Reakcje energetyczne i chemiczne

Wszystko Reakcja chemiczna nosić ze sobą zmiana energii, ze względu na przekształcenie substancji, które w nim uczestniczą. Energia może przejawiać się na różne sposoby:

• Gorąco
• Energia wewnętrzna
• Energia aktywacji

Ciepło w reakcjach chemicznych

 cząsteczki związków chemicznych są tworzone przez linki niosące energię w zestawie, który utrzymuje atomy razem. Kiedy zachodzi reakcja chemiczna, uczestniczące cząsteczki przechodzą łamanie niektórych z nich linki, co powoduje zmiany energii. Zwykle pojawia się jako zmiana ciepła.

 gorąco w reakcjach chemicznych jest mierzony przez Entalpia (H), która jest wielkością termodynamiczną opisującą zmiany termiczne doprowadzone do stałego ciśnienia. Jest mierzony w kaloriach na mol (cal / mol), i jest obliczany dla każdego związku z reakcji według następującego wzoru:

ΔH = mCpΔT

Gdzie:

ΔH: zmiana entalpii substancji

m: masa substancji biorącej udział w reakcji

Cp: ​​ciepło właściwe substancji przy stałym ciśnieniu

ΔT: zmiana temperatury w reakcji

Jeśli biorą udział w reakcji chemicznej 

pierwiastków, ich entalpia jest uważana za 0 ponieważ nie zainwestowano energii w ich tworzenie.

Dla pełnej reakcji, której forma jest:

2A + B -> 3C + D

Entalpia wynika z odejmowania:

Entalpia reakcji = Entalpia produktów - Entalpia reagentów

H_reakcja = AH (3C + D) - AH (2A + B)

Każda z entalpii będzie nosić współczynnik z którym substancja działa w reakcji (liczba moli. Dla A w tym przypadku jest to 2 i będzie to pomnożyć wartość swojej entalpii.

Na przykład dla reakcji spalania propanu:

do₃H₈(g) + 50₂(g) -> 3CO₂(g) + 4H₂O(l)

Hdo₃H₈ = -24820 kcal / mol

HLUB₂ = 0 kcal / mol

HWSPÓŁ₂ = -94050 kcal / mol

HH₂O = -68320 cal / mol

Entalpia reakcji = Entalpia produktów - Entalpia reagentów

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

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

H_reakcja = -555430 + 24820

H_reakcja = -530610 cal / mol

Rodzaje reakcji chemicznych według ciepła

Reakcje chemiczne zostaną podzielone na dwa typy w zależności od występującego w nich ciepła:

• Reakcje egzotermiczne
• Reakcje endotermiczne

 reakcje egzotermiczne to takie, w których podczas interakcji substancje uwolniły ciepło. Tak jest na przykład w przypadku silnego kwasu, który wchodzi w kontakt z wodą. Rozwiązanie się nagrzewa. Występuje również przy spalaniu węglowodorów, które wydzielają ciepło w postaci ognia, któremu towarzyszy dwutlenek węgla CO₂ i para wodna H₂LUB.

 reakcje endotermiczne to takie, w których, aby zacząć reagować, reagenty muszą otrzymać ciepło. To z pewnego ciepła zaczynają się wytwarzać produkty. Tak jest na przykład w przypadku wytwarzania tlenków azotu, dla których w procesie musi być duża ilość ciepła, aby tlen i azot złączyły się w związek.

Energia wewnętrzna w reakcjach chemicznych

 energia wewnętrzna (U, E) substancji to suma energii kinetycznej i potencjalnej wszystkich jej cząstek. Ta wielkość interweniuje w reakcje chemiczne w obliczenia entalpii:

ΔH = ΔU + PΔV

Ten wzór entalpii oparty jest na pierwszej zasadzie termodynamiki, która jest napisana:

ΔQ = ΔU - ΔW

Gdzie:

P: ciepło z układu termodynamicznego (które może być reakcją chemiczną). Jest mierzony w kaloriach na mol, podobnie jak entalpie.

LUB: Energia wewnętrzna układu termodynamicznego.

W: Praca mechaniczna układu termodynamicznego jest obliczana z iloczynu ciśnienia i zmiany objętości (PΔV).

Energia aktywacji w reakcjach chemicznych

 energia aktywacji jest tą ilością energii, która określi początek reakcji chemicznych, w następujący sposób:

• Jeśli energia aktywacji jest za krótki, reakcja będzie spontaniczny, to znaczy, że rozpocznie się samoczynnie, a odczynniki zostaną przekształcone po prostu przez kontakt.
• Jeśli energia aktywacji to jest niskie, będziesz musiał dodać trochę energii do odczynników, aby zaczęły oddziaływać.
• Jeśli energia aktywacji jest wysoko, trzeba będzie zainwestować wystarczającą ilość energii, aby zaszła reakcja.
• Jeśli energia aktywacji jest bardzo wysoki, będziemy musieli uciekać się do tzw katalizatory, aby był bardziej dostępny.

 katalizatory Są to substancje chemiczne, które nie uczestniczą w przekształcaniu reakcji chemicznych, ale są odpowiedzialne za ich przyspieszanie, zmniejszenie energii aktywacji aby reagenty zaczęły stać się produktami.

