كيفية حساب التغيير الحراري

التغيير الحراري للتفاعل هو مقدار الحرارة الممتصة أو المنبعثة أثناء حدوث التفاعل ، إذا حدث عند ضغط ثابت. يمكنك إكمال الحساب بطرق مختلفة اعتمادًا على الموقف المحدد والمعلومات المتوفرة لديك. بالنسبة للعديد من العمليات الحسابية ، يعتبر قانون هيس هو الجزء الأساسي من المعلومات التي تحتاج إلى استخدامها ، ولكن إذا كنت تعرف المحتوى الحراري للمنتجات والمتفاعلات ، فإن الحساب يكون أبسط بكثير.

TL ؛ DR (طويل جدًا ؛ لم أقرأ)

يمكنك حساب التغييرات في المحتوى الحراري باستخدام الصيغة البسيطة: ∆H = H._منتجات - ح_{المتفاعلات}

التعريف الدقيق للمحتوى الحراري (H) هو مجموع الطاقة الداخلية (U) بالإضافة إلى ناتج الضغط (P) والحجم (V). في الرموز ، هذا هو:

H = U + PV

التغيير في المحتوى الحراري (∆H) هو:

∆H = ∆U + P∆V

حيث رمز دلتا (∆) يعني "التغيير في". من الناحية العملية ، يظل الضغط ثابتًا وتظهر المعادلة أعلاه بشكل أفضل على النحو التالي:

∆H = ∆U + P∆V

ومع ذلك ، بالنسبة للضغط المستمر ، فإن التغيير في المحتوى الحراري هو ببساطة نقل الحرارة (q):

∆H = ف

إذا كان (q) موجبًا ، يكون التفاعل ماصًا للحرارة (أي يمتص الحرارة من محيطه) ، وإذا كان سالبًا ، يكون التفاعل طاردًا للحرارة (أي يطلق الحرارة في محيطه). المحتوى الحراري يحتوي على وحدات kJ / mol أو J / mol ، أو بشكل عام ، الطاقة / الكتلة. ترتبط المعادلات أعلاه بفيزياء تدفق الحرارة والطاقة: الديناميكا الحرارية.

الطريقة الأساسية لحساب تغير المحتوى الحراري تستخدم المحتوى الحراري للمنتجات والمواد المتفاعلة. إذا كنت تعرف هذه الكميات ، فاستخدم الصيغة التالية لحساب التغيير العام:

∆H = H._منتجات - ح_{المتفاعلات}

تعد إضافة أيون الصوديوم إلى أيون الكلوريد لتكوين كلوريد الصوديوم مثالًا على تفاعل يمكنك حسابه بهذه الطريقة. يحتوي الصوديوم الأيوني على محتوى حراري −239.7 كيلوجول / مول ، ويحتوي أيون الكلوريد على محتوى حراري −167.4 كيلوجول / مول. يحتوي كلوريد الصوديوم (ملح الطعام) على محتوى حراري −411 كيلو جول / مول. يؤدي إدخال هذه القيم إلى:

∆ح = −411 كيلوجول / مول - (−239.7 كيلوجول / مول −167.4 كيلوجول / مول)

= −411 كيلوجول / مول - (.407.1 كيلوجول / مول)

= −411 كيلوجول / مول + 407.1 كيلوجول / مول = −3.9 كيلوجول / مول

لذا فإن تكوين الملح يطلق ما يقرب من 4 كيلو جول من الطاقة لكل مول.

عندما تتحول مادة ما من مادة صلبة إلى سائلة ، أو سائلة إلى غازية ، أو صلبة إلى غازية ، فهناك محتوى داخلي محدد تشارك في هذه التغييرات. يصف المحتوى الحراري للذوبان (أو الحرارة الكامنة) الانتقال من الحالة الصلبة إلى السائلة (العكس هو ناقص هذه القيمة ويسمى المحتوى الحراري للانصهار) ، ويصف المحتوى الحراري للتبخير الانتقال من السائل إلى الغاز (والعكس هو التكثيف) ويصف المحتوى الحراري للتسامي الانتقال من الحالة الصلبة إلى الغاز (يسمى العكس مرة أخرى المحتوى الحراري للتكثيف).

