ენერგეტიკული და ქიმიური რეაქციები

ყველა ქიმიური რეაქცია თან ატაროს ა ენერგიის ცვლილება, მასში მონაწილე ნივთიერებების ტრანსფორმაციის გამო. ენერგია შეიძლება გამოიხატოს სხვადასხვა გზით:

• Ცხელი
• შინაგანი ენერგია
• აქტივაციის ენერგია

სითბო ქიმიურ რეაქციებში

 ქიმიური ნაერთების მოლეკულები ისინი იქმნება ბმულები, რომლებიც ენერგიას ატარებენ შედის, რომელიც ატომებს აერთიანებს. როდესაც ხდება ქიმიური რეაქცია, მონაწილე მოლეკულები გადიან ზოგიერთი მათგანი არღვევს ბმულები, რაც იწვევს ენერგიის ცვალებადობას. როგორც წესი, ეს სითბოს ცვლილების სახით ჩნდება.

 ცხელი ქიმიური რეაქციების დროს იზომება ენთალპია (H), რომელიც არის თერმოდინამიკური სიდიდე, რომელიც აღწერს მუდმივ წნევაზე მოტანილ თერმული ცვლილებებს. იგი იზომება კალორიებში თითო მოლზე (კალ / მოლი)და გამოითვლება რეაქციის თითოეული ნაერთისთვის შემდეგი ფორმულით:

ΔH = mCpΔT

სად:

ΔH: ნივთიერების ენთალპიის ცვლილება

მ: რეაქციაში მონაწილე ნივთიერების მასა

Cp: ​​ნივთიერება სპეციფიკური სითბო მუდმივი წნევის დროს

ΔT: რეაქციის ტემპერატურის ცვლილება

თუ ისინი მონაწილეობენ ქიმიურ რეაქციაში ელემენტები, მათი ენთალპია ითვლება 0 რადგან მათ ფორმირებაში არ არის ჩადებული ენერგია.

სრული რეაქციისთვის, რომლის ფორმაა:

2A + B -> 3C + D

ენტალპია გამოიწვევს გამოკლების გაკეთებას:

რეაქციის ენტალპია = პროდუქტების ენტალპია - რეაქტიული ნივთიერებების ენტალპია

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

თითოეული ენთალპია შეასრულებს კოეფიციენტს რომლითაც ნივთიერება მოქმედებს რეაქციაში (მოლების რაოდენობა). A- სთვის, ამ შემთხვევაში, ის არის 2, და ის აპირებს გაამრავლოს მისი ენთალპიის ღირებულება.

მაგალითად, პროპანის წვის რეაქციისთვის:

გ₃ჰ₈(ზ) + 5 O₂(ზ) -> 3CO₂(ზ) + 4 სთ₂ო (ლ)

ΔHგ₃ჰ₈ = -24820 კალ / მოლი

ΔHან₂ = 0 კალ / მოლი

ΔHკომპანია₂ = -94050 კალ / მოლი

ΔHჰ₂O = -68320 კალ / მოლი

რეაქციის ენტალპია = პროდუქტების ენტალპია - რეაქტიული ნივთიერებების ენტალპია

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

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

ΔH_{რეაქცია} = -555430 + 24820

ΔH_{რეაქცია} = -530610 კალ / მოლი

ქიმიური რეაქციების ტიპები სითბოს მიხედვით

ქიმიური რეაქციები კლასიფიცირდება ორ სახეობაში, მათში ჩართული სითბოს მიხედვით:

• ეგზოთერმული რეაქციები
• ენდოთერმული რეაქციები

 ეგზოთერმული რეაქციები არიან ისეთებიც, რომლებშიც ურთიერთქმედების დროს ნივთიერებებმა გაათავისუფლეს სითბო. მაგალითად, ეს არის ძლიერი მჟავა, რომელიც წყალთან კონტაქტში მოდის. გამოსავალი თბება. ეს ასევე ხდება ნახშირწყალბადების წვის დროს, რომლებიც სითბოს გამოყოფენ ცეცხლის სახით, რომელსაც თან ახლავს ნახშირორჟანგი CO₂ და წყლის ორთქლი H₂ან

 ენდოთერმული რეაქციები არიან ისეთებიც, რომლებშიც რეაქციის დასაწყებად რეაქტორებმა უნდა მიიღონ სითბო. გარკვეული სითბოსგან იწყება პროდუქციის წარმოება. მაგალითად, ეს არის აზოტის ოქსიდების წარმოქმნა, რომლისთვისაც პროცესში უნდა იყოს დიდი რაოდენობით სითბო, რომ ჟანგბადი და აზოტი გაერთიანდეს ნაერთში.

