Reazioni energetiche e chimiche

Tutti reazione chimica portare con sé a cambiamento di energia, per la trasformazione delle sostanze che vi partecipano. L'energia può manifestarsi in vari modi:

• Caldo
• Energia interna
• Energia di attivazione

Calore nelle reazioni chimiche

Il molecole di composti chimici sono formati da collegamenti che trasportano un'energia incluso, che tiene insieme gli atomi. Quando si verifica una reazione chimica, le molecole partecipanti subiscono il rompere alcuni di questi collegamenti, che provoca una variazione di energia. Di solito appare come un cambiamento di calore.

Il caldo nelle reazioni chimiche si misura con il Entalpia (H), che è una grandezza termodinamica che descrive le variazioni termiche portate a pressione costante. Si misura in calorie per mole (cal/mol), ed è calcolato per ciascun composto della reazione, con la seguente formula:

H = mCpΔT

Dove:

ΔH: variazione di entalpia della sostanza

m: massa della sostanza che partecipa alla reazione

Cp: ​​calore specifico a pressione costante, della sostanza

ΔT: variazione di temperatura nella reazione

Se partecipano alla reazione chimica elementi, la loro entalpia è considerata 0 perché nessuna energia è stata investita nella loro formazione.

Per una reazione completa, la cui forma è:

2LA + B -> 3C + RE

L'entalpia risulterà facendo una sottrazione:

Entalpia di reazione = Entalpia dei prodotti - Entalpia dei reagenti

H_reazione = H (3C + D) - ΔH (2A + B)

Ciascuna delle entalpie porterà il coefficiente con cui la sostanza agisce nella reazione (il numero di moli. Per A, in questo caso, è 2 e moltiplicherà il valore della sua entalpia.

Ad esempio, per la reazione di combustione del propano:

C₃H₈(g) + 5O₂(g) -> 3CO₂(g) + 4H₂O (l)

HC₃H₈ = -24820 cal/mol

HO₂ = 0 cal/mol

HCO₂ = -94050 cal/mol

HH₂O = -68320 cal/mol

Entalpia di reazione = Entalpia dei prodotti - Entalpia dei reagenti

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

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

H_reazione = -555430 + 24820

H_reazione = -530610 cal/mol

Tipi di reazioni chimiche in base al calore

Le reazioni chimiche saranno classificate in due tipi in base al calore coinvolto in esse:

• Reazioni esotermiche
• Reazioni endotermiche

Il reazioni esotermiche sono quelli in cui, durante l'interazione, le sostanze hanno rilasciato calore. È il caso, ad esempio, di un acido forte che viene a contatto con l'acqua. La soluzione si scalda. Si verifica anche nella combustione di idrocarburi, che rilasciano calore sotto forma di fuoco, accompagnati da anidride carbonica CO₂ e vapore acqueo H₂O.

Il reazioni endotermiche sono quelli in cui, per iniziare a reagire, i reagenti devono ricevere calore. È da un certo calore che iniziano a generarsi i prodotti. È il caso, ad esempio, della generazione di ossidi di azoto, per i quali deve esserci una grande quantità di calore nel processo affinché ossigeno e azoto si uniscano in un composto.

Energia interna nelle reazioni chimiche

Il Energia interna (U, E) di una sostanza è la somma delle energie cinetiche e potenziali di tutte le sue particelle. Questa grandezza interviene nelle reazioni chimiche nel calcoli di entalpia:

H = ΔU + PΔV

Questa formula di entalpia si basa sulla prima legge della termodinamica, che è scritta:

ΔQ = ΔU - ΔW

Dove:

D: calore da un sistema termodinamico (che può essere una reazione chimica). Si misura in calorie per mole, proprio come l'entalpia.

O: Energia interna del sistema termodinamico.

W: Lavoro meccanico del sistema termodinamico, e si calcola con il prodotto della pressione per la variazione di volume (PΔV).

Energia di attivazione nelle reazioni chimiche

Il energia di attivazione è quella quantità di energia che determinerà l'inizio delle reazioni chimiche, come segue:

• Se l'energia di attivazione è troppo corto, la reazione sarà spontaneo, cioè partirà da solo e i reagenti si trasformeranno solo entrando in contatto.
• Se l'energia di attivazione è basso, dovrai aggiungere un po' di energia ai reagenti per farli interagire.
• Se l'energia di attivazione è alto, sarà necessario investire energia sufficiente affinché la reazione abbia luogo.
• Se l'energia di attivazione è molto alto, dovremo ricorrere al cosiddetto catalizzatori, per renderlo più accessibile.

Il catalizzatori Sono sostanze chimiche che non partecipano alle reazioni chimiche trasformandosi, ma sono responsabili di accelerarle, diminuzione dell'energia di attivazione in modo che i reagenti inizino a diventare prodotti.

