Energie bij chemische reacties

Het verbranden van één mol methaan, 16 g, geeft 890.8 kJ warmte vrij, genoeg om circa 2.7 liter water van 20 °C tot 100 °C te verwarmen.

Sommige reacties worden heet, zoals een gasvlam. Andere nemen warmte uit de omgeving op. Het verschil komt door de bindingen. Een chemische binding verbreken kost altijd energie; een binding vormen geeft altijd energie vrij. Een waterstofmolecuul heeft bijvoorbeeld 436 kJ per mol nodig om uiteen te vallen. Of de hele reactie warmte afgeeft of opneemt, hangt af van welke hoeveelheid groter is: de energie die het verbreken van de oude bindingen kost of de energie die het vormen van de nieuwe oplevert.

Exotherm en endotherm

Chemici meten de warmte van een reactie bij constante druk als de enthalpieverandering, ΔH. Als de producten minder enthalpie hebben dan de uitgangsstoffen, komt het verschil als warmte vrij. ΔH is dan negatief en de reactie is exotherm. Hebben de producten meer enthalpie, dan moet warmte uit de omgeving worden opgenomen. ΔH is positief en de reactie is endotherm. Keer je een reactie om, dan wisselt het teken van ΔH: water vormen uit waterstof en zuurstof geeft per twee mol water 571.6 kJ vrij. Daarom kost het 571.6 kJ om twee mol vloeibaar water terug in de elementen te splitsen.

Brandstoffen hebben een grote, negatieve verbrandingsenthalpie. Gemeten waarden per mol zijn −890.8 kJ voor methaan, −285.8 kJ voor waterstof, −1366.8 kJ voor ethanol en −726.1 kJ voor methanol. Per gram verandert het beeld: methaan geeft circa 55.5 kJ, ethanol 29.7 kJ en het lichte waterstof 141.8 kJ per gram. Volgens OpenStax geeft één liter isooctaan, een veelvoorkomend benzinebestanddeel, 33 100 kJ vrij. Niet elke nuttige reactie is exotherm. Hoog in de atmosfeer vormt ozon zich uit zuurstof via een endotherm proces dat door ultraviolet licht wordt aangedreven. Stikstof en zuurstof nemen 180.5 kJ op om twee mol stikstofmonoxide te vormen. Daarom gebeurt die reactie vooral in de zeer hete cilinders van motoren.

Waarom brandstoffen een vonk nodig hebben

Als het verbranden van methaan zoveel energie oplevert, waarom vat het gas in een keukenleiding dan niet vanzelf vlam? Omdat de reactie eerst bindingen moet verbreken voordat zij nieuwe kan vormen. Moleculen moeten met minstens een bepaalde minimale energie botsen, de activeringsenergie Eₐ. Zo bereiken ze de instabiele rangschikking boven op de berg, de overgangstoestand. Bij kamertemperatuur hebben bijna geen botsingen zoveel energie. Een vonk of lucifer levert de energie voor de eerste paar reacties. De warmte die deze vrijgeven, houdt vervolgens de rest van de reacties gaande.

Schuif het punt in het lab langs de kromme. Op weg omhoog rekken de bindingen en stijgt de energie. Op de top zijn de oude bindingen half verbroken en de nieuwe half gevormd. Op weg omlaag worden de nieuwe bindingen volledig gevormd en komt er energie vrij. De hoogte van de berg bepaalt hoe snel de reactie verloopt, het onderwerp van het volgende hoofdstuk. Het verschil tussen beide uiteinden bepaalt hoeveel warmte er vrijkomt. Een katalysator, die je met de knop inschakelt, geeft de reactie een makkelijker pad met een lagere berg, maar beide uiteinden blijven waar ze zijn. ΔH verandert dus niet.