ЭНДОТЕРМИЧЕСКАЯ РЕАКЦИЯ: ХАРАКТЕРИСТИКИ, УРАВНЕНИЯ И ПРИМЕРЫ - ХИМИЯ - 2025

Эндотермическая реакция является один , который пройдет должны поглощать энергию в виде тепла или излучений, от его окружения. Обычно, но не всегда, их можно распознать по понижению температуры в окружающей среде; или, наоборот, им нужен источник тепла, например, от горящего пламени.

Поглощение энергии или тепла - это то, что объединяет все эндотермические реакции; их природа, а также связанные с этим преобразования очень разнообразны. Сколько тепла они должны поглотить? Ответ зависит от его термодинамики: температуры, при которой реакция происходит самопроизвольно.

Тающий ледяной сталактит. Источник: Pixabay

Например, одна из самых характерных эндотермических реакций - это изменение состояния от льда до жидкой воды. Лед должен поглощать тепло, пока его температура не достигнет приблизительно 0ºC; при этой температуре его таяние становится самопроизвольным, и лед будет поглощать его, пока полностью не растает.

В жарких местах, например, на берегу пляжа, температура выше, поэтому лед быстрее поглощает тепло; то есть быстрее тает. Таяние ледников - пример нежелательной эндотермической реакции.

Почему так происходит? Почему лед не может выглядеть как горячее твердое тело? Ответ кроется в средней кинетической энергии молекул воды в обоих состояниях и в том, как они взаимодействуют друг с другом через водородные связи.

В жидкой воде ее молекулы обладают большей свободой движения, чем во льду, где они неподвижно колеблются в ее кристаллах. Чтобы двигаться, молекулы должны поглощать энергию таким образом, чтобы их колебания разрушали сильные направленные водородные связи во льду.

По этой причине лед поглощает тепло и тает. Для существования «горячего льда» водородные связи должны быть аномально прочными, чтобы плавиться при температуре значительно выше 0ºC.

Характеристики эндотермической реакции

Изменение состояния не является собственно химической реакцией; Однако происходит то же самое: продукт (жидкая вода) имеет более высокую энергию, чем реагент (лед). Это основная характеристика эндотермической реакции или процесса: продукты более энергичны, чем реагенты.

Хотя это правда, это не означает, что продукты обязательно должны быть нестабильными. В этом случае эндотермическая реакция перестает быть спонтанной при любых условиях температуры и давления.

Рассмотрим следующее химическое уравнение:

А + Q => В

Где Q представляет собой тепло, обычно выражаемое в джоулях (Дж) или калориях (кал). Поскольку A поглощает тепло Q для превращения в B, тогда говорят, что это эндотермическая реакция. Таким образом, B имеет больше энергии, чем A, и должен поглощать достаточно энергии, чтобы осуществить свое преобразование.

Диаграмма эндотермической реакции для A и B. Источник: Габриэль Боливар

Как видно на диаграмме выше, A имеет меньше энергии, чем B. Количество тепла Q, поглощаемого A, таково, что оно превышает энергию активации (энергия, необходимая для достижения пурпурной вершины вершины). Разница в энергии между A и B - это то, что известно как энтальпия реакции, ΔH.

ΔH> 0

Все эндотермические реакции имеют общую схему, указанную выше, поскольку продукты более энергичны, чем реагенты. Следовательно, разница в энергии между ними, ΔH, всегда положительна (H _Product -H _Reactive > 0). Поскольку это правда, для удовлетворения этой потребности в энергии должно происходить поглощение тепла или энергии из окружающей среды.

И как интерпретируются такие выражения? В химической реакции всегда разрываются связи, образуя новые. Чтобы сломать их, необходимо поглощение энергии; то есть это эндотермический этап. Между тем образование связей предполагает стабильность, поэтому это экзотермический этап.

