Skip to main content
LibreTexts - Ukrayinska

3.9: Енергія в хімічних реакціях

  1. Last updated
  2. Save as PDF
  • Page ID
    5550

    • \( \newcommand{\vecs}[1]{\overset { \scriptstyle \rightharpoonup} {\mathbf{#1}} } \) \( \newcommand{\vecd}[1]{\overset{-\!-\!\rightharpoonup}{\vphantom{a}\smash {#1}}} \)\(\newcommand{\id}{\mathrm{id}}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \( \newcommand{\kernel}{\mathrm{null}\,}\) \( \newcommand{\range}{\mathrm{range}\,}\) \( \newcommand{\RealPart}{\mathrm{Re}}\) \( \newcommand{\ImaginaryPart}{\mathrm{Im}}\) \( \newcommand{\Argument}{\mathrm{Arg}}\) \( \newcommand{\norm}[1]{\| #1 \|}\) \( \newcommand{\inner}[2]{\langle #1, #2 \rangle}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \(\newcommand{\id}{\mathrm{id}}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \( \newcommand{\kernel}{\mathrm{null}\,}\) \( \newcommand{\range}{\mathrm{range}\,}\) \( \newcommand{\RealPart}{\mathrm{Re}}\) \( \newcommand{\ImaginaryPart}{\mathrm{Im}}\) \( \newcommand{\Argument}{\mathrm{Arg}}\) \( \newcommand{\norm}[1]{\| #1 \|}\) \( \newcommand{\inner}[2]{\langle #1, #2 \rangle}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\)

    Повільний опік

    Ці старі залізні ланцюги виділяють невелику кількість тепла, оскільки вони іржавіють. Іржавіння заліза - це хімічний процес. Він виникає, коли залізо і кисень проходять хімічну реакцію, схожу на горіння, або горіння. Хімічна реакція, що виникає, коли щось горить, очевидно, виділяє енергію. Ви можете відчути тепло, і ви, можливо, зможете побачити світло полум'я. Іржавіння заліза - процес набагато повільніший, але воно все одно виділяє енергію. Просто він виділяє енергію так повільно, що ви не можете виявити зміну температури.

    Іржавий ланцюг
    Малюнок\(\PageIndex{1}\): Іржавий ланцюг

    Що таке хімічна реакція?

    Хімічна реакція - це процес, який змінює одні хімічні речовини на інші. Речовина, що запускає хімічну реакцію, називається реагентом, а речовина, що утворюється в результаті хімічної реакції, називається продуктом. Під час реакції реагенти використовуються до створення продуктів.

    Ще одним прикладом хімічної реакції є спалювання газу метану, показаний на рис\(\PageIndex{2}\). У цій хімічній реакції реагентами є метан (CH4) та кисень (O2), а продукти - вуглекислий газ (CO2) та вода (H2O). Як показує цей приклад, хімічна реакція передбачає розрив і формування хімічних зв'язків. Хімічні зв'язки - це сили, які утримують разом атоми молекули. Зв'язки виникають, коли атоми поділяють електрони. При згорянні метану, наприклад, розриваються зв'язки всередині молекул метану і кисню, і в молекулах вуглекислого газу і води утворюються нові зв'язки.

    блакитне полум'я печі
    Малюнок\(\PageIndex{2}\): Полум'я від спалювання метану

    Хімічні рівняння

    Хімічні реакції можуть бути представлені хімічними рівняннями. Хімічне рівняння - це символічний спосіб показати, що відбувається під час хімічної реакції. Наприклад, спалювання метану можна представити хімічним рівнянням:

    \[\ce{CH_4 + 2O_2 \rightarrow CO_2 + 2 H_2O}\]

    Стрілка в хімічному рівнянні відокремлює реагенти від продуктів і показує напрямок, в якому протікає реакція. Якщо реакція може відбуватися і в зворотному напрямку, використовувалися б дві стрілки, що вказують у протилежні сторони. Число 2 перед O 2 і H 2 O показує, що в реакції беруть участь дві молекули кисню і дві молекули води. Якщо задіяна лише одна молекула, перед хімічним символом не ставиться жодне число.

