一个吸能反应是一个不能自发地发生,并且还需要高的能量供给。在化学中,这种能量通常是热量。在所有的透热反应中,最著名的是吸热反应,即吸收热量发生的反应。
为什么不是所有反应都是自发的?因为它们遵循热力学定律:它们消耗能量,并且所涉及的物种形成的系统降低了它们的熵;也就是说,出于化学目的,它们变得更加分子有序。
资料来源:Pxhere
建造一堵砖墙是光致反应的一个例子。单独的砖不能充分压实以形成固体。这是因为没有能促进其结合的能量增加(也反映在它们可能的低分子间相互作用中)。
因此,建造隔离墙需要水泥和劳动力。这就是能量,如果感觉到能量的好处(经济的,对于墙来说),则非自发反应(墙不会自动建造)成为可能。
如果没有好处,墙将在任何干扰下倒塌,其砖将永远无法保持在一起。许多化合物的构造基块无法自发结合在一起的情况也是如此。
发光反应的特征
如果可以自建墙怎么办?为此,砖块之间的相互作用必须非常牢固和稳定,以至于不需要水泥或人来定购。砖墙虽然是耐久的,但它是一种硬化的水泥,将它们粘合在一起,而不是正确地使用了砖的材料。
因此,发光反应的第一个特征是:
-它不是自发的
-吸收热量(或其他类型的能量)
为什么它吸收能量?因为它们的产物比反应中涉及的反应物具有更多的能量。这可以用以下等式表示:
ΔG= G 反应性 -G 产品
ΔG是吉布斯自由能的变化。由于G 乘积比G 试剂更大(因为它更具能量),因此减法必须大于零(ΔG> 0)。下图进一步总结了刚刚解释的内容:
资料来源:加布里埃尔·玻利瓦尔
注意产物和反应物之间的能量状态之间的差异(紫色线)。因此,如果首先不吸收热量,则反应物不会成为产物(A + B => C)。
增加系统的自由能
每一个性反应都与系统吉布斯自由能的增加有关。如果对于某个反应而言,ΔG> 0是正确的,那么它将不是自发的,而是需要进行能量供应。
如何从数学上知道反应是否是发光的?应用以下公式:
ΔG=ΔH–TΔS
其中ΔH是反应的焓,即释放或吸收的总能量;ΔS是熵变,T是温度。TΔS因子是在分子(固态,液态或气态)的膨胀或排列中不使用的能量损失。
因此,ΔG是系统可以用来做功的能量。由于ΔG对正电子反应具有正号,因此必须向系统(反应物)施加能量或功以得到产物。
然后,知道ΔH(对于吸热反应为正值,对于放热反应为负值)和TΔS的值,就可以知道该反应是否是负电荷的。这意味着尽管反应是吸热的,但不一定是二十一性反应。
冰块
例如,一个冰块融化成液态水,吸收热量,这有助于分离其分子。但是,该过程是自发的,因此不是二十一性反应。
如果要在低于-100ºC的温度下融化冰块,情况又如何呢?在这种情况下,自由能方程中的TΔS项比ΔH变小(因为T减小),结果ΔG将具有正值。
换句话说:在-100ºC以下融化冰是一个发光过程,并且不是自发的。类似的情况是将水冻结在50ºC左右,这种情况不会自然发生。
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另一个与ΔG有关的重要特征是新键的能量。所形成的产物的键比反应物的键弱。但是,粘结强度的下降可以通过质量的增加来补偿,这反映在物理性质上。
在这里,与砖墙的比较开始失去意义。根据以上所述,砖内的结合力必须强于砖与水泥之间的结合力。然而,由于壁的质量较大,因此壁整体上更坚固且具有更高的抵抗力。
在示例部分中将解释类似的内容,但是要加糖。
它伴随着运动反应
如果性反应不是自发的,它们在自然界如何发生?答案是由于与其他自发的(强力的)反应耦合,并以某种方式促进了它们的发展。
例如,以下化学方程式表示这一点:
A + B => C(性别反应)
C + D => E(强力反应)
第一个反应不是自发的,因此自然不会发生。但是,C的产生使第二反应发生,从而导致E。
加入吉布斯自由能为这两个反应,ΔG 1和ΔG 2,具有结果小于零(ΔG<0),则该系统将呈现在熵的增加,因此将自燃。
如果C不与D反应,则A永远无法形成它,因为没有能量补偿(例如,用砖墙赚钱)。据说C和D“拉” A和B进行反应,即使它是一个正电子反应。
例子
资料来源:最大像素
光合作用
植物利用太阳能从二氧化碳和水中产生碳水化合物和氧气。具有强键的小分子CO 2和O 2形成具有环状结构的糖,这些糖更重,更牢固并在186ºC的温度下熔化。
请注意,CC,CH和CO键比O = C = O和O = O的键弱。从糖单元中,植物可以合成多糖,例如纤维素。
生物分子和大分子的合成
内吞反应是合成代谢过程的一部分。像碳水化合物一样,其他生物分子(例如蛋白质和脂质)也需要复杂的机制,没有它们,就无法与ATP的水解反应耦合。
同样,代谢过程,例如细胞呼吸,离子在细胞膜上的扩散以及氧气在血流中的运输,都是性腺反应的例子。
由原油形成钻石和重化合物
钻石需要巨大的压力和温度,因此钻石的成分可以压制成结晶固体。
但是,某些结晶是自发的,尽管它们以非常慢的速度发生(自发性与反应动力学无关)。
最后,仅原油就代表了铁氧体反应的产物,特别是重质烃或称为沥青质的大分子。
它的结构非常复杂,它们的合成需要很长时间(数百万年),热量和细菌作用。
参考文献
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