Vazebná a reakční entalpie

Chemická vazba symbolizuje potenciální energii. Když stanovíme množství energie, které se ukrývá v chemických vazbách molekul, tak budeme blíže porozumění celkovým energetickým dopadům reakce. V tomto článku se zaměříme na dva důležité koncepty, které nám tuto energii umožňují popsat: reakční entalpie a vazebná entalpie.

Během chemické reakce může dojít k zániku chemické vazby, jejímu přeskupení nebo obojímu. Při těchto dějích dochází k pohlcení nebo uvolnění energie. Výsledkem je změna potenciální energie systému. Teplo pohlcené nebo uvolněné za konstantního tlaku se nazývá entalpie a změna entalpie během chemické reakce se nazývá reakční entalpie. Reakční entalpie se často zapisuje jako ${\mathrm{\Delta }}_{\text{r}}\text{H}$‍.

Abychom lépe pochopili reakční entalpii, uvažujme hydrogenaci propenu, ${\text{C}}_3{\text{H}}_6$‍, při které vznikne propan, ${\text{C}}_3{\text{H}}_8$‍. V této reakci reaguje propen s plynným vodíkem ${\text{H}}_2(g)$‍ za vzniku plynného propanu:

K čemu dochází v této reakci? Nejprve dojde k zániku uhlíkové $\text{C}=\text{C}$‍ a vodíkové $\text{H}-\text{H}$‍ vazby v reaktantech. Platí pravidlo, že zánik vazeb mezi atomy je spojen s dodáním energie. Čím je vazba silnější, tím více energie je potřeba dodat. Aby vznikl propan jako produkt, tak následně musí dojít k vytvoření nové uhlíkové $\text{C-C}$‍ a dvou nových uhlovodíkových $\text{C-H}$‍ vazeb. Jelikož zánik vazeb vyžaduje dodání energie, tak opačný proces vytváření nových vazeb je vždy spojen s uvolňováním energie. Čím je vazba silnější, tím více energie se během jejího vytváření uvolní. V této konkrétní reakci se během vytváření nových vazeb uvolnilo více energie, než bylo potřeba dodat k zániku vazeb původních. Produkty mají tedy nižší potenciální energii než reaktanty. To znamená, že reakční entalpie je záporná.

Pokud to vyjádříme matematicky, tak reakční entalpii můžeme považovat za rozdíl mezi potenciální energií vazeb produktů a potenciální energií vazeb reaktantů.

Reakce, ve kterých produkty mají nižší potenciální energii než reaktanty, jako například výše uvedená hydrogenace propenu, se nazývají exotermické. Reakce, kde produkty mají vyšší potenciální energii než reaktanty, se nazývají endotermické.

Energie uvolněná při exotermické reakci nezmizí. Přemění se na kinetickou energii, přičemž dochází ke vzniku tepla. Tento proces se projevuje zvyšováním teploty v průběhu reakce. Na druhé straně, endotermické reakce vyžadují k tvorbě produktů dodání energie. V praxi to znamená provést reakci při vyšší teplotě se zdrojem tepla.

Jedním ze způsobů, jak vyčíslit hodnotu reakční entalpie, je využít standardní slučovaní entalpie všech zúčastněných molekul. Hodnota standardní slučovací entalpie popisuje změnu entalpie, ke které došlo při vzniku sloučeniny z jednotlivých prvků. Pokud odečteme standardní slučovací entalpie reaktantů od standardních slučovacích entalpií produktů, tak získáme zhruba hodnotu reakční entalpie uvažovaného systému. Pokud se chcete dozvědět o slučovacích entalpiích (které se také nazývají slučovací tepla) více a jak je využít k výpočtu reakční entalpie, podívejte se na toto video o standardním slučovacím teplu a na video o využití slučovacích tepel pro výpočet reakčních entalpií.

Alternativní přístup k odhadu reakčních entalpií je s využitím jednotlivých zúčastněných vazeb. Pokud víme, kolik energie potřebujeme k vytvoření a zániku jednotlivých vazeb, tak na základě těchto informací můžeme vypočítat reakční entalpii. Této metodě se budeme více věnovat ve zbývající části tohoto článku.

Vazebná entalpie (která je také známá jako entalpie vazby/disociace, průměrná vazebná energie nebo síla vazby) popisuje množství energie uložené ve vazbě mezi atomy v molekule. Konkrétně se jedná o energii, kterou je potřeba dodat pro homolytické nebo symetrické štěpení vazby sloučeniny v plynné fázi. Homolytické nebo symetrické štěpení vazby znamená, že každý z atomů, které se původně podílely na vazbě, získá po jednom elektronu a stane se tak radikálem na rozdíl od vytvoření iontu.

