Reacții energetice și chimice

Toate reactie chimica purta cu el o schimbarea energiei, datorită transformării substanțelor care participă la aceasta. Energia se poate manifesta în diferite moduri:

• Fierbinte
• Energie interna
• Energie activatoare

Căldură în reacțiile chimice

 molecule de compuși chimici sunt formate din legături care transportă o energie inclus, care ține atomii laolaltă. Când apare o reacție chimică, moleculele participante suferă rupând unele dintre acestea legături, ceea ce determină o variație a energiei. De obicei apare ca o schimbare de căldură.

 Fierbinte în reacțiile chimice se măsoară prin Entalpia (H), care este o mărime termodinamică care descrie modificările termice aduse la presiune constantă. Se măsoară în calorii pe mol (cal / mol), și se calculează pentru fiecare compus al reacției, cu următoarea formulă:

ΔH = mCpΔT

Unde:

ΔH: modificarea entalpiei substanței

m: masa substanței care participă la reacție

Cp: ​​căldură specifică la presiune constantă a substanței

ΔT: schimbarea temperaturii în reacție

Dacă participă la reacția chimică 

elemente, entalpia lor este considerată 0 deoarece nu s-a investit energie în formarea lor.

Pentru o reacție completă, a cărei formă este:

2A + B -> 3C + D

Entalpia va rezulta din efectuarea unei scăderi:

Entalpia de reacție = Entalpy of products - Entalpia reactanților

ΔH_reacţie = ΔH (3C + D) - ΔH (2A + B)

Fiecare dintre entalpii va purta coeficientul cu care acționează substanța în reacție (numărul de aluni. Pentru A, în acest caz, este 2 și va înmulți valoarea entalpiei sale.

De exemplu, pentru reacția de combustie a propanului:

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

ΔHC₃H₈ = -24820 cal / mol

ΔHSAU₂ = 0 cal / mol

ΔHCO₂ = -94050 cal / mol

ΔHH₂O = -68320 cal / mol

Entalpia de reacție = Entalpy of products - Entalpia reactanților

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

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

ΔH_reacţie = -555430 + 24820

ΔH_reacţie = -530610 cal / mol

Tipuri de reacții chimice în funcție de căldură

Reacțiile chimice vor fi clasificate în două tipuri în funcție de căldura implicată în acestea:

• Reacții exoterme
• Reacții endoterme

 reacții exoterme sunt cele în care, în timpul interacțiunii, substanțele au eliberat căldură. Acesta este cazul, de exemplu, al unui acid puternic care intră în contact cu apa. Soluția se încălzește. Apare și în arderea hidrocarburilor, care eliberează căldură sub formă de foc, însoțită de dioxid de carbon CO₂ și vapori de apă H₂SAU.

 reacții endotermice sunt acelea în care, pentru a începe să reacționeze, reactanții trebuie să primească căldură. Produsele încep să fie generate de o anumită căldură. Acesta este cazul, de exemplu, pentru generarea de oxizi de azot, pentru care trebuie să existe o cantitate mare de căldură în proces pentru ca oxigenul și azotul să se unească într-un compus.

Energia internă în reacțiile chimice

 energie interna (U, E) al unei substanțe este suma energiilor cinetice și potențiale ale tuturor particulelor sale. Această magnitudine intervine în reacțiile chimice din calcule de entalpie:

ΔH = ΔU + PΔV

Această formulă de entalpie se bazează pe prima lege a termodinamicii, care este scrisă:

ΔQ = ΔU - ΔW

Unde:

Î: căldură dintr-un sistem termodinamic (care poate fi o reacție chimică). Se măsoară în calorii pe mol, la fel ca entalpiile.

SAU: Energia internă a sistemului termodinamic.

W: Lucrul mecanic al sistemului termodinamic și se calculează cu produsul presiunii și cu modificarea volumului (PΔV).

Energia de activare în reacțiile chimice

 energie activatoare este acea cantitate de energie care va determina începutul reacțiilor chimice, după cum urmează:

• Dacă energia de activare e prea scurt, reacția va fi spontan, adică va începe de la sine și reactivii vor fi transformați doar intrând în contact.
• Dacă energia de activare este scăzut, va trebui să adăugați ceva energie reactivilor pentru ca aceștia să înceapă să interacționeze.
• Dacă energia de activare este inalt, va trebui investită suficientă energie pentru ca reacția să aibă loc.
• Dacă energia de activare este foarte mare, va trebui să recurgem la așa-numitele catalizatori, pentru a-l face mai accesibil.

 catalizatori Sunt substanțe chimice care nu participă la transformarea reacțiilor chimice, dar sunt responsabile de accelerarea lor, scăderea energiei de activare astfel încât reactanții încep să devină produse.

