אנרגיה בתהליכים כימיים
כל קשר כימי מכיל אנרגיה - בואו נבין את המאזן
קשרים ואנרגיה
אנלוגיה - כדור בבור
דמיינו כדור שנמצא בתוך בור:
ניתוק קשר = להוציא כדור מבור:
צריך להשקיע אנרגיה כדי להרים אותו. ככל שהבור עמוק יותר (הקשר חזק יותר), צריך יותר אנרגיה.
יצירת קשר = כדור נופל לבור:
כשהכדור נופל, הוא משחרר אנרגיה (חבטה!). ככל שהבור עמוק יותר (הקשר חזק יותר), משתחררת יותר אנרגיה.
המאזן: האם השקענו יותר כדי לשבור קשרים ישנים, או שחררנו יותר ביצירת קשרים חדשים?
יצירת קשר מול ניתוק קשר
ניתוק קשר
דורש השקעת אנרגיה.
צריך 'להשקיע כוח' כדי לשבור קשר.
כמו לשבור חפץ - צריך להפעיל כוח.
דוגמה: ניתוק הקשר ב-H2 דורש 436 קילוג'ול למול
יצירת קשר
משחררת אנרגיה.
כשאטומים מתחברים, הם עוברים למצב יציב ומשחררים אנרגיה.
כמו כדור שנופל לבור - משחרר אנרגיה.
דוגמה: יצירת קשר O-H משחררת 463 קילוג'ול למול
זכרו: ניתוק = השקעה, יצירה = שחרור
המאזן האנרגטי בתגובה כימית
בכל תגובה כימית יש גם ניתוק קשרים (מגיבים) וגם יצירת קשרים (תוצרים). התוצאה הכוללת תלויה במאזן ביניהם.
בתהליך כימי מתרחשים שני שלבים:
שלב 1 - ניתוק: הקשרים בין אטומי המגיבים נשברים ← דורש השקעת אנרגיה.
שלב 2 - יצירה: קשרים חדשים נוצרים בין האטומים ליצירת התוצרים ← משחרר אנרגיה.
המאזן:
- אם אנרגיית היצירה > אנרגיית הניתוק ← התגובה פולטת אנרגיה (אקסותרמית)
- אם אנרגיית הניתוק > אנרגיית היצירה ← התגובה קולטת אנרגיה (אנדותרמית)
האם תגובה פולטת או קולטת אנרגיה תלוי ביחס בין אנרגיית ניתוק הקשרים הישנים לאנרגיית יצירת הקשרים החדשים.
דוגמה מפורטת: בעירת מתאן
CH4 + 2O2 ← CO2 + 2H2O
ניתוק (השקעה):
- 4 קשרי C-H במתאן (4 x 413 = 1,652 קילוג'ול)
- 2 קשרי O=O בחמצן (2 x 498 = 996 קילוג'ול)
- סך השקעה: 2,648 קילוג'ול
יצירה (שחרור):
- 2 קשרי C=O בפחמן דו-חמצני (2 x 805 = 1,610 קילוג'ול)
- 4 קשרי O-H במים (4 x 463 = 1,852 קילוג'ול)
- סך שחרור: 3,462 קילוג'ול
מאזן: 3,462 - 2,648 = 814 קילוג'ול שמשתחררים!
לכן בעירת מתאן פולטת אנרגיה (חום ואור). זו הסיבה שגז בישול מחמם!
הקשר בין חוזק קשר לאנרגיה
לא כל הקשרים הכימיים שווים - יש קשרים חזקים ויש חלשים. ככל שהקשר חזק יותר, נדרשת יותר אנרגיה כדי לנתק אותו, ויותר אנרגיה משתחררת כשהוא נוצר.
אנרגיית קשרים נפוצים
| קשר | אנרגיה (קילוג'ול למול) | חוזק יחסי |
|---|---|---|
| O-H (במים) | 463 | חזק |
| C-H (במתאן) | 413 | בינוני-חזק |
| C-C (קשר יחיד) | 347 | בינוני |
| O=O (קשר כפול) | 498 | חזק |
| C=O (בפחמן דו-חמצני) | 805 | חזק מאוד |
| N≡N (קשר משולש) | 945 | חזק ביותר |
* ככל שמספר זוגות האלקטרונים המשותפים גדול יותר, הקשר חזק יותר
אנרגיה כימית בעולם האמיתי
מזון - דלק לגוף
כשאנחנו אוכלים, הגוף מפרק קשרים במולקולות מזון (גלוקוז, שומנים) ויוצר קשרים חדשים (CO2, מים).
האנרגיה שמשתחררת מניעה את כל פעילות הגוף: תנועה, חשיבה, חימום.
דלק - כוח לרכב
בנזין מורכב ממולקולות עם קשרי C-H ו-C-C.
בבעירה, הקשרים הישנים נשברים ונוצרים קשרי C=O ו-O-H חזקים יותר.
