Chemie

Chemische Reaktion - Energieüberlegungen

Energieüberlegungen

Energie spielt eine Schlüsselrolle in chemischen Prozessen. Nach der modernen Auffassung chemischer Reaktionen müssen Bindungen zwischen Atomen in den Reaktanten aufgebrochen werden, und die Atome oder Molekülstücke werden durch Bildung neuer Bindungen wieder zu Produkten zusammengesetzt. Energie wird absorbiert, um Bindungen zu lösen, und Energie wird entwickelt, wenn Bindungen hergestellt werden. Bei einigen Reaktionen ist die zum Aufbrechen von Bindungen erforderliche Energie größer als die Energie, die beim Herstellen neuer Bindungen entsteht, und das Nettoergebnis ist die Absorption von Energie. Eine solche Reaktion wird als endotherm bezeichnet, wenn die Energie in Form von Wärme vorliegt . Das Gegenteil vonendotherm ist exotherm; in einem (nexotherme Reaktion , Energie als Wärme entwickelt sich. Die allgemeineren Begriffe exoergisch (Energie entwickelt) und endoergisch (Energie erforderlich) werden verwendet, wenn andere Energieformen als Wärme beteiligt sind.

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Sehr viele häufige Reaktionen sind exotherm. Die Bildung von Verbindungen aus den konstituierenden Elementen ist fast immer exotherm. Die Bildung von Wasser aus molekularem Wasserstoff und Sauerstoff und die Bildung eines Metall - Oxid , wie beispielsweise Kalzium Oxyd (CaO) von Calcium - Metall und Sauerstoffgas sind Beispiele. Zu den weithin erkennbaren exothermen Reaktionen gehört dieVerbrennung von Brennstoffen (wie die zuvor erwähnte Reaktion von Methan mit Sauerstoff).

Die Bildung von gelöschtem Kalk (Kalzium - Hydroxid , Ca (OH) 2 ) , wenn Wasser zugegeben wird, um Kalk (CaO) ist exotherm. CaO (s) + H2O (l) → Ca (OH) 2 (s) Diese Reaktion tritt auf, wenn Wasser zu trockenem Portlandzement gegeben wird , um Beton herzustellen , und die Wärmeentwicklung von Energie als Wärme ist offensichtlich, weil die Mischung warm wird.

Nicht alle Reaktionen sind exotherm (oder exoerg). Einige Verbindungen wie Stickoxid (NO) und Hydrazin (N 2 H 4 ) benötigen Energie, wenn sie aus den Elementen gebildet werden. Die Zersetzung von Kalkstein (CaCO 3 ) zu Kalk (CaO) ist ebenfalls ein endothermer Prozess; Es ist notwendig, Kalkstein auf eine hohe Temperatur zu erhitzen, damit diese Reaktion stattfinden kann. CaCO 3 (s) → CaO (s) + CO 2 (g) Die Zersetzung von Wasser in seine Elemente durch Elektrolyse ist ein weiterer endoergischer Prozess. ElektrischZur Durchführung dieser Reaktion wird eher Energie als Wärmeenergie verwendet. 2 H 2 O (g) → 2 H 2 (g) + O 2 (g) Im Allgemeinen begünstigt die Wärmeentwicklung in einer Reaktion die Umwandlung von Reaktanten in Produkte. Jedoch,Entropie ist wichtig für die Bestimmung der Begünstigung einer Reaktion. Die Entropie ist ein Maß für die Anzahl der Möglichkeiten, wie Energie in jedem System verteilt werden kann. Die Entropie erklärt die Tatsache, dass nicht die gesamte in einem Prozess verfügbare Energie für die Arbeit manipuliert werden kann .

Eine chemische Reaktion begünstigt die Bildung von Produkten, wenn die Summe der Entropieänderungen für das Reaktionssystem und seine Umgebung positiv ist. Ein Beispiel ist das Verbrennen von Holz . Holz hat eine niedrige Entropie. Wenn Holz brennt, entstehen Asche sowie die hochentropischen Substanzen Kohlendioxidgas und Wasserdampf. Die Entropie des Reaktionssystems nimmt während der Verbrennung zu. Ebenso wichtig ist, dass die durch die Verbrennung an die Umgebung übertragene Wärmeenergie die Entropie in der Umgebung erhöht. Die Summe der Entropieänderungen für die Substanzen in der Reaktion und der Umgebung ist positiv und die Reaktion ist produktbegünstigt.