შინაგანი ენერგია ქიმიურ რეაქციებში

 შინაგანი ენერგია (U, E) ნივთიერება არის მისი ყველა ნაწილაკის კინეტიკური და პოტენციური ენერგიების ჯამი. ეს სიდიდე ერევა ქიმიურ რეაქციებში ენთალპიის გამოთვლები:

ΔH = ΔU + PΔV

ეს ენტალპიის ფორმულა ემყარება თერმოდინამიკის პირველ კანონს, რომელიც დაწერილია:

ΔQ = ΔU - ΔW

სად:

Q: სითბო თერმოდინამიკური სისტემიდან (რაც შეიძლება იყოს ქიმიური რეაქცია). იგი იზომება კალორიებით თითო მოლზე, ისევე, როგორც ენთალპიები.

ან: თერმოდინამიკური სისტემის შინაგანი ენერგია.

W: თერმოდინამიკური სისტემის მექანიკური მუშაობა და გამოითვლება წნევის პროდუქტით და მოცულობის ცვლილებით (PΔV).

აქტივაციის ენერგია ქიმიურ რეაქციებში

 აქტივაციის ენერგია არის ენერგიის ის რაოდენობა, რომელიც განსაზღვრავს ქიმიური რეაქციების დაწყებას, შემდეგნაირად:

• თუ აქტივაციის ენერგია ძალიან მოკლეა, რეაქცია იქნება სპონტანური, ანუ ის დაიწყება თავისთავად და რეაგენტები გარდაიქმნებიან მხოლოდ კონტაქტში მოხვედრის შედეგად.
• თუ აქტივაციის ენერგია დაბალია, თქვენ უნდა დაამატოთ გარკვეული ენერგია რეაგენტებს, რომ მათ დაიწყონ ურთიერთქმედება.
• თუ აქტივაციის ენერგია მაღალია, საჭიროა საკმარისი ენერგიის ინვესტიცია, რომ რეაქცია მოხდეს.
• თუ აქტივაციის ენერგია ეს ძალიან მაღალია, ჩვენ მოგვიწევს ე.წ. კატალიზატორები, რათა ის უფრო ხელმისაწვდომი გახდეს.

 კატალიზატორები ისინი ქიმიური ნივთიერებებია, რომლებიც არ მონაწილეობენ ქიმიური რეაქციების გარდაქმნაში, მაგრამ პასუხისმგებელნი არიან მათ დაჩქარებაზე, აქტივაციის ენერგიის შემცირება ისე, რომ რეაქციებმა დაიწყონ პროდუქტებად ქცევა.

მაგალითად, სპონტანური რეაქცია გვხვდება ადამიანის მეტაბოლიზმში: აცეტოცეტატის სპონტანური დეკარბოქსილაცია გახდეს აცეტონი, კეტონური სხეულების სინთეზის გზაზე. მას არ სჭირდება ფერმენტები.

ქიმიური წონასწორობა და ლეჩატელიეს კანონი

ლეჩატელიეს კანონი არის კანონი, რომელიც არეგულირებს წონასწორობას ქიმიურ რეაქციებში და მასში ნათქვამია:

"წონასწორობაში ქიმიური რეაქციისთვის მინიჭებული ნებისმიერი სტიმული მას უპასუხებს მასთან ურთიერთქმედებით, წონასწორობის სხვა წერტილამდე"

ლეჩატელიერის კანონის აღწერა შესაძლებელია წნევის, მოცულობისა და კონცენტრაციის ცვლადების მიხედვით:

• თუ არა გაზრდის წნევას რეაქციისკენ, ის მიმართული იქნება იქ, სადაც ნაკლები მოლები წარმოიქმნება, ან რეაქტივების მიმართ, ან პროდუქტებისკენ.
• თუ არა შეამციროს ზეწოლა რეაქციაზე, ეს წავა იქ, სადაც მეტი მოლი წარმოიქმნება, ან რეაქტიული ნივთიერებების მიმართ, ან პროდუქტების მიმართ.
• თუ არა ტემპერატურის გაზრდა რეაქციამდე, ის მივა იქ, სადაც სითბო შეიწოვება (ენდოთერმული რეაქცია), პირდაპირი გზით (რეაქტივებიდან პროდუქტებამდე) ან საპირისპირო გზით (პროდუქტებიდან რეაქტიულობებამდე).
• თუ არა შეამციროს ტემპერატურა რეაქციამდე, ის მივა იქ, სადაც სითბო გამოიყოფა (ეგზოთერმული რეაქცია), პირდაპირი გზით (რეაქტივებიდან პროდუქტებამდე) ან საპირისპირო გზით (პროდუქტებიდან რეაქტიულობებამდე).
• თუ არა ზრდის რეაგენტის კონცენტრაციას, რეაქცია მიმართული იქნება მეტი პროდუქციის წარმოქმნისთვის.
• თუ არა ამცირებს პროდუქტის კონცენტრაციას, რეაქცია მიმართული იქნება მეტი რეაგენტების წარმოქმნისთვის.

