ბმის ენთალპია და რეაქციის ენთალპია

ქიმიური ბმები პოტენციურ ენერგიას წარმოადგენენ. განსხვავებულ მოლეკულებში არსებული ბმებით წარმოდგენილი ენერგიის რაოდენობრივად ასახვა მნიშვნელოვანია, რათა გავიგოთ, თუ რა შედეგს მოგვცემს რეაქცია საბოლოოდ. ამ სტატიაში განვიხილავთ ორ განსხვავებულ იდეას, რომელთა დახმარებითაც შეიძლება ენერგიის აღწერა: რეაქციის ენთალპია და ბმის ენთალპია.

ქიმიური რეაქციის დროს ატომებს შორის არსებული ბმები შეიძლება გაწყდნენ, ხელახლა შეერთდნენ ან ორივე ეს პროცესი წარმართონ, რათა გამოათავისუფლონ ან შეინახონ ენერგია. ამისი შედეგია სისტემის პოტენციური ენერგიის ცვლილება. მუდმივი წნევის დროს სისტემის მიერ შთანთქმულ ან სისტემიდან გამოყოფილ სითბოს ვიცნობთ, როგორც ენთალპიას. ენთალპიის ცვლილება, რომელიც მიიღება ქიმიური რეაქციის შედეგად, არის რეაქციის ენთალპია. რეაქციის ენთალპიას ხშირად წერენ ასე — $\mathrm{\Delta }{\text{H}}_{\text{rxn}}$‍.

იმისთვის, რომ უკეთ გავიგოთ რეაქციის ენთალპია, განვიხილოთ პროპენის, ${\text{C}}_3{\text{H}}_6$‍-ის, ჰიდრირება, რის შედეგადაც წარმოიქმნება პროპანი, ${\text{C}}_3{\text{H}}_8$‍. ამ რეაქციაში აირი პროპენი ურთიერთქმედებს აირ წყალბადთან, ${\text{H}}_2(აირ)$‍, და წარმოქმნის აირ პროპანს:

რა ხდება ამ რეაქციაში? ჯერ უნდა გაწყდეს საწყის ნივთიერებებში არსებული ნახშირბადის $\text{C}=\text{C}$‍ და წყალბადის $\text{H}-\text{H}$‍ ბმები. როგორც წესი, ატომებს შორის ბმების გაწყვეტა ენერგიის დამატებას მოითხოვს. რაც უფრო ძლიერია ბმა, მით უფრო მეტი ენერგიაა საჭირო მის გასაწყვეტად. საბოლოო ნაერთის, პროპანის, მისაღებად ახალი $\text{C-C}$‍ და 2 $\text{C-H}$‍ ბმა წარმოიქმნება. რადგანაც ბმების გაწყვეტას ენერგიის დამატება სჭირდება, მის საპირისპირო პროცესში, ახალი ბმების ჩამოყალიბებისას ყოველთვის გამოთავისუფლდება ენერგია. რაც უფრო ძლიერია ჩამოყალიბებული ბმა, მით უფრო მეტი ენერგია გამოთავისუფლდება ბმის წარმოქმნის დროს. ამ კონკრეტულ რეაქციაში ახლადწარმოქმნილი ბმები გამოათავისუფლებენ იმაზე მეტ ენერგიას, რამდენიც საჭირო იყო თავდაპირველი ბმების გასაწყვეტად, რის შედეგადაც მიღებულ სისტემას აქვს უფრო დაბალი პოტენციური ენერგია, ვიდრე მორეაგირე ნივთიერებებს. ეს ნიშნავს, რომ რეაქციის ენთალპია უარყოფითია.

მათემატიკურად რეაქციის ენთალპიის წარმოდგენა შეგვიძლია მიღებული და საწყისი ბმების პოტენციური ენერგიების სხვაობის სახით:

რეაქციები, რომლებშიც საბოლოო ნივთიერებებს აქვთ უფრო დაბალი პოტენციური ენერგია, ვიდრე საწყისს, მაგალითად, პროპენის ჰიდრირება, არიან ეგზოთერმულები. რეაქციები, რომლებშიც საბოლოო ნივთიერებებს უფრო დიდი პოტენციური ენერგია აქვთ, ვიდრე საწყისს, არიან ენდოთერმულები.

