Energia és kémiai reakciók

Minden kémiai reakció magával cipelni a energiaváltozás, a benne részt vevő anyagok átalakulása miatt. Az energia sokféle módon nyilvánulhat meg:

• Forró
• Belső energia
• Aktiválási energia

Hő kémiai reakciókban

A kémiai vegyületek molekulái által alkotják energiát hordozó linkek tartalmazza, amely összetartja az atomokat. Amikor kémiai reakció következik be, a részt vevő molekulák átesnek a ezek egy részét megtörve kapcsolatok, ami az energia variációját okozza. Általában a hő változásaként jelenik meg.

A forró kémiai reakciókban a Enthalpia (H), amely egy olyan termodinamikai mennyiség, amely leírja az állandó nyomáshoz juttatott hőváltozásokat. Mólban mért kalóriában mérik (cal / mol), és a reakció minden vegyületére a következő képlettel számítják:

ΔH = mCpΔT

Hol:

ΔH: az anyag entalpiájának változása

m: a reakcióban részt vevő anyag tömege

Cp: ​​az anyag fajlagos hője állandó nyomáson

ΔT: hőmérséklet-változás a reakcióban

Ha részt vesznek a kémiai reakcióban elemek, entalpiájukat 0-nak tekintjük mert ezek kialakításába nem fektettek energiát.

A teljes reakció érdekében, amelynek formája:

2A + B -> 3C + D

Az entalpia kivonás eredményeként alakul ki:

A reakció entalpia = A termékek entalpiaja - A reagensek entalpiája

ΔH_reakció = ΔH (3C + D) - ΔH (2A + B)

Mind az entalpia hordozza az együtthatót amellyel az anyag a reakcióban hat (az anyajegyek száma. A esetében ebben az esetben 2, és megsokszorozza az entalpia értékét.

Például a propán égési reakciójához:

C₃H₈(g) + 5O₂g) -> 3CO₂(g) + 4H₂O (l)

ΔHC₃H₈ = -24820 cal / mol

ΔHVAGY₂ = 0 cal / mol

ΔHCO₂ = -94050 cal / mol

ΔHH₂O = -68320 cal / mol

A reakció entalpia = A termékek entalpiaja - A reagensek entalpiája

ΔH_reakció = [3 (-94050 cal / mol) + 4 (-68320 cal / mol)] - [-24820 cal / mol + 5 (0)]

ΔH_reakció = [-282150 + (-273280)] – (-24820)

ΔH_reakció = -555430 + 24820

ΔH_reakció = -530610 cal / mol

A kémiai reakciók típusai hő szerint

A kémiai reakciókat két típusba sorolják a bennük lévő hő alapján:

• Exoterm reakciók
• Endoterm reakciók

A exoterm reakciók azok, amelyekben az interakció során az anyagok hőt bocsátanak ki. Ilyen például egy erős sav, amely vízzel érintkezik. A megoldás felmelegszik. Szénhidrogének égésekor is előfordul, amelyek tűz formájában hőt szabadítanak fel, szén-dioxid CO kíséretében₂ és a H vízgőz₂VAGY.

A endoterm reakciók azok, amelyekben a reagálás megkezdéséhez a reagenseknek hőt kell kapniuk. Egy bizonyos hő hatására kezdenek keletkezni a termékek. Ilyen például a nitrogén-oxidok képződése, amelyhez nagy mennyiségű hőnek kell lennie a folyamatban, hogy az oxigén és a nitrogén egyesüljön egy vegyületben.

Belső energia kémiai reakciókban

A belső energia Az anyag (U, E) az összes részecske mozgási és potenciális energiájának összege. Ez a nagyságrend beavatkozik a kémiai reakciókba entalpia számítások:

ΔH = ΔU + PΔV

Ez az entalpia-képlet a termodinamika első törvényén alapszik, amely a következő:

ΔQ = ΔU - ΔW

Hol:

K: hő egy termodinamikai rendszerből (ami kémiai reakció is lehet). Mólban mólban mérjük, csakúgy, mint az entalpia.

VAGY: A termodinamikai rendszer belső energiája.

W: A termodinamikai rendszer mechanikai munkája, amelyet a nyomás és a térfogatváltozás (PΔV) szorzatával számolunk.

Aktiválási energia kémiai reakciókban

A aktiválási energia az a mennyiségű energia, amely meghatározza a kémiai reakciók kezdetét, az alábbiak szerint:

• Ha az aktivációs energia túl rövid, a reakció lesz spontánvagyis önállóan indul és a reagensek csak érintkezés útján alakulnak át.
• Ha az aktivációs energia alacsony, hozzá kell adnia egy kis energiát a reagensekhez, hogy kölcsönhatásba léphessenek.
• Ha az aktivációs energia magas, elegendő energiát kell fektetni a reakció lejátszódásához.
• Ha az aktivációs energia nagyon magas, ki kell használnunk az ún katalizátorok, hogy hozzáférhetőbb legyen.

A katalizátorok Kémiai anyagok, amelyek nem vesznek részt a kémiai reakciók átalakulásában, de felelősek azok gyorsulásáért, csökkenő aktivációs energia hogy a reagensek termékekké váljanak.

