ЕНДОТЕРМІЧНА РЕАКЦІЯ: ХАРАКТЕРИСТИКИ, РІВНЯННЯ ТА ПРИКЛАДИ - ХІМІЯ - 2025

Ендотермічна реакція є один , який пройде повинні поглинати енергію у вигляді тепла або випромінювань, від його оточення. Взагалі, але не завжди їх можна розпізнати за зниженням температури в їх оточенні; або навпаки, їм потрібне джерело тепла, таке як отримане палаючим полум'ям.

Поглинання енергії або тепла - це те, що є у всіх ендотермічних реакцій; їхня природа, а також перетворення, що беруть участь, дуже різноманітні. Скільки тепла вони повинні поглинати? Відповідь залежить від його термодинаміки: температури, при якій реакція відбувається спонтанно.

Танення льодового сталактиту. Джерело: Піксабай

Наприклад, одна з найбільш емблематичних ендотермічних реакцій - це зміна стану з льоду на рідку воду. Лід повинен поглинати тепло, поки його температура не досягне приблизно 0 ° C; при цій температурі його плавлення стає мимовільним, а лід поглинається до повного розплавлення.

У жарких приміщеннях, таких як на березі пляжу, температура вище, і тому лід швидше поглинає тепло; тобто тане швидше. Танення льодовиків - приклад небажаної ендотермічної реакції.

Чому це відбувається саме так? Чому лід не може здаватися гарячим твердим? Відповідь полягає в середній кінетичній енергії молекул води в обох станах і в тому, як вони взаємодіють між собою через свої водневі зв’язки.

У рідкій воді її молекули мають більшу свободу руху, ніж у льоду, де вони вібрують нерухомо у своїх кристалах. Щоб рухатись, молекули повинні поглинати енергію таким чином, щоб їх вібрації розірвали сильні спрямовані водневі зв’язки в льоду.

З цієї причини лід поглинає тепло для танення. Для існування «гарячого льоду» водневі зв’язки повинні були бути аномально міцними, щоб плавитись при температурі значно вище 0 ° C.

Характеристика ендотермічної реакції

Зміна стану не є належним чином хімічною реакцією; Однак відбувається те ж саме: продукт (рідка вода) має більшу енергію, ніж реагент (лід). Це основна характеристика ендотермічної реакції чи процесу: продукти більш енергійні, ніж реагенти.

Хоча це правда, це не означає, що продукція обов'язково повинна бути нестабільною. У разі, якщо вона є, ендотермічна реакція перестає бути спонтанною при будь-яких умовах температури чи тиску.

Розглянемо наступне хімічне рівняння:

A + Q => B

Де Q являє тепло, зазвичай виражається в одиницях джоуля (J) або калорій (кал). Оскільки A поглинає тепло Q, щоб перетворитись у B, тоді сказано, що це ендотермічна реакція. Таким чином, В має більше енергії, ніж А, і повинен поглинати достатню кількість енергії для досягнення своєї трансформації.

Ендотермічна діаграма реакцій для A і B. Джерело: Габріель Болівар

Як видно з діаграми вище, A має менше енергії, ніж B. Кількість тепла Q, що поглинається A, така, що вона долає енергію активації (енергію, необхідну для досягнення фіолетової пунктирної вершини). Різниця в енергії між А і В - це відома як ентальпія реакції, ΔH.

ΔH> 0

Усі ендотермічні реакції мають спільну схему, оскільки продукти більш енергетичні, ніж реагенти. Тому різниця енергії між ними, ΔH, завжди позитивна (H _{Продукт} -H _{Реактивний} > 0). Оскільки це правда, для забезпечення цієї потреби в енергії повинно бути поглинання тепла або енергії з навколишнього середовища.

І як трактуються такі вирази? При хімічній реакції зв’язки завжди розриваються, щоб створити нові. Для їх розриву необхідне поглинання енергії; тобто це ендотермічний крок. Тим часом утворення зв’язків передбачає стабільність, тому це екзотермічний крок.

