EXERGONIKUS REAKCIÓ: JELLEMZŐK ÉS PÉLDÁK - KÉMIA - 2025

Az exergonikus reakció spontán módon történik, és általában energiával szabadul fel, akár hő, fény vagy hang formájában. Amikor hő szabadul fel, azt mondják, hogy exoterm és exergonikus reakcióval kell szembenéznünk.

Ezért vannak az „exoterm” és az „exergonikus” fogalmak összetévesztve, tévesen szinonimának tekintve. Ennek oka az, hogy sok exoterm reakció is exergonikus. Ennélfogva, ha megfigyelhető egy nagy hő- és fénykibocsátás, például a tűz felgyulladása, akkor feltételezhető, hogy az exergonikus reakcióból áll.

A fa égetése az exoterm és ugyanakkor az exergonikus reakció példája. Forrás: Pixnio.

A kibocsátott energia azonban észrevétlenül maradhat, és nem feltétlenül meglepő. Például egy folyékony közeg kissé felmelegedhet, és mégis exergonikus reakció eredménye lehet. Egyes túl lassan haladó exergonikus reakciók során sem a hőmérsékleti legkisebb emelkedést sem figyelik meg.

Az ilyen típusú termodinamikai reakciók központi és jellegzetes pontja a termékekben a Gibbs-mentes energia csökkenése a reagensekhez viszonyítva, ami spontaneitássá alakul.

Az exergonikus reakciók jellemzői

Általános ábra

Az exergonikus reakció energiadiagramja. Forrás: Gabriel Bolívar.

Az exergonikus reakció fő jellemzője, hogy a termékek alacsonyabb Gibss-mentes energiával rendelkeznek, mint a reagensek vagy a reagenseké (felső kép). Ezt a tényt általában azzal társítják, hogy a termékek kémiailag stabilabbak, erősebb kötésekkel, dinamikusabb struktúrákkal vagy „kényelmesebb” körülményekkel járnak.

Ezért ez az energiakülönbség, ΔG, negatív (ΔG <0). Mivel negatív, a reakciónak elméletben spontánnak kell lennie. Ugyanakkor más tényezők is definiálják ezt a spontaneitást, mint például az aktivációs energia (a hegy magassága), a hőmérséklet, valamint az entalpia és az entrópia változásai.

Ezek a változók, amelyek reagálnak a jelenség vagy a kémiai reakció természetére, lehetővé teszik annak meghatározását, hogy a reakció exergonikus-e vagy sem. És azt is látni fogja, hogy ennek nem feltétlenül kell exoterm reakciónak lennie.

Ha az aktivációs energia nagyon magas, a reagenseknek katalizátor segítségére van szükségük az említett energiagát csökkentésére. Ezért vannak olyan exergonikus reakciók, amelyek nagyon alacsony sebességgel fordulnak elő, vagy amelyek egyáltalán nem fordulnak elő.

Csökken a rendszer szabad energiája

A következő matematikai kifejezés magában foglalja a fent említettet:

ΔG = ΔH - TΔS

Az ΔH kifejezés pozitív, ha endoterm reakció, és negatív, ha exoterm. Ha azt akarjuk, hogy ΔG negatív legyen, akkor a TΔS kifejezésnek nagyon nagynak és pozitívnak kell lennie, úgy hogy ΔH-ból kivonva a művelet eredménye is negatív legyen.

Ezért, és ez az exergonikus reakciók további különlegessége: ezek a rendszer entrópiájának nagy változásaival járnak.

Tehát, figyelembe véve az összes kifejezést, jelen lehetünk egy exergonikus reakció előtt, ugyanakkor endotermikusan is; vagyis pozitív ΔH esetén nagyon magas hőmérséklet vagy nagy entrópiaváltozás.

A legtöbb exergonikus reakció exoterm is, mivel ha ΔH negatív, és egy másik kifejezés kivonásával, amely még negatívabb, akkor negatív értékű ΔG lesz; kivéve, ha a TΔS negatív (az entrópia csökken), ezért az exoterm reakció endergonikussá válik (nem spontán).

Fontos kiemelni, hogy a reakció spontaneitása (függetlenül attól, hogy exergonikus vagy sem) nagyban függ a termodinamikai körülményektől; míg a sebesség, amellyel áthalad, kinetikai tényezőknek köszönhető.

