תגובות אנרגיה וכימיקלים

את כל תגובה כימית לשאת איתו א שינוי באנרגיה, עקב טרנספורמציה של החומרים המשתתפים בה. אנרגיה יכולה להתבטא בדרכים שונות:

• חַם
• אנרגיה פנימית
• אנרגיית הפעלה

חום בתגובות כימיות

ה מולקולות של תרכובות כימיות הם נוצרו על ידי קישורים הנושאים אנרגיה כלול, המחזיק את האטומים יחד. כאשר מתרחשת תגובה כימית, המולקולות המשתתפות עוברות את לשבור חלק מאלה קישורים, מה שגורם לשינוי באנרגיה. זה בדרך כלל מופיע כשינוי בחום.

ה חַם בתגובות כימיות הוא נמדד על ידי אנתלפיה (H), שהיא כמות תרמודינמית המתארת ​​את השינויים התרמיים שהובאו ללחץ קבוע. הוא נמדד בקלוריות לשומה (קל / מול)ומחושב עבור כל תרכובת של התגובה, עם הנוסחה הבאה:

ΔH = mCpΔT

איפה:

ΔH: שינוי באנטלפיה של החומר

מ ': מסת החומר המשתתף בתגובה

Cp: ​​חום ספציפי בלחץ קבוע, של החומר

ΔT: שינוי הטמפרטורה בתגובה

אם הם משתתפים בתגובה הכימית אלמנטים, האנטלפיה שלהם נחשבת 0 כי לא הושקעה אנרגיה בגיבושם.

לתגובה שלמה שצורתה היא:

2A + B -> 3C + D

האנטלפיה תוצאה כתוצאה מחיסור:

Enthalpy of response = Enthalpy of products - Enthalpy of reactants

ΔH_{תְגוּבָה} = ΔH (3C + D) - ΔH (2A + B)

כל אחת מהאנטלפיות 

יישא את המקדם איתו החומר פועל בתגובה (מספר השומות. עבור A, במקרה זה, זה 2, והוא הולך להכפיל את ערך האנטלפיה שלו.

לדוגמא, לתגובת הבעירה של הפרופן:

ג₃ה₈(ז) + 5O₂(ז) -> 3CO₂(ז) + 4H₂O (l)

ΔHג₃ה₈ = -24820 קלוריות / מול

ΔHאוֹ₂ = 0 קלוריות / מול

ΔHשיתוף₂ = -94050 קלוריות / מול

ΔHה₂O = -68320 cal / mol

Enthalpy of response = Enthalpy of products - Enthalpy of reactants

ΔH_{תְגוּבָה} = [3 (-94050 קלור / מול) + 4 (-68320 קלור / מול)] - [-24820 קלור / מול + 5 (0)]

ΔH_{תְגוּבָה} = [-282150 + (-273280)] – (-24820)

ΔH_{תְגוּבָה} = -555430 + 24820

ΔH_{תְגוּבָה} = -530610 קלוריות / מול

סוגי תגובות כימיות בהתאם לחום

תגובות כימיות יסווגו לשני סוגים על פי החום הכרוך בהם:

• תגובות אקסותרמיות
• תגובות אנדותרמיות

ה תגובות אקסותרמיות הם אלה שבהם, במהלך האינטראקציה, החומרים שחררו חום. זה המקרה, למשל, עם חומצה חזקה שבאה במגע עם מים. הפתרון מתחמם. זה מתרחש גם בעירה של פחמימנים, המשחררים חום בצורת אש, מלווה בפחמן דו חמצני CO₂ ואדי מים ח₂אוֹ.

ה תגובות אנדותרמיות הם אלה שבהם, כדי להתחיל להגיב, המגיבים חייבים לקבל חום. מחום מסוים המוצרים מתחילים להיווצר. זה המקרה, למשל, ביצירת תחמוצות חנקן, שבשבילן חייבת להיות כמות גדולה של חום בתהליך כדי שחמצן וחנקן יתאחדו בתרכובת.

אנרגיה פנימית בתגובות כימיות

ה אנרגיה פנימית (U, E) של חומר הוא סכום האנרגיות הקינטיות והפוטנציאליות של כל חלקיקיו. גודל זה מתערב בתגובות הכימיות ב חישובי אנלפיה:

ΔH = ΔU + PΔV

נוסחת אנטלפיה זו מבוססת על החוק הראשון של התרמודינמיקה, שנכתב:

ΔQ = ΔU - ΔW

איפה:

ש: חום ממערכת תרמודינמית (שיכולה להיות תגובה כימית). הוא נמדד בקלוריות לשומה, ממש כמו אנטלפיות.

אוֹ: אנרגיה פנימית של המערכת התרמודינמית.

W: עבודה מכנית של המערכת התרמודינמית ומחושבת על פי תוצר הלחץ ושינוי הנפח (PΔV).

אנרגיית הפעלה בתגובות כימיות

ה אנרגיית הפעלה היא כמות האנרגיה שתקבע את תחילת התגובות הכימיות, כדלקמן:

• אם אנרגיית ההפעלה זה קצר מידיהתגובה תהיה ספּוֹנטָנִיכלומר, זה יתחיל מעצמו והריאגנטים יהפכו רק במגע.
• אם אנרגיית ההפעלה הוא נמוךתצטרך להוסיף קצת אנרגיה לריאגנטים כדי שהם יתחילו לתקשר.
• אם אנרגיית ההפעלה גבוה, יהיה צורך להשקיע מספיק אנרגיה כדי שהתגובה תתקיים.
• אם אנרגיית ההפעלה זה מאוד גבוה, נצטרך לנקוט במה שמכונה זרזים, כדי שיהיה נגיש יותר.

