Przypomnijcie sobie: jedną z cech reakcji chemicznych jest wydzielanie albo pochłanianie ciepła.
Reakcje egzotermiczne:
• zachodzą, wydzielając ciepło;
• po rozpoczęciu zatrzymują się, kiedy zakończy się jeden z reagentów;
• mieszanina reakcyjna podczas reakcji rozgrzewa się.
Reakcje egzotermiczne i endotermiczne Już wiecie, że podczas rozpuszczenia substancji może wydzielać się albo pochłaniać się energia. Podczas reakcji chemicznych mieszanina reakcyjna również może wydzielać energię do środowiska naturalnego albo pochłaniać ją z niego. W większości reakcji chemiczynch energia wydziela się albo jest pochłaniana w postaci ciepła, a w niektórych reakcjach - w postaci światła.
Reakcje chemiczne, które zachodzą z wydzieleniem ciepła, nazywamy egzotermicznymi.
Jeżeli podczas reakcji ciepło się wydziela, to mieszanina reakcyjna się rozgrzewa. Egzotermiczne są wszystkie reakcje spalania i wiele innych reakcji. Na przykład, podczas gaszenia wapna (oddziaływania tlenku wapnia z wodą) wydziela się tak dużo ciepła, że woda może się zagotować i zamienić w pianę substancję stałą. Dlatego też wodorotlenek wapnia nazywany jest również „puszonką” (rys. 18.1):
Wiele ciepła wydziela się również podczas reakcji z udziałem substancji aktywnych chemicznie - fluorowców (halogenów), litowców itd.
Niektóre reakcje egzotermiczne nie rozpoczynają się od razu po zmieszaniu (początku zetknięcia się) reagentów. Na przykład drzewa zawsze mają kontakt z tlenem (w powietrzu), ale nie zapalają się. Aby rozpoczęło się spalanie, trzeba podgrzać drewno, czyli zainicjować reakcją. Po inicjacji spalanie samo się „podtrzymuje” i nie kończy się, póki nie zakończy się dostęp tlenu albo całe drewno się nie spali.
Tak więc, dla reakcji egzotermiczynch charakterystyczne są takie cechy: nie zatrzymują się, póki nie zakończy się jeden z reagentów; mieszanina reakcyjna podczas reakcji rozgrzewa się.
Reakcje chemiczne, w rezultacie których zachodzi pochłanianie ciepła, nazywamy reakcjami endotermicznymi.
Do endotermicznych reakcji należy większość reakcji rozkładu (analizy), na przykład rozpad węglanu wapnia:
Reakcje endotermiczne:
• zachodzą, pochłaniając ciepło;
• zatrzymują się w razie zaprzestania podgrzewania;
• mieszanina reakcyjna podczas reakcji schładza się.
Istnieją reakcje chemiczne, w których energia wydziela się pod postacią ciepła. Najbardziej poszerzoną taką reakcją jest spalanie. Ale również są i inne. W przypadku składowania białego fosforu na powietrzu zaczyna on od razu reagować z tlenem. Część energii podczas tej reakcji wydziela się pod postacią światła, dlatego fosfor świeci w ciemności. Zjawisko to nosi nazwę chemiluminescencji. Właśnie ono jest intrygą powieści detektywistycznej „Pies Baskerville'ow" sir A. Conan Doyla. Zjawisko chemiluminescencji posiadają również organizmy żywe: reakcje chemiczne zapewniają świecenie w ciemności świetlików, niektórych meduz itd. Między innymi chemiluminescencja jest bardzo rozpowszechniona wśród roślin i zwierząt w fantastycznym świecie z filmu „Awatar".
Istnieją reakcje chemiczne, które zachodzą, pochłaniając światło. Nazywane są reakcjami fotochemicznymi. Najbardziej znaną reakcją fotochemiczną jest fotosynteza. Również pod wpływem światła zachodzi przemiana tlenu w ozon. Substan-cje-barwniki, którymi jest zabarwione nasze ubranie, pochłaniają światło i przemieniają się w bezbarwne substancje, przez co ubrania z czasem tracą kolory. A w niektórych okularach znajdują się soczewki fotochromowe, dzięki którym takie okulary w pomieszczeniu są bezbarwne, a pod wpływem światła słonecznego robią się ciemne. W procesach fotochemicznych biorą udział specjalne molekuły na siatkówce naszego oka, dzięki którym widzimy.