ეგზოთერმული რეაქციის შედეგად გამოყოფილი ენერგია უბრალოდ არ ქრება, არამედ გარდაიქმება კინეტიკურ ენერგიად, რომელიც სითბოს წარმოქმნის. ამის დანახვა შეგვიძლია რეაქციის მიმდინარეობისას ტემპერატურის მომატების მაგალითზე. მეორე მხრივ, ენდოთერმულ რეაქციებს ხშირად ენერგიის დამატება სჭირდებათ, რათა საბოლოო ნივთიერებების წარმოქმნის მხარეს გადაიხარონ. პრაქტიკაში ეს ხშირად ნიშნავს იმას, რომ ენდოთერმული რეაქცია უნდა წარვმართოთ მაღალ ტემპერატურაზე სითბოს წყაროს დახმარებით.

იმისთვის, რომ მოცემული რეაქციისთვის რეაქციის ენთალპია რაოდენობრივად გამოვსახოთ, შეგვიძლია, გამოვიყენოთ რეაქციაში არსებული ყველა მოლეკულის წარმოქმნის ენთალპიის მნიშვნელობები. ეს მნიშვნელობები აღწერენ ენთალპიის იმ ცვლილებას, რომელიც მიიღება კონკრეტული ნაერთის წარმოქმნისას მისი შემადგენელი ელემენტებისგან. თუ მიღებული ნაერთების სტანდარტულ ენთალპიას გამოვაკლებთ საწყისი ნაერთების სტანდარტულ ენთალპიას, მივიღებთ სისტემის რეაქციის ენთალპიას. წარმოქმნის ენთალპიისა (რასაც, ასევე, წარმოქმნის სითბოსაც უწოდებენ) და მისი გამოთვლის შესახებ მეტის გასაგებად შეგიძლიათ, ნახოთ ჩვენი ვიდეო წარმოქმნის სტანდარტული სითბოს შესახებ და ვიდეო, თუ როგორ ხდება წარმოქმნის სითბოს გამოყენება რეაქციის ენთალპიის დასათვლელად.

ალტერნატიული მიდგომაა, გამოვთვალოთ რეაქციის ენთალპია მიახლოებით, რაც რეაქციაში ჩართული ცალკეული ბმების განხილვით ხდება. თუ ვიცით, რამდენი ენერგიაა საჭირო ბმის წარმოსაქმნელად და გასაწყვეტად, შეგვიძლია ეს მნიშვნელობები შევკრიბოთ და რეაქციის ენთალპია გავიგოთ. ამ მეთოდს უფრო დეტალურად განვიხილავთ სტატიის შემდეგ ნაწილში.

ბმის ენთალპია (რომელიც ასევე ცნობილია, როგორც ბმის დისოციაციის ენთალპია, ბმის საშუალო ენერგია ან ბმის სიძლიერე) აღწერს მოლეკულაში არსებულ ატომებს შორის დამყარებულ ბმაში შენახული ენერგიის რაოდენობას. უფრო კონკრეტულად, ესაა ენერგიის ის რაოდენობა, რომლის დამატებაც დაგვჭირდება, რომ აირად ფაზაში მყოფი ბმა ჰომოლიზურად ან სიმეტრიულად გაწყდეს. ბმის ჰომოლიზური ან სიმეტრიული გაწყვეტა ნიშნავს, რომ, როცა ბმა გაწყდება, თითოეულ ატომს, რომელიც ამ ბმის წარმოქმნაში მონაწილეობდა, ექნება დარჩენილი 1 ელექტრონი და გახდება რადიკალი (ანუ, ასეთი გაწყვეტის შემთხვევაში არ წარმოიქმნება იონი).