    Роль енергії в хімічних реакціях

    Іржавіння або горіння матерії - поширені приклади хімічних змін. Хімічні зміни передбачають хімічні реакції, при яких деякі речовини, звані реагентами, змінюються на молекулярному рівні, утворюючи нові речовини, звані продуктами. Всі хімічні реакції включають енергію. Однак не всі хімічні реакції виділяють енергію, як це роблять іржавіння і горіння. У деяких хімічних реакціях енергія поглинається, а не виділяється.

    Ексергонічні реакції

    Хімічна реакція, що виділяє енергію, називається ексергоніческой реакцією. Цей тип реакції може бути представлений загальним хімічним рівнянням:

    \[\mathrm{Reactants \rightarrow Products + Energy}\]

    Окрім іржі та горіння, приклади екзотермічних реакцій включають хлор, що поєднується з натрієм з утворенням кухонної солі. Розпад органічної речовини також вивільняє енергію через ексергонічних реакцій. Іноді холодним ранком можна побачити пар, що піднімається з компостної купи через цих хімічних реакцій (див. Рис.\(\PageIndex{3}\)). Ексергонічні хімічні реакції також відбуваються в клітині живих істот. У хімічному процесі, подібному до горіння, званому клітинним диханням, цукрова глюкоза «спалюється», щоб забезпечити клітини енергією.

    Пропарювання компосту
    Малюнок\(\PageIndex{3}\): Ця компостна купа розпарюється, оскільки вона набагато тепліша, ніж холодне повітря навколо неї. Тепло надходить від усіх екзотермічних хімічних реакцій, що відбуваються всередині компосту, коли він розкладається.

     

    Ендергонічні реакції

    Хімічна реакція, яка поглинає енергію, називається ендергонічної реакцією. Цей тип реакції також може бути представлений загальним хімічним рівнянням:

    \[\mathrm{Reactants + Energy \rightarrow Products}\]

    Ви коли-небудь використовували хімічну холодну упаковку, як на малюнку нижче? Пакет остигає через ендергонічної реакції. Коли трубка всередині упаковки зламана, вона виділяє хімічну речовину, яка реагує з водою всередині упаковки. Ця реакція поглинає теплову енергію і швидко охолоджує вміст пачки.

    пакет з льодом
    Малюнок\(\PageIndex{4}\): Ця упаковка застуджується через ендергонічну реакцію

    Багато інших хімічних процесів включають ендергонічні реакції. Наприклад, більшість приготування їжі та випічки передбачає використання енергії для отримання хімічних реакцій. Не можна спекти торт або приготувати яйце без додавання теплової енергії. Можливо, найважливіші ендергонічні реакції відбуваються під час фотосинтезу. Коли рослини виробляють цукор шляхом фотосинтезу, вони беруть світлову енергію для живлення необхідних ендергонічних реакцій. Цукор, який вони виробляють, забезпечує рослини та практично всі інші живі істоти глюкозою для клітинного дихання.

    Енергія активації

    Для початку всіх хімічних реакцій потрібна енергія. Навіть реакції, які вивільняють енергію, потребують заряд енергії для того, щоб почати. Енергія, необхідна для початку хімічної реакції, називається енергією активації. Енергія активації схожа на поштовх, необхідний дитині, щоб почати спускатися з гірки дитячого майданчика. Штовх дає дитині достатньо енергії, щоб почати рухатися, але як тільки вона починає, вона продовжує рухатися, не натискаючи знову. Енергія активації проілюстрована на малюнку\(\PageIndex{5}\).

