Endotermické a exotermické reakce

Sam a Julie jsou v chemické laboratoři. Pojďme se podívat, co mají za lubem.

Sam s Julií přijdou za svým chemikářem, aby se s ním poradili, co se právě stalo. Sam se zeptá, “Pane učiteli, jak je možné, že moje baňka se ochladila, když jsem do vody v ní přidal sůl, zatímco Juliina je najednou horká?”

Učitel jim odpoví: „To je proto, že jste ode mě dostali dvě různé soli. Jedna ze solí reagovala s vodou endotermickou reakcí a druhá sůl exotermickou reakcí. Dovolte mi nejprve odhalit, jaké soli jsem vám dal: Sůl A je dusičnan amonný ($\text{NH}_4\text{NO}_3$start text, N, H, end text, start subscript, 4, end subscript, start text, N, O, end text, start subscript, 3, end subscript) a sůl B je chlorid vápenatý ($\text{Ca}\text{Cl}_2$start text, C, a, end text, start text, C, l, end text, start subscript, 2, end subscript).“

Sama a Julii teď zajímá rozdíl mezi endotermickou a exotermickou reakcí.

Uvažujme reakční směs – sůl a vodu – jako systém a baňku jako okolí.

V Samově případě, kdy byl ve vodě rozpuštěn dusičnan amonný, systém pohltil teplo z okolí, a proto byla baňka studená. Je to příklad endotermické reakce. Když byl v Juliině případě ve vodě rozpuštěn chlorid vápenatý, systém uvolnil teplo do okolí, a tak byla baňka horká. Je to příklad exotermické reakce.

Reakce probíhající v Samově baňce může být vyjádřena jako:

Teplo je při této reakci spotřebováno, snižuje se tím teplota reakční směsi, a reakční baňka je poté chladná.

Reakce probíhající v Juliině baňce může být vyjádřena jako:

Teplo při této reakci vzniká, zvyšuje se tím teplota reakční směsi, a reakční baňka je poté teplá.

Na závěr učitel Samovi a Julii o tomto experimentu shrne: „Když chcete zjistit, zda je reakce exotermická nebo endotermická, můžete začít tím, že budete sledovat teplotu okolního prostředí – v tomto případě je to baňka — Exotermický proces uvolňuje teplo, způsobuje růst teploty okolí. Endotermický proces pohlcuje teplo a ochladí okolí.“

Na základě výše uvedené definice si pojďme zmínit několik příkladů z našeho každodenního života a zařadit je jako endotermické nebo exotermické.

1) Fotosyntéza: Rostliny pohlcují tepelnou energii ze slunečního světla, aby přeměnily oxid uhličitý a vodu na glukózu a kyslík.

2) Vaření vajíčka: Teplá energie je absorbována z plotýnky a vaří vejce.

1) Spalování: Hoření sloučenin obsahujících uhlík používá kyslík ze vzduchu a produkuje oxid uhličitý, vodu a hodně tepla. Například spalování metanu ($\text{CH}_4$start text, C, H, end text, start subscript, 4, end subscript) lze zapsat takto:

2) Déšť: Kondenzace vodní páry vytvářející déšť uvolňuje energii ve formě tepla a je příkladem exotermického procesu.

Při jakékoli chemické reakci chemické vazby buď zanikají nebo vznikají. A pravidlo zní "Když vznikají chemické vazby, dochází k uvolňování tepla a při rozbití chemických vazeb, teplo je absorbováno. Molekuly si ze své podstaty přejí zůstat pohromadě, takže tvorba chemických vazeb mezi molekulami vyžaduje méně energie ve srovnání s rozbíjením stávajících vazeb mezi molekulami, což vyžaduje více energie a má za následek pohlcení tepla z okolí.

Enthalpie reakce je definována jako změna tepelné energie ($ΔH$Δ, H), k níž dochází při přechodu reaktantů na produkty. Pokud je teplo spotřebované během reakce, $ΔH$Δ, H je kladné; pokud je teplo uvolněno, pak $ΔH$Δ, H je záporné.

