PHẢN ỨNG QUÁ MỨC: ĐẶC ĐIỂM VÀ VÍ DỤ - HÓA HỌC - 2026

Một phản ứng exergonic là một trong đó xảy ra một cách tự nhiên và thường được kèm theo một giải phóng năng lượng, hoặc dưới dạng nhiệt, ánh sáng hoặc âm thanh. Khi nhiệt tỏa ra, người ta nói rằng chúng ta đang phải đối mặt với một phản ứng tỏa nhiệt và tỏa nhiệt.

Đó là lý do tại sao các thuật ngữ 'tỏa nhiệt' và 'kiệt sức' bị nhầm lẫn, bị coi là từ đồng nghĩa một cách nhầm lẫn. Điều này là do nhiều phản ứng tỏa nhiệt cũng là phản ứng kiệt sức. Do đó, nếu quan sát thấy một lượng lớn nhiệt và ánh sáng tỏa ra, chẳng hạn như do đốt lửa gây ra, thì có thể giả định rằng đó là phản ứng ngoại lực.

Quá trình đốt cháy gỗ là một ví dụ của phản ứng tỏa nhiệt và đồng thời xuất lực. Nguồn: Pixnio.

Tuy nhiên, năng lượng giải phóng có thể không được chú ý và có thể không gây ngạc nhiên. Ví dụ, môi trường lỏng có thể nóng lên một chút và vẫn là kết quả của phản ứng gắng sức. Trong một số phản ứng gắng sức diễn ra quá chậm, không quan sát thấy sự gia tăng nhiệt độ dù là nhỏ nhất.

Điểm trung tâm và đặc trưng của loại phản ứng nhiệt động lực học này là sự giảm năng lượng tự do Gibbs trong các sản phẩm đối với các chất phản ứng, chuyển thành tính tự phát.

Đặc điểm của phản ứng gắng sức

Sơ đồ chung

Sơ đồ năng lượng cho một phản ứng gắng sức. Nguồn: Gabriel Bolívar.

Đặc điểm chính của phản ứng gắng sức là các sản phẩm có năng lượng tự do Gibss thấp hơn năng lượng của chất phản ứng hoặc chất phản ứng (hình trên). Thực tế này thường liên quan đến việc các sản phẩm ổn định hơn về mặt hóa học, với các liên kết bền hơn, cấu trúc năng động hơn hoặc các điều kiện “thoải mái” hơn.

Do đó, sự chênh lệch năng lượng này, ΔG, là âm (ΔG <0). Là phản ứng tiêu cực, về lý thuyết nên phản ứng là tự phát. Tuy nhiên, các yếu tố khác cũng xác định tính tự phát này, chẳng hạn như năng lượng hoạt hóa (độ cao của ngọn đồi), nhiệt độ, và những thay đổi trong entanpi và entropi.

Tất cả các biến số này, phản ứng với bản chất của hiện tượng hoặc phản ứng hóa học được xem xét, giúp xác định xem một phản ứng có xảy ra ngoại lực hay không. Và cũng sẽ thấy rằng nó không nhất thiết phải là một phản ứng tỏa nhiệt.

Khi năng lượng hoạt hóa rất cao, các chất phản ứng cần sự trợ giúp của chất xúc tác để hạ thấp rào cản năng lượng nói trên. Đó là lý do tại sao có những phản ứng gắng sức xảy ra ở tốc độ rất thấp, hoặc hoàn toàn không xảy ra ngay từ đầu.

Giảm năng lượng tự do của hệ thống

Biểu thức toán học sau bao gồm biểu thức đã nói ở trên:

ΔG = ΔH - TΔS

Số hạng ΔH là dương nếu nó là một phản ứng thu nhiệt và âm nếu nó là một phản ứng tỏa nhiệt. Nếu chúng ta muốn ΔG âm thì số hạng TΔS phải rất lớn và dương, để khi trừ đi ΔH, kết quả của phép toán cũng âm.

Do đó, và đây là một tính năng đặc biệt khác của phản ứng gắng sức: chúng liên quan đến một sự thay đổi lớn trong entropy của hệ thống.

Do đó, tính đến tất cả các điều kiện, chúng ta có thể có mặt trước một phản ứng xuất lực nhưng đồng thời thu nhiệt; nghĩa là, với ΔH dương, nhiệt độ rất cao, hoặc sự thay đổi entropi lớn.

Hầu hết các phản ứng gắng sức cũng tỏa nhiệt, bởi vì nếu ΔH là âm, và bằng cách trừ đi một số hạng khác thậm chí còn âm hơn, do đó chúng ta sẽ có ΔG với giá trị âm; trừ khi TΔS âm (entropi giảm), và do đó phản ứng tỏa nhiệt sẽ trở thành phản ứng kết thúc (không tự phát).

Điều quan trọng cần nhấn mạnh là tính tự phát của một phản ứng (cho dù nó có xuất hiện hay không), phụ thuộc rất nhiều vào các điều kiện nhiệt động lực học; còn tốc độ nó vượt qua là do yếu tố động năng.

