ЕКСТЕРГОНІЧНА РЕАКЦІЯ: ХАРАКТЕРИСТИКИ ТА ПРИКЛАДИ - ХІМІЯ - 2025

Екзергоніческая реакція є той , який відбувається спонтанно і , як правило , супроводжується виділенням енергії, або у вигляді тепла, світло або звук. Коли тепло вивільняється, говориться, що ми стикаємося з екзотермічною та ексергонічною реакцією.

Ось чому терміни "екзотермічний" та "ексергонічний" плутаються, стаючи помилково трактуються як синоніми. Це відбувається тому, що багато екзотермічних реакцій також є ергонічними. Тому, якщо спостерігається велике виділення тепла і світла, наприклад, спричинене запаленням вогню, можна вважати, що він складається з ексергонічної реакції.

Горіння деревини є прикладом екзотермічної та водночас ергонічної реакції. Джерело: Pixnio.

Однак енергія, що вивільняється, може залишитися непоміченою і може бути не такою дивною. Наприклад, рідке середовище може трохи нагріватися і все-таки бути результатом ексергонічної реакції. У деяких ексергонічних реакціях, що протікають занадто повільно, не спостерігається навіть найменшого підвищення температури.

Центральним і характерним моментом цього типу термодинамічних реакцій є зменшення вільної енергії Гіббса у продуктах відносно реагентів, що перетворюється на спонтанність.

Характеристика ексергонічних реакцій

Загальна схема

Енергетична діаграма для ексергонічної реакції Джерело: Габріель Болівар.

Основна характеристика ексергонічної реакції полягає в тому, що продукти мають менші вільні енергії Гібсса, ніж енергії реагентів або реагентів (верхнє зображення). Цей факт, як правило, асоціюється з тим, що продукти є хімічно стійкішими, міцнішими зв'язками, більш динамічними структурами або більш «комфортними» умовами.

Тому ця різниця енергії ΔG негативна (ΔG <0). Будучи негативною, реакція теоретично повинна бути спонтанною. Однак інші фактори також визначають цю спонтанність, наприклад енергію активації (висота пагорба), температуру та зміни ентальпії та ентропії.

Усі ці змінні, що відповідають природі розглянутого явища чи хімічної реакції, дозволяють нам визначити, чи буде реакція ексергонічною чи ні. І також буде видно, що це не обов'язково має бути екзотермічною реакцією.

Коли енергія активації дуже велика, реагенти потребують допомоги каталізатора для зниження зазначеного енергетичного бар'єру. Ось чому існують ексергонічні реакції, які відбуваються з дуже низькою швидкістю, або які взагалі не відбуваються.

Зниження вільної енергії системи

Наступне математичне вираження охоплює вищезгадане:

ΔG = ΔH - TΔS

Термін ΔH позитивний, якщо це ендотермічна реакція, і негативний, якщо він є екзотермічним. Якщо ми хочемо, щоб ΔG був негативним, термін TΔS повинен бути дуже великим і позитивним, так що при відніманні від ΔH результат операції також буде негативним.

Тому і це ще одна особливість екстрегонічних реакцій: вони передбачають велику зміну ентропії системи.

Таким чином, беручи до уваги всі терміни, ми можемо бути присутніми перед екстрегонічною реакцією, але в той же час ендотермічною; тобто при позитивному ΔH дуже висока температура або велика зміна ентропії.

Більшість ексергонічних реакцій також є екзотермічними, оскільки якщо ΔH негативний, і віднімаючи ще один негативний термін, ми матимемо, таким чином, ΔG з негативним значенням; якщо TΔS не є негативним (ентропія знижується), і тому екзотермічна реакція стала б ендергонічною (не спонтанною).

Важливо підкреслити, що спонтанність реакції (екстрегонічна вона чи ні) сильно залежить від термодинамічних умов; тоді як швидкість, з якою вона проходить, обумовлена ​​кінетичними факторами.