Większość reakcji endotermicznych trzeba ciągle podtrzymywać, najczęściej przez podgrzewanie. Na przykład, żeby
rozpoczął się rozpad węglanu wapnia (wapniaku), trzeba go ogrzać do temperatury blisko 1100°C i cały czas ją podtrzymywać - podczas reakcji endotermicznej ciepło jest pochłaniane i jeżeli zatrzymamy podgrzewanie - reakcja zostanie przerwana.
Rzadko mamy do czynienia z reakcjami endotermicznymi, które zachodzą w warunkach normalnych. Lekko je rozpoznać, ponieważ zauważamy ochłodzenie mieszaniny reakcyjnej. Na przykład, podczas oddziaływania wodorotlenku baru z azotanem amonu mieszanina reakcyjna zamarza, a naczynie pokrywa się kroplami wody i nawet może przy-marznąć do podstawki (rys. 18.2):
Efekt cieplny reakcji chemicznych. Definicja entalpii
Jak już wiecie, podczas reakcji chemicznych zachodzi przegrupowanie atomów, które zawarte są w substancjach-reagentach. W tym celu trzeba część wiązań chemicznych rozerwać. I na odwrót, podczas powstawania produktów reakcji tworzą się nowe wiązania. Ponieważ rozrywaniu i tworzeniu się wiązań chemicznych towarzyszy, odpowiednio, pochłanianie i wydzielanie się energii, to dla reakcji chemiczynch jest charakterystyczne wydzielanie albo pochłanianie energii (rys. 18.3).
Ilościowo wszystkie rodzaje oddziaływań (energię wiązań chemicznych, oddziaływań międzycząsteczkowych) w substancji określa się przy pomocy specjalnej wielkości - entalpii (od gr. entalpio - nagrzewam).
Rys. 18.3. Nagrzewanie i tworzenie wiązań chemicznych podczas reakcji wodoru z jodem
Entalpia - wielkość fizyczna, która charakteryzuje energię układu (substancji albo mieszaniny), która jest dostępna do transformacji w ciepło przy stałym ciśnieniu.
Entalpia:
• charakteryzuje „zawartość ciepła” substancji;
• jest oznaczana literą H;
• jednostką mierzenia jest J/mol albo kJ/mol;
• różnica entalpii produktów reakcji i reagentów AH -to efekt cieplny reakcji.
Entalpią substancji nazywamy również jej „zawartość ciepła”, ponieważ pokazuje ona, ile ciepła ma w „zapasie” substancja. Entalpię oznacza się literą H. W układzie CI jednostką mierzenia entalpii jest J/mol (kJ/mol), ale do dzisiaj jest ona mierzona w przestarzałych jednostkach -kaloriach.
Entalpii substancji zmierzyć nie można, ponieważ w praktyce wykorzystuje się wielkość, która charakteryzuje zmianę entalpii podczas pewnych procesów - AH. Ilość ciepła, która wydziela się albo jest pochłaniana podczas oddziaływania (czyli AH), można określić eksperymentalnie. Zmiana entalpii w mieszaninie reakcyjnej podczas reakcji chemicznych stanowi efekt cieplny reakcji chemicznej.
Efekt cieplny reakcji chemicznej AH - to różnica między entalpią produktów reakcji i entalpią reagentów:
Wybitny chemik. Urodził się w Genewie, potem rodzina wyjechała do Rosji. Uczył się na Uniwersytecie Dorpackim, w którym w wieku 20 lat obronił dysertację na stopień doktora medycyny, w której badał działanie lecznicze wód mineralnych. Pracował w Sztokholmie razem z Berzeliusem, a potem w Irkucku. W wieku 28 lat został wybrany do Petersburskiej Akademii Nauk, został kierownikiem katedry Instytutu Technologicznego. Opracował sposób otrzymania srebra z minerałów i opisał właściwości wielu minerałów, jako pierwszy zauważył działanie katalityczne platyny. Ale największe uznanie zdobył jako twórca termochemii: sformułował podstawowe jej prawo - prawo stałej sumy ciepła, które zostało nazwane jego imieniem.
Jeżeli entalpia produktów reakcji jest mniejsza od entalpii reagentów (AH < 0, czyli jest wielkością ujemną), to entalpia układu się zmniejsza, a nadwyżka energii wydziela się do środowiska naturalnego w postaci ciepła
albo światła (rys. 18.4, a). Odpowiada to reakcji egzotermicznej.
