Miért nem lépnek reakcióba a szénhidrogének vízzel?

Felteszem a telített szénhidrogénekről beszélünk, egész pontosan a metán gőzreformálásáról. De javíts ki ha tévednék. Energetikailag kedvezőtlen, és kinetikailag is gátolt a reakció.

CH4 + 2 H2O <-> CO2 + 4 H2

Reakció entalpia összesen: 165 kJ/mol, azaz ennyit kell befektetni, hogy a reakció végbemenjen. Víz tűnik el, ami nagyon stabil molekula, és 4 H2 keletkezik, ami nem olyan stabil. A reakció egyetlen nyertese a C, ami CO2 formában sokkal jobban érzi magát, mint CH4 formában. De minden más tekintetben kedvezőtlen a reakció, és ez az energia nyereség nem tudja ellensúlyozni a sok veszteséget.

Ráadásul pont az első lépés, ami CO-ig megy, a nagy energiaigényű. Ez is a gátoltságot erősíti, a reakció nem nyer energiát az első lépésében, mert az egyetlen előnyös dolog, a stabil CO2 keletkezése csak a második lépéstől történik.

Ami meg a kinetikai gátoltságot illeti, elég megnézni a telített szénhidrogének bármilyen reakcióját... Minden vegyértékük foglalt, nem nagyon szeretnek reagálni semmivel normál körülmények között.

"A víz miért stabilabb, mint a H2?"

A víz képződéshője -242 kJ/mol. Ha H2-ből és O2-ből víz keletkezik, akkor ennyi energia szabadul fel. Az O-H kötés energetikailag kedvezőbb, mint a H-H vagy O-O kötések.

Egyébként ha kíváncsi vagy arra, hogy mik a stabil molekulák, akkor elég körülnézned. H2O, SiO2, Fe2O3, Al2O3, CO2, N2, nem véletlenül van velük tele minden.

"Az összes folyadék stabilabb, mint a gázok?"

Nem, egyáltalán nem.

"+plusz még annyi, hogy az energiaminimumra törekvés elve szerint minnél stabilabb vagy minél alacsonyabb energiaállapot keletkezik? Vagy a 2 dolog összefügg?"

Stabil = nem reagál el könnyen. Ez általában összefügg azzal, hogy már eleve alacsony energiaállapotban volt, és így nincs nagyon hova reagálnia.

"Meg amúgy most kicsit összekavarodtam, mert azt, hogy minél alacsonyabb energiaállapotba kerüljön az anyag azt hittem eddig, hogy a mozgási energiára értjük."

Az energiaminimumra való törekvés elve jó közelítéssel igaz a legtöbb rendszerben. (Ha precízen fogalmazunk, akkor zárt rendszerben spontán folyamat során a szabadenergia/szabadentalpia nem csökkenhet. Azaz spontán folyamat során a rendszer energiája csak akkor növekedhet, ha ezt jelentősebb entrópianövekedés kompenzálja. De ilyen szinten középiskolában a dolog hátterébe nem szoktak belemenni.)

"Mert minél nagyobb az ionizációs energia különbség annál szilárdabb"

Mi szilárdabb? És mit értesz azon, hogy szilárdabb? Valami vagy szilárd vagy nem. Azt érted rajta, hogy keményebb, vagy azt, hogy magasabb az olvadáspontja? Esetleg valami mást? És hányadik ionizációs energiáról beszélsz? (Gondolom, az elsőről, de azért ezt sem ártana leszögezni.

Egyébként (amellett, hogy nem túl érthető) a fenti állítás nem igaz. Egy elem atomjainak ionizációs energiája megegyezik (azaz a különbség 0), cserébe például a volfrám vagy a szén olvadáspontja nagyon magas. Cserébe például a szén-tetrafluoridban (CF4) az elemek első ionizációs energiájának a különbsége kb. 600 kJ/mol, ami elég jelentős, ehhez képest egy gázról van szó. (op. = -183,6 °C)

[link]

[link]

A szénhidrogének esetében pedig egy csomó vegyületet ugyanaz a két elem (C és H) épít fel rengeteg különböző vegyületet, amelyek között van (szobahőmérsékleten) gáz, folyékony és szilárd is.

"vagy ha apoláros akkor is minél nagyobb az elektronegativitás, annál nagyobb az op és fp - annál szilárdabb (csökken a mozgási energia)"

Mi alpoláros? ÉS mit értesz azon, hogy csökken a mozgási energiája?

Egyébként az elektronegativitása az egész periódusos rendszerben a fluornak a legnagyobb. Márpedig az egy gáz (op.= 53,5 K, fp.= 85,03 K). Cserébe a francium, aminek a legalacsonyabb az elektronegativitása az elemek közül, szobahőmérsékleten szilárd (még ha nem is túl magas az olvadáspontja). Szóval ez az állítás sem igaz (már amennyiben egyáltalán helyesen értelmezem).

"És ezek így ellent mondanak egymásnak."

Mármint mi mond ellent micsodának?

