کاربرد واکنش گرماده و گرماگیر چیست؟

شیمی دنیایی از واکنش هاست. شاید باور نکنید که در هر لحظه شاید هزاران واکنش شیمیایی در حال انجام باشند. این واکنش ها می توانند انواعی از واکنش گرماده و گرماگیر باشند. تفاوت واکنش گرماده و گرماگیر در این است که واکنش گرماگیر تنها با گرفتن انرژی و به صورت غیر خود به خودی انجام می شوند. اما واکنش گرماده انرژی را به صورت گرما، نور یا صدا آزاد کرده و اغلب خود به خودی هستند. از دیگر تفاوت واکنش گرماده و گرماگیر تفاوت در آنتالپی آن‌هاست. در ادامه می خواهیم به بررسی دقیق واکنش گرماده و گرماگیر بپردازیم. واکنش های شیمیایی همچون واکنش گرماده و گرماگیر با تغییرات دمایی همراه خواهند بود. این تغییرات دمایی در واکنش های گرماده حتی می تواند منجر به انفجار شود. بنابراین با شناخت و کاربرد واکنش گرماده و گرماگیر در زندگی روزمره بیشتر می توان به ماهیت این نوع واکنش ها پی برد.

نشریه علمی جهان شیمی فیزیک قبلا هم به بررسی واکنش گرماده و گرماگیر به طور جداگانه پرداخته است. امروز به بررسی بیشتر این واکنش ها در این مقاله می پردازیم. در ادامه همراه ما باشید.

واکنش گرماده و گرماگیر

به واکنش هایی که با تغییرات دمایی همراه هستند واکنش گرماده و گرماگیر گفته می شود. تفاوت واکنش گرماده و گرماگیر در گرفتن و یا آزاد سازی انرژی است. واکنش های گرماده اغلب می توانند به صورت خود به‌ خودی انجام شده و هنگام انجام واکنش گرما آزاد می کنند. برای پیشرفت واکنش در این نوع واکنش ها نیاز به دادن انرژی نیست.

دیگر تفاوت واکنش گرماده و گرماگیر در آنتالپی آن‌هاست. آنتالپی واکنش گرماده کاهشی و آنتالپی واکنش گرماگیر افزایشی است.

واکنش گرماده و گرماگیر از لحاظ مقدار آنتروپی نیز متفاوت‌اند. در واکنش های گرماده آنتروپی مثبت است و در واکنش های گرماگیر آنتروپی منفی است.

در واکنش های گرماده انرژی آزاد گیبس منفی بوده، اما در واکنش های گرماگیر انرژی آزاد گیبس مثبت است. همین تفاوت موجب خود به‌ خودی بودن یا عدم آن در این واکنش ها شده است.

راه شناخت واکنش گرماده و گرماگیر از هم

یکی از ساده ترین روش های تشخیص واکنش گرماده و گرماگیر بررسی دمای محیط است. واکنش گرماده موجب افزایش دمای محیط می گردد. درحالی که واکنش های گرماگیر با صرف گرما موجب کاهش دمای محیط خواهند شد.

واکنش‌های گرماده و گرماگیر سطح انرژی را تغییر می‌ دهند. بنابراین تغییرات آنتالپی خواهیم داشت. توجه شود که ΔH توسط سیستم تعیین شده و محیط در تعیین آن نقشی ندارد. سیستمی که در محیط، گرما یا حرارت آزاد کند، دارای ΔH منفی خواهد بود. زیرا آنتالپی فرآورده‌ ها از آنتالپی واکنش ‌دهنده‌ ها کمتر است.

مشخصات واکنش گرماده	مشخصات واکنش گرماگیر
انرژی(گرما) آزاد می کند	انرژی را جذب می کند
مقدار انرژی آزاد گیبیس منفی است فرآیند خود به خودی است	انرژی آزاد گیبیس مثبت است فرآیند خود به خودی نیست
آنتروپی افزایش می یابد	آنتروبی کاهش می یابد
آنتالپی کاهش می یابد	آنتالپی افزایش می یابد

 

مثال واکنش گرماده و گرماگیر

واکنش هایی که بر اساس تغییرات گرما انجام می پذیرند را با نام واکنش گرماده و گرماگیر می شناسند. واکنش های گرماده واکنش هایی هستند که در آن ها گرما تولید شده و دمای محیط افزایش می یابد. ما در زندگی روزمره با بسیاری از این واکنش ها مواجه می شویم. در ادامه به مثال هایی از واکنش گرماده و گرماگیر اشاره می شود.

