ปฏิกิริยาพลังงานและเคมี

ทั้งหมด ปฏิกิริยาเคมี พกติดตัวไปด้วย การเปลี่ยนแปลงของพลังงาน, เนื่องจากการเปลี่ยนแปลงของสารที่มีส่วนร่วม. พลังงานสามารถแสดงออกได้หลายวิธี:

• ร้อน
• กำลังภายใน
• พลังงานกระตุ้น

ความร้อนในปฏิกิริยาเคมี

 โมเลกุลของสารประกอบเคมี พวกมันถูกสร้างขึ้นโดย ลิงค์ที่นำพาพลังงาน รวมซึ่งยึดอะตอมไว้ด้วยกัน เมื่อเกิดปฏิกิริยาเคมีขึ้น โมเลกุลที่เข้าร่วมจะได้รับ undergo ทำลายบางส่วนของสิ่งเหล่านี้ ลิงค์ซึ่งทำให้เกิดการเปลี่ยนแปลงของพลังงาน มักจะปรากฏเป็นการเปลี่ยนแปลงของความร้อน

 ร้อน ในปฏิกิริยาเคมีวัดโดย เอนทาลปี (H)ซึ่งเป็นปริมาณทางอุณหพลศาสตร์ที่อธิบายการเปลี่ยนแปลงทางความร้อนที่นำไปสู่ความดันคงที่ มีหน่วยวัดเป็นแคลอรีต่อโมล (แคล / โมล)และถูกคำนวณสำหรับสารประกอบแต่ละชนิดของปฏิกิริยาด้วยสูตรต่อไปนี้:

ΔH = mCpΔT

ที่ไหน:

ΔH: การเปลี่ยนแปลงเอนทาลปีของสาร

m: มวลของสารที่มีส่วนร่วมในปฏิกิริยา

Cp: ​​​​ความร้อนจำเพาะที่ความดันคงที่ของสาร

ΔT: การเปลี่ยนแปลงอุณหภูมิในปฏิกิริยา

หากมีส่วนร่วมในปฏิกิริยาเคมี องค์ประกอบ เอนทาลปีของพวกมันถือเป็น0 เพราะไม่มีการลงทุนในการสร้างมันขึ้นมา

สำหรับปฏิกิริยาที่สมบูรณ์ รูปแบบคือ:

2A + B -> 3C + D

เอนทาลปีจะเป็นผลมาจากการลบ:

เอนทัลปีของปฏิกิริยา = เอนทาลปีของผลิตภัณฑ์ - เอนทาลปีของสารตั้งต้น

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

เอนทาลปีแต่ละตัว จะแบกสัมประสิทธิ์ โดยที่สารทำหน้าที่ในปฏิกิริยา (จำนวนโมล สำหรับ A ในกรณีนี้ มันคือ 2 และมันจะคูณค่าเอนทาลปีของมัน

ตัวอย่างเช่น สำหรับปฏิกิริยาการเผาไหม้ของโพรเพน:

ค₃โฮ₈(g) + 5O₂(g) -> 3CO₂(g) + 4H₂โอ (ล.)

ΔHค₃โฮ₈ = -24820 แคล / โมล

ΔHหรือ₂ = 0 แคล / โมล

ΔHCO₂ = -94050 แคล / โมล

ΔHโฮ₂O = -68320 แคล / โมล

เอนทัลปีของปฏิกิริยา = เอนทาลปีของผลิตภัณฑ์ - เอนทาลปีของสารตั้งต้น

ΔH_{ปฏิกิริยา} = [3 (-94050 แคลอรี / โมล) + 4 (-68320 แคลอรี / โมล)] - [-24820 แคล / โมล + 5 (0)]

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

ΔH_{ปฏิกิริยา} = -555430 + 24820

ΔH_{ปฏิกิริยา} = -530610 แคล / โมล

ประเภทของปฏิกิริยาเคมีตามความร้อน

ปฏิกิริยาเคมีจะแบ่งออกเป็นสองประเภทตามความร้อนที่เกี่ยวข้อง:

