Energie en chemische reacties

Alle chemische reactie draag met hem een verandering in energie, vanwege de transformatie van de stoffen die eraan deelnemen. Energie kan zich op verschillende manieren manifesteren:

• Heet
• Interne energie
• activeringsenergie

Warmte in chemische reacties

De moleculen van chemische verbindingen ze worden gevormd door schakels die een energie dragen inbegrepen, die de atomen bij elkaar houdt. Wanneer een chemische reactie plaatsvindt, ondergaan de deelnemende moleculen de sommige van deze breken verbindingen, wat een variatie in energie veroorzaakt. Het verschijnt meestal als een verandering in warmte.

De heet in chemische reacties wordt het gemeten door de Enthalpie (H), wat een thermodynamische grootheid is die de thermische veranderingen beschrijft die tot constante druk worden gebracht. Het wordt gemeten in calorieën per mol (cal / mol), en wordt berekend voor elke verbinding van de reactie, met de volgende formule:

ΔH = mCpΔT

Waar:

ΔH: verandering in enthalpie van de stof

m: massa van de stof die deelneemt aan de reactie

Cp: ​​soortelijke warmte bij constante druk, van de stof

ΔT: temperatuurverandering in de reactie

Als ze deelnemen aan de chemische reactie elementen, hun enthalpie wordt als 0. beschouwd omdat er geen energie in de vorming ervan is gestoken.

Voor een volledige reactie, waarvan de vorm is:

2A + B -> 3C + D

De enthalpie zal het gevolg zijn van het doen van een aftrekking:

Enthalpie van reactie = Enthalpie van producten - Enthalpie van reactanten

H_reactie = ΔH (3C + D) - ΔH (2A + B)

Elk van de enthalpie draagt ​​de coëfficiënt waarmee de stof in de reactie inwerkt (het aantal mol. Voor A is het in dit geval 2 en het gaat de waarde van zijn enthalpie vermenigvuldigen.

Bijvoorbeeld voor de propaanverbrandingsreactie:

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

HC₃H₈ = -24820 cal / mol

HOF₂ = 0 cal / mol

HCO₂ = -94050 cal / mol

HH₂O = -68320 cal / mol

Enthalpie van reactie = Enthalpie van producten - Enthalpie van reactanten

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

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

H_reactie = -555430 + 24820

H_reactie = -530610 cal / mol

Soorten chemische reacties volgens warmte

Chemische reacties worden ingedeeld in twee typen, afhankelijk van de hitte die ermee gepaard gaat:

• exotherme reacties
• Endotherme reacties

De exotherme reacties zijn die waarin de stoffen tijdens de interactie warmte hebben afgegeven. Dit is bijvoorbeeld het geval bij een sterk zuur dat in contact komt met water. De oplossing warmt op. Het komt ook voor bij de verbranding van koolwaterstoffen, die warmte afgeven in de vorm van vuur, vergezeld van kooldioxide CO₂ en waterdamp H₂OF.

De endotherme reacties zijn die waarin, om te beginnen te reageren, de reactanten warmte moeten ontvangen. Het is vanaf een bepaalde hitte dat de producten worden gegenereerd. Dit is bijvoorbeeld het geval bij de vorming van stikstofoxiden, waarbij er veel warmte in het proces moet zijn om zuurstof en stikstof te laten verenigen tot een verbinding.

Interne energie in chemische reacties

De interne energie (U, E) van een stof is de som van de kinetische en potentiële energieën van al zijn deeltjes. Deze grootte grijpt in op de chemische reacties in de enthalpie berekeningen:

ΔH = ΔU + PΔV

Deze enthalpieformule is gebaseerd op de eerste wet van de thermodynamica, die is geschreven:

ΔQ = ΔU - ΔW

Waar:

Vraag: warmte van een thermodynamisch systeem (wat een chemische reactie kan zijn). Het wordt gemeten in calorieën per mol, net als enthalpie.

OF: Interne energie van het thermodynamische systeem.

W: Mechanische arbeid van het thermodynamische systeem, en wordt berekend met het product van de druk en de verandering in volume (PΔV).

Activeringsenergie in chemische reacties

De activeringsenergie is die hoeveelheid energie die het begin van chemische reacties zal bepalen, als volgt:

• Als de activeringsenergie is te kort, de reactie zal zijn spontaan, dat wil zeggen, het zal vanzelf beginnen en de reagentia zullen worden getransformeerd door gewoon in contact te komen.
• Als de activeringsenergie het is laag, moet u wat energie aan de reagentia toevoegen om te kunnen interageren.
• Als de activeringsenergie is hoog, zal er voldoende energie moeten worden geïnvesteerd om de reactie te laten plaatsvinden.
• Als de activeringsenergie het is erg hoog, zullen we onze toevlucht moeten nemen tot de zogenaamde katalysatoren, om het toegankelijker te maken.

De katalysatoren Het zijn chemische stoffen die niet deelnemen aan de transformatie van chemische reacties, maar die verantwoordelijk zijn voor het versnellen ervan, afnemende activeringsenergie zodat de reactanten producten worden.

