واکنش گرماده (گرمازا) چیست؟
اگر یک واکنش شیمیایی انرژی را به شکل گرما آزاد کند، این واکنش گرماده (گرمازا) است. در این سیستم (واکنش) با تبدیل واکنش‌دهنده‌ها به محصولات، گرما به محیط اطراف آزاد می‌شود. به عنوان مثال، سوزاندن چوب باعث آزاد شدن گرما می‌شود. یک واکنش گرمازا باعث گرم شدن محیط اطراف می‌گردد. به همین دلیل وقتی کنار آتش می‌ایستیم احساس گرما می‌کنیم. واکنش گرمازا عکسِ واکنش گرماگیر است.
معادله واکنش گرماده
انرژی (گرما) + محصولات → واکنش دهنده‌ها
فرآیند گرماده (گرمازا) چیست؟
یک فرآیند گرمازا شامل هیچ واکنش و تغییرِ شیمیایی نیست. در چنین فرایندی یک ترکیب با آزاد کردن گرما از یک فاز به فاز دیگر تبدیل می‌شود. به عنوان مثال، هنگامی که آب به یخ تبدیل می‌شود، گرما به محیط اطراف منتقل می‌گردد. دمای آن پایین می‌آید تا زمانی که بلورهای یخ شروع به تشکیل شدن کنند.
نمودار انرژی برای واکنش گرماده
یک واکنش شیمیایی همیشه همراه با تغییرات در انرژی است. نمودارِ انرژی این تغییرات را نشان می‌دهد. توضیح این نمودار به شرح زیر است:
انرژی پتانسیل واکنش در امتداد محور عمودی و زمان واکنش در امتداد محور افقی رسم می‌شود. این نمودار تغییر انرژی را با پیشرفت واکنش از واکنش‌دهنده‌ها به سمت محصولات نشان می‌دهد.
آنتالپی (H) “محتوای گرمایی” واکنش را نشان می‌دهد. تغییر آنتالپی زمانی اتفاق می‌افتد که یک واکنش، گرما را با فشار ثابت جذب یا منتشر کند. تغییر آنتالپی (ΔH) از اختلاف بین آنتالپی محصولات و آنتالپی واکنش‌دهنده‌ها بدست می‌آید. از نمودار انرژی یک واکنش شیمیاییِ گرمازا، می‌توان دریافت که انرژی واکنش‌دهنده‌ها بیشتر از انرژی محصولات است. بنابراین ΔH منفی است (ΔH<0) و واکنش گرماده.
در طی واکنش، حدواسط‌ها تشکیل می‌شوند. انرژی فعال‌سازیِ واکنش، تفاوت بین انرژی حدواسط‌ها و انرژی واکنش دهنده‌هاست. به عبارت دیگر، انرژی فعال‌سازی انرژی مورد نیاز واکنش برای غلبه بر سد انرژی و پیشرفت آن تا تکمیل تبدیل مواد اولیه به محصولات است. گاهی اوقات، یک کاتالیزور در واکنش برای کاهش انرژی فعال‌سازی استفاده می‌شود تا واکنش سریعتر انجام شود.
در یک واکنش گرمازا چه اتفاقی می افتد؟
در یک واکنش گرمازا، واکنش‌دهنده‌ها با آزاد شدن گرما به محصولات تبدیل می‌شوند. پیوندهای شیمیایی بین اتم‌ها در واکنش دهنده‌ها شکسته می‌شود و پیوندهای شیمیایی جدید در محصولات ایجاد می‌شود.
واکنش‌دهنده‌ها انرژی پتانسیل کافی برای غلبه بر سد انرژی و تبدیل به محصولات را دارند. انرژی تولید شده توسط واکنش به محیط اطراف منتقل می‌شود.
یک واکنش گرمازا عمدتاً خود به خود و با انرژی آزاد گیبس منفی است. با این حال، خود به خودی بودن آن به دما بستگی دارد.
مثال‌ها و کاربردهای واکنش‌ها و فرایندهای گرماده
موارد استفاده در آزمایشگاه، صنعت و نیروگاه
واکنش گرمازا
در اینجا چند نمونه از واکنش‌های گرمازا در آزمایشگاه‌ها، صنایع و نیروگاه‌ها آورده شده است. معادلات شیمیاییِ موازنه شده همراه با مثال‌ها نشان داده شده است.
از مخلوط کردن سدیم (Na) و کلر (Cl) سدیم کلرید (NaCl) به دست می‌آید که معمولاً به عنوان نمک خوراکی شناخته می‌شود.
2Na (s) + Cl2 (g) → 2NaCl (s) + گرما
تشکیل آب (H2O) از گاز هیدروژن (H2) و اکسیژن (O2) باعث آزاد شدن گرما می‌شود.
2H2 (g) + O2 (g) → 2H2O (l) + گرما
سنتز آمونیاک: فرآیند هابر در سنتز آمونیاک به کار می‌رود. در این فرایند گاز نیتروژن (N2) از هوا با هیدروژن (H2) که عمدتاً از گاز طبیعی (متان) مشتق شده است ترکیب می‌شود و آمونیاک (NH3) را تشکیل می‌دهد.
