EKSERGONISK REAKTION: KARAKTERISTIKA OG EKSEMPLER - KEMI - 2025

En exergonisk reaktion er en, der forekommer spontant og ledsages generelt af en frigivelse af energi, enten i form af varme, lys eller lyd. Når der frigøres varme, siges det, at vi står over for en eksoterm og eksergonisk reaktion.

Det er grunden til, at udtrykkene "eksotermisk" og "eksergonisk" forveksles og fejlagtigt bliver behandlet som synonymer. Dette skyldes, at mange eksoterme reaktioner også er eksergoniske. Hvis der observeres en stor frigivelse af varme og lys, såsom den, der er forårsaget af tænding af en brand, kan det antages, at den består af en exergonisk reaktion.

Forbrænding af træ er et eksempel på en eksoterm og samtidig exergonisk reaktion. Kilde: Pixnio.

Dog frigøres energien muligvis upåaktet hen og er måske ikke så overraskende. For eksempel kan et flydende medium opvarmes lidt og stadig være resultatet af en exergonisk reaktion. I nogle exergoniske reaktioner, der forløber for langsomt, observeres ikke engang den mindste temperaturstigning.

Det centrale og karakteristiske punkt for denne type termodynamiske reaktioner er faldet i Gibbs frie energi i produkterne i forhold til reaktanterne, hvilket omsættes til spontanitet.

Karakteristika ved exergoniske reaktioner

Generelt diagram

Energi diagram for en exergonisk reaktion. Kilde: Gabriel Bolívar.

Det vigtigste kendetegn ved en exergonisk reaktion er, at produkterne har lavere Gibss-frie energi end reaktanterne eller reaktanterne (øverste billede). Denne kendsgerning er normalt forbundet med, at produkterne er kemisk mere stabile, med stærkere bindinger, mere dynamiske strukturer eller mere "behagelige" forhold.

Derfor er denne energiforskel ΔG negativ ((G <0). Når man er negativ, skal reaktionen i teorien være spontan. Andre faktorer definerer imidlertid også denne spontanitet, såsom aktiveringsenergi (bakkenes højde), temperatur og ændringer i entalpi og entropi.

Alle disse variabler, der reagerer på arten af ​​det overvejede fænomen eller den kemiske reaktion, gør det muligt at bestemme, om en reaktion vil være eksergon eller ej. Og det ses også, at det ikke nødvendigvis behøver at være en eksoterm reaktion.

Når aktiveringsenergien er meget høj, kræver reaktanterne hjælp af en katalysator til at sænke energibarrieren. Derfor er der eksergoniske reaktioner, der forekommer i meget lave hastigheder, eller som overhovedet ikke forekommer.

Fald i systemets frie energi

Følgende matematiske udtryk omfatter ovennævnte:

ΔG = ΔH - TΔS

ΔH-udtrykket er positivt, hvis det er en endoterm reaktion, og negativt, hvis det er eksotermisk. Hvis vi ønsker, at ΔG skal være negativt, skal TΔS-udtrykket være meget stort og positivt, så når man trækker fra ΔH, er resultatet af operationen også negativt.

Derfor, og dette er et andet specielt træk ved exergoniske reaktioner: De involverer en stor ændring i systemets entropi.

Under hensyntagen til alle udtryk kan vi således være til stede inden en exergonisk reaktion, men samtidig endotermisk; det vil sige med positiv ΔH, en meget høj temperatur eller en stor entropiændring.

De fleste exergoniske reaktioner er også eksoterme, fordi hvis ΔH er negativ, og ved at trække et andet udtryk, der er endnu mere negativt, vil vi følgelig have en ΔG med en negativ værdi; medmindre TΔS er negativ (entropien falder), og derfor ville den eksoterme reaktion blive endergonic (ikke spontan).

Det er vigtigt at fremhæve, at spontaniteten af ​​en reaktion (uanset om den er eksergonisk eller ikke) afhænger meget af termodynamiske forhold; mens hastigheden, som den passerer, skyldes kinetiske faktorer.

