Kemialliset reaktiot johtuvat kahden tai useamman aineen (reagenssien) molekyylien uudelleenjärjestelystä, jolloin muodostuu uusia aineita, joita kutsutaan tuotteiksi. Näiden molekyylien uudelleenjärjestely johtaa sidosten katkeamiseen tai muodostumiseen, mikä aiheuttaa muutoksia absorboituneessa tai vapautuvassa lämmössä. Vapautuneen energian perusteella kemialliset reaktiot voidaan luokitella eksotermisiin, endotermisiin, eksergonisiin tai endogeenisiin.
Eksoterminen vs eksergonic
Ero eksotermisen ja eksergonisen reaktion välillä on se, että eksoterminen reaktio käsittelee entalpian muutosta missä tahansa kemiallisessa prosessissa, joka mitataan lämpönä suljetussa järjestelmässä, kun taas eksergoniset reaktiot käsittelevät minkä tahansa kemiallisen reaktion vapaata energian muutosta, jota kutsutaan Gibbsin vapaaksi energiaksi. Molemmat ovat vapauttavia reaktioita; kuitenkin energiatyyppi vaihtelee.
Termodynamiikassa eksoterminen reaktio on energiaa vapauttava reaktio. Eksotermisen reaktion aikana energiaa vapautuu lämmön muodossa. Lämpöä vapautuu, koska reagoivien aineiden entalpia (sisäinen energia tietyssä paineessa ja tilavuudessa tai yksinkertaisesti järjestelmän kokonaislämpö) on enemmän kuin tuotteiden, tämä energia vapautuu lämmön muodossa kemiallisen stabiilisuuden vuoksi.
Termodynamiikassa eksergoninen reaktio on myös energiaa vapauttava reaktio. Eksergonisen reaktion aikana energiaa vapautuu Gibbsin vapaan energian muodossa. Vapautunutta energiaa mitataan siis myös entropian muutoksella (energia ei ole käytettävissä työntekoon). Siten vapautuva energia auttaa saamaan jonkin verran työtä tehtyä ja antaa vakautta reaktiolle.
Eksotermisen ja eksergonisen vertailutaulukko
| Vertailuparametrit | Eksoterminen | Ekserginen |
| Merkitys | Se on lämpöä vapauttava reaktio. | Se on energiaa vapauttava reaktio. |
| Energian muoto | Vapautuneen energian muoto kuumennetaan. | Vapautuneen energian muoto mitataan Gibbsin vapaana energiana tai entropian muutoksena. |
| Vaikutus ympäristöön | Lämmitys lisää ympäristön energiaa. | Sillä ei ole mitään tekemistä ympäristön lämmityksen kanssa. Kunnes energiaa on käytettävissä työn tekemiseen, reaktio on mahdollinen. |
| Reagenssien energia | Se on korkeampi kuin tuotteet. | Se on myös korkeampi kuin tuotteiden. |
| Tuotteiden energia | Se on alempi kuin reagoivat aineet. | Se on myös pienempi kuin reagoivien aineiden. |
| Energian kokonaismuutos | Kaiken kaikkiaan reaktiossa vapautuu energiaa. Kaikki eksotermiset reaktiot ovat luonnostaan eksergonisia, kun energiaa vapautuu. | Energiaa vapautuu, mutta reaktio jatkuu vain, kunnes vapaalla energialla on työskennelty. |
| Gibbsin ilmaista energiaa | ∆G on negatiivinen (energiaa vapautuu). | ∆G on myös negatiivinen. Yleensä eksotermisillä reaktioilla on suurempi ∆G. |
| Työ tehty | Työtä ei tehdä. | Työtä tehdään entropian muutoksen muodossa. |
| Esimerkki | Fossiilisten polttoaineiden poltto, kynttilän sytytys jne. | Hengitys kasveissa ja eläimissä. (Enimmäkseen bioenergeettiset reaktiot) |
Mikä on eksoterminen?
