Номер 7, страница 33 - гдз по химии 11 класс учебник Еремин, Кузьменко

Параграф 5. Растворы. Глава 1. Вещество - номер 7, страница 33.

Условие.

7. Объясните происхождение энергии, выделяющейся при действии «химической грелки».

Решение.

Решение 2.

Решение

Энергия, выделяющаяся при действии «химической грелки», имеет химическое происхождение и является результатом экзотермической реакции или экзотермического фазового перехода. Это процесс, протекающий с выделением тепла во внешнюю среду. Внутренняя энергия продуктов реакции оказывается меньше, чем внутренняя энергия исходных веществ (реагентов). Эта разница в энергии и выделяется в виде теплоты.

Существует два основных типа химических грелок, и в каждом из них происходят разные процессы:

1. Одноразовые грелки на основе окисления железа

Такие грелки содержат порошок железа ($Fe$), воду ($H_2O$), соль (например, $NaCl$, как катализатор) и пористый адсорбирующий материал (например, активированный уголь или вермикулит). При вскрытии герметичной упаковки внутрь попадает кислород ($O_2$) из воздуха. Кислород запускает быструю реакцию окисления (по сути, ржавления) железа. Это сильно экзотермический процесс, то есть протекающий с выделением большого количества тепла:

$4Fe_{(тв)} + 3O_{2(г)} \rightarrow 2Fe_2O_{3(тв)} + Q$

Здесь $Q$ – это выделившееся количество теплоты. Энергия выделяется потому, что химические связи в продукте реакции, оксиде железа ($Fe_2O_3$), более прочные и стабильные, чем связи в исходных веществах. Система переходит из состояния с более высокой потенциальной химической энергией в состояние с более низкой энергией. Эта разница в энергии преобразуется в тепловую энергию, которая и согревает.

2. Многоразовые солевые грелки

Эти грелки представляют собой герметичный пакет с пересыщенным раствором соли, чаще всего ацетата натрия ($CH_3COONa$) в воде. Раствор находится в метастабильном (неустойчивом) жидком состоянии. Внутри раствора находится палочка-пускатель (аппликатор) или гибкий металлический диск.

При перегибании диска на его поверхности создаются центры кристаллизации, которые запускают цепную реакцию быстрой кристаллизации ацетата натрия из пересыщенного раствора. Процесс кристаллизации – это фазовый переход вещества из менее упорядоченного жидкого состояния в более упорядоченное твердое (кристаллическую решетку). Этот переход является экзотермическим:

$CH_3COONa_{(раствор)} \rightarrow CH_3COONa \cdot 3H_2O_{(крист)} + Q$

Выделение энергии происходит за счет того, что ионы и молекулы воды, образуя упорядоченную структуру кристаллогидрата, переходят в более низкое энергетическое состояние. Потенциальная энергия взаимодействия частиц в кристалле ниже, чем в растворе, и эта разница выделяется в виде тепла. Чтобы "перезарядить" такую грелку, ее нужно поместить в кипящую воду до полного растворения кристаллов, при этом система поглощает тепловую энергию извне, возвращаясь в исходное метастабильное состояние.

Ответ:

Происхождение энергии, выделяющейся при действии «химической грелки», заключается в преобразовании внутренней химической энергии реагентов в тепловую энергию в ходе экзотермической реакции (окисление железа в одноразовых грелках) или экзотермического фазового перехода (кристаллизация пересыщенного раствора соли, например, ацетата натрия, в многоразовых грелках). В обоих случаях система переходит из менее стабильного состояния с высокой энергией в более стабильное состояние с низкой энергией, а высвободившаяся разница энергий выделяется в окружающую среду в виде тепла.