Endotermni i egzotermni procesi- Rastvaranje i kristalizacija

Svi manje više znamo definicje da je egzotermni proces, proces u kome se oslobađa a kod endotermnog procesa se ulaže toplota. Da se to meri promenom temperature sistema ili npr za hemijsku reakciju da se to utvrđuje računanjem promene entalpije reakcije. Ali hajde da probamo da razumemo zašto je neki proces egzoterman ili endoterman, da nam to bude logično za neke pojave u prirodi i svakodnevnom životu.

Najbolji primeri za to su rastvaranje ili kristalizacija neke soli.

Možda će jedna od tema biti posvećena kristalnoj rešetci ali hajde da pretpostavimo da već znate šta je kristalna rešetka a šta su slobodni joni. Ukratko, slobodni joni su atomi ili delovi molekula kojima nedostaju elektroni pa su zato + ili imaju višak elektrona pa su onda - naelektrisani i mogu slobodno da se kreću po sistemu, dok je kristalna rešetka stanje u kome su atomi (ili joni) pravilno rasporedjeni, kao kada bi ste zamislili vojnike koji čekaju u stroju.

Hajde da probamo da zamislimo da rastvorimo kuhinjsku so i da utvrdimo logično da li je to endoterman ili egzoterman proces. Kuhinjska so je čvrsta supstance. To znači da imamo kristalnu rešetku koju sačinjavaju natrijumovi i hloridni joni. Mali deo ovakve kristalne rešetke možete videti na sledećoj slici:

Gde su žute sfere joni hlora a zelene joni natrijuma. Vidimo da su te sfere povezane medju sobom, u ovom slučaju i to su jonske veze kojim se oni drže i zato se ti joni ne kreću, zato je kuhinska so u čvrstom stanju. Šta se dešava kada mi ubacimo ovu kristalnu rešetku odnosno so u vodu? Dolazi do rastvaranja, ali kako?

Jon natrijuma je pozitivno naelektrisan, jon hlora je negativno naelektrisan, a molekul vode je dipol. Šta to znači dipol? To znači da ima dva pola, odnosno da mu je jedan kraj pozitivno naelektrisan (deo gde su 2 atoma vodonika) i jedan kraj negativno naelektrisan (deo molekula gde se nalazi atom kiseonika). Kada taj dipol, odnosno molekul vode priđe rešetci, pozitivan kraj molekula vode se okreće ka atomu hlora koji je negativan. Kako je voda prepuna molekulima vode, sve veći i veći broj molekula vode će okruživati jon hlora. Kada dovoljan broj molekula vode okruži jon hlora, oni će ga odvojiti, istrgnuti iz kristalne režetke i sada je jon hlora "slobodan" odnosno nije vezan za jone natrijuma. Ovaj proces, kada molekuli vode okružuju neki jon se naziva hidratacija.

Isto se dešava i sa jonima natrijuma, koje okružuju molekuli vode ali sada sa negativnim krajem jer je jon natrijuma pozitivan i takođe ga odvajaju iz kristalne rešetke. Ako smo dodali malu količinu soli ovo se dešava sve dok se potpuno ne rastvori kristalna rešetka i svi joni pređu iz kristalne rešetke u rastvor. Ovaj proces možete videti na slici ispod, samo mala napomena, plavi molekuli su molekuli vode i iako na slici samo 2 molekula vode okružuju jon u pitanju je ipak veći broj molekula vode ali kako bi slika bila pregledna ja sam stavio samo 2 molekula vode.

