واکنش گرماده و گرماگیر

واکنش گرماده و گرماگیر نیروی محرکه فرایندهای طبیعی و مصنوعی بی‌شماری هستند که جهان ما را شکل می‌دهند از نظر ترمودینامیکی، واکنش‌های شیمیایی را می‌توان بر اساس تغییرات انرژی که در طول فرایند رخ می‌دهد به واکنش گرماده و گرماگیر طبقه‌بندی کرد. در این محتوا تلاش کردیم به معرفی واکنش گرماده و گرماگیر، نحوه تشخیص واکنش گرماده و گرماگیر، تفاوت آنها و نمونه‌ای از واکنش گرماده و گرماگیر بپردازیم.

واکنش گرماده و گرماگیر یعنی چه ؟

برای مفهوم واکنش گرماده و گرماگیر، ساده‌ترین واکنش ممکن یعنی تشکیل یک پیوند بین دو اتم هیدروژن را در نظر بگیرید. به طور معمول، یک اتم هیدروژن دارای یک هسته با یک پروتون و بدون نوترون و یک الکترون در ابر الکترونی است. وقتی دو اتم هیدروژن به هم می‌رسند، الکترون یک اتم هیدروژن به هسته اتم دیگر جذب می‌شود. هنگامی که آنها به‌اندازه کافی نزدیک باشند، یک پیوند کووالانسی تشکیل می‌شود. بااین‌وجود، انرژی نمی‌تواند ایجاد یا از بین برود؛ بنابراین وقتی دو اتم به هم پیوند می‌خورند، تمام انرژی هنوز وجود دارد. کل پتانسیل شیمیایی آنها قبل از تشکیل پیوند به انرژی جنبشی یا ارتعاش مولکول تبدیل می‌شود.

اساساً می‌توان گفت که تشکیل پیوندها باعث آزادشدن انرژی می‌شود؛ اما در مورد پدیده مخالف چطور؟ نقطه مقابل تشکیل پیوند، شکستن پیوند است. اگر شرایط مناسب باشد، مولکول هیدروژن را می‌توان از هم جدا کرد و انرژی جنبشی را به انرژی پتانسیل شیمیایی تبدیل کرد. این بدان معناست که تفکیک پیوندها نیاز به انرژی دارد. اصطلاحاتی که برای این واکنش‌ها استفاده می‌شود واکنش گرماده و گرماگیر هستند. اما منظور دقیق از واکنش گرماده و گرماگیر چیست؟

واکنش گرماده چیست؟

واکنش گرماده یا واکنش گرمازا واکنشی است که در آن انرژی به شکل صدا، گرما یا نور در محیط آزاد می‌شود. زمانی که این نوع واکنش رخ می‌دهد، محصولاتی که به دست می‌آید انرژی کمتری نسبت به واکنش‌دهنده‌های اولیه دارند. گرمایی که آزاد می‌شود به مقدار ماده شیمیایی و مقدار انرژی حرارتی که منتقل می‌شود، بستگی دارد. احتمالاً نمونه‌های زیادی از این نوع واکنش را می‌شناسید. احتراق بنزین در موتور خودرو یک واکنش گرماده و به طور دقیق‌تر یک واکنش احتراق است؛ بنابراین یک واکنش احتراق زمانی رخ می‌دهد که یک ترکیب به‌عنوان‌مثال هیدروکربن‌هایی که سوخت را تشکیل می‌دهند با اکسیژن واکنش دهند تا محصول جدیدی تشکیل یابد و گرما آزاد کنند.

واکنش‌های گرماده در علوم بیوشیمی بسیار مهم است. از طریق واکنش‌های گرماده، موجودات زنده انرژی لازم برای حفظ حیات را در فرایندی به نام متابولیسم به دست می‌آورند. بیشتر واکنش‌های گرمازا، اکسیداسیون هستند و زمانی که واکنش بسیار شدید باشند می‌توانند انفجار ایجاد کنند. نمونه‌های دیگر این واکنش‌ها انتقال ماده از یک حالت تجمع به حالت دیگر باانرژی کمتر مانند گاز به مایع (تراکم)، یا از مایع به جامد (انجماد) است. بسیاری از واکنش‌های گرماده برای سلامتی خطرناک هستند، زیرا انرژی آزاد شده در آنها ناگهانی و کنترل نشده است که می‌تواند باعث سوختگی یا آسیب‌های دیگر به موجودات زنده شوند.

