Obserwując przebieg reakcji chemicznych, stwierdzamy, że towarzyszą im różne efekty. Najważniejsze z nich wiążą się z powstawaniem nowych substancji i jest to chociażby zmiana barwy mieszaniny reakcyjnej czy wydzielanie się gazu. Przemianie jednych substancji w inne towarzyszą również takie efekty, jak emisja światła czy dźwięku oraz wydzielanie bądź pochłanianie ciepła. W tym module zajmiemy się efektami energetycznymi, które towarzyszą reakcjom chemicznym.
Aby zrozumieć poruszane w tym materiale zagadnienia, przypomnij sobie:
sposób zapisu równania reakcji chemicznych;
zasady dobierania współczynników stechiometrycznych w równaniach reakcji chemicznych;
substraty i produkty w równaniach reakcji chemicznych;
typy reakcji chemicznych.
Nauczysz się
wyjaśniać, czym są reakcje egzoenergetyczne i endoenergetyczne;
podawać przykłady reakcji egzoenergetycznych i endoenergetycznych zachodzących w otoczeniu;
opisywać w sposób poprawny przebieg doświadczenia chemicznego, uwzględniając: szkło i sprzęt laboratoryjny, odczynniki chemiczne, schemat aparatury, obserwacje i wnioski.
iwugnqUeFF_d5e182
1. Jakie efekty mogą towarzyszyć reakcjom chemicznym?
Reakcjom chemicznym i zjawiskom fizycznym towarzyszy pewien efekt energetyczny. Pod tym pojęciem rozumiemy wydzielanie energii do otoczenia bądź jej pobieranie przez reagujące bądź mieszające się ze sobą substancje. Podczas przemian, układ może wymieniać z otoczeniem energię w różnej postaci – w formie ciepła, światła, pracy lub nawet elektryczności. To, czy w czasie reakcji energia będzie wydzielana, czy pobierana, zależy od reagujących ze sobą substancji oraz rodzaju zjawiska fizycznego.
Zapoznaj się z poniższą galerią przedstawiającą przykłady reakcji chemicznych i zjawisk fizycznych, które wiążą się z efektami energetycznymi.
R1I2nM46bRFnV
R1YSYesNEXrNS
R1ei6uLLVLtxF
R1TMYBVluScPW
RYTAicUMBqk1q
R1Z7YxB5DFjE0
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.
R6ex26hACR8Py
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.
Czasami jednak nakład energetyczny jest niewielki, niezauważalny przez człowieka. Może być to np. ciepło przekazane z otoczenia do układu reakcyjnego. Z taką sytuacją mamy do czynienia podczas polewania rany wodą utlenioną (3‑procentowym roztworem nadtlenku wodoru). Mimo że nie dostarczyliśmy sami energii, zachodzi rozkład wody utlenionej. Dzieje się tak, ponieważ energia posiadana przez reagenty oraz energia możliwa do pobrania z otoczenia jest wystarczająca, aby uzyskać rozkład wody utlenionej.
RRWHzqAn0gCVq
Należy zatem pamiętać, że wszystkie reakcje różnią się między sobą ilością energii wymaganej do ich zapoczątkowania. Są przemiany, do których zainicjowania wystarczy niewielki nakład energii, np. lekki wstrząs, tak jak w przypadku substancji wchodzących w skład materiałów wybuchowych. Niektóre jednak potrzebują większej ilości energii, aby zapoczątkować przemianę substratów w produkty.
iwugnqUeFF_d5e256
2. Czym różnią się od siebie reakcja utleniania i reakcja spalania?
Proces łączenia się substancji z tlenem, czyli proces utleniania, może zachodzić powoli lub gwałtownie. Przykładem procesu, który zachodzi stopniowo, jest utlenianie żelaza do tlenku żelaza(III) – głównego składnika rdzy. Stalowe lub żelazne części różnych przedmiotów rdzewieją stopniowo, bez widocznych efektów energetycznych.
Reakcje utleniania mogą jednak przebiegać bardzo gwałtownie, z wydzieleniem się energii w postaci dużej ilości ciepła i światła. W tym przypadku mówimy o reakcjach spalaniareakcja spalaniareakcjach spalania. Są to reakcje z tlenem, które przebiegają stosunkowo szybko, w gwałtowny sposób. Towarzyszą im wówczas efekty cieplne, świetlne a czasem nawet dźwiękowe.
Zapoznaj się z poniższą galerią, w której przedstawiono przykłady reakcji tlenu z różnymi substancjami.
