- Kenmerken van een endotherme reactie
- ΔH> 0
- Ze koelen hun omgeving af
- Vergelijkingen
- Voorbeelden van veel voorkomende endotherme reacties
- Verdamping van droogijs
- Brood bakken of eten koken
- Zonnen
- Reactie van atmosferische stikstof- en ozonvorming
- Elektrolyse van water
- Fotosynthese
- Oplossingen van sommige zouten
- Thermische ontleding
- Ammoniumchloride in water
- Natriumtriosulfaat
- Automotoren
- Kokende vloeistoffen
- Kook een ei
- Eten koken
- Voedsel verwarmen in de magnetron
- Gieten van glas
- Verbruik van een kaars
- Reiniging met warm water
- Warmte-sterilisatie van voedsel en andere voorwerpen
- Bestrijd infecties met koorts
- Water verdamping
- Referenties
Een endotherme reactie is een reactie die energie, in de vorm van warmte of straling, van de omgeving moet absorberen. Over het algemeen, maar niet altijd, zijn ze te herkennen aan een temperatuurdaling in hun omgeving; of integendeel, ze hebben een warmtebron nodig, zoals die verkregen wordt door een brandende vlam.
De opname van energie of warmte is wat alle endotherme reacties gemeen hebben; hun aard, evenals de transformaties die ermee gepaard gaan, zijn zeer divers. Hoeveel warmte moeten ze opnemen? Het antwoord hangt af van de thermodynamica: de temperatuur waarbij de reactie spontaan plaatsvindt.
Smeltend ijs stalactiet. Bron: Pixabay
Een van de meest karakteristieke endotherme reacties is bijvoorbeeld de verandering van toestand van ijs naar vloeibaar water. IJs moet warmte absorberen totdat de temperatuur ongeveer 0 ° C bereikt; bij die temperatuur wordt het smelten spontaan en zal het ijs absorberen totdat het volledig is gesmolten.
In warme ruimtes, zoals aan de oevers van een strand, zijn de temperaturen hoger en neemt het ijs daardoor sneller warmte op; dat wil zeggen, het smelt sneller. Het smelten van gletsjers is een voorbeeld van een ongewenste endotherme reactie.
Waarom gebeurt het op deze manier? Waarom kan ijs niet verschijnen als een hete vaste stof? Het antwoord ligt in de gemiddelde kinetische energie van de watermoleculen in beide toestanden en hoe ze met elkaar interageren via hun waterstofbruggen.
In vloeibaar water hebben de moleculen een grotere bewegingsvrijheid dan in ijs, waar ze stationair trillen in de kristallen. Om te kunnen bewegen, moeten moleculen energie op zo'n manier absorberen dat hun trillingen de sterke directionele waterstofbruggen in het ijs verbreken.
Om deze reden neemt ijs warmte op om te smelten. Om "heet ijs" te laten bestaan, zouden waterstofbruggen abnormaal sterk moeten zijn om te smelten bij een temperatuur ruim boven 0 ° C.
Kenmerken van een endotherme reactie
De verandering van toestand is niet echt een chemische reactie; Hetzelfde gebeurt echter: het product (vloeibaar water) heeft een hogere energie dan de reactant (ijs). Dit is het belangrijkste kenmerk van een endotherme reactie of proces: de producten zijn energieker dan de reactanten.
Hoewel dit waar is, betekent dit niet dat producten noodzakelijkerwijs onstabiel moeten zijn. In het geval dat dit het geval is, houdt de endotherme reactie op spontaan te zijn onder alle omstandigheden van temperatuur of druk.
Beschouw de volgende chemische vergelijking:
A + Q => B
Waar Q staat voor warmte, meestal uitgedrukt in de eenheden joule (J) of calorieën (cal). Omdat A warmte Q absorbeert om in B te veranderen, wordt er gezegd dat het een endotherme reactie is. B heeft dus meer energie dan A en moet voldoende energie opnemen om zijn transformatie te bereiken.
Endotherme reactieschema voor A en B. Bron: Gabriel Bolívar
Zoals te zien is in het bovenstaande diagram, heeft A minder energie dan B. De hoeveelheid warmte Q die door A wordt geabsorbeerd, is zodanig dat het de activeringsenergie overwint (de energie die nodig is om de paarse top te bereiken). Het verschil in energie tussen A en B is wat bekend staat als de enthalpie van de reactie, ΔH.
ΔH> 0
Alle endotherme reacties hebben het bovenstaande diagram gemeen, aangezien de producten energieker zijn dan de reactanten. Daarom is het energieverschil tussen hen, ΔH, altijd positief (H Product -H Reactief > 0). Omdat dit waar is, moet er warmte of energie uit de omgeving worden opgenomen om in deze energiebehoefte te voorzien.