ההפרש באנרגיה מניע את המנוע.
סוללות - חשמל מכימיה
בסוללה, תגובות כימיות ממירות אנרגיה כימית לאנרגיה חשמלית.
כשהחומרים נגמרים - הסוללה מתרוקנת.
סוללה נטענת = תגובה הפוכה!
פוטוסינתזה - אגירת אור
צמחים קולטים אנרגיית אור ואוגרים אותה בקשרים כימיים של גלוקוז.
זו הסיבה שעץ יכול לבעור - האנרגיה שנאגרה משתחררת.
הקשר בין ביולוגיה לכימיה
המעגל הגדול של אנרגיה בטבע
יש מעגל אנרגיה מדהים בטבע שמקשר בין כימיה לביולוגיה:
- השמש פולטת אנרגיית אור
- צמחים קולטים אנרגיית אור ואוגרים אותה בגלוקוז (פוטוסינתזה - תהליך קולט אנרגיה)
- אנחנו אוכלים את הצמחים (או בעלי חיים שאכלו צמחים)
- הגוף מפרק את הגלוקוז ומשחרר אנרגיה (נשימה תאית - תהליך פולט אנרגיה)
- האנרגיה משמשת לחימום הגוף, תנועה וחשיבה
- ה-CO2 שיוצא מהנשימה חוזר לצמחים - והמעגל ממשיך!
סוגי אנרגיה שמשתחררים או נקלטים
סוגי אנרגיה בתגובות כימיות
אנרגיית חום
הסוג הנפוץ ביותר. מורגשת כעליית טמפרטורה בסביבה. דוגמה: בעירת גז.
אנרגיית אור
משתחררת כפליטת אור. דוגמה: נר בוער, זיקוקים.
אנרגיה חשמלית
משתחררת כזרם חשמלי. דוגמה: סוללות ומצברים.
אנרגיית קול
משתחררת כגלי קול. דוגמה: פיצוצים.
סימולציה - אנרגיה בתהליכים כימיים
בסימולציה הבאה תוכלו לראות כיצד ניתוק קשרים דורש אנרגיה ויצירת קשרים חדשים משחררת אנרגיה. שימו לב למאזן האנרגטי הכולל של התגובה.
שאלה לחשיבה
בפוטוסינתזה, צמחים הופכים CO2 ומים לגלוקוז וחמצן. האם תהליך זה פולט או קולט אנרגיה? מניין מגיעה האנרגיה?
פוטוסינתזה היא תהליך קולט אנרגיה. הצמח צריך להשקיע אנרגיה כדי ליצור את הגלוקוז, והאנרגיה מגיעה מאור השמש. למעשה, הצמח 'אוגר' אנרגיית אור בתוך הקשרים הכימיים של הגלוקוז.
שאלה לחשיבה
גפרור מוצת כשמשפשפים אותו. מניין מגיעה אנרגיית ההצתה הראשונית?
אנרגיית ההצתה מגיעה מהחיכוך. כשמשפשפים את ראש הגפרור על המשטח המחוספס, אנרגיית התנועה (מכנית) הופכת לאנרגיית חום. כשהחום מגיע לטמפרטורת ההצתה של החומר הכימי שבראש הגפרור, מתחילה תגובה אקסותרמית שמספקת את האנרגיה להמשך הבעירה.
שאלה לחשיבה
מדוע דלק מכיל יותר אנרגיה לגרם מאשר סוכר?
דלק (שומנים, בנזין) מכיל בעיקר קשרי C-H ו-C-C. בתהליך הבעירה, קשרים אלה נשברים ונוצרים קשרי C=O ו-O-H חזקים הרבה יותר. ההפרש באנרגיה גדול. סוכר כבר מכיל קשרי C-O וO-H, כלומר חלק מהחמצון כבר 'נעשה'. לכן יש פחות אנרגיה להרוויח ממנו.
אנרגיה כימית נמצאת בכל מקום סביבנו:
- מזון - הגוף שלנו מנתק קשרים כימיים במזון (בנשימה תאית) ומשחרר אנרגיה לתנועה וחום
- דלק - בנזין, סולר וגז בישול משחררים אנרגיה בבעירה
- סוללות - תגובות כימיות בתוך הסוללה משחררות אנרגיה חשמלית
- חימום כימי - אריזות חימום ידיים מכילות ברזל שמגיב עם חמצן ופולט חום
- זיקוקי דינור - תגובות כימיות עם מתכות שונות יוצרות צבעים שונים (נתרן = צהוב, נחושת = ירוק, ליתיום = אדום)
מה הלאה?
בשיעור הבא נעמיק ונלמד על תהליכים פולטי וקולטי אנרגיה - נכיר את ההבדל בין תהליכים אקסותרמיים (כמו בעירה) לאנדותרמיים (כמו פוטוסינתזה), ונלמד על בעירה ותנאיה.