Vad innebär potentiell energi i sammanhanget intermolekylära interaktioner?

Hej!

Jag håller på att läsa om intermolekylära interaktioner och begreppet "potential energy" används flitigt. Jag förstår inte riktigt hur man ska tolka detta begrepp i detta sammanhang. Ur fysiken så vet jag att ett föremål har en potentiell energi om det har "förmågan att utföra arbete". Exempelvis får en bok potentiell energi om man lyfter upp den. Jag har dock väldigt svårt att översätta denna förståelse till kemisammanhang.

Låt säga att vi tittar på en jon-dipol-interaktion. Vad betyder det att interaktionen mellan en aluminiumjon och en vattenmolekyl har en viss potentiell energi? Ökar eller minskar denna med avståndet mellan aluminiumjonen och vattenmolekylen? Jag förstår att den attraherande kraften mellan aluminiumjonen och vattenmolekylen blir större ju närmare varandra de kommer (tills en kritisk punkt då den repellerande kraften dominerar), men hur relaterar detta till begreppet "potentiell energi"?

EDIT: för att förklara mer ingående vad jag inte förstår:

Låt säga att vi utgår ifrån att kraften mellan objekten är proportionell mot avståndet i kvadrat och laddningarna, så har vi:

$\displaystyle \mathrm{F}\left(r\right)∝\frac{Q\left(\mathrm{Al^{3+}}\right)Q\left(\mathrm{H_2O}\right)}{r^2}\;\; \left(1\right)$ .

Om vi nu integrerar $(1)$ med avseende på avståndet $r$ så ser jag på enheten att vi har räknat fram någon typ av energi:

$\displaystyle \int_{}^{}\mathrm{F}\left(r\right)\mathrm{d}r∝Q\left(\mathrm{Al^{3+}}\right)Q\left(\mathrm{H_2O}\right)\int_{}^{}\frac{\mathrm{d}r}{r^2}=-\frac{Q\left(\mathrm{Al^{3+}}\right)Q\left(\mathrm{H_2O}\right)}{r} \;\; \left(2\right)$

Det innebär alltså att vi har någon form av energi som är proportionell mot inversen av avståndet mellan laddningarna. Men vad är det för typ av energi som vi har räknat ut?

(Naturligtvis är detta är förenkling där vattenmolekylen anses vara "en punktladdning").

All energi som inte är kinetisk är potentiell, så man kan tolka potentiell energi som "potential till kinetisk energi". En satellit runt jorden har potentiell energi eftersom den får kinetisk energi om den faller in mot jorden. Dess potentiella energi minskar ju närmre jorden den kommer, samtidigt som dess kinetiska energi ökar.

Det fungerar på ett liknande sätt i ditt fall, men istället för gravitationell potentiell energi uppkommer den potentiella energin till följd av positioner i ett elektriskt fält. Ju närmre vattenmolekylen och aluminiumjonen kommer varandra, desto lägre blir deras potentiella energi. Man behöver då tillföra mer energi för att frigöra dem från varandra. Som du påpekar gäller detta på "medelstora avstånd" - kommer de tillräckligt nära varandra sker repulsion mellan deras respektive elektronmoln.

kommer de tillräckligt nära varandra sker repulsion mellan deras respektive elektronmoln.

Och då stiger den potentiella energin igen, eller hur? Är det för att det skulle krävas en extern kraft som utför ett arbete för att flytta laddningarna så nära varandra? Och ifall den externa kraften försvinner skulle de "skjutas iväg" från varandra? Precis som när man rör två starka nordpoler mot varandra?

Jag undrar också om man kan prata om potentiell energi på en makroskopisk skala eller om det bara är mellan enskilda atomer/joner/molekyler som man kan prata om potentiell energi?

Sist undrar jag också om det är denna energi man menar när man säger att "reaktioner sker för att sänka systemets energi" (eller något i den stilen, om jag inte minns helt knasigt från gymnasiet)?

Ja precis, då är det elektriska fältet från elektronerna av större betydelse. Kraftresonemanget verkar korrekt.

Visst finns potentiell energi på makroskopisk skala - mitt exempel med en satellit runt jorden är ett sådant fall. Ditt exempel med en bok likaså.

”Sänka systemets energi” syftar på Gibbs fria energi, men den beror bland annat på den potentiella energin i ett system.

Visst finns potentiell energi på makroskopisk skala - mitt exempel med en satellit runt jorden är ett sådant fall. Ditt exempel med en bok likaså.

Jo men jag tänkte mer på ett "stängt" system som till exempel ett glas vatten. I detta system finns det dipol-dipol-interaktioner mellan vattenomlekylerna och om man skulle zooma in på varje enskild vattenmolekyl så skulle man prinicpiellt kunna räkna på två vattenmolekylers potentiella energi jämfört med varandra (förstår jag det rätt då?). Men kan man översätta det på något sätt till hela glaset som system också?

Man brukar prata om ”inre energi”, vilket är summan av hela systemets kinetiska och potentiella energi. Det går dock inte att fastställa ett absolut värde, utan man kan bara räkna på förändringar i inre energi.

Är inre energi då typ ett mått på systemets "entalpi"?

Ungefär, men likt inre energi kan man inte bestämma ett absolut värde på entalpi. De hänger ihop såhär:

H = U + pV

(H = entalpi, U = inre energi, p = tryck, V = volym)

Dvs om du ökar den inre energin så kommer även entalpin hos systemet att öka. pV är en term som hör ihop med storleken hos systemet. Lättast förstår man ekvationen om man tänker utifrån ändringar:

dH = d(U+pV)

dH = dU +d(pV)

dH = dU + pdV + Vdp

Om trycket är konstant, t.ex. en reaktion som sker i öppen bägare, förenklas det till

dH = dU + pdV

Här ser man alltså att entalpiändringen motsvarar ändringen i inre energi, plus "pdV" som kallas expansionsarbete, dvs det arbete som systemet uträttar på omgivningen under processen som sker. Om du bara har reaktioner som sker i en lösning i bägaren så gäller att dH = dU, dvs entalpiändringen motsvarar helt ändringen i inre energi till följd av förändrade bindningar under reaktionen som sker. Ifall det avgår ämnen i gasfas kommer dessa att expandera och utföra arbete, då förloras en del energi till omgivningen. Det är detta som termen pdV korrigerar för.

Är sambandet $\displaystyle H = U + pV$ en definition eller är det ett samband man kan härleda ur något annat?

Det är så entalpi definieras.

Hur skulle man kunna använda den här definitionen för att räkna på förändringar i entalpi? Jag tror jag förstår själva definitionen, men jag har svårt att se användningen. Tänker man att förändringen i entalpi måste motsvara den avgivna (eller upptagna) värmen? Alltså:

$\mathrm{d}Q = \mathrm{d}U+p\mathrm{d}V$

(om trycket hålls konstant)

Ja vid konstant tryck är avgiven värme lika stor som entalpiändringen. För att mäta entalpiändringar använder man en kalorimeter. Normalt när man räknar med entalpiändringar så använder man tabellvärden från sådana typer av experiment.

Ja vid konstant tryck är avgiven värme lika stor som entalpiändringen.

Blir det annorlunda om trycket slutar vara konstant? T.ex. om det bildas mycket gas under reaktionen så kommer väl trycket förändras? (om kalorimetern är stängd då).

Ja då blir det annorlunda. En sån kalorimeter kallas bombkalorimeter och den har istället konstant volym.

Svara

Visa senaste svar