REAKCJA EGZERGONICZNA: CHARAKTERYSTYKA I PRZYKŁADY - CHEMIA - 2025

Reakcja egzoenergetyczna jest, że występuje spontanicznie, na ogół towarzyszy uwolnienie energii w postaci ciepła, światła albo dźwięku. Mówi się, że po uwolnieniu ciepła mamy do czynienia z reakcją egzotermiczną i egzergoniczną.

Dlatego terminy „egzotermiczny” i „egzergoniczny” są mylone, mylnie traktowane jako synonimy. Dzieje się tak, ponieważ wiele reakcji egzotermicznych jest również egzergonicznych. Dlatego jeśli obserwuje się duże wydzielanie ciepła i światła, na przykład spowodowane zapaleniem ognia, można przyjąć, że jest to reakcja egzergoniczna.

Spalanie drewna jest przykładem reakcji egzotermicznej i jednocześnie egzergonicznej. Źródło: Pixnio.

Jednak uwolniona energia może pozostać niezauważona i może nie być tak zaskakująca. Na przykład ciekłe medium może się lekko nagrzać i nadal być wynikiem reakcji egzergonicznej. W niektórych reakcjach egzergonicznych, które przebiegają zbyt wolno, nie obserwuje się nawet najmniejszego wzrostu temperatury.

Centralnym i charakterystycznym punktem tego typu reakcji termodynamicznych jest spadek energii swobodnej Gibbsa w produktach w stosunku do reagentów, co przekłada się na spontaniczność.

Charakterystyka reakcji egzergonicznych

Schemat ogólny

Diagram energetyczny reakcji egzergonicznej. Źródło: Gabriel Bolívar.

Główną cechą reakcji egzergonicznej jest to, że produkty mają niższe energie swobodne Gibss niż te z reagentów lub reagentów (górny obraz). Zwykle wiąże się to z większą stabilnością chemiczną produktów, silniejszymi wiązaniami, bardziej dynamiczną strukturą lub bardziej „komfortowymi” warunkami.

Dlatego ta różnica energii, ΔG, jest ujemna (ΔG <0). Ponieważ reakcja jest negatywna, teoretycznie powinna być spontaniczna. Jednak inne czynniki również definiują tę spontaniczność, takie jak energia aktywacji (wysokość wzgórza), temperatura oraz zmiany entalpii i entropii.

Wszystkie te zmienne, które odpowiadają naturze rozpatrywanego zjawiska lub reakcji chemicznej, pozwalają określić, czy reakcja będzie egzergoniczna. Można też zauważyć, że niekoniecznie musi to być reakcja egzotermiczna.

Gdy energia aktywacji jest bardzo wysoka, reagenty wymagają pomocy katalizatora w celu obniżenia wspomnianej bariery energetycznej. Dlatego istnieją reakcje egzergoniczne, które zachodzą przy bardzo małych prędkościach lub w ogóle nie występują.

Spadek darmowej energii systemu

Następujące wyrażenie matematyczne obejmuje powyższe:

ΔG = ΔH - TΔS

Termin ΔH jest dodatni, jeśli jest reakcją endotermiczną, i ujemny, jeśli jest egzotermiczny. Jeśli chcemy, aby ΔG było ujemne, składnik TΔS musi być bardzo duży i dodatni, tak aby przy odejmowaniu od ΔH wynik operacji był również ujemny.

Dlatego i to jest kolejna szczególna cecha reakcji egzergonicznych: obejmują one dużą zmianę entropii układu.

Zatem biorąc pod uwagę wszystkie terminy, możemy być obecni przed reakcją egzergoniczną, ale jednocześnie endotermiczną; to znaczy przy dodatnim ΔH, bardzo wysokiej temperaturze lub dużej zmianie entropii.

Większość reakcji egzergonicznych jest również egzotermicznych, ponieważ jeśli ΔH jest ujemne i odejmując inny składnik, który jest jeszcze bardziej ujemny, otrzymamy ΔG o wartości ujemnej; chyba że TΔS jest ujemne (zmniejsza się entropia), a zatem reakcja egzotermiczna stałaby się endergoniczna (nie spontaniczna).

Należy podkreślić, że spontaniczność reakcji (niezależnie od tego, czy jest egzergoniczna, czy nie), zależy w dużym stopniu od warunków termodynamicznych; podczas gdy prędkość, z jaką przechodzi, wynika z czynników kinetycznych.

