Енергиен профил на реакцията

Топлинен ефект

На профила нивото на реагентите е нула, а нивото на продуктите е топлинният ефект ΔH. Ако продуктите са по-ниско, системата отдава топлина и реакцията е екзотермична. Ако са по-високо, системата поглъща топлина и реакцията е ендотермична. Термохимичното уравнение записва и агрегатните състояния, и знака на ΔH.

ΔH = Σ ΔfH(продукти) − Σ ΔfH(реагенти)

Сумите се правят със стехиометричните коефициенти. Така работи законът на Хес: топлинният ефект зависи само от началното и крайното състояние. Затова можем да пресметнем и реакция, която не се провежда чисто: горенето на графита дава −393,51 kJ/mol, горенето на въглеродния оксид дава −282,99 kJ/mol, а разликата −110,52 kJ/mol е ΔH на образуването му.

Свободна енергия и температура

Дали реакцията е възможна, казва свободната енергия. Тя зависи от топлинния ефект, от изменението на ентропията ΔS и от температурата:

ΔG = ΔH − T · ΔS : 1000

Внимавай с единиците: ΔH е в kJ/mol, а ΔS – в J/(mol·K). Затова ΔS се дели на 1000.

Ако ΔG е отрицателна, реакцията е самопроизволна. Знаците на ΔH и ΔS дават четири случая: самопроизволна при всяка температура, при никоя, само над температура на обръщане или само под нея. Температурата на обръщане е T = ΔH : ΔS. Например варовикът се разлага самопроизволно над около 837 °C, макар процесът да е ендотермичен – ентропията расте, защото се отделя газ.

Бариера и катализатор

Между реагентите и продуктите има връх. Височината му над реагентите е активиращата енергия. Тя не казва колко топлина се отделя, а колко бързо протича реакцията. Затова възможната реакция може да е практически спряна: смес от водород и кислород стои спокойно, докато не прескочи искра, а диамантът не се превръща в графит, макар ΔG да е отрицателна.

Катализаторът отваря друг път с по-ниски бариери и междинно вещество. Нивото на продуктите и ΔH не се менят. По-високият връх определя скоростта и се нарича скоростоопределящ етап. Хомогенният катализатор е в същата фаза като реагентите, хетерогенният е в друга, а ензимите са биокатализатори.

Температура и скорост

Уравнението на Арениус свързва константата на скоростта k с температурата:

k = A · exp(−Ea · 1000 : (R · T))

Отношението на две константи е k₂ : k₁ = exp(Ea · 1000 : R · (1 : T₁ − 1 : T₂)). Температурата е в келвини. При бариера 50 kJ/mol затопляне от 25 °C на 35 °C ускорява около 1,92 пъти, а от 20 °C на 40 °C – около 3,71 пъти, а не 2. По-високата бариера е по-чувствителна към температурата.

Кинетично уравнение

Скоростта е v = k · c(A)^m · c(B)ⁿ. Порядъците m и n се намират от опит: сравняваш два опита, в които се мени само едното вещество, и пресмяташ log(v₂ : v₁) : log(c₂ : c₁). Порядъкът не е коефициентът в уравнението. При 2A + B порядъкът по A може да е 0, 1 или 2.

При нулев порядък концентрацията намалява по права. При първи порядък времето на полуразпад е постоянно. При втори порядък опашката е по-дълга.

Често срещани грешки

• „Екзотермичните реакции са винаги бързи.“ Не – скоростта зависи от бариерата.
• „Катализаторът променя топлинния ефект.“ Не – сваля само бариерата.
• „Ендотермичните реакции никога не са самопроизволни.“ Не – при висока температура могат да са.
• „Скоростта е пропорционална на температурата в градуси Целзий.“ Не – зависи от 1 : T.

Безопасност

Сцената е само на екран. Смес от водород и кислород е взривоопасна и не се опитва извън лабораторията под надзор. Водородният пероксид дразни кожата и очите, а концентрираният е окислител. Симулацията допълва лабораторното упражнение, не го замества.