5.8: Енергетика хімічних реакцій

Last updated
Save as PDF

Page ID: 17929

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

Багато хімічних реакцій, про які ми говорили в цьому розділі, відбуваються з генерацією значної кількості світла та тепла. Яскравим прикладом є реакція синтезу між цинком і сіркою, описана рівнянням, показаним нижче.

Zn (s) + S (и) → ZnS (и)

Спочатку обидва елементи присутні у вигляді дрібних порошків. Їх перемішують (ретельно) і суміш стійко сидить на лабораторному стенді. Однак при торканні суміші нагрітим металевим стрижнем відбувається бурхлива реакція (реакція називається екзотермічної; виробляє тепло) і в якості продукту утворюється сульфід цинку. Реакція, очевидно, сприятлива, так навіщо їй потрібно тепло, щоб почати реакцію? Це поняття можна зрозуміти, розглянувши діаграму координат реакції для простої одноетапної реакції.

На діаграмі координат реакції вісь y відповідає енергії. Початкова і кінцева «енергетичні свердловини» являють собою енергії наземного стану реагентів і продуктів, а шлях, що з'єднує їх, описує енергетичні зміни, що відбуваються в ході реакції.

Дивлячись на діаграму координат реакції реакції сульфіду цинку, реагенти сидять на початковому енергетичному рівні, характерному та унікальному для кожного елемента або сполуки. Так само сульфід цинку сидить на нижчому загальному енергетичному рівні; це означає, що перетворення елементів у сполуку є сприятливим і що тепло виділяється під час реакції. Якби енергетичний рівень продуктів був вищим, ніж у реагентів, реакція була б несприятливою і тепло поглиналося б під час реакції (реакція, як кажуть, ендотермічна; споживає тепло).

Чому ж тоді реакція сульфіду цинку потребує введення енергії перед початком реакції? Відповідь полягає в криволінійному шляху, який з'єднує реагенти та продукти на діаграмі координат реакції. Для того щоб цинк-сірчана суміш вступила в реакцію, в систему необхідно ввести достатню кількість енергії, щоб енергетичний рівень реагентів дорівнював найвищому пагорбу на діаграмі. Як тільки ця точка буде досягнута, реагенти можуть «впасти» на енергетичний пагорб і утворювати більш стабільні продукти (з еволюцією всієї надлишкової енергії, як тепло, світло тощо).

Вершина енергетичного пагорба на діаграмі координат реакції називається перехідним станом (або активованим комплексом). У сучасній хімічній теорії перехідний стан - це енергетичний максимум, відповідний процесам зв'язування та розриву зв'язків. Енергія, необхідна для переходу від реагентів до перехідного стану, є енергією активації. Реакції, які відбуваються з невеликою потребою в теплі, просто мають невелику енергію активації. Величина енергії активації контролює швидкість реакції, а різниця енергії між реагентами і продуктами контролює рівноважний розподіл продуктів і реагентів в оборотній реакції. Ми повернемося до цих понять, коли ми розглянемо швидкість реакції та рівновагу пізніше в книзі.