المحتوى الحراري للتفاعل

المحتوى الحراري للتفاعل

الديناميكا الحرارية هي دراسة الطاقة الحرارية وأنواع أخرى من الطاقة ، مثل العمل. تستخدم قوانين الديناميكا الحرارية في جميع مجالات العلوم المعروفة ولها تطبيقات تتراوح من علم الأحياء إلى الفيزياء.

ثلاثة قوانين للديناميكا الحرارية

هناك ثلاثة قوانين أساسية للديناميكا الحرارية تصف التفاعلات التي تحدث داخل الكون ، بغض النظر عن الحجم.

الأول هو قانون الحفاظ على الطاقة ، والذي يصف أن الطاقة الإجمالية لنظام معزول ثابتة. يمكن نقل الطاقة من شكل من أشكال الطاقة إلى آخر ، ولكن لا يمكن إنشاؤها أو تدميرها. على سبيل المثال ، يمكن تحويل الطاقة الحرارية إلى عمل.

القانون الثاني للديناميكا الحرارية هو قانون زيادة الانتروبيا. الانتروبيا هي خاصية ديناميكية حرارية ترتبط بالتكوينات المجهرية المحتملة للنظام. يصف الانتروبيا اضطراب النظام الديناميكي الحراري. ينص القانون الثاني على أن مجموع الانتروبيا في نظام ديناميكي حراري معزول يجب أن يزداد دائما لأن الأنظمة تميل نحو المزيد من الفوضى بدلا من الأقل. لذلك ، لا يمكن للأنظمة الديناميكية الحرارية أبدا أن تنخفض في الانتروبيا ، مما قد يشير إلى التغيير من الاضطراب إلى المنظم ، لأن ذلك من شأنه أن ينتهك هذا القانون الأساسي للإنتروبيا.

أخيرا ، القانون الثالث للديناميكا الحرارية هو قانون الصفر المطلق. ينص هذا القانون على أن إنتروبيا النظام تقترب من قيمة ثابتة عندما يقترب النظام من درجة حرارة الصفر المطلق. الصفر المطلق هو درجة حرارة نظرية حيث تتوقف حركة كل المادة ، ويتم تعريفها على أنها 0 درجة كلفن.

Enthalpy

في الفيزياء والكيمياء ، هناك نوعان من الوظائف: وظائف الحالة ووظائف المسار. تعتمد وظائف المسار على الانتقال الذي يمر به النظام من الحالة الأولية إلى الحالة النهائية. وظائف المسار الأكثر شيوعا هي الحرارة (Q) والعمل (W).

وظائف الدولة مستقلة عن المسار وتعتمد على حالة التوازن الحالية للنظام. تشمل وظائف الحالة الضغط ودرجة الحرارة والحجم والمحتوى الحراري والإنتروبيا.

المحتوى الحراري ، H ، هو خاصية ديناميكية حرارية تصف الحرارة المفقودة أو المكتسبة في النظام. التغير في المحتوى الحراري ، ΔH ، يساوي مجموع التغير في الطاقة الداخلية ، ΔU ، بالإضافة إلى حاصل ضرب الضغط الثابت ، P ، والتغير في الحجم ، ΔV.

ΔH = ΔU + PΔV

أثناء التفاعل الكيميائي ، يتم اكتساب الطاقة أو إطلاقها. نظرا لأن المحتوى الحراري هو دالة حالة ، فإن التغيير في المحتوى الحراري أثناء التفاعل الكيميائي يعتمد فقط على الفرق بين المحتوى الحراري النهائي والأولي.

ΔH = H_final - H _initial

يمثل المحتوى الحراري الأولي المحتوى الحراري للمواد المتفاعلة ، بينما يمثل المحتوى الحراري النهائي المحتوى الحراري للنواتج. وبالتالي ، يمكن وصف تغير المحتوى الحراري للتفاعل بالمعادلة التالية:

ΔH_rxn = H_products - H _{المتفاعلات}

عندما يكون المحتوى الحراري للمنتجات أكبر من المحتوى الحراري للمواد المتفاعلة ، يكون ΔH موجبا ، مما يشير إلى أن التفاعل يمتص الحرارة ويكون ماصة للحرارة. عندما يكون المحتوى الحراري للمواد المتفاعلة أكبر من المحتوى الحراري للنواتج ، يكون ΔH سالبا ، ويطلق التفاعل الحرارة ويكون طاردا للحرارة. إذا كانت قيم ΔH معروفة للتفاعل ، فإن التفاعل العكسي هو القيمة السالبة لذلك ΔH. سيصبح التفاعل الأمامي الطارد للحرارة تفاعلا عكسيا ماصا للحرارة ، على سبيل المثال.

