Proces endotermiczny
Coś na ochłodę.
Reakcja endotermiczna to reakcja chemiczna, która ma ujemny bilans wymiany ciepła z otoczeniem. Znaczy to, że w czasie zachodzenia reakcji jest pobierana energia cieplna. Zauważmy, że jest to przeciwieństwo reakcji egzotermicznej, której przykład przedstawiłem tutaj. Reakcje endotermiczne, wbrew rozpowszechnionych poglądom, często nie wymagają ogrzewania do ich zachodzenia. Reakcjom, samym w sobie endotermicznym mogą towarzyszyć inne przemiany (np. zmiany entropii układu, albo egzotermiczne procesy rozpuszczania), które powodują, że bilans wymiany ciepła z otoczeniem procesu rozpatrywanego jako całość może być mimo wszystko dodatni.
Można podać wiele przykładów reakcji endotermicznych. My zajmiemy się procesem rozpuszczania się azotanu amonu.
Co musimy zgromadzić?
Musimy posiadać następujące składniki:
- wodę,
- azotan amonu NH4NO3
Woda może być z kranu. Skąd jednak wziąć ten drugi związek o egzotycznej nazwie? Otóż sprawa nie jest tak beznadziejna, jakby się mogło wydawać. Okazuje się, że azotan amonu jest głownym składnikiem azotowego nawozu sztucznego: saletry amonowej. Można ją kupić w każdym dobrze zaopatrzonym sklepie ogrodniczym.
Nie jest to czysty azotan amonu, ponieważ zawiera niewielka ilość zanieczyszczeń, którymi są głównie substancje mające zapobiegać zbrylaniu się nawozu. Saletra amonowa występuje w postaci proszku lub granulek (barwa biala lub kremowa). Jest on silnie higroskopijny, zachodzi konieczność przechowywania w szczelnie zamkniętym pojemniku. Do stwierdzenia różnicy temperatur musimy posiadać też termometr. Lekarski się nie nadaje, ponieważ ma zbyt wąski zakres pomiaru. Zaopatrzywszy się we wszystko możemy przystąpić do doświadczenia.
Ostrzeżenie: Chociaż występujący w doświadczeniu azotan amonu nie jest silną trucizną to należy zachować środki ostrożności jak zawsze przy pracy z chemikaliami. Autor nie bierze jakiejkolwiek odpowiedzialności za wszelkie mogące powstać szkody. Robisz to na własne ryzyko!
Przygotowanie
Do naczynia wlewamy niewielką ilość wody o temperaturze pokojowej. Dokonujemy pomiaru temperatury termometrem:
Jak widzimy, temperatura wody wynosi około 23 stopnie Celsjusza. Następnie wsypujemy parę łyżeczek azotanu amonu i mieszamy. Dłonią można wyczuć wyraźny i drastyczny spadek temperatury roztworu. Dokonajmy ponownego pomiaru temperatury cieczy:
Temperatura spadła do zaledwie 7 stopni. Daje to ochłodzenie o 16 stopni Celsjusza! Zauważmy, że mieszając saletrę amonową z lodem możemy osiągnąć temperatury do około -15 stopni Celsjusza lub nawet niższe. Jest to bardzo dobra mieszanina oziębiająca.
Dlaczego?
Zachodzi tutaj rozpuszczanie się azotanu amonu w wodzie. Związek ten jest bardzo dobrze rozpuszczalny, w temperaturze pokojowej w 100 g H2O rozpuszcza się aż 214 g NH4NO3. Energia potrzebna do rozpuszczenia związku chemicznego zostaje pobrana ze środowiska reakcji w postaci energii cieplnej. Widocznym skutkiem jest ochłodzenie mieszaniny.
Życzę miłej i pouczającej zabawy:)
Literatura dodatkowa
- Bailyn M., A Survey of Thermodynamics, American Institute of Physics Press, Nowy Jork, 1994
- Cengel Y.A., Boles M.A., Thermodynamics – an Engineering Approach, McGraw Hill, 2002
- Eu B.C., Generalized Thermodynamics. The Thermodynamics of Irreversible Processes and Generalized Hydrodynamics, Kluwer Academic Publishers, Dordrecht, 2002
- Goldstein M., Inge F., The Refrigerator and the Universe, Harvard University Press, 1993
- Szarawara J., Termodynamika chemiczna, Wydawnictwa Naukowo-Techniczne, Warszawa, 1969
Marek Ples