Коли утворені зв’язки не забезпечують стабільності, порівнянного з кількістю енергії, необхідної для розриву старих зв’язків, це ендотермічна реакція. Ось чому потрібна додаткова енергія для сприяння розриву найстабільніших зв’язків в реактивах.

З іншого боку, в екзотермічних реакціях відбувається навпаки: виділяється тепло, а ΔH - <1 (негативний). Тут продукти більш стійкі, ніж реагенти, і діаграма між А і В змінює форму; тепер B нижче А, а енергія активації нижча.

Вони охолоджують своє оточення

Хоча це не стосується всіх ендотермічних реакцій, деякі з них викликають зниження температури їх оточення. Це тому, що поглинене тепло звідкись надходить. Отже, якби перетворення A і B відбулося всередині контейнера, воно охолоне.

Чим ендотермічніша реакція, тим холоднішим стане контейнер та його оточення. Насправді деякі реакції навіть здатні утворювати тонкий шар льоду, ніби вони вийшли з холодильника.

Однак є реакції такого типу, які не охолоджують оточення. Чому? Тому що навколишнє тепло недостатнє; тобто він не забезпечує необхідного Q (J, cal), записаного в хімічних рівняннях. Тому це коли потрапляє вогонь чи УФ-випромінювання.

Між двома сценаріями може виникнути невелика плутанина. З одного боку, тепла з навколишнього середовища достатньо, щоб реакція протікала спонтанно, і спостерігається охолодження; з іншого, потрібно більше тепла і застосовується ефективний метод нагріву. В обох випадках відбувається одне і те ж: енергія поглинається.

Рівняння

Які відповідні рівняння в ендотермічній реакції? Як уже було пояснено, ΔH повинен бути позитивним. Для його обчислення спочатку розглядається наступне хімічне рівняння:

aA + bB => cC + dD

Де A і B - реактиви, а C і D - продукти. Малі літери (a, b, c і d) - це стехіометричні коефіцієнти. Для обчислення ΔH цієї родової реакції застосовується такий математичний вираз:

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

Можна приступати безпосередньо, або робити розрахунки окремо. Для _{продуктів} ΔH слід обчислити наступну суму:

c ΔH _f C + d ΔH _f D

Де ΔH _f - ентальпія утворення кожної речовини, що бере участь у реакції. За умовою, речовини у своїх найбільш стійких формах мають ΔH _f = 0. Наприклад, молекули O ₂ і H ₂ або твердого металу мають ΔH _f = 0.

Такий самий розрахунок робимо для реагентів, ΔH _{реагентів} :

a ΔH _f A + b ΔH _f B

Але оскільки рівняння говорить про те, що ΔH _{реагенти} необхідно відняти від _{продуктів} ΔH , то вищевказану суму треба помножити на -1. Отже, у вас є:

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

Якщо результат цього розрахунку є додатним числом, то це ендотермічна реакція. А якщо це негативно, це екзотермічна реакція.

Приклади поширених ендотермічних реакцій

Випаровування сухого льоду

Сухий лід. Джерело: Невіт, з Вікісховища

Кожен, хто коли-небудь бачив ті білі дими, що випливали з кошика з морозивом, став свідком одного з найпоширеніших прикладів ендотермічної "реакції".

Крім деяких морожених, ці пари, що виділяються з білого твердого речовини, називаються сухим льодом, також були частиною сценаріїв створення ефекту імлі. Цей сухий лід - це не що інше, як твердий вуглекислий газ, який при поглинанні температури і зовнішнього тиску починає сублімуватися.

Експериментом для дитячої аудиторії було б заповнити і запечатати мішок сухим льодом. Через деякий час він закінчиться надуванням завдяки газоподібному СО ₂ , який створює роботу або притискає внутрішні стінки мішка до атмосферного тиску.

Випікання хліба або приготування їжі

Запечений хліб. Джерело: Піксабай

Випікання хліба - приклад хімічної реакції, оскільки зараз відбуваються хімічні зміни через спеку. Кожен, хто відчув запах свіжоспеченого хліба, знає, що відбувається ендотермічна реакція.

