EKSERGONISKĀ REAKCIJA: RAKSTURLIELUMI UN PIEMĒRI - ĶĪMIJA - 2025

Exergonic reakcija ir viens, kas notiek spontāni un parasti pievieno atbrīvot enerģiju, vai nu kā siltuma, gaismas vai skaņu. Kad siltums tiek atbrīvots, tiek teikts, ka mēs saskaramies ar eksotermisku un eksergonisku reakciju.

Tāpēc sajaucas termini “eksotermisks” un “eksergonisks”, kļūdaini tos uzskatot par sinonīmiem. Tas notiek tāpēc, ka daudzas eksotermiskas reakcijas ir arī eksergoniskas. Tāpēc, ja tiek novērota liela siltuma un gaismas izdalīšanās, piemēram, ugunsgrēka izcelšanās, var pieņemt, ka tā sastāv no eksergoniskas reakcijas.

Koksnes sadedzināšana ir eksotermiskas un vienlaikus eksergoniskas reakcijas piemērs. Avots: Pixnio.

Tomēr atbrīvotā enerģija var palikt nepamanīta, un tā var nebūt tik pārsteidzoša. Piemēram, šķidra vide var nedaudz sakarst, un tā joprojām ir eksergoniskas reakcijas rezultāts. Dažās eksergoniskās reakcijās, kas notiek pārāk lēni, netiek novērots pat vismazākais temperatūras paaugstināšanās.

Šāda veida termodinamisko reakciju centrālais un raksturīgais punkts ir Gibsa brīvās enerģijas samazināšanās produktos attiecībā pret reaģentiem, kas pārvēršas spontanitātē.

Eksergonisko reakciju raksturojums

Vispārīgā diagramma

Eksergoniskas reakcijas enerģijas diagramma. Avots: Gabriel Bolívar.

Eksergoniskās reakcijas galvenā īpašība ir tāda, ka produktiem ir zemāka Gibss enerģija nekā reaktīviem vai reaģentiem (augšējais attēls). Šis fakts parasti tiek saistīts ar to, ka produkti ir ķīmiski stabilāki, ar stiprākām saitēm, dinamiskākām struktūrām vai “ērtākiem” apstākļiem.

Tādēļ šī enerģijas starpība ΔG ir negatīva (ΔG <0). Tā kā reakcija ir negatīva, teorētiski tai vajadzētu būt spontānai. Tomēr arī citi faktori nosaka šo spontanitāti, piemēram, aktivizācijas enerģija (kalna augstums), temperatūra un entalpijas un entropijas izmaiņas.

Visi šie mainīgie, kas reaģē uz aplūkotās parādības vai ķīmiskās reakcijas raksturu, ļauj noteikt, vai reakcija būs eksergoniska. Un arī būs redzams, ka tai nav obligāti jābūt eksotermiskai reakcijai.

Ja aktivizācijas enerģija ir ļoti liela, reaģentiem nepieciešama katalizatora palīdzība, lai pazeminātu minēto enerģijas barjeru. Tāpēc ir eksergoniskas reakcijas, kas notiek ar ļoti mazu ātrumu vai kuras vispār nenotiek.

Sistēmas brīvās enerģijas samazināšanās

Šādu matemātisku izteiksmi veido iepriekšminētais:

ΔG = ΔH - TΔS

ΔH termins ir pozitīvs, ja tā ir endotermiska reakcija, un negatīvs, ja tas ir eksotermisks. Ja vēlamies, lai ΔG būtu negatīvs, TΔS termiņam jābūt ļoti lielam un pozitīvam, lai, atņemot no ΔH, arī operācijas rezultāts būtu negatīvs.

Tāpēc, un tā ir vēl viena eksergonisko reakciju īpašā iezīme: tās ir saistītas ar lielām izmaiņām sistēmas entropijā.

Tādējādi, ņemot vērā visus terminus, mēs varam būt klāt pirms eksergoniskas reakcijas, bet tajā pašā laikā endotermiski; tas ir, ar pozitīvu ΔH, ļoti augstu temperatūru vai lielām entropijas izmaiņām.

Lielākā daļa eksergonisko reakciju ir arī eksotermiskas, jo, ja ΔH ir negatīvs, un, atņemot vēl vienu negatīvāku terminu, mums attiecīgi būs ΔG ar negatīvu vērtību; ja vien TΔS nav negatīvs (entropija samazinās), un tāpēc eksotermiskā reakcija kļūtu endergona (nevis spontāna).

Ir svarīgi uzsvērt, ka reakcijas spontanitāte (neatkarīgi no tā, vai tā ir vai nav eksergoniska) ir lielā mērā atkarīga no termodinamiskajiem apstākļiem; savukārt ātrums, ar kādu tas iet, ir kinētisko faktoru ietekmē.

