תגובה אנדותרמית: מאפיינים, משוואות ודוגמאות - כִּימִיָה - 2025

תגובה אנדותרמית היא אחת כי יתקיים חייבת לספוג אנרגיה, בצורה של חום או קרינה, מסביבתה. באופן כללי, אך לא תמיד, ניתן לזהות אותם על ידי ירידה בטמפרטורה בסביבתם; או להפך, הם זקוקים למקור חום, כמו זה שמתקבל על ידי להבה בוערת.

ספיגת האנרגיה או החום הם המשותף לכל התגובות האנדותרמיות; האופי שלהם, כמו גם התמורות המעורבים, הם מגוונים מאוד. כמה חום עליהם לספוג? התשובה תלויה בתרמודינמיקה שלה: הטמפרטורה בה התגובה מתרחשת באופן ספונטני.

נמס נטיפים של קרח. מקור: Pixabay

לדוגמה, אחת התגובות האנדותרמיות הסמליות ביותר היא שינוי המצב מקרח למים נוזליים. קרח צריך לספוג חום עד לטמפרטורתו להגיע לכ- 0 ° C; בטמפרטורה זו ההיתוך שלה הופך להיות ספונטני, והקרח יספוג עד שהוא נמס לחלוטין.

בחללים חמים, כמו לחופי חוף, הטמפרטורות גבוהות יותר ולכן הקרח סופג חום במהירות רבה יותר; כלומר הוא נמס מהר יותר. התכה של קרחונים היא דוגמא לתגובה אנדותרמית לא רצויה.

מדוע זה קורה ככה? מדוע קרח לא יכול להופיע כמוצק חם? התשובה נעוצה באנרגיה הקינטית הממוצעת של מולקולות המים בשני המצבים, וכיצד הם מתקשרים זה עם זה דרך קשרי המימן שלהם.

במים נוזליים, למולקולות שלה חופש תנועה גדול יותר מאשר בקרח, שם הם רוטטים נייחים בגבישים שלה. כדי לנוע, על מולקולות לקלוט אנרגיה בצורה כזו שרטטיהן מפרקים את קשרי המימן הכיוונים החזקים בקרח.

מסיבה זו קרח סופג חום להמיס. כדי שיהיה "קרח חם", קשרי מימן יצטרכו להיות חזקים בצורה חריגה כדי להמיס בטמפרטורה הרבה מעל 0 מעלות צלזיוס.

מאפייני תגובה אנדותרמית

שינוי המצב אינו תגובה כימית כראוי; עם זאת, אותו דבר קורה: למוצר (מים נוזליים) אנרגיה גבוהה יותר מאשר המגיב (קרח). זה המאפיין העיקרי של תגובה או תהליך אנדותרמי: התוצרים אנרגטיים יותר מהגיבים.

אמנם זה נכון, זה לא אומר שמוצרים חייבים בהכרח להיות לא יציבים. במקרה שכן, התגובה האנדותרמית מפסיקה להיות ספונטנית בכל תנאי הטמפרטורה או הלחץ.

שקול את המשוואה הכימית הבאה:

A + Q => B

כאשר Q מייצג חום, בדרך כלל בא לידי ביטוי ביחידות של ג'ול (J) או קלוריות (קל). כאשר A סופג חום Q כדי להפוך ל B, נאמר אז כי זו תגובה אנדותרמית. לפיכך, ל- B יש יותר אנרגיה מ- A, והוא חייב לקלוט מספיק אנרגיה בכדי להשיג את הטרנספורמציה שלו.

תרשים תגובה אנדותרמי עבור A ו- B. מקור: גבריאל בוליבר

כפי שניתן לראות בתרשים לעיל, ל- A פחות אנרגיה מ B. כמות החום Q שנספג על ידי A היא כזו שהיא מתגברת על אנרגיית ההפעלה (האנרגיה הדרושה כדי להגיע לראש הפסגה הסגולה). ההבדל באנרגיה בין A ל B הוא מה שמכונה האנטלפיה של התגובה, ΔH.

