1. Jakie efekty mogą towarzyszyć reakcjom chemicznym?

Wszystkim reakcjom chemicznym towarzyszy efekt energetyczny. Pod tym pojęciem rozumiemy wydzielanie energii do otoczenia bądź jej pobieranie przez reagujące ze sobą substancje. Podczas przemiany substratów w produkty układ może oddawać do otoczenia energię w różnej postaci – w formie ciepła, światła, pracy lub nawet elektryczności. Energia tego samego rodzaju podczas innych przemian chemicznych może być pobierana przez reagujące ze sobą substraty. To, czy w czasie reakcji energia będzie wydzielana, czy pobierana energia, zależy od reagujących ze sobą substancji.

RSsfq5txbuejk1

Zdjęcie przedstawia końcówkę laboratoryjnego palnika gazowego oraz szczypce trzymające w słabo widocznym płomieniu kawałek taśmy magnezowej. Ogrzewany metal pali się jasnym płomieniem, choć widać też kawałek wstążki, który jeszcze nie zdążył się rozpalić.

R1bERJ3hsLgPq1

Zdjęcie przedstawia nocne niebo nad miastem leżącym nad jeziorem lub brzegiem morza i bardzo efektowny pokaz fajerwerków.

Rb02bdCZpazqi1

Zdjęcie przedstawia rozżarzone kawałki węgla palącego się w piecu czerwonym płomieniem.

RSR2mwhZDUXIg1

Zdjęcie przedstawia silnik i inne elementy samochodu widoczne po otwarciu maski.

R1J63zzrmP7jC1

Zdjęcie przedstawia różnego rodzaju baterie na białym tle. Widać tu klasyczne paluszki, czyli baterie AA i AAA, większe baterie R20 i baterię płaską starego typu, a także baterię typu mini do kalkulatorów i innych małych urządzeń.

Rd8tHOhaK6LbK1

Zdjęcie elektrolizera, wielkiego urządzenia fabrycznego, w którym prowadzona jest elektroliza tlenku glinu na skalę przemysłową.

R1D6zmdOnjz3Y1

Zdjęcie zestawu do rozkładu tlenku rtęci(II) podczas pracy. Na zdjęciu widać rtęć osadzającą się w postaci maleńkich kropelek na ściankach probówki powyżej ogrzewanego HgO.

Zaskakujące może być to, że niezależnie od tego, czy reagujące ze sobą substancje wydzielają, czy pobierają energię, każda przemiana chemiczna wymaga pewnego nakładu energii, bez którego nie można jej zainicjować. Zanim skorzysta się z ciepła wydzielającego się podczas reakcji węgla z tlenem (spalania węgla), należy dostarczyć substratom odpowiednią ilość energii. Po zainicjowaniu reakcja (spalanie) przebiega już samorzutnie. Nie inaczej dzieje się w czasie poruszania się pojazdów mechanicznych. Ani benzyna, ani olej napędowy nie ulegają natychmiastowemu zapaleniu się w obecności tlenu z powietrza. Potrzebny jest jeszcze dodatkowy czynnik (energia), który zapoczątkowałby tę reakcję. W silnikach benzynowych jest to iskra elektryczna, natomiast w silnikach Diesla – sprężanie (zmniejszanie objętości) i ogrzewanie paliwa. Dopiero te impulsy inicjują reakcję paliwa z tlenem, która zachodzi z wydzieleniem energii.

RzLaxn9ZA2Oic1

Zdjęcie przedstawia pracowników firmy pirotechnicznej przygotowujących profesjonalny pokaz sztucznych ogni. Obaj mają na sobie ubrania ochronne, kaski i trzymają w rękach zapalone flary, które posłużą im do podpalenia lontów.

Wszystkie reakcje różnią się między sobą ilością energii wymaganej do ich zapoczątkowania. Są przemiany, do których zainicjowania wystarczy niewielki nakład energii, na przykład lekki wstrząs, tak jak w przypadku substancji wchodzących w skład materiałów wybuchowych. Niektóre natomiast potrzebują większej ilości energii, aby zapoczątkować przemianę substratów w produkty.

2. Czym różnią się od siebie reakcja utleniania i reakcja spalania?

Proces łączenia się substancji z tlenem może zachodzić powoli. Przykładem takiego procesu jest utlenianie żelaza do tlenku żelaza(III), który jest głównym składnikiem rdzy: stalowe lub żelazne części różnych przedmiotów rdzewieją stopniowo, bez widocznych efektów energetycznych. Może on także przebiegać bardzo gwałtownie, z wydzieleniem się energii w postaci dużej ilości ciepła i światła. W tym drugim przypadku mówimy o spalaniu. Reakcja spalaniareakcja spalaniaReakcja spalania jest reakcją z tlenem, która przebiega stosunkowo szybko, w gwałtowny sposób; towarzyszą jej efekty cieplne, świetlne a czasem nawet dźwiękowe.

