Энергетические изменения

• Экзотермические реакции выделяют энергию — окружающая среда нагревается; эндотермические реакции поглощают энергию — они охлаждают.
• Кривые хода реакций показывают энергию активации и общее изменение; (HT) энергии связей дают ту же картину.
• Химические элементы и топливные элементы (только химия) преобразуют энергию реакции в электричество.

Сохранение энергии: энергия, переданная в окружающую среду, поступает из запаса продуктов. Экзотермическая реакция передает энергию наружу — температура окружающей среды повышается (горение, многие окисления, нейтрализация; применение: согревающие пакеты, самонагревающиеся банки). Эндотермическая реакция принимает энергию внутрь — температура понижается (термическое разложение, лимонная кислота + гидрокарбонат натрия; применение: упаковки для спортивных травм). Оценивайте каждую реакцию по изменению температуры окружающей среды; расчеты ΔH не требуются.

Кривые хода реакций: для реакции нужны сталкивающиеся частицы с как минимум энергией активации. Рисуйте и читайте диаграммы уровней энергии — относительные энергии реагентов и продуктов, стрелка энергии активации от уровня реагентов, общее изменение энергии, кривая линия между ними. Экзотермическая: продукты ниже реагентов; эндотермическая: продукты выше.

(HT) Энергии связей: энергия расходуется на разрыв связей реагентов и выделяется при образовании связей продуктов:

• экзотермическая — образование выделяет больше, чем стоит разрыв;
• эндотермическая — разрыв стоит больше, чем выделяет образование.

Общее изменение = Σ(энергии разорванных связей) − Σ(энергий образованных связей). Катализатор снижает энергию активации — он не изменяет общее изменение энергии.

RP4: исследование переменных, влияющих на изменение температуры в реагирующих растворах (например, объем/концентрация) — планирование переменных, измерение ΔT, построение графика, выводы.

Элементы содержат вещества, реагирующие для выработки электричества. Напряжение зависит от типа электрода и электролита; простой элемент — это два разных металла в электролите — более реакционноспособный металл дает более высокое напряжение (он отдает электроны легче). Батареи = элементы, соединенные последовательно для увеличения напряжения.

Невозобновляемые (щелочные) элементы прекращают работу, когда расходуется реагент; возобновляемые элементы обратимы при подаче внешнего тока.

Топливные элементы: топливо (например, водород) + кислород поступают непрерывно; топливо электрохимически окисляется для создания разности потенциалов. Общий процесс: водород → вода. Оцените по сравнению с перезаряжаемыми батареями: отсутствие выбросов в точке использования, непрерывное заправку; но хранение водорода, производство и стоимость говорят против. (HT) полуреакции для водородного топливного элемента:

• отрицательный электрод: 2 H₂ → 4 H⁺ + 4e⁻ (или 2 H₂ + 4 OH⁻ → 4 H₂O + 4e⁻)
• положительный электрод: O₂ + 4 H⁺ + 4e⁻ → 2 H₂O (или O₂ + 2 H₂O + 4e⁻ → 4 OH⁻)

• Определите экзотермическую и эндотермическую реакции по изменению температуры, приведите два примера и два применения для каждой.
• Нарисуйте оба профиля реакции с обозначенными энергией активации и общим изменением энергии.
• (HT) Суммы энергий связей в обе стороны; влияние катализатора на профиль реакции.
• (Chem) Факторы напряжения ячейки; перезаряжаемые против неперезаряжаемых; уравнения топливных ячеек и их оценка.