ΔH> 0

כל התגובות האנדותרמיות משותפות לתרשים לעיל, מכיוון שהתוצרים אנרגטיים יותר מהגיבים. לפיכך, ההבדל בין האנרגיה ביניהם, ΔH, הוא תמיד חיובי (H _Product -H _Reactive > 0). מכיוון שזה נכון, צריכה להיות ספיגת חום או אנרגיה מהסביבה כדי לספק את הצורך באנרגיה זו.

ואיך מתבטאים ביטויים כאלה? בתגובה כימית קשורים תמיד קשרים ליצירת חדשים. כדי לשבור אותם, קליטה של ​​אנרגיה נחוצה; כלומר זהו צעד אנדותרמי. בינתיים, היווצרות הקשרים מרמזת על יציבות, ולכן זהו צעד אקסותרמי.

כאשר הקשרים הנוצרים אינם מספקים יציבות הדומה לכמות האנרגיה הנדרשת לשבירת הקשרים הישנים, זוהי תגובה אנדותרמית. זו הסיבה שנדרשת אנרגיה נוספת כדי לקדם את שבירת הקשרים היציבים ביותר בתגובות.

לעומת זאת, בתגובות אקזוותרמיות קורה ההפך: חום משתחרר ו- ΔH הוא <1 (שלילי). כאן המוצרים יציבים יותר מהגיבים, והתרשים בין A ל B משנה את צורתם; עכשיו B נמצא מתחת A, ואנרגיית ההפעלה נמוכה יותר.

הם מקררים את סביבתם

למרות שזה לא חל על כל התגובות האנדותרמיות, כמה מהן גורמות לירידה בטמפרטורה של סביבתן. הסיבה לכך היא שהחום הספוג מגיע מאי שם. כתוצאה מכך, אם ההמרה של A ו- B הייתה מתרחשת בתוך מכולה, היא הייתה מתקררת.

ככל שהתגובה אנדותרמית יותר, כך המכל והסביבה שלו יהיו קרים יותר. למעשה, כמה תגובות אפילו מסוגלות ליצור שכבה דקה של קרח, כאילו יצאו מהמקרר.

עם זאת, ישנן תגובות מסוג זה שלא מקררות את סביבתן. למה? מכיוון שהחום שמסביב אינו מספיק; כלומר הוא לא מספק את ה- Q (J, cal) שנכתב במשוואות כימיות. לכן זה כאשר נכנסים קרינת אש או UV.

מעט בלבול עשוי להיווצר בין שני התרחישים. מצד אחד, החום מהסביבה מספיק בכדי שהתגובה תימשך באופן ספונטני, ונצפה צינון; ומאידך, יש צורך בחום רב יותר ומשתמשים בשיטת חימום יעילה. בשני המקרים אותו דבר קורה: אנרגיה נספגת.

משוואות

מהן המשוואות הרלוונטיות בתגובה אנדותרמית? כפי שכבר הוסבר, ה- ΔH חייב להיות חיובי. כדי לחשב אותה, תחילה נחשבים המשוואה הכימית הבאה:

aA + bB => cC + dD

כאשר A ו- B הם המגיבים, ו- C ו- D הם המוצרים. האותיות הקטנות (a, b, c ו- d) הם המקדמים הסטויו-מטריים. כדי לחשב את ה- H של תגובה גנרית זו, מיושם הביטוי המתמטי הבא:

_מוצרים ΔH - ΔH _{ריאגנטים} = ΔH _rxn

אתה יכול להמשיך ישירות, או לבצע את החישובים בנפרד. עבור ΔH _מוצרים יש לחשב את הסכום הבא:

c ΔH _f C + d ΔH _f D

כאשר ΔH _f הוא האנטלפיה של היווצרותו של כל חומר המעורב בתגובה. על פי המוסכמה, לחומרים בצורתם היציבה ביותר יש ΔH _f = 0. לדוגמא, למולקולות של O ₂ ו- H ₂ , או ממתכת מוצקה, יש ΔH _f = 0.

