ENDOTHERME REAKTION: EIGENSCHAFTEN, GLEICHUNGEN UND BEISPIELE - CHEMIE - 2025

Eine endotherme Reaktion muss eine Energie in Form von Wärme oder Strahlung aus ihrer Umgebung absorbieren. Im Allgemeinen, aber nicht immer, können sie an einem Temperaturabfall in ihrer Umgebung erkannt werden. oder im Gegenteil, sie benötigen eine Wärmequelle, wie sie von einer brennenden Flamme erhalten wird.

Die Absorption von Energie oder Wärme haben alle endothermen Reaktionen gemeinsam; Ihre Natur sowie die damit verbundenen Transformationen sind sehr unterschiedlich. Wie viel Wärme sollten sie aufnehmen? Die Antwort hängt von seiner Thermodynamik ab: der Temperatur, bei der die Reaktion spontan abläuft.

Schmelzender Eisstalaktit. Quelle: Pixabay

Eine der emblematischsten endothermen Reaktionen ist beispielsweise die Zustandsänderung von Eis zu flüssigem Wasser. Eis muss Wärme aufnehmen, bis seine Temperatur ungefähr 0 ° C erreicht. bei dieser Temperatur wird sein Schmelzen spontan und das Eis wird absorbiert, bis es vollständig geschmolzen ist.

In heißen Räumen, wie zum Beispiel an den Ufern eines Strandes, sind die Temperaturen höher und daher nimmt das Eis Wärme schneller auf. das heißt, es schmilzt schneller. Das Schmelzen von Gletschern ist ein Beispiel für eine unerwünschte endotherme Reaktion.

Warum passiert das so? Warum kann Eis nicht als heißer Feststoff erscheinen? Die Antwort liegt in der durchschnittlichen kinetischen Energie der Wassermoleküle in beiden Zuständen und in der Art und Weise, wie sie über ihre Wasserstoffbrücken miteinander interagieren.

In flüssigem Wasser haben seine Moleküle eine größere Bewegungsfreiheit als in Eis, wo sie in seinen Kristallen stationär schwingen. Um sich zu bewegen, müssen Moleküle Energie so absorbieren, dass ihre Schwingungen die starken gerichteten Wasserstoffbrücken im Eis aufbrechen.

Aus diesem Grund nimmt Eis Wärme zum Schmelzen auf. Damit "heißes Eis" existiert, müssten Wasserstoffbrückenbindungen ungewöhnlich stark sein, um bei einer Temperatur weit über 0ºC zu schmelzen.

Eigenschaften einer endothermen Reaktion

Die Zustandsänderung ist keine chemische Reaktion; Das gleiche passiert jedoch: Das Produkt (flüssiges Wasser) hat eine höhere Energie als der Reaktant (Eis). Dies ist das Hauptmerkmal einer endothermen Reaktion oder eines endothermen Prozesses: Die Produkte sind energetischer als die Reaktanten.

Dies ist zwar richtig, bedeutet jedoch nicht, dass Produkte notwendigerweise instabil sein müssen. In diesem Fall hört die endotherme Reaktion unter allen Temperatur- oder Druckbedingungen auf, spontan zu sein.

Betrachten Sie die folgende chemische Gleichung:

A + Q => B.

Wobei Q Wärme darstellt, normalerweise ausgedrückt in Joule (J) oder Kalorien (cal). Wenn A Wärme Q absorbiert, um sich in B umzuwandeln, wird gesagt, dass es sich um eine endotherme Reaktion handelt. Somit hat B mehr Energie als A und muss genug Energie absorbieren, um seine Umwandlung zu erreichen.

Endothermes Reaktionsdiagramm für A und B. Quelle: Gabriel Bolívar

Wie im obigen Diagramm zu sehen ist, hat A weniger Energie als B. Die von A absorbierte Wärmemenge Q ist so, dass sie die Aktivierungsenergie (die Energie, die benötigt wird, um die violette Spitze zu erreichen) überwindet. Der Energiedifferenz zwischen A und B ist die sogenannte Reaktionsenthalpie ΔH.

ΔH> 0

Allen endothermen Reaktionen ist das obige Diagramm gemeinsam, da die Produkte energetischer sind als die Reaktanten. Daher ist die Energiedifferenz zwischen ihnen, ΔH, immer positiv (H- _Produkt -H- _reaktiv > 0). Da dies wahr ist, muss Wärme oder Energie aus der Umgebung absorbiert werden, um diesen Energiebedarf zu decken.

Und wie werden solche Ausdrücke interpretiert? Bei einer chemischen Reaktion werden Bindungen immer aufgebrochen, um neue zu erzeugen. Um sie zu brechen, ist die Absorption von Energie notwendig; Das heißt, es ist ein endothermer Schritt. Währenddessen impliziert die Bildung der Bindungen Stabilität, so dass es sich um einen exothermen Schritt handelt.

Wenn die gebildeten Bindungen keine Stabilität bieten, die mit der zum Aufbrechen der alten Bindungen erforderlichen Energiemenge vergleichbar ist, handelt es sich um eine endotherme Reaktion. Aus diesem Grund wird zusätzliche Energie benötigt, um das Aufbrechen der stabilsten Bindungen in den Reaktanten zu fördern.

Andererseits tritt bei exothermen Reaktionen das Gegenteil auf: Wärme wird freigesetzt und ΔH ist <1 (negativ). Hier sind die Produkte stabiler als die Reaktanten, und das Diagramm zwischen A und B ändert seine Form; jetzt ist B unter A und die Aktivierungsenergie ist niedriger.

Sie kühlen ihre Umgebung

Obwohl dies nicht für alle endothermen Reaktionen gilt, verursachen einige von ihnen einen Temperaturabfall in ihrer Umgebung. Dies liegt daran, dass die absorbierte Wärme von irgendwoher kommt. Wenn die Umwandlung von A und B in einem Behälter stattfinden würde, würde sie folglich abkühlen.

Je endothermer die Reaktion ist, desto kälter werden der Behälter und seine Umgebung. Einige Reaktionen können sogar eine dünne Eisschicht bilden, als wären sie aus einem Kühlschrank gekommen.

Es gibt jedoch Reaktionen dieser Art, die ihre Umgebung nicht kühlen. Warum? Weil die Umgebungswärme nicht ausreicht; das heißt, es liefert nicht das notwendige Q (J, cal), das in chemischen Gleichungen geschrieben ist. Daher tritt hier Feuer oder UV-Strahlung ein.

Zwischen den beiden Szenarien kann eine kleine Verwirrung entstehen. Einerseits reicht die Wärme aus der Umgebung aus, damit die Reaktion spontan abläuft und eine Abkühlung beobachtet wird; Andererseits wird mehr Wärme benötigt und ein effizientes Heizverfahren wird verwendet. In beiden Fällen passiert dasselbe: Energie wird absorbiert.

Gleichungen

Was sind die relevanten Gleichungen in einer endothermen Reaktion? Wie bereits erläutert, muss ΔH positiv sein. Um es zu berechnen, wird zuerst die folgende chemische Gleichung betrachtet:

aA + bB => cC + dD

Wobei A und B die Reaktanten sind und C und D die Produkte sind. Die Kleinbuchstaben (a, b, c und d) sind die stöchiometrischen Koeffizienten. Um das ΔH dieser generischen Reaktion zu berechnen, wird der folgende mathematische Ausdruck angewendet:

ΔH- _Produkte - ΔH- _Reagenzien = ΔH _rxn

Sie können direkt fortfahren oder die Berechnungen separat durchführen. Für ΔH- _Produkte muss folgende Summe berechnet werden:

c ΔH _f C + d ΔH _f D.