Spontaniczność reakcji egzergonicznej

Z tego, co zostało powiedziane, wiadomo już, że reakcja egzergoniczna jest spontaniczna, niezależnie od tego, czy jest egzotermiczna, czy nie. Na przykład związek można rozpuścić w wodzie, schładzając go razem z pojemnikiem. Ten proces rozpuszczania jest endotermiczny, ale kiedy zachodzi spontanicznie, mówi się, że jest egzergoniczny.

Reakcja egzotermiczna

Są reakcje „bardziej egzergoniczne” niż inne. Aby się tego dowiedzieć, ponownie miej pod ręką następujące wyrażenie:

ΔG = ΔH - TΔS

Najbardziej egzergoniczne reakcje to te, które zachodzą spontanicznie we wszystkich temperaturach. Oznacza to, że niezależnie od wartości T w powyższym wyrażeniu, ΔH jest ujemne, a ΔS dodatnie (ΔH <0 i ΔS> 0). Są więc reakcjami bardzo egzotermicznymi, co nie zaprzecza pierwotnej idei.

Podobnie, mogą wystąpić reakcje egzotermiczne, w których entropia układu maleje (ΔS <0); tak jak dzieje się to w syntezie makrocząsteczek lub polimerów. W tym przypadku są to reakcje egzergoniczne tylko w niskich temperaturach, ponieważ w przeciwnym razie składnik TΔS byłby bardzo duży i ujemny.

Reakcja endotermiczna

Z drugiej strony istnieją reakcje, które są spontaniczne tylko w wysokich temperaturach: gdy ΔH jest dodatnia i ΔS dodatnia (ΔH> 0 i ΔS> 0). Mówimy o reakcjach endotermicznych. Dlatego spadki temperatury mogą zachodzić spontanicznie, ponieważ niosą ze sobą wzrost entropii.

Tymczasem zdarzają się reakcje, które wcale nie są egzergoniczne: gdy ΔH i ΔS mają wartości dodatnie. W takim przypadku, bez względu na temperaturę, reakcja nigdy nie zajdzie spontanicznie. Mówimy o niespontanicznej reakcji endergonicznej.

Przykłady reakcji egzergonicznych

Chemia zwykle charakteryzuje się wybuchowością i jasnością, dlatego zakłada się, że większość reakcji jest egzotermiczna i egzergoniczna.

Spalanie

Reakcje egzergoniczne to spalanie alkanów, olefin, węglowodorów aromatycznych, cukrów itp.

Utleniania metali

Podobnie utleniania metali są egzergoniczne, chociaż zachodzą wolniej.

Reakcje kataboliczne organizmu

Są jednak inne procesy, bardziej subtelne, które są również egzergoniczne i bardzo ważne: reakcje kataboliczne naszego metabolizmu. Tu rozpadają się makrocząsteczki, które pełnią rolę rezerwuarów energii, uwalniając się w postaci ciepła i ATP, dzięki czemu organizm pełni wiele swoich funkcji.

Najbardziej charakterystyczną z tych reakcji jest oddychanie komórkowe, w przeciwieństwie do fotosyntezy, w której węglowodany są „spalane” tlenem, aby przekształcić je w małe cząsteczki (CO ₂ i H ₂ O) oraz energię.

Inni

Wśród innych reakcji egzergonicznych mamy wybuchowy rozkład trójjodku azotu NI ₃ ; dodanie metali alkalicznych do wody, a następnie wybuch; synteza polimerów etoksylowanych żywic; neutralizacje kwasowo-zasadowe w roztworze wodnym; i reakcje chemo-luminescencyjne.

Bibliografia

1. Whitten, Davis, Peck & Stanley. (2008). Chemia (8th ed.). CENGAGE Learning.
2. Walter J. Moore. (1963). Chemia fizyczna. W kinetyce chemicznej. Wydanie czwarte, Longmans.
3. Ira N. Levine. (2009). Zasady fizykochemii. Wydanie szóste, str. 479–540. Mc Graw Hill.
4. Wikipedia. (2020). Reakcja egzergoniczna. Odzyskane z: en.wikipedia.org
5. Helmenstine, Anne Marie, Ph.D. (16 września 2019). Reakcje i procesy endergoniczne vs egzergoniczne. Odzyskany z: thinkco.com
6. Reakcja egzergoniczna: definicja i przykład. (18 września 2015). Odzyskany z: study.com
7. Khan academy. (2018). Darmowa energia. Odzyskane z: es.khanacademy.org