Kemia 3 – luku 4 Kemiallisessa reaktiossa tapahtuvat energian muutokset

Potentiaalienergiaa on varastoituneena kemiallisiin sidoksiin, jotka ovat erivahvuisia sähköisiä vetovoimia aineen rakenneosien välillä. Kineettinen energia tarkoittaa hiukkasten liike-energiaa. Tämä koostuu hiukkasten lämpöliikkeestä ja pyörimisestä sekä sidosten taipumisesta ja venymisestä. Kun kemiallinen reaktio tapahtuu, eli aineet muuttuvat toisiksi aineiksi, tapahtuu aina energiamuutoksia. Reaktiossa vapautuva energia voidaan havaita esim valona, mutta useimmiten energia vapautuu ympäristöön lämpönä. Tällaisia reaktioita sanotaan eksotermisiksi eli lämpöä vapauttaviksi reaktioiksi.

Jos kemiallinen reaktio sitoo lämpöä ympäristöstä, sitä sanotaan endotermiseksi reaktioksi. Tällaisen reaktion seurauksena ympäristön lämpötila siis laskee. Jotta kemiallinen reaktio tapahtuisi, täytyy lähtöaineiden sidosten katketa ja reaktiotuotteiden sidosten muodostua. Sidosten katkeaminen on aina energiaa sitova eli endoterminen vaihe. Uusien sidosten muodostuminen puolestaan aina vapauttaa energiaa eli tämä on eksoterminen vaihe. Kemialliseen reaktioon liittyvä kokonaisenergiamuutos voidaan siis ajatella näiden kahden vaiheen summana.

Kemiallisten reaktioiden energiamuutoksia kuvataan entalpian muutoksella. Entalpia H kuvaa aineen sisäenergiaa, joka koostuu sidosten potentiaalienergiasta ja hiukkasten liike-energiasta. Reaktion entalpiamuutoksella ∆H tarkoitetaan reaktiotuotteiden ja lähtöaineiden entalpia-arvojen erotusta eli

∆H = H (reaktiotuotteet)  - H(lähtöaineet)

Eksotermisessä reaktiossa ∆H < 0 ja endotermisessä reaktiossa ∆H >0.

Kun reaktio tapahtuu vesiliuoksessa tai aine liuotetaan veteen kalorimetrissä, lasketaan reaktioentalpia ∆H seuraavan yhtälön avulla:

∆H = cm ∆T

missä c on veden ominaislämpökapasiteetti, eli 4,19 kJ/kgK,  m veden massa (kg) ja ∆T reaktion aikana mitattu lämpötilan muutos (K).

Sidosenergia kuvaa sitä energiamäärää (kJ), joka tarvitaan katkaisemaan yksi mooli tarkasteltavia sidoksia.

Erilaisia entalpiamuutoksia

Erilaisten kemiallisten reaktioiden entalpiamuutoksia kuvataan omilla termeillään. Entalpia-sanan synonyyminä käytetään usein sanaa lämpö. Reaktioentalpialla eli reaktiolämmöllä tarkoitetaan tällöin sitä entalpiamuutosta, joka liittyy tasapainotetun reaktioyhtälön mukaisiin ainemääriin. Muodostumisentalpia eli muodostumislämpö puolestaan tarkoittaa sitä entalpiamuutosta, joka liittyy reaktioon, jossa yksi mooli nestettä syntyy alkuaineistaan.

Palamislämpö kuvaa sellaisen reaktion entalpiamuutosta, jossa yksi mooli ainetta reagoi täydellisesti hapen kanssa. Koska kaikki palamisreaktiot ovat eksotermisiä, ovat palamislämpöjen entalpia-arvotkin aina negatiivisia.

Liukenemislämpö on entalpiamuutos, joka liittyy ioniyhdisteiden liukenemistapahtumaan. Liukenemisessa ionihila hajoaa (endoterminen vaihe), ja vapautuneet ionit hydratoituvat vesimolekyyleillä (eksoterminen vaihe). Liukenemislämpö on siis näiden kahden vaiheen entalpiamuutosten summa.

Hessin lain mukaan kemiallisen reaktion reaktioentalpia on sama, vaikka reaktiotuotteet muodostuvatkin samoista lähtöaineista eri reittien kautta.

Ravinto solujemme energian lähteenä

Ravintoaineista saatava energia kuluu pääasiassa elimistön lämpötilan säätelyyn, lihasten toimintaan sekä solujen ja kudosten uusiutumiseen. Mikäli ravinnosta tulee energiaa enemmän kuin sitä kulutetaan, se varastoituu triglyserideinä rasvakudokseen.