ENDOTERMICKÁ REAKCE: CHARAKTERISTIKA, ROVNICE A PŘÍKLADY - CHEMIE - 2025

Endotermní reakce je taková, která se uskuteční musí absorbovat energii ve formě tepla nebo záření z okolí. Obecně, ale ne vždy, mohou být rozpoznány poklesem teploty v jejich okolí; nebo naopak potřebují zdroj tepla, jako je zdroj tepla hořícího plamene.

Absorpce energie nebo tepla je to, co mají všechny endotermické reakce společného; jejich povaha i transformace jsou velmi rozmanité. Kolik tepla by měli absorbovat? Odpověď závisí na jeho termodynamice: teplotě, při které reakce probíhá spontánně.

Tající ledová stalaktit. Zdroj: Pixabay

Například jednou z nejznámějších endotermických reakcí je změna stavu z ledu na tekutou vodu. Led potřebuje absorbovat teplo, dokud jeho teplota nedosáhne přibližně 0 ° C; při této teplotě se jeho tavení spontánní a led absorbuje, dokud se úplně neroztaví.

V horkých prostorech, například na pobřeží, jsou teploty vyšší, a proto led absorbuje teplo rychleji; to znamená, že taje rychleji. Tavení ledovců je příkladem nežádoucí endotermické reakce.

Proč se to tak stává? Proč nemůže led vypadat jako horká pevná látka? Odpověď spočívá v průměrné kinetické energii molekul vody v obou státech a v tom, jak spolu komunikují prostřednictvím vodíkových vazeb.

V kapalné vodě mají její molekuly větší volnost pohybu než v ledu, kde v jeho krystalech vibrují stacionárně. Aby se molekuly pohybovaly, musí absorbovat energii takovým způsobem, aby jejich vibrace přerušily silné směrové vodíkové vazby v ledu.

Z tohoto důvodu, led absorbuje teplo k tání. Aby existoval „horký led“, musely by být vodíkové vazby abnormálně silné, aby se roztavily při teplotě výrazně nad 0 ° C.

Charakteristika endotermické reakce

Změna stavu není správně chemická reakce; Totéž se však stane: produkt (tekutá voda) má vyšší energii než reakční složka (led). Toto je hlavní charakteristika endotermické reakce nebo procesu: produkty jsou energetičtější než reakční složky.

I když je to pravda, neznamená to, že výrobky musí být nutně nestabilní. V takovém případě endotermická reakce přestane být spontánní za všech podmínek teploty nebo tlaku.

Zvažte následující chemickou rovnici:

A + Q => B

Kde Q představuje teplo, obvykle vyjádřeno v jednotkách joulu (J) nebo kalorií (cal). Když A absorbuje teplo Q a přeměňuje se na B, pak se říká, že se jedná o endotermickou reakci. B má tedy více energie než A a musí absorbovat dostatek energie k dosažení své transformace.

Endotermický reakční diagram pro A a B. Zdroj: Gabriel Bolívar

Jak je vidět na obrázku výše, A má méně energie než B. Množství tepla Q absorbovaného A je takové, že překonává aktivační energii (energii potřebnou k dosažení vrcholu fialové špičky). Rozdíl v energii mezi A a B je to, co je známé jako entalpie reakce, AH.

ΔH> 0

Všechny endotermické reakce mají výše uvedený diagram společný, protože produkty jsou energetičtější než reakční složky. Proto je energetický rozdíl mezi nimi, AH, vždy kladný (H _produkt -H _reaktivní > 0). Protože je to pravda, musí existovat absorpce tepla nebo energie z okolí, aby bylo možné tuto potřebu energie zásobit.

A jak jsou tyto výrazy interpretovány? Při chemické reakci jsou vazby vždy přerušeny, aby se vytvořily nové. Pro jejich rozbití je nezbytná absorpce energie; to znamená, že je to endotermický krok. Mezitím, vytvoření svazků znamená stabilitu, takže je to exotermický krok.

Pokud vytvořené vazby nezajišťují stabilitu srovnatelnou s množstvím energie potřebné k rozbití starých vazeb, jedná se o endotermickou reakci. To je důvod, proč je zapotřebí další energie, aby se podpořilo rozbití nejstabilnějších vazeb v reakčních složkách.

