- Característiques d'una reacció endotèrmica
- ΔH> 0
- Refreden els seus voltants
- equacions
- Exemples de reaccions endotèrmiques comuns
- Evaporació de el gel sec
- Enfornat de pans o cuinar aliments
- Els banys de sol
- Reacció de l'nitrogen atmosfèric i formació d'ozó
- Electròlisi d'l'aigua
- fotosíntesi
- Dissolucions d'algunes sals
- descomposicions tèrmiques
- Clorur d'amoni en aigua
- Triosulfato de sodi
- Motors de cotxes
- líquids bullint
- Cuinar un ou
- Cocció d'aliments
- Escalfament d'aliments al microones
- Moldeamiento de l'vidre
- Consum d'una espelma
- Neteja amb aigua calenta
- Esterilització per calor d'aliments i altres objectes
- Combat d'infeccions amb febre
- Evaporació d'aigua
- referències
Una reacció endotèrmica és aquella que per tenir lloc ha d'absorbir energia, en forma de calor o radiació, dels seus voltants. Generalment, encara que no sempre, poden reconèixer per un descens de la temperatura en el seu entorn; o per contra, necessiten d'una font de calor, com l'obtinguda per una flama ardent.
L'absorció d'energia o calor és el que tenen en comú totes les reaccions endotèrmiques; la naturalesa de les mateixes, així com les transformacions involucrades, són molt diverses. Quant calor han d'absorbir? La resposta depèn de la seva termodinàmica: la temperatura a la qual la reacció ocorre espontàniament.
Estalactita de gel fonent. Font: Pixabay
Per exemple, una de les reaccions endotèrmiques més emblemàtiques és el canvi d'estat de el gel a aigua líquida. El gel necessita absorbir calor fins que la seva temperatura arribi als 0ºC aproximadament; a aquesta temperatura la seva fusió es torna espontània, i el gel absorbirà fins que s'hagi fos del tot.
En espais calorosos, com en les ribes d'una platja, les temperatures són més elevades i per tant el gel absorbeix calor a major rapidesa; és a dir, es fon a major velocitat. El desglaç de les glaceres és un exemple d'una reacció endotèrmica indesitjable.
Per què passa d'aquesta manera? Per què el gel no pot presentar-se com un sòlid calent? La resposta està en l'energia cinètica mitjana de les molècules d'aigua en tots dos estats, i com interaccionen entre si mitjançant els seus ponts d'hidrogen.
A l'aigua líquida, les seves molècules tenen major llibertat de moviment que en el gel, on vibren estacionariamente en els seus vidres. Per moure, les molècules han d'absorbir energia de tal manera que les seves vibracions trenquin els forts ponts d'hidrogen direccionals en el gel.
És per això que el gel absorbeix calor per fondre. Perquè hi hagi un "gel calent" els ponts d'hidrogen haurien de ser anormalment forts per fondre a una temperatura molt per sobre dels 0ºC.
Característiques d'una reacció endotèrmica
El canvi d'estat no és pròpiament una reacció química; però, succeeix el mateix: el producte (l'aigua líquida) té major energia que el reactant (gel). Aquesta és la principal característica d'una reacció o procés endotèrmic: els productes són més energètics que els reactius.
Encara que això és veritat, no vol dir que els productes necessàriament hagin de ser inestables. En el cas que sí que ho sigui, la reacció endotèrmica deixa de ser espontània sota tota condició de temperatura o pressió.
Considerese la següent equació química:
A + Q => B
On Q representa calor, expressat usualment amb les unitats de joule (J) o calories (calç). Com A absorbeix calor Q per transformar-se en B, es diu llavors que es tracta d'una reacció endotèrmica. Sent així, B posseeix més energia que A, i ha d'absorbir l'energia suficient per aconseguir la seva transformació.
Diagrama de reacció endotèrmica per a A i B. Font: Gabriel Bolívar
Com es pot veure en el diagrama superior, A té menys energia que B. La quantitat de calor Q que absorbeix A és tal que venç l'energia d'activació (l'energia necessària per arribar al cim habitada amb sostre puntejat). La diferència d'energia entre A i B és el que es coneix com entalpia de la reacció, ΔH.
ΔH> 0
Totes les reaccions endotèrmiques tenen en comú el diagrama anterior, ja que els productes són més energètics que els reactius. Per tant, la diferència d'energia entre ells, ΔH, és sempre positiu (H Producte -H Reactiu > 0). A l'ésser això cert, hi ha d'haver una absorció de calor o energia dels voltants per tenir aquesta necessitat energètica.