Ok, rastvorili smo kristalnu rešetku ali kako ja da znam da li je proces egzoterman ili endoterman? E sada treba da uključimo logiku. Imali smo jone koju su bili mirni (u kristalnoj rešetci) i kada smo ih rastvorili mi smo ih pokrenuli (kada su postali hidratisani). Ajmo sada na trenutak da zamislimo fudbalski teren na kome stoji lopta. Lopta stoji i naravno neće se pokrenuti sama od sebe, da bi se pokrenula mi moramo da je šutnemo nogom. Šta smo tada uradili? Mi smo uložili svoju energiju i predali deo energije lopti, odnosno mi smo joj dali kinetičku energiju. Odnosno, da bi lopta počela da se kreće ona je morala da primi neku energiju, tj primila je energiju koju smo mi uložili. Pa ako smo mi imali mirne jone u kristalnoj rešetci i tokom rastvaranja su se pokrenuli, da li su onda oni primili ili odali energiju? Oni su primili energiju, ako u slučaju kod lopte. Samo u slučaju jona energiju koju joni dobijaju dobijaju iz sistema. A ako se ulaže energija u neki sistem to je onda endoterman proces, dakle razaranje kristalne rešetke endoterman proces.

Hajmo sada da razmislimo kakav je proces kristalizacije. Ako smo imali rastvorene jone i dobijamo kristale, šta se u stvari desilo? Imali smo jone koji su se kretali i sada su odjednom stali. Ako su se  kretali to znači da su oni imali energiju, a kada stoje to znači da nemaju više tu kinetičku energiju. Šta se onda desilo? Onda su oni jednostavno oslobodili tu svoju kinetičku energiju. Zato se pri procesu rastvaranja čaša hladi, jer je to endoterman proces, odnosno proces pri kome se troši energija.

Nadam se da je sve ovo bilo logično i u sustini to bi bilo to, ali postoji jedna mala caka koju moram da spomenem, ako ste srednjoškolac ovo vam je verovatno bilo dovoljno i ovaj pasus možete da preskočite i da nastavite sa naslovom "slično se u sličnom rastvara" ali ukoliko ste student onda morate da uzmete još jednu stvar u obzir, a to je proces hidratacije. Da bi smo rastvorili nešto mi smo imali pored razgradnje kristalne rešetke i proces hidratacije. Moramo uzeti u obzir kakav je proces hidratacije, egzoterman ili endoterman? Hajmo opet da uključimo logiku. Molekuli vode su se kretali kroz rastvor, naišli na jone, okružili odnosno sada su oni formirali neku vrstu veze odnosno usporili svoje kretanje delimično i zato je proces hidratacije egzoterman. Čekaj, pa je li rastvaranje endoterman kao što smo gore naveli ili egzoterman proces zbog hidratacije? Rastvaranje je skoro uvek endoterman proces, a to da li će biti endoterman ili egzoterman u stvari zavisi od ova dva ukupna procesa, osnosno šta će biti veće. Jednostavno, ako nam je više potrebno energije za razgradnju rešetke nego što nam se oslobodi energije pri hidrataciji (što je najčešće slučaj) onda će proces rastvaranja biti endoterman. Ili biće egzoterman ukoliko je obrnuto. Isto ovo važi i za proces kristalizacije.

Slično se u sličnom rastvara 

Da li ste razmišljali zašto se nešto rastvara u vodi a nešto ne i šta znači ova izreka "slično se u sličnom rastvara" ? Naveli smo u textu gore da je voda dipol, da ima jedan + i jedan - kraj. Takođe, rekli smo da se so sastoji od jona natrijuma (koji je +) i jona hlora (koji je -). To je ta sličnost koja se spominje. Voda je u mogućnosti da rastvori kuhinjsku so zato što joj je ona "slična" odnosno sastoji se od jona koji imaju naelektrisanje. Zato se npr. plastika ne rastvara u vodi, jer se ona ne sastoji od jona pa voda ne može da se orjentiše i hidratiše molekule od kojih se plastika sastoji.

Kako je voda polarna (dipol) ona rastvara polarne supstance a ne rastvara nepolarne. O ovome će takođe biti više reči u nekoj od tema, odnosno kako se utvrđuje da li je neka supstanca polarna ili nepolarna.