Wobei ΔH _f die Bildungsenthalpie jeder an der Reaktion beteiligten Substanz ist. Konventionell haben Substanzen in ihren stabilsten Formen ΔH _f = 0. Beispielsweise haben Moleküle von O ₂ und H ₂ oder ein festes Metall ΔH _f = 0.

Die gleiche Berechnung wird nun für die Reaktanten ΔH- _{Reagenzien durchgeführt} :

a ΔH _f A + b ΔH _f B.

Da die Gleichung jedoch besagt, dass ΔH- _Reagenzien von ΔH- _Produkten subtrahiert werden müssen, muss die obige Summe mit -1 multipliziert werden. Also hast du:

c & Dgr; H _f C + d & Dgr; H _f D - (a & Dgr; H _f A + b & Dgr; H _f B)

Wenn das Ergebnis dieser Berechnung eine positive Zahl ist, handelt es sich um eine endotherme Reaktion. Und wenn es negativ ist, ist es eine exotherme Reaktion.

Beispiele für häufige endotherme Reaktionen

Trockeneisverdampfung

Trockeneis. Quelle: Nevit, aus Wikimedia Commons

Jeder, der jemals diese weißen Dämpfe gesehen hat, die von einem Eiswagen ausgehen, hat eines der häufigsten Beispiele für eine endotherme "Reaktion" gesehen.

Abgesehen von einigen Eiscremes waren diese aus weißen Feststoffen freigesetzten Dämpfe, die als Trockeneis bezeichnet werden, auch Teil der Szenarien, um den Trübungseffekt zu erzeugen. Dieses Trockeneis ist nichts anderes als festes Kohlendioxid, das bei Absorption von Temperatur und äußerem Druck zu sublimieren beginnt.

Ein Experiment für ein Kinderpublikum wäre, einen Beutel mit Trockeneis zu füllen und zu verschließen. Nach einer Weile wird es aufgrund des gasförmigen CO ₂ aufgeblasen , das Arbeit erzeugt oder die Innenwände des Beutels gegen atmosphärischen Druck drückt.

Brot backen oder Essen kochen

Gebackenes Brot. Quelle: Pixabay

Das Backen von Brot ist ein Beispiel für eine chemische Reaktion, da es jetzt chemische Veränderungen aufgrund von Hitze gibt. Jeder, der das Aroma von frisch gebackenem Brot gerochen hat, weiß, dass eine endotherme Reaktion auftritt.

Der Teig und alle seine Zutaten benötigen die Wärme des Ofens, um alle Umwandlungen durchzuführen, die wesentlich sind, um Brot zu werden und seine typischen Eigenschaften zu zeigen.

Neben Brot gibt es in der Küche viele Beispiele für endotherme Reaktionen. Wer kocht, kümmert sich täglich um sie. Nudeln kochen, Körner weich machen, Maiskörner erhitzen, Eier kochen, Fleisch würzen, Kuchen backen, Tee kochen, Sandwiches erhitzen; Jede dieser Aktivitäten sind endotherme Reaktionen.

Sonnenbaden

Schildkröten bekommen ein Sonnenbad. Quelle: Pixabay

So einfach und häufig sie auch erscheinen mögen, Sonnenbäder bestimmter Reptilien wie Schildkröten und Krokodile fallen in die Kategorie der endothermen Reaktionen. Schildkröten absorbieren Sonnenwärme, um ihre Körpertemperatur zu regulieren.

Ohne die Sonne behalten sie die Wärme des Wassers, um sich warm zu halten; Dies führt dazu, dass das Wasser in Ihren Teichen oder Aquarien gekühlt wird.

