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 endoenergetycznymireakcja endoenergetycznaendoenergetycznymi, uwalnia się mniej energii, gdy w produktach powstają nowe wiązania, niż jest to potrzebne do rozerwania wiązań w substratach. Odwrotnie jest w przypadku reakcji egzoenergetycznychreakcja egzoenergetycznaegzoenergetycznych. W tych reakcjach potrzeba mniej energii do rozerwania wiązań w substratach, niż uwalnia się podczas tworzenia nowych wiązań w produktach.

Aby lepiej rozumieć ten proces, należy wiedzieć, czym jest układukładukład 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.

RQp1kCG7xZKWz

Schemat wymiany energii układu z otoczeniem. Na stole laboratoryjnym stoi kolba zawierająca jasnozielony roztwór. Kolbę opisano jako układ. W stronę kolby z zewnątrz skierowane są dwie strzałki z napisem energia, od kolby na zewnątrz wychodzą dwie strzałki z napisem: energia. Przestrzeń poza kolbą opisano jako otoczenie.

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.reakcja egzotermicznaegzotermiczną. 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($\text{III}$). 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($\text{VI}$). 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.

RgPqRLRcuHFnx

Ilustracja przedstawiająca schemat budowy ogniwa. W dwóch zlewkach znajdują się roztwory. W zlewce po lewej stronie znajduje się wodny roztwór siarczanu(VI) cynku, a zatem obecne są kationy ${\text{Zn}}^{2+}$. W zlewce po prawej stronie znajduje się niebieski wodny roztwór siarczanu(VI) miedzi(II), a zatem obecne są kationy ${\text{Cu}}^{2+}$. Zlewki są połączone kluczem elektrolitycznym. W zlewce po lewej stronie zanurzona jest cynkowa płytka stanowiąca anodę oznaczoną znakiem minus, w drugiej zlewce miedziana, która pełni rolę katody i oznaczona jest znakiem plus. Płytki połączone są drutem. Elektrony przepływają od minusa do plusa, to jest od anody do katody.

Ru9MSw1WenLN8

Ilustracja przedstawiająca schemat reakcji egzoenergetycznej. Po lewej stronie substraty, strzałka w prawo reprezentująca reakcję chemiczną. Od niej odchodzi strzałka popisana "energia". Za pierwszą strzałką produkty. W reakcji egzoenergetycznej została uwolniona energia.

Wykres zmian energii w reakcji egzoenergetycznej wygląda następująco:

ReTyHNzzyUxVO

Wykres przedstawiający zmiany energii układu podczas trwania reakcji egzoenergetycznej. Na osi poziomej zaznaczono czas t, zaś na osi pionowej energię E. W górnej części osi E zaznaczono energię aktywacji ${\text{E}}_{\mathrm{a}}$, od której przez cały wykres poprowadzono poziomą przerywaną linię. Poniżej zaznaczono średnią energię substratów ${\text{E}}_{\mathrm{śr\; sub}}$ od której przez cały wykres poprowadzono poziomą przerywaną linię. Najniżej zaznaczono średnią energię produktów ${\text{E}}_{\mathrm{śr\; prod}}$ od której przez cały wykres poprowadzono poziomą przerywaną linię. Wykres stanowi krzywa, która zaczyna się dla wartości średniej energii substratów, następnie rośnie do wartości energii aktywacji i maleje do średniej energii produktów, mniejszej od energii początkowej, to jest średniej energii substratów. Różnica energii delta E to różnica pomiędzy średnią energią produktów oraz średnią energią substratów.

Gdzie:

• $E_{\mathrm{a}}$ – energia aktywacji;

• $\Delta E$ – różnica między średnią energią substratów ($E_{\mathrm{śr} \mathrm{substratów}}$) a średnią energią produktów ($E_{\mathrm{śr} \mathrm{produktów}}$) w reakcji egzoenergetycznej.

Polecenie 1

Wykonaj doświadczenie w oparciu o instrukcję. Zapisz własne obserwacje i wnioski.

RIYbzImunQSF3

Doświadczenie 1. Reakcja opiłków magnezowych z kwasem solnym. Odczynniki: 1 g opiłków magnezowych, kilka mililitrów 2 molowego kwasu solnego. Szkło i sprzęt laboratoryjny: probówka, termometr. Instrukcja: Do probówki z kwasem solnym należy dodać ostrożnie opiłki magnezowe. Po chwili należy ostrożnie dotknąć dłonią dna probówki. Można również zmierzyć temperaturę przed reakcją oraz w trakcie reakcji używając termometru. Obserwacje (Uzupełnij). Wnioski (Uzupełnij).

Schemat doświadczenia:

RzhT4BEPkZREG

Ilustracja przedstawiająca trzy probówki, to jest trzy etapy doświadczenia. W pierwszym w probówce znajduje się kwas solny. W drugim do probówki dodano kawałek metalicznego magnezu. W trzecim etapie zaobserwowano wydzielające się z probówki gazy.

RrsSDUR0xA2Ey

Obserwacje: (Uzupełnij). Wnioski: (Uzupełnij).

