Ενέργεια και χημικές αντιδράσεις

Ολα χημική αντίδραση κουβαλά μαζί του α αλλαγή στην ενέργεια, λόγω του μετασχηματισμού των ουσιών που συμμετέχουν σε αυτό. Η ενέργεια μπορεί να εκδηλωθεί με διάφορους τρόπους:

• Ζεστό
• Εσωτερική ενέργεια
• Ενέργεια ενεργοποίησης

Θερμότητα σε χημικές αντιδράσεις

ο μόρια χημικών ενώσεων σχηματίζονται από συνδέσεις που μεταφέρουν μια ενέργεια συμπεριλαμβάνεται, το οποίο συγκρατεί τα άτομα μαζί. Όταν συμβαίνει μια χημική αντίδραση, τα συμμετέχοντα μόρια υφίστανται το σπάζοντας μερικά από αυτά συνδέσμους, που προκαλεί μια διακύμανση της ενέργειας. Συνήθως εμφανίζεται ως αλλαγή στη θερμότητα.

ο ζεστό στις χημικές αντιδράσεις μετριέται από το Ενθαλπία (H), η οποία είναι μια θερμοδυναμική ποσότητα που περιγράφει τις θερμικές αλλαγές που ασκούνται σε σταθερή πίεση. Μετράται σε θερμίδες ανά γραμμομόριο (θερμ. / γραμμομόριο), και υπολογίζεται για κάθε ένωση της αντίδρασης, με τον ακόλουθο τύπο:

ΔΗ = mCpΔT

Οπου:

ΔΗ: μεταβολή στην ενθαλπία της ουσίας

m: μάζα της ουσίας που συμμετέχει στην αντίδραση

Cp: ​​ειδική θερμότητα σε σταθερή πίεση, της ουσίας

ΔΤ: αλλαγή θερμοκρασίας στην αντίδραση

Εάν συμμετέχουν στη χημική αντίδραση στοιχεία, η ενθαλπία τους θεωρείται 0 γιατί δεν έχει επενδυθεί ενέργεια για τη διαμόρφωσή τους.

Για μια πλήρη αντίδραση, η μορφή της οποίας είναι:

2A + B -> 3C + D

Η ενθαλπία θα προκύψει από την αφαίρεση:

Ενθαλπία αντίδρασης = Ενθαλπία προϊόντων - Ενθαλπία αντιδραστηρίων

ΔΗ_{αντίδραση} = ΔΗ (3C + D) - ΔΗ (2A + B)

Κάθε μία από τις ενθαλπίες θα φέρει τον συντελεστή με την οποία δρα η ουσία στην αντίδραση (ο αριθμός των γραμμομορίων. Για το Α, σε αυτήν την περίπτωση, είναι 2 και πρόκειται να πολλαπλασιάσει την τιμή της ενθαλπίας του.

Για παράδειγμα, για την αντίδραση καύσης προπανίου:

ντο₃Η₈(ζ) + 5O₂(ζ) -> 3CO₂(g) + 4Η₂Ο (λ)

ΔΗντο₃Η₈ = -24820 cal / mol

ΔΗΉ₂ = 0 cal / mol

ΔΗCO₂ = -94050 cal / mol

ΔΗΗ₂O = -68320 cal / mol

Ενθαλπία αντίδρασης = Ενθαλπία προϊόντων - Ενθαλπία αντιδραστηρίων

ΔΗ_{αντίδραση} = [3 (-94050 cal / mol) + 4 (-68320 cal / mol)] - [-24820 cal / mol + 5 (0)]

ΔΗ_{αντίδραση} = [-282150 + (-273280)] – (-24820)

ΔΗ_{αντίδραση} = -555430 + 24820

ΔΗ_{αντίδραση} = -530610 cal / mol

Τύποι χημικών αντιδράσεων ανάλογα με τη θερμότητα

Οι χημικές αντιδράσεις θα ταξινομηθούν σε δύο τύπους ανάλογα με τη θερμότητα που εμπλέκεται σε αυτά:

• Εξωθερμικές αντιδράσεις
• Ενδοθερμικές αντιδράσεις

ο εξωθερμικές αντιδράσεις είναι εκείνες στις οποίες, κατά τη διάρκεια της αλληλεπίδρασης, οι ουσίες έχουν απελευθερώσει θερμότητα. Αυτό συμβαίνει, για παράδειγμα, ενός ισχυρού οξέος που έρχεται σε επαφή με το νερό. Η λύση θερμαίνεται. Εμφανίζεται επίσης στην καύση υδρογονανθράκων, που απελευθερώνουν θερμότητα με τη μορφή φωτιάς, συνοδευόμενη από διοξείδιο του άνθρακα CO₂ και υδρατμούς Η₂Ή.

ο ενδοθερμικές αντιδράσεις είναι εκείνα στα οποία, για να αρχίσουν να αντιδρούν, τα αντιδραστήρια πρέπει να δέχονται θερμότητα. Από μια συγκεκριμένη θερμότητα αρχίζουν να παράγονται τα προϊόντα. Αυτό συμβαίνει, για παράδειγμα, στην παραγωγή οξειδίων του αζώτου, για το οποίο πρέπει να υπάρχει μεγάλη ποσότητα θερμότητας στη διαδικασία για την ένωση οξυγόνου και αζώτου σε μια ένωση.

