Energia ja keemilised reaktsioonid

Kõik keemiline reaktsioon kaasas kandma a energia muutus, selles osalevate ainete muundumise tõttu. Energia võib avalduda mitmel viisil:

• Kuum
• Sisemine energia
• Aktiveerimisenergia

Kuumus keemilistes reaktsioonides

The keemiliste ühendite molekulid nende moodustavad linke, mis kannavad energiat kaasa arvatud, mis hoiab aatomeid koos. Kui toimub keemiline reaktsioon, läbivad osalevad molekulid murdes mõnda neist lingid, mis põhjustab energia variatsiooni. Tavaliselt ilmneb see soojuse muutusena.

The kuum keemilistes reaktsioonides mõõdetakse seda Entalpia (H), mis on termodünaamiline suurus, mis kirjeldab püsivale rõhule viidud termilisi muutusi. Seda mõõdetakse kalorides mooli kohta (cal / mol)ja arvutatakse reaktsiooni iga ühendi jaoks järgmise valemiga:

ΔH = mCpΔT

Kus:

ΔH: aine entalpia muutus

m: reaktsioonis osaleva aine mass

Cp: ​​aine erisoojus püsirõhul

ΔT: temperatuuri muutus reaktsioonis

Kui nad osalevad keemilises reaktsioonis elemente, loetakse nende entalpiat 0-ks sest nende moodustamiseks pole energiat investeeritud.

Täieliku reaktsiooni saamiseks, mille vorm on:

2A + B -> 3C + D

Entalpia tuleneb lahutamisest:

Reaktsiooni entalpia = toodete entalpia - reagentide entalpia

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

Iga entalpia kannab koefitsienti millega aine reaktsioonis toimib (moolide arv. A puhul on see sel juhul 2 ja see korrutab entalpia väärtust.

Näiteks propaani põlemisreaktsiooni korral:

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

ΔHC₃H₈ = -24820 cal / mol

ΔHVÕI₂ = 0 cal / mol

ΔHCO₂ = -94050 cal / mol

ΔHH₂O = -68320 cal / mol

Reaktsiooni entalpia = toodete entalpia - reagentide entalpia

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

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

ΔH_reaktsioon = -555430 + 24820

ΔH_reaktsioon = -530610 cal / mol

Keemiliste reaktsioonide tüübid vastavalt kuumusele

Keemilised reaktsioonid klassifitseeritakse vastavalt nendes sisalduvale kuumusele kahte tüüpi:

• Eksotermilised reaktsioonid
• Endotermilised reaktsioonid

The eksotermilised reaktsioonid on need, milles ained on interaktsiooni käigus eraldanud soojust. Nii on näiteks veega kokkupuutuv kange hape. Lahendus soojeneb. See toimub ka süsivesinike põlemisel, mis eraldavad soojust tule kujul koos süsinikdioksiidi CO₂ ja veeaur H₂VÕI.

The endotermilised reaktsioonid on need, milles reageerima hakkamiseks peavad reagendid saama soojust. Teatud kuumusest hakkavad tooted tekkima. See kehtib näiteks lämmastikoksiidide tekkimise kohta, mille jaoks peab hapniku ja lämmastiku ühendamiseks ühendis olema suur kogus soojust.

Siseenergia keemilistes reaktsioonides

The siseenergia Aine (U, E) on kõigi selle osakeste kineetilise ja potentsiaalse energia summa. See suurus sekkub keemilistesse reaktsioonidesse entalpiaarvutused:

ΔH = ΔU + PΔV

See entalpia valem põhineb esimesel termodünaamika seadusel, mis on kirjutatud:

ΔQ = ΔU - ΔW

Kus:

K: termodünaamilisest süsteemist tulenev soojus (mis võib olla keemiline reaktsioon). Seda mõõdetakse kalorite kohta mooli kohta, täpselt nagu entalpiaid.

VÕI: Termodünaamilise süsteemi sisemine energia.

W: Termodünaamilise süsteemi mehaaniline töö ja see arvutatakse rõhu ja mahu muutuse (PΔV) korrutise põhjal.

Aktiveerimisenergia keemilistes reaktsioonides

The aktiveerimisenergia on see energiahulk, mis määrab keemiliste reaktsioonide alguse järgmiselt:

• Kui aktiveerimisenergia on liiga lühike, reaktsioon on spontaannesee tähendab, et see käivitub iseenesest ja reagendid muundatakse lihtsalt kokkupuutel.
• Kui aktiveerimisenergia see on madal, peate reageerijatele lisama energiat, et nad saaksid omavahel suhelda.
• Kui aktiveerimisenergia on kõrge, reaktsiooni toimumiseks tuleb investeerida piisavalt energiat.
• Kui aktiveerimisenergia see on väga kõrge, peame kasutama nn katalüsaatorid, selle kättesaadavamaks muutmiseks.

The katalüsaatorid Need on keemilised ained, mis ei osale keemiliste reaktsioonide muundamisel, kuid vastutavad nende kiirendamise eest, aktiveerimisenergia vähenemine nii et reagendid hakkavad muutuma toodeteks.

Spontaanne reaktsioon on näiteks inimese ainevahetuses: atsetoatsetaadi spontaanne dekarboksüülimine saada ketoonkehade sünteesi teel atsetooniks. See ei vaja ensüümide läbiviimist.