    Навіщо всім хімічним реакціям потрібна енергія для початку? Для того щоб реакції почалися, молекули реагентів повинні натикатися один в одного, тому вони повинні рухатися, а рух вимагає енергії. Коли молекули реагентів збиваються, вони можуть відштовхуватися один від одного через міжмолекулярні сили, що розсовують їх. Подолання цих сил, щоб молекули могли зібратися разом і реагувати також вимагає енергії.

    графік енергії активації
    Малюнок\(\PageIndex{5}\): Ця діаграма енергії активації показує реагенти зліва і продукти праворуч. Зверніть увагу, що реагенти зайці на більш високому енергетичному рівні, ніж продукти; тому ця реакція вивільняє енергію в цілому. Але реакція споживає енергію для початку - це енергія активації реакції.

    Рецензія

    1. Що таке хімічна реакція?
    2. Визначте реагенти і продукти в хімічній реакції.
    3. Перерахуйте три приклади загальних змін, які передбачають хімічні реакції.
    4. Визначте хімічний зв'язок.
    5. Що таке хімічне рівняння? Наведемо приклад.
    6. Наші клітини використовують глюкозу (C 6 H 12 O 6) для отримання енергії в хімічній реакції, яка називається клітинним диханням. У цій реакції шість молекул кисню (O 2) вступають в реакцію з однією молекулою глюкози. Дайте відповідь на наступні питання з приводу цієї реакції.
      1. Скільки атомів кисню в одній молекулі глюкози?
      2. Випишіть, як виглядатиме реактивна сторона цього рівняння.
      3. Скільки атомів кисню в цілому в реагентах? Поясніть, як ви розрахували свою відповідь.
      4. Скільки атомів кисню в продуктах в цілому? Чи можна відповісти на це питання, не знаючи, що собою являє продукція? Чому чи чому ні?
    7. Дайте відповідь на наступні питання щодо рівняння, яке ви бачили вище: CH 4 + 2O 2 → CO 2 + 2H 2 O
      1. Чи може вуглекислий газ (СО 2) перетворитися на метан (CH 4) та кисень (O 2) у цій реакції? Чому чи чому ні?
      2. Скільки молекул вуглекислого газу (СО 2) утворюється в цій реакції?
    8. Чи є випаровування рідкої води у водяну пару хімічною реакцією? Чому чи чому ні
    9. Чому розриваються зв'язки в реагентах під час хімічної реакції?
    10. Контрастні ендергонічні та ексергонічні хімічні реакції. Наведіть приклад кожного.
    11. Визначте енергію активації.
    12. Поясніть, чому всі хімічні реакції вимагають енергії активації.
    13. Тепло - це форма ____________.
    14. В якому типі реакції додається тепло до реагентів?
    15. При якому типі реакції виробляється тепло?
    16. Якби до ендотермічної реакції не додавалася теплова енергія, чи відбулася б ця реакція? Чому чи чому ні?
    17. Якби до екзотермічної реакції не додавалася теплова енергія, чи відбулася б ця реакція? Чому чи чому ні?
    18. Поясніть, чому хімічна холодна упаковка відчуває холод при активації.
    19. Поясніть, чому клітинне дихання і фотосинтез є «протилежностями» один одного.
    20. Поясніть, як сонце побічно дає нашим клітинам енергію.

    Дізнатися більше

    https://bio.libretexts.org/link?17002#Explore_More

    Перегляньте відео нижче, щоб дізнатися більше про енергію активації.

    Атрибуції

    1. Мережа від Daplaza, ліцензована CC BY-SA 3.0 через Вікісховище
    2. Пальник газової плити Синє полум'я Федеріко Кардонер, ліцензований CC BY 2.0 через Flickr
    3. Пропарювання компосту Люкабоном, CC BY-SA 4.0 через Wikimedia Commons
    4. Кулер Джулі Магро, ліцензований CC BY 2.0 через Flickr
    5. Енергія активації від Гани Завадської для ліцензії CK-12 CC BY-NC 3.0
    6. Текст адаптований з біології людини CK-12 ліцензований CC BY-NC 3.0