تمام واکنش های شیمیایی شامل تغییرات انرژی و انرژی به اشکال مختلف از جمله گرما، نور و صدا است. به عنوان مثال، انفجار دینامیت به سادگی سریع است واکنش شیمیایی که در عرض چند میکروثانیه مقدار زیادی انرژی آزاد می کند. هنگامی که دینامیت گرم می شود، اجسام مجاور و هوای اطراف را به سمت بیرون هل می دهد و امواج شوک و ترکش می فرستد.
تغییرات انرژی در یک واکنش شیمیایی نیز می تواند بسیار آهسته باشد و سال ها یا حتی دهه ها طول بکشد، مانند زنگ زدن آهسته فلزات. واکنش‌های شیمیایی مانند این به سختی قابل توجه هستند – اما همچنان شامل تغییرات انرژی هستند. این به این دلیل است که واکنش های شیمیایی شامل شکستن یا تشکیل پیوندها می شود. و هنگامی که این اتفاق می افتد، انرژی یا آزاد می شود، جذب می شود، یا هر دو.
واکنش های گرمازا و گرمازا
از نظر تغییرات انرژی، یک واکنش شیمیایی را می توان به عنوان یک واکنش گرمازا یا گرماگیر طبقه بندی کرد:
- واکنش های گرمازا رهایی انرژی گرمایی
- واکنش های گرماگیر جذب انرژی گرمایی
یک واکنش شیمیایی به سادگی تجزیه یک مولکول یا ترکیب به اجزای ساده تر آن است. رویدادهای روزمره، مانند زمانی که آهن و اکسیژن واکنش نشان می دهند و زنگ می زند، یا زمانی که آتش روشن می کنید یا به کبریت می زنید، نمونه هایی از واکنش های شیمیایی.
یک واکنش شیمیایی شامل دو یا چند واکنش دهنده است که محصولات جدیدی تولید می کنند: هنگامی که یک ماده شیمیایی با ماده شیمیایی دیگر واکنش می دهد، پیوندهای اولیه آن شکسته شده و پیوندهای جدیدی تشکیل می شود. این باعث آزاد شدن انرژی می شود.
سپس اجزای گروه عنصری یا فعال یک واکنش دهنده دوباره مرتب می شوند تا با اجزای تشکیل دهنده واکنش دهنده دیگر ترکیب شوند. در برخی موارد، اشکال عنصری از اجزای تشکیل دهنده آزاد می شود.
این همان چیزی است که وقتی دی اکسید کربن به آب اضافه می شود، اسید کربنیک تشکیل می دهد، یا وقتی سرکه به جوش شیرین اضافه می شود، باعث ایجاد کف و حباب در آن می شود که به استات سدیم تبدیل می شود. این نیز است آنچه در استراتوسفر ما با ازن اتفاق می افتد (O3) مولکول ها که توسط اشعه ماوراء بنفش شکسته می شوند و O را تشکیل می دهند2.
ازن شکل مولکولی پیچیده تری از اکسیژن است که دارای سه اتم در یک مولکول است و به صورت O نوشته می شود.3. هنگامی که اشعه ماوراء بنفش به مولکول ازن برخورد می کند، یک اتم اکسیژن اضافی از محل خارج می شود و O را تشکیل می دهد.2 و یک اکسیژن رایگان این واکنش همچنین به گرم شدن جو فوقانی کمک می کند زیرا یک واکنش گرمازا است، یعنی وقتی مولکول اوزون تجزیه می شود، انرژی گرمایی آزاد می شود.
یک واکنش شیمیایی گرمازا چیست؟
واکنش‌های شیمیایی گرمازا در نتیجه ترکیب شیمیایی واکنش‌دهنده‌ها و آزاد کردن محصولات جانبی، انرژی آزاد می‌کنند. رایج ترین و شناخته شده ترین انواع واکنش های شیمیایی گرمازا بین اسیدها و بازها هستند. اینها به عنوان واکنش های خنثی سازی شناخته می شوند و محصولات جانبی آنها نمک و آب است.
در اینجا مثالی از یک واکنش خنثی سازی ساده آورده شده است:
همانطور که در مثال مشاهده می کنید، هنگامی که اسید کلریدریک (HCl) با هیدروکسید سدیم (NaOH) واکنش می دهد، محصولات حاصل آب (H) است.2O) و نمک خوراکی، با نام مستعار کلرید سدیم (NaCl). اگر می خواهید واکنش متعادل تری داشته باشید، می توانید از روش تیتراسیون استفاده کنید. همچنین می توانید از معادله متعادل برای تعیین ریاضی واکنش و محصولات جانبی آن استفاده کنید. تنها چیزی که برای این کار باید بدانید جرم مولی دقیق هر واکنش دهنده است که برای داشتن یک واکنش خنثی سازی کامل لازم است. همچنین می توانید انرژی آزاد شده را محاسبه کرده و آن را به صورت تجربی تایید کنید.
برای اسیدهای قوی و مواد قلیایی، آنتالپی یا انرژی خنثی سازی درگیر همیشه منفی است زیرا انرژی است منتشر شد. همچنین مهم است که به یاد داشته باشید که اصطلاح “قوی”، زمانی که به اسید یا قلیایی اشاره می شود، به این معنی نیست که pH بسیار پایین یا بسیار بالایی دارد. در واقع به تمایل این مواد به حالت یونیزه شدن کامل هنگام حل شدن در آب اشاره دارد. بنابراین، فرض اساسی این است که این مواد در هنگام واکنش با یکدیگر کاملاً یونیزه می شوند.
