В термохимии экзотермическая реакция — это «реакция, для которой общее стандартное изменение энтальпии Δ H ⚬ отрицательно». [1] [2] Экзотермические реакции обычно выделяют тепло . Этот термин часто путают с экзергонической реакцией , которую ИЮПАК определяет как «... реакцию, для которой общее стандартное изменение энергии Гиббса Δ G ⚬ отрицательно». [2] Сильно экзотермическая реакция обычно также будет экзергонической, поскольку Δ H ⚬ вносит основной вклад в Δ G ⚬ . Большинство эффектных химических реакций, которые демонстрируются в классах, являются экзотермическими и экзергоническими. Противоположностью является эндотермическая реакция , которая обычно поглощает тепло и приводится в движение увеличением энтропии в системе.
Примеров много: горение , термитная реакция , соединение сильных кислот и оснований, полимеризация . В качестве примера в повседневной жизни грелки для рук используют окисление железа для достижения экзотермической реакции:
Особенно важным классом экзотермических реакций является горение углеводородного топлива, например, горение природного газа:
Реакции этих образцов являются сильно экзотермическими.
Неконтролируемые экзотермические реакции, приводящие к пожарам и взрывам , являются расточительными, поскольку трудно уловить высвобождающуюся энергию. Природа осуществляет реакции горения в строго контролируемых условиях, избегая пожаров и взрывов, в аэробном дыхании , чтобы уловить высвобождающуюся энергию, например, для образования АТФ .
Энтальпия химической системы по сути является ее энергией. Изменение энтальпии Δ H для реакции равно теплу q, переданному из (или в) закрытую систему при постоянном давлении без ввода или вывода электрической энергии. Выделение или поглощение тепла в химической реакции измеряется с помощью калориметрии , например, с помощью калориметрической бомбы . Одним из распространенных лабораторных приборов является реакционный калориметр , в котором отслеживается поток тепла из реакционного сосуда или в него. Выделение тепла и соответствующее изменение энергии Δ H реакции горения можно измерить особенно точно.
Измеренная тепловая энергия, выделяемая в экзотермической реакции, преобразуется в Δ H ⚬ в джоулях на моль (ранее кал/моль ). Стандартное изменение энтальпии Δ H ⚬ по сути является изменением энтальпии, когда стехиометрические коэффициенты в реакции рассматриваются как количества реагентов и продуктов (в молях); обычно начальная и конечная температура предполагается равной 25 °C. Для газофазных реакций значения Δ H ⚬ связаны с энергиями связи с хорошим приближением:
В экзотермической реакции, по определению, изменение энтальпии имеет отрицательное значение:
где большее значение (большая энергия реагентов) вычитается из меньшего значения (меньшая энергия продуктов). Например, при горении водорода:
