I.2.1. Reacții exoterme

📚

Majoritatea reacțiilor chimice decurg cu absorbție sau cedare de energie calorică, luminoasă, electrică etc. Dintre acestea, căldura însoțește cel mai frecvent fenomenele chimice.

📚

Fenomenele care se produc cu degajare de căldură se numesc reacții exoterme.

📚

Schema generală:

Reactanți → Produși de reacție + Q

📚

Exemple de reacții exoterme:

- Arderea combustibililor (metan, cărbune etc.):

CH₄ (g) + 2 O₂ (g) → CO₂ (g)↑ + 2 H₂O (g) + Q

C (s) + O₂ (g) → CO₂ (g) ↑ + Q

👀 Experiment: Arderea carbonului

🔥 Atenție! Acest experiment se efectuează numai în prezența unui adult!
🔥 Atenție! Când lucrezi cu surse de foc ai grijă să ai părul strâns și să nu porți haine cu mâneci largi. Nu inspira fumul! Experimentul se efectuează sub nișă sau hotă!

Materiale necesare:
Spirtieră, cărbune pisat, chibrit, spatulă, lingură de ars.

Descrierea experimentului:

Pune într-o lingură de ars o cantitate mică de cărbune și încălzește-o în flacăra spirtierei (aragazului).
După ce s-a aprins carbonul pune lingura de ars într-un pahar Berzelius și vino cu un chibrit deasupra sa.
Ce observi ?

Carbonul se aprinde în oxigen și arde cu scântei. Dioxidul de carbon rezultat stinge flacăra chibritului.

Concluzia experimentului:

Carbonul arde în oxigenul din aer, la cald și formează dioxid de carbon, un gaz incolor, care nu întreține arderea. Aceasta este o reacție de combinare, întrucât avem un singur produs de reacție.

Reacția de ardere completă a carbonului

C + O₂ → CO₂ (Dioxid de carbon) ↑

Reacția de ardere incompletă a carbonului

C + 1/2 O₂ → CO ↑ (Monoxid de carbon)

📚

Exemple de reacții exoterme:

- Arderea unor metale (fier, aluminiu etc.):

👀 Experiment: Arderea fierului

🔥 Atenție! Acest experiment se efectuează numai în prezența unui adult!
🔥 Atenție! Când lucrezi cu surse de foc ai grijă să ai părul strâns și să nu porți haine cu mâneci largi!
🔥 Atenție! Pilitura de fier este inflamabilă! Ai grijă să nu te arzi de la așchiile incandescente!

Materiale necesare:
Pilitură de fier, spirtieră, clește metalic, chibrit.

Descrierea experimentului:

Presară în flacăra unei spirtiere pilitură de fier. Pilitura de fier arde cu scântei strălucitoare și se transformă într-o pulbere neagră (oxid de fier).

Concluzia experimentului:
Unele substanțe au proprietatea de a arde - proprietate chimică, întrucât substanța și-a schimbat compoziția.

📚

Exemple de reacții exoterme:

- Reacția fierului cu sulful:

👀 Experiment: Reacția dintre fier și sulf

🔥 Atenție! Acest experiment se efectuează numai de către profesori!
🔥 Atenție! Când lucrezi cu surse de încălzire!
🔥 Atenție! Reacția fierului cu sulful este o reacție puternic exotermă (degajare mare de căldură)! Pentru a nu exploda amestecul, se încălzește până la apariția unor puncte incandescente, după care se oprește încălzirea!

Materiale necesare:
Eprubetă, chibrit, spatulă, pilitură de fier, pulbere de sulf, spirtieră, cântar.

Descrierea experimentului:

Pune în eprubetă pilitura de fier și pulberea de sulf în proporție de 0,87g Fe : 0,5g S.
Încălzește la flacăra spirtierei acest amestec până la apariția unor puncte incandescente (roșii). Stinge spirtiera.
Ce observi?

Fierul se combină la cald cu sulful. Se formează o substanță neagră.

Concluzia experimentului:
Fierul reacționează cu sulful și formează sulfura de fier II, de culoare neagră. Reacția fierului cu sulful este o reacție de combinare, întrucât avem un singur produs de reacție. Această reacție este exotermă, adică are loc cu degajare de căldură, chiar dacă necesită încălzire pentru a fi declanșată.

Fe + S → FeS (Sulfură de fier II)

📚

Exemple de reacții exoterme:

- Reacția oxizilor metalici cu aluminiu (aluminotermie):

2 Al (s) + Fe₂O₃ (s) → Al₂O₃ (s) + 2 Fe (l) + Q

- Stingerea varului (oxidului de calciu) cu apă:

CaO (s) + H₂O (l) → Ca(OH)₂ (aq) + Q

👀 Experiment: Reacția oxidului de calciu cu apa (stingerea varului)

Materiale necesare:
Var nestins (oxid de calciu), apă, pahar, fenolftaleină.

