Ако виждаш това съобщение, значи уебсайтът ни има проблем със зареждането на външни ресурси.

If you're behind a web filter, please make sure that the domains *.kastatic.org and *.kasandbox.org are unblocked.

Основно съдържание

Енталпия на химичната връзка

Научи за енталпията на химичната връзка и как тя може да се използва за изчисляване на промяната на енталпията в една химична реакция.

Енергия на химичните връзки

Можем да използваме енергията, освободена от огъня, който представлява една екзетермична реакция, за да изпечем маршмелоус. Photo from CK-12, CC BY-NC 3,0
Химичните връзки представляват потенциална енергия. Количественото определяне на енергията, представена от връзките в различните молекули, е важна част от разбирането на общата енергия на реакцията. В тази статия ще изследваме две различни понятия, които ни помагат да опишем тази енергия: енталпия на връзката и на реакцията.

Енталпия на реакцията

По време на химичните реакции връзките между атомите могат да се разкъсат, да се преобразуват или и двете, и, съответно, да абсорбират или да освободят енергия. В резултат настъпва промяна в потенциалната енегия на системата. Абсорбираната или освободена топлина от система под постоянно налягане се нарича енталпия, а промяната на енталпията, която настъпва по време на реакцията, се нарича енталпия на реакцията. Енталпията на реакцията често се записва като ΔHrxn.
За да разберем по-добре енталпията на реакцията, да разгледаме хидрогениране на пропен (C3H6) до образуване на пропан (C3H8). В тази реакция газ пропен реагира с газ водород (H2) и се обрзува газ пропан:
       C3H6                                  H2                                                                C3H8
Какво се случва в тази реакция? Първо се разкъсват двойната връзка между въглеродните атоми C=C и връзката между водородните атоми HH в реагиращите вещества. По правило за разкъсването на връзки между атомите е нужна допълнителна енергия. Колкото по-силна е връзката, толкова повече енергия е необходима, за да се разкъса. За да се образува пропан, се образува нова връзка C-C и две нови връзки C-H. Тъй като разкъсването на връзките изисква допълнителна енергия, при обратния процес на образуване на нови връзки винаги се освобождава енергия. Колкото по-силна връзка се образува, толкова повече енергия се освобождава в процеса на образуването ѝ. При тази конкретна реакция, тъй като новообразуваните връзки освобождават повече енергия, отколкото е необходима за разкъсването на първоначалните връзки, получената система има по-ниска потенциална енергия от регентите. Това означава, че енталпията на реакцията е отрицателна.
Математически можем да приемем енталпията на реакцията като разлика между потенциалната енергия на връзките в продуктите и потенциалната енергия на връзките в реагентите:
ΔHrxn=потенциална енергия във връзките в продуктитепотенциална енергия на връзките в реагентите=добавена енергия за разкъсване на връзките на реагентите+освободена енергия при образуване на връзките на продуктите
Реакциите, в които продуктите имат по-ниска потенциална енергия, отколкото реагентите, като хидрогенирането на пропена, описано по-горе, се наричат екзотермични. Реакциите, в които продуктите имат по-висока потенциална енергия, отколкото реагентите, се наричат ендотермични.
Енергията, освободена по време на екзотермична реакция, не изчезва. Тя се превръща в кинетична енергия, която произвежда топлина. Това се наблюдава като повишаване на температурата в процеса на протичане на реакцията. От друга страна ендотермичните реакции изискват допълнителна енергия, за да се образуват нови продукти. В практиката това често означава провеждане на реакцията при висока температура с източник на топлина.
За да определим количествено енталпията на реакция за дадена реакция, можем да използваме стандартните енталпии на образуване за всички участващи молекули. Тези стойности описват промяната на енталпията при образуване на съединения от съставните елементи. Разликата на стандартните енталпии на образуване на реагентите от стандартните енталпии на продуктите дава приблизително енталпията на реакцията за системата. За да научиш повече за енталпията на образуване (която се нарича още топлина на образуване) и как да я използваш, за да изчислиш енталпията на реакцията, гледай нашето видео за стандартна топлина на образуване и видеото за използване на топлината на образуване за изчисляване на енталпия на реакцията.
Алтернативен подход е да оцениш енталпията на реакцията, като разгледаш отделните връзки в нея. Ако знаем колко енергия е необходима, за да се образува и разкъса всяка от връзките, можем да съберем тези стойности, за да намерим енталпия на реакцията. Ще обсъдим подробно този метод в края на статията.