بنابراین، با گسترش مثالی که در بالا آوردیم، معادله متعادل استاندارد برای واکنش شیمیایی بین اسید کلریدریک و محلول هیدروکسید سدیم به صورت زیر است:
NaOH(ق)+HCl(ق)→ NaCl(ق)+H2O
شرکت کنندگان فعال در واکنش هیدروکسید و یون های هیدروژن هستند. بنابراین، واکنش شیمیایی را می توان به صورت زیر نیز نوشت:
اوه–(ق)+H+(ق)→ اچ2O
رایج دیگر نمونه هایی از واکنش های شیمیایی گرمازا عبارتند از:
- واکنش های احتراق
- زنگ زدگی آهن
- واکنش ترمیت
- آب و کلرید کلسیم
- سولفیت سدیم و سفید کننده
- پرمنگنات پتاسیم و گلیسرول
- سدیم و کلر برای ساختن کلرید سدیم (نمک خوراکی)
- آب و هر اسید قوی
- آب و هر نمک بی آب
- فرآیند تنفس بیولوژیکی
صحبت از فرآیند تنفس بیولوژیکی، تنفس بی هوازی در موجودات بیولوژیکی رایج ترین و پیچیده ترین شکل یک واکنش شیمیایی گرمازا است. این اساساً تبدیل گلوکز به انرژی با استفاده از آن است ATP و اکسیژن، و محصول جانبی مواد شیمیایی اصلی، دی اکسید کربن است.
یک واکنش شیمیایی گرماگیر چیست؟
واکنش‌های شیمیایی گرماگیر واکنش‌هایی هستند که برای رخ دادن به انرژی نیاز دارند. آنها به جای آزاد کردن انرژی، انرژی را برای شکافتن یا پیوستن به پیوندهای اتمی جذب می کنند. رایج ترین و بهترین مثال این است فتوسنتزکه از انرژی نور برای تولید گلوکز از مواد اولیه آب و دی اکسید کربن استفاده می کند. این یک واکنش گرماگیر است زیرا نیاز به نور خورشید، یعنی انرژی نور، برای جذب گیاه است:
در اینجا چند مورد رایج دیگر وجود دارد نمونه هایی از واکنش های شیمیایی گرماگیر:
- حل کردن کلرید آمونیوم در آب
- آلکان های ترک خوردگی
- واکنش های تجزیه حرارتی
- مخلوط کردن آب و نیترات آمونیوم
- مخلوط کردن آب با کلرید پتاسیم
- اتانوئیک اسید با کربنات سدیم
سلول های شیمیایی
سلول های شیمیایی به عنوان سلول های الکتروشیمیایی شناخته می شوند. سلول الکتروشیمیایی مجموعه یا دستگاهی است که شامل الکترودها (کاتدها و آندها)، الکترولیت شیمیایی (جامد یا مایع) و جریان الکتریسیته است. سلول های شیمیایی یا از واکنش های شیمیایی الکتریسیته تولید می کنند یا از الکتریسیته برای تامین انرژی واکنش های شیمیایی استفاده می کنند.
سلول های شیمیایی که جریان الکتریکی تولید می کنند سلول های ولتایی یا سلول های گالوانیکی. آنها به افتخار دو دانشمند و مخترع بزرگ، الساندرو ولتا و لوئیجی گالوانی نامگذاری شده اند. سلول‌های شیمیایی که از الکتریسیته برای تولید واکنش‌های شیمیایی مانند تقسیم آب به هیدروژن و اکسیژن استفاده می‌کنند، سلول‌های الکترولیتی نامیده می‌شوند و این سلول‌ها در بسیاری از فرآیندهای صنعتی مانند آبکاری الکتریکی استفاده می‌شوند.
ولتاژ خروجی یا ولتاژ لازم به عوامل مختلفی بستگی دارد، از جمله:
- نوع مواد شیمیایی موجود در محلول الکترولیت
- نوع فلزات مورد استفاده به عنوان الکترود
- دمای محیط اطراف
واکنش های شیمیایی نیز به واکنش پذیری الکترودها و املاح محلول بستگی دارد. به عنوان مثال، جهت جریان در باتری به طور مستقیم به واکنش پذیری الکترودها بستگی دارد. فلزات دارای سطوح مختلفی از واکنش پذیری هستند، همانطور که در رتبه بندی مثال زیر نشان داده شده است، از کمترین واکنش تا بیشترین واکنش:
- نقره
- مس
- فلز روی
- منیزیم
هنگامی که الکترودها در یک الکترولیت مانند محلول اسید غوطه ور می شوند، الکترون ها را از دست می دهند یا جذب می کنند. این تا حد زیادی به واکنش پذیری الکترودها بستگی دارد. ما می‌توانیم اصول اساسی پشت سلول‌های ولتایی یا گالوانیکی را با استفاده از معادله متعادل ساده نشان‌داده شده در زیر نشان دهیم که واکنش روی فلزی با یون مس را نشان می‌دهد:
روی(ها)+ مس2+(ق)← روی2+(ق)+ مس(ها)
در این واکنش می بینید که مس واکنش پذیر کمتر با روی واکنش پذیرتر در محلول به عنوان یون جایگزین می شود. در همین حال، فلز کمتر واکنش پذیر از محلول رسوب می کند.
راهنمای ویرایش GCSE: