellan kol och syre, så har vi reaktanterna här uppe med sina entalpier. När reaktionen äger rum, så avges det energi, och så bildas det koldioxid. Eftersom energi avges, så är entalpin för koldioxid lägre än entalpin för kol och syrgas. Och eftersom förändringen i entalpi, ΔH, är lika med entalpin för produkterna minus entalpin för reaktanterna, så blir ΔH negativt. Jag menar, vi har ett ganska litet värde här, minus ett större värde här – då måste resultatet bli negativt. Och det här gäller då faktiskt för alla exoterma reaktioner. För exoterma reaktioner, så är ΔH alltid mindre än noll. Så hur är det då med endoterma reaktioner? Vi kollar igen på vad det är som händer när fast ammoniumnitrat löses upp i vatten. När ammoniumnitraten löses upp, så tas det upp energi i form av värme från den omgivande lösningen. På grund av detta blir produkternas entalpi högre än reaktanternas entalpi. Det leder till att förändringen i entalpi, alltså produkternas entalpi minus reaktanternas entalpi, är positiv. Alltså, för endoterma reaktioner är det alltid så att ΔH är större än noll. Det här ska vi nu använda i de kommande videogenomgångarna för att förstå hur och varför olika ämnen reagerar med varandra.