אנתלפיה של תגובה

אנתלפיה של תגובה

תרמודינמיקה היא המחקר של אנרגיית חום וסוגים אחרים של אנרגיה, כגון עבודה. חוקי התרמודינמיקה משמשים בכל תחומי המדע הידועים ויש להם יישומים החל מביולוגיה ועד פיזיקה.

שלושה חוקים של התרמודינמיקה

ישנם שלושה חוקים עיקריים של התרמודינמיקה המתארים את האינטראקציות המתרחשות בתוך היקום, ללא קשר לקנה מידה.

הראשון הוא חוק שימור האנרגיה, המתאר כי האנרגיה הכוללת של מערכת מבודדת היא קבועה. אנרגיה יכולה להיות מועברת מצורה אחת של אנרגיה לאחרת, אך לעולם לא ניתן ליצור או להרוס אותה. לדוגמה, אנרגיה תרמית יכולה להפוך לעבודה.

החוק השני של התרמודינמיקה הוא חוק האנטרופיה המוגברת. אנטרופיה היא תכונה תרמודינמית הקשורה לתצורות המיקרוסקופיות האפשריות של המערכת. אנטרופיה מתארת את אי הסדר של המערכת התרמודינמית. החוק השני קובע כי סכום האנטרופיות במערכת תרמודינמית מבודדת חייב תמיד לגדול מכיוון שמערכות נוטות ליותר אי סדר ולא פחות. לכן, מערכות תרמודינמיות לעולם לא יכולות לרדת באנטרופיה, מה שיצביע על שינוי ממצב לא מסודר למצב מסודר, מכיוון שזה יפר את החוק הבסיסי הזה של אנטרופיה.

לבסוף, החוק השלישי של התרמודינמיקה הוא חוק האפס המוחלט. חוק זה קובע כי האנטרופיה של מערכת מתקרבת לערך קבוע כאשר המערכת מתקרבת לטמפרטורה של אפס מוחלט. אפס מוחלט היא טמפרטורה תאורטית שבה התנועה של כל החומר נעצרת, והיא מוגדרת כ-0 מעלות קלווין.

אנתלפיה

בפיזיקה ובכימיה ישנם שני סוגים של פונקציות: פונקציות מצב ופונקציות נתיב. פונקציות נתיב תלויות במעבר שמערכת עוברת מהמצב ההתחלתי למצב הסופי. פונקציות הנתיב הנפוצות ביותר הן חום (Q) ועבודה (W).

פונקציות המדינה אינן תלויות בדרך ומסתמכות על מצב שיווי המשקל הנוכחי של המערכת. פונקציות המצב כוללות לחץ, טמפרטורה, נפח, אנתלפיה ואנטרופיה.

אנתלפיה, H, היא תכונה תרמודינמית המתארת את החום שאבד או נצבר במערכת. השינוי באנתלפיה, ΔH, שווה לסכום השינוי באנרגיה הפנימית, ΔU, בתוספת מכפלת הלחץ הקבוע, P, והשינוי בנפח, ΔV.

ΔH = ΔU + PΔV

במהלך תגובה כימית, אנרגיה נצברת או משתחררת. מאחר שאנתלפיה היא פונקציית מצב, השינוי באנתלפיה במהלך תגובה כימית תלוי רק בהבדל בין האנתלפיות הסופיות והראשוניות.

ΔH = H_סופי - H_ראשוני

האנתלפיה הראשונית מייצגת את האנתלפיה של המגיבים, ואילו האנתלפיה הסופית מייצגת את האנתלפיה של התוצרים. לפיכך, ניתן לתאר את השינוי האנתלפיה של תגובה באמצעות המשוואה הבאה:

ΔH_rxn =_{H products} - H_reactants

כאשר האנתלפיה של המוצרים גדולה יותר מהאנתלפיה של המגיבים, ΔH הוא חיובי, מה שמצביע על כך שהתגובה סופגת חום והיא אנדותרמית. כאשר האנתלפיה של המגיבים גדולה יותר מהאנתלפיה של התוצרים, ΔH שלילי, והתגובה משחררת חום והיא אקסותרמית. אם ערכי ΔH ידועים לתגובה, התגובה ההפוכה היא הערך השלילי של אותו ΔH. תגובה אקסותרמית קדימה תהפוך לתגובה אנדותרמית הפוכה, למשל.

