Παραδείγματα Εξώθερμων Αντιδράσεων
Στη χημεία, μια εξώθερμη αντίδραση αναφέρεται σε μια χημική αντίδραση που οδηγεί στην απελευθέρωση κάποιας ποσότητας ενέργειας, συνήθως με τη μορφή φωτός ή θερμότητας. Το αντίθετο από μια εξώθερμη αντίδραση είναι μια ενδόθερμη αντίδραση, αυτή που προσλαμβάνει θερμότητα από το περιβάλλον.
Τα χαρακτηριστικά μιας εξώθερμης αντίδρασης μπορούν να εκφραστούν με τη γενική χημική εξίσωση:αντιδρώντα → προϊόντα + ενέργεια. οπότε μια εξώθερμη αντίδραση έχει ως αποτέλεσμα το χημικό προϊόν και την απελευθέρωση ενέργειας.
Οι εξώθερμες αντιδράσεις είναι σημαντικές σε τεχνολογικές εφαρμογές καθώς η εκλυόμενη ενέργεια μπορεί να χρησιμοποιηθεί για την εκτέλεση φυσικών εργασιών σε ένα εξωτερικό σύστημα. Το πιο συνηθισμένο παράδειγμα αυτού είναι στον κινητήρα εσωτερικής καύσης ενός τυπικού αυτοκινήτου. Η θερμότητα που απελευθερώνεται από την αντίδραση καύσης της βενζίνης ασκεί φυσική δύναμη στα έμβολα του κινητήρα προκαλώντας την κίνηση τους. Τα έμβολα μετατρέπουν αυτή τη θερμική ενέργεια σε μηχανική ενέργεια, η οποία οδηγεί την περιστροφή των τροχών του αυτοκινήτου. Οι εξώθερμες αντιδράσεις είναι επίσης συχνές σε εκρηκτικές ουσίες.
Η απελευθέρωση ενέργειας σε μια εξώθερμη αντίδραση σχετίζεται με τη συνολική ποσότητα ενέργειας που περιέχεται σε ένα χημικό σύστημα. Είναι πολύ δύσκολο να μετρηθεί με ακρίβεια η συνολική ενέργεια ενός χημικού συστήματος, επομένως οι επιστήμονες μετρούν την αλλαγή στην ενέργεια του συστήματος με την πάροδο του χρόνου. Αυτή η τιμή είναι γνωστή ως αλλαγή ενθαλπίας και αντιπροσωπεύεται από τη μεταβλητή ΔH. Η μεταβολή της ενθαλπίας είναι ίση με την ποσότητα της εσωτερικής ενέργειας, συν την ενέργεια που απαιτείται για να αλλάξει αυτό το σύστημα μέσω μιας χημικής αντίδρασης. Κάποιος μπορεί να σκεφτεί την αλλαγή της ενθαλπίας ως:
ΔH =ενέργεια που χρησιμοποιείται για το σχηματισμό δεσμών προϊόντος − ενέργεια που απελευθερώνεται κατά τη διάσπαση των δεσμών των αντιδρώντων.
Για όλες τις εξώθερμες αντιδράσεις ΔH <0. Η τιμή είναι αρνητική επειδή οι εξώθερμες αντιδράσεις απελευθερώνονται ενέργεια, επομένως η συνολική ενέργεια του συστήματος μετά από μια εξώθερμη αντίδραση είναι μικρότερη από αυτή με την οποία ξεκίνησε. Για παράδειγμα, η εξίσωση για μια αντίδραση καύσης υδρογόνου είναι:
2H2 (ζ) + O2 (ζ) → 2Η2 O (g)
και η αντίστοιχη μεταβολή της ενθαλπίας αυτής της αντίδρασης είναι:
ΔH =-483,6 kJ/mol O2 .
Η τιμή είναι αρνητική καθώς η χημική αντίδραση απελευθερώνει θερμότητα στο περιβάλλον.