I com s'interpreten aquestes expressions? En una reacció química sempre es trenquen enllaços per crear-ne. Per trencar-los, és necessària l'absorció d'energia; és a dir, es tracta d'un pas endotèrmic. Mentrestant, la formació dels enllaços implica estabilitat, per la qual cosa és un pas exotèrmic.
Quan els enllaços formats no brinden una estabilitat equiparable a la quantitat d'energia requerida per trencar els enllaços vells, s'està davant d'una reacció endotèrmica. És per això que es necessita energia addicional per promoure el trencament dels enllaços més estables en els reactius.
D'altra banda, en les reaccions exotèrmiques passa el contrari: s'allibera calor, i ΔH és <1 (negatiu). Aquí els productes són més estables que els reactius, i el diagrama entre A i B canvia de forma; ara B es situa per sota de A, i l'energia d'activació és menor.
Refreden els seus voltants
Tot i que no s'aplica per a totes les reaccions endotèrmiques, diverses d'elles ocasionen un descens de la temperatura dels seus voltants. Això es deu al fet que d'alguna banda prové la calor absorbida. En conseqüència, si dins d'un recipient es dugués a terme la conversió de A i B, aquest es refredaria.
Com més endotèrmica sigui la reacció, més fred es tornarà el recipient i els seus voltants. De fet, algunes reaccions fins i tot són capaços de formar una prima coberta de gel, com si haguessin sortit d'un refrigerador.
No obstant això, hi ha reaccions que d'aquest tipus que no refreden els seus voltants. Per què? Perquè la calor dels voltants és insuficient; és a dir, no aporta el Q (J, calç) cal que s'escriu en les equacions químiques. Per tant, és aquí quan entra el foc o la radiació ultraviolada.
Pot sorgir una petita confusió entre els dos escenaris. D'una banda, la calor dels voltants n'hi ha prou perquè la reacció prossegueixi espontàniament, i s'observa un refredament; i de l'altra, es necessita de més calor i es recorre a un mètode eficient d'escalfament. En ambdós casos passa el mateix: s'absorbeix energia.
equacions
Quines són les equacions pertinents en una reacció endotèrmica? Com ja es va explicar, el ΔH ha de ser positiu. Per calcular-ho, es considera primer la següent equació química:
aA + bB => cC + dD
On A i B són les substàncies reactants, i C i D són els productes. Les lletres en minúscules (a, b, cid) són els coeficients estequiomètrics. Per calcular el ΔH d'aquesta reacció genèrica s'aplica la següent expressió matemàtica:
ΔH Productes - ΔH Reactius = ΔH rxn
Es pot procedir directament, o fer els càlculs per separat. Per ΔH Productes s'ha de calcular la següent suma:
c ΔH f C + d ΔH f D
On ΔH f és l'entalpia de formació de cada substància involucrada en la reacció. Per convenció, les substàncies en les seves formes més estables tenen ΔH f = 0. Per exemple, les molècules d'O 2 i H 2, o un metall sòlid, tenen ΔH f = 0.
El mateix càlcul es fa ara per als reactants, ΔH Reactius:
a ΔH f A + b ΔH f B
Però com l'equació diu que ΔH Reactius ha restársele a ΔH Productes, llavors la suma anterior s'ha de multiplicar per -1. Així es té:
c ΔH f C + d ΔH f D - (a ΔH f A + b ΔH f B)
Si el resultat d'aquest càlcul és un nombre positiu, llavors es tracta d'una reacció endotèrmica. I si dóna negatiu, és una reacció exotèrmica.
Exemples de reaccions endotèrmiques comuns
Evaporació de el gel sec
Gel sec. Font: Nevit, from Wikimedia Commons
Qui hagi vist alguna vegada aquells vapors blancs emanant d'un carret de gelats ha presenciat un dels exemples més comuns d'una "reacció" endotèrmica.
Més enllà d'uns gelats aquests vapors despresos d'uns sòlids blancs, anomenats gels secs, també han format part dels escenaris per crear l'efecte de boirina. Aquest gel sec no és més que diòxid de carboni sòlid, el qual a l'absorbir la temperatura i davant la pressió externa comença a sublimar.
Un experiment per a un públic infantil seria el d'omplir i segellar una bossa amb gel sec. Passat un temps, aquesta acabarà per inflar-se a causa de l'CO 2 gasós, que genera treball o pressiona les parets internes de la borsa en contra de la pressió atmosfèrica.