• ปฏิกิริยาคายความร้อน
• ปฏิกิริยาดูดความร้อน

 ปฏิกิริยาคายความร้อน คือสารที่ปล่อยความร้อนออกมาในระหว่างการทำปฏิกิริยา นี่เป็นกรณีของกรดแก่ที่สัมผัสกับน้ำ สารละลายอุ่นขึ้น นอกจากนี้ยังเกิดขึ้นในการเผาไหม้ของไฮโดรคาร์บอนซึ่งปล่อยความร้อนในรูปของไฟพร้อมกับคาร์บอนไดออกไซด์ CO₂ และไอน้ำ H₂หรือ.

 ปฏิกิริยาดูดความร้อน คือสารที่จะเริ่มทำปฏิกิริยา สารตั้งต้นต้องได้รับความร้อน มันเกิดจากความร้อนบางอย่างที่ผลิตภัณฑ์เริ่มถูกสร้างขึ้น ในกรณีนี้ เช่น การเกิดไนโตรเจนออกไซด์ ซึ่งต้องมีความร้อนจำนวนมากในกระบวนการเพื่อให้ออกซิเจนและไนโตรเจนรวมกันเป็นสารประกอบ

พลังงานภายในในปฏิกิริยาเคมี

 กำลังภายใน (U, E) ของสารคือผลรวมของพลังงานจลน์และพลังงานศักย์ของอนุภาคทั้งหมด ขนาดนี้แทรกแซงในปฏิกิริยาเคมีใน การคำนวณเอนทาลปี:

ΔH = ΔU + PΔV

สูตรเอนทาลปีนี้มีพื้นฐานมาจากกฎข้อที่หนึ่งของอุณหพลศาสตร์ซึ่งเขียนไว้ว่า:

ΔQ = ΔU - ΔW

ที่ไหน:

ถาม: ความร้อนจากระบบเทอร์โมไดนามิกส์ (ซึ่งอาจเป็นปฏิกิริยาเคมี) มีหน่วยวัดเป็นแคลอรีต่อโมล เช่นเดียวกับเอนทาลปี

หรือ: พลังงานภายในของระบบเทอร์โมไดนามิก

ว: งานเครื่องกลของระบบเทอร์โมไดนามิก และคำนวณด้วยผลคูณของความดันและการเปลี่ยนแปลงของปริมาตร (PΔV)

พลังงานกระตุ้นในปฏิกิริยาเคมี

 พลังงานกระตุ้น คือปริมาณพลังงานที่จะกำหนดจุดเริ่มต้นของปฏิกิริยาเคมี ดังนี้

• ถ้าพลังงานกระตุ้น สั้นเกินไป, ปฏิกิริยาจะเป็น โดยธรรมชาติกล่าวคือมันจะเริ่มขึ้นเองและรีเอเจนต์จะถูกเปลี่ยนเพียงแค่สัมผัส
• ถ้าพลังงานกระตุ้น มันต่ำคุณจะต้องเพิ่มพลังงานให้กับรีเอเจนต์เพื่อให้พวกมันเริ่มโต้ตอบ
• ถ้าพลังงานกระตุ้น สูงจะต้องใช้พลังงานเพียงพอสำหรับปฏิกิริยาที่จะเกิดขึ้น
• ถ้าพลังงานกระตุ้น มันสูงมากเราจะต้องหันไปพึ่งสิ่งที่เรียกว่า ตัวเร่งปฏิกิริยา เพื่อให้สามารถเข้าถึงได้มากขึ้น

 ตัวเร่งปฏิกิริยา พวกมันเป็นสารเคมีที่ไม่เกี่ยวข้องกับการเปลี่ยนแปลงของปฏิกิริยาเคมี แต่มีหน้าที่ในการเร่งปฏิกิริยาเหล่านี้ ลดพลังงานกระตุ้น เพื่อให้สารตั้งต้นกลายเป็นผลิตภัณฑ์