Тісто та всі його інгредієнти потребують тепла духовки, щоб здійснити всі перетворення, необхідні для того, щоб стати хлібом і проявити його типові характеристики.

Окрім хліба, кухня повна прикладів ендотермічних реакцій. Хто готує, той займається ними щодня. Готування макаронних виробів, пом’якшення ядер, нагрівання кукурудзяних ядер, приготування яєць, приправа до м'яса, випікання торта, приготування чаю, нагрівання бутербродів; кожна з цих видів діяльності є ендотермічними реакціями.

Засмагати

Черепахи отримують сонячну ванну. Джерело: Піксабай

Настільки ж простими і поширеними, як здається, сонячні ванни, прийняті певними рептиліями, такими як черепахи і крокодили, підпадають під категорію ендотермічних реакцій. Черепахи поглинають тепло від сонця для регулювання температури тіла.

Без сонця вони зберігають тепло води, щоб зберегти тепло; який закінчується охолодженням води у ваших водоймах або рибних резервуарах.

Реакція атмосферного азоту та озоноутворення

Блискавка. Джерело: Піксабай

Повітря в основному складається з азоту та кисню. Під час штормів виділяється така енергія, що може розірвати міцні зв’язки, які утримують атоми азоту разом у молекулі N ₂ :

N ₂ + O ₂ + Q => 2NO

З іншого боку, кисень може поглинати ультрафіолетове випромінювання, щоб стати озоном; аллотроп кисню, який дуже корисний у стратосфері, але згубний для життя на рівні землі. Реакція така:

3O ₂ + v => 2O ₃

Де v означає ультрафіолетове випромінювання. Механізм, що стоїть за цим простим рівнянням, дуже складний.

Електроліз води

Електроліз використовує електричну енергію для поділу молекули на її утворюючі елементи або молекули. Наприклад, при електролізі води утворюються два гази: водень і кисень, кожен в різних електродах:

2H ₂ O => 2H ₂ + O ₂

Також така ж реакція може зазнати хлорид натрію:

2NaCl => 2Na + Cl ₂

В одному електроді ви побачите утворення металевого натрію, а в іншому - зеленуваті бульбашки хлору.

Фотосинтез

Рослини та дерева повинні поглинати сонячне світло як енергозабезпечення для синтезу їх біоматеріалів. Для цього в якості сировини використовується СО ₂ і вода, які через довгу серію етапів перетворюються на глюкозу та інші цукру. Крім того, утворюється кисень, який виділяється з листя.

Розчини деяких солей

Якщо хлорид натрію розчиняється у воді, помітна зміна у зовнішній температурі скла чи ємності не помічається.

Деякі солі, такі як хлорид кальцію, CaCl ₂ , підвищують температуру води внаслідок великої гідратації іонів Са ²⁺ . А інші солі, такі як аміачна селітра або хлорид, NH ₄ NO ₃ та NH ₄ Cl, знижують температуру води та охолоджують її оточення.

У класах домашні експерименти часто роблять шляхом розчинення деяких із цих солей, щоб продемонструвати, що таке ендотермічна реакція.

Падіння температури пов'язане з тим, що гідратація іонів NH ₄ ⁺ не сприяє розчиненню кристалічних композицій їх солей. Отже, солі поглинають тепло з води, щоб іони могли сольватироваться.

Іншою хімічною реакцією, яка зазвичай є такою, є це:

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

Зверніть увагу на кількість утвореної води. Коли обидва тверді речовини змішуються, отримують водний розчин Ba (NO ₃ ) ₂ з запахом аміаку і при падінні температури, що дозволяє буквально замерзати зовнішню поверхню ємності.

Теплові розкладання

Один з найпоширеніших термічних розпадів - це бікарбонат натрію, NaHCO ₃ , для отримання СО ₂ та води при нагріванні. Багато твердих речовин, включаючи карбонати, часто руйнуються, вивільняючи СО ₂ та відповідний оксид. Наприклад, розкладання карбонату кальцію відбувається таким чином:

CaCO ₃ + Q => CaO + CO ₂

Те саме стосується карбонатів магнію, стронцію та барію.