واکنش گرماگیر چیست؟

واکنش‌های گرماگیر برعکس واکنش‌های گرمازا هستند. آنها انرژی حرارتی را از محیط بیرونی جذب می‌کنند، در نتیجه باعث افت دمای محیط می‌شوند. در هر واکنش شیمیایی، انرژی حفظ می‌شود. این قانون بقای انرژی را تشکیل می‌دهد: انرژی نه ایجاد می‌شود و نه از بین می‌رود، بلکه فقط تبدیل می‌شود. هنگام واکنش‌های گرماگیر، انرژی برای تبدیل واکنش‌دهنده‌ها در محصولات جذب می‌شود. در این نوع واکنش، پیوندهای مولکول‌هایی که واکنش‌دهنده‌ها را تشکیل می‌دهند شکسته می‌شوند و اجزای جدیدی تشکیل می‌دهند در فرایند شکستن پیوند، انرژی موردنظر نیاز است و مقداری انرژی به ماهیت تبدیل و مقدار معرف‌های مصرفی بستگی دارد. نمونه‌ای از این فرایند الکترولیز آب است که در آن انرژی الکتریکی به مولکول آب می‌رسد تا آن را بشکند و به عناصر تشکیل‌دهنده آن تبدیل کند.

نحوه تشخیص واکنش گرماده و گرماگیر

در طی یک واکنش شیمیایی، پیوندها در واکنش‌دهنده‌ها شکسته می‌شوند و متعاقباً پیوندهایی در محصولات ایجاد می‌شود. تمام موادی که در مسیر واکنش وجود دارند، واسطه نام دارد. کل انرژی موردنیاز برای شکستن پیوندهای قدیمی را می‌توان ورودی و کل انرژی حاصل از تشکیل پیوندهای جدید را خروجی نامید. اگر انرژی خروجی بیشتر از انرژی ورودی باشد، به‌طورکلی انرژی ای که آزاد می‌شود، واکنش گرمازا است. بااین‌حال، اگر انرژی ورودی بیشتر از انرژی خروجی باشد، به‌طورکلی انرژی ای که جذب می‌شود، واکنش گرماگیر است.

آنتالپی کمیتی است که برای جریان انرژی حرارتی که در فرایندهای شیمیایی در فشار ثابت رخ می‌دهد تعریف می‌شود علاوه بر این، آنتالپی مبادله انرژی بین یک سیستم ترمودینامیکی و محیط آن را نشان می‌دهد. تغییر آنتالپی در یک واکنش شیمیایی برای طبقه‌بندی آن به‌عنوان گرماگیر یا گرمازا استفاده می‌شود. در واکنش گرماده، تغییرات آنتالپی منفی خواهد بود. چون که آنتالپی سیستم کاهش می‌یابد؛ زیرا انرژی در محیط آزاد می‌شود، درحالی‌که در واکنش گرماگیر، تغییر در آنتالپی مثبت است. آنتالپی سیستم افزایش می‌یابد؛ زیرا انرژی توسط محیط اطراف جذب می‌شود.

ΔH>0 واکنش گرماگیر

ΔH<0 واکنش گرمازا

واکنش گرماده با گرماگیر چه فرقی دارند؟

تفاوت اساسی بین واکنش گرماده و گرماگیر در این است که واکنش گرماده از انرژی حرارتی برای واکنش به‌صورت خود به خودی استفاده می‌کند، درحالی‌که واکنش گرماگیر نیاز به منبع انرژی خارجی مثل برق یا سوخت دارد تا گرما را تولید کند. معمولاً واکنش‌های گرماگیر به‌خودی‌خود نمی‌توانند رخ دهند. به‌عبارت‌دیگر واکنش‌های گرمازا می‌توانند گرما را تولید کنند، درحالی‌که گرماگیرها معمولاً از برق یا سوخت برای تولید گرما استفاده می‌کنند در واکنش گرماگیر انرژی از محیط اطراف به‌صورت گرما جذب می‌شود و در واکنش‌های گرماده انرژی به‌صورت گرما به محیط اطراف رها می‌یابد.

