Kas ir endotermiskās reakcijas?

Ķīmiskā reakcija ietver saišu veidošanos starp atomiem. Tā kā sistēma vienmēr centīsies sasniegt zemāko enerģijas stāvokli, saites veidosies tikai tad, ja to rezultātā atomu kopējā enerģija pēc savienošanas būs zemāka nekā tā bija pirms savienošanas. Tādējādi ķīmisko saišu veidošanās atbrīvo enerģiju. Tomēr ķīmiskajās reakcijās saites ir jāsarauj, pirms var veidoties jauni savienojumi. Ķīmiskās saites pārraušanai ir nepieciešama enerģija, un, ja ir nepieciešams vairāk enerģijas, lai pārtrauktu saites reaģentos, nekā tiek atbrīvots, veidojot jaunas saites, kopējā reakcija ir endotermiska, jo notiek neto enerģijas pārnešana no apkārtējās vides uz reaģentiem.

Ne vienmēr ir tā, ka reakcija, kurai nepieciešams siltums, ir endotermiska reakcija. Dažkārt, lai sāktu reakciju, saišu pārraušanai ir nepieciešams siltums, bet vairāk siltuma izdalās jaunās saites, kas veidojas, tāpēc reakcija ir eksotermiska. Piemēram, ūdeņradis (H2) istabas temperatūrā nereaģēs ar skābekli (O2); tomēr, aizdedzinot ūdeņraža/skābekļa maisījumu ar sērkociņu, gāzes saplūst sprādzienbīstamā reakcijā ļoti eksotermiskā reakcijā: 2H2 + O2 → 2H2O. Siltums ir nepieciešams, lai sarautu saites ūdeņraža un skābekļa molekulās, bet ievērojami vairāk siltuma izdalās, veidojot jaunas ūdeņraža-skābekļa saites. Tāpēc tā ir eksotermiska reakcija.

Turpretim skābekļa savienošana ar slāpekli (N2), veidojot slāpekļa oksīdu (NO), ir endotermiska reakcija. Slāpekļa molekulā atomus satur ļoti spēcīga trīskāršā saite. Enerģija, kas nepieciešama šīs saites pārraušanai, ir lielāka par enerģiju, kas izdalās, veidojoties slāpekļa oksīdam, tāpēc reakcija ir endotermiska. Citas endotermiskas reakcijas ietver ūdens un oglekļa dioksīda apvienošanos, veidojot glikozi fotosintēzes procesā, kur nepieciešamo enerģiju iegūst no saules gaismas.

Reaģentu vai produktu kopējais enerģijas daudzums ķīmiskajā reakcijā ir pazīstams kā entalpija. To izsaka kilodžoulos (kJ) enerģijas un apzīmē ar simbolu ΔH. Ķīmiskās reakcijas rezultātā mainās entalpija. Eksotermiskās reakcijās produktiem ir mazāk enerģijas nekā reaģentiem, tāpēc izmaiņas ir negatīvas. Endotermiskās reakcijās produktiem ir vairāk enerģijas nekā reaģentiem, tāpēc izmaiņas ir pozitīvas.

Ūdeņraža un skābekļa eksotermiskā reakcija, veidojot ūdeni, izraisa negatīvas entalpijas izmaiņas -285.8 kJ katrai izveidotajai ūdens molekulai. Slāpekļa un skābekļa endotermiskā reakcija, veidojot slāpekļa oksīdu, rada pozitīvas entalpijas izmaiņas +180.5 kJ. Ķīmiskos vienādojumus var uzrakstīt, lai iekļautu entalpijas izmaiņas, tādējādi norādot, vai reakcija ir eksotermiska vai endotermiska, piemēram:

N2(g) + O2(g) → 2NO(g); ΔH = +180.5 kJ

Šie vienādojumi ietver reaģentu un produktu stāvokļus: s = cieta viela, l = šķidrums un g = gāze.

Endotermiskas ķīmiskās reakcijas var notikt istabas temperatūrā, ja ir liels entropijas pieaugums. Viens piemērs ir bārija hidroksīda oktahidrāta un amonija tiocianāta reakcija:

Ba(OH)2·8H2O(s) + 2NH4SCN(s) → Ba(SCN)2(s) + 10H2O(l) + 2NH3(g)

Šī ir ļoti endotermiska reakcija, un, tā kā trīs cieto vielu molekulas reaģē, veidojot 13 molekulas, no kurām 10 ir šķidras un divas ir gāzes, entropija ievērojami palielinās. Ja reaģentus sajauc vārglāzē un vārglāzi novieto uz bloka ar dažiem ūdens pilieniem, ūdens sasalst, jo siltums tiek absorbēts no apkārtējās vides. Faktiski temperatūra var pazemināties līdz -4 līdz -22 °F (-20 un -30 °C).