"A kJ/mol-t a hőenergia (mozgási energia) átkonvertálva használjuk az endo/-es exoterm folyamatok megkülönböztetésére."

Bocsánat, de ezt a mondatot megint nem értem.

"mi is pontosan az a képződéshő?"

A képződéshő az az energia, ami akkor szabadul fel, vagy nyelődik el, ha egy adott vegyületből egy molt elemeiből előállítunk. Ha felszabadul az energia, előjele negatív, ha az előállítás energiaigényes (endoterm), előjele pozitív. Az elemek képződéshője (definíció szerint) 0.

"ha felszabadul energia, akkor alacsonyabb lett a reakciótermékek képződéshője."

Valóban. Ha a reakció során energia szabadul fel (exoterm), akkor a termékek képződéshőjének összege kisebb, mint a kiindulási anyagok képződéshőjének összege (a mennyiségi viszonyokat is figyelembe véve).

"Ha alacsonyabb a képződéshő, akkor alacsonyabb (mozgási) enegiaállapotba került az anyag"

Fogalmam sincs, hogy szerinted hogyan jön ide a mozgási energia.

"tehát nagyobb a rácsenergia— magasabb op es fp."

Rácsenergiáról eleve csak ionvegyületeknél szoktak beszélni. A rácsenergia az az energia, ami ahhoz szükséges, hogy egy mol ionrácsos anyagot szabad ionokra bontsunk. (Tulajdonképpen az ionrácsban levő kötések erősségét adja meg.) Az viszont tényleg igaz, hogy a nagyobb rácsenergia magasabb olvadás és forrásponttal jár. Viszont a képződéshő és a rácsenergia nem ugyanaz! Bár természetesen van közöttük összefüggés, de a képződéshőben az ionok képződési energiája is benne van. Például a Na2O rácsenergiája sokkal nagyobb, mint a NaOH-é, ugyanakkor a képződéshőjük nagyjából ugyanakkora.

[link]

[link]

"Tehát az a jó, ha minnél stabilabb (reakcióképtelenebb vegyület képződik?"

Kinek? :) De valóban, spontán folyamatok során jellemzően instabilabb vegyületekből stabilabbak képződnek.

"Honnan tudom hogy pl a CH4 vagy a CO2 a reakcióképesebb?"

Erre nem hiszem, hogy van általános kép. Eleve a stabilitásnak két komponense van: az energaitkai oldal és a kinetikai oldal. Például ha nitrogén és az oxigén reagálnak, az energetikailag kedvező (energia szabadul fel). Ennek ellenére a nitrogén nem szokott az oxigénnel reagálni (csak nagyon magas hőmérsékleten), mert a nitrogén molekulákban levő hármas kötés felszakítása nagyon sok energiát igényel.

Az energetikai oldalt talán leginkább a képződéshő alapján lehet becsülni. Minél alacsonyabb a képződéshő, nagyjából annál stabilabb lesz a vegyület! Például a CO2 képződéshője -394 kJ/mol, a metáné pedig -75 kJ/mol, ez arra utal, hogy a szén-dioxid stabilabb.

"És honnan tudom megállapítani, hogy pl egy reackióban mi az egyes vegyületek képződéshője? (Tudom hogy elemeknek 0)"

Vannak szép nagy táblázatok, ahonnan ki lehet olvasni. (Korábban pedig kimérték.)

[link]

"És az előző kommentemben az ionizációs energiát az elektronegativitással kevertem, mert tendenciájukban nagyon hasonlóak"

Van némi hasonlóság, de azért nem olyan veszettül nagy. Például a hidrogén (első ionizációs energiája például nagyjából megegyezik az oxigénével, miközben az elektronegativitása több, mint 1-el kisebb. Szóval a kettő nagyon nem összekeverendő (még ha nem is teljesen függetlenek egymástól)!

[link]

Feltételezem, ebben a mondatban szeretted volna az elektronegativitás kifejezést használni az ionizációs energia helyett.

"Mert minél nagyobb az ionizációs energia különbség annál szilárdabb"

Ám így sem lesz igaz az állítás. A CF4-ben majdnem 1,5 az atomok elektronegativitásának különbsége, miközben gázról van szó. A HF-ban kb. 1,8 az EN különbség, és szobahőmérsékleten szintén gáz halmazállapotú vegyület. (Igaz, éppen csak, 19,5 °C a forráspontja.)

[link]

Ezzel szemben például a szén-tetrabromid vagy szén-tetrajodid szilárd halmazállapotúak, miközben bennük az atomok elektronegativitásának különbsége 1,41, illetve 1,11. A szénhidrogének között vannak szilárdak is, pedig a szén-hidrogén elektronegativitás különbség csak 0,35. Szóval az állítás elektronegativitással sem igaz.

Egyébként a halmazállapotnak és a vegyület stabilitásának nagyjából semmi köze nincs egymáshoz. (Illetve bizonyos esetekben változhatnak együtt, de csak egy-egy vegyületcsoporton belül.)