En hoe worden dergelijke uitdrukkingen geïnterpreteerd? Bij een chemische reactie worden bindingen altijd verbroken om nieuwe te creëren. Om ze te doorbreken is de opname van energie nodig; dat wil zeggen, het is een endotherme stap. Ondertussen impliceert de vorming van de bindingen stabiliteit, dus het is een exotherme stap.
Wanneer de gevormde bindingen geen stabiliteit verschaffen die vergelijkbaar is met de hoeveelheid energie die nodig is om de oude bindingen te verbreken, is het een endotherme reactie. Daarom is er extra energie nodig om het verbreken van de meest stabiele bindingen in de reactanten te bevorderen.
Aan de andere kant treedt bij exotherme reacties het tegenovergestelde op: er komt warmte vrij en ΔH is <1 (negatief). Hier zijn de producten stabieler dan de reactanten en verandert het diagram tussen A en B van vorm; nu is B onder A en is de activeringsenergie lager.
Ze koelen hun omgeving af
Hoewel het niet op alle endotherme reacties van toepassing is, veroorzaken verschillende ervan een verlaging van de temperatuur van hun omgeving. Dit komt doordat de opgenomen warmte ergens vandaan komt. Als de ombouw van A en B in een container zou plaatsvinden, zou deze dus afkoelen.
Hoe endotherm de reactie, hoe kouder de container en zijn omgeving zal worden. Sommige reacties zijn zelfs in staat om een dun laagje ijs te vormen, alsof ze uit een koelkast komen.
Er zijn echter reacties van dit type die hun omgeving niet koelen. Waarom? Omdat de omgevingswarmte onvoldoende is; dat wil zeggen, het geeft niet de noodzakelijke Q (J, cal) die in chemische vergelijkingen is geschreven. Daarom is dit wanneer er vuur of UV-straling binnenkomt.
Er kan wat verwarring ontstaan tussen de twee scenario's. Enerzijds is de warmte uit de omgeving voldoende om de reactie spontaan te laten verlopen en wordt afkoeling waargenomen; en aan de andere kant is er meer warmte nodig en wordt een efficiënte verwarmingsmethode gebruikt. In beide gevallen gebeurt hetzelfde: energie wordt geabsorbeerd.
Vergelijkingen
Wat zijn de relevante vergelijkingen in een endotherme reactie? Zoals reeds uitgelegd, moet de ΔH positief zijn. Om het te berekenen, wordt eerst de volgende chemische vergelijking overwogen:
aA + bB => cC + dD
Waar A en B de reactanten zijn, en C en D de producten. De kleine letters (a, b, c en d) zijn de stoichiometrische coëfficiënten. Om de ΔH van deze generieke reactie te berekenen, wordt de volgende wiskundige uitdrukking toegepast:
ΔH- producten - ΔH- reagentia = ΔH rxn
U kunt direct doorgaan of de berekeningen afzonderlijk uitvoeren. Voor ΔH- producten moet de volgende som worden berekend:
c ΔH f C + d ΔH f D
Waar AH f is de enthalpie van de vorming van elke bij de reactiesubstantie. Volgens afspraak hebben stoffen in hun meest stabiele vorm ΔH f = 0. Moleculen van O 2 en H 2 , of een vast metaal, hebben bijvoorbeeld ΔH f = 0.
Dezelfde berekening wordt nu gedaan voor de reactanten, ΔH Reagents :
een ΔH f A + b ΔH f B
Maar aangezien de vergelijking zegt dat ΔH- reagentia moeten worden afgetrokken van ΔH- producten , moet de bovenstaande som worden vermenigvuldigd met -1. Dus jij hebt:
c ΔH f C + d ΔH f D - (a ΔH f A + b ΔH f B)
Als het resultaat van deze berekening een positief getal is, dan is het een endotherme reactie. En als het negatief is, is het een exotherme reactie.
Voorbeelden van veel voorkomende endotherme reacties
Verdamping van droogijs
Droog ijs. Bron: Nevit, van Wikimedia Commons
Iedereen die ooit die witte dampen uit een ijskar heeft gezien, is getuige geweest van een van de meest voorkomende voorbeelden van een endotherme "reactie".
Afgezien van sommige ijsjes, hebben deze dampen die vrijkomen uit witte vaste stoffen, droogijs genaamd, ook deel uitgemaakt van de scenario's om het neveleffect te creëren. Dit droogijs is niets meer dan vast kooldioxide, dat bij het absorberen van temperatuur en externe druk begint te sublimeren.
Een experiment voor een kinderpubliek zou zijn om een zak met droogijs te vullen en te sluiten. Na een tijdje wordt het opgeblazen door het gasvormige CO 2 , dat werk genereert of de binnenwanden van de zak tegen de atmosferische druk drukt.