Enfornat de pans o cuinar aliments
Pa de fer. Font: Pixabay
El forn de pans és un exemple d'una reacció química, ja que ara sí que hi ha canvis químics a causa d'la calor. Qui hagi fet olor l'aroma dels pans acabats de fer sap que està passant una reacció endotèrmica.
La massa i tots els seus ingredients, necessiten de la calor de l'forn per dur a terme totes les transformacions, indispensables per convertir-se en el pa i exhibir les seves característiques típiques.
A més dels pans, la cuina està plena d'exemples de reaccions endotèrmiques. Qui cuini brega amb elles diàriament. El cuinar pasta, estovar els grans, escalfar els grans de blat de moro, coure ous, assaonar les carns, coure un pastís, preparar te, escalfar uns emparedats; cada un d'aquestes activitats són reaccions endotèrmiques.
Els banys de sol
Tortugues rebent un bany de sol. Font: Pixabay
Per simple i comú que puguin semblar, els banys de sol que es prenen certs rèptils, com les tortugues i cocodrils, entren en la categoria de reaccions endotèrmiques. Les tortugues absorbeixen la calor de el sol per regular la temperatura del seu organisme.
Sense el sol, retenen la calor de l'aigua per mantenir-se calents; el que acaba en el refredament de l'aigua dels seus estanys o peixeres.
Reacció de l'nitrogen atmosfèric i formació d'ozó
Rayo. Font: Pixabay
L'aire es compon principalment de nitrogen i oxigen. Durant les tempestes elèctriques, s'allibera una energia tal que pot trencar els forts enllaços que mantenen units els àtoms de nitrogen en la molècula de N 2:
N 2 + O 2 + Q => 2NO
D'altra banda, l'oxigen pot absorbir radiació ultraviolada per convertir-se en ozó; al·lòtrop de l'oxigen que és molt beneficiós en l'estratosfera, però perjudicial per a la vida a l'nivell de terra. La reacció és:
3O 2 + v => 2O 3
On v significa radiació ultraviolada. El mecanisme darrere d'aquesta simple equació és molt complex.
Electròlisi d'l'aigua
L'electròlisi fa ús de l'energia elèctrica per separar una molècula en els seus elements o molècules formadores. Per exemple, en l'electròlisi de l'aigua es generen dos gasos: hidrogen i oxigen, cada un en elèctrodes diferents:
2H 2 O => 2H 2 + O 2
Així mateix, el clorur de sodi pot patir aquesta mateixa reacció:
2NaCl => 2Na + Cl 2
En un elèctrode es veurà la formació de sodi metàl·lic, i en l'altre, bombolles verdoses de clor.
fotosíntesi
Les plantes i arbres necessiten absorbir la llum solar com a subministrament energètic per sintetitzar els seus biomaterials. Per això utilitza com a matèria primera el CO 2 i l'aigua, els quals mitjançant una sèrie llarga de passos, es converteixen en glucosa i altres sucres. A més, es forma oxigen, el qual s'allibera de les fulles.
Dissolucions d'algunes sals
Si es dissol clorur de sodi en aigua, no es notarà cap canvi apreciable en la temperatura externa del vas o recipient.
Algunes sals, com el clorur de calci, CaCl 2, augmenten la temperatura de l'aigua com a producte de la gran hidratació dels ions Ca 2+. I altres sals, com el nitrat o clorur d'amoni, NH 4 NO 3 i NH 4 Cl, disminueixen la temperatura de l'aigua i es refreden els seus voltants.
A les aules solen fer-se experiments casolans dissolent algunes d'aquestes sals per demostrar el que és una reacció endotèrmica.
El descens de la temperatura es deu al fet que la hidratació dels ions NH 4 + no està afavorida davant de la dissolució dels arranjaments cristal·lins de les seves sals. En conseqüència, les sals absorbeixen calor de l'aigua per permetre que els ions siguin solvatats.
Una altra reacció química que sol ser molt comú per demostrar això és la següent:
Ba (OH) 2 · 8H 2 O + 2NH 4 NO 3 => Ba (NO 3) 2 + 2NH 3 + 10H 2 O
Cal notar la quantitat d'aigua formada. A l'barrejar tots dos sòlids, s'obté una dissolució aquosa de Ba (NO 3) 2, amb olor a amoníac, i amb un descens de temperatura tal que literalment congela la superfície externa de l'recipient.
descomposicions tèrmiques
Una de les descomposicions tèrmiques més comuns és la de el bicarbonat de sodi, NaHCO 3, per produir CO 2 i aigua a l'escalfar-se. Molts sòlids, entre ells els carbonats, solen descompondre per alliberar CO 2 i l'òxid corresponent. Per exemple, la descomposició de l'carbonat de calci és la següent:
CaCO 3 + Q => CaO + CO 2
El mateix succeeix amb els carbonats de magnesi, estronci i bari.