Chemické vazby vznikají, protože je to termodynamicky příznivé, a jejich zánik je tak nevyhnutelně spojen s dodáním energie. Z tohoto důvodu je vazebná energie vždy kladná a většinou má jednotky $\text{kJ/mol}$‍ nebo $\text{kcal/mol}$‍. Čím vyšší je vazebná entalpie, tím více energie je potřeba dodat k zániku vazby, a tím silnější je vazba. K určení, kolik energie se uvolní při vzniku nové vazby, nám stačí vzít zápornou hodnotu vazebné entalpie

Jelikož jsou hodnoty vazebné entalpie velmi praktické, tak ve fyzikálně-chemických tabulkách najdeme průměrné vazebné entalpie pro běžné vazby. Zatímco v realitě závisí energie spojená se vznikem a zánikem vazby také na sousedních atomech v konkrétní molekule, tak průměrné hodnoty, které jsou uvedené v tabulce, mohou dobře posloužit k jejich odhadu.

Tip: Vazebné hodnoty v tabulce jsou uvedeny pro jeden mol a pro jednoduchou vazbu. To znamená, že pokud v reakci dochází ke vzniku nebo zániku několika stejných vazeb, tak vazebnou entalpii musíte vynásobit počtem těchto vazeb v reakci. Také to znamená, že je důležité, aby reakce byla vyčíslená a stechiometrické koeficienty byly vyjádřeny pomocí nejmenšího celého kladného čísla. Jen tak bude dosazen správný počet jednotlivých vazeb.

Jakmile porozumíme vazebným entalpiím, můžeme je využít k odhadu reakční entalpie. Postupovat budeme následovně:

Krok 1. Urči, které vazby reaktantů zaniknou, a vyhledej hodnoty jejich vazebné entalpie.

Step 2. Sečti vazebnou entalpii zaniklých vazeb.

Krok 3. Urči vazby, které se nově vytvoří v produktu, a sepiš jejich záporné vazebné entalpie. Pamatuj na to, že jedině pokud změníme znaménko vazebné entalpie, tak získáme hodnotu energie uvolněné při vzniku vazby.

Krok 4. Sečti vazebné entalpie vazeb, které vznikly v produktu.

Krok 5. Zkombinuj celkové hodnoty pro zánik vazeb (z Kroku 2) a vznik vazeb (z Kroku 4), tím získáš reakční entalpii.

Nalezněme reakční entalpii pro hydrogenaci propenu, tedy pro reakci ze začátku tohoto článku.

V této reakci dojde k zániku jedné uhlíkové $\text{C}=\text{C}$‍ a jedné vodíkové $\text{H}-\text{H}$‍ vazby.

S využitím referenční tabulky vidíme, že vazebná entalpie vazby $\text{C}=\text{C}$‍ je $610\text{kJ/mol}$‍, zatímco vazebná entalpie vazby $\text{H}-\text{H}$‍ je $436\text{kJ/mol}$‍.

Kombinací hodnot z Kroku 1 získáme:

je celková energie nutná k zániku daných vazeb v propenu a plynném vodíku.

Během reakce se vytvoří jedná nová $\text{C}-\text{C}$‍ vazba a dvě nové $\text{C}-\text{H}$‍ vazby.

S využitím referenční tabulky víme, že vazebná energie vazby $\text{C}-\text{C}$‍ je $346\text{kJ/mol}$‍, zatímco vazebná energie vazby $\text{C}-\text{H}$‍ je $413\text{kJ/mol}$‍. K tomu, abychom zjistili, kolik energie se uvolní při vzniku těchto vazeb, musíme tyto vazebné entalpie vynásobit $-1$‍. A jelikož se vzniknou dvě nové vazby $\text{C}-\text{H}$‍, tak musíme vazebnou entalpii vazby $\text{C}-\text{H}$‍ vynásobit $2$‍.

Kombinací hodnot z kroku 3 získáme:

je celková energie, která se uvolní při vzniku nových vazeb.

Z Kroku 2 a Kroku 4 jsme získali, že je potřeba $1046\text{kJ}$‍ k zániku vazeb a že se uvolní $-1172\text{kJ}$‍ při vzniku vazeb. Kombinací těchto hodnot získáme reakční entalpii:

Jelikož je reakční entalpie hydrogenace propenu záporná, tak víme, že se jedná o exotermickou reakci.

Vazebná a reakční entalpie nám pomáhají pochopit změny energie chemického systému během reakce. Vazebná entalpie popisuje, kolik energie je potřeba ke vzniku nebo zániku vazby a také vyjadřuje sílu vazby. Kombinací hodnot vazebné entalpie pro všechny vzniklé a zaniklé vazby můžeme odhadnout celkovou změnu potenciální energie systému během reakce, což můžeme označit jako ${\mathrm{\Delta }}_{\text{r}}\text{H}$‍ pro reakci při konstantním tlaku. V závislosti na tom, zda je reakční entalpie kladná nebo záporná můžeme určit, zda se jedná o reakci endotermickou nebo exotermickou.