مثال برای واکنش گرماده و گرماگیر

اکسیداسیون گلوکز واکنشی گرماده است که در بدن حیوانات و انسانها برای کسب انرژی متابولیک انجام می ‌شود. اکسیژن از راه تنفس، برای اکسید کردن قندها، شکستن مولکول گلوکز به مولکولهای ساده‌تر (گلیکولیز) و به دست آوردن مولکولهای غنی ATP استفاده می شود. مخلوط پتاسیم و آب واکنش گرماده است. پتاسیم ماده خشک کننده قوی است و وقتی با آب مخلوط می شود، هیدروژن و مقادیر زیادی انرژی در حد انفجار آزاد می کند. البته این اتفاق در تمام فلزات قلیایی رخ می ‌دهد، اگرچه همیشه با همان مقدار انرژی‌ای که آزاد می شود، واكنش صورت نمی گیرد. تشکیل آمونیاک نیز يك واكنش گرماده است. برای تشکیل آمونیاک (NH3)، نیتروژن (N2) و هیدروژن (H2)  باهم واکنش می دهند. جذب هیدروژن کلرید توسط هیدروکسید سدیم گرمازا است و با آزاد شدن شدید گرما و افزایش ناگهانی دمای مخلوط واکنشی همراه است. یونیزاسیون یا انحلال نیترات کلسیم در آب، برعکس گرماگیر است.

یک مثال خوب از یک واکنش گرماگیر، تجزیه کربنات کلسیم است که یک فرآیند ضروری در تولید سیمان است. نمونه ای دیگر از واکنش گرماگیر، فتوسنتز است که در آن گیاهان با استفاده از خورشید به عنوان منبع انرژی، دی اکسید کربن و آب را به گلوکز و اکسیژن تبدیل می کنند. این فرآیند برای پیشبرد واکنش نیاز به انرژی از نور خورشید دارد. سایر واکنش گرماده و گرماگیر شامل: واکنش بین بازها و فلزات، واکنشهای اکسیداسیون فلزات، تشکیل سولفات مس هیدراته از سولفات مس بی آب و آب، واکنش بین یک فلز قلیایی (لیتیوم، سدیم، پتاسیم، روبیدیم، سزیم) با آب واكنش گرماده است. نمونه های از واکنشهای گرماگیر واکنش بین اسید سیتریک (آب لیمو) و هیدروژن کربنات سدیم (جوش شیرین)، واکنش بین آب و کلرید آمونیوم، واکنش بین هیدروکسید باریم و کلرید آمونیوم و غیره می باشد.

سوالات متداول واکنش گرماده و گرماگیر

۱- چرا در یک واکنش شیمیایی گرما آزاد یا جذب می‌شود؟

گرما در یک واکنش شیمیایی به دلیل تغییر در انرژی مولکول‌های درگیر آزاد یا جذب می‌شود. هنگام تشکیل پیوند، گرما آزاد و در شکستن پیوند، گرما جذب می‌شود. این تغییر در انرژی یک جنبه اساسی از واکنش‌های شیمیایی است.

۲- گرماشیمی یا ترموشیمی چیست؟

مطالعه تغییرات انرژی در طی واکنش‌های شیمیایی تحت عنوان شاخه‌ای از شیمی که به‌عنوان گرماشیمی یا ترموشیمی شناخته می‌شود.

۳- چرا واکنش گرماده بیشتر از گرماگیر است؟

واکنش‌های گرمازا نشان‌دهنده دگرگونی‌های انرژی مثبت هستند و خودبه‌خود از واکنش‌های گرماگیر هستند. طبق قانون دوم ترمودینامیک، آنتروپی جهان برای همه فرایندهای خود به خودی افزایش می‌یابد.

۴- چرا واکنش گرماده بسیار سریع‌تر از گرماگیر رخ می‌دهد؟

به این دلیل است که انرژی خالص در واکنش گرماده آزاد می‌شود و محصولات انرژی کمتری نسبت به واکنش‌دهنده‌ها دارند. معکوس کردن این واکنش به معنای بازگشت از محصولات کم‌انرژی به واکنش‌دهنده‌های پر انرژی منجر به افزایش خالص انرژی (فرایند گرماگیر) می‌شود.

۵- چرا واکنش گرماده پایدارتر از گرماگیر است؟

در واکنش گرماده محصولاتی لا پیوندهای پایدارتر تشکیل می‌شوند، درحالی‌که واکنش‌های گرماگیر محصولاتی باانرژی بالاتری خواهند داشت و به نوبه خود پایداری کمتری دارند.