Energijske in kemijske reakcije

Vse kemijska reakcija nosite s seboj a sprememba energije, zaradi preoblikovanja snovi, ki v njem sodelujejo. Energija se lahko kaže na različne načine:

• Vroče
• Notranja energija
• Aktivacijska energija

Vročina v kemijskih reakcijah

The molekule kemičnih spojin tvorijo jih povezave, ki nosijo energijo vključena, ki drži atome skupaj. Ko pride do kemične reakcije, sodelujoče molekule prestanejo razbiti nekatere od teh povezave, kar povzroča spremembe v energiji. Običajno se pojavi kot sprememba toplote.

The vroče v kemijskih reakcijah se meri z Entalpija (H), ki je termodinamična količina, ki opisuje toplotne spremembe, ki so bile privedene do konstantnega tlaka. Meri se v kalorijah na mol (kal / mol)in se izračuna za vsako spojino reakcije z naslednjo formulo:

ΔH = mCpΔT

Kje:

ΔH: sprememba entalpije snovi

m: masa snovi, ki sodeluje v reakciji

Cp: ​​specifična toplota snovi pri stalnem tlaku

ΔT: sprememba temperature v reakciji

Če sodelujejo v kemični reakciji elementov, se njihova entalpija šteje za 0 ker v njihovo tvorjenje ni vložena energija.

Za popolno reakcijo, katere oblika je:

2A + B -> 3C + D

Entalpija bo posledica odštevanja:

Entalpija reakcije = Entalpija produktov - Entalpija reaktantov

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

Vsaka od entalpij bo nosil koeficient s katero snov deluje v reakciji (število molov. Za A je v tem primeru 2 in bo pomnožil vrednost svoje entalpije.

Na primer, za reakcijo izgorevanja propana:

C₃H₈(g) + 50₂(g) -> 3CO₂(g) + 4H₂O (l)

ΔHC₃H₈ = -24820 kal / mol

ΔHALI₂ = 0 kal / mol

ΔHCO₂ = -94050 kal / mol

ΔHH₂O = -68320 kal / mol

Entalpija reakcije = Entalpija produktov - Entalpija reaktantov

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

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

ΔH_reakcija = -555430 + 24820

ΔH_reakcija = -530610 kal / mol

Vrste kemičnih reakcij glede na toploto

Kemijske reakcije bomo razvrstili v dve vrsti glede na toploto, ki je v njih vpletena:

• Eksotermne reakcije
• Endotermne reakcije

The eksotermne reakcije so tiste, pri katerih so snovi med interakcijo sprostile toploto. To je na primer močna kislina, ki pride v stik z vodo. Rešitev se ogreje. Pojavi se tudi pri zgorevanju ogljikovodikov, ki sproščajo toploto v obliki ognja, skupaj z ogljikovim dioksidom CO₂ in vodna para H₂ALI.

The endotermne reakcije so tiste, pri katerih morajo reaktanti, da začnejo reagirati, prejemati toploto. Iz določene toplote začnejo nastajati proizvodi. Tako je na primer pri nastajanju dušikovih oksidov, za katere mora biti v procesu velika količina toplote, da se kisik in dušik združita v spojini.

Notranja energija v kemijskih reakcijah

The notranja energija (U, E) snovi je vsota kinetične in potencialne energije vseh njenih delcev. Ta velikost posega v kemijske reakcije v izračuni entalpije:

ΔH = ΔU + PΔV

Ta formula entalpije temelji na prvem termodinamičnem zakonu, ki je zapisan:

ΔQ = ΔU - ΔW

Kje:

V: toplota iz termodinamičnega sistema (ki je lahko kemična reakcija). Merimo ga v kalorijah na mol, tako kot entalpije.

ALI: Notranja energija termodinamičnega sistema.

W: Mehansko delo termodinamičnega sistema in se izračuna z zmnožkom tlaka in spremembe prostornine (PΔV).

Aktivacijska energija v kemijskih reakcijah

The aktivacijska energija je tista količina energije, ki bo določila začetek kemičnih reakcij, kot sledi:

• Če aktivacijska energija je prekratek, reakcija bo spontano, to pomeni, da se bo začel sam, reagenti pa se bodo pretvorili že s stikom.
• Če aktivacijska energija nizka je, reagentom boste morali dodati nekaj energije, da bodo lahko začeli medsebojno delovati.
• Če aktivacijska energija je visoka, za reakcijo bo treba vložiti dovolj energije.
• Če aktivacijska energija je zelo visoka, se bomo morali zateči k tako imenovanim katalizatorji, da bo bolj dostopna.

The katalizatorji So kemične snovi, ki ne sodelujejo pri preoblikovanju kemičnih reakcij, ampak so odgovorne za njihovo pospeševanje, zmanjšanje aktivacijske energije tako da reaktanti začnejo postajati proizvodi.