Eksoterminen reaktio on energiaa vapauttava reaktio, jossa kaksi tai useampi lähtöaine järjestää molekyylinsä uudelleen, muodostaen ja rikkoen kemiallisia sidoksia vapauttaen energiaa (entalpiassa tapahtuu myös muutos ∆H on negatiivinen) ympäristöönsä lämmön tai jopa valon muodossa.. Tämä mitataan jouleina (lämmön yksikkö). Tämä tarkoittaa, että lähtöaineilla on korkeampi energia kuin tuotteilla ja ne pitävät reaktion termodynaamisesti stabiilina. Energiaa on luovutettava ympäristöön lämmön muodossa.
Näin vapautuva energia alentaa systeemin Gibbsin vapaata energiaa (∆G on negatiivinen), mutta energia vapautuu reaktion seurauksena ja hajoaa ympäristöön. Ainoa ero on, että ympäristö lämpenee. Reaktioiden luokittelu eksotermisten ja endotermisten reaktioiden perusteella mittaa vain reaktioon vapautuvaa tai tarvittavaa lämpöä. Eksotermisissa reaktioissa energiaa ei tarvita reaktion alussa. Reagensseilla on energiaa reagoida itse.
Paras esimerkki eksotermisestä reaktiosta on minkä tahansa materiaalin palaminen. Kun mikä tahansa materiaali, esimerkiksi puu, palaa. Puu reagoi ympäröivän ilman hapen kanssa muodostaen hiilidioksidia ja vesihöyryä, joita pidämme savuna. Tuli on lähtöaineiden (puu ja happi) tuotteista vapauttamana energiana. Tuli antaa meille lämpöä ja valoa. Tämä kemiallinen energia muunnetaan onnistuneesti mekaaniseksi energiaksi.
Mikä on Exergonic?
Exergonic on energiaa vapauttava reaktio, jossa kaksi tai useampi reagoiva aine järjestää molekyylinsä uudelleen muodostaen ja rikkoen kemiallisia sidoksia vapauttaen energiaa ympäristöönsä energian muodossa, jota käytetään työn tekemiseen. Se mitataan myös jouleina, koska tehty työ on myös sama kuin työn tekemiseen käytetty energiamäärä.
Näin vapautuva energia alentaa systeemin Gibbsin vapaata energiaa (∆G on negatiivinen), mutta vapautuva energia käytetään tekemään spontaanisti työtä (eli myös entropiassa tapahtuu muutosta). ∆H pysyy negatiivisena. Reaktion käynnistämiseen ei tarvita ulkopuolista energiaa.
Paras esimerkki eksergonisista reaktioista löytyy bioenergeettisistä reaktioista, kuten soluhengitys, katabolia, ravintoaineiden aineenvaihdunta ja vastaavat. Keskimäärin soluhengitysprosessin aikana glukoosi hajoaa vedeksi ja hiilidioksidiksi hapen avulla. Tämä vapauttaa energiaa, jota käytetään muodostamaan ATP-molekyylejä, jotka ohjaavat kehon toimintaa. Se on siis spontaani energian vapautumisprosessi.
Tärkeimmät erot eksotermisen ja eksergonisen välillä
Johtopäätös
Vaikka sekä eksotermiset että eksergoniset reaktiot ovat samanlaisia kuin niiden Gibbsin vapaan energian muutos ja entalpian muutos (∆G ja ∆H ovat molemmat negatiivisia) ja molemmilla on tarpeeksi energiaa ylittääkseen aktivaatioenergiaesteensä, mutta niiden vapauttamassa energiassa on pieni ero..
Kun ensimmäinen vapauttaa ylimääräistä energiaa, jälkimmäinen saa suurimman hyödyn vapautuneesta energiasta ja jatkuu vain, kunnes työ on tehty, kun taas eksotermiset reaktiot jatkuvat, kunnes reagoivat aineet muuttuvat kokonaan tuotteiksi. Reaktiota ja niiden lopputuotteita on tarkkailtava huolellisesti kahden reaktion välisen eron ymmärtämiseksi.
