Valintakoe B: Lääketiede ja biotieteet
Mitä eroa on eksotermisellä ja endotermisellä reaktiolla?
Eksotermisessä reaktiossa vapautuu energiaa, yleensä lämpönä, ympäristöön, joten reaktioentalpia ΔH on negatiivinen ja tuotteiden energiataso on lähtöaineita alempana. Endotermisessä reaktiossa energiaa sitoutuu ympäristöstä, ΔH on positiivinen ja tuotteet ovat lähtöaineita korkeammalla. Palaminen, neutralointi ja soluhengitys ovat eksotermisiä, fotosynteesi ja useimmat hajoamisreaktiot endotermisiä.
Reaktioentalpian merkki katsotaan aina reagoivan systeemin kannalta. Kun systeemi luovuttaa energiaa, ympäristö lämpenee ja ΔH < 0. Kun systeemi sitoo energiaa, ympäristö jäähtyy ja ΔH > 0. Esimerkiksi kylmäpussi toimii endotermisen liukenemisen avulla.
Sidosten katkaiseminen vaatii aina energiaa, ja uusien sidosten muodostuminen vapauttaa sitä. Jos muodostuvat sidokset ovat yhteensä vahvempia kuin katkeavat, reaktio on eksoterminen. Sidosenergioista laskettu ΔH on arvio, koska taulukon arvot ovat keskiarvoja eri molekyyleistä.
Energiaprofiilissa lähtöaineiden ja tuotteiden välissä on valli, jonka korkeus on aktivoitumisenergia. Katalyytti ja elimistössä entsyymi madaltavat vallia, mutta eivät muuta lähtöaineiden ja tuotteiden energiatasoja. Ne nopeuttavat reaktiota muuttamatta ΔH:ta.
Kaava
ΔH = Σ(katkeavat sidokset) − Σ(muodostuvat sidokset). ΔH < 0 eksoterminen, ΔH > 0 endoterminen.
Esimerkki
Arvioi metaanin palamisen CH₄ + 2 O₂ → CO₂ + 2 H₂O (vesi kaasuna) reaktioentalpia sidosenergioista: C-H 413, O=O 498, C=O 799 ja O-H 463 kJ/mol.
- Katkeavat sidokset: 4 C-H ja 2 O=O, eli 4 · 413 + 2 · 498 = 1 652 + 996 = 2 648 kJ.
- Muodostuvat sidokset: 2 C=O ja 4 O-H, eli 2 · 799 + 4 · 463 = 1 598 + 1 852 = 3 450 kJ.
- ΔH = 2 648 kJ − 3 450 kJ = −802 kJ metaanimoolia kohti.
- Tulos on negatiivinen, joten palaminen on eksoterminen.
Tyypillinen virhe
Moni ajattelee, että sidoksen katkeaminen vapauttaa energiaa, koska polttoaineen sanotaan sisältävän energiaa sidoksissaan. Energiaa vapautuu vasta, kun uusia vahvempia sidoksia muodostuu. Toinen virhe on väittää, että katalyytti lisää vapautuvan energian määrää.
Valintakokeessa B
Reaktioiden energia kuuluu lukion kemiaan, ja kemia on osa valintakokeen B biologian ja kemian osiota. Energiaprofiilin kuvaajasta kannattaa osata lukea sekä aktivoitumisenergia että reaktioentalpia ja selittää, mitä katalyytti niille tekee.
Missä kurssissa tämä opetetaan
SmartVK:n valintakoe B -kurssin luvussa 20: Termokemia, kaasut ja sähkökemia. Katso kurssin sisältö.
Kysymyksiä
Mikä on Hessin laki?
Hessin lain mukaan reaktion entalpiamuutos on sama riippumatta siitä, tapahtuuko reaktio yhdessä vai useassa vaiheessa. Siksi ΔH voidaan laskea yhdistämällä tunnettujen reaktioiden entalpioita tai muodostumisentalpioista: ΔH = ΣΔHf(tuotteet) − ΣΔHf(lähtöaineet). Alkuaineen pysyvimmän muodon muodostumisentalpia on nolla.
Onko fotosynteesi endoterminen?
On. Fotosynteesissä hiilidioksidista ja vedestä rakennetaan glukoosia, jonka energiataso on korkeampi kuin lähtöaineiden. Tarvittava energia tulee valosta. Glukoosin palaminen tai soluhengitys on käänteinen reaktio, joten se on yhtä paljon eksoterminen, noin −2 800 kJ glukoosimoolia kohti.