Реакции с выделением тепла: описание химических реакций, примеры

Химические реакции, сопровождающиеся выделением тепловой энергии, широко распространены в природе и техносфере. Давайте разберемся, какие бывают реакции с выделением тепла, где они встречаются в повседневной жизни и как избежать их опасных последствий.

Классификация реакций с выделением тепла

По признаку теплового эффекта различают экзотермические и эндотермические реакции.

Экзотермические реакции протекают с выделением теплоты. К ним относятся реакции горения, окисления, нейтрализации.

Эндотермические реакции протекают с поглощением теплоты из окружающей среды. К ним относятся реакции разложения, дегидратации, дегидрирования.

К реакциям с выделением тепла относятся также реакции горения и окисления-восстановления. Рассмотрим их подробнее.

Реакции горения

Горением называется химическая реакция с выделением тепла между горючим веществом и окислителем, как правило кислородом.

Различают:

• Полное горение, при котором образуются устойчивые соединения.
• Неполное горение с образованием нестабильных промежуточных продуктов.

Условиями возникновения горения являются:

• Наличие горючего вещества.
• Наличие окислителя (кислорода воздуха или других соединений).
• Источник зажигания (искра, пламя, нагретая поверхность).

Если хотя бы одно из этих условий отсутствует, горение не возникает.

Окислительно-восстановительные реакции

Реакция с выделением тепла часто является следствием окисления какого-либо вещества – отнятия у него электронов. Вещество, принимающее электроны, называется окислителем.

Например:

• 2K + Cl₂ = 2KCl (калий окисляется хлором)
• 3Fe + 2O₂ = Fe₃O₄ (железо окисляется кислородом)

Окислительно-восстановительным реакциям свойственно реакция протекающая с выделением тепла. Наиболее распространенными и опасными окислителями в быту являются:

• Хлорсодержащие отбеливатели.
• Перекись водорода.
• Концентрированные кислоты.

Реакции с выделением тепла при взаимодействии с водой

Химические реакции с выделением тепла часто происходят при контакте веществ с водой или водными растворами. Такие реакции называются гидролизом.

Примеры реакций гидролиза:

• 2Na + 2H₂O = 2NaOH + H₂
• CaC₂ + 2H₂O = C₂H₂ + Ca(OH)₂
• SO₃ + H₂O = H₂SO₄

Обычно продуктами гидролиза являются горючие газы (водород, ацетилен, метан и др.) или теплоемкие соединения (кислоты, основания), которые легко воспламеняются.

Источники реакций с выделением тепла

Реакция с выделением тепла называется экзотермической. Такие реакции повсеместно встречаются как в быту, так и в промышленности, а также в природе.

В быту источниками экзотермических реакций чаще всего являются:

• Отбеливатели, содержащие хлор (хлорамин, гипохлорит натрия).
• Перекись водорода.
• Средства для чистки духовок и канализации на основе щелочей.

При смешении или нагревании этих веществ может произойти бурная реакция с выделением тепла, иногда заканчивающаяся возгоранием.

Промышленные процессы

В промышленности к реакциям с выделением тепла относятся многие технологические процессы. Например, производство аммиака.

А также пиролиз и крекинг углеводородного сырья в нефтехимии.

Крупнейшие техногенные катастрофы часто связаны с неконтролируемым протеканием экзотермических реакций на промышленных предприятиях.

Природные явления

Реакции с выделением света и тепла происходят и в естественных условиях.

К таким реакциям относятся, например:

• Лесные и торфяные пожары.
• Извержения вулканов.
• Гниение и брожение органики.

Аварийные ситуации

Еще одним распространенным источником опасных экзотермических реакций являются аварийные ситуации, связанные с утечкой или разливом потенциально опасных веществ.

Наиболее известный пример - разлив нефти или нефтепродуктов. Разлившееся топливо может вступить в реакцию окисления с кислородом воздуха, что приводит к выделению большого количества тепла. Это тепло, в свою очередь, может вызвать возгорание нефти или даже взрыв паров нефти в замкнутом пространстве танкера.

Аналогичным образом развиваются события при разливе или утечке других горючих и легковоспламеняющихся жидкостей - бензина, керосина, ацетона и т.д.

Механизм теплового воспламенения

Как уже говорилось, большинство опасных экзотермических реакций протекают по радикальному цепному механизму. Рассмотрим его подробнее.

На первой стадии происходит образование свободных атомов или радикалов. Это может быть термический распад молекул, фотолиз, радиолиз и другие процессы. Затем эти частицы вступают в цепную реакцию с исходными веществами, воспроизводя новые радикалы.

Скорость такой реакции резко возрастает с повышением температуры. При достижении температуры воспламенения реакция выходит из-под контроля, что приводит к пожару или взрыву.

Факторы, влияющие на скорость реакции

Скорость экзотермической цепной реакции и вероятность самовоспламенения зависят от многих факторов.

Важнейшие из них:

• Температура среды.
• Катализаторы.
• Давление.
• Концентрация реагирующих веществ.

Рассмотрим подробнее влияние каждого фактора.

Температура

Повышение температуры всегда ускоряет химические реакции, в том числе и экзотермические окислительно-восстановительные.

Это связано с тем, что при нагревании увеличивается доля молекул и радикалов, обладающих энергией, достаточной для взаимодействия и инициирования цепной реакции.

Однако чрезмерный нагрев может привести к потере контроля и самовоспламенению смеси. Поэтому при хранении и транспортировке пожароопасных веществ температурный режим должен строго контролироваться.

Катализаторы

Присутствие катализаторов также резко ускоряет большинство химических реакций. Катализаторы действуют за счет образования промежуточных соединений с реагирующими веществами, что снижает энергию активации.

В качестве катализаторов экзотермических реакций часто выступают переходные металлы (железо, медь, кобальт, никель, марганец и др.), а также их оксиды и соли. Присутствие этих веществ даже в небольших количествах может многократно ускорить окислительно-восстановительный процесс.

Давление

Повышенное давление также является фактором, ускоряющим большинство химических реакций в газовой и жидкой фазе. Это связано с тем, что высокое давление повышает концентрацию реагирующих веществ и частоту их столкновений.

Однако чрезмерно высокое давление может привести к взрыву, если скорость газовыделения превысит скорость расширения и сброса газа через предохранительные клапаны.

Концентрация реагентов

Концентрация реагирующих веществ также оказывает прямое влияние на скорость экзотермической реакции. Чем выше концентрация, тем больше вероятность эффективных столкновений молекул и обмена энергией.

Однако избыточно высокая концентрация опасна тем, что резко ускоренная в начальной точке реакция может легко выйти из-под контроля. Поэтому необходимо следить за соотношением компонентов при смешении реагирующих веществ.