📚 கற்றல் முதன்மை க.பொ.த. (சா/த) க.பொ.த. (உ/த) பிற 🌐 English உள்நுழைய
சா/த · விஞ்ஞானம் · தரம் 11 · அலகு 8
1️⃣1️⃣ தரம் 11 · அலகு 8

இரசாயன தாக்கங்களின் வெப்ப விளைவு

Heat effects of chemical reactions
★★★☆☆ வெப்பம்தாக்கம்சக்தி

ஒரு spoonful வினாகிரியை சுண்ணாம்புப் பொடியுடன் கலந்தால் — beaker சூடாகின்றது. ஒரு ammonium chloride பொடியை நீரில் கரைத்தால் — beaker குளிர்ந்துவிடுகின்றது. ஏன்? இரசாயன தாக்கங்கள் ஒவ்வொன்றுமே வெப்ப சக்தி (heat energy) மாற்றத்துடன் சேர்ந்தே நிகழ்கின்றன. சில தாக்கங்கள் சூழலுக்கு வெப்பம் வெளியிடும் (exothermic / புறவெப்பத் தாக்கம்) — fuel combustion, neutralisation, respiration. சில தாக்கங்கள் சூழலில் இருந்து வெப்பம் உள்ளிழுக்கும் (endothermic / அகவெப்பத் தாக்கம்) — photosynthesis, ice melting, NH₄NO₃ dissolution. இவ்வலகில் இவ்விரு வகை தாக்கங்களின் பண்புகள், வெப்ப மாற்றம் எவ்வாறு அளவிடுவது (calorimetry: Q = mcθ), மற்றும் அன்றாட உதாரணங்களையும் கற்போம்.

1. வெப்பம் vs வெப்பநிலை — Heat vs Temperature

Two distinct concepts often confused:

  • வெப்பம் (Heat, Q): Total energy transferred due to temperature difference. அலகு: Joule (J). Extensive (depends on amount).
  • வெப்பநிலை (Temperature, T): Average kinetic energy of particles. அலகு: °C அல்லது K. Intensive (independent of amount).

உதாரணம்: ஒரு beaker-ல் 100°C நீர் + ஒரு bath tub-ல் 60°C நீர் — bath tub-ல் உள்ள heat அதிகம் (more mass), beaker-ல் temperature அதிகம்.

2. தாக்கங்களின் இரு வகை — Exothermic + Endothermic

2.1 புறவெப்பத் தாக்கம் (Exothermic reaction)

தாக்கம் சூழலுக்கு (surroundings) வெப்பம் வெளியிடும். சுற்றுச்சூழலின் வெப்பநிலை அதிகரிக்கும். Energy of products < Energy of reactants → energy diagram \"downhill\".

உதாரணங்கள்:

  • எரிதல் (combustion): CH₄ + 2O₂ → CO₂ + 2H₂O + heat.
  • Neutralisation: HCl + NaOH → NaCl + H₂O + ~57 kJ/mol heat. Beaker hot.
  • Respiration: C₆H₁₂O₆ + 6O₂ → 6CO₂ + 6H₂O + ATP + heat.
  • Quicklime + நீர்: CaO + H₂O → Ca(OH)₂ + heat (extreme — boils water).
  • தோனிக மாற்றம் (rusting): 4Fe + 3O₂ → 2Fe₂O₃ + slow heat.
  • நீர்க் கட்டிமா (ice formation): Liquid → solid releases heat.

2.2 அகவெப்பத் தாக்கம் (Endothermic reaction)

தாக்கம் சூழலிலிருந்து வெப்பம் உள்ளிழுக்கும். சுற்றுச்சூழலின் வெப்பநிலை குறையும். Energy of products > Energy of reactants → \"uphill\".

உதாரணங்கள்:

  • ஒளித்தொகுப்பு (photosynthesis): 6CO₂ + 6H₂O + sunlight → C₆H₁₂O₆ + 6O₂. (ஒளி = absorbed energy.)
  • Ice melting: Solid H₂O → liquid H₂O takes 334 J/g (latent heat).
  • NH₄NO₃ dissolution in water: Beaker cools dramatically — instant cold pack basis.
  • Sodium bicarbonate + vinegar: Temperature drops slightly while CO₂ released.
  • Decomposition reactions (heating): e.g., CaCO₃ → CaO + CO₂ (lime kiln).
  • நீர் evaporation: Liquid → vapour absorbs ~2260 J/g.