بالنسبة للماء ، المحتوى الحراري للذوبان هو ∆H_ذوبان = 6.007 كيلوجول / مول. تخيل أنك تسخن الثلج من 250 كلفن حتى يذوب ، ثم تسخن الماء إلى 300 كلفن. إن تغيير المحتوى الحراري لأجزاء التسخين هو فقط الحرارة المطلوبة ، لذا يمكنك العثور عليها باستخدام:

∆H = nC∆T

حيث (ن) هو عدد المولات ، (∆T) هو التغير في درجة الحرارة و (C) هي الحرارة النوعية. تبلغ الحرارة النوعية للثلج 38.1 جول / ك مول والحرارة النوعية للماء 75.4 جول / ك · مول. لذلك يتم الحساب في أجزاء قليلة. أولاً ، يجب تسخين الجليد من 250 كلفن إلى 273 كلفن (أي -23 درجة مئوية إلى 0 درجة مئوية). بالنسبة لـ 5 مولات ثلج ، هذا هو:

∆H = nC∆T

= 5 مول × 38.1 جول / ك مول × 23 ك

= 4.382 كيلو جول

الآن اضرب المحتوى الحراري للذوبان في عدد الشامات:

∆H = ن ∆H_ذوبان

= 5 مول × 6.007 كيلوجول / مول

= 30.035 كيلو جول

حسابات التبخير هي نفسها ، باستثناء المحتوى الحراري للتبخير بدلاً من المحتوى الذائب. أخيرًا ، احسب مرحلة التسخين النهائية (من 273 إلى 300 كلفن) بنفس الطريقة الأولى:

∆H = nC∆T

= 5 مول × 75.4 جول / ك مول × 27 ك

= 10.179 كيلو جول

اجمع هذه الأجزاء لإيجاد التغيير الكلي في المحتوى الحراري للتفاعل:

∆H_مجموع = 10.179 كيلوجول + 30.035 كيلوجول + 4.382 كيلوجول

= 44.596 كيلو جول

يكون قانون هيس مفيدًا عندما يتكون رد الفعل الذي تفكر فيه من جزأين أو أكثر وتريد معرفة التغيير العام في المحتوى الحراري. تنص على أن تغيير المحتوى الحراري لتفاعل أو عملية مستقلة عن المسار الذي يحدث من خلاله. هذا يعني أنه إذا تحول التفاعل من مادة إلى أخرى ، فلا يهم إذا حدث التفاعل في خطوة واحدة (تصبح المواد المتفاعلة نواتج على الفور) أو ما إذا كان يمر عبر العديد من الخطوات (تصبح المواد المتفاعلة وسيطة ثم تصبح منتجات) ، فإن تغير المحتوى الحراري الناتج يكون هو نفسه في في القضيتين.

من المفيد عادة رسم مخطط (انظر الموارد) لمساعدتك في استخدام هذا القانون. أحد الأمثلة هو أنك إذا بدأت بستة مولات من الكربون مع ثلاثة من الهيدروجين ، فإنها تحترق لتتحد مع الأكسجين كخطوة وسيطة ثم تشكل البنزين كمنتج نهائي.

ينص قانون هيس على أن التغيير في المحتوى الحراري للتفاعل هو مجموع التغييرات في المحتوى الحراري لكلا الجزأين. في هذه الحالة ، يحتوي احتراق مول واحد من الكربون على ∆H = −394 kJ / mol (يحدث هذا ست مرات في التفاعل) ، والتغير في المحتوى الحراري لاحتراق مول واحد من غاز الهيدروجين ∆H = −286 kJ / mol (يحدث هذا ثلاث مرات) ويصبح ثاني أكسيد الكربون ووسطاء الماء بنزين مع تغير المحتوى الحراري ∆H = +3،267 كيلوجول / مول.

خذ مجموع هذه التغييرات لإيجاد التغير الكلي في المحتوى الحراري ، وتذكر أن تضرب كل منها في عدد المولات المطلوبة في المرحلة الأولى من التفاعل:

∆H_مجموع = 6×(−394) + 3×(−286) +3,267

= 3,267 − 2,364 - 858

= 45 كيلو جول / مول