ფაქტორები, რომლებიც ცვლიან რეაქციის სიჩქარეს

 რეაქციის სიჩქარე არის რეაქტივების კონცენტრაცია (მოლ / ლიტრში), რომელიც იხარჯება დროის თითოეული ერთეულისთვის.

არსებობს ექვსი ფაქტორი, რომლებიც გავლენას ახდენენ ამ სიჩქარეზე:

• კონცენტრაცია
• წნევა
• ტემპერატურა
• საკონტაქტო ზედაპირი
• რეაგენტების ბუნება
• კატალიზატორები

 კონცენტრაცია არის რეაგენტის რაოდენობა მოცულობის თითოეული ერთეულისთვის (მოლ / ლიტრი). თუ თანხა დაემატება, რეაქცია რეაგირებს პროდუქტების უფრო სწრაფად წარმოქმნით.

 წნევა ეს მხოლოდ მაშინ მოქმედებს, თუ რეაქტივები და პროდუქტები გაზებია. რეაგირება მოახდენს რეაგირებას LeChatelier კანონის შესაბამისად.

 ტემპერატურა ემხრობა რეაქციებს იმის მიხედვით, არის თუ არა ისინი ენდოთერმული ან ეგზოთერმული. თუ ეს ენდოთერმულია, ტემპერატურის მომატება დააჩქარებს რეაქციას. თუ ეს არის ეგზოთერმული, ტემპერატურის შემცირება მას მართავს.

 საკონტაქტო ზედაპირი ეს ხელს უწყობს რეაგენტის ნაწილაკების უკეთესად გაფანტვას ერთმანეთში, ისე რომ რეაქცია დააჩქაროს და პროდუქტებს მიაღწიონ უფრო სწრაფად.

 რეაგენტების ხასიათი, რომელიც შედგება მისი მოლეკულური სტრუქტურისგან, განსაზღვრავს რეაქციის სიჩქარეს. მაგალითად, მჟავები, როგორიცაა მარილმჟავა (HCl), დაუყოვნებლივ ანეიტრალდება, თუნდაც აგრესიულად, ისეთი ბაზებით, როგორიცაა ნატრიუმის ჰიდროქსიდი (NaOH).

 კატალიზატორები ესენია ქიმიური ნივთიერებები, რომლებიც არ მონაწილეობენ რეაქციაში, მაგრამ პასუხისმგებელნი არიან რეაქტივების ურთიერთქმედების დაჩქარებაზე ან შეფერხებაზე. ისინი ბაზარზე გადიან ფიზიკურ ფორმაში, რომელიც გთავაზობთ კონტაქტის კარგ არეალს.

ენერგიის მაგალითები ქიმიურ რეაქციებში

ქვემოთ ნაჩვენებია სხვადასხვა ქიმიკატების წვის სითბოები:

მეთანი: CH₄ + 2O₂ -> CO₂ + 2 სთ₂ან

ΔH = -212800 cal / mol (იძლევა სითბოს, ეს არის ეგზოთერმული)

ეთანი: გ₂ჰ₆ + (7/2) ო₂ -> 2CO₂ + 3 თ₂ან

ΔH = -372820 cal / mol (იძლევა სითბოს, ეს არის ეგზოთერმული)

პროპანი: C₃ჰ₈ + 5 ო₂ -> 3CO₂ + 4 თ₂ან

ΔH = -530600 cal / mol (იძლევა სითბოს, ეს არის ეგზოთერმული)

ბუტანი: C₄ჰ₁₀ + (13/2) ო₂ -> 4CO₂ + 5 სთ₂ან

ΔH = -687980 cal / mol (იძლევა სითბოს, ეს არის ეგზოთერმული)

პენტანი: C₅ჰ₁₂ + 8 ო₂ -> 5CO₂ + 6 თ₂ან

ΔH = -845160 cal / mol (იძლევა სითბოს, ეს არის ეგზოთერმული)

ეთილენი: C₂ჰ₄ + 3 ო₂ -> 2CO₂ + 2 სთ₂ან

ΔH = -337230 cal / mol (იძლევა სითბოს, ეს არის ეგზოთერმული)

აცეტილენი: C₂ჰ₂ + (5/2) ო₂ -> 2CO₂ + თ₂ან

ΔH = -310620 cal / mol (იძლევა სითბოს, ეს არის ეგზოთერმული)

ბენზინი: C₆ჰ₆ + (15/2) ო₂ -> 6CO₂ + 3 თ₂ან

ΔH = -787200 cal / mol (იძლევა სითბოს, ეს არის ეგზოთერმული)

ტოლუოლი: C₇ჰ₈ + 9 ო₂ -> 7CO₂ + 4 თ₂ან

ΔH = -934500 cal / mol (იძლევა სითბოს, ეს არის ეგზოთერმული)

ეთანოლი: C₂ჰ₅OH + 3O₂ -> 2CO₂ + 3 თ₂ან

ΔH = -326700 cal / mol (იძლევა სითბოს, ეს არის ეგზოთერმული)