Tính tự phát của một phản ứng gắng sức

Từ những gì đã nói, người ta đã biết rằng một phản ứng xuất ngoại là tự phát, cho dù nó có tỏa nhiệt hay không. Ví dụ, một hợp chất có thể được hòa tan trong nước bằng cách làm lạnh nó cùng với bình chứa của nó. Quá trình hòa tan này là thu nhiệt, nhưng khi nó xảy ra một cách tự phát, nó được cho là xuất ngoại.

Phản ứng tỏa nhiệt

Có những phản ứng “gắng sức hơn” so với những phản ứng khác. Để tìm hiểu, hãy giữ lại biểu thức sau:

ΔG = ΔH - TΔS

Các phản ứng gắng sức nhất là những phản ứng xảy ra tự phát ở mọi nhiệt độ. Tức là, bất kể giá trị nào của T trong biểu thức trên, ΔH là âm và ΔS dương (ΔH <0 và ΔS> 0). Do đó, chúng là những phản ứng tỏa nhiệt rất mạnh, không mâu thuẫn với ý tưởng ban đầu.

Tương tự, có thể có các phản ứng tỏa nhiệt trong đó entropi của hệ giảm (ΔS <0); cũng giống như nó xảy ra trong quá trình tổng hợp các đại phân tử hoặc polyme. Trong trường hợp này, chúng chỉ là phản ứng gắng sức ở nhiệt độ thấp, vì nếu không, số hạng TΔS sẽ rất lớn và âm.

Phản ứng thu nhiệt

Mặt khác, có những phản ứng chỉ tự phát ở nhiệt độ cao: khi ΔH dương và ΔS dương (ΔH> 0 và ΔS> 0). Chúng ta đang nói về phản ứng thu nhiệt. Đó là lý do tại sao sự giảm nhiệt độ có thể xảy ra một cách tự phát, vì chúng mang theo sự gia tăng entropi.

Trong khi đó, có những phản ứng hoàn toàn không xuất hiện: khi ΔH và ΔS có giá trị dương. Trong trường hợp này, bất kể nhiệt độ là bao nhiêu, phản ứng sẽ không bao giờ xảy ra một cách tự phát. Chúng ta đang nói về một phản ứng endergonic không tự phát.

Ví dụ về phản ứng gắng sức

Hóa học thường có đặc điểm là dễ nổ và sáng, vì vậy người ta cho rằng hầu hết các phản ứng là tỏa nhiệt và xuất lực.

Đốt cháy

Phản ứng vượt trội là quá trình đốt cháy ankan, olefin, hydrocacbon thơm, đường, v.v.

Oxy hóa kim loại

Tương tự như vậy, quá trình oxy hóa kim loại diễn ra mạnh hơn, mặc dù chúng diễn ra chậm hơn.

Phản ứng dị hóa của cơ thể

Tuy nhiên, có những quá trình khác, tinh tế hơn, cũng là quá trình gắng sức và rất quan trọng: các phản ứng dị hóa trong quá trình trao đổi chất của chúng ta. Tại đây các đại phân tử bị phá vỡ hoạt động như các nguồn dự trữ năng lượng, tự giải phóng dưới dạng nhiệt và ATP, và nhờ đó cơ thể thực hiện nhiều chức năng của mình.

Biểu tượng nhất của những phản ứng này là hô hấp tế bào, trái ngược với quang hợp, trong đó carbohydrate được “đốt cháy” với oxy để biến chúng thành các phân tử nhỏ (CO ₂ và H ₂ O) và năng lượng.

Khác

Trong số các phản ứng gắng sức khác, chúng ta có sự phân hủy bùng nổ của nitơ triiodide, NI ₃ ; việc thêm các kim loại kiềm vào nước, tiếp theo là một vụ nổ; tổng hợp polyme của nhựa etoxyl hóa; trung hòa axit-bazơ trong dung dịch nước; và phản ứng hóa trị phát quang.

Người giới thiệu

1. Whitten, Davis, Peck & Stanley. (2008). Hóa học (Xuất bản lần thứ 8). CENGAGE Học tập.
2. Walter J. Moore. (Năm 1963). Hóa lý. Trong Động học hóa học. Ấn bản thứ tư, Longmans.
3. Ira N. Levine. (2009). Nguyên lý hóa lý. Tái bản lần thứ sáu, trang 479-540. Đồi Mc Graw.
4. Wikipedia. (Năm 2020). Phản ứng gắng sức. Khôi phục từ: en.wikipedia.org
5. Helmenstine, Anne Marie, Ph.D. (Ngày 16 tháng 9 năm 2019). Phản ứng và quy trình Endergonic vs Exergonic. Phục hồi từ: thinkco.com
6. Phản ứng Exergonic: Định nghĩa & Ví dụ. (2015, ngày 18 tháng 9). Phục hồi từ: study.com
7. Học viện Khan. (2018). Năng lượng miễn phí. Phục hồi từ: es.khanacademy.org