فرایند های گرماده-1

در علم ترموشیمی، واکنش‌ها و فرایندهای فیزیکی و شیمیایی از نظر تبادل گرما با محیط پیرامون به دو دسته کلی گرماگیر و گرماده تقسیم می‌شوند. این درسنامه به صورت تخصصی به بررسی ویژگی‌ها و نمونه‌های فرایندهای گرماده می‌پردازد.

۱. تعریف فرایند گرماده و مفاهیم پایه
• تعریف: فرایند گرماده، فرایندی است که در آن سامانه (واکنش‌دهنده‌ها) به محیط اطراف گرما می‌دهد. به عبارت دیگر، انرژی به شکل گرما از سامانه خارج شده و به محیط منتقل می‌شود.
• آنتالپی (H): محتوای انرژی یک سامانه در فشار ثابت را آنتالپی می‌گویند.
• تغییرات آنتالپی (\(Delta H\)): در فرایندهای گرماده، سامانه بخشی از انرژی خود را به صورت گرما از دست می‌دهد؛ بنابراین سطح انرژی سامانه کاهش می‌یابد.
• \(DeltaH=H_{\text{فراورده ها}}-H_{\text{واکنش دهنده ها}}\)
• چون آنتالپی فرآورده‌ها کمتر از واکنش‌دهنده‌هاست، \(Delta H\lt 0\) (علامت منفی) است.
• پایداری: قانون کلی در طبیعت، تمایل به رسیدن به کمترین سطح انرژی است. در واکنش‌های گرماده، سطح انرژی فرآورده‌ها از واکنش‌دهنده‌ها پایین‌تر است؛ بنابراین در این فرایندها، فرآورده‌ها از واکنش‌دهنده‌ها پایدارترند.
• اثر بر محیط: با آزاد شدن گرما از سامانه، انرژی گرمایی و دمای محیط پیرامون افزایش یافته و محیط گرم‌تر می‌شود.

۲. نمودار انرژی - پیشرفت واکنش

2. نمودار انرژی - پیشرفت واکنش
در رسم نمودار انرژی فرایندهای گرماده:
1. محور افقی: پیشرفت واکنش
2. محور عمودی: سطح انرژی (آنتالپی - H)
3. سطح انرژی واکنش‌دهنده‌ها (در سمت چپ نمودار) بالاتر از سطح انرژی فراورده‌ها (در سمت راست نمودار) قرار می‌گیرد.
4. فلش نشان‌دهنده \(Delta H\) رو به پایین کشیده می‌شود که نشانگر خروج گرما و \(Delta H\lt 0\)  است.
3. دسته‌بندی و بررسی کامل واکنش‌های گرماده
فرایندهای گرماده به دسته‌های زیر تقسیم می‌شوند که هر یک شامل واکنش‌های مهمی است:
دسته اول: سوختن (احتراق)

تمامی واکنش‌های سوختن (هیدروکربن‌ها، الکل‌ها، چربی‌ها و...) به دلیل آزاد کردن انرژی زیاد، گرماده هستند. گرما در این واکنش‌ها در سمت راست معادله (بخش فرآورده‌ها) نوشته می‌شود.
• سوختن گاز متان:
\[CH_4(g)+2O_2(g)→CO_2(g)+2H_2O(l)+890 kJ\]
• سوختن اکتان (جزء اصلی بنزین):
\[C_8H_{18}(l)+\frac{25}{2}O_2(g)→8CO_2(g)+9H_2O(l)+Q\]
نکته: Q نشان‌دهنده گرمای آزاد شده است.
• سوختن چربی کوهان شتر (تری استئارین - تری‌گلیسرید):
کوهان شتر منبع ذخیره چربی برای تامین انرژی و آب در شرایط بی‌آبی است.
\[C_{57}H_{110}O_6(s)+81.5O_2(g)→57CO_2(g)+55H_2O(l)\]
دسته دوم: سنتز صنعتی مواد مهم
برخی فرایندهای صنعتی معروف، مانند تولید آمونیاک، گرماده هستند.
• فرایند هابر (تولید آمونیاک):
واکنش گاز نیتروژن و هیدروژن برای تولید آمونیاک یک واکنش تعادلی و گرماده است.
\[N_2(g)+3H_2(g)⇌2NH_3(g)(\Delta H<0)\]

دسته سوم: واکنش‌های افزایشی، جابه‌جایی و خنثی‌شدن
• واکنش‌های افزایشی آلکن‌ها: شکستن پیوند دوگانه (pi\(\pi\)) و تشکیل پیوندهای یگانه (sigma\(\sigma\)) جدید معمولاً فرایندی گرماده است.
• هیدروژن‌دار کردن اتن: \[CH_{2}=CH_{2}(g) + H_{2}(g) \rightarrow CH_{3}-CH_{3}(g) + q\]
• هالوژن‌دار کردن اتن: \[CH_{2}=CH_{2}(g) + Cl_{2}(g) \rightarrow CH_{2}Cl-CH_{2}Cl + q\]
• واکنش اسید و باز (خنثی‌شدن): واکنش اسیدهای قوی با بازهای قوی به شدت گرماده است.
• واکنش جابه‌جایی یگانه: واکنش فلزات فعال (مانند سدیم یا پتاسیم) با آب یا اسیدها به شدت گرماده است و با آزاد کردن گاز هیدروژن همراه است.
دسته چهارم: تشکیل پیوند و ترکیبات
• تشکیل پیوند از اتم‌های مجزا: نزدیک شدن اتم‌های ناپایدار و تشکیل پیوند کووالانسی پایدار، همیشه گرماده است.

• \(H(g)+H(g)\rightarrow H_{2}\)
• تشکیل ترکیب از عناصر سازنده:
• تشکیل هیدروژن کلرید \(H_{2} + Cl_{2} \rightarrow 2HCl + Q\)
• دیمر شدن (پلیمر شدن): اتصال دو یا چند مولکول کوچک به یکدیگر.
• تبدیل نیتروژن دی‌اکسید (قهوه‌ای رنگ) به دی‌نیتروژن تتراکسید (بی‌رنگ): \(2NO_{2}(g)\rightarrow N_{2}O_{4}(g) + Q\)
دسته پنجم: انحلال برخی نمک‌ها در آب
با اینکه انحلال بسیاری از نمک‌ها گرماگیر است، اما انحلال برخی ترکیب‌های یونی در آب با آزاد شدن گرما همراه است.
در این حالت گرمای آب‌پوشی یون‌ها از انرژی شبکه بلور بیشتر است.
• انحلال کلسیم کلرید در آب:
\[CaCl_{2}(s)\rightarrow Ca^{2+}(aq)+2Cl^{-}(aq) \quad \Delta H=-83 \text{ kJ}\]
(از این ویژگی می‌توان برای ساخت بسته‌های گرم‌کننده فوری استفاده کرد).
دسته ششم: تغییر حالت‌های فیزیکی گرماده
تغییر حالت‌هایی که در آن‌ها فاصله‌ی بین ذرات کاهش می‌یابد و پیوندها یا نیروهای بین‌مولکولی جدیدی تشکیل می‌شود، گرماده هستند.
• میعان (گاز به مایع): مانند تشکیل شبنم.
• انجماد (مایع به جامد): مانند یخ زدن آب.
• چگالش (گاز به جامد): مانند تشکیل برفک یخچال.

• در تمامی این فرایندها، سطح انرژی ذرات ماده کاهش یافته و گرما به محیط پس داده می‌شود.