Wat gebeurt er bij een exotherme reactie op atomair niveau?

Bij een chemische reactie worden bindingen verbroken en worden bindingen gevormd. Als elementaire zuurstof en waterstof bijvoorbeeld water vormen, breken we bindingen in de elementen en maken we heteroatomaire bindingen die waterstof- en zuurstofatomen verbinden: $$ \ ce {O2 + 2H2-> 2H2O} $$

Om de banden te benadrukken, zouden we ook kunnen schrijven:

$$ \ ce {O = O + HH + HH -> HOH + HOH} $$

In een gedachte-experiment konden we eerst de elementen scheiden in "geïsoleerde" atomen, en ze vervolgens opnieuw combineren om water te vormen. Bindingsdissociatie-energieën schatten hoeveel energie er nodig is om gebonden atomen te scheiden in "geïsoleerde" atomen. In het geval van de voorbeeldreactie kost het minder energie om alle bindingen van de reactanten te verbreken (één dubbele binding die zuurstofatomen verbindt en twee enkele bindingen die waterstofatomen verbinden) dan om alle bindingen van de producten te verbreken (vier enkele bindingen tussen zuurstofatomen). en waterstofatomen). Hierdoor komt er een teveel aan energie vrij, wat resulteert in een exotherme reactie.

Wat beïnvloedt de hoeveelheid warmte-energie die vrijkomt?

De reactie volgt een subtieler pad dan moleculen volledig uit elkaar te scheuren tot atomen en dan nieuwe moleculen te maken. Omdat enthalpie echter een toestandsfunctie is, is het resultaat in termen van reactie-enthalpie hetzelfde. Dus het enige dat de reactie-enthalpie beïnvloedt, is de reeks reactanten en producten.

De hoeveelheid warmte hangt af van hoe je de reactie opzet. Als de temperatuur voor en na de reactie hetzelfde is, als de druk constant is en er geen niet-PV-werk is, is deze gelijk aan de reactie-enthalpie. Als de reactie wordt gebruikt om werk te doen (elektrochemische cel, stoommachine, enz.), Als het een fotochemische reactie is, als het licht afgeeft, of als niet wordt voldaan aan een van de andere voorwaarden die in de vorige zin worden gegeven, heeft dat invloed op de hoeveelheid overgedragen warmte.

Welke vorm van energie wordt omgezet in warmte-energie?

De energie "komt van" de verschillende energie van elektronische toestanden in de reactanten en producten. Je kunt dit chemische energie noemen, of een combinatie van kinetische en potentiële energie van de elektronen. We zien dat elektronen die van een hogere energietoestand naar een lagere energietoestand gaan, energie afgeven als we de atomaire spectra beschouwen (natrium geeft bijvoorbeeld een geel licht af in de bunsenbrander). In het geval van reacties zijn elektronische toestanden verschillend tussen reactanten en producten, niet omdat ze zich in aangeslagen toestanden bevinden, maar vanwege de verschillende configuratie van kernen die aanleiding geven tot verschillende elektronische toestanden.

Hoe werkt dit gebeuren?

Tenzij de reactie direct energie afgeeft (door elektromagnetische golven uit te zenden - nogal zeldzaam), wordt de beschikbare energie omgezet in kinetische energie van de kernen (bijv. moleculaire vibratie), en vervolgens de omgeving door de gebruikelijke manieren van warmteoverdracht totdat het systeem weer in thermisch evenwicht is. Als de reactie endotherm is, wordt een deel van de activeringsenergie (geleverd door moleculaire botsingen) niet 'teruggevoerd naar het zwembad', maar in plaats daarvan gebruikt om de elektronen in hun hogere energietoestanden in de producten te krijgen (vergeleken met de reactanten), wat leidt tot een netto warmteoverdracht van de omgeving naar de chemische reactie.

Een exotherme reactie is een reactie die ertoe leidt dat warmte of licht door het systeem wordt afgegeven en in de omgeving wordt opgenomen, meestal een verandering in enthalpie genoemd. Enthalpie $ H $ is de energie die in de bindingen van een molecuul zit. Deze hoeveelheid, de bindingsenergie, is ongeveer de hoeveelheid enthalpie die nodig is om de binding te verbreken.

Belangrijk concept!

Een inbreng van energie is altijd vereist om een ​​binding te verbreken ( $ \ Delta H \ gt0 $ ), wat betekent dat het proces endotherm is.

Elke keer dat een binding wordt gevormd, komt er energie vrij ( $ \ Delta H \ lt0 $ ), dus het vormen van bindingen is exotherm.

Probeer de bovenstaande $ \ Delta H $ niet te krijgen. wordt verwisseld met $ \ Delta H_ \ mathrm r $ . Het bovenstaande is relevant voor het verbreken / creëren van enkele bindingen; reacties zijn dynamische processen die veel gecompliceerder zijn dan formules waardoor ze lijken te zijn.

Bij een exotherme reactie zit er minder energie in de bindingen van de producten dan in de reactanten en wanneer dat energieverschil is geabsorbeerd de omgeving veroorzaakt een positieve toename van warmte in de omgeving. Het verschil in enthalpie kan worden berekend met de volgende vergelijking:

$$ \ Delta H_ \ mathrm r = \ Sigma H_ \ mathrm {f (\ text {products })} - \ Sigma H_ \ mathrm {f (\ text {reactants})} $$

$ H_ \ mathrm f $ is de formatie-enthalpie, gedefinieerd als de verandering in enthalpie wanneer één mol van een stof wordt gevormd uit zijn zuivere elementen. Je zult het waarschijnlijk samen met een graden-symbool zien, $ H ^ \ circ_ \ mathrm f $ geeft aan dat deze reactie plaatsvindt bij STP. U kunt meestal de benodigde $ H ^ \ circ_ \ mathrm f $ opzoeken in een referentietabel, maar het bedrag is gerelateerd aan de sterkte, lengte en lading van de bindingen onbalans en enkele andere attributen.

Exotherme reacties hebben een negatieve verandering in enthalpie $ (\ Delta H_ \ mathrm r \ lt0) $ De energie die vrijkomt tijdens een exotherme reactie is het verschil in bindingsenergie tussen de reactanten en de producten. De energie die door de reactie verloren gaat, wordt energie die door het systeem wordt gewonnen, wat zal resulteren in een toename van warmte (of licht). Het verschil in tekens voor de verandering in enthalpie van de reactie en verandering in energie van het systeem is een algemeen punt van verwarring, dus onthoud dit:

Exotherm:

• Energie stroomt van het systeem naar de omgeving, $ (\ Delta H_ \ mathrm r \ lt0) $

Endotherm:

• Energie stroomt van de omgeving naar het systeem. $ (\ Delta H_ \ mathrm r \ gt0) $