Na druhé straně v exotermických reakcích nastává opak: uvolňuje se teplo a AH je <1 (negativní). Zde jsou produkty stabilnější než reakční složky a diagram mezi A a B mění tvar; nyní B je pod A a aktivační energie je nižší.

Ochlazují své okolí

Ačkoli to neplatí pro všechny endotermické reakce, některé z nich způsobují snížení teploty jejich okolí. Je to proto, že absorbované teplo pochází někde. Pokud by tedy k přeměně A a B došlo uvnitř nádoby, ochladilo by se.

Čím endotermičtější je reakce, tím chladnější bude kontejner a jeho okolí. Ve skutečnosti jsou některé reakce dokonce schopné vytvořit tenkou vrstvu ledu, jako by vyšly z ledničky.

Existují však reakce tohoto typu, které neochladí jejich okolí. Proč? Protože okolní teplo je nedostatečné; to znamená, že neposkytuje potřebné Q (J, cal), které je zapsáno v chemických rovnicích. Proto je to, když vstoupí oheň nebo UV záření.

Mezi těmito dvěma scénáři může dojít ke zmatku. Na jedné straně je dostatečné teplo z okolí, aby reakce probíhala spontánně a bylo pozorováno chlazení; a na druhé straně je potřeba více tepla a používá se účinná metoda zahřívání. V obou případech se stane totéž: absorbuje se energie.

Rovnice

Jaké jsou relevantní rovnice v endotermické reakci? Jak již bylo vysvětleno, ΔH musí být pozitivní. Pro jeho výpočet se nejprve zváží následující chemická rovnice:

aA + bB => cC + dD

Kde A a B jsou reaktanty a C a D jsou produkty. Malá písmena (a, b, cad) jsou stechiometrické koeficienty. Pro výpočet ΔH této generické reakce se použije následující matematický výraz:

AH _produkty - AH _činidla = AH _rxn

Můžete postupovat přímo, nebo provádět výpočty samostatně. U _produktů ΔH se musí vypočítat tato částka:

c AH _f c + d AH _f D

Kde ΔH _f je entalpie tvorby každé látky zapojené do reakce. Obvykle mají látky ve svých nejstabilnějších formách ΔH _f = 0. Například, molekuly O ₂ a H ₂, nebo pevného kovu, mají AH _f = 0.

Stejný výpočet se nyní provádí pro reaktanty, ΔH _Reagenty:

AH _f a + b AH _f B

Ale protože rovnice říká, že ΔH _Činidla musí být odečtena od ΔH _produktů, musí být výše uvedená suma vynásobena -1. Takže máš:

c AH _f c + d AH _f D - (a AH _f a + b AH _f B)

Pokud je výsledkem tohoto výpočtu kladné číslo, jedná se o endotermickou reakci. A pokud je negativní, jedná se o exotermickou reakci.

Příklady běžných endotermických reakcí

Odpařování suchým ledem

Suchý led. Zdroj: Nevit, z Wikimedia Commons

Každý, kdo kdy viděl ty bílé dýmy vycházející z vozu na zmrzlinu, byl svědkem jednoho z nejčastějších příkladů endotermické „reakce“.

Kromě některých zmrzlin jsou tyto výpary uvolňované z bílých pevných látek zvané suchý led také součástí scénářů, které vytvářejí efekt zákalu. Tento suchý led není ničím jiným než pevným oxidem uhličitým, který se při absorpci teploty a vnějšího tlaku začíná sublimovat.

Experimentem pro dětské publikum by bylo naplnění a uzavření pytle suchým ledem. Po nějaké době, kdy to skončí nafukování v důsledku plynného CO ₂, který vytváří práci nebo tlačí vnitřní stěny vaku proti atmosférickému tlaku.

Pečení chleba nebo vaření jídla

Pečený chléb. Zdroj: Pixabay

Pečení chleba je příklad chemické reakce, protože nyní dochází k chemickým změnám v důsledku tepla. Každý, kdo ucítil vůni čerstvě upečeného chleba, ví, že dochází k endotermické reakci.