אותו חישוב נעשה כעת עבור המגיבים, ΔH _Reagents :

a ΔH _f A + b ΔH _f B

אך מכיוון שהמשוואה אומרת שצריך להפחית את _{ריאגנטים} של H _ממוצרי ΔH , אז יש להכפיל את הסכום לעיל ב -1. אז יש לך:

c ΔH _f C + d ΔH _f D - (a ΔH _f A + b ΔH _f B)

אם התוצאה של חישוב זה היא מספר חיובי, הרי שזו תגובה אנדותרמית. ואם זה שלילי, זו תגובה אקזוטית.

דוגמאות לתגובות אנדותרמיות נפוצות

אידוי קרח יבש

קרח יבש. מקור: Nevit, מתוך ויקימדיה Commons

כל מי שאי פעם ראה את האדים הלבנים הנובעים מעגלת גלידה, היה עד לאחת הדוגמאות הנפוצות ביותר ל"תגובה "אנדותרמית.

מעבר לגלידות מסוימות, אדים אלה המשתחררים ממוצקים לבנים, המכונים קרח יבש, היו גם חלק מהתרחישים ליצירת אפקט האובך. קרח יבש זה אינו אלא פחמן דו חמצני מוצק, שכאשר סופג טמפרטורה ולחץ חיצוני מתחיל להעפיל.

ניסוי לקהל ילדים יהיה למלא ולאטום שקית עם קרח יבש. כעבור זמן מה זה בסופו של דבר יתנפח בגלל ה- CO ₂ הגזי אשר יוצר עבודה או לוחץ על קירות התיק בפני לחץ אטמוספרי.

אפיית לחם או בישול אוכל

לחם אפוי. מקור: Pixabay

אפיית לחם היא דוגמא לתגובה כימית, מכיוון שכעת יש שינויים כימיים כתוצאה מחום. כל מי שהריח את הארומה של לחמים טריים, יודע שתגובה אנדותרמית מתרחשת.

הבצק וכל מרכיביו זקוקים לחום התנור בכדי לבצע את כל התמורות, החיוניות להפוך לחם ולהציג את מאפייניו האופייניים.

בנוסף לחמים, המטבח מלא בדוגמאות לתגובות אנדותרמיות. מי שמבשל מתמודד איתו מדי יום. בישול פסטה, ריכוך הגרעינים, חימום גרעיני התירס, בישול ביצים, תיבול בשרים, אפיית עוגה, הכנת תה, חימום כריכים; כל אחת מהפעולות הללו הן תגובות אנדותרמיות.

הִשׁתַזְפוּת

צבים מקבלים אמבטיית שמש. מקור: Pixabay

פשוטים ונפוצים ככל שהם נראים, שיזופי שמש שנטלו זוחלים מסוימים, כגון צבים ותנינים, נכללים בקטגוריית התגובות האנדותרמיות. הצבים סופגים חום מהשמש כדי לווסת את חום גופם.

ללא השמש, הם שומרים על חום המים כדי להתחמם; שמסתיים בקירור המים בבריכות או במכלי הדגים שלך.

תגובה של חנקן אטמוספרי ויצירת אוזון

בָּרָק. מקור: Pixabay

האוויר מורכב בעיקר מחנקן וחמצן. במהלך סערות חשמל, אנרגיה כזו משתחררת שהיא יכולה לשבור את הקשרים החזקים המחזיקים את אטומי החנקן יחד במולקולת N ₂ :

N ₂ + O ₂ + Q => 2NO

מצד שני, חמצן יכול לספוג קרינה אולטרה סגולה כדי להפוך לאוזון; אלוטרופיה של חמצן שמועילה מאוד בסטרטוספרה, אך מזיקה לחיים בגובה הקרקע. התגובה היא:

3O ₂ + v => 2O ₃

כאשר v פירושו קרינה אולטרה סגולה. המנגנון שמאחורי המשוואה הפשוטה הזו מורכב מאוד.

