Przeczytaj
Co dzieje się z wiązaniami w trakcie reakcji chemicznej?
Reakcje chemiczne można opisać jako procesy, w których rozrywane są wiązania (w substratach) i tworzone są nowe (w produktach). Do rozerwania wiązań między substratami potrzebne jest dostarczenie energii. Można to porównać do rozrywania nitki – należy dostarczyć energii, aby ją przerwać. Tak samo wiązania chemiczne potrzebują energii, aby mogły się rozerwać. Kiedy tworzą się nowe wiązania, elektrony przechodzą z orbitali atomowych o wyższej energii na orbitale cząsteczkowe o niższej energii. Elektrony tracą energię i równocześnie energia jest uwalniana, np. w postaci ciepła czy światła. Ze względu na udział energii, reakcje chemiczne można podzielić na dwa rodzaje. W reakcjach chemicznych, zwanych reakcjami endoenergetycznymiendoenergetycznymi, uwalnia się mniej energii, gdy w produktach powstają nowe wiązania, niż jest to potrzebne do rozerwania wiązań w substratach. Odwrotnie jest w przypadku reakcji egzoenergetycznychegzoenergetycznych. W tych reakcjach potrzeba mniej energii do rozerwania wiązań w substratach, niż uwalnia się podczas tworzenia nowych wiązań w produktach.
Układ i otoczenie
Aby lepiej rozumieć ten proces, należy wiedzieć, czym jest układukład i otoczenie. Układ jest wyodrębnioną częścią materii w danej przestrzeni, która jest badana podczas eksperymentu lub obserwowana. Otoczenie to wszystko, co nie jest częścią układu. W praktyce, jeśli chodzi o laboratorium, układ jest konkretną substancją chemiczną poddaną reakcji (kolba wypełniona substancją), podczas gdy otoczenie jest bezpośrednim sąsiedztwem (stół laboratoryjny, na którym stoi kolba, powietrze zewnątrz kolby). Podczas większości procesów energia jest wymieniana między układem a otoczeniem. Jeśli układ odda pewną ilość energii, ta sama ilość energii jest zyskiwana przez otoczenie. Jeśli układ zyskuje określoną ilość energii, energia ta jest dostarczana przez otoczenie.
Reakcje egzoenergetyczne
Jeśli podczas reakcji chemicznej energia potrzebna do rozerwania wiązań w substratach jest mniejsza niż energia, która się wydziela podczas tworzenia wiązań, to taka reakcja jest nazywana egzoenergetyczną. W reakcjach tych układ traci energię (energia układu się zmniejsza) i jest ona wydzielana do otoczenia. Może się to odbywać na kilka różnych sposobów – gdy energia wydziela się na sposób ciepła, możemy taką reakcję nazwać egzotermiczną.egzotermiczną. Jej przykładem może być spalanie węgla, spalanie wodoru, reakcja sodu z wodą. Energia może też być oddawana do otoczenia w formie światła, pracy lub nawet elektryczności.
Przykładem reakcji, w której następuje wydzielenie energii na sposób ciepła, jest reakcja termitowa – metaliczny glin reaguje z tlenkiem żelaza(). W trakcie reakcji pojawia się „deszcz iskier” stopionego żelaza. Jest to reakcja silnie egzoenergetyczna.
Przykładem reakcji, która wydziela energię na sposób pracy, jest rozkład azydku sodu. Podczas niej następuje wzrost objętości produktów w stosunku do objętości substratów.
Innym przykładem, ukazującym oddawanie energii na sposób pracy, jest reakcja cynku z kwasem siarkowym(). Podczas tej reakcji wydziela się gaz (wodór).
Co ciekawe, energia może być również przekazywana na sposób elektryczności, np. w ogniwach elektrochemicznych. Proste ogniwo elektrochemiczne można wytworzyć przez zanurzenie dwóch różnych metali w elektrolicie i połączenie ich za pomocą drutów, woltomierza, żarówki itp. Im większa różnica reaktywności między tymi dwoma metalami, tym większe wytwarzane napięcie.
Wykres zmian energii w reakcji egzoenergetycznej wygląda następująco:
Gdzie:
– energia aktywacji;
– różnica między średnią energią substratów () a średnią energią produktów () w reakcji egzoenergetycznej.
