5.9: Енергія в хімічних реакціях

Крім змін розподілу маси серед різних хімічних видів, що відбуваються при хімічних реакціях, ще одним важливим учасником хімічних реакцій є енергія. Розділ 15 визначає і обговорює енергетику більш детально. Тут енергія розглядається у вигляді тепла, що виявляється рухом атомів і молекул і як хімічна енергія, яка є енергією, що зберігається в хімічних зв'язках в речовині. Стандартною одиницею енергії є джоуль, скорочено J. Всього 4,184 Дж теплової енергії підвищить температуру 1 г рідкої води на 1 °С.

Як приклад енергії, що бере участь в хімічних реакціях, розглянемо, що відбувається в пальнику на кухонній плиті, що працює на природному газі. Полум'я, очевидно, гаряче; щось відбувається, що вивільняє теплову енергію. Полум'я також виділяє світлову енергію, ймовірно, як світло-блакитне світіння. Хімічна реакція відбувається, коли метан у природному газі поєднується з киснем у повітрі,

\[\ce{CH4 + 2O2 \rightarrow CO2 + 2H2O}\]

виробляти вуглекислий газ і воду. Велика частина енергії, що виділяється під час цієї хімічної реакції, виділяється як тепло, і трохи як світло. Доцільно припустити, що метан і кисень містять накопичену енергію як хімічну потенційну енергію і що вона виділяється при виробництві вуглекислого газу та води. Здоровий глузд говорить нам, що важко було б отримати теплову енергію з будь-якого з продуктів. Вони звичайно не згорять! Вода використовується для гасіння пожеж, а вуглекислий газ навіть використовується в вогнегасниках.

Потенційна енергія, що міститься в хімічних видах, міститься в хімічних зв'язках молекул, які беруть участь в хімічній реакції. На малюнку 5.2 показані види зв'язків, що беруть участь у метані, елементарному кисні, вуглекислому газу та воді, та енергія, що міститься в кожному. Енергії зв'язку знаходяться в одиницях кількості кілоджоулів (тисячі джоулів, кДж), необхідних для розриву моля (6.02×1023, див. Розділ 4.8) зв'язків (кДж/моль). Така ж кількість енергії виділяється при утворенні молі зв'язку. За умовністю енергія, введена в систему, дається позитивний знак, а виділена енергія позначається негативним знаком.

Для розрахунку зміни енергії, коли моль метану реагує з киснем, як показано в Реакції 5.9.1, різниця приймається між сумою енергій зв'язків в продуктах і сумою енергій зв'язків в реагентах. Експертиза реакції 5.9.1 та рис. 5.2 показує наступні загальні енергії зв'язку в продуктах:

\(\textrm{1 mol CO}_{2} \times \frac{\textrm{2 mol C=O}}{\textrm{mol CO}_{2}} \times \frac{\textrm{799 kJ}}{\textrm{mol C=O}} = \textrm{1598 kJ}\)

\(\textrm{2 mol H}_{2}\textrm{O} \times \frac{\textrm{2 mol O-H}}{\textrm{mol H}_{2}\textrm{O}} \times \frac{\textrm{459 kJ}}{\textrm{mol O-H}} = \textrm{1836 kJ}\)

Подібний розрахунок дає сумарні енергії зв'язку в реагентах.

\(\textrm{1 mol CH}_{4} \times \frac{\textrm{4 mol C-H}}{\textrm{1 mol CH}_{4}} \times \frac{\textrm{411 kJ}}{\textrm{mol C-H}} = \textrm{1644 kJ}\)

\(\textrm{2 mol O}_{2} \times \frac{\textrm{1 mol O=O}}{\textrm{mol O}_{2}} \times \frac{\textrm{494 kJ}}{\textrm{mol O=O}} = \textrm{988 kJ}\)

Загальна енергія зв'язку в реагентах = 1644 кДж + 988 кДж = 2632 кДж

Різниця енергій зв'язку між продуктами і реагентами становить 3434 кДж - 2632 кДж = 802 кДж

Малюнок 5.2. Зв'язки та їх енергії в хімічних видах, що беруть участь, коли метан згорає в кисні з утворенням вуглекислого газу та води.

Цей розрахунок стверджує, що, виходячи з міркувань енергії зв'язку, поодинці, енергія, що виділяється, коли 1 моль СН ₄ реагує з _{2 молями O 2} для отримання 1 моль CO ₂ і 2 молей H ₂ O, становить 802 кДж. Це екзотермічна реакція, при якій виділяється теплова енергія, тому вона позначається як 802 кДж. Ця величина близька до величини, яка була б отримана шляхом експериментального вимірювання теплової енергії, що виділяється реакцією, припускаючи, що всі реагенти і продукти перебували в газовій фазі. (Значна кількість теплової енергії виділяється при конденсації парофазної води в рідину. Високоефективні конденсаційні газові печі захоплюють це тепло в теплообміннику, де водяна пара у вихлопі печі конденсується до рідкої фази.) Здебільшого, отже, кількість теплової енергії, що виділяється в хімічній реакції, і кількість потенційної хімічної енергії, що міститься в реагентах, дорівнює різниці між сумарними енергіями зв'язку продуктів і енергіями реагентів.