Спонтанність ексергонічної реакції

З сказаного вже відомо, що ексергонічна реакція є спонтанною, будь вона екзотермічна. Наприклад, з'єднання можна розчиняти у воді, охолоджуючи його разом із контейнером. Цей процес розчинення є ендотермічним, але коли це відбувається мимовільно, він вважається ексергонічним.

Екзотермічна реакція

Є "більш ергонічні" реакції, ніж інші. Щоб дізнатися це, знову зберігайте цей вираз під рукою:

ΔG = ΔH - TΔS

Найбільш ергонічні реакції - це ті, що виникають спонтанно при будь-яких температурах. Тобто, незалежно від значення T у наведеному вище виразі, ΔH від'ємний, а SS позитивний (ΔH <0 і ΔS> 0). Тому вони є дуже екзотермічними реакціями, що не суперечить початковій ідеї.

Так само можуть виникати екзотермічні реакції, коли ентропія системи зменшується (ΔS <0); так само, як це відбувається при синтезі макромолекул або полімерів. У цьому випадку вони є ексергонічними реакціями лише при низьких температурах, оскільки в іншому випадку термін TΔS був би дуже великим і негативним.

Ендотермічна реакція

З іншого боку, існують реакції, які є лише спонтанними при високих температурах: коли ΔH позитивний і ΔS позитивний (ΔH> 0 і ΔS> 0). Ми говоримо про ендотермічні реакції. Ось чому зниження температури може відбутися мимовільно, оскільки вони несуть із собою збільшення ентропії.

Тим часом існують реакції, які взагалі не є екстрегонічними: коли ΔH і ΔS мають позитивні значення. У цьому випадку, незалежно від температури, реакція ніколи не відбудеться спонтанно. Ми говоримо про неспонтанну ендергонічну реакцію.

Приклади ексергонічних реакцій

Хімія зазвичай характеризується тим, що вона є вибухонебезпечною та яскравою, тому передбачається, що більшість реакцій є екзотермічними та ексергонічними.

Горіння

Екстергонічні реакції - це спалювання алканів, олефінів, ароматичних вуглеводнів, цукрів тощо.

Окислення металів

Аналогічно окислення металів є ексергонічними, хоча вони відбуваються повільніше.

Катаболічні реакції організму

Однак існують і інші, більш тонкі процеси, які також є екстрегонічними і дуже важливими: катаболічні реакції нашого метаболізму. Тут макромолекули руйнуються, які виступають резервуарами енергії, вивільняючи себе у вигляді тепла та АТФ, завдяки чому організм виконує багато своїх функцій.

Найбільш емблематичною з цих реакцій є клітинне дихання, на відміну від фотосинтезу, коли вуглеводи «спалюються» киснем, щоб перетворити їх у малі молекули (CO ₂ та H ₂ O) та енергію.

Інші

Серед інших ексергонічних реакцій ми маємо вибухове розкладання трийодиду азоту, NI ₃ ; додавання у воду лужних металів з подальшим вибухом; полімерний синтез етоксильованих смол; кислотно-лужне нейтралізація у водному розчині; і хіміолюмінесцентні реакції.

Список літератури

1. Віттен, Девіс, Пек і Стенлі. (2008). Хімія (8-е видання). CENGAGE Навчання.
2. Вальтер Дж. Мур. (1963). Фізична хімія. У хімічній кінетиці. Четверте видання, Лонгманс.
3. Іра Н. Левін. (2009). Принципи фізикохімії. Шосте видання, стор. 479-540. Mc Graw Hill.
4. Вікіпедія. (2020). Екстрагонічна реакція. Відновлено з: en.wikipedia.org
5. Гельменстін, Анна Марі, к.т.н. (16 вересня 2019 р.). Ендергонічні проти екстергонічні реакції та процеси. Відновлено з: thinkco.com
6. Екстергонічна реакція: визначення та приклад. (2015 р., 18 вересня). Відновлено з: study.com
7. Академія хана. (2018). Вільна енергія. Відновлено: es.khanacademy.org