Wykonaj doświadczenie w oparciu o instrukcję. Zapisz własne obserwacje i wnioski.
Schemat doświadczenia:
Reakcje endoenergetyczne
Jeśli podczas reakcji chemicznej energia potrzebna do rozerwania wiązań w substratach jest większa, niż energia wydzielająca się w etapie tworzenia wiązań w cząsteczkach produktów, to reakcja jest nazwana endoenergetyczną. Układ zyskuje energię (energia układu zwiększa się) i jest ona pochłaniana z otoczenia. Jeżeli energia jest dostarczana na sposób ciepła, reakcja jest nazwana endotermicznąendotermiczną. Przykładem jest reakcja między tiocyjanianem amonu a wodorotlenkiem baru – woda (). Energia też może być pochłaniana w postaci energii elektrycznej, światła czy pracy.
Ciekawą reakcją zaliczaną do reakcji endoenergetycznych jest proces zwany fotosyntezą. Rośliny z tlenku węgla() oraz wody, w obecności światła słonecznego, potrafią wytworzyć glukozę i tlen. Energia jest dostarczana w postaci światła słonecznego.
Wykres zmian energii w reakcji endoenergetycznej wygląda następująco:
Gdzie:
– energia aktywacji;
– różnica między średnią energią substratów () a średnią energią produktów () w reakcji endoenergetycznej.
Wykonaj doświadczenie w oparciu o instrukcję. Zapisz własne obserwacje i wnioski.
Schemat doświadczenia:
Interesującym przykładem jest reakcja bioluminescencji – zdolność do produkcji i emisji światła przez organizmy żywe. Jest to wynik reakcji chemicznych, podczas których energia chemiczna zamieniana jest w energię świetlną. Najbardziej znanym przykładem tych organizmów są chrząszcze z rodziny świetlikowatych. Samce jednego z gatunków tych chrząszczy są latającymi małymi światłami, które można spotkać podczas letnich nocy w lasach i na łąkach. Opisane zjawisko zostało przedstawione na fotografii poniżej.
W procesie bioluminescencji zachodzi reakcja utleniania związku o nazwie lucyferyna. Lucyferyna to ogólna nazwa pigmentów zdolnych do emisji światła podczas reakcji utleniania, która jest indukowana obecnością enzymu. Enzymem tym jest lucyferaza.
Sumarycznie, bioluminescencja jest przykładem reakcji endoenergetycznej, ale wiąże się z uwalnianiem ATP (adenozynotrójfosforan) oraz wieloma etapami, które są reakcjami egzoenergetycznymi.
Podsumowanie
Zastanów się, czy dana informacja dotyczy reakcji ezgoenergetycznej, czy endoenergetycznej. Odsłoń kartę, by poznać odpowiedź.
może zachodzić samoczynnie (spontanicznie) | egzoenergetyczna |
energia jest pochłaniana z otoczenia | endoenergetyczna |
reakcja fotosyntezy | endoenergetyczna |
reakcja termitowa | egzoenergetyczna |
energia jest wydzielana do otoczenia | egzoenergetyczna |
wymaga nakładu energii | endoenergetyczna |
rozkład azydku sodu | egzoenergetyczna |
nie zachodzą samoczynnie (spontanicznie) | endoenergetyczna |
Słownik
wyodrębniony z otaczającego świata obiekt lub zbiór obiektów, którego właściwości są poddane badaniom i obserwacji
reakcja chemiczna, która przebiega z wydzieleniem energii do otoczenia
reakcja chemiczna, która przebiega z pochłanianiem energii z otoczenia
reakcja chemiczna przebiegająca z pochłanianiem ciepła z otoczenia (rośnie entalpia reagującego układu)
reakcja chemiczna przebiegająca z wydzielaniem ciepła do otoczenia (maleje entalpia reagującego układu)
efekt cieplny, który jest równy energii wymienianej na sposób ciepła między układem a otoczeniem, kiedy przemiana zachodzi pod stałym ciśnieniem
Bibliografia
Atkins P., Jones L., Chemical Principles: The Quest for Insight, 5th Edition, New York 2009.
Atkins P., de Paula J., Chemia fizyczna, Warszawa 2015.
Encyklopedia PWN