Ovatko polttoreaktiot eksotermisiä?

Palaminen on hapettumisreaktio, joka tuottaa lämpöä, ja siksi se on aina eksoterminen. Kaikki kemialliset reaktiot rikkovat ensin sidoksia ja muodostavat sitten uusia muodostaakseen uusia materiaaleja. Lainojen rikkominen vie energiaa, kun taas uusien joukkovelkakirjojen luominen vapauttaa energiaa. Jos uusien sidosten vapauttama energia on suurempi kuin alkuperäisten sidosten rikkomiseen tarvittava energia, reaktio on eksoterminen.

Yleiset palamisreaktiot hajottavat hiilivetymolekyylien sidokset, ja tuloksena olevat vesi- ja hiilidioksidisidokset vapauttavat aina enemmän energiaa kuin mitä käytettiin alkuperäisten hiilivetysidosten rikkomiseen. Siksi pääasiassa hiilivedyistä koostuvien materiaalien polttaminen tuottaa energiaa ja on eksotermistä.

TL; DR (liian pitkä; Ei lukenut)

Palaminen on eksoterminen hapetusreaktio, jossa materiaalit kuten hiilivedyt reagoivat hapen kanssa muodostaen palamistuotteita, kuten vettä ja hiilidioksidia. Hiilivetyjen kemialliset sidokset hajoavat ja korvataan veden ja hiilidioksidin sidoksilla. Jälkimmäisen luominen vapauttaa enemmän energiaa kuin tarvitaan edellisen rikkomiseen, joten energiaa tuotetaan kokonaisuudessaan. Monissa tapauksissa tarvitaan pieni määrä energiaa, kuten lämpöä, osan hiilivedyn rikkomiseksi joukkovelkakirjoja, jolloin uusia sidoksia muodostuu, energia vapautuu ja reaktiosta tulee itsensä ylläpitävä.

Hapetus on yleensä kemiallisen reaktion osa, jossa aineen atomit tai molekyylit menettävät elektroneja. Normaalisti siihen liittyy prosessi, jota kutsutaan pelkistykseksi. Pelkistys on kemiallisen reaktion toinen osa, jossa aine saa elektronia. Hapetus-pelkistys- tai redoksireaktiossa elektronit vaihdetaan kahden aineen välillä.

Hapetusta käytettiin alun perin kemiallisissa reaktioissa, joissa happi yhdessä muiden materiaalien kanssa hapetti niitä. Kun rauta hapetetaan, se menettää elektroneja hapeksi muodostaen ruostetta tai rautaoksidia. Kaksi rautaatomia menettää kumpikin kolme elektronia ja muodostaa rautaioneja positiivisella varauksella. Kolme happiatomia saa kumpikin kaksi elektronia ja muodostavat happi-ioneja negatiivisella varauksella. Positiivisesti ja negatiivisesti varautuneet ionit houkuttelevat toisiinsa ja muodostavat ionisidoksia muodostaen rautaoksidia, Fe₂O₃.

Reaktioita, joissa ei ole happea, kutsutaan myös hapetus- tai redoksireaktioksi, kunhan elektronien siirtomekanismi on läsnä. Esimerkiksi kun hiili ja vety yhdistyvät metaaniksi, CH₄, vetyatomit menettävät kukin elektronin hiiliatomiin, joka saa neljä elektronia. Vety hapetetaan samalla kun hiili pelkistyy.

Palaminen on hapetuskemiallisen reaktion erityistapaus, jossa syntyy tarpeeksi lämpöä reaktion itsensä ylläpitämiseksi, toisin sanoen tulena. Tulipalot on yleensä käynnistettävä, mutta ne palavat itsestään, kunnes polttoaine loppuu.

Tulipalossa hiilivetyjä sisältävät materiaalit, kuten puu, propaani tai bensiini, palavat hiilidioksidin ja vesihöyryn muodostamiseksi. Hiilivetysidokset on ensin katkaistava, jotta vety- ja hiiliatomit yhdistyvät happeen. Tulen sytyttäminen tarkoittaa lähtöenergian tarjoamista liekin tai kipinän muodossa muutaman hiilivetysidoksen rikkomiseksi.

Kun alkuperäinen lähtöenergia johtaa rikkoutuneisiin sidoksiin ja vapaaseen veteen ja hiileen, atomit reagoivat ilmassa olevan hapen kanssa muodostaen hiilidioksidia, CO₂ja vesihöyry, H₂O. Näiden uusien sidosten muodostumisesta vapautuva energia lämmittää jäljellä olevat hiilivedyt ja rikkoo enemmän sidoksia. Tässä vaiheessa tuli jatkaa palamistaan. Tuloksena oleva palamisreaktio on erittäin eksoterminen, ja tarkka lämmön määrä luovutetaan polttoaineesta riippuen ja kuinka paljon energiaa tarvitaan sidosten rikkomiseksi.