Descrierea experimentului:

Pune într-un pahar var nestins (CaO) și adaugă apă. Lasă câteva minute să se decanteze și adaugă o picătură de fenolftaleină.
Ce observi ?

Varul reacționează cu apa și înroșește fenolftaleina.

Concluzia experimentului:
Oxidul de calciu reacționează cu apa și formează hidroxid de calciu, care înroșește fenolftaleina. Este o reacție de combinare, întrucât avem un singur produs de reacție.

Reacția de stingere a varului

CaO (Var) + H₂O → Ca(OH)₂ (Hidroxid de calciu sau var stins)

📚

Exemple de reacții exoterme:

- Reacția de neutralizare a bazelor tari cu acizi tari:

KOH (aq) + HCl (aq) → KCl (aq) + H₂O (l) + Q

H₂SO₄ (aq) + 2 NaOH (aq) → Na₂SO₄ (aq) + 2 H₂O (l) + Q

👀 Experiment: Reacția de neutralizare dintre hidroxidul de sodiu și acidul sulfuric

🔥 Atenție! Acest experiment se efectuează numai de către profesori!
🔥 Atenție! Hidroxidul de sodiu și acidul sulfuric sunt caustice și vă pot produce arsuri în contact cu pielea!

Materiale necesare:
Pahar Berzelius, soluție de hidroxid de sodiu (sodă caustică), acid sulfuric, termometru, pipetă.

Descrierea experimentului:

Pune în paharul Berzelius puțină soluție de sodă caustică și adaugă câteva picături de fenolftaleină.
Așează în pahar un termometru și măsoară temperatura inițială a reacției.
Adaugă cu pipeta acidul sulfuric, picătură cu picătură, până când colorația roșie dispare.
Măsoară temperatura după terminarea reacției.
Ce observi ?

Temperatura a crescut considerabil după dispariția culorii.

Concluzia experimentului:
Hidroxidul de sodiu – NaOH, reacționează cu acidul sulfuric - H₂SO₄ și se transformă în sulfat de sodiu - Na₂SO₄ și apă.

Reacția dintre o bază și un acid, cu formarea unei sări și apă, se numește reacție de neutralizare, fiind o reacție exotermă (care degajă căldură).

Este o reacție de schimb, deoarece avem ca reactanți două substanțe compuse, iar ca produși avem tot două substanțe compuse:

2 NaOH + H₂SO₄ = Na₂SO₄ + 2 H₂O

📋

Reacțiile exoterme (care eliberează energie sub formă de căldură) au numeroase aplicații practice esențiale în industrie, tehnologie și în viața de zi cu zi. Iată cele mai importante aplicații:

Energia corpului omenesc prin arderea glucozei este asigurată de hrană. În principal alimentele conțin trei mari categorii de substanțe organice:
- zaharide(zaharuri),
- lipide (grăsimi) și
- proteine.

Toate acestea prin ardere cu oxigenul din sânge, dau energia necesară omului.

Reacția de ardere a glucozei este o reacția exotermă, obținându-se dioxid de carbon, apă și energie (Q) care va trece la produșii de reacție.

C₆H₁₂O₆ + 6 O₂ → 6 H₂O + 6 CO₂ + Q

Pungi de încălzire instantanee (comprese termice), care pot fi reutilizabile sau de unică folosință, folosesc reacții exoterme (cum ar fi oxidarea fierului sau dizolvarea unor săruri precum acetatul de sodiu sau clorura de calciu) pentru a genera căldură în caz de frig sau terapie medicală.
Procesul de aluminotermie între pulberea de aluminiu și oxidul de fier este folosită pentru sudarea șinelor de cale ferată.
Tăierea și sudarea metalelor cu flacăra oxiacetilenică obținută prin arderea acetilenei în oxigen degajă o cantitate mare de căldură, topind metalele.
Arderea combustibililor este un proces exoterm deoarece se degajă o cantitate mare de căldură (Q). Motoarele cu ardere internă (de la mașini, avioane) folosesc arderea benzinei/motorinei/gazului metan, pentru a genera energie mecanică și termică. Centralele termice și sobele utilizează arderea gazului natural, a lemnului sau a cărbunelui pentru încălzirea locuințelor.
În industria chimică, de exemplu sinteza amoniacului (procesul Haber-Bosch) sau fabricarea acidului sulfuric se bazează pe procese exoterme optimizate industrial.