Παραδείγματα εξώθερμων αντιδράσεων
Καύση
Το πιο προφανές και κοινό είδος εξώθερμης αντίδρασης που συναντάται στην καθημερινή ζωή είναι η καύση. Η καύση αναφέρεται σε μια εξώθερμη αντίδραση υψηλής θερμοκρασίας που παράγει οξειδωμένα προϊόντα. Η καύση απαιτεί την παρουσία οξυγόνου και θερμότητας. Για παράδειγμα, η αντίδραση καύσης φυσικού αερίου (μεθάνιο) είναι:
CH4 [g] + 2 O2 [g] -> CO2 [g] + 2 H2 O[g] + ενέργεια.
Κατά τη διάρκεια αυτής της αντίδρασης, οι δεσμοί υδρογονάνθρακα και οξυγόνου των αντιδρώντων διασπώνται. Δεδομένου ότι ο διπλός δεσμός του μορίου του αντιδρώντος οξυγόνου είναι πολύ πιο αδύναμος από τους απλούς δεσμούς του διοξειδίου του άνθρακα και των προϊόντων νερού, η αντίδραση απελευθερώνει μεγάλη ποσότητα θερμότητας στο περιβάλλον. Πολύ συχνά, η θερμότητα που παράγεται από μια αντίδραση καύσης είναι αρκετή για να αυτοκαταλύσει την αντίδραση, επομένως η καύση θα συνεχιστεί μέχρι να μην μείνουν άλλα αντιδρώντα.
Ανάλογα με την ποσότητα του διαθέσιμου οξυγόνου, μια αντίδραση καύσης μπορεί να είναι πλήρης ή ατελής. Σε μια αντίδραση πλήρους καύσης, υπάρχει αρκετό οξυγόνο για να παραχθεί ένα μόριο διοξειδίου του άνθρακα ανά μονάδα αντίδρασης. Σε αντιδράσεις ατελούς καύσης, η έλλειψη οξυγόνου έχει ως αποτέλεσμα την παραγωγή μονοξειδίου του άνθρακα, ενός δηλητηριώδους αερίου. Τα προϊόντα της ατελούς καύσης μπορούν επίσης να αντιδράσουν με αέρια στην ατμόσφαιρα, δημιουργώντας βροχές νιτρικού και θειικού οξέος.
Θερμίτης
Ο θερμίτης είναι μια πυροτεχνική σύνθεση από μεταλλική σκόνη και ένα οξείδιο μετάλλου. Η πιο κοινή ποικιλία θερμίτη είναι φτιαγμένη από οξείδιο σιδήρου(III) (Fe2 O3 ) και αλουμίνιο, αλλά ορισμένες ποικιλίες χρησιμοποιούν οξείδιο του βορίου, οξείδιο του χαλκού ή οξείδιο του μολύβδου. Αν και τα αντιδρώντα είναι σταθερά σε θερμοκρασία δωματίου, όταν θερμαίνεται, ο θερμίτης υφίσταται μια εξαιρετικά βίαιη εξώθερμη αντίδραση που απελευθερώνει μεγάλη ποσότητα θερμότητας. Το οξυγόνο σχηματίζει πιο σταθερούς δεσμούς με το αλουμίνιο παρά με το σίδηρο, οπότε όταν η σύνθεση θερμαίνεται, το αλουμίνιο κλέβει οξυγόνο από το σίδηρο, απελευθερώνοντας την ενέργεια που αποθηκεύεται στους χημικούς δεσμούς του. Ο γενικός τύπος για μια αντίδραση θερμίτη που χρησιμοποιεί οξείδιο σιδήρου(III) είναι:
Φε2 O3 + 2 Al → 2 Fe + Al2 O3 .