R1c2aIAhWLWSt1

Zdjęcie przedstawia zardzewiały metalowy element wbity w pomost lub molo.

Ry0rNTPC0CJpO1

Zdjęcie przedstawia płonącą czystą kartkę papieru leżącą na chodniku.

RSsfq5txbuejk1

Zdjęcie przedstawia końcówkę laboratoryjnego palnika gazowego oraz szczypce trzymające w słabo widocznym płomieniu kawałek taśmy magnezowej. Ogrzewany metal pali się jasnym płomieniem, choć widać też kawałek wstążki, który jeszcze nie zdążył się rozpalić.

RdWAwugc8T1jU1

Zdjęcie przedstawia porcję lodów płonących leżących na porcelanowym talerzyku.

R1blCB4L11gMy1

Zdjęcie przedstawia dwa czynne palniki kuchenki gazowej płonące w ciemnościach.

3. Jakie rodzaje reakcji chemicznych wyróżnia się ze względu na efekt energetyczny?

Wszystkim reakcjom chemicznym towarzyszą efekty energetyczne. Czasami są to efekty widoczne gołym okiem, a niekiedy – zmiany tak małe, że mogą zostać niezauważone. W zależności od kierunku przepływu energii przemiany chemiczne dzieli się na dwie grupy. Reakcje, podczas których dochodzi do wydzielania energii do otoczenia, nazywa się reakcjami egzoenergetycznymireakcja egzoenergetycznareakcjami egzoenergetycznymi. Te natomiast, którym towarzyszy przyjmowanie energii z otoczenia, to reakcje endoenergetycznereakcja endoenergetycznareakcje endoenergetyczne. Energia wydzielana lub przyjmowana przez reagujące ze sobą substancje może mieć postać ciepła, światła lub pracy.

R1TG5nArM9qKe1

Ilustracja przedstawia schemat przemiany egzoenergetycznej, czyli takiej, której towarzyszy wydzielanie energii do otoczenia. Z lewej strony rysunku znajduje się niebieskie pole z napisem Mieszanina reakcyjna, a z prawej zielone opisane słowem Otoczenie. Pomiędzy nimi znajduje się czerwona strzałka z napisem Energia skierowana w prawą stronę.

R1BKuuuAJWnU01

Ilustracja przedstawia schemat przemiany egzoenergetycznej, czyli takiej, której towarzyszy wydzielanie energii do otoczenia. Z lewej strony rysunku znajduje się niebieskie pole z napisem Mieszanina reakcyjna, a z prawej zielone opisane słowem Otoczenie. Pomiędzy nimi znajduje się czerwona strzałka z napisem Energia skierowana w lewą stronę.

4. Jakie znamy przykłady reakcji egzoenergetycznych i endoenergetycznych?

Reakcja glinu z tlenem

Doświadczenie 1

Problem badawczy

Czy reakcja glinu z tlenem jest procesem egzoenergetycznym, czy endoenergetycznym?

Hipoteza

Reakcja glinu z tlenem to proces egzoenergetyczny.

Co będzie potrzebne

• glin w postaci pyłu,

• kolba napełniona tlenem,

• łyżka do spalań umieszczona w korku dopasowanym do szyjki kolby stożkowej,

• palnik gazowy.

Instrukcja

1. Napełnij łyżkę do spalań glinem w postaci pyłu.

2. Umieść łyżkę z glinem w płomieniu palnika.

3. Gdy pył glinowy zaczyna się żarzyć, natychmiast przenieś go na łyżce do kolby z tlenem.

4. Obserwuj zachodzące zmiany. Doświadczenie wykonuj w okularach ochronnych.

Podsumowanie

Pył glinowy pali się jasnym, oślepiającym płomieniem. Z glinu o połysku metalicznym powstaje substancja stała o białej barwie.
W wyniku reakcji glinu z tlenem powstaje tlenek glinu:

$\text{4Al + 3}{\text{O}}_{\text{2}}\text{ → 2}{\text{Al}}_{\text{2}}{\text{O}}_{\text{3}}$