Важливо зазначити, що термічне розкладання відрізняється від горіння. У першому немає запалення або виділяється тепло, тоді як у другому -; тобто горіння - це екзотермічна реакція, навіть коли вона вимагає, щоб початкове джерело тепла мало місце або відбулося спонтанно.

Хлорид амонію у воді

Коли невелика кількість хлориду амонію (NH4Cl) розчиняється у воді в пробірці, пробірка стає холоднішою, ніж раніше. Під час цієї хімічної реакції тепло поглинається з навколишнього середовища.

Тріосульфат натрію

Коли кристали тиосульфату натрію (Na ₂ S ₂ O ₃ .5H ₂ O), які зазвичай називають гіпо, розчиняються у воді, виникає охолоджуючий ефект.

Автомобільні двигуни

Спалювання бензину або дизеля в двигунах автомобілів, вантажних автомобілів, тракторів або автобусів виробляє механічну енергію, яка використовується в обігу цих транспортних засобів.

Киплячі рідини

Подаючи рідину для нагрівання, вона набирає енергію і переходить у газоподібний стан.

Зварити яйце

При подачі тепла яєчні білки денатуруються, утворюючи тверду структуру, яка зазвичай приймається.

Приготування їжі

Взагалі завжди при готуванні з теплом для зміни властивостей їжі виникають ендотермічні реакції.

Ці реакції є причиною того, що їжа стає більш м'якою, породжує ковкі маси, вивільняє компоненти, які вони містять, серед іншого.

Нагрівання їжі в мікрохвильовій печі

Завдяки мікрохвильовому випромінюванню молекули води в їжі поглинають енергію, починають вібрувати і підвищувати температуру їжі.

Формування скла

Поглинання тепла склом робить його суглоби гнучкими, що робить його форму легшою для зміни.

Споживання свічки

Свічковий віск плавиться, поглинаючи тепло полум'я, змінюючи свою форму.

Очищення гарячої води

Під час використання гарячої води для очищення предметів, які були забруднені жиром, наприклад горщики або одяг, жир стає тоншим і його легше видаляти.

Теплова стерилізація харчових та інших предметів

При нагріванні предметів чи їжі мікроорганізми, які вони містять, також підвищують свою температуру.

Коли подається багато тепла, виникають реакції всередині мікробних клітин. Багато з цих реакцій, такі як розрив зв'язків або денатурація білків, в кінцевому підсумку вбивають мікроорганізми.

Боротьба з інфекцією з лихоманкою

Коли виникає лихоманка, це тому, що організм виробляє тепло, необхідне для вбивства бактерій та вірусів, які викликають інфекції та викликають захворювання.

Якщо вироблене тепло високе, а температура лихоманка висока, клітини організму також уражаються і є ризик смерті.

Випаровування води

Коли вода випаровується і перетворюється на пару, це відбувається через тепло, яке вона отримує з навколишнього середовища. Оскільки теплову енергію отримує кожна молекула води, її енергія вібрації збільшується до тієї точки, де вона може вільно рухатися, створюючи пар.

Список літератури

1. Віттен, Девіс, Пек і Стенлі. (2008). Хімія. (8-е видання). CENGAGE Навчання.
2. Вікіпедія. (2018). Ендотермічний процес. Відновлено з: en.wikipedia.org
3. Гельменстін, Анна Марі, к.т.н. (27 грудня 2018 р.). Приклади ендотермічної реакції. Відновлено з: thinkco.com
4. Академія хана. (2019). Ендотермічний vs. екзотермічні реакції. Відновлено з: khanacademy.org
5. Сироватка Мермсон. (2019). Що відбувається на молекулярному рівні під час ендотермічної реакції? Найсерйозніші медіа в Сіетлі. Відновлено з: education.seattlepi.com
6. QuimiTube. (2013). Розрахунок ентальпії реакції від ентальпій пласта. Відновлено з: quimitube.com
7. Quimicas.net (2018). Приклади ендотермічної реакції. Відновлено:
   quimicas.net.