Spontán reakció fordul elő például az emberi anyagcserében: az acetoacetát spontán dekarboxilezése acetonná válni a ketontestek szintézise útján. Nem szükséges enzimek végrehajtása.

A kémiai egyensúly és a LeChatelier-törvény

LeChatelier törvénye szabályozza az egyensúlyt a kémiai reakciókban, és azt mondja:

"Bármely inger, amelyet egy kémiai reakciónak adnak egyensúlyban, arra reagál, hogy ellensúlyozza azt, egy másik egyensúlyi pontig"

LeChatelier-törvény a nyomás, térfogat és koncentráció változók szerint írható le:

• Akár növelje a nyomást a reakcióhoz oda irányul, ahol kevesebb mól keletkezik, akár a reagensek, akár a termékek felé.
• Akár csökkentse a nyomást A reakció oda vezet, ahol több mól keletkezik, akár a reagensek, akár a termékek felé.
• Akár növelje a hőmérsékletet a reakcióhoz oda vezet, ahol a hő abszorbeálódik (endoterm reakció), akár közvetlen úton (a reagensektől a termékekig), akár fordítva (a termékektől a reaktánsokig).
• Akár csökkentse a hőmérsékletet a reakcióhoz oda megy, ahol a hő felszabadul (exoterm reakció), akár közvetlen úton (a reagensektől a termékekig), akár fordítva (a termékektől a reagensekig).
• Akár növeli a reagens koncentrációját, a reakció több termék előállítására irányul.
• Akár csökkenti a termék koncentrációját, a reakció további reagensek előállítására irányul.

A reakció sebességét módosító tényezők

A a reakció sebessége a reagensek koncentrációja (mol / literben), amelyet minden időegységre elfogyasztanak.

Hat tényező befolyásolja ezt a sebességet:

• Koncentráció
• Nyomás
• Hőfok
• Érintkező felület
• A reagensek jellege
• Katalizátorok

A koncentráció a reagens mennyisége minden térfogategységre (mol / liter). Ha hozzáadunk egy mennyiséget, a reakció gyorsabban állít elő termékeket.

A Nyomás csak akkor befolyásolja, ha a reagensek és a termékek gázok. A reakció a LeChatelier-törvény szerint fog reagálni.

A hőfok kedvez a reakcióknak attól függően, hogy endotermek vagy exotermek. Ha endoterm, a hőmérséklet növekedése felgyorsítja a reakciót. Ha exoterm, akkor a hőmérséklet csökkenése hajtja.

A érintkező felület Segíti a reagens részecskék jobb eloszlatását egymás között, így a reakció felgyorsul és a termékek gyorsabban eljutnak.

A a reagensek jellege, amely a molekulaszerkezetéből áll, meghatározza a reakció sebességét. Például az olyan savakat, mint a sósav (HCl), azonnal, sőt agresszív módon semlegesítik olyan bázisok, mint a nátrium-hidroxid (NaOH).

A katalizátorok Kémiai anyagok, amelyek nem vesznek részt a reakcióban, de felelősek a reagensek kölcsönhatásának felgyorsításáért vagy késleltetéséért. Olyan fizikai formában kerülnek forgalomba, amely jó érintkezési felületet kínál.

Példák energiára a kémiai reakciókban

Az alábbiakban a különféle vegyi anyagok égési hőit mutatjuk be:

Metán: CH₄ + 2O₂ -> CO₂ + 2H₂VAGY

ΔH = -212800 cal / mol (hőt ad le, exoterm)

Etán: C₂H₆ + (7/2) O₂ -> 2CO₂ + 3H₂VAGY

ΔH = -372820 cal / mol (hőt ad le, exoterm)

Propán: C₃H₈ + 5O₂ -> 3CO₂ + 4H₂VAGY

ΔH = -530600 cal / mol (hőt ad le, exoterm)

Bután: C₄H₁₀ + (13/2) O₂ -> 4CO₂ + 5H₂VAGY

ΔH = -687980 cal / mol (hőt ad le, exoterm)

Pentán: C₅H₁₂ + 8O₂ -> 5CO₂ + 6H₂VAGY

ΔH = -845160 cal / mol (hőt ad le, exoterm)

Etilén: C₂H₄ + 3O₂ -> 2CO₂ + 2H₂VAGY

ΔH = -337230 cal / mol (hőt ad le, exoterm)

Acetilén: C₂H₂ + (5/2) O₂ -> 2CO₂ + H₂VAGY

ΔH = -310620 cal / mol (Hőt ad le, exoterm)

Benzol: C₆H₆ + (15/2) O₂ -> 6CO₂ + 3H₂VAGY

ΔH = -787200 cal / mol (hőt ad le, exoterm)

Toluol: C₇H₈ + 9O₂ -> 7CO₂ + 4H₂VAGY

ΔH = -934500 cal / mol (hőt ad le, exoterm)

Etanol: C₂H₅OH + 3O₂ -> 2CO₂ + 3H₂VAGY

ΔH = -326700 cal / mol (hőt ad le, exoterm)