ქიმიური ბმები წარმოიქმნებიან იმიტომ, რომ მათი წარმოქმნა თერმოდინამიკურად ხელსაყრელი პროცესია და მათი გაწყვეტისთვის აუცილებელია ენერგიის დამატება. ამის გამო ბმის ენთალპიის მნიშვნელობები ყოველთვის დადებითია და, ჩვეულებრივ, მათი ერთეულია $\text{კჯ/მოლ}$‍ ან $\text{კკალ/მოლ}$‍. რაც უფრო მაღალია ბმის ენთალპია, მით უფრო ძლიერია ის და მით უფრო მეტი ენერგიაა საჭირო მის გასაწყვეტად. იმისათვის, რომ განვსაზღვროთ, რა რაოდენობის ენერგია გამოიყოფა ახალი ბმის წარმოქმნისას, ამ ბმის გაწყვეტის მაგივრად შეგვიძლია, უბრალოდ, ბმის ენთალპიის მნიშვნელობას ნიშანი შევუცვალოთ და უარყოფითი გავხადოთ.

რადგანაც ბმის ენთალპიის მნიშვნელობები საკმაოდ გამოსადეგი რამაა, არსებობს გავრცელებული ტიპის ბმების ენთალპიების ცხრილები. მიუხედავად იმისა, რომ რეალობაში ბმების გახლეჩისას და წარმოქმნისას არსებული ენერგიის ცვლილება კონკრეტულ მოლეკულაში არსებულ მეზობელ ატომებზეა დამოკიდებული, მაინც შეგვიძლია, გამოვიყენოთ ცხრილებში არსებული საშუალო მნიშვნელობები მიახლოებითი გამოთვლებისთვის.

რჩევა: ცხრილში მოცემული ბმების მნიშვნელობები არის მოცემული რეაქციაში შესული ერთი მოლი ნივთიერების შემთხვევისთვის ერთ ბმაზე. ეს ნიშნავს, რომ, თუკი რეაქციაში ერთისა და იმავე ტიპის ბმა რამდენჯერმე გვხვდება, ბმის ენთალპია უნდა გაამრავლოთ რეაქციაში არსებული ამ ტიპის ბმების რიცხვზე. ეს ასევე ნიშნავს, რომ მნიშვნელოვანია, დარწმუნდეთ, გათანაბრებულია თუ არა რეაქცია და გათანაბრებისას გამოყენებულია თუ არა შესაძლო კოეფიციენტებიდან ყველაზე მცირე მნიშვნელობები, რათა ბმების რაოდენობა სწორად დავთვალოთ.

ბმის ენთალპიას როცა გავიგებთ, მას გამოვიყენებთ რეაქციის ენთალპიის შესაფასებლად. ამის გასაკეთებლად შეგვიძლია გამოვიყენოთ შემდეგი პროცედურა:

ნაბიჯი 1. გაიგეთ, თუ რომელი ბმები გაწყდება საწყის ნივთიერებებში და იპოვეთ მათი ენთალპიები.

ნაბიჯი 2. გაწყვეტილი ბმების ენთალპიების მნიშვნელობები შეკრიბეთ.

ნაბიჯი 3. ამოიცანით, თუ რომლებია ახლადწარმოქმნილი ბმები მიღებულ ნივთიერებებში, და ჩამოწერეთ მათი ბმის უარყოფითი ენთალპია. გახსოვდეთ, რომ ბმის ენთალპიის მნიშვნელობას ნიშანი უნდა შევუცვალოთ, რათა გავიგოთ, თუ რა რაოდენობის ენერგია გამოთავისუფლდება ბმის წარმოქმნისას.

ნაბიჯი 4. შეკრიბეთ საბოლოო ნივთიერებაში წარმოქმნილი ბმების ენთალპიების მნიშვნელობები.

ნაბიჯი 5. შეაერთეთ ბმების გაწყვეტის ჯამური მნიშვნელობები (მეორე ნაბიჯიდან) და ბმების ჩამოყალიბების ჯამური მნიშვნელობები (მეოთხე ნაბიჯიდან), რათა მიიღოთ რეაქციის ენთალპია.