مثال واکنش گرماده

وقتی کربن در اکسیژن سوزانده می شود، کربن دی اکسید تولید شده و علاوه بر آن مقادیر زیادی گرما نیز تولید می گردد.

بنابراین سوختن کربن در اکسیژن با تولید گرما همراه بوده و مثالی از واکنش گرماده است. گرمادهی واکنش به صورت نوشتن +گرما یا + انرژی گرمایی و +انرژی در طرف محصولات معادله واکنش، نوشته می شود.

تنفس از دیگر مثال های واکنش گرماده است. طی فرآیند تنفس، انرژی تولید می شود. در این فرآیند در سلول های بدن، گلوکز با اکسیژن ترکیب شده و در نهایت دی اکسید کربن و آب به همراه مقادیری انرژی گرمایی تولید می گردد.

مثال واکنش های گرماگیر

واکنش هایی را که برای انجامشان نیاز به جذب گرما است را به عنوان واکنش گرماگیر معرفی می کنند. در ادامه به مثال هایی از این واکنش توجه نمایید.

نیتروژن و اکسیژن اگر در دمای بسیار بالا مثلا در حدود ۳۰۰۰ درجه سانتی گراد جهت تشکیل نیتروژن مونوکسید ترکیب شوند، مقادیر زیادی گرما برای انجام واکنش جذب می کنند. بنابراین این واکنش نمونه ای از واکنش گرماگیر است.

درواقع واکنش نیتروژن با اکسیژن منجر به تشکیل نیتروژن مونوکسید خواهد شد. چون این واکنش با جذب گرما همراه است از دسته واکنش های گرماگیر محسوب می شود. یک واکنش گرماگیر با نوشتن +گرما یا + انرژی گرمایی و +انرژی در طرف واکنش گرهای معادله واکنش مشخص می شود.

انواع واکنش های تجزیه ای نیز برای انجام به گرفتن انرژی نیاز دارند. حال این انرژی دریافتی می تواند به صورت نور، گرما یا الکتریسیته باشد. برای مثال، هنگامی که به کلسیم کربنات گرما داده شود، این ماده در اثر دریافت گرما به کلسیم اکسید و دی اکسید کربن تجزیه می گردد.

تفاوت ترمودینامیکی واکنش گرماده و گرماگیر

بر طبق قانون پایستگی انرژی، انرژی نه به وجود آمده و نه از بین می رود. تنها از شکلی به شکل دیگر تبدیل می گردد. تبادلات انرژی در یک واکنش شیمیایی و تأثیر تغییر حالت های مختلف بر واکنش توسط ترمودینامیک بررسی می گردد. آنتالپی یک سیستم افزایش می یابد، اگر واکنش در فشار ثابتی انجام شود. حال اگر واکنش در حجم ثابتی انجام شود، انرژی درونی سیستم افزایش خواهد یافت. انرژی آزاد گیبس برای واکنش های گرماگیر به صورت زیر تعریف می شود.

 G = ∆ H _ T ∆S ∆

واکنش گرماگیر انرژی آزاد گیبس مثبتی دارد. در نتیجه ۰ ˃ H ∆ یعنی تغییرات آنتالپی در آن مثبت است. واکنش های گرماده واکنش هایی هستند که به طور خود به خودی انجام می شوند. G ∆ انرژی آزاد گیبس در هر واکنش معیاری برای تشخیص مقدار آنتالپی و تغییرات آنتروپی است. درواقع انرژی گیبس نشان دهنده خود به خودی بودن یک واکنش است. البته در ترمودینامیک سرعت تعریف نمی شود. بنابراین نمی توان گفت که یک واکنش خود به خودی حتما انجام می شود یا خیر. درواقع در اغلب مواقع برای انجام واکنش به یک نیروی خارجی نیاز است.

اگر عامل محرکی برای واکنش اکسیژن با کربن وجود نداشته نباشد، بینشان برهم کنشی روی نخواهد داد. انرژی آزاد گیبس برای واکنش گرماده به شکل زیر تعریف می شود.

 G = ∆ H _ T ∆ S ∆

واکنش های گرماده خود به خودی دارند. میزان بی نظمی و تغییرات آنتروپی آن مثبت است. در نتیجه حاصل ضرب دما در تغییرات آنتروپی عددی مثبت می شود. تغییرات آنتالپی که منفی می باشد، پس با جاگذاری این حاصل ضرب در معادله بالا مقدار انرژی آزاد گیبس منفی واکنش خود به خودی انجام می شود. برای تغییرات آنتالپی در یک واکنش می توان از روش کالری متری سنجشی مقیاسی استفاده نمود.