$\text{glin + tlen → tlenek }\text{glinu}$

Podczas tej przemiany wydziela się energia, dlatego jest to reakcja egzoenergetyczna.
Reakcja glinu z tlenem jest reakcją utlenienia. Z uwagi na to, że ma gwałtowny przebieg, bo towarzyszy jej oddawanie energii w postaci światła i ciepła, stanowi szczególną jej odmianę, a mianowicie reakcję spalania. Stosując odpowiedni zapis w równaniu reakcji, można podkreślić efekt energetyczny przeprowadzonej reakcji utleniania:

$\text{4Al + 3}{\text{O}}_{\text{2}}\text{ → 2}{\text{Al}}_{\text{2}}{\text{O}}_{\text{3}}\text{ + energia}$

RyvBWKao27Fl91

Film rozpoczyna ujęcie stołu laboratoryjnego, na którym stoją palnik gazowy, nakryta kolba stożkowa, szkiełko zegarkowe z pyłem aluminiowym oraz oryginalne opakowanie z pyłem. Demonstrator w rękawicy nabiera na łyżkę do spalań pyłu glinowego i umieszcza łyżkę z glinem w płomieniu palnika. Po krótkiej chwili pył rozżarza się. Łyżka przeniesiona zostaje do wnętrza kolby, gdzie rozpala się jasnym światłem. Obraz wideo wygasza się, zastępuje go kolby z łyżką zawierającą produkt reakcji, czyli biały proszek. Pod zdjęciem pojawia się zapis reakcji: cztery atomy glinu plus trzy cząsteczki tlenu dają dwie cząsteczki tlenku glinu. Reakcja opisana zostaje jako egzoenergetyczna.

Film rozpoczyna ujęcie stołu laboratoryjnego, na którym stoją palnik gazowy, nakryta kolba stożkowa, szkiełko zegarkowe z pyłem aluminiowym oraz oryginalne opakowanie z pyłem. Demonstrator w rękawicy nabiera na łyżkę do spalań pyłu glinowego i umieszcza łyżkę z glinem w płomieniu palnika. Po krótkiej chwili pył rozżarza się. Łyżka przeniesiona zostaje do wnętrza kolby, gdzie rozpala się jasnym światłem. Obraz wideo wygasza się, zastępuje go kolby z łyżką zawierającą produkt reakcji, czyli biały proszek. Pod zdjęciem pojawia się zapis reakcji: cztery atomy glinu plus trzy cząsteczki tlenu dają dwie cząsteczki tlenku glinu. Reakcja opisana zostaje jako egzoenergetyczna.

Film dostępny na portalu epodreczniki.pl

Film rozpoczyna ujęcie stołu laboratoryjnego, na którym stoją palnik gazowy, nakryta kolba stożkowa, szkiełko zegarkowe z pyłem aluminiowym oraz oryginalne opakowanie z pyłem. Demonstrator w rękawicy nabiera na łyżkę do spalań pyłu glinowego i umieszcza łyżkę z glinem w płomieniu palnika. Po krótkiej chwili pył rozżarza się. Łyżka przeniesiona zostaje do wnętrza kolby, gdzie rozpala się jasnym światłem. Obraz wideo wygasza się, zastępuje go kolby z łyżką zawierającą produkt reakcji, czyli biały proszek. Pod zdjęciem pojawia się zapis reakcji: cztery atomy glinu plus trzy cząsteczki tlenu dają dwie cząsteczki tlenku glinu. Reakcja opisana zostaje jako egzoenergetyczna.

Rozkład substancji zawartej w proszku do pieczenia

Doświadczenie 2

Problem badawczy

Czy rozkład substancji zawartej w proszku do pieczenia jest reakcją egzoenergetyczną, czy endoenergetyczną?

Hipoteza

Rozkład substancji zawartej w proszku do pieczenia jest reakcją endoenergetyczną.

Co będzie potrzebne

• proszek do pieczenia,

• woda,

• probówka,

• statyw,

• łapa do probówki,

• palnik gazowy,

• korek z rurką odprowadzającą,

• łyżeczka,

• zlewka.

