ЕНДОТЕРМИЧНА РЕАКЦИЯ: ХАРАКТЕРИСТИКИ, УРАВНЕНИЯ И ПРИМЕРИ - ХИМИЯ - 2024

Един ендотермичен реакция е тази, която ще се проведе трябва да абсорбират енергия, под формата на топлина или радиация, от нейното обкръжение. По принцип, но не винаги, те могат да бъдат разпознати по спад в температурата в заобикалящата ги среда; или напротив, те се нуждаят от източник на топлина, като този, получен от горящ пламък.

Поглъщането на енергия или топлина е всичко, което имат всички ендотермични реакции; тяхната природа, както и участващите трансформации са много разнообразни. Колко топлина трябва да поемат? Отговорът зависи от неговата термодинамика: температурата, при която реакцията протича спонтанно.

Топящ се лектилактит. Източник: Pixabay

Например, една от най-емблематичните ендотермични реакции е промяната на състоянието от лед към течна вода. Ледът трябва да абсорбира топлина, докато температурата му достигне приблизително 0 ° C; при тази температура топенето му става спонтанно и ледът ще абсорбира, докато не се разтопи напълно.

В горещи помещения, като например на брега на плажа, температурите са по-високи и следователно ледът поглъща топлината по-бързо; т. е. топи се по-бързо. Топенето на ледници е пример за нежелана ендотермична реакция.

Защо се случва по този начин? Защо ледът не може да се появи като горещо твърдо вещество? Отговорът се крие в средната кинетична енергия на водните молекули в двете състояния и как те взаимодействат помежду си чрез водородните си връзки.

В течната вода неговите молекули имат по-голяма свобода на движение, отколкото в лед, където вибрират неподвижно в кристалите му. За да се движат, молекулите трябва да абсорбират енергия по такъв начин, че техните вибрации да прекъснат силните насочени водородни връзки в леда.

Поради тази причина ледът абсорбира топлината, за да се стопи. За да съществува "горещ лед", водородните връзки трябва да са необичайно силни, за да се стопят при температура, надвишаваща 0 ° С.

Характеристики на ендотермична реакция

Промяната на състоянието не е правилно химическа реакция; Случва се обаче същото: продуктът (течната вода) има по-висока енергия от реагента (лед). Това е основната характеристика на ендотермичната реакция или процес: продуктите са по-енергични от реагентите.

Въпреки че това е вярно, това не означава, че продуктите непременно трябва да са нестабилни. В случай, че е така, ендотермичната реакция престава да бъде спонтанна при всички условия на температура или налягане.

Помислете следното химично уравнение:

A + Q => B

Когато Q представлява топлина, обикновено изразена в единици джаул (J) или калории (кал). Тъй като А абсорбира топлина Q, за да се трансформира в В, тогава се казва, че това е ендотермична реакция. По този начин В има повече енергия от А и трябва да абсорбира достатъчно енергия, за да постигне своята трансформация.

Ендотермична диаграма на реакции за А и Б. Източник: Габриел Боливар

Както се вижда от диаграмата по-горе, A има по-малко енергия от B. Количеството топлина Q, погълната от A, е такова, че преодолява енергията на активиране (енергията, необходима за достигане на върха на лилавия връх). Разликата в енергията между А и В е това, което е известно като енталпия на реакцията, ΔH.

ΔH> 0

Всички ендотермични реакции имат горната диаграма, тъй като продуктите са по-енергични от реагентите. Следователно, разликата в енергията между тях, ΔH, винаги е положителна (H _Product -H _Reactive > 0). Тъй като това е вярно, трябва да има поглъщане на топлина или енергия от околната среда, за да се осигури тази енергийна нужда.

И как се интерпретират такива изрази? При химическа реакция връзките винаги се разрушават, за да създадат нови. За да ги нарушим, е необходимо усвояването на енергия; тоест това е ендотермична стъпка. Междувременно образуването на връзките предполага стабилност, така че това е екзотермична стъпка.

