Dział chemii, który bada efekty cieplne towarzyszące reakcjom chemicznym w oparciu o zasady termodynamiki, to termochemia. Opisuje zmiany energii zachodzące podczas reakcji chemicznych. Można wtedy zauważyć, że niektóre z reakcji wydzielają dużą ilość energii (np. reakcja magnezu z kwasem solnym), inne z kolei nie zajdą bez dostarczenia określonej jej ilości. Energia wymieniana jest między układem a otoczeniem.

Układ to wyodrębniona część we wszechświecie, która jest przedmiotem badań i obserwacji. Przykładem układu może być szampon w butelce, woda z lodem, balon z gazem lub kolbka, w której zachodzi reakcja. Otoczeniem jest wszystko to, co nie jest układem. Stan układu można opisać za pomocą wielkości fizycznych (np. ciśnienie, temperatura, objętość). Ze względu na sposób wymiany energii przez układ z otoczeniem, można wyróżnić trzy rodzaje układów, które zostały przedstawione na mapie myśli.

Efekt energetyczny towarzyszy każdej reakcji chemicznej. To wielkość charakterystyczna dla danej reakcji. Efekt energetyczny jest definiowany jako ilość energii przekazanej z otoczenia do układu lub z układu do otoczenia. Ze względu na rodzaj efektu energetycznego, reakcje chemiczne dzielą się na dwa rodzaje:

• w reakcjach egzoenergetycznych energia jest uwalniana do otoczenia w dowolnej postaci;

• w reakcjach endoenergetycznych energia jest pochłaniana z otoczenia.

Do obliczenia przekazanej energii należy wykorzystać zmianę temperatury. Aby to obliczenie wykonać, potrzebna jest znajomość pojemności cieplnej ($C$). Pojemność cieplna jest to ilość ciepła, jaka jest niezbędna do zmiany temperatury ciała o jednostkę temperatury. Korzystając z poniższego wzoru, można obliczyć wartość pojemności cieplnej.

gdzie:

• $C$ – pojemność cieplna [$\frac{\mathrm{J}}{\mathrm{K}}$];

• $q$ – ciepło dostarczone [$\mathrm{J}$];

• $\Delta T$ – zmiana temperatury [$\mathrm{K}$].

Oznaczanie ciepła reakcji chemicznych można wykonać doświadczalnie przy pomocy kalorymetru. Jest to izolowane naczynie, napełnione cieczą o wyznaczonej pojemności cieplnej, np. woda, alkohol, amoniak. Budowa prostego kalorymetru została przedstawiona poniżej.

Wykonaj symulację, aby zbadać efekt energetyczny reakcji chemicznych. Określ, czy badane reakcje są egzoenergetyczne czy endoenergetyczne.

Aby zaszła reakcja chemiczna, cząsteczki substratów muszą zderzyć się z odpowiednią energią. Powstaje wtedy nietrwały kompleks aktywny o najwyższej energii. Różnica między energią substratów a energią kompleksu aktywnego to energia aktywacji, czyli bariera, którą muszą pokonać reagujące cząsteczki. Po rozpadzie kompleksu aktywnego powstają produkty, a różnica energii substratów i produktów stanowi efekt energetyczny reakcji. Przebieg opisanej reakcji chemicznej – reakcji egzoenergetycznej – można przedstawić na wykresie zmian energii reakcji, co zostało przedstawione poniżej:

RS9iYnih6fDZY

Na wykresie na osi X zaznaczono czas, na osi Y energię. Na osi Y zaznaczono punkt A dodać B, od którego biegnie linia przerywana E indeks dolny s, czyli energia substratów, równoległa do osi X. Krzywa na wykresie biegnie po linii przerywanej, po czym rośnie i opada poniżej linii przerywanej energii substratów do kolejnej linii przerywanej – E indeks dolny p, czyli energii produktów. Maksymalną wartość krzywej oznaczono jako AB indeks górny gwiazdka, od niej poprowadzono linię prostą w dół do linii przerywanej E indeks dolny s - to E indeks dolny a, czyli energia aktywacji. Odległość od linii przerywanej oznaczającej energię substratów do linii przerywanej oznaczającej energię produktów opisano jako delta E < 0. Fragment krzywej, równoległej do osi X, biegnącej po linii przerywanej energii produktów, opisano jako C dodać D.

