Экзергонические реакции

Материал из Википедии — свободной энциклопедии
Перейти к навигации Перейти к поиску
Горение ацетилена в кислороде является экзергонический процессом, так как значение абсолютное свободной энергии Гиббса имеет отрицательное значение ΔG°<<0.

Экзергонические реакции (от греч. έξω — вне, наружу и греч. έργον — работа, действие), также самопроизвольные реакции — согласно второму началу термодинамики это химические реакции, которые протекают без притока энергии извне. Величина свободной энергии таких реакций всегда отрицательна, т.е. ΔG° < 0[1]. Большинство химических реакций, которые протекают в окружающей среде — экзергонические, вследствие этого они являются термодинамически выгодными, в отличие от эндергонических. Примером экзергонических реакций являются процессы электролитической диссоциации, окисления и горения, сорбционные процессы, фотохимические процессы (фотодиссоциация), в живых организмах это процессы катаболизмагликолиз, липолиз, протеолиз, окисление жирных кислот и многие другие.

Экзергонические реакции могут протекать быстро, например, процессы горения или фотодиссоциации и медленно, например, биологическое окисление. Они не зависят от времени, реакция может быть сколь угодно медленной, но тем не менее экзергонической.

Термодинамическое описание[править | править код]

Экзергонические реакции происходят самопроизвольно, для них не требуются затраты энергии извне. Такие реакции протекают с уменьшением величины энергии Гиббса и если абсолютное значение ΔG° велико, то такие реакции идут практически до конца (являются необратимыми)[2]. Константа равновесия экзергонических реакции связана со значением величины энергии Гиббса следующим уравнением:

где Tабсолютная температура, Rуниверсальная газовая постоянная равная 8,3144 Дж/(моль*К). Учитывая, что значение величины ΔG° < 0, то значение константы равновесия будет больше 1.

Следовательно, направление протекания таких реакций слева направо (прямая реакция), а равновесие смещается в сторону образования продуктов реакций.

Пример вычисления свободной энергии Гиббса и константы равновесия химической реакции[править | править код]

Зная стандартные значения энергий Гиббса для реагентов и продуктов реакции, можно вычислить их ΔrG° и способность к самопроизвольному протеканию. В качестве примера, рассмотрим реакцию сгорания ацетилена в кислороде. Она протекает по приведённому уравнению:

Ацетилен и кислород являются исходными реагентами, а образовавшиеся в результате реакции углекислый газ и водяной пар — продукты. Все участники реакции находятся в одной фазе — газообразном состоянии.

Стандартные значения ΔG° в кДж/моль для участников реакции следующие:

  • Ацетилен C2H2(г) — 208,5
  • Кислород O2(г) — 0
  • Углекислый газ CO2(г) — –394,38
  • Водяной пар H2O(г) — –228,61.

Воспользуемся формулой для вычисления значения энергии Гиббса химической реакции:

ΔrG° = ΣniΔG°продукты – ΣniΔG°исходные реагенты.

Где ni — количество вещества участника химической реакции (исходного реагента или продукта).

Подставляем табличные значения участников реакции в формулу и вычисляем ΔrG°:

ΔrG° = (4×(–394,38) + 2×(–228,61)) – (2×208,5 + 5×0) = –2034,74 – 417 = –2451,74 кДж/моль.

Как видно из вычисления, величина ΔrG° имеет отрицательное значение (много меньше 0), следовательно, данная химическая реакция является экзергонической.

Вычислим значение константы равновесия для данной реакции. Воспользуемся формулой зависимости константы равновесия от ΔG°

Подставляем вычисленные значения ΔrG° в формулу, а также абсолютную температуру, T = 298 K (25° C) и универсальную газовую постоянную, R = 8,314 Дж/(моль∙К):

Значение константы равновесия K намного больше единицы, следовательно, данная реакция протекает в сторону образования продуктов реакции и равновесие смещается вправо, при этом реакция необратимая.

Критерий самопроизвольного протекания (ΔrG° < 0 и K > 1) реакции горения ацетилена в кислороде выполняется и применим к ней.

См. также[править | править код]

Примечания[править | править код]

  1. IUPAC Gold Book definition: exergonic (exoergic) reaction
  2. Е.С. Северин. Биохимия. — М.: ГЭОТАР-МЕД, 2004. — 779 с. — ISBN 5-9231-0254-4.