واکنش گرمازا

واکنش گرمازا بسیاری از واکنشهای شیمیایی با آزاد کردن انرژی همراه هستند. این انرژی آزاد شده می تواند بصورت گرما ، نور یا صدا باشد. چنین واکنش هایی را واکنش گرماده می گویند. روزانه از واکنش های گرماده زیادی برای منظورهای مختلف استفاده می کنیم. ساده ترین این واکنش ها روشن کردن کبریت است که واکنشی بین اکسیژن هوا و ماده آتشگیر آن رخ می دهد که با آزاد کردن نور و گرما همراه است. سوخت های طبیعی ترکیبات پیچیده ای از کربن و هیدروژن هستند. وقتی که این مواد در اکسیژن می سوزند دی اکسید کربن ، آب و حرارت ایجاد می کنند.

برخی از سوخت ها مانند هیدروژن و مواد منفجره مانند TNT و دینامیت ها در اثر واکنش ظرفیت های بالایی از انرژی را در مدت زمان کوتاهی آزاد می*کنند، بنابراین انفجار را می*توان واکنش گرماده در نظر گرفت که انرژی زیادی را بصورت گرما ، صدا و نور در زمان کمتری آزاد می کند.
انجام واکنش گرماده از لحاظ تئوری
طبق قانون بقای انرژی ، انرژی از بین نمی رود اما بصورت های دیگر تبدیل می شود، بنابراین انرژی یک سیستم مقدار ثابتی است. بعنوان مثال انرژی امروزی جهان با انرژی آن در هزاران سال پیش برابر است. واکنش های شیمیایی با تغییر انرژی همراه اند. در یک واکنش وقتی پیوندهای ناپایدار با پیوندهای پایدارتری جایگزین می شوند مقداری انرژی آزاد می شود، بنابراین تشکیل پیوندهای پایدار با آزاد کردن انرژی همراه است و وقتی میلیون ها پیوند پایدار در یک واکنش ایجاد می شود این انرژی ها با هم جمع شده و انرژی بالایی را بصورت حرارت ، نور یا انفجار آزاد می کنند.
بنابراین در یک واکنش گرماده سطح انرژی کمتر از سطح انرژی مواد واکنش دهنده است و گرمای آزاد شده را با آنتالپی منفی نمایش می دهند.
وقوع واکنش های گرماده از لحاظ ترمودینامیکی
برخی از واکنش های شیمیایی گرماده بصورت خود بخودی انجام می گیرند. میزان خود بخودی بودن یک واکنش را ΔG که معیاری از آنتروپی و محتوای آنتالپی است، مشخص می کند. اما پیش گویی خود بخودی بودن یک واکنش دلیل بر وقوع آن واکنش نیست. زیرا ترمودینامیک ، چیزی در مورد سرعت یک واکنش پیش بینی نمی کند. بعنوان مثال واکنش کربن با اکسیژن در دمای 25ْ و فشار 1 atm از لحاظ ترمودینامیکی قابل انجام است. اما بدون یک عامل موثر مثل حرارت ممکن است مخلوط کربن و مدت های مدیدی بدون تغییر باقی بماند.
تغییر آنتروپی یک محیط بر اثر گرمایی که بعلت تغییر آنتالپی واکنش به محیط یا از محیط منتقل می شود بوقوع می پیوندد. هر چه بزرگ تر باشد بی نظمی بیشتری در محیط ایجاد می شود.
پس در یک واکنش گرماده خود بخودی:
ΔG = ΔH -TΔs < 0
0> ΔH در یک واکنش گرمازا
Δs > 0 میزان بی نظمی در یک واکنش خود بخودی
پس T.Δs > 0
آنگاه TΔs < 0- است. چون Δs برای یک تغییر خود بخود بزرگتر از صفر است و TΔs کل هم باید بزرگتر از صفر باشد در اینصورت بوده برای یک تغییر خود بخود است. برای بسیاری از واکنش های شیمیایی در 25 درجه سانتیگراد و فشار 1atm مقدار مطلق ΔH بسیار بزرگتر از مقدار TΔs می باشد در این شرایط واکنش های گرمازا بصورت خود بخود صورت می گیرند.
استفاده از واکنش های گرمازا در صنعت
بیشتر کوره های احتراقی که عملیات گداختن و تصفیه کانی آهن و تولید آهن در آنها انجام می گیرد نیاز به دماهای بسیار بالا برای انجام واکنش دارند. در عملیات ذوب سنگ آهن ، سنگ آهن را با کک و سنگ آهک در کوره قرار داده و جریانی از هوای داغ را به درون کوره هدایت می کنند. واکنش کک ( کربن ) با اکسیژن بسیار گرمازا است. بنابراین این کوره ها را از اکسیژن غنی می کنند. کک در اثر گرما هوای داغ با اکسیژن وارد واکنش شده و ایجاد می کند که از گرمای فراوان حاصل از این واکنش برای ذوب سنگ آهن استفاده می شود.

واکنش گرماگیر
وقتی میزان سطح انرژی در مواد اولیه پایینتر از محصولات باشد، واکنش به دلیل پایدار بودن مواد اولیه نیاز به انرژی دارد تا پیوندهای اولیه شکسته شده و پیوندهای جدید حاصل شوند در این صورت واکنش گرمای لازم را از محیط جذب می کند این تغییر انرژی را با (+ΔH) نشان می دهند. واکنشهای گرماگیر به صورت خود به خودی انجام نمی گیرند و برای انجام گرفتن واکنش نیاز به جذب انرژی یا انجام کار روی سیستم دارند.
از لحاظ ترمودینامیکی برای یک واکنش گرماگیر ΔG>0 یعنی ΔG=ΔH - TΔS در نتیجه ΔH>0 می باشد. در یک واکنش غیر خود به خودی ΔS<0 می باشد. بنابراین TΔS>0- چون T(-ΔS)<0 و T(-ΔS)>0- پس ΔG>0 بوده و واکنش غیر خود به خودی می باشد.