Когда образующиеся связи не обеспечивают стабильности, сравнимой с количеством энергии, необходимой для разрыва старых связей, это эндотермическая реакция. Вот почему требуется дополнительная энергия, чтобы способствовать разрыву наиболее стабильных связей в реагентах.

С другой стороны, в экзотермических реакциях происходит обратное: выделяется тепло, и ΔH <1 (отрицательное значение). Здесь продукты более стабильны, чем реагенты, и диаграмма между A и B меняет форму; теперь B ниже A, а энергия активации ниже.

Они охлаждают свое окружение

Хотя это не относится ко всем эндотермическим реакциям, некоторые из них вызывают снижение температуры окружающей среды. Это потому, что поглощенное тепло откуда-то исходит. Следовательно, если преобразование A и B должно происходить внутри контейнера, он остынет.

Чем более эндотермична реакция, тем холоднее станет контейнер и его окружение. На самом деле, некоторые реакции могут даже образовывать тонкий слой льда, как если бы они вышли из холодильника.

Однако есть реакции такого типа, которые не охлаждают их окружение. Зачем? Потому что окружающего тепла недостаточно; то есть он не обеспечивает необходимого Q (J, cal), который записан в химических уравнениях. Следовательно, это когда попадает огонь или УФ-излучение.

Между двумя сценариями может возникнуть небольшая путаница. С одной стороны, тепла из окружающей среды достаточно, чтобы реакция протекала самопроизвольно, и наблюдается охлаждение; а с другой - требуется больше тепла и используется эффективный метод нагрева. В обоих случаях происходит одно и то же: энергия поглощается.

уравнения

Каковы соответствующие уравнения эндотермической реакции? Как уже объяснялось, ΔH должно быть положительным. Для его расчета сначала рассматривается следующее химическое уравнение:

aA + bB => cC + dD

Где A и B - реагенты, а C и D - продукты. Строчные буквы (a, b, c и d) - это стехиометрические коэффициенты. Для расчета ΔH этой общей реакции применяется следующее математическое выражение:

ΔH _{Продукты} - ΔH _{Реагенты} = ΔH _rxn

Вы можете действовать напрямую или производить расчеты отдельно. Для _{продуктов} ΔH необходимо рассчитать следующую сумму:

в ΔH _f C + d ΔH _f D

Где ΔH _f - энтальпия образования каждого вещества, участвующего в реакции. По соглашению, вещества в их наиболее стабильных формах имеют ΔH _f = 0. Например, молекулы O ₂ и H ₂ или твердого металла имеют ΔH _f = 0.

Тот же самый расчет теперь выполняется для реагентов, ΔH _Reagents :

а ΔH _f A + b ΔH _f B

Но поскольку уравнение гласит, что ΔH _{Реагенты} необходимо вычесть из ΔH _Products , то полученную выше сумму необходимо умножить на -1. Так что у тебя есть:

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

Если результат этого расчета - положительное число, то это эндотермическая реакция. А если он отрицательный, это экзотермическая реакция.

Примеры распространенных эндотермических реакций

Испарение сухого льда

Сухой лед. Источник: Невит, из Wikimedia Commons

Любой, кто когда-либо видел эти белые пары, исходящие из тележки с мороженым, был свидетелем одного из самых распространенных примеров эндотермической «реакции».

Помимо мороженого, эти пары, выделяемые из твердых частиц белого цвета, называемые сухим льдом, также были частью сценариев создания эффекта дымки. Этот сухой лед - не что иное, как твердый углекислый газ, который при поглощении температуры и внешнего давления начинает сублимироваться.

Эксперимент для детской аудитории - наполнить и запечатать пакет сухим льдом. Через некоторое время он надувается из-за газообразного CO ₂ , который создает работу или давит на внутренние стенки мешка против атмосферного давления.

Выпечка хлеба или приготовление еды

Запеченный хлеб. Источник: Pixabay

Выпечка хлеба - это пример химической реакции, поскольку сейчас происходят химические изменения из-за тепла. Любой, кто почувствовал аромат свежеиспеченного хлеба, знает, что происходит эндотермическая реакция.