RdlTyv2QCWv7Z
R5Zm3xNkfzoig
R1eEND0nMAZnP
RfznhmfIulZwT
ROQ0xNVXOY8c7
iwugnqUeFF_d5e290
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 są tak małe, że mogą zostać niezauważone. W zależności od kierunku przepływu energii, przemiany chemiczne dzielą się na dwie grupy. Reakcje, podczas których dochodzi do wydzielania energii do otoczenia, nazywają się reakcjami egzoenergetycznymireakcja egzoenergetycznareakcjami egzoenergetycznymi. Te z kolei, którym towarzyszy przyjmowanie energii z otoczenia, to reakcje endoenergetycznereakcja endoenergetycznareakcje endoenergetyczne.
RE78DMy0gUdIF
iwugnqUeFF_d5e326
4. Jakie znamy przykłady reakcji egzoenergetycznych i endoenergetycznych?
Reakcja glinu z tlenem
Doświadczenie 1
Doświadczenie wykonuj w okularach ochronnych.
R1C6PNGjvp99Z
Zapoznaj się z poniższym opisem doświadczenia, a następnie wykonaj polecenie.
Problem badawczy:
Czy reakcja glinu z tlenem jest procesem egzoenergetycznym, czy endoenergetycznym?
Hipoteza:
Reakcja glinu z tlenem to proces egzoenergetyczny.
Co było potrzebne:
glin w postaci pyłu;
kolba stożkowa napełniona tlenem;
łyżka do spalań umieszczona w korku dopasowanym do szyjki kolby stożkowej;
palnik gazowy;
zapałki.
Przebieg doświadczenia:
Łyżkę do spalań napełniono glinem w postaci pyłu, a następnie umieszczono ją w płomieniu palnika. Gdy pył glinowy zaczął się żarzyć, przeniesiono go na łyżce do kolby z tlenem. Obserwowano zachodzące zmiany.
Obserwacje:
W kolbie widoczny jest jasny, oślepiający płomień. Na łyżce do spalań pozostaje biały osad.
Wnioski:
Pył glinowy spala się jasnym, oślepiającym płomieniem. Z glinu o połysku metalicznym powstaje substancja stała o białej barwie. Jest to tlenek glinu.
Początkowo należało ogrzać mieszaninę celem zainicjowania reakcji. Jednak podczas tej przemiany wydziela się energia na sposób ciepła i światła. Jest ona znacznie większa niż energia pobrana, dlatego mamy do czynienia z reakcją egzoenergetyczną. Reakcja glinu z tlenem jest reakcją utleniania. Z uwagi na to, że ma gwałtowny przebieg, bo towarzyszy jej oddawanie energii w postaci światła i ciepła, stanowi szczególną jej odmianę – reakcję spalania. Stosując odpowiedni zapis w równaniu reakcji, można podkreślić efekt energetyczny przeprowadzonej reakcji utleniania:
RHzLgksliu2ea
1
Polecenie 1
RbycmbqH4Rn3x
Obserwacje: Pamiętaj, że obserwacje to wszystkie zmiany, jakie jesteśmy w stanie zauważyć za pomocą zmysłów (wzroku, słuchu, dotyku oraz węchu).
Wnioski: Co wynika z obserwowanych przez Ciebie zmian? Nawiąż w swojej odpowiedzi do sformułowanego pytania w problemie badawczym oraz postawionej przez Ciebie hipotezy – określ, czy jest ona prawidłowa, czy błędna.
Obserwacje:
W kolbie widoczny jest jasny, oślepiający płomień. Na łyżce do spalań pozostaje biały osad.
Wnioski: Postawiona hipoteza była prawdziwa – reakcja glinu z tlenem jest egzoenergetyczna.
lub
Postawiona hipoteza nie była prawdziwa – reakcja glinu z tlenem nie jest endoenergetyczna.
Pył glinowy spala się jasnym, oślepiającym płomieniem. Z glinu o połysku metalicznym powstaje substancja stała o białej barwie. Jest to tlenek glinu.
Początkowo należało ogrzać mieszaninę, celem zainicjowania reakcji. Jednak podczas tej przemiany wydziela się energia na sposób ciepła i światła. Jest ona znacznie większa niż energia pobrana, dlatego mamy do czynienia z reakcją egzoenergetyczną.
Reakcja glinu z tlenem jest reakcją utleniania. Z uwagi na to, że ma gwałtowny przebieg, bo towarzyszy jej oddawanie energii w postaci światła i ciepła, stanowi szczególną jej odmianę – reakcję spalania. Stosując odpowiedni zapis w równaniu reakcji, można podkreślić efekt energetyczny przeprowadzonej reakcji utleniania:
Polecenie 1
RFBtVPRcwgTLV
Rozkład substancji zawartej w proszku do pieczenia
Doświadczenie 2
Przeprowadź doświadczenie chemiczne, które polega na zbadaniu, czy rozkład substancji zawartej w proszku do pieczenia jest procesem egzoenergetycznym, czy endoenergetycznym.