Een spontane reactie is bijvoorbeeld een reactie die wordt aangetroffen in de menselijke stofwisseling: spontane decarboxylatie van acetoacetaat om aceton te worden, op de manier van synthese van ketonlichamen. Het heeft geen enzymen nodig om te worden uitgevoerd.

Chemisch evenwicht en de wet van LeChatelier

De wet van LeChatelier is degene die het evenwicht in chemische reacties regelt, en er staat:

"Elke stimulus die wordt gegeven aan een chemische reactie in evenwicht, zal ervoor zorgen dat deze reageert door deze tegen te werken, tot een ander evenwichtspunt"

De wet van LeChatelier kan worden beschreven aan de hand van de variabelen druk, volume en concentratie:

• Of de druk opvoeren naar de reactie, zal het worden gericht naar waar minder mollen worden gegenereerd, hetzij naar de reactanten of naar de producten.
• Of druk verminderen naar de reactie gaat, gaat dit naar waar meer mollen worden gegenereerd, ofwel naar de reactanten of naar de producten.
• Of de temperatuur verhogen naar de reactie gaat, zal het naar de plaats gaan waar de warmte wordt geabsorbeerd (endotherme reactie), hetzij op de directe manier (van reactanten naar producten) of omgekeerd (van producten naar reactanten).
• Of verlaag de temperatuur naar de reactie gaat, gaat het naar de plaats waar de warmte vrijkomt (exotherme reactie), hetzij op de directe manier (van reactanten naar producten) of omgekeerd (van producten naar reactanten).
• Of verhoogt de concentratie van een reagens, zal de reactie gericht zijn op het genereren van meer producten.
• Of vermindert de concentratie van een product, zal de reactie gericht zijn op het genereren van meer reagentia.

Factoren die de snelheid van een reactie wijzigen

De snelheid van een reactie is de concentratie van de reactanten (in mol / liter) die voor elke tijdseenheid wordt verbruikt.

Er zijn zes factoren die deze snelheid beïnvloeden:

• Concentratie
• Druk
• Temperatuur
• Contactoppervlak
• Aard van reagentia
• Katalysatoren

De concentratie is de hoeveelheid reagens voor elke volume-eenheid (mol / liter). Als er een hoeveelheid wordt toegevoegd, zal de reactie reageren door sneller producten te genereren.

De Druk het is alleen van invloed als de reactanten en producten gassen zijn. De reactie zal reageren volgens de LeChatelier-wet.

De temperatuur- geeft de voorkeur aan reacties, afhankelijk van of ze endotherm of exotherm zijn. Als het endotherm is, zal een verhoging van de temperatuur de reactie versnellen. Als het exotherm is, zal een verlaging van de temperatuur het aandrijven.

De contactoppervlak Het helpt de reagensdeeltjes beter onderling te verspreiden, waardoor de reactie wordt versneld en de producten sneller worden bereikt.

De aard van reagentia, die uit zijn moleculaire structuur bestaat, bepaalt de snelheid van de reactie. Zuren zoals zoutzuur (HCl) worden bijvoorbeeld onmiddellijk geneutraliseerd, zelfs agressief, door basen zoals natriumhydroxide (NaOH).

De katalysatoren Het zijn chemische stoffen die niet bij de reactie betrokken zijn, maar die verantwoordelijk zijn voor het versnellen of vertragen van de interactie van de reactanten. Ze worden op de markt gebracht in een fysieke vorm die een goed contactoppervlak biedt.

Voorbeelden van energie in chemische reacties

De verbrandingswarmte van verschillende chemicaliën wordt hieronder weergegeven:

Methaan: CH₄ + 2O₂ -> CO₂ + 2H₂OF

ΔH = -212800 cal / mol (geeft warmte af, is exotherm)

ethaan: C₂H₆ + (7/2) UIT₂ -> 2CO₂ + 3H₂OF

ΔH = -372820 cal / mol (geeft warmte af, is exotherm)

Propaan: C₃H₈ + 5O₂ -> 3CO₂ + 4H₂OF

ΔH = -530600 cal / mol (geeft warmte af, is exotherm)

Butaan: C₄H₁₀ + (13/2) O₂ -> 4CO₂ + 5H₂OF

ΔH = -687980 cal / mol (geeft warmte af, is exotherm)

Pentaan: C₅H₁₂ + 8O₂ -> 5CO₂ + 6H₂OF

ΔH = -845160 cal / mol (geeft warmte af, is exotherm)

Ethyleen: C₂H₄ + 3O₂ -> 2CO₂ + 2H₂OF

ΔH = -337230 cal / mol (geeft warmte af, is exotherm)

Acetyleen: C₂H₂ + (5/2) UIT₂ -> 2CO₂ + H₂OF

ΔH = -310620 cal / mol (geeft warmte af, is exotherm)

benzeen: C₆H₆ + (15/2) O₂ -> 6CO₂ + 3H₂OF

ΔH = -787200 cal / mol (geeft warmte af, is exotherm)

Tolueen: C₇H₈ + 9O₂ -> 7CO₂ + 4H₂OF

ΔH = -934500 cal / mol (geeft warmte af, is exotherm)

Ethanol: C₂H₅OH + 3O₂ -> 2CO₂ + 3H₂OF

ΔH = -326700 cal / mol (geeft warmte af, is exotherm)