Az exergonikus reakció spontán jellege

Ami már elhangzott, már ismert, hogy az exergonikus reakció spontán, függetlenül attól, hogy exoterm. Például egy vegyület feloldható vízben, hűtve a tartályával. Ez az oldódási folyamat endotermikus, de amikor spontán történik, azt mondják exergonikusnak.

Exoterm reakció

"Exergonikusabb" reakciók vannak, mint mások. Ennek megismeréséhez tartsa kéznél a következő kifejezést:

ΔG = ΔH - TΔS

A legtöbb exergonikus reakció azok, amelyek spontán módon történnek minden hőmérsékleten. Vagyis a fenti kifejezés T értékétől függetlenül, ΔH negatív és ΔS pozitív (ΔH <0 és ΔS> 0). Ezért nagyon exoterm reakciók, amelyek nem ellentétben állnak az eredeti elképzeléssel.

Hasonlóképpen, előfordulhatnak exoterm reakciók, ahol a rendszer entrópiája csökken (ΔS <0); éppúgy, mint a makromolekulák vagy polimerek szintézisében. Ebben az esetben csak alacsony hőmérsékleten exergonikus reakciók, mivel egyébként a TΔS kifejezés nagyon nagy és negatív lenne.

Endoterm reakció

Másrészt vannak olyan reakciók, amelyek magas hőmérsékleten csak spontánok: ha ΔH pozitív és ΔS pozitív (ΔH> 0 és ΔS> 0). Endoterm reakciókról beszélünk. Ezért spontán módon jelentkezhet a hőmérséklet csökkenése, mivel az entrópia növekedését magukkal hordozzák.

Eközben vannak olyan reakciók, amelyek egyáltalán nem exergonikusak: amikor ΔH és ΔS pozitív értékeket mutat. Ebben az esetben a hőmérséklettől függetlenül a reakció soha nem lép fel spontán módon. Nem spontán endergonikus reakcióról beszélünk.

Példák exergonikus reakciókra

A kémiát általában robbanásveszélyes és fényes jellemzi, ezért feltételezik, hogy a legtöbb reakció exoterm és exergonikus.

Az égés

Az exergonikus reakciók az alkánok, olefinek, aromás szénhidrogének, cukrok stb.

Fém-oxidációk

Hasonlóképpen, a fémek oxidációi exergonikusak, bár lassabban zajlanak le.

A test katabolikus reakciói

Vannak azonban más, finomabb folyamatok, amelyek szintén exergonikusak és nagyon fontosak: metabolizmusunk katabolikus reakciói. Itt lebontják azokat a makromolekulákat, amelyek energiatartályokként működnek, hő és ATP formájában szabadulnak fel, és ennek köszönhetően a test számos funkcióját látja el.

Ezeknek a reakcióknak a legimblematikusabb a celluláris légzés, szemben a fotoszintézissel, ahol a szénhidrátokat oxigénnel „égetik”, hogy apró molekulákká (CO ₂ és H ₂ O) és energiává alakítsák őket.

Egyéb

Egyéb exergonikus reakciók között a nitrogén-trijodid (NI ₃₎ robbanásszerű bomlása van; alkálifémek hozzáadása a vízhez, amelyet egy robbanás követ; etoxilezett gyanták polimer szintézise; sav-bázis semlegesítők vizes oldatban; és kemolumineszcens reakciók.

Irodalom

1. Whitten, Davis, Peck és Stanley. (2008). Kémia (8. kiadás). CENGAGE Tanulás.
2. Walter J. Moore. (1963). Fizikai kémia. A kémiai kinetikában. Negyedik kiadás, Longmans.
3. Ira N. Levine. (2009). A fizikokémia alapelvei. Hatodik kiadás, 479–540. Mc Graw Hill.
4. Wikipedia. (2020). Exergonikus reakció. Helyreállítva: en.wikipedia.org
5. Helmenstine, Anne Marie, Ph.D. (2019. szeptember 16.). Endergonikus és exergonikus reakciók és folyamatok. Helyreállítva: gondolat.com
6. Exergonikus reakció: Meghatározás és példa. (2015, szeptember 18). Helyreállítva: study.com
7. Khan Akadémia. (2018). Szabad energia. Helyreállítva: es.khanacademy.org