אלקטרוליזה של מים

אלקטרוליזה משתמשת באנרגיה חשמלית בכדי להפריד מולקולה ליסודות או למולקולות היוצרות שלה. לדוגמא, באלקטרוליזה של מים נוצרים שני גזים: מימן וחמצן, כל אחד באלקטרודות שונות:

2H ₂ O => 2H ₂ + O ₂

כמו כן, נתרן כלוריד יכול לעבור את אותה תגובה:

2NaCl => 2Na + Cl ₂

באלקטרודה אחת תראו היווצרות של נתרן מתכתי, ובאחרת בועות כלור ירקרקות.

פוטוסינתזה

צמחים ועצים צריכים לספוג אור שמש כאספקת אנרגיה לסינתזה של הביומרטיקה שלהם. לשם כך, היא משתמשת CO ₂ ומים כחומרי גלם , אשר באמצעות סדרה ארוכה של צעדים, מומרים לגלוקוז וסוכרים אחרים. בנוסף נוצר חמצן המשתחרר מהעלים.

פתרונות של כמה מלחים

אם מומסים נתרן כלוריד במים, לא ניתן להבחין בשינוי ניכר בטמפרטורה החיצונית של הזכוכית או המיכל.

כמה מלחים, כמו סידן כלוריד, CaCl ₂ , מעלים את טמפרטורת המים כתוצאה מההידרציה הגדולה של יוני Ca ²⁺ . ומלחים אחרים, כמו אמוניום חנקתי או כלוריד, NH ₄ NO ₃ ו- NH ₄ Cl, מורידים את הטמפרטורה של המים ומקררים את סביבתם.

בכיתות, ניסויים ביתיים נעשים לרוב על ידי המסת חלק ממלחים אלה כדי להדגים מהי תגובה אנדותרמית.

הירידה בטמפרטורה נובעת מהעובדה שההידרציה של יוני ₄ ⁺ איננה מועדפת על רקע פירוק הסידורים הגבישיים של מלחים שלהם. כתוצאה מכך המלחים סופגים חום מהמים כדי לאפשר להמיס את היונים.

תגובה כימית נוספת הנפוצה בדרך כלל להפגנה זו היא הבאה:

Ba (OH) ₂ 8H ₂ O + 2NH ₄ NO ₃ => Ba (NO ₃ ) ₂ + 2NH ₃ + 10H ₂ O

שימו לב לכמות המים שנוצרה. כאשר מעורבים שני המוצקים מתקבל תמיסה מימית של Ba (NO ₃ ) ₂ , עם ריח של אמוניה, ועם ירידה בטמפרטורה כך שהיא ממש מקפיאה את המשטח החיצוני של המכולה.

פירוק תרמי

אחד הפירוקים התרמיים הנפוצים ביותר הוא זה של נתרן ביקרבונט, NaHCO ₃ , לייצור CO ₂ ומים בעת חימום. מוצקים רבים, כולל קרבונטים, מתפרקים לרוב כדי לשחרר CO ₂ ואת התחמוצת המתאימה. לדוגמא, פירוק הסידן פחמתי הוא כדלקמן:

CaCO ₃ + Q => CaO + CO ₂

כך גם לגבי מגנזיום, סטרונציום ובריום קרבונט.

חשוב לציין כי הפירוק התרמי שונה בעירה. בראשון אין נוכחות של הצתה או שמשתחרר חום, בעוד שבשני יש; כלומר, בעירה היא תגובה אקסותרמית, גם כאשר היא מחייבת מקור חום ראשוני להתרחש או להתרחש באופן ספונטני.

אמוניום כלוריד במים

כאשר כמות קטנה של אמוניום כלוריד (NH4Cl) מומסת במים בצינור המבחן, הצינור הופך קר יותר מבעבר. במהלך תגובה כימית זו, החום נספג מהסביבה.