⭐ Quick test Beaker hot during reaction → exothermic. Beaker cold → endothermic. Combustion + neutralisation = always exothermic. Photosynthesis + most dissolutions = endothermic.

3. வெப்ப அளவீடு — Q = mcθ

படம் 8.1 — Polystyrene cup calorimeter: thermometer + stirrer + insulating cover. Heat loss minimised.
படம் 8.1 — Polystyrene cup calorimeter: thermometer + stirrer + insulating cover. Heat loss minimised. NIE பாடநூல், தரம் 11

3.1 Core equation

Q = m × c × θ

Q = heat absorbed/released (J)
m = mass of substance (kg)
c = specific heat capacity (J kg⁻¹ °C⁻¹)
θ = temperature change ΔT (°C)
  

Specific heat capacity = ஒரு unit mass-ஐ ஒரு unit temperature-ஆல் அதிகரிக்க தேவையான heat. Water-க்கு c = 4200 J kg⁻¹ °C⁻¹ (high) — அதனாலேயே coolant + body temp regulator-ஆக useful.

3.2 Worked example 1 — Neutralisation

100 cm³ 1 M HCl + 100 cm³ 1 M NaOH கலந்தபோது temperature 25°C-இலிருந்து 31.8°C-ஆக உயர்ந்தது. (a) வெளியிடப்பட்ட heat? (b) Per mole NaOH heat released?

Total mass: 100 + 100 = 200 g = 0.2 kg. ΔT = 31.8 - 25 = 6.8°C.
Q = mcθ = 0.2 × 4200 × 6.8 = 5712 J ≈ 5.7 kJ.
Moles NaOH = 0.1 dm³ × 1 mol/dm³ = 0.1 mol.
Heat per mole = 5712 / 0.1 = 57,120 J/mol ≈ 57 kJ/mol.
This is the classic strong acid + strong base neutralisation heat.

3.3 Worked example 2 — Endothermic dissolution

40 cm³ vinegar (acetic acid) + 60 cm³ slaked lime (Ca(OH)₂) கரைசலை கலந்தபோது temperature 10°C குறைந்தது. (a) Heat absorbed? (b) Endothermic or exothermic?

Total volume 100 cm³, mass ≈ 100 g = 0.1 kg. ΔT = -10°C (cooling).
Q = mcθ = 0.1 × 4200 × 10 = 4200 J.
Temperature decreased → reaction absorbed heat from solution → endothermic.

⚠ Assumptions in calorimetry (1) Solution density = water density (1 g/cm³). (2) Specific heat = water's (4200). (3) No heat loss to surroundings. (4) Calorimeter absorbs negligible heat. — Insulated polystyrene cup minimises these errors.

4. Energy diagrams (Energy profile)

Reaction progress (x-axis) vs energy (y-axis):

  • Exothermic: Reactants high, products low. Difference = energy released. Curve goes downhill overall.
  • Endothermic: Reactants low, products high. Difference = energy absorbed. Curve goes uphill.
  • Both have activation energy hump in middle — initial energy needed to start reaction (bonds break first).

5. அன்றாட பயன்பாடுகள் (Applications)

5.1 Exothermic uses

  • Fuels: Wood, kerosene, LPG, diesel, petrol — combustion released heat for cooking, transport, electricity.
  • Hand warmers: Iron filings + air → Fe₂O₃ slow rust → warmth.
  • Cement setting: Hydration reactions exothermic. Bridges, dams cool slowly.
  • Body warmth: Cellular respiration of glucose produces ~37°C body temp.

5.2 Endothermic uses

  • Instant cold packs (sports injury): NH₄NO₃ + water → cold quickly. ~0-5°C.
  • Refrigerators: Refrigerant evaporation absorbs heat (vapour-compression cycle).
  • Photosynthesis: Plants store solar energy as chemical bonds.
  • Sweating: Skin water evaporation absorbs body heat → cooling.

5.3 Combination — controlled energy

  • Explosives: Very fast exothermic (TNT, RDX).
  • Internal combustion engine: Controlled exothermic combustion → mechanical work.
  • Glow sticks: Slow exothermic chemiluminescence — light, not heat.

