Entalpia, czyli o reakcjach chemicznych przydatnych na Olchem

Poprosiliśmy Prowadzących kurs do Olimpiady Chemicznej o napisanie kontynuacji jednego z najchętniej czytanych artykułów na naszym blogu! Owocnej lektury 🙂 

Obrazek, który umieściłem powyżej, szczegółowo omawiałem w pierwszej części tego artykułu, w której zadałem pytanie, co widać na powyższym równaniu reakcji. Ważniejsze jednak jest pytanie, czego na tym równaniu nie widać i co możemy sobie o nim wyobrazić?

Entalpia a termodynamika

Powyżej zapisałem kolejne równanie reakcji, jednocześnie dodając do niego kolejną kluczową informację, mianowicie efekt energetyczny w postaci zmiany entalpii (ΔH).  Informuje on nas o tym, ile ciepła wydziela dana reakcja pod stałym ciśnieniem. Pamiętaj o tym, że gdy odczytujesz entalpię, to tyczy się ona warunków stałego ciśnienia. Takie parametry otoczenia to nic innego jak nasze warunki, w których żyjemy i w których przeprowadza się większość eksperymentów. To są powody, dla których entalpia jest tak ważna. Wskazuje ona realną ilość ciepła, które wydziela się w danej reakcji, gdy obserwuje się ją w warunkach naszego otoczenia.

Na powyższym równaniu reakcji oraz obok niego umieszczono jeszcze kilka innych ważnych informacji. Pierwszą z nich jest stan skupienia reagentów. O tej właściwości informuje nas indeks dolny umieszczony za każdym z nich. Odpowiednio, jeśli w nawiasie umieszczono literę „c”, mamy do czynienia z cieczą, w przypadku litery „g” reagent znajduje się w stanie gazowym, litera „s” to oczywiście ciało stałe.

Entalpia: tajemnicze kółko

Drugą ważną sprawą jest „kółko” w indeksie górnym znaku zmiany entalpii. Informuje nas ono o warunkach standardowych. Co to jednak oznacza? Zacznijmy od tego, że wyróżniamy dwa rodzaje szczególnych warunków: warunki standardowe i warunki normalne. Warunki normalne to 1013hPa, czyli jedna atmosfera, i 0°C a więc 273°K. Warunki standardowe (inaczej: laboratoryjne) cechuje z kolei ciśnienie 1000 hPa, co jest równoważne jednemu barowi, oraz 25°C, po przeliczeniu 298°K.

Skoro już przypomniałeś sobie, czym są warunki standardowe, to może warto zacząć myśleć o reakcji. Jest to syntezy wody – pewnie wielu z Was słyszało o mieszaninie piorunującej… Analizowany przez nas proces zachodzi, gdy taki zestaw substratów się podpali (dostarczy odpowiedną energię aktywacji). W jaki sposób taka wybuchowa reakcja może więc przebiegać w temperaturze 25°C? Otóż… nie może. Zachodzi za to w temperaturze znacznie wyższej i podczas jej przebiegu mieszanina reakcyjna znacznie się ogrzewa. Jak się więc mają do tego warunki standardowe?

Trzeba wiedzieć, że opisuje tę reakcję w warunkach standardowych, gdyż zawiera już w sobie dwie ważne poprawki. Uwzględnia po pierwsze, że podczas trwania tej reakcji wodór, tlen i woda będą ulegały ogrzewaniu i wystąpią w postaci gazów o wysokiej temperaturze oraz pod innym ciśnieniem. Jest to jednak wartość, którą bada się po zajściu całej reakcji i doprowadzeniu produktu do warunków standardowych. Ta wartość zawiera już w sobie to, że substratom trzeba będzie w jakiś sposób dostarczyć energii, aby zapoczątkować reakcję, a produktów następnie trzeba będzie pozbawić w jakiś sposób energii, by doprowadzić je z powrotem do warunków standardowych.

Dlaczego tyle kombinacji? Tak naprawdę nie są to kombinacje, lecz uproszczenia. W stosunku do wszystkich reakcji stosujemy tą samą metodę – zakładamy w obliczeniach ich zachodzenie w warunkach standardowych, by móc później zgromadzone wartości stabelaryzować oraz porównywać ze sobą różne przemiany. Gdyby wartości entalpii dla tych procesów były podane dla każdej w innych warunkach, nie można by było tego robić. Nie byłoby też możliwe stosowanie prawa Hessa oraz wyciąganie wniosków co do różnego rodzaju wielkości termodynamicznych.

O czym jeszcze mówi entalpia?

Źródło: www.freepik.com

Jednym z podstawowych wzorów termodynamiki chemicznej jest wzór ΔG = ΔH – TΔS . Pozwala on obliczyć  zmianę entalpii swobodnej reakcji na podstawie znajomości zmiany entropii oraz temperatury przemiany. Entalpia swobodna w warunkach stałego ciśnienia  informuje nas o kierunku przebiegu reakcji. Jeśli jest ujemna, to reakcja zachodzi samorzutnie, a jeśli jest dodatnia, to reakcja nie zachodzi samorzutnie.

W jakim celu wspominam o tym podczas rozważań nad entalpią (tą „zwykłą” entalpią)? Głównie dlatego, że dla większości reakcji (szczególnie tych biochemicznych i organicznych) można przyjąć, że zmiana entropii (∆S) w porównaniu do zmiany entalpii (∆H) jest tak mała, że nawet po pomnożeniu jej przez temperaturę wpływa na entalpię swobodną w sposób znikomy. Dla tych przypadków (stanowiących większość) nie popełnia się błędu uznając za prawdziwy wzór ∆H=∆G. Pokazuje nam to, że już bez uwzględniania entropii można uzyskać wskazówki co do tego, w którą stronę przesunięta jest równowaga reakcji oraz czy reakcja w podanych wyżej warunkach jest samorzutna czy nie. W wielu podręcznikach wspomina się o tym, że sama entalpia ∆H mówi już o samorzutności procesu. Jak widać – nie do końca.

Co jeszcze może pojawić się w równaniu reakcji?

W zapisie procesu chemicznego mogą pojawić się również katalizatory oraz rozpuszczalniki, w których on zachodzi. Warto pamiętać, że często, szczególnie w chemii organicznej, wywierają one duży wpływ na reakcję. Katalizatory zmieniają mechanizm reakcji, przez co obniżają energię aktywacji.

Rozpuszczalniki, poza byciem medium zachodzenia reakcji, również mogą pełnić wiele różnych funkcji, jak na przykład przesuwanie równowagi reakcji w stronę produktów. Posłużmy się przykładem – popularna hydrazyna jest ciekłym rozpuszczalnikiem oraz zasadą „wyłapującą” protony w reakcjach, w których są one produktami reakcji. Pełniąc funkcję „wyłapywacza” produktów powoduje ona powstawanie większej ich ilości. Jej użycie w wielu przypadkach ma więc głębszy sens niż tylko stworzenie środowiska dla zachodzenia reakcji.

Mam nadzieje, że po lekturze tego artykułu będziesz zwracać uwagę na więcej szczegółów w różnego rodzaju reakcjach chemicznych oraz będziesz w stanie dowiedzieć się wiele z potencjalnie podstawowych danych. Zachęcam do zajrzenia na stronę poświęconą kursowi przygotowującemu do Olimpiady Chemicznej, na którym rozwiążesz wiele zadań jakich możesz spodziewać się na Olchemie!

Autor tekstu: Tomasz Motyczyński

Grupa odnośnie Przygotowań do Olimpiady Chemicznej

Chcesz być ze wszystkim na bieżąco? Dołącz do grupy na Facebooku!