úvod
Hessov zákon nám dovolil vypočítať reakčné teplo z tabuliek. Ale odkiaľ sa to teplo vlastne berie? Odpoveď je v chemických väzbách, o ktorých hovorí lekcia Kovalentná väzba.
teória
Rozbiť stojí, spojiť prináša
Pri chemickej reakcii sa niektoré väzby rozbijú a iné vzniknú.
- Rozbitie väzby vždy spotrebuje energiu. Atómy sa musia od seba odtrhnúť.
- Vznik väzby vždy uvoľní energiu, rovnako veľa, koľko by stálo jej rozbitie.
Reakcia je exotermická, keď nové väzby uvoľnia viac energie, ako stálo rozbitie starých. Je endotermická, keď je to naopak.
teória
Väzbová energia
Väzbová energia je energia potrebná na rozbitie 1 mol väzieb v plynnej látke. Udáva sa v kJ/mol. Čím je väčšia, tým je väzba pevnejšia.
| Väzba | kJ/mol | Väzba | kJ/mol |
|---|---|---|---|
| H−H | 436 | C−H | 413 |
| Cl−Cl | 242 | C−C | 348 |
| H−Cl | 431 | C=C | 614 |
| O=O | 498 | C=O (v CO₂) | 799 |
| O−H | 463 | N≡N | 945 |
| N−H | 391 | Br−Br | 193 |
Dvojitá väzba je pevnejšia ako jednoduchá a trojitá ešte pevnejšia. Preto je dusík so svojou trojitou väzbou taký nereaktívny a zo vzduchu ho rastliny nevedia priamo využiť.
teória
Odhad reakčného tepla
ΔH ≈ Σ energií rozbitých väzieb − Σ energií vytvorených väzieb
Príklad. H₂ + Cl₂ → 2 HCl
- rozbité: H−H 436 + Cl−Cl 242 = 678 kJ
- vytvorené: 2 · H−Cl = 2 · 431 = 862 kJ
- ΔH ≈ 678 − 862 = −184 kJ
Z tabuľky zlučovacích tepiel vychádza −184,6 kJ, odhad sedí veľmi dobre.
vyskúšaj si
Rozbiť a spojiť
Najprv rozbi všetky väzby v reaktantoch, potom z voľných atómov vytvor väzby produktov. Sleduj, kam sa dostane energia.
0 / 0Rozbiť v reaktantoch
Vytvoriť v produktoch
Väzby produktov môžeš tvoriť, keď sú všetky väzby reaktantov rozbité.
Energia oproti reaktantom: 0 kJ
Čo treba urobiť, aby sa väzba rozbila?
0 / 0Zapamätaj si: na rozbitie väzby treba energiu dodať, pri vzniku väzby sa energia uvoľní. Reakcia je exotermická, keď vzniknú pevnejšie väzby, než sa rozbili. Preto horenie hreje: v oxide uhličitom a vo vode sú veľmi pevné väzby.
Prečo je to len odhad
Tabuľkové väzbové energie sú priemery. Väzba C−H má v metáne trochu inú energiu ako v etanole či v benzéne, lebo jej okolie je iné. Väčšinou sa výsledok líši od presnej hodnoty o niekoľko percent.
Väzbové energie platia pre plynné látky. Keď je reaktant alebo produkt kvapalina, treba pripočítať aj skupenské teplo. Napríklad pri vzniku kvapalnej vody namiesto pary sa uvoľní navyše 44 kJ na každý mol vody.
Nemenné väzby netreba rátať
Pri hydrogenácii eténu C₂H₄ + H₂ → C₂H₆ ostanú štyri väzby C−H eténu nezmenené. Stačí rátať väzby, ktoré sa naozaj menia: rozbije sa C=C a H−H, vznikne C−C a dve C−H.
ΔH ≈ (614 + 436) − (348 + 2 · 413) = −124 kJ
Presná hodnota je −137 kJ. Rozdiel ukazuje, že priemerné hodnoty pre C=C a C−H na etén úplne nesedia.
Väzba a reaktivita
Kyslík O=O má pomerne slabú dvojitú väzbu (498 kJ/mol), zatiaľ čo produkty horenia majú väzby veľmi pevné. Preto sa pri spaľovaní uvoľní toľko tepla. Naopak, dusík N≡N treba pri výrobe amoniaku najprv rozbiť, a hoci je celá reakcia exotermická, bez katalyzátora a vysokej teploty prakticky neprebehne.
rozšírenie Energia v ATP nie je v jednej väzbe
V biológii sa často hovorí o „makroergických väzbách“ v ATP, ako keby energia bola schovaná v jednej väzbe. Z hľadiska chémie je to nepresné: rozbitie každej väzby energiu spotrebuje. Energia sa uvoľní preto, že produkty hydrolýzy ATP vytvoria pevnejšie väzby a lepšie sa obalia vodou než pôvodná molekula. Viac v lekcii Metabolizmus a ATP.
teória
Časté chyby
- „Pri rozbití väzby sa energia uvoľní.“ Rozbitie energiu vždy spotrebuje.
- „ΔH = vytvorené mínus rozbité.“ Je to rozbité mínus vytvorené.
- „Treba rátať všetky väzby v molekulách.“ Stačí tie, ktoré sa menia. Nemenné sa vykrátia.
- „Väzbové energie dávajú presný výsledok.“ Dávajú odhad, lebo sú to priemery pre plyny.
Prečo niektoré deje prebiehajú samy, aj keď teplo spotrebujú, vysvetlí lekcia Entropia.