Тесто и все его ингредиенты нуждаются в тепле духовки для выполнения всех преобразований, необходимых для превращения в хлеб и демонстрации его типичных характеристик.

Помимо хлеба, на кухне полно примеров эндотермических реакций. Тот, кто готовит, занимается с ними ежедневно. Приготовление макарон, размягчение зерен, нагревание зерен кукурузы, приготовление яиц, заправка мяса, выпечка торта, заваривание чая, нагревание бутербродов; каждая из этих активностей представляет собой эндотермические реакции.

Солнечные ванны

Черепахи принимают солнечные ванны. Источник: Pixabay

Какими бы простыми и обычными они ни казались, солнечные ванны, принимаемые некоторыми рептилиями, такими как черепахи и крокодилы, относятся к категории эндотермических реакций. Черепахи поглощают тепло солнца, чтобы регулировать температуру своего тела.

Без солнца они сохраняют тепло воды, чтобы согреться; что заканчивается охлаждением воды в ваших прудах или аквариумах.

Реакция образования атмосферного азота и озона

Lightning. Источник: Pixabay

Воздух в основном состоит из азота и кислорода. Во время грозы выделяется такая энергия, что она может разорвать сильные связи, удерживающие атомы азота вместе в молекуле N ₂ :

N ₂ + O ₂ + Q => 2 НЕТ

С другой стороны, кислород может поглощать ультрафиолетовое излучение и превращаться в озон; аллотроп кислорода, который очень полезен в стратосфере, но губителен для жизни на уровне земли. Реакция такая:

3O ₂ + v => 2O ₃

Где v означает ультрафиолетовое излучение. Механизм этого простого уравнения очень сложен.

Электролиз воды

Электролиз использует электрическую энергию для разделения молекулы на формирующие элементы или молекулы. Например, при электролизе воды образуются два газа: водород и кислород, каждый на разных электродах:

2H ₂ O => 2H ₂ + O ₂

Также хлорид натрия может подвергаться такой же реакции:

2NaCl => 2Na + Cl ₂

В одном электроде вы увидите образование металлического натрия, а в другом - зеленоватые пузырьки хлора.

фотосинтез

Растения и деревья должны поглощать солнечный свет в качестве источника энергии для синтеза своих биоматериалов. Для этого он использует CO ₂ и воду в качестве сырья , которые в результате долгой серии этапов превращаются в глюкозу и другие сахара. Кроме того, образуется кислород, который выделяется из листьев.

Растворы некоторых солей

Если хлорид натрия растворен в воде, не будет заметных изменений внешней температуры стакана или емкости.

Некоторые соли, такие как хлорид кальция CaCl ₂ , повышают температуру воды в результате большой гидратации ионов Ca ²⁺ . А другие соли, такие как нитрат или хлорид аммония, NH ₄ NO ₃ и NH ₄ Cl, понижают температуру воды и охлаждают окружающую среду.

В классных комнатах домашние эксперименты часто проводятся с растворением некоторых из этих солей, чтобы продемонстрировать, что такое эндотермическая реакция.

Снижение температуры связано с тем, что гидратация ионов NH ₄ ⁺ не способствует растворению кристаллических структур их солей. Следовательно, соли поглощают тепло воды, позволяя ионам сольватироваться.

Другая химическая реакция, которая обычно очень часто демонстрирует это, заключается в следующем:

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

Обратите внимание на количество образовавшейся воды. Когда оба твердых вещества смешиваются, получается водный раствор Ba (NO ₃ ) ₂ с запахом аммиака и с понижением температуры, так что он буквально замораживает внешнюю поверхность контейнера.

Термическое разложение

Одним из наиболее распространенных способов термического разложения является разложение бикарбоната натрия, NaHCO ₃ , с образованием CO ₂ и воды при нагревании. Многие твердые вещества, включая карбонаты, часто распадаются с выделением CO ₂ и соответствующего оксида. Например, разложение карбоната кальция происходит следующим образом:

CaCO ₃ + Q => CaO + CO ₂

То же самое и с карбонатами магния, стронция и бария.