Těsto a všechny jeho ingredience potřebují teplo pece, aby provedly všechny transformace, nezbytné k tomu, aby se z něj stal chléb a projevovaly jeho typické vlastnosti.

V kuchyni je kromě chleba také řada endotermických reakcí. Kdokoli s nimi vaří každý den. Vaření těstovin, změkčování jader, zahřívání kukuřičných jader, vaření vajec, kořenícího masa, pečení dortu, vaření čaje, ohřívání sendvičů; každá z těchto aktivit je endotermická reakce.

Opalování

Želvy dostat sluneční lázeň. Zdroj: Pixabay

Jak jednoduché a běžné, jak se mohou zdát, opalovací slunci přijatí určitými plazy, jako jsou želvy a krokodýli, spadají do kategorie endotermických reakcí. Želvy absorbují teplo ze slunce a regulují teplotu těla.

Bez slunce si udržují teplo vody, aby se udržely v teple; což končí ochlazováním vody v rybnících nebo akváriích.

Reakce tvorby atmosférického dusíku a ozonu

Blesk. Zdroj: Pixabay

Vzduch je tvořen hlavně dusíkem a kyslíkem. Během bouřky, jako se uvolňuje energie, že se může porušit pevné vazby, které drží atomy dusíku spolu v N ₂ molekuly:

N ₂ + O ₂ + Q => 2NO

Na druhé straně kyslík může absorbovat ultrafialové záření, aby se stal ozonem; allotrope kyslíku, který je ve stratosféře velmi prospěšný, ale poškozuje život na úrovni země. Reakce je:

3O ₂ + v => 2 O ₃

Kde v znamená ultrafialové záření. Mechanismus této jednoduché rovnice je velmi složitý.

Elektrolýza vody

Elektrolýza používá elektrickou energii k oddělení molekuly na její formující prvky nebo molekuly. Například při elektrolýze vody vznikají dva plyny: vodík a kyslík, každý z nich v různých elektrodách:

2H ₂ O => 2 H ₂ + O ₂

Stejnou reakci může také podstoupit chlorid sodný:

2NaCl => 2Na + Cl ₂

Na jedné elektrodě uvidíte tvorbu kovového sodíku a na druhé zelenavé bubliny chloru.

Fotosyntéza

Rostliny a stromy musí absorbovat sluneční světlo jako zdroj energie, aby syntetizovaly své biomateriály. K tomuto účelu používá CO ₂ a vodu jako suroviny, které se prostřednictvím dlouhé řady kroků přeměňují na glukózu a další cukry. Kromě toho se vytváří kyslík, který se uvolňuje z listů.

Roztoky některých solí

Pokud je chlorid sodný rozpuštěn ve vodě, nezaznamená se žádná znatelná změna vnější teploty skla nebo nádoby.

Některé soli, jako je chlorid vápenatý, CaCl ₂, zvýšení teploty vody v důsledku velkého hydrataci Ca ²⁺ iontů. A jiné soli, jako je například dusičnan amonný nebo chlorid, NH ₄ NO ₃ a NH ₄ Cl, snížení teploty vody a ochlazení jeho okolí.

V učebnách se domácí experimenty často provádějí rozpuštěním některých těchto solí, aby se prokázalo, co je endotermická reakce.

Pokles teploty je vzhledem k tomu, že hydratace NH ₄ ⁺ iontů je nepodporovaného proti rozpuštění krystalické uspořádání jejich solí. V důsledku toho soli absorbují teplo z vody, což umožňuje solvat ionty.

Další chemická reakce, která je obvykle velmi častá, aby prokázala, je následující:

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

Poznamenejte si množství vytvořené vody. Pokud jsou obě pevné látky smísí vodný roztok Ba (NO ₃) _{se získá 2}, s vůní amoniaku, a s poklesem teploty tak, že doslova zmrazí vnější povrch kontejneru.

Tepelné rozklady

Jedním z nejčastějších tepelných rozkladů je to hydrogenuhličitan sodný, NaHCO ₃, za vzniku CO ₂ a vody při zahřátí. Mnoho pevných látek, včetně uhličitanů, často rozkládají k uvolnění CO ₂ a odpovídající oxid. Například rozklad uhličitanu vápenatého je následující:

CaCO ₃ + Q => CaO + CO ₂

Totéž platí pro uhličitany hořečnaté, stroncium a barnaté.