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 endotermicznąreakcja endotermicznaendotermiczną. Przykładem jest reakcja między tiocyjanianem amonu a wodorotlenkiem baru – woda ($\frac{1}{8}$). 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($\text{IV}$) oraz wody, w obecności światła słonecznego, potrafią wytworzyć glukozę i tlen. Energia jest dostarczana w postaci światła słonecznego.

R1ZVzW4DBHFSt

Ilustracja przedstawiająca schemat reakcji endoenergetycznej. Po lewej stronie znajdują się substraty, strzałka w prawo reprezentująca reakcję chemiczną. Do niej skierowana jest strzałka popisana "energia". Za pierwszą strzałką produkty reakcji. W reakcji endoenergetycznej została uwolniona energia.

Wykres zmian energii w reakcji endoenergetycznej wygląda następująco:

R1Fpr7GCRojjD

Wykres przedstawiający zmiany energii układu podczas trwania reakcji endoenergetycznej. Na osi poziomej zaznaczono czas t, zaś na osi pionowej energię E. W górnej części osi E zaznaczono energię aktywacji ${\text{E}}_{\mathrm{a}}$, od której przez cały wykres poprowadzono poziomą przerywaną linię. Poniżej zaznaczono średnią energię produktów ${\text{E}}_{\mathrm{śr\; prod}}$, od której przez cały wykres poprowadzono poziomą przerywaną linię. Najniżej zaznaczono średnią energię substratów ${\text{E}}_{\mathrm{śr\; sub}}$, od której również poprowadzono poziomą przerywaną linię przez cały wykres. Wykres stanowi krzywa, która zaczyna się dla wartości średniej energii substratów, następnie rośnie do wartości energii aktywacji i maleje do średniej energii produktów, większej od energii początkowej, to jest średniej energii substratów. Różnica energii delta E to różnica pomiędzy średnią energią produktów oraz średnią energią substratów.

Gdzie:

• $E_{\mathrm{a}}$ – energia aktywacji;

• $\Delta E$ – różnica między średnią energią substratów ($E_{\mathrm{śr} \mathrm{substratów}}$) a średnią energią produktów ($E_{\mathrm{śr} \mathrm{produktów}}$) w reakcji endoenergetycznej.

Polecenie 2

Wykonaj doświadczenie w oparciu o instrukcję. Zapisz własne obserwacje i wnioski.

REC7pvH9SIgaI

Doświadczenie 2. Reakcja wodorowęglanu sodu z kwasem etanowym. Odczynniki: wodorowęglan sodu, kwas etanowy. Szkło i sprzęt laboratoryjny: zlewka, termometr, bagietka. Instrukcja: Do zlewki należy wlać roztwór kwasu etanowego oraz zmierzyć temperaturę. Następnie należy dodać niewielką ilość wodorowęglanu sodu. Zawartość zlewki należy mieszać bagietką. Co pewien czas zmierzyć temperaturę roztworu. Ostatni pomiar dokonać po upływie trzydziestu minut. Obserwacje (Uzupełnij). Wnioski (Uzupełnij).

Schemat doświadczenia:

R18uzlNATTvpu

Ilustracja przedstawiająca trzy kolby okrągłodenne, to jest trzy etapy doświadczenia. W pierwszym etapie w kolbie znajduje się kwas octowy. W drugim do probówki dodano wodorowęglan sodu. W trzecim etapie zaobserwowano wzburzenie zawartości kolby oraz ochłodzenie ścianek naczynia..

RAiuJMW4SdjsF

Obserwacje: (Uzupełnij). Wnioski: (Uzupełnij).

Ciekawostka

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.

R8zZECZYb2vf3

Zdjęcie przedstawia lecącego wśród traw owada ze świecącym odwłokiem. To świetlik świętojański.

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.

RF6NrIpXMBUNw

Ilustracja przedstawiająca strukturę lucyferyny. Cząsteczka zbudowana jest z dwóch pięcioczłonowych pierścieni połączonych wiązaniem łączącym atomy węgla, pierwszy należący do pierwszego pierścienia i drugi do drugiego. Węgiel łączy się z atomem siarki, ten z atomem węgla, który to związany jest z drugim atomem węgla, a ten z atomem azotu, który łącząc się za pomocą wiązania podwójnego z pierwszym wspomnianym atomem węgla zamyka pierścień. W pierwszym pierścieniu obecna jest grupa COOH wychodząca za płaszczyznę monitora, która związana jest z atomem węgla związanym z atomem azotu. Drugi pierścień połączony jest z pierścieniem fenylowym tak, że dwa sąsiadujące ze sobą atomy węgla w pierścieniu pięcioczłonowym są wspólne z pierścieniem fenylowym podstawionym grupą hydroksylową.

Sumarycznie, bioluminescencja jest przykładem reakcji endoenergetycznej, ale wiąże się z uwalnianiem ATP (adenozynotrójfosforan) oraz wieloma etapami, które są reakcjami egzoenergetycznymi.