Energi dalam reaksi kimia

Pembakaran satu mol metana, 16 g, melepaskan kalor sebesar 890.8 kJ, cukup untuk memanaskan sekitar 2.7 liter air dari 20 °C menjadi 100 °C.

Sebagian reaksi menghasilkan panas, seperti nyala api gas. Reaksi lain menyerap kalor dari lingkungan. Perbedaan ini berasal dari ikatan. Pemutusan ikatan kimia selalu memerlukan energi, sedangkan pembentukan ikatan selalu melepaskan energi. Molekul hidrogen, misalnya, memerlukan 436 kJ per mol untuk terurai. Apakah reaksi secara keseluruhan melepaskan atau menyerap kalor bergantung pada mana yang lebih besar: energi untuk memutus ikatan lama atau energi yang dilepaskan saat ikatan baru terbentuk.

Eksoterm dan endoterm

Kimiawan mengukur kalor reaksi pada tekanan tetap sebagai perubahan entalpi, ΔH. Jika entalpi produk lebih rendah daripada pereaksi, selisihnya dilepaskan sebagai kalor, ΔH bernilai negatif, dan reaksinya disebut eksoterm. Jika entalpi produk lebih tinggi, kalor harus diserap dari lingkungan, ΔH bernilai positif, dan reaksinya disebut endoterm. Membalik reaksi akan membalik tanda ΔH: pembentukan air dari hidrogen dan oksigen melepaskan 571.6 kJ untuk setiap dua mol air, sehingga penguraian dua mol air cair menjadi unsur-unsurnya memerlukan 571.6 kJ.

Bahan bakar adalah zat yang memiliki entalpi pembakaran negatif dengan nilai mutlak besar. Hasil pengukuran mencakup −890.8 kJ per mol untuk metana, −285.8 kJ untuk hidrogen, −1366.8 kJ untuk etanol, dan −726.1 kJ untuk metanol. Namun, jika dihitung per gram, perbandingannya berubah. Metana menghasilkan sekitar 55.5 kJ per gram, etanol sekitar 29.7 kJ per gram, dan hidrogen yang sangat ringan menghasilkan sekitar 141.8 kJ per gram. OpenStax memperkirakan bahwa pembakaran satu liter isooktana, komponen umum bensin, melepaskan 33 100 kJ. Tidak semua reaksi yang berguna bersifat eksoterm. Ozon terbentuk dari oksigen di lapisan atas atmosfer melalui proses endoterm yang digerakkan sinar ultraviolet. Nitrogen dan oksigen menyerap 180.5 kJ untuk membentuk dua mol nitrogen monoksida. Itulah sebabnya reaksi tersebut terutama terjadi dalam silinder mesin yang sangat panas.

Mengapa bahan bakar memerlukan percikan

Jika pembakaran metana melepaskan begitu banyak energi, mengapa gas dalam pipa dapur tidak terbakar sendiri? Sebab, reaksi harus terlebih dahulu memutus ikatan sebelum dapat membentuk ikatan baru. Molekul harus bertumbukan dengan energi minimum tertentu, yaitu energi aktivasi Eₐ, untuk mencapai susunan tidak stabil di puncak penghalang yang disebut keadaan transisi. Pada suhu ruang, hampir tidak ada tumbukan dengan energi sebesar itu. Percikan atau korek api menyediakan energi untuk beberapa reaksi awal, lalu kalor yang dilepaskan mempertahankan reaksi selanjutnya.

Geser titik sepanjang kurva di laboratorium. Saat bergerak naik, ikatan meregang dan energi meningkat. Di puncak, ikatan lama baru terputus sebagian dan ikatan baru terbentuk sebagian. Saat bergerak turun, ikatan baru selesai terbentuk dan energi dilepaskan. Tinggi puncak menentukan seberapa cepat reaksi berlangsung, yang dibahas pada unit berikutnya. Selisih ketinggian kedua ujung menentukan jumlah kalor yang dilepaskan. Katalis yang diaktifkan lewat tombol menyediakan jalur reaksi lebih mudah dengan puncak lebih rendah. Namun, kedua ujung tetap di tempatnya, sehingga ΔH tidak berubah.