Spontanitet ved en eksergonisk reaktion

Fra det, der er blevet sagt, vides det allerede, at en exergonisk reaktion er spontan, uanset om den er eksoterm. For eksempel kan en forbindelse opløses i vand ved at afkøle den sammen med dens beholder. Denne opløsningsproces er endotermisk, men når den sker spontant, siges den at den er eksergon.

Eksoterm reaktion

Der er "mere eksergoniske" reaktioner end andre. For at finde ud af det, skal du holde følgende udtryk ved hånden igen:

ΔG = ΔH - TΔS

De mest exergoniske reaktioner er dem, der forekommer spontant ved alle temperaturer. Det vil sige, uanset værdien af ​​T i ovennævnte udtryk, negativeH er negativ og ΔS positiv (ΔH <0 og ΔS> 0). Det er derfor meget eksoterme reaktioner, som ikke er i modstrid med den oprindelige idé.

Ligeledes kan der være eksoterme reaktioner, hvor systemets entropi falder (ΔS <0); ligesom det sker i syntesen af ​​makromolekyler eller polymerer. I dette tilfælde er det kun exergoniske reaktioner ved lave temperaturer, da T otherwiseS-udtrykket ellers ville være meget stort og negativt.

Endotermisk reaktion

På den anden side er der reaktioner, der kun er spontane ved høje temperaturer: når ΔH er positiv og ΔS positiv (ΔH> 0 og ΔS> 0). Vi taler om endotermiske reaktioner. Derfor kan fald i temperaturen forekomme spontant, da de medfører en stigning i entropi.

I mellemtiden er der reaktioner, der slet ikke er exergoniske: når ΔH og ΔS har positive værdier. I dette tilfælde, uanset hvad temperaturen er, vil reaktionen aldrig ske spontant. Vi taler om en ikke-spontan endergonic reaktion.

Eksempler på exergoniske reaktioner

Kemi er normalt kendetegnet ved at være eksplosiv og lys, så det antages, at de fleste reaktioner er eksoterme og eksergoniske.

Forbrænding

Exergoniske reaktioner er forbrænding af alkaner, olefiner, aromatiske kulbrinter, sukkerarter osv.

Metaloxidationer

Ligeledes er oxidationer af metaller eksergoniske, selvom de finder sted langsommere.

Kataboliske reaktioner i kroppen

Der er dog andre processer, mere subtile, som også er eksergoniske og meget vigtige: de katabolske reaktioner i vores stofskifte. Her nedbrydes makromolekyler, der fungerer som energimagasiner og frigiver sig i form af varme og ATP, og takket være det kroppen udfører mange af sine funktioner.

De mest symbolske af disse reaktioner er cellulær respiration, i modsætning til fotosyntese, hvor kulhydrater er ”brændt” med oxygen at omdanne dem til små molekyler (CO ₂ og H ₂ O) og energi.

Andre

Blandt andre exergoniske reaktioner har vi den eksplosive nedbrydning af nitrogentriiodid, NI ₃; tilsætning af alkalimetaller til vand efterfulgt af en eksplosion; polymersyntese af ethoxylerede harpikser; syre-base-neutraliseringer i vandig opløsning; og kemoluminescerende reaktioner.

Referencer

1. Whitten, Davis, Peck & Stanley. (2008). Kemi (8. udgave). CENGAGE Læring.
2. Walter J. Moore. (1963). Fysisk kemi. I kemisk kinetik. Fjerde udgave, Longmans.
3. Ira N. Levine. (2009). Principper for fysisk kemi. Sjette udgave, s. 479-540. Mc Graw Hill.
4. Wikipedia. (2020). Exergonisk reaktion. Gendannet fra: en.wikipedia.org
5. Helmenstine, Anne Marie, ph.d. (16. september 2019). Endergonic vs eksergoniske reaktioner og processer. Gendannes fra: thoughtco.com
6. Eksergonisk reaktion: Definition og eksempel. (2015, 18. september). Gendannes fra: study.com
7. Khan Academy. (2018). Fri energi. Gendannes fra: es.khanacademy.org