მოდით, გავიგოთ პროპენის ჰიდრირების რეაქციის ენთალპია, მაგალითი, რომელიც სტატიის დასაწყისში განვიხილეთ.

ამ რეაქციის დროს წყდება ერთი $\text{C}=\text{C}$‍ ბმა და ერთი $\text{H}-\text{H}$‍ ბმა.

ცნობარის გამოყენებით შეგვიძლია, გავიგოთ, რომ $\text{C}=\text{C}$‍ ბმის ენთალპია არის $610\text{კჯ/მოლ}$‍, ხოლო $\text{H}-\text{H}$‍ ბმის ენთალპია არის $436\text{კჯ/მოლ}$‍.

პირველი ნაბიჯიდან მიღებული მნიშვნელობების შეერთებით მივიღებთ:

ესაა ჯამური ენერგია, რომელიც გვჭირდება პროპენში და აირად წყალბადში არსებული ბმების გასაწყვეტად ამ რეაქციის წარმართვისთვის.

ამ რეაქციის შედეგად მიიღება ერთი ახალი $\text{C}-\text{C}$‍ ბმა და ორი ახალი $\text{C}-\text{H}$‍ ბმა.

ცნობარის გამოყენებით ვიგებთ, რომ $\text{C}-\text{C}$‍ ბმის ენთალპიაა $346\text{კჯ/მოლ}$‍, ხოლო $\text{C}-\text{H}$‍ ბმის ენთალპია $413\text{კჯ/მოლ}$‍. იმისათვის, რომ გავიგოთ, თუ რა რაოდენობის ენერგია გამოიყოფა ამ ბმების წარმოქმნისას, თითოეული ბმის ენთალპია $-1$‍-ზე უნდა გავამრავლოთ. გარდა ამისა, რადგანაც ორი ახალი $\text{C}-\text{H}$‍ წარმოიქმნება, $\text{C}-\text{H}$‍ ბმის ენთალპია $2$‍-ზე უნდა გავამრავლოთ.

მესამე ნაბიჯიდან მიღებული მნიშვნელობების შეერთებით ვიღებთ:

ეს იქნება ახალი ბმების წარმოქმნისას გამოყოფილი ჯამური ენერგია.

მეორე ნაბიჯიდან და მეოთხე ნაბიჯიდან გვაქვს $1046\text{კჯ}$‍ ენერგია, რომელიც ბმების გაწყვეტისთვისაა საჭირო და $-1172\text{კჯ}$‍ ენერგია, რომელიც ბმების წარმოქმნისას გამოიყოფა. ამ მნიშვნელობების შეერთებით ვიღებთ რეაქციის ენთალპიას:

რადგანაც პროპენის ჰიდრირების რეაქციის ენთალპია უარყოფითია, ვიგებთ, რომ რეაქცია ეგზოთერმულია.

ბმის ენთალპია და რეაქციის ენთალპია გვეხმარება, გავიგოთ, როგორ იყენებს ქიმიური სისტემა ენერგიას რეაქციის მიმდინარეობისას. ბმის ენთალპია აღწერს, რა რაოდენობის ენერგიაა საჭირო ბმის გასაწყვეტად ან ჩამოსაყალიბებლად და ასევე ზომავს ბმის სიძლიერეს. რეაქციის პროცესში გაწყვეტილი ბმებისა და წარმოქმნილი ბმების ენთალპიის მნიშვნელობების შეჯამებით ვიღებთ სისტემის პოტენციური ენერგიის ჯამურ ცვლილებას, რაც არის $\mathrm{\Delta }{\text{H}}_{\text{rxn}}$‍ მუდმივი წნევის პირობებში მიმდინარე რეაქციისთვის. იმისდა მიხედვით, დადებითია რეაქციის ენთალპია თუ უარყოფითი, განვსაზღვრავთ, ენდოთერმულია რეაქცია თუ ეგზოთერმული.