Εσωτερική ενέργεια σε χημικές αντιδράσεις

ο εσωτερική ενέργεια (U, E) μιας ουσίας είναι το άθροισμα των κινητικών και πιθανών ενεργειών όλων των σωματιδίων της. Αυτό το μέγεθος παρεμβαίνει στις χημικές αντιδράσεις στο υπολογισμοί ενθαλπίας:

ΔΗ = ΔU + PΔV

Αυτός ο τύπος ενθαλπίας βασίζεται στον πρώτο νόμο της θερμοδυναμικής, ο οποίος είναι γραμμένος:

ΔQ = ΔU - ΔW

Οπου:

Ε: θερμότητα από ένα θερμοδυναμικό σύστημα (το οποίο μπορεί να είναι μια χημική αντίδραση). Μετράται σε θερμίδες ανά γραμμομόριο, όπως οι ενθαλπίες.

Ή: Εσωτερική ενέργεια του θερμοδυναμικού συστήματος.

Δ: Μηχανική εργασία του θερμοδυναμικού συστήματος, και υπολογίζεται με το προϊόν της πίεσης και της μεταβολής του όγκου (PΔV).

Ενέργεια ενεργοποίησης σε χημικές αντιδράσεις

ο ενέργεια ενεργοποίησης είναι αυτή η ποσότητα ενέργειας που θα καθορίσει την αρχή των χημικών αντιδράσεων, ως εξής:

• Εάν η ενέργεια ενεργοποίησης είναι πολύ σύντομο, η αντίδραση θα είναι αυθόρμητος, δηλαδή, θα ξεκινήσει μόνη της και τα αντιδραστήρια θα μεταμορφωθούν μόλις έρχονται σε επαφή.
• Εάν η ενέργεια ενεργοποίησης είναι χαμηλό, θα πρέπει να προσθέσετε λίγη ενέργεια στα αντιδραστήρια για να αρχίσουν να αλληλεπιδρούν.
• Εάν η ενέργεια ενεργοποίησης είναι ψηλάΠρέπει να επενδυθεί αρκετή ενέργεια για να λάβει χώρα η αντίδραση.
• Εάν η ενέργεια ενεργοποίησης είναι πολύ υψηλό, θα πρέπει να καταφύγουμε στο λεγόμενο καταλύτες, για να γίνει πιο προσβάσιμο.

ο καταλύτες Είναι χημικές ουσίες που δεν συμμετέχουν στη μετατροπή χημικών αντιδράσεων, αλλά είναι υπεύθυνες για την επιτάχυνσή τους, μείωση της ενέργειας ενεργοποίησης έτσι ώστε τα αντιδραστήρια να αρχίσουν να γίνονται προϊόντα.

Μια αυθόρμητη αντίδραση, για παράδειγμα, βρίσκεται στον ανθρώπινο μεταβολισμό: αυθόρμητη αποκαρβοξυλίωση του ακετοξικού να γίνει ακετόνη, με τον τρόπο σύνθεσης κετονών σωμάτων. Δεν χρειάζεται να πραγματοποιηθούν ένζυμα.

Χημική ισορροπία και νόμος του LeChatelier

Ο νόμος του LeChatelier είναι αυτός που διέπει την ισορροπία στις χημικές αντιδράσεις και λέει:

"Κάθε ερέθισμα που δίνεται σε μια χημική αντίδραση σε ισορροπία θα το κάνει να ανταποκριθεί αντισταθμίζοντάς το, σε ένα διαφορετικό σημείο ισορροπίας"

Ο νόμος του LeChatelier μπορεί να περιγραφεί σύμφωνα με τις μεταβλητές πίεση, όγκο και συγκέντρωση:

• Αν αύξηση της πίεσης στην αντίδραση, θα κατευθύνεται προς το πού δημιουργούνται λιγότερα γραμμομόρια, είτε προς τα αντιδραστήρια είτε προς τα προϊόντα.
• Αν μείωση της πίεσης στην αντίδραση, θα πάει εκεί όπου δημιουργούνται περισσότερα γραμμομόρια, είτε προς τα αντιδραστήρια είτε προς τα προϊόντα.
• Αν αυξήστε τη θερμοκρασία στην αντίδραση, θα πάει στο σημείο όπου απορροφάται η θερμότητα (ενδοθερμική αντίδραση), είτε με άμεσο τρόπο (από αντιδραστήρια σε προϊόντα) είτε με αντίστροφο τρόπο (από προϊόντα σε αντιδραστήρια).
• Αν μειώστε τη θερμοκρασία στην αντίδραση, θα πάει εκεί όπου απελευθερώνεται η θερμότητα (εξώθερμη αντίδραση), είτε με άμεσο τρόπο (από αντιδραστήρια σε προϊόντα) είτε με αντίστροφο τρόπο (από προϊόντα σε αντιδραστήρια).
• Αν αυξάνει τη συγκέντρωση ενός αντιδραστηρίου, η αντίδραση θα κατευθυνθεί για τη δημιουργία περισσότερων προϊόντων.
• Αν μειώνει τη συγκέντρωση ενός προϊόντος, η αντίδραση θα κατευθυνθεί για τη δημιουργία περισσότερων αντιδραστηρίων.