Una reazione spontanea è, ad esempio, quella riscontrata nel metabolismo umano: decarbossilazione spontanea dell'acetoacetato per diventare acetone, nella via della sintesi dei corpi chetonici. Non ha bisogno di enzimi per essere effettuato.

Equilibrio chimico e legge di LeChatelier

La legge di LeChatelier è quella che governa l'equilibrio nelle reazioni chimiche, e dice:

"Qualsiasi stimolo dato a una reazione chimica in equilibrio la farà rispondere contrastandola, fino a un diverso punto di equilibrio"

La legge di LeChatelier può essere descritta secondo le variabili pressione, volume e concentrazione:

• Se aumentare la pressione alla reazione, sarà diretto dove si generano meno moli, sia verso i reagenti che verso i prodotti.
• Se ridurre la pressione la reazione, andrà dove si generano più moli, sia verso i reagenti che verso i prodotti.
• Se aumentare la temperatura alla reazione, andrà dove viene assorbito il calore (reazione endotermica), sia in modo diretto (da reagenti a prodotti) sia in modo inverso (da prodotti a reagenti).
• Se abbassare la temperatura alla reazione, andrà dove viene rilasciato il calore (reazione esotermica), sia in modo diretto (da reagenti a prodotti) sia in modo inverso (da prodotti a reagenti).
• Se aumenta la concentrazione di un reagente, la reazione sarà diretta a generare più prodotti.
• Se riduce la concentrazione di un prodotto, la reazione sarà diretta a generare più reagenti.

Fattori che modificano la velocità di una reazione

Il velocità di una reazione è la concentrazione dei reagenti (in mol/litro) che viene consumata per ogni unità di tempo.

Ci sono sei fattori che influenzano questa velocità:

• Concentrazione
• Pressione
• Temperatura
• Superficie di contatto
• Natura dei reagenti
• catalizzatori

Il concentrazione è la quantità di reagente per ogni unità di volume (mol/litro). Se viene aggiunta una quantità, la reazione risponderà generando prodotti più rapidamente.

Il Pressione influisce solo se i reagenti e i prodotti sono gas. La reazione risponderà secondo la legge LeChatelier.

Il temperatura favorisce le reazioni a seconda che siano endotermiche o esotermiche. Se è endotermico, un aumento della temperatura accelererà la reazione. Se è esotermico, una riduzione della temperatura lo guiderà.

Il superficie di contatto Aiuta le particelle di reagente a essere meglio disperse tra loro, in modo che la reazione sia accelerata e i prodotti vengano raggiunti più velocemente.

Il natura dei reagenti, costituito dalla sua struttura molecolare, determina la velocità della reazione. Ad esempio, acidi come l'acido cloridrico (HCl) vengono immediatamente neutralizzati, anche in modo aggressivo, da basi come l'idrossido di sodio (NaOH).

Il catalizzatori Sono sostanze chimiche che non sono coinvolte nella reazione, ma che sono responsabili di accelerare o ritardare l'interazione dei reagenti. Sono commercializzati in una forma fisica che offre una buona area di contatto.

Esempi di energia nelle reazioni chimiche

I calori di combustione di vari prodotti chimici sono mostrati di seguito:

Metano: CH₄ + 2O₂ -> CO₂ + 2H₂O

ΔH = -212800 cal/mol (Emana calore, è esotermico)

Etano: C₂H₆ + (7/2) O₂ -> 2CO₂ + 3H₂O

ΔH = -372820 cal/mol (Emana calore, è esotermico)

Propano: C₃H₈ + 5O₂ -> 3CO₂ + 4H₂O

ΔH = -530600 cal/mol (Emana calore, è esotermico)

Butano: C₄H₁₀ + (13/2) O₂ -> 4CO₂ + 5H₂O

ΔH = -687980 cal/mol (Emana calore, è esotermico)

Pentano: C₅H₁₂ + 8O₂ -> 5CO₂ + 6H₂O

ΔH = -845160 cal/mol (Emana calore, è esotermico)

Etilene: C₂H₄ + 3O₂ -> 2CO₂ + 2H₂O

ΔH = -337230 cal/mol (Emana calore, è esotermico)

Acetilene: C₂H₂ + (5/2) O₂ -> 2CO₂ + H₂O

ΔH = -310620 cal/mol (Emana calore, è esotermico)

Benzene: C₆H₆ + (15/2) O₂ -> 6CO₂ + 3H₂O

ΔH = -787200 cal/mol (Emana calore, è esotermico)

Toluene: C₇H₈ + 9O₂ -> 7CO₂ + 4H₂O

ΔH = -934500 cal/mol (Emana calore, è esotermico)

Etanolo: C₂H₅OH + 3O₂ -> 2CO₂ + 3H₂O

ΔH = -326700 cal/mol (Emana calore, è esotermico)