Когато образуваните връзки не осигуряват стабилност, сравнима с количеството енергия, необходимо за разрушаване на старите връзки, това е ендотермична реакция. Ето защо е необходима допълнителна енергия за насърчаване на скъсването на най-стабилните връзки в реактивите.

От друга страна, при екзотермични реакции се получава обратното: топлината се освобождава и ΔH е <1 (отрицателен). Тук продуктите са по-стабилни от реагентите и диаграмата между А и В променя формата си; сега B е под A, а енергията на активиране е по-ниска.

Те охлаждат заобикалящата ги среда

Въпреки че не се отнася за всички ендотермични реакции, няколко от тях предизвикват понижение на температурата на заобикалящата ги среда. Това е така, защото абсорбираната топлина идва отнякъде. Следователно, ако преобразуването на А и В се извърши вътре в контейнер, той би изстинал.

Колкото по-ендотермична е реакцията, толкова по-студен ще стане контейнерът и околностите му. Всъщност някои реакции дори са способни да образуват тънък слой лед, сякаш са излезли от хладилник.

Има обаче реакции от този тип, които не охлаждат заобикалящата ги среда. Защо? Тъй като заобикалящата го топлина е недостатъчна; тоест, тя не осигурява необходимия Q (J, cal), който е записан в химични уравнения. Следователно, това е когато навлиза пожар или UV лъчение.

Малко объркване може да възникне между двата сценария. От една страна, топлината от околната среда е достатъчна за реакцията да протече спонтанно и се наблюдава охлаждане; а от друга страна, е необходима повече топлина и се използва ефективен метод за отопление. И в двата случая се случва едно и също: енергията се абсорбира.

уравнения

Какви са съответните уравнения в ендотермичната реакция? Както вече беше обяснено, ΔH трябва да бъде положителен. За да се изчисли, първо се разглежда следното химическо уравнение:

aA + bB => cC + dD

Където А и В са реагентите, а С и D са продуктите. Малките букви (a, b, c и d) са стехиометричните коефициенти. За да се изчисли ΔH на тази обща реакция, се прилага следният математически израз:

ΔH _{продукти} - ΔH _{реактиви} = ΔH _rxn

Можете да продължите директно или да направите изчисленията отделно. За _{продуктите} на ΔH трябва да се изчисли следната сума:

c ΔH _f C + d ΔH _f D

Където ΔH _f е енталпията на образуване на всяко вещество, участващо в реакцията. По конвенция веществата в най-стабилните си форми имат ΔH _f = 0. Например, молекули на О ₂ и Н ₂, или твърд метал, имат АН _е = 0.

Същото изчисление е направено за реактивите, ΔH _{реагенти}:

a ΔH _f A + b ΔH _f B

Но тъй като уравнението казва, че ΔH _{реагентите} трябва да бъдат извадени от ΔH _{продукти}, тогава горната сума трябва да се умножи по -1. Така че имате:

c ΔH _f C + d ΔH _f D - (a ΔH _f A + b ΔH _f B)

Ако резултатът от това изчисление е положително число, то това е ендотермична реакция. И ако е отрицателна, това е екзотермична реакция.

Примери за общи ендотермични реакции

Изпаряване на сух лед

Сух лед. Източник: Невит, от Wikimedia Commons

Всеки, който някога е виждал онези бели изпарения, произлизащи от количката за сладолед, е бил свидетел на един от най-често срещаните примери за ендотермична „реакция“.

Отвъд някои сладоледи, тези пари, отделяни от бели твърди частици, наречени сух лед, също са били част от сценариите за създаване на ефект на мъгла. Този сух лед не е нищо повече от твърд въглероден диоксид, който при абсорбиране на температура и външно налягане започва да се сублимира.

Експеримент за детска аудитория би бил да напълни и запечата торбичка със сух лед. След известно време той ще се надуе заради газообразния CO ₂, който генерира работа или притиска вътрешните стени на торбата срещу атмосферното налягане.

Печене на хляб или готвене на храна

Изпечен хляб. Източник: Pixabay

Печенето на хляб е пример за химическа реакция, тъй като сега има химически промени поради топлината. Всеки, който е усетил аромата на прясно изпечени хлябове, знае, че се проявява ендотермична реакция.