Instrukcja

1. Do probówki wsyp 2 łyżeczki (3–4 g) proszku do pieczenia.

2. Probówkę zamknij korkiem z rurką odprowadzającą. Koniec rurki zanurz w zlewce z wodą.

3. Ogrzewaj zawartość probówki w płomieniu palnika.

4. Obserwuj zachodzące zmiany.

Podsumowanie

Po pewnym czasie z probówki wydziela się gaz.
Podczas ogrzewania zawarty w proszku do pieczenia wodorowęglan sodu ulega rozkładowi, co można przedstawić w postaci równania reakcji:

$\text{2NaHC}{\text{O}}_{\text{3}}\stackrel{\text{ temperatura }}{\to }\text{ N}{\text{a}}_{\text{2}}\text{C}{\text{O}}_{\text{3}}\text{+ }{\text{CO}}_{\text{2}}\text{+ }{\text{H}}_{\text{2}}\text{O}$

$\text{wodorowęglan sodu → węglan sodu}\text{+ dwutlenek węgla}\text{ + woda }$

W wyniku reakcji analizy wodorowęglanu powstają węglan sodu (ciało stałe), dwutlenek węgla i woda w stanie gazowym. Para wodna ulega skropleniu na ściankach probówki.
Rozkład termiczny wodorowęglanu sodu następuje tylko podczas dostarczania ciepła do mieszaniny reakcyjnej. Jest to przykład reakcji endoenergetycznej.

R18VN5372fF1Y1

Film rozpoczyna ujęcie opakowania proszku do pieczenia. Obok niego stoi szkiełko zegarkowe z niewielką ilością proszku. Następuje zmiana ujęcia na przedstawiające zestaw laboratoryjny składający się ze statywu, probówki, gumowego wężyka, zlewki z wodą i ręcznego palnika. Probówka z badaną substancją wypełniającą ją w jednej piątej wysokości jest zamontowana w łapie statywu pod niewielkim kątem do poziomu, a odchodzący od niej wężyk gumowy sięga do dna zlewki z wodą ustawionej obok. Ręka demonstratora przystawia pod probówkę płonący palnik i po chwili z wężyka zanurzonego w wodzie zaczynają wypływać pęcherzyki bezbarwnego gazu. W momencie przerwania ogrzewania gaz również przestaje się wydzielać, a w momencie ponownego ogrzania zawartości reakcja ulega wznowieniu. Następuje zmiana widoku na zdjęcie fragmentu opakowania proszku do pieczenia zawierającego skład. Zaznaczony zostaje napis Wodorowęglan sodu. Następuje ponownie ujęcie przedstawiające przebieg eksperymentu, a następnie przełączenie na zdjęcie przedstawiające wnętrze piekarnika i foremki z surowym ciastem chlebowym. Na kolejnym zdjęciu widać dwa upieczone, wyraźnie wyższe bochenki chleba. Następne zdjęcie przedstawia ciasto w przekroju wraz z widocznymi w nim porami powstałymi z pęcherzyków gazu. Następuje przejście do rozmytego ujęcia pokazanego wcześniej doświadczenia, na tle którego pojawia się zapis reakcji: wodorowęglan sodu w wyniku oddziaływania wysoką temperaturą daje węglan sodu, wodę i dwutlenek węgla. Po chwili pojawia się dodatkowy komentarz tekstowy: Reakcja zachodzi tylko podczas ogrzewania - reakcja endoenergetyczna.

Film rozpoczyna ujęcie opakowania proszku do pieczenia. Obok niego stoi szkiełko zegarkowe z niewielką ilością proszku. Następuje zmiana ujęcia na przedstawiające zestaw laboratoryjny składający się ze statywu, probówki, gumowego wężyka, zlewki z wodą i ręcznego palnika. Probówka z badaną substancją wypełniającą ją w jednej piątej wysokości jest zamontowana w łapie statywu pod niewielkim kątem do poziomu, a odchodzący od niej wężyk gumowy sięga do dna zlewki z wodą ustawionej obok. Ręka demonstratora przystawia pod probówkę płonący palnik i po chwili z wężyka zanurzonego w wodzie zaczynają wypływać pęcherzyki bezbarwnego gazu. W momencie przerwania ogrzewania gaz również przestaje się wydzielać, a w momencie ponownego ogrzania zawartości reakcja ulega wznowieniu. Następuje zmiana widoku na zdjęcie fragmentu opakowania proszku do pieczenia zawierającego skład. Zaznaczony zostaje napis Wodorowęglan sodu. Następuje ponownie ujęcie przedstawiające przebieg eksperymentu, a następnie przełączenie na zdjęcie przedstawiające wnętrze piekarnika i foremki z surowym ciastem chlebowym. Na kolejnym zdjęciu widać dwa upieczone, wyraźnie wyższe bochenki chleba. Następne zdjęcie przedstawia ciasto w przekroju wraz z widocznymi w nim porami powstałymi z pęcherzyków gazu. Następuje przejście do rozmytego ujęcia pokazanego wcześniej doświadczenia, na tle którego pojawia się zapis reakcji: wodorowęglan sodu w wyniku oddziaływania wysoką temperaturą daje węglan sodu, wodę i dwutlenek węgla. Po chwili pojawia się dodatkowy komentarz tekstowy: Reakcja zachodzi tylko podczas ogrzewania - reakcja endoenergetyczna.

