Samenvatting · Scheikunde · havo 4 Energie bij reacties: exotherm, endotherm en reactiewarmte

Een kampvuur geeft warmte, een koud-kompres wordt juist ijskoud. Bij elke chemische reactie speelt energie een rol. Na deze samenvatting kun je exotherme en endotherme reacties herkennen, een energiediagram lezen, de reactiewarmte met vormingswarmtes uitrekenen en met $Q=m\cdot c\cdot \Delta T$ de warmte-opname van water bepalen.

Exotherm en endotherm

Stoffen bevatten chemische energie. Bij een reactie verandert die.

• Bij een exotherme reactie komt energie vrij (meestal als warmte). De reactieproducten hebben minder chemische energie dan de beginstoffen. De omgeving wordt warmer.
• Bij een endotherme reactie wordt energie opgenomen. De reactieproducten hebben meer chemische energie dan de beginstoffen. De omgeving wordt kouder.

Ook oplossen kan een energie-effect hebben. Natriumhydroxide lost exotherm op in water, ammoniumnitraat ($\mathrm{N}{\mathrm{H}}_4\mathrm{N}{\mathrm{O}}_3$) endotherm.

Energiediagram en activeringsenergie

In een energiediagram zet je de energie van de stoffen uit tegen het verloop van de reactie.

• Links staat het energieniveau van de beginstoffen, rechts dat van de reactieproducten.
• Tussen beide zit een energieberg. De hoogte vanaf de beginstoffen tot de top is de activeringsenergie $E_a$. Zelfs bij een exotherme reactie moet je eerst energie toevoegen om de reactie op gang te brengen, zoals het verhitten van aardgas met een vonk.
• Het hoogteverschil tussen begin en eind is de reactiewarmte. Bij een exotherme reactie liggen de producten lager dan de beginstoffen, bij een endotherme reactie hoger.

Een katalysator verlaagt de top van de berg, maar niet het begin- en eindniveau. Hij verandert dus wel de activeringsenergie maar niet de reactiewarmte.

Op moleculair niveau kost het verbreken van bindingen energie en levert het vormen van nieuwe bindingen energie op. Levert het vormen meer op dan het verbreken kost, dan is de reactie exotherm.

Reactiewarmte en vormingswarmte

De reactiewarmte (symbool $\Delta E$, in sommige methodes $\Delta H$) is de energie die bij een reactie netto wordt opgenomen of vrijkomt. Je geeft hem meestal per mol van een stof uit de reactievergelijking, in J/mol.

• Bij een exotherme reactie is de reactiewarmte negatief (energie verlaat de stoffen).
• Bij een endotherme reactie is de reactiewarmte positief.

Binas geeft van veel stoffen de vormingswarmte: de energie bij het vormen van één mol van de stof uit de elementen. Van een element in zijn standaardtoestand is die nul. Met de vormingswarmtes bereken je de reactiewarmte:

Je vermenigvuldigt elke vormingswarmte met de coëfficiënt uit de vergelijking.

De reactie is exotherm. Het omgekeerde van een reactie heeft dezelfde reactiewarmte met tegengesteld teken: het ontleden van 2 mol water in waterstof en zuurstof kost $2\times 2,86\cdot 10^5=5,72\cdot 10^5$ J.

Rekenen aan warmte

Om een hoeveelheid water op te warmen, is warmte nodig:

Hierbij is $Q$ de warmte in J, $m$ de massa in g, $c$ de soortelijke warmte en $\Delta T$ de temperatuurstijging. Voor water is $c=4,18$ J g${}^{-1}$ K${}^{-1}$. Een temperatuurverschil in K is even groot als in °C.

Combineer je dit met een verbrandingswarmte, dan kun je uitrekenen hoeveel brandstof nodig is. De verbrandingswarmte van ethanol is volgens Binas $-1,37\cdot 10^6$ J/mol.

In de praktijk gaat veel warmte verloren aan de omgeving. Er is dus meer ethanol nodig.

Valkuilen

• Exotherm betekent niet dat een reactie vanzelf begint. Er is altijd activeringsenergie nodig.
• Het teken: een exotherme reactie heeft een negatieve reactiewarmte, een endotherme een positieve.
• Let op de eenheden: J of kJ, en per mol of per gram. De reactiewarmte hoort bij de stof waarop hij is gedefinieerd: $2{\mathrm{H}}_2+{\mathrm{O}}_2\to 2{\mathrm{H}}_2\mathrm{O}$ geeft $-5,72\cdot 10^5$ J voor de reactie zoals opgeschreven, maar $-2,86\cdot 10^5$ J per mol water.
• Warmte en temperatuur zijn niet hetzelfde. Warmte $Q$ is energie in J, temperatuur is in K of °C.
• Een katalysator verandert de activeringsenergie, niet de reactiewarmte.

In het kort

• Exotherm: energie komt vrij, reactiewarmte negatief. Endotherm: energie wordt opgenomen, reactiewarmte positief.
• Het energiediagram toont de activeringsenergie (de berg) en de reactiewarmte (het hoogteverschil).
• $\Delta E=\sum$ vormingswarmte producten $-\sum$ vormingswarmte beginstoffen, met de coëfficiënten als factor.
• De warmte die een hoeveelheid water opneemt, is $Q=m\cdot c\cdot \Delta T$.
• De omgekeerde reactie heeft dezelfde reactiewarmte met tegengesteld teken.