Παράγοντες που τροποποιούν την ταχύτητα μιας αντίδρασης

ο ταχύτητα αντίδρασης είναι η συγκέντρωση των αντιδρώντων (σε mol / λίτρο) που καταναλώνεται για κάθε μονάδα χρόνου.

Υπάρχουν έξι παράγοντες που επηρεάζουν αυτήν την ταχύτητα:

• Συγκέντρωση
• Πίεση
• Θερμοκρασία
• Επιφάνεια επαφής
• Φύση των αντιδραστηρίων
• Καταλύτες

ο συγκέντρωση είναι η ποσότητα αντιδραστηρίου για κάθε μονάδα όγκου (mol / λίτρο). Εάν προστεθεί μια ποσότητα, η αντίδραση θα ανταποκριθεί δημιουργώντας προϊόντα πιο γρήγορα.

ο Πίεση επηρεάζει μόνο εάν τα αντιδραστήρια και τα προϊόντα είναι αέρια. Η αντίδραση θα ανταποκριθεί σύμφωνα με τον νόμο LeChatelier.

ο θερμοκρασία ευνοεί τις αντιδράσεις ανάλογα με το αν είναι ενδοθερμικές ή εξώθερμες. Εάν είναι ενδοθερμική, μια αύξηση της θερμοκρασίας θα επιταχύνει την αντίδραση. Εάν είναι εξώθερμη, η μείωση της θερμοκρασίας θα την οδηγήσει.

ο επιφάνεια επαφής Βοηθά τα σωματίδια του αντιδραστηρίου να διασκορπίζονται καλύτερα μεταξύ τους, έτσι ώστε η αντίδραση να επιταχύνεται και τα προϊόντα να επιτυγχάνονται ταχύτερα.

ο φύση των αντιδραστηρίων, η οποία αποτελείται από τη μοριακή δομή της, καθορίζει το ρυθμό της αντίδρασης. Για παράδειγμα, οξέα όπως το υδροχλωρικό οξύ (HCl) εξουδετερώνονται αμέσως, ακόμη και επιθετικά, από βάσεις όπως το υδροξείδιο του νατρίου (NaOH).

ο καταλύτες Είναι χημικές ουσίες που δεν εμπλέκονται στην αντίδραση, αλλά είναι υπεύθυνες για την επιτάχυνση ή την καθυστέρηση της αλληλεπίδρασης των αντιδρώντων. Διατίθενται στο εμπόριο σε φυσικό σχήμα που προσφέρει μια καλή περιοχή επαφής.

Παραδείγματα ενέργειας σε χημικές αντιδράσεις

Οι θερμές καύσης διαφόρων χημικών φαίνονται παρακάτω:

Μεθάνιο: CH₄ + 2Ο₂ -> CO₂ + 2Η₂Ή

ΔΗ = -212800 cal / mol (Δίνει θερμότητα, είναι εξώθερμο)

Αιθάνιο: Γ₂Η₆ + (7/2) Ο₂ -> 2CO₂ + 3Η₂Ή

ΔΗ = -372820 cal / mol (Δίνει θερμότητα, είναι εξώθερμο)

Προπάνιο: C₃Η₈ + 5O₂ -> 3CO₂ + 4Η₂Ή

ΔΗ = -530600 cal / mol (Δίνει θερμότητα, είναι εξώθερμη)

Βουτάνιο: Γ₄Η₁₀ + (13/2) Ο₂ -> 4CO₂ + 5Η₂Ή

ΔΗ = -687980 cal / mol (Δίνει θερμότητα, είναι εξώθερμο)

Πεντάνιο: Γ₅Η₁₂ + 8Ο₂ -> 5CO₂ + 6Η₂Ή

ΔΗ = -845160 cal / mol (Δίνει θερμότητα, είναι εξώθερμο)

Αιθυλένιο: C₂Η₄ + 3O₂ -> 2CO₂ + 2Η₂Ή

ΔΗ = -337230 cal / mol (Δίνει θερμότητα, είναι εξώθερμο)

Ακετυλένιο: C₂Η₂ + (5/2) Ο₂ -> 2CO₂ + Χ₂Ή

ΔΗ = -310620 cal / mol (Δίνει θερμότητα, είναι εξώθερμο)

Βενζόλιο: Γ₆Η₆ + (15/2) Ο₂ -> 6CO₂ + 3Η₂Ή

ΔΗ = -787200 cal / mol (Δίνει θερμότητα, είναι εξώθερμο)

Τολουόλιο: Γ₇Η₈ + 9O₂ -> 7CO₂ + 4Η₂Ή

ΔH = -934500 cal / mol (Δίνει θερμότητα, είναι εξώθερμο)

Αιθανόλη: C₂Η₅OH + 3O₂ -> 2CO₂ + 3Η₂Ή

ΔH = -326700 cal / mol (Δίνει θερμότητα, είναι εξώθερμο)