Reacții exoterme și endoterme

Orice reacție chimică schimbă căldură cu mediul din jur. O reacție exotermă degajă căldură: amestecul și vasul în care are loc se încălzesc. O reacție endotermă absoarbe căldură din mediu: amestecul se răcește sau reacția continuă numai cât timp este încălzită. Prin urmare, dacă un termometru introdus în amestec arată o temperatură mai mare, reacția este exotermă; dacă arată o temperatură mai mică, reacția este endotermă.

Exemple de reacții exoterme: arderea metanului din aragaz, $\mathrm{C}{\mathrm{H}}_4+2{\mathrm{O}}_2\to \mathrm{C}{\mathrm{O}}_2+2{\mathrm{H}}_2\mathrm{O}$; arderea benzinei în motor; arderea magneziului, care dă o flacără orbitoare; neutralizarea acidului clorhidric cu hidroxidul de sodiu; stingerea varului nestins în apă; respirația celulelor, care încălzește corpul. Exemple de reacții endoterme: descompunerea calcarului prin încălzire, $\mathrm{CaC}{\mathrm{O}}_3\to \mathrm{CaO}+\mathrm{C}{\mathrm{O}}_2$, folosită la fabricarea varului; descompunerea apei prin curent electric; fotosinteza, care absoarbe energia luminii; dizolvarea azotatului de amoniu în apă, cu care se fabrică pungile reci instantanee.

Să urmărim un caz în pași: stingerea varului nestins, $\mathrm{CaO}+{\mathrm{H}}_2\mathrm{O}\to \mathrm{Ca}(\mathrm{OH}{)}_2$.

1. Se pune în apă o bucată de var nestins ($\mathrm{CaO}$) într-un pahar rezistent la căldură.
2. Un termometru arată că temperatura crește repede; paharul devine fierbinte și apa se încălzește puternic.
3. Căldura apare din reacție și trece în mediu, deci reacția este exotermă.
4. Reacția inversă, de descompunere a hidroxidului de calciu, ar trebui încălzită, adică absoarbe căldură.

Varul nestins arde pielea și ochii, deci se lucrează cu ochelari și mănuși de protecție. Un al doilea caz, cu rezultat opus:

1. Se pun 100 g de apă la 20 °C într-un pahar și se introduce un termometru.
2. Se adaugă 8 g de azotat de amoniu și se amestecă până la dizolvare.
3. Temperatura scade cu aproximativ 6 °C, iar paharul se simte rece la atingere.
4. Mediul a cedat căldură amestecului, deci dizolvarea este endotermă.

Pungile de încălzit mâinile funcționează invers: în ele are loc o transformare exotermă, care degajă căldură pe tot parcursul folosirii.

Arderea trebuie pornită cu un chibrit sau cu o scânteie, dar acest lucru nu o face endotermă: după pornire, reacția degajă mai multă căldură decât s-a dat la început. Chimiștii notează efectul termic cu $\Delta H$ și folosesc semnul pentru a deosebi cele două tipuri: $\Delta H<0$ pentru reacțiile exoterme și $\Delta H>0$ pentru cele endoterme.

Într-o reacție se rup legături chimice din reactanți, ceea ce consumă energie, și se formează legături noi în produși, ceea ce eliberează energie. Dacă se eliberează mai multă energie decât s-a consumat, reacția este exotermă; în caz contrar este endotermă. Diferența dintre conținutul de energie al produșilor și al reactanților se numește variația de entalpie: $\Delta H=H_{\text{produși}}-H_{\text{reactanți}}$. Se măsoară în kJ și se raportează la ecuația scrisă. Pe diagrama energetică produșii se află mai jos decât reactanții la o reacție exotermă și mai sus la una endotermă.

Dacă o reacție are $\Delta H=x$, reacția inversă are $\Delta H=-x$. Descompunerea carbonatului de calciu are $\Delta H=+178$ kJ pentru fiecare mol de $\mathrm{CaC}{\mathrm{O}}_3$, deci formarea lui din $\mathrm{CaO}$ și $\mathrm{C}{\mathrm{O}}_2$ are $\Delta H=-178$ kJ/mol.

Alte efecte termice cunoscute, raportate la ecuațiile scrise:

• exoterme: $2{\mathrm{H}}_2+{\mathrm{O}}_2\to 2{\mathrm{H}}_2\mathrm{O}(\mathrm{l})$, cu $\Delta H=-572$ kJ; ${\mathrm{N}}_2+3{\mathrm{H}}_2\to 2N{\mathrm{H}}_3$, cu $\Delta H=-92$ kJ;
• endoterme: electroliza apei, $2{\mathrm{H}}_2\mathrm{O}(\mathrm{l})\to 2{\mathrm{H}}_2+{\mathrm{O}}_2$, cu $\Delta H=+572$ kJ, valoare egală cu a arderii hidrogenului, dar de semn opus; formarea monoxidului de azot din elemente, ${\mathrm{N}}_2+{\mathrm{O}}_2\to 2NO$, cu $\Delta H=+180$ kJ, care are loc în motor sau în descărcarea electrică.

Exemplul 1: căldura absorbită la descompunerea a $250$ g de calcar pur, $\mathrm{CaC}{\mathrm{O}}_3\to \mathrm{CaO}+\mathrm{C}{\mathrm{O}}_2$, cu $\Delta H=+178$ kJ/mol.

1. $M(\mathrm{CaC}{\mathrm{O}}_3)=40+12+3\cdot 16=100$ g/mol.
2. $n=250/100=2,5$ mol.
3. Căldura absorbită este $2,5\cdot 178=445$ kJ. Semnul pozitiv arată că aceeași cantitate de energie trebuie furnizată prin încălzire, în cuptorul de var.