Brood bakken of eten koken
Gebakken brood. Bron: Pixabay
Brood bakken is een voorbeeld van een chemische reactie, aangezien er nu chemische veranderingen plaatsvinden door hitte. Iedereen die de geur van vers gebakken brood heeft geroken, weet dat er een endotherme reactie optreedt.
Het deeg en al zijn ingrediënten hebben de hitte van de oven nodig om alle transformaties uit te voeren, essentieel om brood te worden en zijn typische kenmerken te vertonen.
Naast brood staat de keuken vol met voorbeelden van endotherme reacties. Wie kookt, heeft dagelijks met ze te maken. Pasta koken, de korrels zacht maken, de maïskorrels verwarmen, eieren koken, vlees kruiden, een cake bakken, thee zetten, sandwiches opwarmen; elk van deze activiteiten zijn endotherme reacties.
Zonnen
Schildpadden krijgen een zonnebad. Bron: Pixabay
Hoe eenvoudig en alledaags ze ook mogen lijken, de zonnebaden die door bepaalde reptielen, zoals schildpadden en krokodillen worden ingenomen, vallen in de categorie van endotherme reacties. Schildpadden absorberen warmte van de zon om hun lichaamstemperatuur te regelen.
Zonder de zon houden ze de warmte van het water vast om warm te blijven; wat resulteert in het koelen van het water in uw vijvers of aquariums.
Reactie van atmosferische stikstof- en ozonvorming
Bliksem. Bron: Pixabay
Lucht bestaat voornamelijk uit stikstof en zuurstof. Tijdens elektrische stormen komt zoveel energie vrij dat het de sterke bindingen kan verbreken die de stikstofatomen bij elkaar houden in het N 2- molecuul :
N 2 + O 2 + Q => 2NO
Aan de andere kant kan zuurstof ultraviolette straling absorberen en ozon worden; allotroop van zuurstof die zeer gunstig is in de stratosfeer, maar schadelijk voor het leven op grondniveau. De reactie is:
3O 2 + v => 2O 3
Waar v staat voor ultraviolette straling. Het mechanisme achter die eenvoudige vergelijking is erg complex.
Elektrolyse van water
Elektrolyse gebruikt elektrische energie om een molecuul te scheiden in zijn vormende elementen of moleculen. Bij de elektrolyse van water worden bijvoorbeeld twee gassen gegenereerd: waterstof en zuurstof, elk in verschillende elektroden:
2H 2 O => 2H 2 + O 2
Ook natriumchloride kan dezelfde reactie ondergaan:
2NaCl => 2Na + Cl 2
In de ene elektrode zie je de vorming van metallisch natrium en in de andere groenachtige chloorbelletjes.
Fotosynthese
Planten en bomen moeten zonlicht absorberen als energievoorziening om hun biomaterialen te synthetiseren. Hiervoor gebruikt het CO 2 en water als grondstof , die door een lange reeks stappen worden omgezet in glucose en andere suikers. Daarnaast wordt zuurstof gevormd, die vrijkomt uit de bladeren.
Oplossingen van sommige zouten
Als natriumchloride wordt opgelost in water, zal er geen noemenswaardige verandering in de buitentemperatuur van het glas of de container worden opgemerkt.
Sommige zouten, zoals calciumchloride, CaCl 2 , verhogen de temperatuur van het water als gevolg van de grote hydratatie van de Ca 2+ -ionen . En andere zouten, zoals ammoniumnitraat of chloride, NH 4 NO 3 en NH 4 Cl, verlagen de temperatuur van het water en koelen de omgeving af.
In klaslokalen worden thuis experimenten vaak gedaan door enkele van deze zouten op te lossen om aan te tonen wat een endotherme reactie is.
De temperatuurdaling komt door het feit dat de hydratatie van NH 4 + -ionen niet de voorkeur tegen het oplossen van de kristallijne regeling van hun zouten. Bijgevolg absorberen de zouten warmte uit het water om de ionen te laten solvateren.
Een andere chemische reactie die meestal heel gebruikelijk is om dit aan te tonen, is de volgende:
Ba (OH) 2 8H 2 O + 2NH 4 NO 3 => Ba (NO 3 ) 2 + 2NH 3 + 10H 2 O
Let op de hoeveelheid gevormd water. Wanneer beide vaste stoffen worden gemengd, wordt een waterige oplossing van Ba (NO 3 ) 2 verkregen , met de geur van ammoniak en met een temperatuurdaling zodanig dat het letterlijk het buitenoppervlak van de houder bevriest.