Енталпия на връзките

Енталпията на връзката (позната още като енталпия на дисоциацията на връзката, средна енергия на връзката или сила на връзката) описва количеството енергия, което се съдържа в дадена връзка между атомите в една молекула. По-конкретно това е енергията, която е необходима за хомолитично (симетрично) разкъсване на връзката в газова фаза. Хомолитично (симетрично) разкъсване на връзката означава, че когато връзката се разкъса, всеки атом, който е участвал в нея, получава по един електрон и се превръща в радикал, за разлика от образуването на йон.
Химичните връзки се образуват, когато се благоприятстват термодинамично и разкъсването им изисква допълнителна енергия. По тази причина стойностите на енталпията на връзката винаги са положителни и обикновено са в единици kJ/mol или kcal/mol. Колкото по-висока е енталпията на връзката, толкова по-силна е тя и е необходима повече енергия за разкъсването ѝ. За да определим колко енергия ще бъде освободена при образуването на нова връзка, просто взимаме стойността на енталпията с отрицателен знак.
Тъй като стойностите на енталпията на връзките са толкова полезни, средните енталпии на някои често срещани видове връзки са описани в референтни таблици. Макар че действителните промени на енергията при образуване и разкъсване на връзки зависят от съседните атоми в конкретната молекула, средните стойности от тези таблици все пак могат да се използват като приближение.
Съвет: Стойностите на връзките, описани в таблиците, се отнасят за една връзка за едномоларна реакция. Това означава, че ако по време на реакцията се разкъсват или образуват няколко еднакви връзки, трябва да умножиш енталпията на връзката в изчисленията си по броя на връзките от този вид в реакцията. Освен това е важно уравнението да е изравнено вярно и коефициентите да са най-малките възможни целочислени стойности, за да използваш правилен коефициент за всяка връзка.

Използване на енталпиите на връзките за оценяване на енталпията на реакцията

След като определим енталпията на връзката, можем да я използваме, за да определим енталпията на реакцията. За целта можем да използваме следната процедура:
Стъпка 1. Определяне на връзките в реагентите, които ще се разкъсат, и определяне на енталпиите на тези връзки.
Стъпка 2. Събиране на стойностите на енталпията на разкъсаните връзки.
Стъпка 3. Определяне на новите връзки, които ще се образуват в продуктите, и изброяване на техните отрицателни енталпии. Запомни, че трябва да променим знака на стойностите на енталпията на връзката, за да намерим енергията, която се освобождава при образуване на връзката.
Стъпка 4. Събиране на стойностите на енталпия на връзките за връзките, образувани в продуктите.
Стъпка 5. Комбиниране на общите стойности за разкъсаните връзки (от стъпка 2) и образуваните връзки (от стъпка 4), за получаване на енталпията на реакцията.

Пример: Хидрогениране на пропен

Да намерим енталпията на реакцията на хидрогениране на пропен (примера от началото на статията).

Стъпка 1: Определяне на разкъсващите се връзки

При тази реакция се разкъсват една C=C връзка и една HH връзка.
Като използваме референтна таблица, установяваме, че енталпията на връзката C=C е 610kJ/mol, докато енталпията на връзката HH е 436kJ/mol.

Стъпка 2: Намиране на общата енергия на разкъсаните връзки

Сумирането на стойностите от стъпка 1 ни дава:
Добавена енергия за разкъсване на връзки=610kJ/mol+436 kJ/mol=1046 kJ/mol
като общата енергия, необходима за разкъсването на съответните връзки в пропена и във водородната молекула.

Стъпка 3: Определяне на образуваните връзки

В тази реакция се образуват една нова CC връзка и две нови CH връзки.
Като използваме референтна таблица, установяваме, че енталпията на връзката CC е 346kJ/mol, докато енталпията на връзката CH е 413kJ/mol. За да намерим колко енергия се освобождава при образуването на тези връзки, трябва да умножим енталпията на всяка връзка по 1. Освен това заради образуването на две нови CH връзки трябва да умножим енталпията на връзката CH по 2.

Стъпка 4: Определяне на общата енергия, освободена при образуването на новите връзки

Сумирането на стойностите от стъпка 3 ни дава:
Енергия, освободена за образуване на връзки между продуктите=346kJ/mol+(2413kJ/mol)=1172kJ/mol
за общата енергия, която ще бъде освободена при образуването на нови връзки.

Стъпка 5: Сумиране на енергията на разкъсаните връзки и на образуваните връзки

От стъпка 2 и стъпка 4 имаме 1046kJ енергия, необходима за разкъсване на връзките, и 1172kJ енергия, освободена при образуване на новите връзки. Събираме тези две стойности и получаваме за енталпията на реакцията:
ΔHrxn=добавена енергия за разкъсване на връзки на реагентите+освободена енергия при образуване на връзки на продуктите  =1046 kJ/mol+(1172kJ/mol)  =126kJ/mol
Енталпията на реакцията на хидрогениране на пропен е отрицателна, следователно реакцията е екзотермична.

Резюме

Енталпията на връзката и енталпията на реакцията ни помагат да разберем какво се случва с енергията в една химична система по време на реакцията. Енталпията на връзката описва колко енергия е необходима за разкъсване или образуване на тази връзка и измерва силата на връзката. Сумирането на стойностите на енталпията на връзката за всички връзки, които са образувани и разкъсани по време на реакцията, дава оценка за общата промяна на потенциалната енергия на системата, която е ΔHrxn за реакция при постоянно налягане. Според това дали енталпията на реакцията е положителна, или отрицателна, можем да определим дали реакцията ще бъде ендотермична, или екзотермична.

Искаш ли да се присъединиш към разговора?

Все още няма публикации.
Разбираш ли английски? Натисни тук, за да видиш още дискусии в английския сайт на Кан Академия.