Важно отметить, что термическое разложение отличается от горения. В первом отсутствует возгорание или выделяется тепло, а во втором - нет; то есть горение является экзотермической реакцией, даже если для этого требуется первоначальный источник тепла или оно происходит спонтанно.

Хлорид аммония в воде

Когда небольшое количество хлорида аммония (NH4Cl) растворяется в воде в пробирке, пробирка становится холоднее, чем раньше. Во время этой химической реакции из окружающей среды поглощается тепло.

Триосульфат натрия

Когда кристаллы тиосульфата натрия (Na ₂ S ₂ O ₃ · 5H ₂ O), обычно называемые гипо, растворяются в воде, возникает охлаждающий эффект.

Автомобильные двигатели

При сжигании бензина или дизельного топлива в двигателях автомобилей, грузовиков, тракторов или автобусов образуется механическая энергия, которая используется в движении этих транспортных средств.

Кипящие жидкости

Нагревая жидкость, она получает энергию и переходит в газообразное состояние.

Приготовить яйцо

При нагревании яичные белки денатурируются, образуя твердую структуру, которая обычно попадает в организм.

Приготовление еды

Как правило, всегда при приготовлении с использованием тепла для изменения свойств пищи происходят эндотермические реакции.

Эти реакции являются причиной того, что пища становится мягче, образует пластичные массы, высвобождает содержащиеся в ней компоненты, среди прочего.

Разогрев пищи в микроволновке

Из-за микроволнового излучения молекулы воды в пище поглощают энергию, начинают вибрировать и повышают температуру пищи.

Стеклянный багет

Поглощение тепла стеклом делает его стыки гибкими, что облегчает изменение формы.

Расход свечи

Свечной воск плавится, поглощая тепло пламени, изменяя свою форму.

Очистка горячей водой

При использовании горячей воды для очистки загрязненных жиром предметов, например, кастрюль или одежды, жир становится тоньше, и его легче удалить.

Тепловая стерилизация пищевых продуктов и других предметов

При нагревании предметов или пищи содержащиеся в них микроорганизмы также повышают свою температуру.

Когда поступает много тепла, внутри микробных клеток происходят реакции. Многие из этих реакций, такие как разрыв связей или денатурация белков, в конечном итоге убивают микроорганизмы.

Борьба с инфекциями с помощью лихорадки

Когда возникает лихорадка, это происходит потому, что тело производит тепло, необходимое для уничтожения бактерий и вирусов, вызывающих инфекции и болезни.

Если выделяется большое количество тепла и высокая температура, это также влияет на клетки тела и существует риск смерти.

Испарение воды

Когда вода испаряется и превращается в пар, это происходит из-за тепла, которое она получает из окружающей среды. По мере того как каждая молекула воды получает тепловую энергию, ее энергия колебаний увеличивается до точки, при которой она может свободно перемещаться, создавая пар.

Ссылки

1. Уиттен, Дэвис, Пек и Стэнли. (2008). Химия. (8-е изд.). CENGAGE Обучение.
2. Wikipedia. (2018). Эндотермический процесс. Получено с: en.wikipedia.org
3. Хельменстин, Энн Мари, доктор философии. (27 декабря 2018 г.). Примеры эндотермических реакций. Получено с: thinkco.com
4. Ханская академия. (2019). Эндотермический vs. экзотермические реакции. Получено с: khanacademy.org
5. Serm Murmson. (2019). Что происходит на молекулярном уровне при эндотермической реакции? Херст Сиэтл Медиа. Получено с: education.seattlepi.com
6. QuimiTube. (2013). Расчет энтальпии реакции из энтальпий образования. Получено с: quimitube.com
7. Quimicas.net (2018). Примеры эндотермической реакции.
   Получено с: quimicas.net.