Eksergoniskas reakcijas spontānums

No tā, kas tika teikts, jau ir zināms, ka eksergoniskā reakcija ir spontāna neatkarīgi no tā, vai tā ir eksotermiska. Piemēram, savienojumu var izšķīdināt ūdenī, atdzesējot to kopā ar trauku. Šis izšķīšanas process ir endotermisks, bet, kad tas notiek spontāni, tiek uzskatīts, ka tas ir eksergonisks.

Eksotermiska reakcija

Ir "vairāk eksergoniskas" reakcijas nekā citas. Lai uzzinātu, atkal glabājiet šo izteiksmi:

ΔG = ΔH - TΔS

Eksergoniskākās reakcijas ir tās, kas notiek spontāni visās temperatūrās. Tas ir, neatkarīgi no T vērtības iepriekšminētajā izteiksmē, ΔH ir negatīvs un ΔS pozitīvs (ΔH <0 un ΔS> 0). Tāpēc tās ir ļoti eksotermiskas reakcijas, kas nav pretrunā ar sākotnējo ideju.

Tāpat var būt eksotermiskas reakcijas, kad samazinās sistēmas entropija (ΔS <0); tāpat kā tas notiek makromolekulu vai polimēru sintēzē. Šajā gadījumā tās ir eksergoniskas reakcijas tikai zemā temperatūrā, jo pretējā gadījumā TΔS termins būtu ļoti liels un negatīvs.

Endotermiska reakcija

No otras puses, ir reakcijas, kas notiek tikai spontāni augstā temperatūrā: kad ΔH ir pozitīvs un ΔS pozitīvs (ΔH> 0 un ΔS> 0). Mēs runājam par endotermiskām reakcijām. Tāpēc temperatūras pazemināšanās var notikt spontāni, jo tie nes entropijas palielināšanos.

Tikmēr ir reakcijas, kas nepavisam nav eksergoniskas: kad ΔH un ΔS ir pozitīvas vērtības. Šajā gadījumā neatkarīgi no tā, kāda ir temperatūra, reakcija nekad nenotiks spontāni. Mēs runājam par nespontānu endergonisku reakciju.

Eksergonisko reakciju piemēri

Ķīmiju parasti raksturo sprādzienbīstama un spilgta, tāpēc tiek pieņemts, ka lielākā daļa reakciju ir eksotermiskas un eksergoniskas.

Sadegšana

Eksergoniskas reakcijas ir alkānu, olefīnu, aromātisko ogļūdeņražu, cukuru utt. Sadedzināšana.

Metālu oksidācijas

Tāpat metālu oksidācijas ir eksergoniskas, kaut arī tās notiek lēnāk.

Ķermeņa kataboliskās reakcijas

Tomēr ir arī citi procesi, smalkāki, kas arī ir eksergoniski un ļoti svarīgi: mūsu metabolisma kataboliskās reakcijas. Šeit makromolekulas sadalās, kas darbojas kā enerģijas rezervuāri, atbrīvojot sevi siltuma un ATP formā, un pateicoties tam ķermenis pilda daudzas savas funkcijas.

Simboliskākais no šīm reakcijām ir šūnu elpošana, nevis fotosintēze, kurā ogļhidrāti tiek “sadedzināti” ar skābekli, lai tos pārveidotu mazās molekulās (CO ₂ un H ₂ O) un enerģijā.

Citi

Starp citām eksergoniskām reakcijām mums ir sprādzienbīstams slāpekļa trijodīda NI ₃ sadalīšanās ; sārmu metālu pievienošana ūdenim, kam seko eksplozija; etoksilēto sveķu polimēru sintēze; skābes bāzes neitralizēšana ūdens šķīdumā; un ķīmiski luminiscējošās reakcijas.

Atsauces

1. Vaitens, Deiviss, Peks un Stenlijs. (2008). Ķīmija (8. izd.). CENGAGE mācīšanās.
2. Valters J. Mūrs. (1963). Fizikālā ķīmija. Ķīmiskajā kinētikā. Ceturtais izdevums, Longmans.
3. Ira N. Levine. (2009). Fizikāli ķīmijas principi. Sestais izdevums, 479.-540. Lpp. Mc Graw Hill.
4. Wikipedia. (2020). Eksergoniskā reakcija. Atgūts no: en.wikipedia.org
5. Helmenstine, Anne Marie, Ph.D. (2019. gada 16. septembris). Endergonic vs Exergonic reakcijas un procesi. Atgūts no: domaco.com
6. Eksergoniskā reakcija: definīcija un piemērs. (2015. gads, 18. septembris). Atgūts no: study.com
7. Hanas akadēmija. (2018). Bezmaksas enerģija. Atgūts no: es.khanacademy.org