תהליכים פולטי וקולטי אנרגיה
לא כל תגובה כימית מחממת - חלקן דווקא מקררות
שני סוגים של תהליכים
אנלוגיה - חשבון בנק של אנרגיה
דמיינו שלתגובה כימית יש 'חשבון בנק' של אנרגיה:
תהליך פולט (אקסותרמי): כמו אדם שיש לו יותר הכנסות מהוצאות - נשאר לו כסף (= אנרגיה) לתת לסביבה. הסביבה מתחממת.
תהליך קולט (אנדותרמי): כמו אדם שיש לו יותר הוצאות מהכנסות - הוא חייב ללוות כסף (= אנרגיה) מהסביבה. הסביבה מתקררת.
תהליך פולט מול תהליך קולט אנרגיה
תהליך פולט אנרגיה (אקסותרמי)
אנרגיית יצירת הקשרים בתוצרים גדולה מאנרגיית ניתוק הקשרים במגיבים.
ההפרש משתחרר לסביבה כחום, אור או קול.
הסביבה מתחממת.
דוגמה: בעירה, נשימה תאית, נרות, חלודה
תהליך קולט אנרגיה (אנדותרמי)
אנרגיית ניתוק הקשרים במגיבים גדולה מאנרגיית יצירת הקשרים בתוצרים.
צריך לספק אנרגיה מהסביבה כדי שהתהליך יתרחש.
הסביבה מתקררת.
דוגמה: פוטוסינתזה, מסת קירור, בישול ביצה
דוגמאות לתהליכים פולטי אנרגיה
תהליכים אקסותרמיים
בעירה
שריפת חומרים בחמצן.
דוגמאות: נר בוער, מנוע רכב, כיריי גז.
משחררת: חום ואור.
CH4 + 2O2 ← CO2 + 2H2O + אנרגיה
נשימה תאית
פירוק גלוקוז בתאים.
מתרחשת בכל תא חי.
משחררת אנרגיה לפעילות הגוף.
C6H12O6 + 6O2 ← 6CO2 + 6H2O + אנרגיה
חמצון מתכות (חלודה)
ברזל + חמצן ← חלודה.
תהליך איטי שפולט חום, אבל לאט מאוד ולכן לא מורגש.
קרישת בטון
תגובת מלט עם מים.
פולט חום - לכן בטון טרי חם למגע.
בפרויקטים גדולים צריך לקרר את הבטון.
דוגמאות לתהליכים קולטי אנרגיה
תהליכים אנדותרמיים
פוטוסינתזה
צמחים קולטים אנרגיית אור.
6CO2 + 6H2O + אנרגיית אור ← C6H12O6 + 6O2
האנרגיה נאגרת בקשרים הכימיים של הגלוקוז.
בישול ביצה
החום גורם לניתוק קשרים בחלבוני הביצה.
צריך לספק חום כדי שהתהליך יתרחש.
הביצה לא תתבשל מעצמה.
מסת קירור כימית
תמיסה של אמוניום ניטרט במים.
התגובה קולטת חום מהסביבה ← השקית מתקררת.
משמשת לטיפול בפציעות ספורט.
פירוק מים בזרם חשמלי
2H2O + אנרגיה חשמלית ← 2H2 + O2
צריך לספק אנרגיה חשמלית כדי לפרק את המים למימן ולחמצן.
שימו לב לקשר: בעירה ונשימה תאית הם תהליכים הפוכים לפוטוסינתזה. בפוטוסינתזה, הצמח אוגר אנרגיה בגלוקוז. בנשימה תאית ובבעירה, אנרגיה זו משתחררת.
כימיה במטבח - דוגמאות מהחיים
בעירת גז בכיריים
אקסותרמי - מתאן בוער ופולט חום.
CH4 + 2O2 ← CO2 + 2H2O + חום
החום מבשל את האוכל.
המסת סוכר בתה
אנדותרמי - הסוכר מתמוסס ו'שובר' את המבנה הגבישי.
צריך חום מהתה כדי שהתהליך יתרחש מהר יותר.
סודה לשתייה + חומץ
אנדותרמי - התגובה קולטת חום.
נוצר CO2 (בועות) והכלי מתקרר.
הרבה ילדים עושים את הניסוי הזה!
אריזת חימום ידיים
אקסותרמי - אבקת ברזל מגיבה עם חמצן מהאוויר.
פולטת חום לשעות.
4Fe + 3O2 ← 2Fe2O3 + חום
סימולציה - תהליכים פולטי וקולטי אנרגיה
בסימולציה הבאה תוכלו להשוות בין תהליכים אקסותרמיים ואנדותרמיים. שימו לב לכיוון זרימת האנרגיה ולשינוי הטמפרטורה בסביבה.
בעירה - מבט מקרוב
תנאים לבעירה - משולש האש
בעירה היא תגובה כימית פולטת אנרגיה בין חומר דליק לחמצן.
לבעירה דרושים שלושה תנאים (משולש האש):
1. חומר דליק - חומר שיכול לבעור (עץ, נייר, גז, בנזין)
2. חמצן - בדרך כלל מהאוויר (21% חמצן)
3. טמפרטורת הצתה - הטמפרטורה המינימלית שבה מתחילה הבעירה
כדי לכבות אש, מספיק להסיר אחד מהתנאים:
- מים ← מורידים טמפרטורה מתחת לטמפרטורת ההצתה
- שמיכת כיבוי ← חוסמים חמצן
- הרחקת חומר דליק ← מסירים את 'הדלק'
בעירה היא דוגמה חשובה לתהליך אקסותרמי - היא פולטת חום ואור.