Οι αντιδράσεις θερμίτη καίγονται εξαιρετικά ζεστές. έως 2500°C για ορισμένες ποικιλίες θερμίτη. Αυτή η αντίδραση υψηλής θερμότητας έχει μια σειρά από βιομηχανικές εφαρμογές, οι περισσότερες από τις οποίες περιλαμβάνουν εργασία με μέταλλα. Οι αντιδράσεις θερμίτη χρησιμοποιούνται συνήθως για σκοπούς συγκόλλησης, καθώς η σταθερή αντίδραση υψηλής θερμοκρασίας παράγει αρκετή θερμότητα για να ενώσει τα μέταλλα μεταξύ τους. Ο θερμίτης μπορεί να χρησιμοποιηθεί ακόμη και για τη συγκόλληση κάτω από το νερό, καθώς η θερμότητα που απελευθερώνεται δημιουργεί μια φυσαλίδα αερίου γύρω από το φακό συγκόλλησης. Οι αντιδράσεις θερμίτη μπορούν επίσης να χρησιμοποιηθούν για τον καθαρισμό δειγμάτων στοιχείων και μια τροποποιημένη αντίδραση θερμίτη χρησιμοποιήθηκε για την παραγωγή του ουρανίου που χρησιμοποιήθηκε στο έργο του Μανχάταν.
Πυρηνική σχάση
Η πυρηνική σχάση είναι ένας ειδικός τύπος εξώθερμης αντίδρασης κατά την οποία ο πυρήνας ενός βαρέος ατόμου χωρίζεται σε κομμάτια, δημιουργώντας ελαφρύτερα στοιχεία και απελευθερώνοντας ενέργεια. Κατά τη διάρκεια της πυρηνικής σχάσης, η ενέργεια απελευθερώνεται με τη μορφή θερμότητας, κινητικής ενέργειας και φωτονίων γάμμα—μια μορφή ακτινοβολίας υψηλής ενέργειας. Οι αντιδράσεις πυρηνικής σχάσης είναι εξαιρετικά ισχυρές και αποτελούν τους μηχανισμούς που κρύβουν τα πυρηνικά όπλα και τους πυρηνικούς αντιδραστήρες. Σε αντίθεση με άλλα είδη εξώθερμων αντιδράσεων, που περιλαμβάνουν το σπάσιμο χημικών δεσμών και το σχηματισμό νέων χημικών δεσμών, οι αντιδράσεις σχάσης είναι το αποτέλεσμα θραύσης του πυρηνικού δεσμούς; δεσμούς μεταξύ των σωματιδίων ενός ατομικού πυρήνα. Αυτοί οι δεσμοί είναι εξαιρετικά ενεργητικοί, επομένως όταν σπάνε απελευθερώνουν μεγάλη ποσότητα ενέργειας.
Η πυρηνική σχάση είναι μια μορφή πυρηνικής μεταστοιχείωσης, καθώς τα προϊόντα είναι διαφορετικά στοιχεία από το αρχικό άτομο. Γενικά, οι πυρήνες που παράγονται είναι παρόμοιου ατομικού μεγέθους, συνήθως σε αναλογία ατομικών μαζών 3:2. Δυστυχώς, αυτά τα προϊόντα είναι σχεδόν πάντα πολύ ραδιενεργά, γεγονός που δημιουργεί προβλήματα με την αποθήκευση των αποβλήτων των αντιδράσεων πυρηνικής σχάσης.
Ορισμένα στοιχεία, ειδικά στοιχεία υψηλού ατομικού αριθμού, θα υποστούν αυθόρμητη σχάση, αλλά κανονικά η σχάση απαιτεί εξωτερική εισαγωγή ενέργειας. Σε πυρηνικούς αντιδραστήρες και βόμβες, οι βαρείς ατομικοί πυρήνες βομβαρδίζονται με ελεύθερα νετρόνια, τα οποία διασπούν τον πυρήνα. Η προκύπτουσα αντίδραση σχάσης απελευθερώνει περισσότερα νετρόνια. Εάν υπάρχει αρκετό διαθέσιμο αντιδρών και αρκετά νετρόνια σε έναν αρκετά κλειστό χώρο, θα συμβεί μια αυτοσυντηρούμενη πυρηνική αλυσιδωτή αντίδραση. Η απαιτούμενη μάζα αντιδραστηρίου για μια αυτοσυντηρούμενη αντίδραση πυρηνικής σχάσης ονομάζεται «κρίσιμη μάζα».