ปฏิกิริยาที่เกิดขึ้นเองนั้น ตัวอย่างเช่น ปฏิกิริยาที่พบในเมตาบอลิซึมของมนุษย์: decarboxylation ที่เกิดขึ้นเองของ acetoacetate ให้กลายเป็นอะซิโตน ในลักษณะของการสังเคราะห์ร่างกายของคีโตน ไม่จำเป็นต้องทำเอนไซม์

สมดุลเคมีและกฎของเลอชาเตอลิเยร์

กฎของเลอชาเตอลิเยร์เป็นกฎที่ควบคุมสมดุลในปฏิกิริยาเคมี และมันบอกว่า:

"สิ่งเร้าใดๆ ที่กระทำต่อปฏิกิริยาเคมีในสภาวะสมดุล จะทำให้ปฏิกิริยาตอบสนองด้วยการตอบโต้ ไปจนถึงจุดสมดุลที่แตกต่างกัน"

กฎของเลอชาเตอลิเยร์สามารถอธิบายได้ตามตัวแปรความดัน ปริมาตร และความเข้มข้น:

• ไม่ว่า เพิ่มความกดดัน ปฏิกิริยาจะถูกส่งไปยังตำแหน่งที่มีการสร้างโมลน้อยลง ไม่ว่าจะไปทางตัวทำปฏิกิริยาหรือต่อผลิตภัณฑ์
• ไม่ว่า ลดความดัน ปฏิกิริยานี้จะไปยังตำแหน่งที่มีการสร้างโมลมากขึ้น ไม่ว่าจะไปทางตัวทำปฏิกิริยาหรือต่อผลิตภัณฑ์
• ไม่ว่า เพิ่มอุณหภูมิ ปฏิกิริยาจะไปที่ที่ความร้อนถูกดูดซับ (ปฏิกิริยาดูดความร้อน) ไม่ว่าจะในทางตรง (จากสารตั้งต้นสู่ผลิตภัณฑ์) หรือในทางย้อนกลับ (จากผลิตภัณฑ์ไปยังสารตั้งต้น)
• ไม่ว่า ลดอุณหภูมิ สำหรับปฏิกิริยา มันจะไปที่ที่ความร้อนถูกปล่อยออกมา (ปฏิกิริยาคายความร้อน) ไม่ว่าจะในทางตรง (จากสารตั้งต้นสู่ผลิตภัณฑ์) หรือในทางย้อนกลับ (จากผลิตภัณฑ์ไปยังสารตั้งต้น)
• ไม่ว่า เพิ่มความเข้มข้นของรีเอเจนต์ปฏิกิริยาจะถูกนำไปสร้างผลิตภัณฑ์เพิ่มเติม
• ไม่ว่า ลดความเข้มข้นของผลิตภัณฑ์ปฏิกิริยาจะถูกนำไปสร้างรีเอเจนต์มากขึ้น

ปัจจัยที่ปรับเปลี่ยนความเร็วของปฏิกิริยา

 ความเร็วของปฏิกิริยา คือความเข้มข้นของสารตั้งต้น (เป็นโมล / ลิตร) ที่ใช้ไปในแต่ละหน่วยของเวลา

มีปัจจัยหกประการที่ส่งผลต่อความเร็วนี้:

• ความเข้มข้น
• ความดัน
• อุณหภูมิ
• พื้นผิวสัมผัส
• ธรรมชาติของรีเอเจนต์
• ตัวเร่งปฏิกิริยา

 ความเข้มข้น คือปริมาณรีเอเจนต์สำหรับปริมาตรแต่ละหน่วย (โมล/ลิตร) หากมีการเพิ่มจำนวน ปฏิกิริยาจะตอบสนองโดยการสร้างผลิตภัณฑ์ได้เร็วขึ้น