És important ressaltar que una descomposició tèrmica és diferent a una combustió. A la primera no hi ha presència d'ignició ni s'allibera calor, mentre que en la segona si; és a dir, la combustió és una reacció exotèrmica, tot i que necessita d'una font de calor inicial per tenir lloc o donar-se espontàniament.
Clorur d'amoni en aigua
Quan es dissol una petita quantitat de clorur d'amoni (NH4Cl) en aigua en un tub d'assaig, el tub es torna més fred que abans. Durant aquesta reacció química, la calor s'absorbeix de l'entorn.
Triosulfato de sodi
Quan els cristalls de tiosulfat de sodi (Na 2 S 2 O 3.5H 2 O), comunament anomenats singlot, es dissolen en aigua, es produeix un efecte de refredament.
Motors de cotxes
La crema de gasolina o dièsel en els motors dels automòbils, camions, tractors o autobusos produeix energia mecànica, que s'utilitza en la circulació d'aquests vehicles.
líquids bullint
A l'posar un líquid a la calor, aquest guanya energia i passa a un estat gasós.
Cuinar un ou
A l'aplicar calor, les proteïnes de l'ou es desnaturalitzen formant l'estructura sòlida que usualment s'ingereix.
Cocció d'aliments
En general, sempre a l'cuinar amb calor per canviar les propietats dels aliments, estan passant reaccions endotèrmiques.
Ets reaccions són les que causen que els aliments es tornin més suaus, generin masses mal·leables, alliberin els components que contenen, entre altres coses.
Escalfament d'aliments al microones
Per la radiació de microones, les molècules d'aigua en els aliments absorbeixen energia, comencen a vibrar i augmenten la temperatura del menjar.
Moldeamiento de l'vidre
L'absorció de calor per part de l'vidre flexibilitza les seves unions que fa que la forma sigui més fàcil de canviar.
Consum d'una espelma
La cera de les espelmes es fon a l'absorbir la calor de la flama, canviant la seva forma.
Neteja amb aigua calenta
A l'utilitzar aigua calenta per netejar objectes que han estat tacats amb greix, com olles o la roba, el greix es torni més liquida i és més fàcil de remenar.
Esterilització per calor d'aliments i altres objectes
A l'escalfar objectes o aliments, els microorganismes que aquests contenen també augmenten la seva temperatura.
Quan molta calor és subministrat, reaccions dins de les cèl·lules microbianes ocorren. Moltes d'aquestes reaccions, com el trencament d'enllaços o la desnaturalització de proteïnes, acaben matant els microorganismes.
Combat d'infeccions amb febre
Quan una febre es manifesta, és perquè el cos produeix la calor necessària per matar els bacteris i virus que causen infeccions i generen malalties.
Si la calor generada és molt i la febre alta, les cèl·lules de el cos també són afectades i es corre risc de mort.
Evaporació d'aigua
Quan l'aigua s'evapora i es transforma en vapor, és per la calor que rep de l'entorn. A mesura que l'energia tèrmica és rebuda per cada molècula d'aigua, la seva energia de vibració augmenta fins al punt en que es pot moure lliurement, creant vapor.
referències
- Whitten, Davis, Peck & Stanley. (2008). Química. (8va ed.). Cengage Learning.
- Wikipedia. (2018). Endothermic process. Recuperat de: en.wikipedia.org
- Helmenstine, Anne Marie, Ph.D. (27 de desembre del 2018). Endothermic Reaction Examples. Recuperat de: thoughtco.com
- Khan Academy. (2019). Endothermic vs. exothermic reactions. Recuperat de: khanacademy.org
- Serm Murmson. (2019). What Happens on the Molecular Level During an Endothermic Reaction? Hearst Seattle Mitjana. Recuperat de: education.seattlepi.com
- QuimiTube. (2013). Càlcul de l'entalpia de reacció a partir de les entalpies de formació. Recuperat de: quimitube.com
- Quimicas.net (2018). Exemples de Reacció Endotèrmica. Recuperat de:
quimicas.net.