ΔdeltaE to energia, która została wydzielona przez układ, zaś EIndeks dolny a_a to energia aktywacji, czyli energia potrzebna substratom do przejścia w kompleks aktywny, który jest zdolny do przemiany w produkty. Jeżeli układ wydziela energię do otoczenia, to po reakcji będzie mieć niższą energię niż przed reakcją. Jest to reakcja egzoenergetyczna, czyli reakcja o dodatnim bilansie energetycznym. Energia potencjalna produktów jest mniejsza niż energia potencjalna substratów.

W przypadku reakcji endoenergetycznych, aby reakcja mogła zostać zapoczątkowana, układ pobiera dodatkową energię z otoczenia. Energia aktywacji (EIndeks dolny a_a) jest zwykle większa niż całkowita energia reakcji egzoenergetycznej. Poziom energii produktów jest większy niż poziom energii substratów. Poniżej przedstawiono wykres zmian energii układu dla reakcji endoenergetycznej:

R11yYFddbCe0s

Na wykresie na osi X zaznaczono czas, na osi Y energię. Na osi Y zaznaczono punkt A dodać B, od którego biegnie linia przerywana równoległa do osi X. Linię przerywaną oznaczono jako E indeks dolny s, czyli energia substratów. Krzywa na wykresie biegnie po linii przerywanej, po czym rośnie i opada powyżej linii energii substratów na linii przerywanej oznaczającej energię produktów. Tu biegnie po linii przerywanej – ten fragment krzywej oznaczono jako C dodać D. Maksymalną wartość krzywej oznaczono jako AB indeks górny gwiazdka, od niej poprowadzono prostą do linii przerywanej oznaczającej energię substratów – to E indeks dolny a, czyli energia aktywacji. Odległość pomiędzy liniami oznaczającymi energię substratów i produktów opisano jako delta E > 0.

W tym wypadku ΔdeltaE jest energią, która została pochłonięta przez układ, a EIndeks dolny a_a jest energią aktywacji, potrzebną substratom do przejścia w kompleks aktywny, zdolny do przemiany w produkty. Tym razem, jeśli układ pobierze dodatkową energię z otoczenia, to po reakcji będzie mieć większą energię niż przed nią. Reakcje endoenergetyczne to reakcje o ujemnym bilansie energetycznym. Energia potencjalna produktów jest większa niż energia potencjalna substratów.

Katalizator to substancja, która dodana nawet w małych ilościach do reakcji chemicznej zwiększa jej szybkość. Co ważne, katalizator nie jest substratem i nie występuje w równaniu stechiometrycznym. Obniża energię aktywacji, ułatwiając przebieg reakcji. Szybkość zależy od wielkości energii aktywacji. Im wyższa energia aktywacji, tym reakcja zachodzi wolniej. Wykres zmian energii układu przykładowej katalitycznej reakcji egzoenergetycznej został przedstawiony poniżej:

RA2eoLTvCLsdT

Na wykresie na osi X zaznaczono czas, na osi Y energię. Na osi Y zaznaczono punkt A dodać B, od którego biegnie linia przerywana równoległa do osi X. Na wykresie są dwie krzywe. Jedna z nich - czerwona - biegnie po linii przerywanej, po czym rośnie i opada poniżej linii przerywanej. Maksymalną wartość oznaczono jako AB indeks górny gwiazdka, od niej poprowadzono prostą do linii przerywanej - to energia aktywacji. Odległość od linii przerywanej do fragmentu krzywej biegnącej pod linią C dodać D opisano jako delta E (<0). Poniżej najwyższej wartości pierwszej krzywej, znajduje się druga, niebieska, krzywa - jej energię aktywacji oznaczono jako E' indeks dolny a. Najwyższą wartość jako ABK indeks górny gwiazdka.

Na wykresie została przedstawiona zmiana energii podczas reakcji chemicznej z udziałem katalizatora. Energia aktywacji reakcji z udziałem katalizatora jest dużo niższa od energii aktywacji reakcji bez udziału katalizatora. Aby zaszła reakcja chemiczna, dwie cząsteczki substratu muszą posiadać sumarycznie większą energię kinetyczną niż wartość energii aktywacji. Im mniejsza energia aktywacji, tym więcej cząsteczek może się ze sobą zderzyć, ponieważ więcej cząsteczek może pokonać barierę energetyczną. Dzięki temu reakcja zachodzi szybciej.