Ro9ALIBYpSXmW
Problem badawczy:
Czy rozkład substancji zawartej w proszku do pieczenia jest reakcją egzoenergetyczną, czy endoenergetyczną?
Hipoteza:
Rozkład substancji zawartej w proszku do pieczenia to proces endoenergetyczny.
Co było potrzebne:
proszek do pieczenia;
woda;
probówka z rurką odprowadzającą;
wąż gumowy;
korek do probówki;
statyw;
łapa do probówki;
palnik gazowy;
zapałki;
łyżeczka;
zlewka.
Przebieg doświadczenia:
Do probówki wsypano dwie łyżeczki (3–4 g) proszku do pieczenia. Probówkę zamknięto korkiem, a na rurkę odprowadzającą założono gumowy wąż. Drugi koniec węża zanurzono w zlewce z wodą. Następnie zawartość probówki ogrzewano w płomieniu palnika.
Obserwacje:
W zlewce z wodą widoczne są pęcherzyki gazu wydostające się z węża. Na ściankach probówki zauważyć można krople bezbarwnej cieczy. Na dnie probówki pozostaje białe ciało stałe.
Wnioski:
Podczas ogrzewania, zawarty w proszku do pieczenia wodorowęglan sodu, ulega rozkładowi, co można przedstawić w postaci równania reakcji chemicznej:
W wyniku reakcji analizy wodorowęglanu powstają węglan sodu (białe ciało stałe), tlenek węgla(IV) (pęcherzyki gazu w zlewce z wodą) i woda w stanie gazowym (krople cieczy na ściankach probówki). Rozkład termiczny wodorowęglanu sodu następuje tylko podczas dostarczania ciepła do mieszaniny reakcyjnej. Jest to przykład reakcji endoenergetycznej.
RO8rRjq88d08B
1
Polecenie 2
RrBffMtcJjH67
Obserwacje: Pamiętaj, że obserwacje to wszystkie zmiany, jakie jesteśmy w stanie zauważyć za pomocą zmysłów (wzroku, słuchu, dotyku oraz węchu).
Wnioski: Co wynika z obserwowanych przez Ciebie zmian? Nawiąż w swojej odpowiedzi do sformułowanego pytania w problemie badawczym oraz postawionej przez Ciebie hipotezy – określ, czy jest ona prawidłowa, czy błędna.
Obserwacje:
W zlewce z wodą widoczne są pęcherzyki gazu wydostające się z rurki. Na ściankach probówki zauważyć można krople bezbarwnej cieczy. Na dnie probówki pozostaje białe ciało stałe.
Wnioski: Postawiona hipoteza była prawdziwa – rozkład substancji zawartej w proszku do pieczenia jest procesem endoenergetycznym.
lub
Postawiona hipoteza nie była prawdziwa – rozkład substancji zawartej w proszku do pieczenia nie jest procesem endoenergetycznym.
Podczas ogrzewania, zawarty w proszku do pieczenia wodorowęglan sodu ulega rozkładowi, co można przedstawić w postaci równania reakcji chemicznej:
W wyniku reakcji analizy wodorowęglanu powstają węglan sodu (białe ciało stałe), tlenek węgla(IV) (pęcherzyki gazu w zlewce z wodą) i woda w stanie gazowym (krople cieczy na ściankach probówki). Rozkład termiczny wodorowęglanu sodu następuje tylko podczas dostarczania ciepła do mieszaniny reakcyjnej. Jest to przykład reakcji endoenergetycznej.
Polecenie 2
R1eyme8h8dQ6Y
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 . 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 wg równania:
R1RFt9aKLuFYg
RbAnvRkmuuzCw
iwugnqUeFF_d5e548
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, które przebiegają z pobieraniem energii z otoczenia.
Reakcje spalania zawsze zachodzą z wydzieleniem energii, dlatego należą do reakcji egzoenergetycznych.
Praca domowa
1
Polecenie 3.1
Przemiany pokarmów w organizmie ludzkim są reakcjami egzoenergetycznymi. Znajdź informacje na temat ilości energii, jaką można uzyskać ze spalenia określonej masy (100 g) składników pokarmowych – węglowodanów, białek i tłuszczów. Oceń, który z pokarmów dostarcza najwięcej energii.
RB3fEmlzh31f7
Podczas poszukiwań zwróć uwagę na wiarygodne źródła informacji, np. aby tekst zamieszczony na stronie internetowej poparty był bibliografią.