W reakcjach endotermicznych, na odwrót, entalpia produktów reakcji jest większa od entalpii reagentów (AH > 0, jest wielkością dodatnią). Energia, potrzebna do zwiększenia entalpii, jest pochłaniana ze środowiska naturalnego (rys. 18.4, b).
Rys. 18.4. Zmiana entalpii układu podczas reakcji (a) egzotermicznej i (b) endotermicznej
Amerykański fizykochemik i matematyk, jeden z twórców termodynamiki chemicznej. W wieku 19 lat ukończył Uniwersytet Yale, a po pięciu latach obronił dysertację i na posadzie profesora wykładał w nim łacinę, matematykę i fizykę matematyczną. Główne badania Gibbsa związane są z badaniem procesów cieplnych w chemii, w których osiągnął wybitne wyniki. Jego imieniem nazwano wiele z opracowanych przez niego pojęć termodynamiki chemicznej: energia Gibbsa, paradoks Gibbsa, kanoniczny podział Gibbsa itd. W wieku 40 lat został wybrany do Akademii Nauk USA, chociaż na ten czas opublikował tylko trzy, ale bardzo ważne artykuły naukowe. Do dzisiaj w jego pracach nie znaleziono żadnego błędu, a wszystkie jego idee mają zastosowanie we współczesnej nauce.
Jaka będzie wartość AH, zależy tylko od zapasu energetycznego reagentów i produktów reakcji, czyli dla każdej reakcji ilość ciepła, które się wydziela (jest pochłaniane), zależy wyłącznie od natury substancji i jej ilości.
Efekty cieplne reakcji bada specjalny dział chemii - termochemia. Za jej twórcę uważa się Germana Hessa, ale największy wkład w jej rozwój zrobił Josiah Gibbs, który zastosował prawa fizyczne i modelowa-
nie matematyczne do zbadania procesów chemicznych i zapoczątkował nowy dział chemii — termodynamikę chemiczną.
Zadanie lingwistyczne
1. Wjęzyku greckim echo oznacza „zewnątrz", endon - „w środku". Co, waszym zdaniem, oznaczają terminy „egzotermiczny" i „endotermiczny?
2. Po łacinie calor, a po grecku therme oznacza „ciepło". Dynamis - greckie słowo, które oznacza „siła, moc", a kinetikos - „to, co wprowadza w ruch". Zastanówcie się, jakie znaczenie mają terminy „kaloria", „kalorymetria", „termometr", „termodynamika", „kinetyka chemiczna".
Myśl główna
Podczas reakcji endotermicznych środowisko reakcyjne schładza się, a podczas
egzotermicznych - nagrzewa się.
Pytania kontrolne
200. Podajcie definicję terminów: „efekt cieplny reakcji", „reakcja endotermicz-na", „entalpia substancji", „entalpia reakcji".
201. Podajcie po dwa przykłady reakcji egzotermicznych i endotermicznych.
202. Jak oznaczyć zmianę entalpii reakcji? W jakich jednostkach ją mierzymy?
203. Jak zgodnie z wartością zmiany entalpii reakcji określić przynależność reakcji chemicznej do egzotermicznej czy endotermicznej?
204. Dlaczego podczas reakcji chemicznych koniecznie zachodzi wydzielanie albo pochłanianie energii? Odpowiedź objaśnijcie.
205. Jak zmienia się temperatura środowiska reakcyjnego, jeżeli zachodzi reakcja egzotermiczna? endotermiczna?
206. Według jakich cech można odróżnić reakcje egzo- i endotermiczne?
Zadania utrwalające wiedzę
207. Jak uważacie, dlaczego większość reakcji rozpadu jest endotermiczna?
208. Procesy uprawy pszenicy i produkcji z niej chleba wymagają energii. Na początku pszenica pochłania światło słoneczne i zamienia dwutlenek węgla i wodę na węglowodany w procesie fotosyntezy. Pszenicę zbiera się i mieli na mąkę. Mąkę transportuje się do piekarni, w której piecze się chleb. Chleb spożywają ludzie. W wyniku trawienia energia pochodząca z jedzenia jest zużywana przez człowieka do aktywności fizycznej. Jakie formy energii i jak są przetwarzane z jednej formy energii w inną w tych procesach?
209. Zaproponujcie plan eksperymentu do określenia efektu cieplnego reakcji chemicznej. Jakie pomiary musicie zrobić, aby osiągnąć cel? Jakie czynniki wpłyną na dokładność eksperymentu?
Źródło: Chemia podręcznik dla klasy 9 Hryhorowycz