Film dostępny na portalu epodreczniki.pl

Film rozpoczyna ujęcie opakowania proszku do pieczenia. Obok niego stoi szkiełko zegarkowe z niewielką ilością proszku. Następuje zmiana ujęcia na przedstawiające zestaw laboratoryjny składający się ze statywu, probówki, gumowego wężyka, zlewki z wodą i ręcznego palnika. Probówka z badaną substancją wypełniającą ją w jednej piątej wysokości jest zamontowana w łapie statywu pod niewielkim kątem do poziomu, a odchodzący od niej wężyk gumowy sięga do dna zlewki z wodą ustawionej obok. Ręka demonstratora przystawia pod probówkę płonący palnik i po chwili z wężyka zanurzonego w wodzie zaczynają wypływać pęcherzyki bezbarwnego gazu. W momencie przerwania ogrzewania gaz również przestaje się wydzielać, a w momencie ponownego ogrzania zawartości reakcja ulega wznowieniu. Następuje zmiana widoku na zdjęcie fragmentu opakowania proszku do pieczenia zawierającego skład. Zaznaczony zostaje napis Wodorowęglan sodu. Następuje ponownie ujęcie przedstawiające przebieg eksperymentu, a następnie przełączenie na zdjęcie przedstawiające wnętrze piekarnika i foremki z surowym ciastem chlebowym. Na kolejnym zdjęciu widać dwa upieczone, wyraźnie wyższe bochenki chleba. Następne zdjęcie przedstawia ciasto w przekroju wraz z widocznymi w nim porami powstałymi z pęcherzyków gazu. Następuje przejście do rozmytego ujęcia pokazanego wcześniej doświadczenia, na tle którego pojawia się zapis reakcji: wodorowęglan sodu w wyniku oddziaływania wysoką temperaturą daje węglan sodu, wodę i dwutlenek węgla. Po chwili pojawia się dodatkowy komentarz tekstowy: Reakcja zachodzi tylko podczas ogrzewania - reakcja endoenergetyczna.

Reakcje egzoenergetyczne to nie tylko te, którym towarzyszy emisja ciepła i światła. To także reakcje, podczas których zostaje wykonana praca przez wydzielający się gaz. Gdy ciecze i substancje stałe reagują ze sobą, tworząc gaz, może nastąpić tysiąckrotny, a nawet i większy wzrost objętości powstających produktów w stosunku do objętości substratów. Powstający gaz wypiera powietrze atmosferyczne. Jeśli przyrost objętości następuje w bardzo krótkim czasie, dochodzi do eksplozji.
W poduszkach samochodowych wykorzystuje się azydek sodu – substancję o wzorze ${\mathrm{NaN}}_3$. Ten związek chemiczny podczas zderzenia, pod wpływem impulsu elektrycznego, natychmiast ulega rozkładowi. Powstaje wtedy azot, który w ułamku sekundy wypełnia całą poduszkę powietrzną i chroni pasażera przed dodatkowymi urazami. Reakcja analizy azydku sodu zachodzi według równania:

RDLDi9R08PAXU1

Zdjęcie przedstawia próbę uderzeniową, jakiej poddaje się samochody. Przypięty manekin testowy na fotelu kierowcy ma przed sobą wystrzeloną poduszkę powietrzną.

RkxoS7JD7aq371

Zdjęcie przedstawia gałązkę drzewa gęsto usianą zielonymi liśćmi obserwowaną pod słońce.

Podsumowanie

• Wszystkie reakcje chemiczne, aby mogły się rozpocząć, wymagają pewnego nakładu energii. Każda przemiana chemiczna potrzebuje innej ilości tej energii.

• Ze względu na efekty energetyczne reakcje chemiczne dzielimy na egzoenergetyczne i endoenergetyczne.

• Reakcje egzoenergetyczne to przemiany chemiczne, podczas których następuje wydzielenie się energii z układu reakcyjnego do otoczenia w postaci ciepła, światła czy pracy.

• Reakcje endoenergetyczne to przemiany chemiczne przebiegające z pobieraniem energii z otoczenia.

• Reakcje spalania zawsze zachodzą z wydzieleniem energii, dlatego zaliczają się do reakcji egzoenergetycznych.

Słowniczek

Zadania