واکنش گرماگیر چیست؟

یک واکنش شیمیایی زمانی گرماگیر است که انرژی را عمدتاً بصورت گرما جذب کند. گرما از محیط اطراف جذب می‌شود و به واکنش دهنده‌ها اجازه می‌دهد تا به محصولات تبدیل شوند. به عنوان مثال، گیاهان از خورشید انرژی می‌گیرند و کربن دی اکسید و آب را به گلوکز و اکسیژن تبدیل می‌کنند. واکنش گرماگیر باعث خنک شدن محیط اطراف می‌شود. به همین دلیل ما زیر سایه درختان احساس خنکی می‌کنیم. واکنش گرماگیر عکس واکنش گرمازا است.

معادله واکنش گرماگیر

 محصولات  → انرژی (گرما) + واکنش دهنده‌ها

فرآیند گرماگیر چیست؟

فرآیند گرماگیر شامل واکنش شیمیایی نیست. در این فرایند، سیستم گرما را از محیط اطراف می‌گیرد و یک ماده را از یک فاز به فاز دیگر تبدیل می‌کند. به عنوان مثال، هنگامی که آب به جوش می‌آید، گرما را از شعله یا اجاق گاز جذب کرده و به بخار تبدیل می‌شود.

نمودار انرژی واکنش گرماگیر

می‌توان واکنش گرماگیر را در قالب یک نمودار به نام نمودار انرژی نشان داد. انرژی پتانسیل واکنش در امتداد محور عمودی و زمان در امتداد محور افقی رسم می‌شود. این نمودار، تغییر انرژی را با پیشرفت واکنش از واکنش دهنده‌ها به محصولات نشان می‌دهد.

آنتالپی (H) واکنش، محتوای گرمایی یک واکنش را نشان می‌دهد. هنگامی که یک واکنش گرما را با فشار ثابت جذب یا منتشر می‌کند، آنتالپی تغییر می‌کند. تغییر در آنتالپی (ΔH) یک واکنش را می‌توان به عنوان تفاوت بین آنتالپی محصولات و آنتالپی واکنش‌دهنده‌ها محاسبه و تعریف کرد. از نمودار انرژی یک واکنش گرماگیر، می‌توان دریافت که انرژی محصولات بیشتر از واکنش‌دهنده‌ها است. بنابراین ΔH مثبت است (ΔH>0).

در واکنش گرماگیر چه اتفاقی می افتد؟

در واکنش گرماگیر، واکنش در یک سیستم انجام می‌شود. این سیستم گرما را از محیط اطراف می‌گیرد و محیط را سردتر و سیستم را گرمتر می‌کند. واکنش‌دهنده‌ها به محصولات تبدیل می‌شوند. مواد اولیه انرژی گرمایی را جذب می‌کنند تا بر سد انرژی فعال‌سازی غلبه کنند و با پیشرفت واکنش به محصولات تبدیل شوند.

اکثر واکنش‌های گرماگیر خود به خود انجام‌پذیر نیستند، یعنی تا زمانی که گرما تامین شود، واکنش ادامه خواهد داشت. یک واکنش گرماگیر زمانی خود به خود انجام می‌شود که تغییرات آنتالپی همراه با انرژی آزاد گیبس منفی باشد. کمیت دیگری به نام آنتروپی نیز در خود به خود بودن واکنش نقش دارد. واکنشِ خود به خودی زمانی اتفاق می‌افتد که آنتروپی واکنش بیشتر از تغییر در آنتالپی، افزایش یابد.

مثال‌ها و کاربردهای فرآیندها و واکنش‌های گرماگیر

– واکنش شیمیایی گرماگیر

در اینجا نمونه‌هایی از واکنش‌های گرماگیر که معمولاً در آزمایشگاه‌ها انجام می‌شوند، آورده شده است. معادلات شیمیایی موازنه شده همراه با مثال‌ها نشان داده شده است.

تجزیه آب: الکترولیز، فرآیند تجزیه آب (H₂O) به اکسیژن (O₂) و هیدروژن (H₂)، هنگام عبور جریان الکتریکی از آن است.

2 H₂O (l) + energy → 2H₂ (g) + O₂ (g)

تشکیل نیتروژن مونو اکسید (نیتریک اکسید): نیتریک اکسید (NO) زمانی تشکیل می‌شود که نیتروژن (N₂) و اکسیژن (O₂) در دمای و فشار بالا واکنش نشان دهند.