Тестото и всички негови съставки се нуждаят от топлината на фурната, за да извършат всички трансформации, които са от съществено значение да станат хляб и да покажат типичните му характеристики.

Освен хлябове кухнята е пълна с примери за ендотермични реакции. Който готви, се занимава с тях ежедневно. Готвене на паста, омекотяване на ядките, загряване на царевичните ядки, готвене на яйца, подправяне на месо, печене на торта, приготвяне на чай, загряване на сандвичи; всяка от тези дейности е ендотермични реакции.

Слънчеви бани

Костенурките получават слънчева баня. Източник: Pixabay

Колкото и прости и често срещани изглеждат, слънчевите бани, взети от определени влечуги, като костенурки и крокодили, попадат в категорията на ендотермичните реакции. Костенурките абсорбират топлината от слънцето, за да регулират телесната си температура.

Без слънце те задържат топлината на водата, за да се затоплят; което завършва с охлаждане на водата във вашите водоеми или резервоари за риба.

Реакция на атмосферния азот и образуването на озон

Светкавица. Източник: Pixabay

Въздухът се състои главно от азот и кислород. По време на гръмотевични бури, като се освобождава енергия, която може да прекъсне силни връзки, които държат азотните атоми заедно с N на ₂ молекула:

N ₂ + O ₂ + Q => 2NO

От друга страна, кислородът може да абсорбира ултравиолетовото лъчение, за да се превърне в озон; алотроп на кислород, който е много полезен за стратосферата, но вреден за живота на нивото на земята. Реакцията е:

3O ₂ + v => 2O ₃

Където v означава ултравиолетово лъчение. Механизмът зад това просто уравнение е много сложен.

Електролиза на водата

Електролизата използва електрическа енергия за разделяне на молекула в нейните образуващи елементи или молекули. Например, при електролиза на водата се генерират два газа: водород и кислород, всеки от които в различни електроди:

2H ₂ O => 2Н ₂ + O ₂

Също така, натриевият хлорид може да бъде подложен на същата реакция:

2NaCl => 2Na + Cl ₂

В единия електрод ще видите образуването на метален натрий, а в другия - зеленикави мехурчета хлор.

фотосинтеза

Растенията и дърветата трябва да абсорбират слънчевата светлина като енергиен запас, за да синтезират своите биоматериали. За това тя използва CO ₂ и вода като суровини, които чрез дълга серия от стъпки се превръщат в глюкоза и други захари. Освен това се образува кислород, който се отделя от листата.

Разтвори на някои соли

Ако натриевият хлорид се разтвори във вода, не се забелязва значителна промяна във външната температура на чашата или съда.

Някои соли, такива като калциев хлорид, калциев хлорид ₂, увеличаване на температурата на водата в резултат на големия хидратация на Са ²⁺ йони. И други соли, като амониев нитрат или хлорид, NH ₄ NO ₃ и NH ₄ Cl, понижават температурата на водата и охлаждат околната среда.

В класните стаи домашните експерименти често се правят чрез разтваряне на някои от тези соли, за да се демонстрира каква е ендотермична реакция.

Спадът на температурата се дължи на факта, че хидратацията на NH ₄ ⁺ йони не е благоприятна срещу разтварянето на кристалните композиции на техните соли. Следователно солите абсорбират топлината от водата, за да позволят йоните да се разтварят.

Друга химическа реакция, която обикновено се доказва, е следната:

Ba (OH) ₂ 8H ₂ O + 2NH ₄ NO ₃ => Ba (NO ₃) ₂ + 2NH ₃ + 10H ₂ O

Обърнете внимание на количеството образувана вода. Когато и двете твърди вещества се смесват, се получава воден разтвор на Ba (NO ₃) ₂ с миризма на амоняк и с спад на температурата, така че буквално замръзва външната повърхност на съда.

Термични разлагания

Една от най-често срещаните термични разлагания е тази на натриев бикарбонат, NaHCO ₃, за получаване на CO ₂ и вода при нагряване. Много вещества, включително карбонати, често разграждат до CO освобождаване ₂ и съответния оксид. Например, разграждането на калциев карбонат е, както следва:

CaCO ₃ + Q => CaO + CO ₂

Същото важи и за магнезиевите, стронциевите и бариевите карбонати.