✅ விரைவுச் சோதனை

முக்கியக் கருத்துக்களை உறுதிப்படுத்துங்கள். தவறான விடைகள் உங்கள் தவறுக் குறிப்பேட்டில் சேமிக்கப்படும்.

🖊 கட்டுரை வினாக்கள் (பகுதி II)

பரீட்சை வடிவில் கட்டமைப்பு வினாக்கள். முதலில் நீங்களே எழுதுங்கள்; பின்னர் மாதிரி விடையைத் திறந்து சரிபாருங்கள்.

1. (அ) Exothermic + Endothermic தாக்கம் வரையறை + ஒவ்வொன்றிற்கும் மூன்று உதாரணம். (6) (ஆ) Heat vs Temperature வேறுபாடு. (4) (10 புள்ளி)
2. Q = mcθ formula. (அ) Each variable + unit explain. (3) (ஆ) 200 mL HCl + 200 mL NaOH (both 1 M) கலந்தபோது 25→32.5°C ஆனது. (i) Q? (ii) Per mole? (iii) Type? (5) (இ) Calorimetry assumptions. (2) (10 புள்ளி)
3. Calorimeter design — polystyrene cup setup. ஏன் இவ்வாறு design? Five real-life applications of exothermic vs endothermic reactions. (10 புள்ளி)
4. Real chemistry-physics-biology + everyday examples linking heat reactions: (a) Body temp regulation (b) Respiration + photosynthesis cycle (c) Acid rain energy aspect (d) Cooking + fuel + cement. (10 புள்ளி)
5. Q = mcθ பயன்பாட்டில் 5 numerical problems-ஐ விளக்குக. Specific heat capacity-ன் physical meaning. (10 புள்ளி)
6. Pure metals vs solutions calorimetry வேறுபாடு. சில questions where you must use the formula correctly: 3 problems exposing common student errors. (10 புள்ளி)
7. Why specific heat of water is uniquely high — physical explanation. Climate + biological consequences if water had low specific heat instead. Energy aspect of climate change. (10 புள்ளி)

🔥 மீட்டல் மையம்

பரீட்சைக்கு முன் இறுதி ஒரு நிமிடம் — மறக்கக்கூடாதவை மட்டும்.

  • Exothermic (புறவெப்பத்): Heat released. Beaker warms. Products lower energy than reactants.
  • Endothermic (அகவெப்பத்): Heat absorbed. Beaker cools. Products higher energy than reactants.
  • Exo examples: Combustion (LPG, petrol), Neutralisation (HCl+NaOH 57 kJ/mol), Respiration, CaO+H₂O, Rusting.
  • Endo examples: Photosynthesis, NH₄NO₃+water (cold pack), Ice melting, Evaporation, CaCO₃ decomposition.
  • Q = mcθ. Q joule, m kg, c J/kg/°C, θ ΔT °C.
  • Water c = 4200 J/kg/°C — highest among common liquids.
  • Heat (Q) = total energy. Temperature (T) = avg KE of particles. Different concepts.
  • Standard heat of neutralisation: ~57 kJ/mol (strong+strong).
  • Insulated cup calorimetry. Polystyrene minimises heat loss.
  • Applications: Cold pack (NH₄NO₃), Hand warmer (Fe rust), Fridge (evap), Sweat (cooling), LPG (cook).
  • ⚠ Strong ≠ concentrated. Hot ≠ high heat. m × c × θ — units crucial.

அலகின் முதுகெலும்பு — கருத்துக்களும் தொடர்புகளும்.