N₂ (g) + O₂ (g) + heat → 2NO (g)

تجزیه سنگ آهک: سنگ آهک یا کلسیم کربنات (CaCO₃) اگر تا دمای بالا گرم شود تجزیه می‌شود. محصولات کلسیم اکسید (CaO) و کربن دی اکسید (CO₂) هستند.

CaCO₃ (s) + heat → CaO (s) + CO₂ (g)

تفکیک نقره کلرید : نقره کلرید (AgCl) از نور خورشید انرژی می‌گیرد و به نقره (Ag) و گاز کلر (Cl) تجزیه می‌شود.

2 AgCl (s) + energy → 2 Ag (s) + Cl₂ (g)

– فرآیند گرماگیر

در فرآیند گرماگیر، ماده بدون واکنش شیمیایی دچار دگرگونی فیزیکی می‌شود. این ماده با جذب گرما یا تفکیک در محلول‌ها از حالتی به حالت دیگر تبدیل می‌شود.

تصعید کربن دی اکسید جامد یا یخ خشک:

CO₂ (s) + heat → CO₂ (g)

واکنش‌ها و فرآیندهای گرماگیر در زندگی روزمره

برخی از واکنش‌ها و فرآیندهای گرماگیر در زندگی واقعی یافت می‌شوند. علاوه بر این، برخی از لوازم خانگی روزمره تحت واکنش‌های گرماگیر قرار می‌گیرند.

فتوسنتز: یک واکنش فتوشیمیایی است که در آن گیاهان از خورشید انرژی می‌گیرند تا کربن دی اکسید (CO₂) و آب (H₂O) را به قند (C₆H₁₂O₆) و اکسیژن (O₂) تبدیل کنند.

6CO₂ (g) + 6H₂O (l) + heat → C₆H₁₂O₆ (s) + 6O₂ (g)

پخت نان: پروسه پخت نیاز به مخلوط کردن مواد مختلف و گرم کردن مخلوط در فر در مدت زمان معین دارد. این فرایند شامل تبدیل شیمیایی خمیر نرم و کره با استفاده از حرارت فر است.

واکنش بین جوش شیرین و سرکه: اگر جوش شیرین (NaHCO₃) به سرکه (CH₃COOH) اضافه شود، این دو ماده با یکدیگر واکنش می‌دهند تا سدیم استات (CH₃COONa)، گاز کربن دی اکسید (CO₂) و آب (H₂O) تولید کنند.

NaHCO₃ (s) + CH₃COOH (l) + heat → CH₃COO^– Na⁺ (aq.) + CO₂ (g) + H₂O (l)

تبخیر آب: آب با جوشاندن به بخار تبدیل می‌شود.

H₂O (l) + heat → H₂O (g)

تصعید نفتالین: از گذشته نفتالین برای جلوگیری از بیدزدگی لباس‌ها مورد استفاده قرار می‌گرفت.  اگر قرص‌های نفتالین برای مدت طولانی در کمد نگهداری شوند، تصعید می‌شوند. این واکنش نشان می‌دهد که تصعید یک فرآیند گرماگیر است.

C₁₀H₈ (s) + heat → C₁₀H₈ (g)

جمع بندی و مقایسه واکنش‌های گرماگیر و گرماده:

واکنش گرمازا برعکس واکنش گرماگیر است. در یک واکنش گرمازا، واکنش دهنده‌ها به محصولات تبدیل شده و گرما آزاد می‌کنند. در نمودار سطح انرژی، آنتالپی محصولات کمتر از واکنش دهنده‌ها است. بنابراین، تغییر آنتالپی منفی است (ΔH<0).

معیارهای دما و تأثیر بر محیط برای واکنش‌های گرماده و گرمازا به شرح زیر است:

• یک واکنش گرماده گرما آزاد می‌کند و محیط را گرم می‌کند.
• یک واکنش گرماگیر گرما را جذب کرده و محیط را خنک می‌کند.

هدف از بررسی واکنش‌های گرماگیر و گرمازا، پیش‌بینی تغییرات انرژی در واکنش‌های شیمیایی است. اگر انرژی کلِ پیوند محصولات بیشتر از واکنش دهنده‌ها باشد واکنش گرماگیر خواهد بود و برای عکس آن، واکنش گرماده را خواهیم داشت. به طور کلی، شکستن پیوند، گرماگیر در نظر گرفته می‌شود و تشکیلِ پیوند، گرمازا است.

لطفاً نظر ارزشمند خود را درباره این مقاله بنویسید.