נתרן טריוסולפט

כאשר גבישים של נתרן תיוסולפט (Na ₂ S ₂ O ₃ .5 H ₂ O), המכונים בדרך כלל היפו, מתמוססים במים, מתרחשת אפקט קירור.

מנועי רכב

שריפת בנזין או דיזל במנועי מכוניות, משאיות, טרקטורים או אוטובוס מייצרת אנרגיה מכנית המשמשת במחזור כלי רכב אלה.

נוזלים רותחים

על ידי הכנת נוזל לחום הוא משיג אנרגיה ונכנס למצב גזי.

מבשלים ביצה

כאשר מוחל חום, מחלפים את חלבוני הביצה ויוצרים את המבנה המוצק הנבלע בדרך כלל.

בישול אוכל

באופן כללי, תמיד כשמבשלים בחום כדי לשנות את תכונות המזון, מתרחשות תגובות אנדותרמיות.

התגובות הללו הן הגורמות למזון להיות רך יותר, לייצר מסות ניתנות לשחרור, לשחרר את הרכיבים שהם מכילים, בין היתר.

חימום אוכל במיקרוגל

בגלל קרינת מיקרוגל, מולקולות מים במזון סופגות אנרגיה, מתחילות לרטוט, ומעלות את טמפרטורת המזון.

דפוס זכוכית

ספיגת החום על ידי זכוכית הופכת את המפרקים לגמישים, מה שמקל על שינוי צורתו.

צריכת נר

שעווה לנרות נמסה על ידי ספיגת החום מהלהבה, שינוי צורתה.

ניקוי מים חמים

כשמשתמשים במים חמים לניקוי חפצים שהוכתמו בשומן, כמו סירים או בגדים, השומן הופך להיות דק יותר וקל יותר להסרה.

עיקור חום של מזון וחפצים אחרים

כשמחממים חפצים או מזון, המיקרואורגניזמים שהם מכילים מעלים גם הם את הטמפרטורה שלהם.

כאשר מסופק חום רב, מתרחשות תגובות בתוך תאים חיידקים. רבות מהתגובות הללו, כמו שבירת קשרים או denaturation של חלבונים, בסופו של דבר נהרגות את המיקרואורגניזמים.

להילחם בזיהומים עם חום

כאשר מתרחש חום, הסיבה לכך היא שהגוף מייצר את החום הדרוש כדי להרוג את החיידקים והנגיפים הגורמים לזיהומים וגורמים למחלות.

אם החום הנוצר גבוה והחום גבוה, תאי הגוף מושפעים גם כן ויש סכנת מוות.

אידוי מים

כאשר מים מתאדים והופכים לאדים, הם נובעים מהחום שהם מקבלים מהסביבה. ככל שמתקבלת אנרגיה תרמית על ידי כל מולקולת מים, אנרגיית הרטט שלה עולה עד לנקודה בה היא יכולה לנוע בחופשיות, ויוצרת אדים.

הפניות

1. וויטן, דייויס, פק וסטנלי. (2008). כִּימִיָה. (מהדורה 8). לימוד CENGAGE.
2. ויקיפדיה. (2018). תהליך אנדותרמי. התאושש מ: en.wikipedia.org
3. הלמנסטין, אן מארי, דוקטורט. (27 בדצמבר 2018). דוגמאות לתגובה אנדותרמית. התאושש מ: thoughtco.com
4. האקדמיה לחאן. (2019). אנדותרמי לעומת תגובות אקסותרמיות. התאושש מ: khanacademy.org
5. סרם מורמסון. (2019). מה קורה ברמה המולקולרית במהלך תגובה אנדותרמית? שמע את סיאטל מדיה. התאושש מ: education.seattlepi.com
6. QuimiTube. (2013). חישוב האנטלפיה של התגובה מהאנטלופות של היווצרות. התאושש מ: quimitube.com
7. Quimicas.net (2018). דוגמאות לתגובה אנדותרמית. התאושש מ:
   quimicas.net.