Экзотермическая реакция является «реакция , для которой общее стандартное изменение энтальпии Δ Н ⚬ является отрицательным.» [1] [2] Экзотермические реакции обычно выделяют тепло и влекут за собой замену слабых связей более прочными. [3] [4] Этот термин часто путают с экзергонической реакцией , которую IUPAC определяет как «... реакцию, для которой общее стандартное изменение энергии Гиббса Δ G G является отрицательным». [2] Сильно экзотермическая реакция обычно также будет экергонической, потому что Δ H ⚬ вносит основной вклад в Δ G ⚬. Большинство впечатляющих химических реакций, которые демонстрируются в классах, являются экзотермическими и экзергоническими. Противоположная реакция - эндотермическая реакция , которая обычно требует тепла и запускается за счет увеличения энтропии в системе.
Примеры
Примеры многочисленны: горение , термитная реакция , соединение сильных кислот и оснований, полимеризация . Например, в повседневной жизни грелки для рук используют окисление железа для достижения экзотермической реакции:
- 4Fe + 3O 2 → 2Fe 2 O 3 Δ H ⚬ = - 1648 кДж / моль
Особенно важным классом экзотермических реакций является сжигание углеводородного топлива, например сжигание природного газа:
- Δ H ⚬ = - 890 кДж / моль
В этих примерах большая часть высвобождаемой энергии накапливалась в O 2 с его относительно слабой двойной связью. [4] Большинство химических реакций включают как разрыв существующих, так и создание новых, более прочных химических связей. Когда атомы объединяются, чтобы сформировать новые, более стабильные химические связи, объединяющие их электростатические силы оставляют связь с большим избытком энергии (обычно в форме колебаний и вращений). Если эта энергия не рассеивается, новая связь снова быстро развалится. Вместо этого новая связь может терять свою избыточную энергию - посредством излучения, путем передачи другим движениям в молекуле или другим молекулам посредством столкновений - а затем становиться стабильной новой связью. Эта избыточная энергия - это тепло, которое покидает молекулярную систему.
Неконтролируемые экзотермические реакции, ведущие к пожарам и взрывам, расточительны, потому что трудно улавливать выделяемую энергию. Природа осуществляет реакции горения в строго контролируемых условиях, избегая пожаров и взрывов, при аэробном дыхании, чтобы улавливать высвобождаемую энергию, например, для образования АТФ .
Измерение
Энтальпия химической системы, по существу , его энергия. Изменение энтальпии Δ H для реакции равно теплу q, передаваемому из (или внутрь) замкнутой системы при постоянном давлении без ввода или вывода электрической энергии. Тепловыделение или поглощение в химической реакции измеряется калориметрическим методом , например, калориметром бомбы . Одним из распространенных лабораторных инструментов является реакционный калориметр , в котором отслеживается тепловой поток из реакционного сосуда или в него. Выделение тепла и соответствующее изменение энергии, Δ Н , из сгорания реакции могут быть особенно точно измерить.
Измеренная тепловая энергия , выделяемая в экзотермической реакции преобразуют в Δ Н ⚬ в Джоуль на моль (ранее кал / моль ). Стандартное изменение энтальпии Δ Н ⚬, по существу , изменение энтальпии , когда стехиометрические коэффициенты в реакции рассматриваются как количества реагентов и продуктов (в моль); обычно предполагается, что начальная и конечная температура составляет 25 ° C. Для газофазных реакций значения Δ H ⚬ связаны с энергиями связи в хорошем приближении следующим образом:
- Δ H ⚬ = полная энергия связи реагентов - полная энергия связи продуктов
В экзотермической реакции изменение энтальпии по определению имеет отрицательное значение:
- Δ H = H продукты - H реагенты <0
где большее значение (более высокая энергия реагентов) вычитается из меньшего значения (более низкая энергия продуктов). Например, когда горит водород:
- 2H 2 (г) + O 2 (г) → 2H 2 O (г)
- Δ H ⚬ = -483,6 кДж / моль [5]
Смотрите также
- Химическая термодинамика
- Дифференциальная сканирующая калориметрия
- Эндергонический
- Экзергонический
- Эндергоническая реакция
- Экзэргоническая реакция
- Экзотермический процесс
- Эндотермическая реакция
- Эндотерм
Рекомендации
- ^ «Экзотермическая реакция» . ИЮПАК.
- ^ a b Laidler, KJ (1996). «Глоссарий терминов, используемых в химической кинетике, включая динамику реакций (Рекомендации ИЮПАК 1996 г.)». Чистая и прикладная химия . 68 : 149–192. DOI : 10,1351 / pac199668010149 . S2CID 98267946 .
- Перейти ↑ Galley, William C. (2004). «Разрыв экзотермической связи: стойкое заблуждение». Журнал химического образования . 81 (4): 523. Bibcode : 2004JChEd..81..523G . DOI : 10.1021 / ed081p523 .
- ^ a b Шмидт-Рор, Клаус (2015). «Почему процессы сгорания всегда экзотермичны, давая около 418 кДж на моль O2» . Журнал химического образования . 92 (12): 2094–2099. Bibcode : 2015JChEd..92.2094S . DOI : 10.1021 / acs.jchemed.5b00333 .
- ^ "Архивная копия" . Архивировано из оригинала на 2013-07-08 . Проверено 20 июля 2013 .CS1 maint: заархивированная копия как заголовок ( ссылка )
внешняя ссылка