Exemplul 2: căldura degajată la arderea a $5,6$ L de metan măsurați în condiții normale, cu $\Delta H=-890$ kJ/mol.

1. $n(\mathrm{C}{\mathrm{H}}_4)=5,6/22,4=0,25$ mol.
2. Căldura degajată este $0,25\cdot 890=222,5$ kJ.
3. Semnul negativ al lui $\Delta H$ arată că energia trece din sistem în mediu: aragazul încălzește oalele.

Exemplul 3: stingerea a $28$ g de var nestins, cu $\Delta H=-65$ kJ/mol. $M(\mathrm{CaO})=40+16=56$ g/mol, deci $n=28/56=0,50$ mol și se degajă $0,50\cdot 65=32,5$ kJ; această căldură încălzește și vaporizează o parte din apa din vas.

Regula comună celor trei exemple: se află numărul de moli din masă sau din volum, se compară cu numărul de moli din ecuația termochimică și se înmulțește $\Delta H$ cu raportul obținut; cantitatea de căldură păstrează semnul lui $\Delta H$.

În laborator, efectul termic se urmărește într-un vas izolat: variația de temperatură a amestecului, înmulțită cu masa lui și cu căldura specifică, dă cantitatea de căldură schimbată. La o reacție exotermă, căldura degajată întreține reacția după pornire, de aceea un foc arde mai departe fără surse externe.

Semnul efectului termic nu depinde de ușurința cu care pornește reacția. Arderile sunt exoterme, dar cer inițiere, pentru că reactanții trebuie să depășească o barieră de energie, numită energie de activare; bilanțul final rămâne negativ. Dizolvarea azotatului de amoniu este endotermă și are loc fără încălzire: mediul cedează căldura necesară, de aceea soluția se răcește.

Tip complement grupat: sunt procese exoterme:

1. arderea cărbunelui;
2. dizolvarea $\mathrm{N}{\mathrm{H}}_4\mathrm{N}{\mathrm{O}}_3$ în apă;
3. neutralizarea $\mathrm{HCl}$ cu $\mathrm{NaOH}$;
4. descompunerea $\mathrm{CaC}{\mathrm{O}}_3$ la $900{}^{\circ }\mathrm{C}$.

Variante:

• A. Numai 1, 2 și 3 sunt corecte
• B. Numai 1 și 3 sunt corecte
• C. Numai 2 și 4 sunt corecte
• D. Numai 4 este corectă
• E. Toate sunt corecte sau toate sunt false

Răspuns corect: B. Arderea cărbunelui și neutralizarea degajă căldură ($\Delta H<0$). Dizolvarea azotatului de amoniu (afirmația 2) și descompunerea calcarului (afirmația 4) absorb căldură.

Tip complement simplu: care dintre ecuații descrie un proces endoterm? A. $\mathrm{C}+{\mathrm{O}}_2\to \mathrm{C}{\mathrm{O}}_2$, $\Delta H=-394$ kJ; B. $\mathrm{CaO}+{\mathrm{H}}_2\mathrm{O}\to \mathrm{Ca}(\mathrm{OH}{)}_2$, $\Delta H=-65$ kJ; C. ${\mathrm{N}}_2+{\mathrm{O}}_2\to 2NO$, $\Delta H=+180$ kJ; D. $2{\mathrm{H}}_2+{\mathrm{O}}_2\to 2{\mathrm{H}}_2\mathrm{O}(\mathrm{l})$, $\Delta H=-572$ kJ. Răspunsul este C, singura ecuație cu $\Delta H>0$.

Reacția ${\mathrm{N}}_2+{\mathrm{O}}_2\to 2NO$ are $\Delta H=+180$ kJ. Ce căldură se absoarbe la formarea a $15$ g de $\mathrm{NO}$? Se calculează $M(\mathrm{NO})=14+16=30$ g/mol și $n=15/30=0,50$ mol. Ecuația scrisă produce $2$ mol de $\mathrm{NO}$ și absoarbe $180$ kJ, deci pentru un mol se absorb $90$ kJ, iar pentru $0,50$ mol se absorb $45$ kJ.

Pe un profil energetic se citesc separat nivelul produșilor și vârful barierei. Pentru o reacție endotermă, reactanții se află la $40$ kJ, vârful la $130$ kJ și produșii la $90$ kJ, pentru cantitățile din ecuație.

1. $\Delta H=90-40=+50$ kJ, deci reacția este endotermă.
2. Energia de activare directă este $130-40=90$ kJ.
3. Energia de activare inversă este $130-90=40$ kJ.

Dacă un catalizator coboară vârful la $100$ kJ, barierele devin $60$ kJ și $10$ kJ, iar $\Delta H$ rămâne $+50$ kJ. Catalizatorul modifică energiile de activare, nu și efectul termic.

Greșeli frecvente

• Greșit: Arderea este endotermă fiindcă trebuie aprinsă.
  Corect: aprinderea depășește bariera de activare; bilanțul arderii este exoterm.
• Greșit: $\Delta H=-40$ kJ arată absorbția a $40$ kJ.
  Corect: semnul negativ arată cedarea căldurii.
• Greșit: O reacție endotermă are loc numai dacă este încălzită permanent.
  Corect: dizolvarea azotatului de amoniu în apă este endotermă și are loc la temperatura camerei, absorbind căldura din mediu.
• Greșit: Dacă vasul în care are loc reacția se încălzește, reacția este endotermă.
  Corect: vasul se încălzește pentru că reacția cedează căldură, deci este exotermă.

Înainte și după