Keemiline tasakaal ja LeChatelieri seadus

LeChatelieri seadus on see, mis reguleerib keemiliste reaktsioonide tasakaalu ja ütleb:

"Mis tahes stiimul, mis keemilisele reaktsioonile tasakaalus antakse, paneb selle reageerima, reageerides sellele kuni teise tasakaalupunktini"

LeChatelieri seadust saab kirjeldada muutujate rõhu, mahu ja kontsentratsiooni järgi:

• Kas suurendage survet reaktsioonile suunatakse see sinna, kus tekib vähem mooli, kas reaktantide või toodete suunas.
• Kas vähendada survet reaktsioonini läheb see sinna, kus tekib rohkem mooli kas reaktantide või toodete suunas.
• Kas tõsta temperatuuri reaktsioonini läheb see sinna, kus soojus neeldub (endotermiline reaktsioon), kas otsesel viisil (reagentidest toodeteks) või vastupidisel viisil (saadustest reaktantideni).
• Kas vähendada temperatuuri reaktsioonini jõuab see sinna, kus soojus eraldub (eksotermiline reaktsioon), kas otsesel viisil (reagentidest toodeteks) või vastupidisel viisil (saadustest reaktantideni).
• Kas suurendab reaktiivi kontsentratsiooni, suunatakse reaktsioon rohkemate toodete saamiseks.
• Kas vähendab toote kontsentratsiooni, suunatakse reaktsioon rohkemate reagentide saamiseks.

Tegurid, mis muudavad reaktsiooni kiirust

The reaktsiooni kiirus on reagentide kontsentratsioon (mol / liitris), mida tarbitakse iga ajaühiku kohta.

Seda kiirust mõjutavad kuus tegurit:

• Keskendumine
• Rõhk
• Temperatuur
• Kontaktpind
• Reaktiivide laad
• Katalüsaatorid

The kontsentratsioon on reagendi kogus iga mahuühiku kohta (mol / liiter). Kui kogus lisatakse, reageerib reaktsioon toodete kiirema genereerimisega.

The Rõhk see mõjutab ainult siis, kui reagendid ja saadused on gaasid. Reaktsioon vastab LeChatelieri seadusele.

The temperatuur soosib reaktsioone sõltuvalt sellest, kas need on endotermilised või eksotermilised. Kui see on endotermiline, siis temperatuuri tõus kiirendab reaktsiooni. Kui see on eksotermiline, ajab seda temperatuuri langus.

The kontaktpind See aitab reagendi osakesi paremini omavahel laiali hajutada, nii et reaktsioon kiireneb ja saadused saavutatakse kiiremini.

The reaktiivide laad, mis koosneb selle molekulaarsest struktuurist, määrab reaktsiooni kiiruse. Näiteks neutraliseeritakse sellised happed nagu vesinikkloriidhape (HCl) koheselt, isegi agressiivselt, alustega nagu naatriumhüdroksiid (NaOH).

The katalüsaatorid Need on keemilised ained, mis ei osale reaktsioonis, kuid mis vastutavad reaktantide interaktsiooni kiirendamise või viivitamise eest. Neid turustatakse füüsilises vormis, mis pakub head kontaktpiirkonda.

Energia näited keemilistes reaktsioonides

Erinevate kemikaalide põlemiskuumused on näidatud allpool:

Metaan: CH₄ + 2O₂ -> CO₂ + 2H₂VÕI

ΔH = -212800 cal / mol (eraldab soojust, see on eksotermiline)

Etaan: C₂H₆ + (7/2) O₂ -> 2CO₂ + 3H₂VÕI

ΔH = -372820 cal / mol (eraldab soojust, see on eksotermiline)

Propaan: C₃H₈ + 5O₂ -> 3CO₂ + 4H₂VÕI

ΔH = -530600 cal / mol (eraldab soojust, see on eksotermiline)

Butaan: C₄H₁₀ + (13/2) O₂ -> 4CO₂ + 5H₂VÕI

ΔH = -687980 cal / mol (eraldab soojust, see on eksotermiline)

Pentaan: C₅H₁₂ + 8O₂ -> 5CO₂ + 6H₂VÕI

ΔH = -845160 cal / mol (eraldab soojust, see on eksotermiline)

Etüleen: C₂H₄ + 3O₂ -> 2CO₂ + 2H₂VÕI

ΔH = -337230 cal / mol (eraldab soojust, see on eksotermiline)

Atsetüleen: C₂H₂ + (5/2) O₂ -> 2CO₂ + H₂VÕI

ΔH = -310620 cal / mol (eraldab soojust, see on eksotermiline)

Benseen: C₆H₆ + (15/2) O₂ -> 6CO₂ + 3H₂VÕI

ΔH = -787200 cal / mol (eraldab soojust, on eksotermiline)

Tolueen: C₇H₈ + 9O₂ -> 7CO₂ + 4H₂VÕI

ΔH = -934500 cal / mol (eraldab soojust, see on eksotermiline)

Etanool: C₂H₅OH + 3O₂ -> 2CO₂ + 3H₂VÕI

ΔH = -326700 cal / mol (eraldab soojust, see on eksotermiline)