Eksergonisia reaktioita
Eksergoniset reaktiot ( kreikaksi έξω - ulos, ulos ja kreikaksi έργον - työ, toiminta), myös spontaanit reaktiot - termodynamiikan toisen lain mukaan nämä ovat kemiallisia reaktioita , jotka etenevät ilman energian tuloa ulkopuolelta. Tällaisten reaktioiden vapaan energian arvo on aina negatiivinen, ts. ∆G° < 0 [1] . Useimmat ympäristössä tapahtuvat kemialliset reaktiot ovat eksergonisia, minkä seurauksena ne ovat termodynaamisesti edullisia, toisin kuin endergoniset . Esimerkki eksergonisista reaktioista ovat elektrolyyttisen dissosiaation , hapettumisen ja palamisen prosessit, sorptioprosessit, fotokemialliset prosessit ( valodissosiaatio ), elävissä organismeissa nämä ovat kataboliaprosesseja - glykolyysi , lipolyysi , proteolyysi , rasvahappojen hapetus ja monet muut.
Eksergoniset reaktiot voivat edetä nopeasti, esimerkiksi palamis- tai valodissosiaatioprosessit, ja hitaasti, esimerkiksi biologinen hapettuminen. Ne eivät riipu ajasta, reaktio voi olla mielivaltaisen hidas, mutta silti eksergoninen.
Termodynaaminen kuvaus
Eksergoniset reaktiot tapahtuvat spontaanisti , ne eivät vaadi energiaa ulkopuolelta. Tällaiset reaktiot etenevät Gibbsin energian pienentyessä, ja jos Δ r G°: n itseisarvo on suuri, niin tällaiset reaktiot menevät melkein loppuun asti (ne ovat peruuttamattomia ) [2] . Eksergonisten reaktioiden tasapainovakio on suhteessa Gibbsin energian arvoon seuraavalla yhtälöllä (van't Hoffin isotermiyhtälö):
,
missä
,
missä T on absoluuttinen lämpötila , R on yleinen kaasuvakio , joka on 8,3144 J / (mol * K). Kun otetaan huomioon, että Δ r G° < 0, tasapainovakion arvo on suurempi kuin 1.
Näin ollen tällaisten reaktioiden virtaussuunta on vasemmalta oikealle (suora reaktio), ja tasapaino siirtyy kohti reaktiotuotteiden muodostumista.
Esimerkki Gibbsin vapaan energian ja kemiallisen reaktion tasapainovakion laskemisesta
Tietäen reaktanttien ja reaktiotuotteiden Gibbsin energioiden standardiarvot, voidaan laskea niiden Δ r G° ja kyky virrata spontaanisti. Harkitse esimerkkinä asetyleenin palamisreaktiota hapessa. Se etenee seuraavan yhtälön mukaisesti:
Alkureagenssit ovat asetyleeni ja happi , ja reaktion tuloksena muodostuva hiilidioksidi ja vesihöyry ovat tuotteita. Kaikki reaktion osallistujat ovat samassa vaiheessa - kaasumaisessa tilassa, oletamme, että osallistujien osapaineet ovat 1.
Standardiarvot ΔG° kJ/mol reaktioon osallistujille ovat seuraavat:
- Asetyleeni C2H2 ( g) - 208,5
- Happi O 2 (g) - 0
- Hiilidioksidi CO 2 (g) - -394,38
- Vesihöyry H20 ( g) - -228,61.
Lasketaan kemiallisen reaktion Gibbsin energian arvo kaavalla:
Δ r G° = Σn i ΔG° tuotteet – Σn i ΔG° alkureagenssit.
Missä n i on kemialliseen reaktioon osallistuvan aineen määrä (alkureagenssi tai tuote).
Korvaamme reaktion osallistujien taulukkoarvot kaavaan ja laskemme Δ r G°:
Δ r G° = (4×(–394.38) + 2×(–228.61)) – (2×208.5 + 5×0) = –2034.74 – 417 = –2451.74 kJ/mol.
Kuten laskelmasta voidaan nähdä, Δ r G°:n arvolla on negatiivinen arvo (paljon pienempi kuin 0), joten tämä kemiallinen reaktio on eksergoninen.
Lasketaan tämän reaktion tasapainovakion arvo. Käytämme van't Hoffin isotermin yhtälöä - tasapainovakion riippuvuutta Δ r G°:sta:
Korvaamme kaavaan lasketut Δ r G°:n arvot sekä absoluuttisen lämpötilan T = 298 K (25° C) ja yleisen kaasuvakion R = 8,314 J / (mol∙K):
Tasapainovakion K arvo on paljon suurempi kuin yksikkö, joten tämä reaktio etenee reaktiotuotteiden muodostumisen suuntaan ja tasapaino siirtyy oikealle, kun taas reaktio on peruuttamaton.
Asetyleenin hapessa palamisreaktion spontaanin esiintymisen kriteeri (Δ r G° < 0 ja K > 1) täyttyy ja soveltuu siihen.