Wartość energetyczna to ilość energii w danym produkcie, jaką organizm może przyswoić przez trawienie. Wartość energetyczna wyrażana jest najczęściej w kilokaloriach (kcal).
przemiana chemiczna podczas której następuje wydzielenie energii z układu do otoczenia
reakcja endoenergetyczna
reakcja endoenergetyczna
przemiana chemiczna, która przebiega z pobieraniem energii z otoczenia
reakcja spalania
reakcja spalania
rodzaj reakcji utleniania, która polega na gwałtownym łączeniu się substancji z tlenem, czemu często towarzyszą efekty: świetlny, cieplny, a czasem dźwiękowy
iwugnqUeFF_d5e677
Ćwiczenia
Pokaż ćwiczenia:
1
Ćwiczenie 1
RA03bBz5StLxh
zadanie interaktywne
zadanie interaktywne
Oceń, czy podane zdania są prawdziwe, czy fałszywe.
Prawda
Fałsz
Reakcja egzoenergetyczna to reakcja przebiegająca z pochłanianiem energii z otoczenia.
□
□
Reakcje spalania to gwałtowna reakcja z tlenem, której towarzyszą wydzielanie ciepła i świecenie.
□
□
Reakcja endoenergetyczna to reakcja przebiegająca z wydzielaniem przez reagujący układ energii w postaci ciepła lub wykonywanej pracy.
□
□
Źródło: Gromar Sp. z o.o., licencja: CC BY-SA 3.0.
1
Ćwiczenie 2
R4tIQ7Vhttjbj
zadanie interaktywne
zadanie interaktywne
Oceń, czy podane zdania są prawdziwe, czy fałszywe.
Prawda
Fałsz
Wszystkie reakcje z tlenem zachodzą gwałtownie.
□
□
Reakcje egzoenergetyczne wystarczy zapoczątkować, a dalej przebiegają one samorzutnie.
□
□
Każda reakcja spalania jest reakcją egzoenergetyczną.
□
□
Reakcja rozkładu wodorowęglanu sodu (składnika proszku do pieczenia odpowiedzialnego za rośnięcie ciasta) jest reakcją endoenergetyczną.
□
□
Każda reakcja endoenergetyczna z chwilą przerwania dopływu energii przebiega dalej samorzutnie.
□
□
Źródło: Gromar Sp. z o.o., licencja: CC BY-SA 3.0.
1
Ćwiczenie 3
RLvlAQXW9Ppzd
2
Ćwiczenie 4
RBVWyLjTxZR4H
zadanie interaktywne
zadanie interaktywne
Przydziel do odpowiednich kategorii wymienione przemiany.
spalanie gazu ziemnego, reakcja glinu z tlenem, reakcja magnezu z tlenem, rozkład wodorowęglanu sodu (składnika proszku do pieczenia) pod wpływem temperatury, samozapalenie się pyłu węglowego, fotosynteza, rozkład termiczny tlenku rtęci(II)
reakcje egzoenergetyczne
reakcje endoenergetyczne
Źródło: Gromar Sp. z o.o., licencja: CC BY-SA 3.0.
R1AOWTC4ZKbzh2
Ćwiczenie 5
2
Ćwiczenie 6
Poniżej przedstawiono równanie reakcji wykorzystywanej w detonatorach do inicjowania eksplozji materiałów wybuchowych.
R1E4wG1pKPKNt
3
Ćwiczenie 7
R1FivnGyGYH9C
Glossary
released
released
R1D16SvqTB8nK
wypuścić, uwolnić
determine
determine
R1XfgDuqAiscX
określić
endoenergetic
endoenergetic
R1CRXpgWjHcU9
endoenergetyczny
exoenergetic
exoenergetic
R1IYTtOKaU7Vt
egzoenergetyczny
3
Ćwiczenie 8
RniRxcgkJTg8d
Glossary
endoenergetic
endoenergetic
RIbBXivJBuEkB
endoenergetyczny
thermal decomposition
thermal decomposition
ReL3AneupZQk7
rozkład termiczny
calcium carbonate
calcium carbonate
Rplb9nRc1k439
węglan wapnia
magnesium combustion
magnesium combustion
ReEd78onnTdZw
spalanie magnezu
Bibliografia
Kulawik J., Kulawik T., Litwin M., Podręcznik do chemii dla klasy siódmej szkoły podstawowej, Warszawa 2020.
Łasiński D., Sporny Ł., Strutyńska D., Wróblewski P., Podręcznik dla klasy siódmej szkoły podstawowej, Kielce 2020.