📚 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 கரண்டி வினாகிரியைச் சுண்ணாம்புப் பொடியுடன் கலந்தால் முகவை சூடாகின்றது. அமோனியம் குளோரைட்டுப் பொடியை நீரில் கரைத்தால் முகவை குளிர்ந்துவிடுகின்றது. ஏன்? இரசாயனத் தாக்கங்கள் ஒவ்வொன்றும் வெப்ப சக்தி (heat energy) மாற்றத்துடனேயே நிகழ்கின்றன. சில தாக்கங்கள் சூழலுக்கு வெப்பத்தை வெளியிடும் (புறவெப்பத் தாக்கம், exothermic); எரிபொருள் எரிதல், நடுநிலையாக்கல், சுவாசம் ஆகியவை இவ்வகையைச் சேர்ந்தவை. வேறு சில தாக்கங்கள் சூழலிலிருந்து வெப்பத்தை உள்ளிழுக்கும் (அகவெப்பத் தாக்கம், endothermic); ஒளித்தொகுப்பு, பனிக்கட்டி உருகுதல், NH₄NO₃ நீரில் கரைதல் ஆகியவை இவ்வகையைச் சேர்ந்தவை. இவ்வலகில் இவ்விரு வகைத் தாக்கங்களின் பண்புகளையும், வெப்ப மாற்றத்தை அளவிடும் முறையையும் (calorimetry: Q = mcθ), அன்றாட எடுத்துக்காட்டுகளையும் கற்போம்.

1. வெப்பமும் வெப்பநிலையும் (Heat and Temperature)

Two distinct concepts often confused:

  • வெப்பம் (Heat, Q): வெப்பநிலை வேறுபாட்டினால் கடத்தப்படும் மொத்தச் சக்தி. அலகு: Joule (J). Extensive (depends on amount).
  • வெப்பநிலை (Temperature, T): துணிக்கைகளின் சராசரி இயக்கச் சக்தி. அலகு: °C அல்லது K. Intensive (independent of amount).

எடுத்துக்காட்டு: ஒரு முகவையிலுள்ள 100°C நீரையும் ஒரு குளியல் தொட்டியிலுள்ள 60°C நீரையும் ஒப்பிட்டால், தொட்டியிலுள்ள நீரில் வெப்பம் (heat) அதிகம் (திணிவு கூடுதல்), முகவையிலுள்ள நீரில் வெப்பநிலை (temperature) அதிகம்.

2. தாக்கங்களின் இரு வகைகள்: புறவெப்பத் தாக்கமும் அகவெப்பத் தாக்கமும்

2.1 புறவெப்பத் தாக்கம் (Exothermic reaction)

தாக்கம் சூழலுக்கு (surroundings) வெப்பத்தை வெளியிடும்; அதனால் சூழலின் வெப்பநிலை அதிகரிக்கும். சக்தி வரைபடத்தில் இதைப் பின்வருமாறு காட்டலாம்: Energy of products < Energy of reactants → energy diagram \"downhill\".

எடுத்துக்காட்டுகள்:

  • எரிதல் (combustion): CH₄ + 2O₂ → CO₂ + 2H₂O + வெப்பம்.
  • Neutralisation: HCl + NaOH → NaCl + H₂O + ~57 kJ/mol heat. Beaker hot.
  • Respiration: C₆H₁₂O₆ + 6O₂ → 6CO₂ + 6H₂O + ATP + heat.
  • சுட்ட சுண்ணாம்பு + நீர்: CaO + H₂O → Ca(OH)₂ + வெப்பம் (மிக அதிகம்; நீரைக் கொதிக்கச் செய்யும்).
  • துருப்பிடித்தல் (rusting): 4Fe + 3O₂ → 2Fe₂O₃ + வெப்பம் (மிக மெதுவாக வெளியேறும்).
  • பனிக்கட்டி உருவாதல் (ice formation): திரவம் திண்மமாகும்போது வெப்பம் வெளியேறும்.

2.2 அகவெப்பத் தாக்கம் (Endothermic reaction)

தாக்கம் சூழலிலிருந்து வெப்பத்தை உள்ளிழுக்கும்; அதனால் சூழலின் வெப்பநிலை குறையும். சக்தி வரைபடத்தில் இதைப் பின்வருமாறு காட்டலாம்: Energy of products > Energy of reactants → \"uphill\".

எடுத்துக்காட்டுகள்:

  • ஒளித்தொகுப்பு (photosynthesis): 6CO₂ + 6H₂O + சூரிய ஒளி → 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 ஆவியாதல் (evaporation): திரவம் ஆவியாகும்போது கிராமுக்கு ஏறத்தாழ 2260 J வெப்பத்தை உறிஞ்சும்.

⭐ 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 — பொலிஸ்ரைரீன் கோப்பைக் கலோரிமானி (calorimeter): வெப்பமானியும் கலக்கியும் காப்பு மூடியும் உள்ளன; வெப்ப இழப்பு மிகக் குறைக்கப்பட்டுள்ளது.
படம் 8.1 — பொலிஸ்ரைரீன் கோப்பைக் கலோரிமானி (calorimeter): வெப்பமானியும் கலக்கியும் காப்பு மூடியும் உள்ளன; வெப்ப இழப்பு மிகக் குறைக்கப்பட்டுள்ளது. 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)
  

தன் வெப்பக் கொள்ளளவு (specific heat capacity) என்பது ஓர் அலகுத் திணிவை ஓர் அலகு வெப்பநிலையால் உயர்த்தத் தேவையான வெப்பம் ஆகும். நீருக்கு c = 4200 J kg⁻¹ °C⁻¹ (உயர்ந்த பெறுமானம்); அதனாலேயே நீர் குளிரூட்டியாகவும் உடல் வெப்பநிலையைச் சீராக்கும் பொருளாகவும் பயன்படுகிறது.

3.2 Worked example 1 — Neutralisation

100 cm³ 1 M HCl உடன் 100 cm³ 1 M NaOH ஐக் கலந்தபோது வெப்பநிலை 25°C இலிருந்து 31.8°C ஆக உயர்ந்தது. (a) வெளியிடப்பட்ட வெப்பம் எவ்வளவு? (b) ஒரு மூல் NaOH க்கு வெளியிடப்படும் வெப்பம் எவ்வளவு?

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 வினாகிரியையும் (அசெற்றிக் அமிலம்) 60 cm³ நீற்றிய சுண்ணாம்புக் (Ca(OH)₂) கரைசலையும் கலந்தபோது வெப்பநிலை 10°C குறைந்தது. (a) உறிஞ்சப்பட்ட வெப்பம் எவ்வளவு? (b) இது அகவெப்பத் தாக்கமா, புறவெப்பத் தாக்கமா?

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. அன்றாடப் 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