חלק מהתגובות מתרחשות במספר שלבים, ולכל אחת מהן יש אנתלפיה של תגובה משלה. על פי חוק הס, אנו יכולים לקבוע את האנתלפיה הכוללת של התגובה על ידי הוספת אנתלפיה של תגובה עבור כל צעד.

לדוגמה, היווצרות של תחמוצת מגנזיום ממגנזיום מוצק וגז חמצן ניתן לחלק לשלוש תגובות בודדות.

Mg_(s) + 1/2O_{2(g) →} MgO_(s) ΔH_rxn

מ"ג + 2H⁺_(aq) → מ"ג²⁺_(aq) + H_2(גרם) ΔH_rxn1

מ"ג²⁺_(aq) + H₂O_(l) → MgO_(s) + 2H⁺_(aq) ΔH_rxn2

1/2O_2(g) + H_2(g) → H₂O_(l) ΔH_rxn3

על פי חוק הס, אנתלפיה של התגובה עבור התגובה הכוללת (ΔH_rxn) שווה לסכום האנתלפיות הבודדות של התגובות של כל צעד.

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

קלורימטר

קלורימטר הוא מכשיר המודד את החום המשתחרר או נספג בתהליך פיזיקלי או בתגובה כימית. קלורימטר בלחץ קבוע מורכב מתא תגובה מבודד המבודד מהסביבה. זה ממזער את ההשפעה של כל חום או עבודה שאבדו לסביבה. הקלורימטר כולל מערבל כדי לערבב את התמיסה ומדחום כדי למדוד שינויי טמפרטורה.

כדי למדוד חום באמצעות קלורימטר, מגיבים ממוקמים בתוך תא התגובה מעורבבים. כאשר התגובה מתרחשת, שינויי הטמפרטורה נרשמים כ- ΔT. מכיוון שהקלורימטר מבודד ומבודד מהסביבה, כל שינוי טמפרטורה נובע מחום שנצבר או אבד במהלך התגובה הכימית.

הקלורימטר יכול לשמש לקביעת האנתלפיה של תגובה על ידי קביעת הערך התרמודינמי של חום, Q, באמצעות השינוי בטמפרטורה. כאשר Q חיובי, חום נספג על ידי המערכת, ואילו Q שלילי מציין חום המשתחרר על ידי המערכת.

חום קשור לשינוי הטמפרטורה במהלך תגובה, ΔT, על ידי המסה של החומר, m, ואת קיבולת החום הספציפית שלו, c_s. קיבולת החום הסגולית מייצגת את כמות האנרגיה הדרושה, בצורה של חום, כדי להעלות את הטמפרטורה של יחידת מסה אחת של חומר טהור ביחידה אחת והיא כתובה ביחידות של J/kg·K.

Q = mc_sΔT

כתב המשנה p מציין שהתגובה מבוצעת תחת לחץ מתמיד.

Q = mc_pΔT

מכיוון שכל רכיב של התגובה והקלורימטר סופג או מאבד חום, יש לקחת בחשבון את כל המרכיבים בעת חישוב החום התרמודינמי של התגובה, Q_rxn. לכן, החום הכולל של התגובה שווה לחום שנצבר או אבד על ידי התמיסה בתוספת החום שנצבר או אבד על ידי קלורימטר.

Q_rxn = - (Q_soln + Q_calorimeter)

Q_rxn = - (m_solnc_solnΔT + C_calorimeterΔT)

החום התרמודינמי של התגובה, Q_rxn, הנמדד בקלורימטר שווה לחום התגובה, ΔH_rxn.

הפניות

1. Kotz, J.C., Treichel Jr, P.M., Townsend, J.R. (2012). כימיה ותגובתיות כימית. בלמונט, קליפורניה: Brooks/Cole, Cengage Learning.
2. Silderberg, M.S. (2009). כימיה: הטבע המולקולרי של חומר ושינוי. בוסטון, מסצ'וסטס: מקגרו היל.