 ความดัน จะมีผลก็ต่อเมื่อสารตั้งต้นและผลิตภัณฑ์เป็นก๊าซ ปฏิกิริยาจะตอบสนองตามกฎหมาย LeChatelier

 อุณหภูมิ ชอบปฏิกิริยาขึ้นอยู่กับว่าเป็นดูดความร้อนหรือคายความร้อน ถ้าเป็นดูดความร้อน อุณหภูมิที่เพิ่มขึ้นจะทำให้ปฏิกิริยาเร็วขึ้น ถ้าเป็นแบบคายความร้อน อุณหภูมิจะลดลง

 พื้นผิวสัมผัส ช่วยให้อนุภาคของตัวทำปฏิกิริยากระจายตัวได้ดีขึ้น เร่งปฏิกิริยาและเข้าถึงผลิตภัณฑ์ได้เร็วขึ้น

 ลักษณะของรีเอเจนต์ซึ่งประกอบด้วยโครงสร้างโมเลกุลกำหนดอัตราการเกิดปฏิกิริยา ตัวอย่างเช่น กรดอย่างกรดไฮโดรคลอริก (HCl) จะถูกทำให้เป็นกลางในทันที แม้กระทั่งในเชิงรุก โดยเบสอย่างโซเดียมไฮดรอกไซด์ (NaOH)

 ตัวเร่งปฏิกิริยา เป็นสารเคมีที่ไม่เกี่ยวข้องกับปฏิกิริยา แต่มีหน้าที่ในการเร่งหรือชะลอปฏิกิริยาของสารตั้งต้น พวกเขาวางตลาดในรูปทรงที่มีพื้นที่สัมผัสที่ดี

ตัวอย่างพลังงานในปฏิกิริยาเคมี

ความร้อนจากการเผาไหม้ของสารเคมีต่างๆ แสดงไว้ด้านล่าง:

มีเทน: CH₄ + 2O₂ -> CO₂ + 2H₂หรือ

ΔH = -212800 cal / mol (ให้ความร้อน เป็นคายความร้อน)

อีเทน: C₂โฮ₆ + (7/2) โอ₂ -> 2CO₂ + 3H₂หรือ

ΔH = -372820 cal / mol (ปล่อยความร้อนเป็นคายความร้อน)

โพรเพน: C₃โฮ₈ + 5O₂ -> 3CO₂ + 4H₂หรือ

ΔH = -530600 cal / mol (ให้ความร้อนเป็นคายความร้อน)

บิวเทน: C₄โฮ₁₀ + (13/2) อ้อ₂ -> 4CO₂ + 5H₂หรือ

ΔH = -687980 cal / mol (ให้ความร้อนเป็นคายความร้อน)

เพนเทน: C₅โฮ₁₂ +8O₂ -> 5CO₂ + 6H₂หรือ

ΔH = -845160 cal / mol (ปล่อยความร้อนเป็นคายความร้อน)

เอทิลีน: C₂โฮ₄ + 3O₂ -> 2CO₂ + 2H₂หรือ

ΔH = -337230 cal / mol (ให้ความร้อนเป็นคายความร้อน)

อะเซทิลีน: C₂โฮ₂ + (5/2) โอ₂ -> 2CO₂ + โฮ₂หรือ

ΔH = -310620 cal / mol (ให้ความร้อนเป็นคายความร้อน)

เบนซิน: C₆โฮ₆ + (15/2) โอ₂ -> 6CO₂ + 3H₂หรือ

ΔH = -787200 cal / mol (ให้ความร้อนเป็นคายความร้อน)

โทลูอีน: C₇โฮ₈ + 9O₂ -> 7CO₂ + 4H₂หรือ

ΔH = -934500 cal / mol (ให้ความร้อน เป็นคายความร้อน)

เอทานอล: C₂โฮ₅OH + 3O₂ -> 2CO₂ + 3H₂หรือ

ΔH = -326700 cal / mol (ปล่อยความร้อนเป็นคายความร้อน)