Poďjme si to ukázat na příkladu. Vypočítáme si změnu entalpie ($ΔH$Δ, H) této reakce:

V tabulkách si můžeme dohledat vazebné energie —v kilojoulech nebo kJ—pro vazby v molekulách $H_2$H, start subscript, 2, end subscript, $F_2$F, start subscript, 2, end subscript a $HF$H, F, že jsou $436$436, $158$158 a $568$568 kJ/mole v tomto pořadí.

Pojďme nejprve zjistit, co se děje v této konkrétní reakci. Při pohledu na ní je jasné, že jeden mol $H-H$H, minus, H a jeden mol $F-F$F, minus, F vazeb zaniká, aby se vytvořily dva moly $H-F$H, minus, F vazeb. Rozbití vazeb vyžaduje dodání energie, zatímco tvorba vazeb uvolňuje energii.

Chceš-li rozbít jeden mol $H_2$H, start subscript, 2, end subscript, je potřeba dodat energii o velikosti $436$436 kJ.

Chceš-li rozbít jeden mol $F_2$F, start subscript, 2, end subscript, je potřeba dodat energii o velikosti 158 kJ.

Při vytvoření dvou molů $HF$H, F se uvolnění energie 2 · (568) kJ.

Nyní to dosadíme do rovnice $∆H = ∑ ∆H_{(zaniklé vazby v reaktantech)} - ∑∆H _{(nově vzniklé vazby v produktech)}$∆, H, equals, sum, ∆, H, start subscript, left parenthesis, z, a, n, i, k, l, e, with, acute, on top, v, a, z, b, y, v, r, e, a, k, t, a, n, t, e, c, h, right parenthesis, end subscript, minus, sum, ∆, H, start subscript, left parenthesis, n, o, v, e, with, \check, on top, v, z, n, i, k, l, e, with, acute, on top, v, a, z, b, y, v, p, r, o, d, u, k, t, e, c, h, right parenthesis, end subscript

Celková entalpie reakce je záporná, tzn. je to exotermická reakce, kde se energie uvolňuje ve formě tepla.

V chemické reakci obvykle některé vazby zanikají a některé vazby vznikají. V průběhu reakce většinou nastává mezistupeň, ve kterém se chemické vazby částečně rozkládají a částečně formují. Tento meziprodukt je na vyšší úrovni energie než počáteční reaktanty; je velmi nestabilní a označuje se přechodový stav (nebo také intermediát). Energie potřebná k dosažení tohoto přechodového stavu se nazývá aktivační energie. Aktivační energii můžeme také definovat jako minimální množství energie potřebné k zahájení reakce a bývá značeno $E_{a}$E, start subscript, a, end subscript.

Energetický diagram může být definován jako diagram znázorňující relativní potenciální energii reaktantů, přechodového stavu a produktů v průběhu reakce. Aktivační energie $E_{a}$E, start subscript, a, end subscript a změna entalpie $ΔH$Δ, H může být zjištěna pro jakoukoli reakci z odpovídajícího energetického diagramu.

Nakresleme energetický diagram pro následující reakci:

Aktivační energie je rozdíl energie přechodového stavu a reaktantu. Je zobrazena s červenou šipkou. Změna enthalpie—$ΔH$Δ, H— reakce je znázorněna zelenou šipkou. Takže nyní by už pro tebe neměl být problém jasně rozlišovat mezi $E_{a}$E, start subscript, a, end subscript a $ΔH$Δ, H na energetickém diagramu.

V případě endotermické reakce jsou reaktanty ve srovnání s produkty na nižší energetické úrocni, jak je znázorněno níže na energetickém diagramu. Jinými slovy jsou reaktanty stabilnější než produkty. Jelikož potřebujeme, aby reakce probíhala směrem k méně stabilním sloučeninám, celková $ΔH$Δ, H pro reakci je kladná, tzn. energie musí být dodána z okolí.

V případě exotermické reakce jsou reaktanty ve srovnání s produkty na vyšší energetické úrocni, jak je znázorněno níže na energetickém diagramu. Jinými slovy jsou produkty stabilnější než reaktanty. Celková $ΔH$Δ, H pro reakci je záporná, tzn. energie se uvolňuje ve formě tepla.