O reacție spontană este, de exemplu, una care se găsește în metabolismul uman: decarboxilarea spontană a acetoacetatului să devină acetonă, în calea sintezei corpurilor cetonice. Nu are nevoie de enzime pentru a fi efectuate.

Echilibrul chimic și Legea lui LeChatelier

Legea lui LeChatelier este cea care guvernează echilibrul în reacțiile chimice și spune:

„Orice stimul dat unei reacții chimice în echilibru îl va face să răspundă contracarându-l, până la un punct diferit de echilibru”

Legea LeChatelier poate fi descrisă în funcție de variabilele presiune, volum și concentrație:

• Dacă crește presiunea la reacție, va fi direcționat către locul în care sunt generați mai puțini aluniți, fie spre reactanți, fie spre produse.
• Dacă reduce presiunea la reacție, aceasta va merge acolo unde se generează mai mulți aluniți, fie spre reactanți, fie spre produse.
• Dacă crește temperatura la reacție, va merge acolo unde căldura este absorbită (reacție endotermă), fie în mod direct (de la reactanți la produse), fie invers (de la produse la reactanți).
• Dacă reduce temperatura La reacție, va merge acolo unde se eliberează căldura (reacție exotermă), fie în mod direct (de la reactanți la produse), fie invers (de la produse la reactanți).
• Dacă crește concentrația unui reactiv, reacția va fi direcționată pentru a genera mai multe produse.
• Dacă reduce concentrația unui produs, reacția va fi direcționată pentru a genera mai mulți reactivi.

Factori care modifică viteza unei reacții

 viteza unei reacții este concentrația reactanților (în mol / litru) care se consumă pentru fiecare unitate de timp.

Există șase factori care influențează această viteză:

• Concentraţie
• Presiune
• Temperatura
• Suprafața de contact
• Natura reactivilor
• Catalizatori

 concentraţie este cantitatea de reactiv pentru fiecare unitate de volum (mol / litru). Dacă se adaugă o cantitate, reacția va răspunde generând produse mai rapid.

 Presiune afectează numai dacă reactanții și produsele sunt gaze. Reacția va răspunde conform Legii LeChatelier.

 temperatura favorizează reacțiile în funcție de faptul că sunt endoterme sau exoterme. Dacă este endoterm, o creștere a temperaturii va accelera reacția. Dacă este exoterm, o reducere a temperaturii îl va conduce.

 suprafața de contact Ajută particulele de reactiv să fie mai bine dispersate între ele, astfel încât reacția să fie accelerată și produsele să fie atinse mai repede.

 natura reactivilor, care constă din structura sa moleculară, determină viteza reacției. De exemplu, acizii precum acidul clorhidric (HCI) sunt imediat neutralizați, chiar și agresiv, de baze precum hidroxidul de sodiu (NaOH).

 catalizatori Sunt substanțe chimice care nu sunt implicate în reacție, dar care sunt responsabile pentru accelerarea sau întârzierea interacțiunii reactanților. Sunt comercializate într-o formă fizică care oferă o zonă de contact bună.

Exemple de energie în reacțiile chimice

Căldurile de ardere ale diferitelor substanțe chimice sunt prezentate mai jos:

Metan: CH₄ + 2O₂ -> CO₂ + 2H₂SAU

ΔH = -212800 cal / mol (Oferă căldură, este exoterm)

Etan: C₂H₆ + (7/2) O₂ -> 2CO₂ + 3H₂SAU

ΔH = -372820 cal / mol (emană căldură, este exoterm)

Propan: C₃H₈ + 5O₂ -> 3CO₂ + 4H₂SAU

ΔH = -530600 cal / mol (emană căldură, este exoterm)

Butan: C₄H₁₀ + (13/2) O₂ -> 4CO₂ + 5H₂SAU

ΔH = -687980 cal / mol (Oferă căldură, este exoterm)

Pentan: C₅H₁₂ + 8O₂ -> 5CO₂ + 6H₂SAU

ΔH = -845160 cal / mol (Oferă căldură, este exoterm)

Etilenă: C₂H₄ + 3O₂ -> 2CO₂ + 2H₂SAU

ΔH = -337230 cal / mol (Dă căldură, este exoterm)

Acetilenă: C₂H₂ + (5/2) O₂ -> 2CO₂ + H₂SAU

ΔH = -310620 cal / mol (Oferă căldură, este exoterm)

Benzen: C₆H₆ + (15/2) O₂ -> 6CO₂ + 3H₂SAU

ΔH = -787200 cal / mol (emană căldură, este exoterm)

Toluen: C₇H₈ + 9O₂ -> 7CO₂ + 4H₂SAU

ΔH = -934500 cal / mol (Oferă căldură, este exoterm)

Etanol: C₂H₅OH + 3O₂ -> 2CO₂ + 3H₂SAU

ΔH = -326700 cal / mol (Oferă căldură, este exoterm)