חומר דליק
חומר שיכול לבעור: עץ, נייר, גז, בנזין.
כיבוי: הרחקת החומר הדליק.
חמצן
בדרך כלל מגיע מהאוויר (21% חמצן).
כיבוי: שמיכה, CO2, קצף.
טמפרטורת הצתה
הטמפרטורה המינימלית לתחילת בעירה.
כיבוי: מים (מקררים).
בטיחות אש - מה לעשות?
הבנת תנאי הבעירה עוזרת להציל חיים:
- שריפת שמן במחבת - כסו במכסה (חוסם חמצן). לעולם אל תשפכו מים!
- שריפת בגדים - להתגלגל על הרצפה (חוסם חמצן ומקרר)
- שריפה בבניין - להתרחק, לסגור דלתות (מונע זרימת חמצן), להזעיק כבאים
- מטף כיבוי אש - מפזר CO2 או קצף שחוסם חמצן
הקשר לסביבה - למה בעירה חשובה לאקלים?
בעירה והתחממות גלובלית
כל בעירה של חומר אורגני (דלקים מאובנים, עץ) משחררת CO2 לאטמוספירה:
- נהיגה ברכב - בעירת בנזין משחררת CO2
- ייצור חשמל - שריפת פחם וגז טבעי בתחנות כוח
- תעשייה - ייצור פלדה, מלט ופלסטיק
- שריפות יערות - משחררות כמויות עצומות של CO2
ה-CO2 הוא גז חממה - הוא לוכד חום באטמוספירה וגורם להתחממות כדור הארץ. זו הסיבה שעולם הכימיה מחפש מקורות אנרגיה נקיים שלא מבוססים על בעירה.
שאלה לחשיבה
כשמכסים נר עם כוס, הנר נכבה. איזה תנאי מתנאי הבעירה הוסר?
הכוס מונעת כניסת חמצן חדש, והנר מנצל את כל החמצן שנלכד מתחת לכוס. כשהחמצן נגמר, הבעירה נפסקת. הוסר התנאי השני - חמצן.
שאלה לחשיבה
שופכים מים על סיד חי (CaO). המים מתחילים לרתוח. האם התגובה בין סיד חי למים היא אקסותרמית או אנדותרמית? הסבירו.
התגובה היא אקסותרמית (פולטת אנרגיה). העובדה שהמים מתחילים לרתוח מוכיחה שהתגובה משחררת כמות גדולה של חום לסביבה - מספיק חום כדי להרתיח מים. אנרגיית יצירת הקשרים בתוצר (סידן הידרוקסיד) גדולה מאנרגיית ניתוק הקשרים במגיבים.
שאלה לחשיבה
בחורף, שמים אריזת חימום כימי בכפפות כדי לחמם את הידיים. אחרי כמה שעות האריזה מפסיקה לחמם. למה?
האריזה מכילה אבקת ברזל שמגיבה עם חמצן מהאוויר (4Fe + 3O2 ← 2Fe2O3). זו תגובה אקסותרמית שפולטת חום. כשכל הברזל מגיב (המגיבים נגמרים), התגובה נפסקת ואין יותר שחרור חום. זה בדיוק כמו סוללה שמתרוקנת - כשהחומרים הכימיים נגמרים, גם האנרגיה נגמרת.
נשימה תאית ובעירה הן שתי תגובות עם אותם מגיבים ותוצרים:
גלוקוז + חמצן ← פחמן דו-חמצני + מים + אנרגיה
ההבדל: בעירה מתרחשת מהר ובטמפרטורה גבוהה, ואילו נשימה תאית מתרחשת לאט ובטמפרטורת הגוף (37 מעלות), בעזרת אנזימים שמאפשרים את התגובה בתנאים עדינים.
מדוע ההבדל חשוב? אם הגוף היה שורף את הגלוקוז כמו אש, הטמפרטורה הייתה עולה לאלפי מעלות! במקום זה, האנזימים מאפשרים 'שריפה מבוקרת' - האנרגיה משתחררת בצעדים קטנים שהגוף יכול להשתמש בהם.
קטליזטור (זרז) הוא חומר שמאיץ תגובה כימית מבלי להתכלות בתהליך. הוא מוריד את אנרגיית ההפעלה (האנרגיה ההתחלתית הנדרשת).
- אנזימים - קטליזטורים ביולוגיים בגוף. הם מאפשרים תגובות בטמפרטורת הגוף שבלעדיהם היו דורשות מאות מעלות
- ממיר קטליטי ברכב - מפחית זיהום אוויר על ידי האצת תגובות שהופכות גזים רעילים לפחות מזיקים
- תעשייה - ייצור אמוניה (תהליך הייבר) משתמש בקטליזטור ברזל
חשוב: קטליזטור לא משנה את כמות האנרגיה שהתגובה פולטת או קולטת - הוא רק מאיץ את הדרך לשם!
סיכום הפרק
בפרק הזה למדנו על הקשר הכימי - מכוחות חשמליים, דרך קשר שיתופי ויוני, יכולת קישור, נוסחאות כימיות, ועד אנרגיה בתהליכים כימיים. כל הנושאים האלה מחוברים זה לזה:
כוחות חשמליים ← יוצרים קשרים ← שנכתבים בנוסחאות ← ונשברים ונוצרים בתהליכים שמשחררים או קולטים אנרגיה.