  • 1. Exothermic: Heat output. Surroundings warm. ΔH negative. Combustion, neutralisation, respiration, hydration of CaO, rusting.
  • 2. Endothermic: Heat input. Surroundings cool. ΔH positive. Photosynthesis, decomposition heating, dissolution of NH₄NO₃, melting/evaporating.
  • 3. Heat vs Temperature: Heat (Q) = energy in J, extensive. Temperature (T) = avg KE in °C/K, intensive. Bath > beaker in heat; beaker > bath in T.
  • 4. Q = mcθ formula: Universal calorimetry. Q J, m kg, c J/kg/°C, θ ΔT °C.
  • 5. Specific heat values: Water 4200, Ice 2100, Steam 2010, Aluminum 900, Iron 450, Copper 385, Air 1000.
  • 6. Why water special: H-bond network absorbs energy → high c, high latent heats. Climate + body buffer.
  • 7. Calorimeter design: Polystyrene cup (insulator), lid (prevents heat loss + evaporation), thermometer + stirrer (accurate ΔT measurement).
  • 8. Calorimetry assumptions: Solution density = water (1 g/mL); solution c = water's 4200; calorimeter absorbs negligible heat; no loss to surroundings.
  • 9. Standard neutralisation heat: ~57 kJ/mol for strong acid + strong base. Weak slightly less (ionisation cost).
  • 10. Endothermic dissolutions: NH₄NO₃, KCl, KNO₃ — lattice energy > hydration energy. Cold pack applications.
  • 11. Exothermic dissolutions: NaOH, CaO, H₂SO₄ — hydration energy > lattice. Hot when dissolved.
  • 12. Latent heat: Phase change without T change. Fusion (water) = 334 J/g; Vaporisation = 2260 J/g.
  • 13. Energy diagram: Exo = downhill overall, activation hump first. Endo = uphill overall, hump first. Activation energy = initial bond-breaking.
  • 14. Daily exo applications: Fuel cooking, hand warmer (Fe), cement setting, body heat, heat packs.
  • 15. Daily endo applications: Cold pack (NH₄NO₃), refrigerator (refrigerant evap), photosynthesis, sweating, ice in drinks.
  • 16. Calculation example: 200 g water rising 7°C: Q = 0.2 × 4200 × 7 = 5880 J.
  • 17. Per mole calculation: Q ÷ moles of reactant. 5880 J / 0.1 mol = 58.8 kJ/mol.
  • 18. Industrial scale: Steel making (exo: ore + coke), cement (endo: CaCO₃ heating then exo: hydration), explosives (very fast exo).
  • 19. Climate connection: Combustion exo releases CO₂ → greenhouse → climate change. Renewable energy transition needed.
  • 20. Body thermoregulation: Cellular respiration (exo) heats body + sweat evaporation (endo) cools. Water's high c + L_vap critical.

பரீட்சைக்கு முந்தின இரவு முழு அலகையும் ஓட்டிப் பார்.

  • Exo = heat OUT. Combustion, neutralisation, respiration, CaO+water, rusting. Beaker warms.
  • Endo = heat IN. Photosynthesis, NH₄NO₃ dissolution, ice melting, evaporation. Beaker cools.
  • Q = mcθ. J = kg × J/kg/°C × °C.
  • Water c = 4200 J/kg/°C (memorise!). Density 1 g/mL = 1000 kg/m³.
  • Heat (Q, J) ≠ Temperature (T, °C). Heat = total; Temperature = average particle KE.
  • Neutralisation heat: ~57 kJ/mol (strong + strong).
  • Calorimeter: Polystyrene cup + lid + thermometer + stirrer. Insulating + accurate ΔT measurement.
  • Assumptions: Solution = water properties.
  • Per mole calculation: Q (total) ÷ moles of limiting reactant.
  • Energy diagrams: Exo downhill (products lower), Endo uphill (products higher). Both have activation energy hump in middle.
  • Phase changes: Latent heat. Water: fusion 334 J/g, vaporisation 2260 J/g. No T change during phase transition.
  • Common exo apps: Cooking LPG, hand warmer (Fe oxidation), cement setting, body heat from respiration.
  • Common endo apps: Instant cold pack NH₄NO₃, refrigerator (refrigerant evaporation), sweating cooling.
  • Sign confusion: Solution warming = reaction exo. Solution cooling = reaction endo. ΔT magnitude vs direction.
  • Mass = TOTAL mixed solution mass (not just one reactant).
  • Substance-specific c. Don't default to water for metals/non-aqueous.
  • Worked problem: 100 mL HCl + 100 mL NaOH (1M each) → 25°C → 31.8°C → Q=mcθ = 0.2 × 4200 × 6.8 = 5712 J = ÷ 0.1 mol = 57 kJ/mol.
  • 📋 Glossary: வெப்பம்=heat; வெப்பநிலை=temperature; புறவெப்பத் தாக்கம்=exothermic; அகவெப்பத் தாக்கம்=endothermic; தன்வெப்பக் கொள்ளளவு=specific heat capacity; calorimeter=வெப்ப அளவி.
📝 மேலும் பயிற்சி