کاربرد واکنش‌ گرماده و گرماگیر در صنعت

کوره ‌های احتراقی که عملیات گداختن و تصفیه کانی آهن و تولید آهن در آن ها رخ می‌ دهد برای انجام واکنش نیاز به دماهای بسیار بالایی دارند. در ذوب کردن سنگ آهن، سنگ آهن را با کک و سنگ آهک در کوره قرار می دهند. سپس جریانی از هوای داغ را به داخل کوره هدایت می ‌کنند. واکنش کک کربن با اکسیژن واکنشی بسیار گرماده است. این کوره‌ ها از اکسیژن غنی می‌ شوند. کک در اثر هوای داغ با اکسیژن واکنش داده و از گرمای حاصل از این واکنش برای ذوب سنگ آهن به کار می رود.

تفاوت واکنش اندوترمیک و اگزوترمیک

در واکنش های اندومتریک، ترکیبات در حین انجام واکنش گرما می گیرند. در این نوع واکنش ها سطح انرژی محصولات بالاتر از سطح انرژی مواد اولیه قرار دارد. واکنش گرماگیر آنتالپی واکنش، در فشار ثابت، افزایش خواهد یافت. در واکنش اندوترمیک(گرماگیر) انرژی درونی واکنش افزایش خواهد یافت. انرژی لازم برای انجام واکنش نیز از محیط بیرون گرفته می شود. درواقع برای اینکه واکنش رخ دهد بر روی سیستم کار انجام می شود.

فتوسنتز و واکنش گرماده و گرماگیر

یکی از نمونه های واکنش اندوترمیک فرآیند فتوسنتز است. در فرآیند فتوسنتز، گیاهان انرژی خورشید را گرفته و از آب و دی اکسید کربن گلوکز و اکسیژن می سازند. گیاهان از طریق برگ های خود نور را گرفته و عملیات فتوسنتز را انجام می دهند. توجه شود که این فرآیند بدون نور صورت نمی پذیرد. بنابراین یک واکنش واکنش اندوترمیک یا گرماگیر است.

فرآیند تبخیر

فرآیند تبخیر نیز نوع دیگری از واکنش اندوترمیک است. در این فرآیند مولکول های آب انرژی را از محیط اطراف جذب کرده و ارتعاش و حرکتشان افزایش می یابد. درادامه به بخار تبدیل می شوند. ذوب شدن یخ نیز مثال دیگری از واکنش اندو ترمیک است. زیرا برای آب شدن یخ به گرفتن انرژی از محیط اطراف احتیاج است.

الکترولیز

در الکترولیز برای تجزیه مولکول به یون های تشکیل دهنده خود به انرژی بیرونی نیاز است. بنابراین این فرآیند گرماگیر است.

توجه

کیسه های سرمایشی که برای کاهش درد عضلانی مورد استفاده قرار می گیرند نیز بر اساس واکنش اندوترمیک عمل می کنند. این کیسه های کوچک حاوی مقداری نیترات آمونیوم است. کیسه های حاوی نیترات آمونیوم درون کیسه های بزرگ تر و محتوی آب قرار گرفته اند. وقتی این کیسه ها را روی محل درد قرار داده و فشار می دهند، نیترات آمونیوم وارد آب می شود. برای انجام واکنش بین نیترات آمونیوم و آب گرما لازم است. این گرما از بدن تأمین می گردد. این فرآیند گرماگیر در نهایت منجر می شود تا فرد درد کمتری را احساس کند.

سخن آخر

در هر لحظه در دنیا واکنش گرماده و گرما گیر زیادی در حال انجام است. بسیاری از این واکنش ها در زندگی ما حیاتی هستند. استفاده و کاربرد واکنش گرماده و گرما گیر در صنعت و زندگی روزمره منجر به فراهم شدن زندگی راحت تری برای بشر خواهد شد. البته در انجام این واکنش ها باید دقت کافی را به عمل آورد. زیرا بعضی از واکنش ها بخصوص واکنش های گرماده ممکن است به صورت انفجاری رخ داده و به ما آسیب بزنند.

نشریه علمی جهان شیمی فیزیک قبلا به بررسی مواد شیمیایی مختل، عناصر جدول تناوبی و انواع واکنش های شیمیایی پرداخته است. با مراجعه به سایت نشریه علمی جهان شیمی فیزیک می توانید اطلاعات خود را در این زمینه افزایش دهید.