N2 (g) + 3H2 (g) → 2NH3 (g) + گرما
حل شدن آمونیاک (NH3) در آب (H2O) و تشکیل کاتیون آمونیوم (+NH4) نیز فرایند گرماده است.
NH3 (g) + H2O (l) → NH4+ (aq.) + OH– (aq.) + گرما
شکافت هسته‌ای: هنگامی که نوترون (n) با یک هسته سنگین مانند اورانیوم (235U) برخورد می‌کند، مقدار زیادی انرژی (~ 200 مگا ولت) آزاد می‌شود.
n + 235U → 139Ba + 96Kr + energy
همجوشی هسته‌ای: عناصر سبک‌تر با هم ترکیب می‌شوند و عناصر جدیدی را تشکیل می‌دهند و طی این فرایند انرژی آزاد می‌کنند. دو اتم دوتریوم (21H) با هم ترکیب می‌شوند تا هلیوم (32He) تولید کنند.
21H + 21H → 32He + 10n + energy
سولفوریک اسید با قند معمولی (ساکارز) واکنش می‌دهد و منجر به یک واکنش گرمازای پرانرژی می‌شود. این واکنش، گرما، بخار، کربن دی اکسید (CO2) و گوگرد دی اکسید (SO2) تولید می‌کند.
C12H22O11 (s) + H2SO4 (aq.) + ½O2 (g) → 11C (s) + 12H2O (l) + CO2 (g) + SO2 (g) + heat
فلزات قلیایی مانند سدیم (Na)، لیتیوم (Li) و پتاسیم (K) به سرعت با آب (H2O) واکنش می‌دهند و هیدروکسید مربوطه را تشکیل می‌دهند. طی این واکنش، گاز هیدروژن (H2) نیز آزاد می‌شود.
2Na (s) + 2 H2O (l) → 2NaOH (aq.) + H2 (g) + heat
فرآیند گرمازا
حل کردن سدیم هیدروکسید (NaOH) که به عنوان سود سوزآور نیز شناخته می‌شود، در آب (H2O) یون‌های سدیم (+Na) و هیدروکسید (–OH) را همراه با گرما آزاد می‌کند.
NaOH (s) + H2O (l) → Na+ (aq.) + OH– (aq.) + H2O (l) + heat
مثال‌هایی از واکنش‌های گرماده در زندگی روزمره
نمونه‌های زیادی از واکنش‌ها و فرآیندهای گرمازا در زندگی روزمره وجود دارد.
تشکیل برف: برف بارشِ ناشی از بخار آب در ابرهای جوی به شکل بلورهای یخ است. برف از ابرها به صورت دانه‌های سفید می‌بارد. زمانیکه که دما به زیر 32 درجه فارنهایت یا زیر صفر درجه سانتیگراد برسد، آب از مایع به جامد (انجماد) تبدیل می‌شود.
H2O (l) → H2O (s) + heat
بارش باران: بخار آب موجود در ابرها با سرد شدن دما متراکم می‌شود و باران می‌بارد.
H2O (g) → H2O (l) + heat
هنگامی که دما زیر صفر است، بخار آب مستقیماً بدون عبور از فاز مایع به یخ تبدیل می‌شود.
H2O (g) → H2O (s) + heat
تنفس: تنفس یک واکنش گرمازا در نظر گرفته می‌شود. انسان کربوهیدرات مصرف و اکسیژن تنفس می‌کند. گلوکز (C6H12O6) از کربوهیدرات‌ها با اکسیژن (O2) موجود در سلول‌ها واکنش می‌دهد، کربن دی اکسید (CO2) و آب (H2O) تولید و انرژی بدن انسان را تامین می‌کند.
C6H12O6 (s) + 6O2 (g) → CO2 (g) + H2O (l) + energy
واکنش احتراق: گاز طبیعی در منازل برای پخت و پز استفاده می‌شود. سوزاندن گاز طبیعی واکنش احتراق است. هنگامی که متان (CH4) در حضور اکسیژن (O2) می‌سوزد، گرما، کربن دی اکسید (CO2) و آب (H2O) تولید می‌شود.
CH4 (g) + 2O2 (g) → CO2 (g) + 2H2O (g) + heat
روشن کردن شمع یا چوب کبریت نمونه دیگری از واکنش احتراق است.
زنگ زدن آهن (Fe) در حضور اکسیژن (O2) و رطوبت (H2O) برای تولید آهن (III) اکسید (Fe2O3) یک نمونه واکنش اکسیداسیون است که گرما آزاد می‌کند.
4Fe (s) + 3O2 (g) + 2nH2O (g) → 2Fe2O3.nH2O (s) + heat
جمع بندی:
واکنش‌های گرماده واکنش‌هایی هستند که با انجام آن‌ها انرژی بصورت گرما به محیط اطراف منتقل می‌شود. تغییرات آنتالپی واکنش‌های گرمازا منفی است.
لطفاً نظر ارزشمند خود را درباره این مقاله بنویسید.