Je důležité si uvědomit, že tepelný rozklad se liší od spalování. V první není přítomna žádná vznícení nebo se uvolňuje teplo, zatímco v druhé je; to znamená, že spalování je exotermická reakce, i když to vyžaduje počáteční zdroj tepla, který nastane nebo nastane spontánně.

Chlorid amonný ve vodě

Když se malé množství chloridu amonného (NH4CI) rozpustí ve vodě ve zkumavce, zkumavka se zchladne než dříve. Během této chemické reakce je teplo absorbováno z prostředí.

Triosíran sodný

Když krystaly thiosíranu sodného (Na ₂ S ₂ O ₃.5H ₂ O), běžně nazývaná hypo, se rozpustí ve vodě, dochází k chladicí účinek.

Motory automobilů

Spalování benzínu nebo nafty v motorech automobilů, nákladních vozidel, traktorů nebo autobusů vytváří mechanickou energii, která se používá při oběhu těchto vozidel.

Vařící tekutiny

Uvedením kapaliny do tepla získává energii a přechází do plynného stavu.

Vařte vejce

Když je aplikováno teplo, jsou vaječné proteiny denaturovány a vytvářejí tuhou strukturu, která je obvykle přijímána.

Vaření potravin

Obecně platí, že vždy, když se vaří s teplem, aby se změnily vlastnosti jídla, dochází k endotermickým reakcím.

Tyto reakce způsobují, že jídlo je měkčí, vytváří kujné hmoty, mimo jiné uvolňuje složky, které obsahují.

Ohřívání potravin v mikrovlnné troubě

V důsledku mikrovlnného záření absorbují molekuly vody v potravě energii, začnou vibrovat a zvyšovat teplotu potravin.

Lisování skla

Absorpce tepla sklem dělá jeho klouby flexibilní, dělat jeho tvar snadnější se měnit.

Spotřeba svíčky

Svíčkový vosk taje tím, že absorbuje teplo z plamene a mění svůj tvar.

Čištění horkou vodou

Při použití horké vody k čištění předmětů, které byly potřísněny tukem, jako jsou hrnce nebo oblečení, se tuk ztenčí a lze jej snadněji odstranit.

Tepelná sterilizace potravin a jiných předmětů

Při zahřívání předmětů nebo potravin také zvyšují jejich mikroorganismy.

Když je dodáváno velké množství tepla, dochází v mikrobiálních buňkách k reakcím. Mnoho z těchto reakcí, jako je rozrušení vazeb nebo denaturace proteinů, nakonec zabíjí mikroorganismy.

Bojujte s infekcí horečkou

Když se objeví horečka, je to proto, že tělo produkuje teplo nezbytné k zabíjení bakterií a virů, které způsobují infekce a způsobují onemocnění.

Pokud je generované teplo vysoké a horečka vysoká, jsou ovlivněny také buňky těla a existuje riziko smrti.

Odpařování vody

Když se voda vypaří a přemění v páru, je to kvůli teplu, které dostává z okolního prostředí. Jak tepelná energie je přijímána každou molekulou vody, její vibrační energie se zvyšuje k bodu, kde se může volně pohybovat a vytváří páru.

Reference

1. Whitten, Davis, Peck a Stanley. (2008). Chemie. (8. ed.). CENGAGE Učení.
2. Wikipedia. (2018). Endotermický proces. Obnoveno z: en.wikipedia.org
3. Helmenstine, Anne Marie, Ph.D. (27. prosince 2018). Příklady endotermické reakce. Obnoveno z: thinkco.com
4. Khan Academy. (2019). Endotermický vs. exotermické reakce. Obnoveno z: khanacademy.org
5. Serm Murmson. (2019). Co se stane na molekulární úrovni během endotermické reakce? Hearst Seattle Media. Obnoveno z: education.seattlepi.com
6. QuimiTube. (2013). Výpočet entalpie reakce z entalpií formace. Obnoveno z: quimitube.com
7. Quimicas.net (2018). Příklady endotermické reakce.

   Obnoveno z: quimicas.net.