Spontaniczna reakcja to na przykład reakcja występująca w ludzkim metabolizmie: spontaniczna dekarboksylacja acetooctanu stać się acetonem na drodze syntezy ciał ketonowych. Nie wymaga enzymów do przeprowadzenia.

Równowaga chemiczna i prawo LeChateliera

Prawo LeChateliera rządzi równowagą w reakcjach chemicznych i mówi:

„Każdy bodziec podany do reakcji chemicznej w równowadze sprawi, że zareaguje ona poprzez przeciwdziałanie jej, aż do innego punktu równowagi”

Prawo LeChateliera można opisać za pomocą zmiennych ciśnienia, objętości i stężenia:

• Czy zwiększyć ciśnienie do reakcji, zostanie ona skierowana tam, gdzie powstaje mniej moli, albo w kierunku reagentów, albo produktów.
• Czy zmniejszyć ciśnienie do reakcji, to pójdzie tam, gdzie powstaje więcej moli, albo w kierunku reagentów, albo produktów.
• Czy zwiększyć temperaturę do reakcji trafi tam, gdzie ciepło jest pochłaniane (reakcja endotermiczna), albo w sposób bezpośredni (od substratów do produktów), albo w odwrotny sposób (od produktów do substratów).
• Czy zmniejszyć temperaturę Do reakcji trafi tam, gdzie uwalniane jest ciepło (reakcja egzotermiczna), albo w sposób bezpośredni (od substratów do produktów), albo w odwrotny sposób (od produktów do substratów).
• Czy zwiększa stężenie odczynnika, reakcja zostanie skierowana na wygenerowanie większej liczby produktów.
• Czy zmniejsza stężenie produktu, reakcja zostanie skierowana na wygenerowanie większej liczby odczynników.

Czynniki modyfikujące szybkość reakcji

 szybkość reakcji to stężenie reagentów (w mol/litr), które jest zużywane w każdej jednostce czasu.

Na tę prędkość wpływa sześć czynników:

• Stężenie
• Nacisk
• Temperatura
• Powierzchnia styku
• Rodzaj odczynników
• Katalizatory

 stężenie to ilość odczynnika na każdą jednostkę objętości (mol/litr). Jeśli zostanie dodana ilość, reakcja zareaguje szybszym wytwarzaniem produktów.

 Nacisk wpływa tylko na to, czy reagenty i produkty są gazami. Reakcja zareaguje zgodnie z prawem LeChateliera.

 temperatura sprzyja reakcjom w zależności od tego, czy są endotermiczne czy egzotermiczne. Jeśli jest endotermiczny, wzrost temperatury przyspieszy reakcję. Jeśli jest egzotermiczny, spowoduje to obniżenie temperatury.

 powierzchnia styku Pomaga w lepszym rozproszeniu cząstek odczynnika między sobą, dzięki czemu reakcja jest przyspieszona i produkty są szybciej osiągane.

 charakter odczynników, który składa się z jego struktury molekularnej, determinuje szybkość reakcji. Na przykład kwasy takie jak kwas solny (HCl) są natychmiast neutralizowane, nawet agresywnie, przez zasady, takie jak wodorotlenek sodu (NaOH).

 katalizatory Są to substancje chemiczne, które nie biorą udziału w reakcji, ale są odpowiedzialne za przyspieszenie lub opóźnienie oddziaływania reagentów. Są sprzedawane w fizycznym kształcie, który zapewnia dobry obszar kontaktu.

Przykłady energii w reakcjach chemicznych

Ciepła spalania różnych chemikaliów pokazano poniżej:

Metan: CH₄ + 2O₂ -> CO₂ + 2 godz₂LUB

ΔH = -212800 cal / mol (wydziela ciepło, jest egzotermiczny)

Etan: C₂H₆ + (7/2) O₂ -> 2CO₂ + 3 godz₂LUB

ΔH = -372820 cal / mol (wydziela ciepło, jest egzotermiczny)

Propan: C₃H₈ + 5O₂ -> 3CO₂ + 4 godz₂LUB

ΔH = -530600 cal / mol (wydziela ciepło, jest egzotermiczny)

Butan: C₄H₁₀ + (13/2) O₂ -> 4CO₂ + 5H₂LUB

ΔH = -687980 cal / mol (wydziela ciepło, jest egzotermiczny)

Pentan: C₅H₁₂ + 8O₂ -> 5CO₂ + 6H₂LUB

ΔH = -845160 cal / mol (wydziela ciepło, jest egzotermiczny)

Etylen: C₂H₄ + 3O₂ -> 2CO₂ + 2 godz₂LUB

ΔH = -337230 cal / mol (wydziela ciepło, jest egzotermiczny)

Acetylen: C₂H₂ + (5/2) O₂ -> 2CO₂ + H₂LUB

ΔH = -310620 cal / mol (wydziela ciepło, jest egzotermiczny)

Benzen: C₆H₆ + (15/2) O₂ -> 6CO₂ + 3 godz₂LUB

ΔH = -787200 cal / mol (wydziela ciepło, jest egzotermiczny)

Toluen: C₇H₈ + 9O₂ -> 7CO₂ + 4 godz₂LUB

ΔH = -934500 cal / mol (wydziela ciepło, jest egzotermiczny)

Etanol: C₂H₅OH + 30₂ -> 2CO₂ + 3 godz₂LUB

ΔH = -326700 cal / mol (wydziela ciepło, jest egzotermiczny)