Thermische ontleding
Een van de meest voorkomende thermische ontleding is die van natriumbicarbonaat, NaHCO 3 , om bij verhitting CO 2 en water te produceren . Veel vaste stoffen, waaronder carbonaten, breken vaak af om CO 2 en het overeenkomstige oxide vrij te maken. De afbraak van calciumcarbonaat is bijvoorbeeld als volgt:
CaCO 3 + Q => CaO + CO 2
Hetzelfde geldt voor magnesium-, strontium- en bariumcarbonaten.
Het is belangrijk op te merken dat thermische ontleding verschilt van verbranding. Bij de eerste is er geen sprake van ontsteking of komt er warmte vrij, bij de tweede wel; dat wil zeggen, verbranding is een exotherme reactie, zelfs wanneer er een aanvankelijke warmtebron nodig is om plaats te vinden of spontaan op te treden.
Ammoniumchloride in water
Wanneer in een reageerbuis een kleine hoeveelheid ammoniumchloride (NH4Cl) in water wordt opgelost, wordt de buis kouder dan voorheen. Tijdens deze chemische reactie wordt warmte uit de omgeving opgenomen.
Natriumtriosulfaat
Wanneer kristallen van natriumthiosulfaat (Na 2 S 2 O 3 .5H 2 O), gewoonlijk hypo genoemd, oplossen in water, treedt een verkoelend effect op.
Automotoren
Het verbranden van benzine of diesel in auto-, vrachtwagen-, tractor- of busmotoren produceert mechanische energie die wordt gebruikt bij de circulatie van deze voertuigen.
Kokende vloeistoffen
Door een vloeistof te verhitten, krijgt het energie en gaat het over in een gasvormige toestand.
Kook een ei
Wanneer warmte wordt toegepast, worden de eiproteïnen gedenatureerd, waardoor de vaste structuur wordt gevormd die gewoonlijk wordt ingenomen.
Eten koken
Over het algemeen treden altijd endotherme reacties op als u met warmte kookt om de eigenschappen van voedsel te veranderen.
Deze reacties zorgen ervoor dat voedsel zachter wordt, kneedbare massa's genereert, de componenten die ze bevatten vrijgeven, onder andere.
Voedsel verwarmen in de magnetron
Door microgolfstraling absorberen watermoleculen in voedsel energie, beginnen ze te trillen en verhogen ze de temperatuur van het voedsel.
Gieten van glas
De opname van warmte door het glas maakt de gewrichten flexibel, waardoor de vorm gemakkelijker te veranderen is.
Verbruik van een kaars
Kaarsvet smelt door de warmte van de vlam te absorberen en verandert van vorm.
Reiniging met warm water
Wanneer u met heet water voorwerpen reinigt die met vet zijn bevlekt, zoals potten of kleding, wordt het vet dunner en is het gemakkelijker te verwijderen.
Warmte-sterilisatie van voedsel en andere voorwerpen
Bij het verwarmen van voorwerpen of voedsel, verhogen de micro-organismen die ze bevatten ook hun temperatuur.
Als er veel warmte wordt geleverd, treden reacties op in microbiële cellen. Veel van deze reacties, zoals het verbreken van bindingen of het denatureren van eiwitten, leiden uiteindelijk tot de dood van de micro-organismen.
Bestrijd infecties met koorts
Wanneer koorts optreedt, komt dat doordat het lichaam de warmte produceert die nodig is om de bacteriën en virussen te doden die infecties veroorzaken en ziekten veroorzaken.
Als de gegenereerde warmte hoog is en de koorts hoog, worden ook de cellen van het lichaam aangetast en bestaat er een risico op overlijden.
Water verdamping
Wanneer water verdampt en in stoom verandert, komt dat door de warmte die het uit de omgeving ontvangt. Terwijl warmte-energie wordt ontvangen door elk watermolecuul, neemt de trillingsenergie toe tot het punt waarop het vrij kan bewegen, waardoor stoom ontstaat.
Referenties
- Whitten, Davis, Peck & Stanley. (2008). Chemie. (8e ed.). CENGAGE Leren.
- Wikipedia. (2018). Endotherm proces. Hersteld van: en.wikipedia.org
- Helmenstine, Anne Marie, Ph.D. (27 december 2018). Voorbeelden van endotherme reacties. Hersteld van: thoughtco.com
- Khan Academy. (2019). Endotherme vs. exotherme reacties. Hersteld van: khanacademy.org
- Serm Murmson. (2019). Wat gebeurt er op moleculair niveau tijdens een endotherme reactie? Hearst Seattle Media. Hersteld van: education.seattlepi.com
- QuimiTube. (2013). Berekening van de reactie-enthalpie uit de formatie-enthalpie. Hersteld van: quimitube.com
- Quimicas.net (2018). Voorbeelden van endotherme reactie. Hersteld van:
quimicas.net.