Reaktion von Luftstickstoff und Ozonbildung

Blitz. Quelle: Pixabay

Luft besteht hauptsächlich aus Stickstoff und Sauerstoff. Bei elektrischen Stürmen wird solche Energie freigesetzt, dass sie die starken Bindungen aufbrechen kann, die die Stickstoffatome im N ₂ -Molekül zusammenhalten :

N ₂ + O ₂ + Q => 2NO

Andererseits kann Sauerstoff ultraviolette Strahlung absorbieren, um Ozon zu werden. Allotrop von Sauerstoff, das in der Stratosphäre sehr vorteilhaft ist, aber das Leben am Boden beeinträchtigt. Die Reaktion ist:

3O ₂ + v => 2O ₃

Wobei v ultraviolette Strahlung bedeutet. Der Mechanismus hinter dieser einfachen Gleichung ist sehr komplex.

Elektrolyse von Wasser

Die Elektrolyse verwendet elektrische Energie, um ein Molekül in seine sich bildenden Elemente oder Moleküle zu trennen. Beispielsweise werden bei der Elektrolyse von Wasser zwei Gase erzeugt: Wasserstoff und Sauerstoff, jeweils an unterschiedlichen Elektroden:

2H ₂ O => 2H ₂ + O ₂

Auch Natriumchlorid kann dieselbe Reaktion eingehen:

2NaCl => 2Na + Cl ₂

In einer Elektrode sehen Sie die Bildung von metallischem Natrium und in der anderen grünliche Chlorblasen.

Photosynthese

Pflanzen und Bäume müssen Sonnenlicht als Energieversorgung absorbieren, um ihre Biomaterialien zu synthetisieren. Hierfür werden CO ₂ und Wasser als Rohstoffe verwendet , die in einer langen Reihe von Schritten in Glucose und andere Zucker umgewandelt werden. Zusätzlich wird Sauerstoff gebildet, der aus den Blättern freigesetzt wird.

Lösungen einiger Salze

Wenn Natriumchlorid in Wasser gelöst wird, wird keine nennenswerte Änderung der Außentemperatur des Glases oder Behälters festgestellt.

Einige Salze wie Calciumchlorid, CaCl ₂ erhöhen die Wassertemperatur infolge der starken Hydratation der Ca ²⁺ -Ionen . Andere Salze wie Ammoniumnitrat oder -chlorid, NH ₄ NO ₃ und NH ₄ Cl senken die Wassertemperatur und kühlen die Umgebung.

In Klassenzimmern werden Heimversuche häufig durchgeführt, indem einige dieser Salze gelöst werden, um zu zeigen, was eine endotherme Reaktion ist.

Der Temperaturabfall ist auf die Tatsache zurückzuführen, dass die Hydratisierung der NH ₄ ⁺ -Ionen nicht gegen die Auflösung der kristallinen Anordnungen ihrer Salze begünstigt wird. Folglich absorbieren die Salze Wärme aus dem Wasser, damit die Ionen solvatisiert werden können.

Eine andere chemische Reaktion, die normalerweise sehr häufig ist, um dies zu demonstrieren, ist die folgende:

Ba (OH) ₂ 8H ₂ O + 2NH ₄ NO ₃ => Ba (NO ₃ ) ₂ + 2NH ₃ + 10H ₂ O.

Beachten Sie die Menge an gebildetem Wasser. Wenn beide Feststoffe gemischt werden, wird eine wässrige Lösung von Ba (NO ₃ ) ₂ mit dem Geruch von Ammoniak und einem Temperaturabfall erhalten, so dass die Außenfläche des Behälters buchstäblich gefriert.

Thermische Zersetzung

Eine der häufigsten thermischen Zersetzungen ist die von Natriumbicarbonat, NaHCO ₃ , um beim Erhitzen CO ₂ und Wasser zu erzeugen . Viele Feststoffe, einschließlich Carbonate, werden häufig abgebaut, um CO ₂ und das entsprechende Oxid freizusetzen. Beispielsweise ist die Zersetzung von Calciumcarbonat wie folgt:

CaCO ₃ + Q => CaO + CO ₂

Gleiches gilt für Magnesium-, Strontium- und Bariumcarbonate.