Spontana reakcija je na primer takšna, ki jo najdemo v človeškem metabolizmu: spontana dekarboksilacija acetoacetata da postane aceton, na način sinteze ketonskih teles. Za izvajanje ne potrebuje encimov.

Kemijsko ravnovesje in LeChatelierjev zakon

LeChatelierjev zakon ureja ravnotežje v kemijskih reakcijah in pravi:

"Vsak dražljaj, ki ga da kemijska reakcija v ravnovesju, se bo odzval tako, da jo bo izenačil do drugačne točke ravnotežja."

LeChatelierjev zakon lahko opišemo glede na spremenljivke tlak, prostornina in koncentracija:

• Ali povečati tlak do reakcije bo usmerjen tja, kjer nastaja manj molov, bodisi proti reaktantom bodisi k produktom.
• Ali zmanjšati tlak do reakcije bo šlo tja, kjer nastane več molov, bodisi proti reaktantom bodisi k produktom.
• Ali zvišajte temperaturo do reakcije bo šel tja, kjer se toplota absorbira (endotermna reakcija), bodisi na neposreden način (od reaktantov do produktov) bodisi obratno (od produktov do reaktantov).
• Ali znižajte temperaturo do reakcije bo šel tja, kjer se sprosti toplota (eksotermna reakcija), bodisi na neposreden način (od reaktantov do produktov) bodisi obratno (od produktov do reaktantov).
• Ali poveča koncentracijo reagenta, reakcija bo usmerjena v ustvarjanje več izdelkov.
• Ali zmanjša koncentracijo izdelka, bo reakcija usmerjena v ustvarjanje več reagentov.

Dejavniki, ki spreminjajo hitrost reakcije

The hitrost reakcije koncentracija reaktantov (v mol / liter), ki se porabi za vsako časovno enoto.

Na to hitrost vpliva šest dejavnikov:

• Koncentracija
• Pritisk
• Temperatura
• Kontaktna površina
• Narava reagentov
• Katalizatorji

The koncentracija je količina reagenta za vsako prostorninsko enoto (mol / liter). Če dodamo količino, se reakcija odzove s hitrejšim ustvarjanjem produktov.

The Pritisk vpliva le, če so reaktanti in proizvodi plini. Odziv se bo odzval v skladu z zakonom LeChatelier.

The temperatura daje prednost reakcijam, odvisno od tega, ali so endotermne ali eksotermne. Če je endotermna, bo povišanje temperature pospešilo reakcijo. Če je eksotermna, jo bo vodilo znižanje temperature.

The kontaktna površina Delce reagenta pomaga bolje razpršiti med seboj, tako da se reakcija pospeši in izdelki hitreje pridejo.

The narava reagentov, ki je sestavljena iz njegove molekularne strukture, določa hitrost reakcije. Na primer, kisline, kot je klorovodikova kislina (HCl), takoj nevtralizirajo, celo agresivno, baze, kot je natrijev hidroksid (NaOH).

The katalizatorji So kemične snovi, ki niso vključene v reakcijo, vendar so odgovorne za pospešitev ali zakasnitev interakcije reaktantov. Tržijo se v fizični obliki, ki ponuja dober kontaktni prostor.

Primeri energije v kemijskih reakcijah

Toplote zgorevanja različnih kemikalij so prikazane spodaj:

Metan: CH₄ + 2O₂ -> CO₂ + 2H₂ALI

ΔH = -212800 kal / mol (odda toploto, je eksotermna)

Etan: C₂H₆ + (7/2) O.₂ -> 2CO₂ + 3H₂ALI

ΔH = -372820 kal / mol (odda toploto, je eksotermna)

Propan: C₃H₈ + 5O₂ -> 3CO₂ + 4H₂ALI

ΔH = -530600 kal / mol (odda toploto, je eksotermno)

Butan: C₄H₁₀ + (13/2) O.₂ -> 4CO₂ + 5H₂ALI

ΔH = -687980 kal / mol (odda toploto, je eksotermno)

Pentan: C₅H₁₂ + 8O₂ -> 5CO₂ + 6H₂ALI

ΔH = -845160 kal / mol (odda toploto, je eksotermna)

Etilen: C₂H₄ + 3O₂ -> 2CO₂ + 2H₂ALI

ΔH = -337230 kal / mol (odda toploto, je eksotermna)

Acetilen: C₂H₂ + (5/2) O.₂ -> 2CO₂ + H₂ALI

ΔH = -310620 kal / mol (odda toploto, je eksotermno)

Benzen: C₆H₆ + (15/2) O.₂ -> 6CO₂ + 3H₂ALI

ΔH = -787200 kal / mol (odda toploto, je eksotermno)

Toluen: C₇H₈ + 9O₂ -> 7CO₂ + 4H₂ALI

ΔH = -934500 kal / mol (odda toploto, je eksotermno)

Etanol: C₂H₅OH + 3O₂ -> 2CO₂ + 3H₂ALI

ΔH = -326700 kal / mol (odda toploto, je eksotermna)