Важно е да се отбележи, че термичното разлагане е различно от горенето. В първия няма наличие на запалване или се отделя топлина, докато във втората има; тоест изгарянето е екзотермична реакция, дори когато изисква първоначален източник на топлина или да се случи спонтанно.

Амониев хлорид във вода

Когато малко количество амониев хлорид (NH4Cl) се разтвори във вода в епруветка, тръбата става по-студена от преди. По време на тази химическа реакция топлината се абсорбира от околната среда.

Натриев триосулфат

Когато кристали на натриев тиосулфат (Na ₂ S ₂ O ₃.5Н ₂ О), обикновено се нарича хипогликемия, се разтварят във вода, охлаждащ ефект настъпва.

Автомобилни двигатели

Изгарянето на бензин или дизел в автомобили, камиони, трактори или автобуси произвежда механична енергия, която се използва в циркулацията на тези превозни средства.

Кипящи течности

Поставяйки течност за загряване, тя печели енергия и преминава в газообразно състояние.

Сгответе яйце

Когато се прилага топлина, яйчните протеини се денатурират, образувайки твърдата структура, която обикновено се поглъща.

Готвене на храна

По принцип винаги, когато готвите с топлина, за да промените свойствата на храната, възникват ендотермични реакции.

Тези реакции са причината храната да стане по-мека, да генерира ковък маси, да освободи наред с други неща компонентите, които съдържат.

Загряване на храна в микровълновата

Поради микровълновото излъчване молекулите на водата в храната абсорбират енергия, започват да вибрират и повишават температурата на храната.

Формоване на стъкло

Поглъщането на топлина от стъклото прави ставите му гъвкави, което прави формата му по-лесна за промяна.

Консумация на свещ

Свещът восък се топи, като абсорбира топлината от пламъка, променя формата си.

Почистване с гореща вода

Когато използвате топла вода за почистване на предмети, които са били оцветени с мазнини, като саксии или дрехи, мазнината става по-тънка и се отстранява по-лесно.

Топлинна стерилизация на храни и други предмети

При нагряване на предмети или храна, микроорганизмите, които съдържат, също повишават температурата си.

Когато се подава много топлина, възникват реакции в микробните клетки. Много от тези реакции, като разрушаване на връзки или денатурация на протеини, в крайна сметка убиват микроорганизмите.

Борба с инфекциите с треска

Когато се появи треска, това е така, защото тялото произвежда топлината, необходима за убиване на бактериите и вирусите, които причиняват инфекции и причиняват заболяване.

Ако генерираната топлина е висока и треската е висока, клетките на тялото също са засегнати и съществува риск от смърт.

Изпаряване на водата

Когато водата се изпарява и се превръща в пара, това се дължи на топлината, която получава от околната среда. Тъй като топлинната енергия се получава от всяка водна молекула, нейната вибрационна енергия се увеличава до точката, в която може да се движи свободно, създавайки пара.

Препратки

1. Уитън, Дейвис, Пек и Стенли. (2008 г.). Химия. (8-мо изд.). CENGAGE Обучение.
2. Wikipedia. (2018). Ендотермичен процес. Възстановено от: en.wikipedia.org
3. Хелменстин, Ан Мари, доктор на науките (27 декември 2018 г.). Примери за ендотермична реакция. Възстановено от: thinkco.com
4. Академия Хан. (2019). Ендотермични vs. екзотермични реакции. Възстановено от: khanacademy.org
5. Серм Мърмсън. (2019). Какво се случва на молекулярно ниво по време на ендотермична реакция? Най-сърдечните медии в Сиатъл. Възстановени от: education.seattlepi.com
6. QuimiTube. (2013). Изчисляване на енталпията на реакцията от енталпиите на образуването. Възстановено от: quimitube.com
7. Quimicas.net (2018). Примери за ендотермична реакция. Възстановена от:

   quimicas.net.