Termokémiai alapfogalmak, aktiválási energia

A kémiai reakciók, vagy kémiai változások mindig az eredeti anyagok jellemző kémiai kötéseinek felbomlásával és újak kialakulásával jár.

Egy-egy kémiai reakciót szinte minden esetben kísér vagy megelőz fizikai változás is (fizikai változás például egy olyan oldódási folyamat, ahol a komponensek között reakció nem történik, csak elkeverednek, pl. cukor oldódása vízben).

A kémiai reakciók lezajlódásának több feltétele is van, az egyik, hogy a résztvevő anyagok részecskéinek találkozni, ütköznie kell (ez gyorsítható folyamat, hőközléssel a hőmozgás megnövekszik). Maga az ütközés nem elég, a részecskéknek megfelelő energiával kell rendelkezniük ahhoz, hogy a reakció végbemenjen. (Erre jó példa, hogy energia/hőközlés nélkül az oxigén-hidrogén 1:2 arányú elegye nem reagál, melegítésre viszont végbemegy a durranógáz reakció). Az ütközéskor úgynevezett aktivált komplex jön létre, mely csak rövid ideig létezik, a részecskék magasabb energiaállapotba kerülését jelöli.

Azt az energiatöbbletet, amely 1 mol aktivált komplexum kialakulásához szükséges, aktiválási energiának nevezzük.

Jele: E_a; mértékegysége kJ/mol.

Ha egy adott ütközésben a részecske energiája nem éri el az aktiválási energiát, a reakció az átalakulás szempontjából sikertelen, nem megy végbe a reakció, az aktivált komplex sem alakul már ki.

A kémiai reakciókat szinte mindig jól észlelhető energiaváltozás kíséri. Például az égés energia-felszabadulással jár, pl.: a cink- és kénpor egyesülését is nagy fény- és hőjelenség kíséri. Ha a reakcióban a résztvevő anyagok energiát adnak át a környezetüknek, exoterm (hőtermelő) folyamatoknak nevezzük.

Más átalakulások során folyamatos melegítés szükséges, azaz energia-befektetés hatására játszódnak le. Ezeket a folyamatokat endoterm (hőelnyelő) reakcióknak nevezzük. Tipikus példa erre a bomlási folyamatok. Endoterm reakció során a környezet energiája csökken, míg a rendszer belső energiája folyamatosan növekszik. Endoterm reakció például a vízbontás, ahol az energiát elektromos energia formájában közöljük, de a higany(II)-oxid bomlása is folyamatos melegítést igényel.

Exoterm reakcióban a termékek az energiadiagramon a kiindulási anyagok szintje alá kerülnek, az endoterm reakciókban viszont feljebb maradnak. A reakcióhő negatív előjelű, ha exoterm a reakció, pozitív, hogyha endoterm.

A kémiai folyamatok energiaváltozásának mennyiségi leírásával foglalkozik a termokémia.

Kémiai változás során a kiindulási anyagokban a kémiai kötések felbomlanak, és az átrendeződő részecskék között új kötések alakulnak ki.

Adott reakciót kísérő energiaváltozást a reakcióhő jellemzi. A reakcióegyenletben feltüntetett minőségű és mennyiségű anyagok átalakulásakor felszabaduló vagy elnyelődő hőt nevezzük reakcióhőnek.

Jele: ∆_rH (régi jelölése Q_r); mértékegysége kJ/mol.

Exoterm reakció esetén negatív előjelű, endoterm esetben pozitív. Attól is függ, hogy a reagáló anyagok és termékek milyen halmazállapotúak, melyik módosulatuk alakul át. A termokémiai egyenletben nemcsak a vegyjelet, képletet, hanem az anyagok halmazállapotát is fel kell tüntetni, alsó indexbe írt rövidítésükkel. (g = gáz; f = folyékony; sz = szilárd; aq. = oldott/hidratált)

Pl. hidrogén és oxigén egyesülésekor, ha folyékony víz keletkezik, a reakcióhő -572 kJ/mol, azonban ha vízgőz jön létre, akkor csak -484 kJ/mol az energia-felszabadulás.

Ez is bizonyítja Hess tételét, mely kimondja, hogy ha egy reakció többféleképpen is végbemehet, a reakcióhő független a részfolyamatok milyenségétől és sorrendjétől, csak és kizárólag a kiindulási és végállapottól függ. Hess tételét a termokémia főtételének is nevezzük. Ebből következik a reakcióhő számításának módja is.

A reakcióhőt számítással is meghatározhatjuk. A reakcióhőt kapjuk meg, ha a termékek képződéshőinek összegéből kivonjuk a kiindulási anyagok képződéshőinek összegét. (A reakcióhő a kötési energiákból is kiszámítható, ha úgy képzeljük el, hogy minden kötés felszakad, és a termékekben alakulnak ki az új kötések.)

Egy vegyület energiaszintje a képződéshővel jellemezhető.

A képződéshő annak a reakciónak a reakcióhője, ahol egy vegyület 1 mólja standard körülmények között stabilis elemeiből képződik. Jele: ∆_kH (régebben Q_k), mértékegysége kJ/mol.

Elemek képződéshője megegyezés alapján 0.