Эндо- и экзотермические реакции играют важную роль во многих процессах, происходящих в природе и промышленности. Давайте разберемся в их особенностях.
Определение эндо- и экзотермических реакций
Эндотермические реакции - это реакции, которые протекают с поглощением энергии из окружающей среды. Обычно это проявляется в поглощении теплоты - реакционная смесь охлаждается.
Экзотермические реакции, наоборот, идут с выделением энергии. Чаще всего это теплота - реакционная смесь нагревается.
Примеры эндо- и экзотермических реакций
- К эндотермическим относятся: Разложение карбоната кальция при нагревании Процесс фотосинтеза растениями Плавление льда
- К экзотермическим относятся: Горение органических веществ, например метана Процесс нейтрализации щелочи кислотой Конденсация водяного пара с образованием жидкой воды
Энергетические эффекты эндо- и экзотермических реакций
Главное отличие эндо- и экзотермических реакций заключается в их энергетических эффектах:
- Для эндотермической реакции характерно увеличение энтальпии системы (ΔH > 0)
- Для экзотермической реакции, наоборот, происходит уменьшение энтальпии системы (ΔH < 0)
То есть в ходе эндотермической реакции система поглощает энергию, а при экзотермической - отдает ее в окружающую среду.
Самопроизвольность протекания
Еще одно важное отличие эндо- и экзореакций заключается в самопроизвольности их протекания.
Экзотермические реакции обычно протекают самопроизвольно, так как сопровождаются выделением энергии.
Эндотермические же реакции для своего осуществления требуют подвода энергии извне, поэтому самопроизвольно не протекают. Например, для разложения карбоната кальция или плавления льда необходим нагрев.
Применение эндо- и экзотермических реакций на практике
Знание особенностей эндо- и экзореакций позволяет эффективно использовать их в различных процессах. Рассмотрим несколько примеров.
1. Получение водорода путем конверсии метана
Для промышленного производства водорода часто используют эндотермическую реакцию паровой конверсии метана:
Для осуществления этой реакции требуются высокие температуры (850-1000°C). Полученная в результате смесь Н2 и CO называется синтез-газом, из которого затем выделяют водород.
2. Применение экзотермических реакций в химических грелках
Экзотермические реакции, сопровождающиеся выделением теплоты, широко используются в химических грелках. Например:
- Гидратация хлорида кальция
- Взаимодействие порошков железа и активированного угля
При контакте компонентов, находящихся в отдельных отсеках грелки, происходит экзотермическая реакция, обеспечивая длительный обогрев изделия.
| CaCl2 + 6H2O → CaCl2*6H2O + тепло | Fe + C → Fe3C + тепло |
Такие грелки удобно использовать в походных условиях, для обогрева автомобиля и в других ситуациях.
Регулирование скорости эндотермических реакций
Как мы выяснили ранее, эндотермические реакции не протекают самопроизвольно, для их осуществления требуется подвод энергии извне. Однако в некоторых случаях нужно не просто обеспечить протекание таких реакций, но и регулировать их скорость.
Существует несколько основных способов контроля скорости эндотермических реакций:
- Изменение температуры реакционной системы
- Введение катализаторов
- Изменение концентрации или давления реагентов
Рассмотрим каждый из этих способов подробнее.
Регулирование температуры
Скорость большинства химических реакций, в том числе эндотермических, возрастает при повышении температуры. Это связано с тем, что для разрыва исходных молекулярных связей и образования новых требуется преодоление энергетического барьера.
Поэтому самый простой способ ускорить эндотермическую реакцию - это повысить температуру реакционной смеси, например с помощью нагревательных элементов. Однако на практике температура зачастую ограничена технологическими параметрами процесса.
Применение катализаторов
Более "тонкая" регулировка скорости эндотермических реакций достигается с помощью катализаторов - веществ, которые ускоряют химические реакции, но сами при этом не расходуются.
Катализатор снижает энергию активации реакции, в результате чего реакция ускоряется и при той же температуре достигается более высокая скорость. Часто для катализа эндотермических процессов используют переходные металлы и их оксиды, например оксиды железа, никеля, хрома.
Регулирование концентрации и давления
Еще один распространенный прием для изменения скорости эндотермической реакции - это регулирование концентрации или давления реагирующих веществ.
Согласно закону действующих масс, скорость реакции возрастает при увеличении концентрации реагентов. Этого можно добиться как добавлением этих веществ в реактор, так и повышением общего давления при использовании газообразных реагентов.
Применение эндотермических реакций в холодильной технике
Эндотермические реакции, поглощающие теплоту, можно использовать для получения низких температур, в том числе в холодильной технике. Рассмотрим данное применение подробнее.
Адсорбционные холодильные машины
Один из распространенных типов промышленных холодильных установок основан на использовании обратимой эндотермической реакции адсорбции газа твердым веществом. В качестве адсорбентов чаще всего применяют силикагель, цеолиты и активированный уголь.