تحدث بعض التفاعلات في خطوات متعددة ، ولكل منها المحتوى الحراري الخاص به في التفاعل. وفقا لقانون هيس ، يمكننا تحديد المحتوى الحراري الكلي للتفاعل عن طريق إضافة المحتوى الحراري للتفاعل لكل خطوة.

على سبيل المثال ، يمكن تقسيم تكوين أكسيد المغنيسيوم من المغنيسيوم الصلب وغاز الأكسجين إلى ثلاثة تفاعلات فردية.

Mg_(s) + 1/2O_2(g) → MgO_(s) ΔH_rxn

Mg_(s) + 2H⁺_(aq) → mg²⁺_(aq) + H_2(g) ΔH_}rxn1

Mg²⁺_(aq) + H₂O_(l) → MgO_(s) + 2H⁺_(aq) ΔH_rxn2

1/2O_2(g) + H_2(g) → H₂O_(l) ΔH_rxn3

وفقا لقانون هيس ، فإن المحتوى الحراري للتفاعل الكلي (ΔH _rxn ) يساوي مجموع المحتوى الحراري الفردي للتفاعلات لكل خطوة.

ΔH_rxn = ΔH_{rxn1 +} ΔH_{rxn2 +} ΔH_rxn3

المسعر

المسعر هو جهاز يقيس الحرارة المنبعثة أو الممتصة بواسطة عملية فيزيائية أو تفاعل كيميائي. يتكون المسعر ذو الضغط المستمر من غرفة تفاعل معزولة معزولة عن المناطق المحيطة. هذا يقلل من تأثير أي حرارة أو عمل مفقود في البيئة المحيطة. يحتوي المسعر على محرك لخلط المحلول ومقياس حرارة لقياس التغيرات في درجات الحرارة.

لقياس الحرارة باستخدام مقياس المسعر ، يتم وضع المواد المتفاعلة داخل غرفة التفاعل وخلطها. عند حدوث التفاعل ، يتم تسجيل التغيرات في درجات الحرارة على أنها ΔT. نظرا لأن المسعر معزول ومعزول عن المناطق المحيطة ، فإن أي تغير في درجة الحرارة يرجع إلى الحرارة المكتسبة أو المفقودة أثناء التفاعل الكيميائي.

يمكن استخدام المسعر لتحديد المحتوى الحراري للتفاعل عن طريق تحديد القيمة الديناميكية الحرارية للحرارة ، Q ، باستخدام التغير في درجة الحرارة. عندما يكون Q موجبا ، يمتص النظام الحرارة ، بينما يشير Q السالب إلى الحرارة التي يطلقها النظام.

ترتبط الحرارة بالتغير في درجة الحرارة أثناء التفاعل ، ΔT ، بكتلة المادة ، m ، وقدرتها الحرارية النوعية ، c _s . تمثل السعة الحرارية النوعية كمية الطاقة المطلوبة ، في شكل حرارة ، لرفع درجة حرارة وحدة واحدة من كتلة مادة نقية بمقدار وحدة واحدة وهي مكتوبة بوحدات J / kg·K.

Q = mc_sΔT

يشير الرمز p إلى أن التفاعل يتم تحت ضغط ثابت.

Q = mc_pΔT

نظرا لأن كل مكون من مكونات التفاعل ومقياس الحرارة يمتص الحرارة أو يفقدها ، يجب أن تؤخذ جميع المكونات في الاعتبار عند حساب الحرارة الديناميكية الحرارية للتفاعل ، Q _rxn . لذلك ، فإن الحرارة الكلية للتفاعل تساوي الحرارة المكتسبة أو المفقودة من المحلول بالإضافة إلى الحرارة المكتسبة أو المفقودة بواسطة المسعر.

Q_rxn = - (Q_soln + Q_calorimeter)

Q_rxn = - (m_solnc_solnΔT + C_calorimeterΔT)

الحرارة الديناميكية الحرارية للتفاعل ، Q _rxn ، المقاسة في المسعر تساوي حرارة التفاعل ، ΔH _rxn .

المراجع

1. كوتز ، جي سي ، تريتشيل جونيور ، بي إم ، تاونسند ، جي آر (2012). الكيمياء والتفاعل الكيميائي. بلمونت ، كاليفورنيا: بروكس / كول ، Cengage Learning.
2. سيلدربيرج ، MS (2009). الكيمياء: الطبيعة الجزيئية للمادة والتغيير . بوسطن ، ماساتشوستس: ماكجرو هيل.