Es ist wichtig zu beachten, dass sich die thermische Zersetzung von der Verbrennung unterscheidet. Im ersten Fall ist keine Zündung vorhanden oder es wird Wärme freigesetzt, während im zweiten Fall Zündung vorhanden ist. Das heißt, die Verbrennung ist eine exotherme Reaktion, selbst wenn eine anfängliche Wärmequelle erforderlich ist oder spontan auftritt.

Ammoniumchlorid in Wasser

Wenn eine kleine Menge Ammoniumchlorid (NH 4 Cl) in einem Reagenzglas in Wasser gelöst wird, wird das Röhrchen kälter als zuvor. Während dieser chemischen Reaktion wird Wärme aus der Umgebung absorbiert.

Natriumtriosulfat

Wenn sich Kristalle von Natriumthiosulfat (Na ₂ S ₂ O _3, 5H ₂ O), üblicherweise als Hypo bezeichnet, in Wasser lösen, tritt ein Kühleffekt auf.

Automotoren

Das Verbrennen von Benzin oder Diesel in PKW-, LKW-, Traktor- oder Busmotoren erzeugt mechanische Energie, die im Umlauf dieser Fahrzeuge verwendet wird.

Kochende Flüssigkeiten

Durch das Erhitzen einer Flüssigkeit gewinnt sie Energie und geht in einen gasförmigen Zustand über.

Ein Ei kochen

Wenn Wärme angewendet wird, werden die Eiproteine ​​denaturiert und bilden die feste Struktur, die normalerweise aufgenommen wird.

Essen kochen

Im Allgemeinen treten immer endotherme Reaktionen auf, wenn mit Hitze gekocht wird, um die Eigenschaften von Lebensmitteln zu verändern.

Diese Reaktionen führen dazu, dass Lebensmittel weicher werden, formbare Massen erzeugen und unter anderem die darin enthaltenen Komponenten freisetzen.

Essen in der Mikrowelle erhitzen

Aufgrund der Mikrowellenstrahlung absorbieren Wassermoleküle in Lebensmitteln Energie, beginnen zu vibrieren und erhöhen die Temperatur des Lebensmittels.

Glasformteil

Die Wärmeaufnahme durch das Glas macht die Fugen flexibel und die Form leichter zu ändern.

Verbrauch einer Kerze

Kerzenwachs schmilzt, indem es die Wärme der Flamme absorbiert und ihre Form ändert.

Warmwasserreinigung

Wenn Sie mit heißem Wasser befleckte Gegenstände wie Töpfe oder Kleidung mit Fett reinigen, wird das Fett dünner und lässt sich leichter entfernen.

Hitzesterilisation von Lebensmitteln und anderen Gegenständen

Beim Erhitzen von Gegenständen oder Lebensmitteln erhöhen die darin enthaltenen Mikroorganismen auch ihre Temperatur.

Wenn viel Wärme zugeführt wird, treten Reaktionen in mikrobiellen Zellen auf. Viele dieser Reaktionen, wie das Aufbrechen von Bindungen oder die Denaturierung von Proteinen, töten die Mikroorganismen ab.

Bekämpfen Sie Infektionen mit Fieber

Wenn Fieber auftritt, produziert der Körper die Wärme, die erforderlich ist, um die Bakterien und Viren abzutöten, die Infektionen und Krankheiten verursachen.

Wenn die erzeugte Wärme hoch und das Fieber hoch ist, sind auch die Körperzellen betroffen und es besteht die Gefahr des Todes.

Wasserverdunstung

Wenn Wasser verdunstet und sich in Dampf verwandelt, ist dies auf die Wärme zurückzuführen, die es von der Umgebung erhält. Wenn jedes Wassermolekül Wärmeenergie empfängt, steigt seine Schwingungsenergie so weit an, dass es sich frei bewegen kann und Dampf erzeugt.

Verweise

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