ה זרזים הם חומרים כימיים שאינם משתתפים בתגובות כימיות המשתנים, אך אחראים להאיץ אותם, הפחתת אנרגיית ההפעלה כך שהמגיבים יתחילו להפוך למוצרים.

תגובה ספונטנית היא למשל תגובה שנמצאת בחילוף החומרים האנושי: דקארבוקסילציה ספונטנית של אצטואצטט להפוך לאצטון, בדרך של סינתזה של גופי קטון. זה לא צריך להתבצע באנזימים.

שיווי משקל כימי וחוק LeChatelier

חוק לקטליאר הוא החוק השולט בשיווי המשקל בתגובות כימיות, והוא אומר:

"כל גירוי שיינתן לתגובה כימית בשיווי משקל יגרום לו להגיב על ידי התנגדותו, עד לנקודת שיווי משקל אחרת".

ניתן לתאר את חוק לקטלייה על פי המשתנים לחץ, נפח וריכוז:

• האם להגביר את הלחץ לתגובה, הוא יופנה לאן שנוצרות פחות שומות, כלפי הכיבים או כלפי התוצרים.
• האם להפחית לחץ לתגובה, זה יגיע למקום בו נוצרות שומות נוספות, כלפי המגיבים או כלפי המוצרים.
• האם מעלים את הטמפרטורה לתגובה זה יעבור למקום בו החום נספג (תגובה אנדותרמית), באופן ישיר (ממגיבים למוצרים) או בצורה הפוכה (ממוצרים למגיבים).
• האם להפחית את הטמפרטורה לתגובה, הוא יעבור למקום בו החום משתחרר (תגובה אקסותרמית), באופן ישיר (ממגיבים למוצרים) או באופן הפוך (ממוצרים למגיבים).
• האם מגביר את הריכוז של ריאגנט, התגובה תופנה לייצר מוצרים נוספים.
• האם מפחית את ריכוז המוצר, התגובה תופנה ליצירת ריאגנטים נוספים.

גורמים המשנים את מהירות התגובה

ה מהירות תגובה הוא ריכוז המגיבים (במול / ליטר) הנצרך לכל יחידת זמן.

ישנם שישה גורמים המשפיעים על מהירות זו:

• ריכוז
• לַחַץ
• טֶמפֶּרָטוּרָה
• משטח מגע
• אופי ריאגנטים
• זרזים

ה ריכוז הוא כמות המגיב לכל יחידת נפח (מול / ליטר). אם מוסיפים כמות, התגובה תגיב על ידי יצירת מוצרים במהירות רבה יותר.

ה לַחַץ זה משפיע רק אם המגיבים והמוצרים הם גזים. התגובה תגיב על פי חוק LeChatelier.

ה טֶמפֶּרָטוּרָה מעדיף תגובות תלויות אם הן אנדותרמיות או אקסותרמיות. אם הוא אנדותרמי, עלייה בטמפרטורה תאיץ את התגובה. אם הוא אקסותרמי, ירידה בטמפרטורה תניע אותו.

ה משטח מגע זה עוזר לחלקיקי הריאגנט להתפזר טוב יותר בינם לבין עצמם, כך שהתגובה מואצת והתוצרים מגיעים מהר יותר.

ה אופי ריאגנטים, המורכב מהמבנה המולקולרי שלו, קובע את קצב התגובה. לדוגמא, חומצות כמו חומצה הידרוכלורית (HCl) מנוטרלות באופן מיידי, אפילו באגרסיביות, על ידי בסיסים כמו נתרן הידרוקסיד (NaOH).

ה זרזים הם חומרים כימיים שאינם מעורבים בתגובה, אך אחראים להאיץ או לעכב את האינטראקציה בין המגיבים. הם משווקים בצורה פיזית המציעה אזור מגע טוב.

דוגמאות לאנרגיה בתגובות כימיות

חימום הבעירה של כימיקלים שונים מוצג להלן:

מתאן: CH₄ + 2O₂ -> CO₂ + 2H₂אוֹ

ΔH = -212800 קלור / מול (נותן חום, זה אקסותרמי)

אתאן: ג₂ה₆ + (7/2) O₂ -> 2CO₂ + 3H₂אוֹ

ΔH = -372820 קלור / מול (נותן חום, הוא אקסותרמי)

פרופאן: ג₃ה₈ + 5O₂ -> 3CO₂ + 4H₂אוֹ

ΔH = -530600 קלור / מול (נותן חום, זה אקסותרמי)

בוטאן: ג₄ה₁₀ + (13/2) O₂ -> 4CO₂ + 5H₂אוֹ

ΔH = -687980 קלור / מול (נותן חום, הוא אקסותרמי)

פנטן: ג₅ה₁₂ + 8O₂ -> 5CO₂ + 6H₂אוֹ

ΔH = -845160 קלור / מול (נותן חום, הוא אקסותרמי)

אתילן: ג₂ה₄ + 3O₂ -> 2CO₂ + 2H₂אוֹ

ΔH = -337230 קלור / מול (נותן חום, זה אקסותרמי)

אצטילן: ג₂ה₂ + (5/2) O₂ -> 2CO₂ + H₂אוֹ

ΔH = -310620 קלור / מול (נותן חום, הוא אקסותרמי)

בנזן: ג₆ה₆ + (15/2) O₂ -> 6CO₂ + 3H₂אוֹ

ΔH = -787200 קלור / מול (נותן חום, זה אקסותרמי)

טולואן: ג₇ה₈ + 9O₂ -> 7CO₂ + 4H₂אוֹ

ΔH = -934500 קלור / מול (נותן חום, זה אקסותרמי)

אתנול: ג₂ה₅OH + 3O₂ -> 2CO₂ + 3H₂אוֹ

ΔH = -326700 קלור / מול (נותן חום, זה אקסותרמי)