Wenn Wasserstoff und Sauerstoff unter Bildung von Wasser reagieren, ist die Entropie der Produkte geringer als die der Reaktanten. Diese Abnahme der Entropie wird jedoch durch die Zunahme der Entropie der Umgebung aufgrund der durch die exotherme Reaktion auf sie übertragenen Wärme ausgeglichen. Auch hier ist die Verbrennung von Wasserstoff aufgrund der insgesamt zunehmenden Entropie produktbegünstigt.

Kinetische Überlegungen

Chemische Reaktionen benötigen üblicherweise einen anfänglichen Energieeintrag, um den Prozess zu starten. Obwohl die Verbrennung von Holz, Papier oder Methan ein exothermer Prozess ist, ist ein brennendes Streichholz oder ein Funke erforderlich, um diese Reaktion auszulösen. Die von einem Streichholz gelieferte Energie entsteht durch eine exotherme chemische Reaktion, die selbst durch die Reibungswärme ausgelöst wird, die durch Reiben des Streichholzes auf einer geeigneten Oberfläche erzeugt wird.

Bei einigen Reaktionen kann die Energie zum Auslösen einer Reaktion durch Licht bereitgestellt werden . Zahlreiche Reaktionen in der Erde ‚s Atmosphäre sind photochemische oder lichtgetriebene Reaktionen von initiiert Sonnenstrahlung . Ein Beispiel ist die Umwandlung von Ozon (O 3 ) in Sauerstoff (O 2 ) in der Troposphäre . Die Absorption von ultraviolettem Licht ( h ν) von der Sonne zur Auslösung dieser Reaktion verhindert, dass potenziell schädliche energiereiche Strahlung die Erdoberfläche erreicht.

Für eine Reaktion ist es nicht ausreichend, dass sie energetisch produktbegünstigt ist. Die Reaktion muss auch mit einer beobachtbaren Geschwindigkeit ablaufen. Verschiedene Faktoren beeinflussen die Reaktionsgeschwindigkeiten , einschließlich der Konzentrationen der Reaktanten, der Temperatur und der Anwesenheit voncatalysts. The concentration affects the rate at which reacting molecules collide, a prerequisite for any reaction. Temperature is influential because reactions occur only if collisions between reactant molecules are sufficiently energetic. The proportion of molecules with sufficient energy to react is related to the temperature. Catalysts affect rates by providing a lower energy pathway by which a reaction can occur. Among common catalysts are precious metal compounds used in automotive exhaust systems that accelerate the breakdown of pollutants such as nitrogen dioxide into harmless nitrogen and oxygen. A wide array of biochemical catalysts are also known, including chlorophyll in Pflanzen (die die Reaktion erleichtern , durch die atmosphärisches Kohlendioxid in komplexe organische Moleküle wie Glucose umgewandelt wird ) und viele biochemische Katalysatoren genanntEnzyme . Das Enzym Pepsin hilft beispielsweise beim Aufbrechen großer Proteinmoleküle während der Verdauung .

Klassifizierung chemischer Reaktionen

Chemiker klassifizieren Reaktionen auf verschiedene Arten: (a) nach Art des Produkts, (b) nach Art der Reaktanten, (c) nach Reaktionsergebnis und (d) nach Reaktionsmechanismus . Oft kann eine bestimmte Reaktion in zwei oder sogar drei Kategorien eingeteilt werden.

Klassifizierung nach Produkttyp

Gasbildende Reaktionen

Many reactions produce a gas such as carbon dioxide, hydrogen sulfide (H2S), ammonia (NH3), or sulfur dioxide (SO2). An example of a gas-forming reaction is that which occurs when a metal carbonate such as calcium carbonate (CaCO3, the chief component of limestone, seashells, and marble) is mixed with hydrochloric acid (HCl) to produce carbon dioxide. CaCO3(s) + 2 HCl(aq) → CaCl2(aq) + CO2(g) + H2O (l) In this equation, the symbol (aq) signifies that a compound is in an aqueous, or water, solution.

Cake-batter rising is caused by a gas-forming reaction between an acid and baking soda, sodium hydrogen carbonate (sodium bicarbonate, NaHCO3). Tartaric acid (C4H6O6), an acid found in many foods, is often the acidic reactant. C4H6O6(aq) + NaHCO3(aq) → NaC4H5O6(aq) + H2O (l) + CO2(g) In this equation, NaC4H5O6 is sodium tartrate.

Die meisten Backpulver enthalten sowohl Weinsäure als auch Natriumhydrogencarbonat, die durch Verwendung von Stärke als Füllstoff voneinander getrennt werden . Wenn dem feuchten Teig Backpulver beigemischt wird, lösen sich Säure und Natriumhydrogencarbonat leicht auf, wodurch sie in Kontakt kommen und reagieren können. Kohlendioxid wird produziert und der Teig steigt auf.