جدوى التحويلات من خلال تحليل التغيرات في Enthalpy

يُطلق على المحتوى الحراري الكلي لنظام ما اسم "المحتوى الحراري". التغير في المحتوى الحراري هو كمية الحرارة الممتصة أو المنطلقة في التفاعل عند ضغط ثابت. رمز التغير في المحتوى الحراري هو دلتا H. عندما يتم امتصاص الحرارة فإن التغير في المحتوى الحراري يكون موجبا. عندما يتم إطلاق الحرارة فإن التغير في المحتوى الحراري يكون سلبيا.

التغير في المحتوى الحراري القياسي هو التغير في المحتوى الحراري عندما يتكون مول واحد من مادة من عناصرها النقية في الحالة القياسية. الحالة القياسية هي 1 ضغط جوي و 29815 كلفن من درجة الحرارة. التغير في المحتوى الحراري القياسي للتفاعل يساوي مجموع المحتوى الحراري القياسي لتكوين النواتج مطروحًا منه مجموع المحتوى الحراري القياسي لتكوين المتفاعلات.

دعونا نحسب التغير في المحتوى الحراري في عملية ما. يتم تحويل الميثانول إلى الفورمالديهايد وغاز الهيدروجين. يمكن حساب التغير في المحتوى الحراري أثناء هذه العملية بالطريقة التاليةأولاً، نحتاج إلى إيجاد حرارة احتراق الميثانول والفورمالديهايد وغاز الهيدروجين الموضحة في الرسم التوضيحيسنقوم الآن بتحديد التغير في المحتوى الحراري لتحويل الميثانول إلى الفورمالديهايد وغاز الهيدروجين.

أولاً، سوف نقوم بإعادة ترتيب هذه المعادلات وفقًا لرد فعلنا الرئيسي. يقع الميثانول على جانب المتفاعل لذلك سنكتب معادلة احتراق الميثانول كما هيفي تفاعلنا الرئيسي، يتم أخذ مول واحد من الميثانول، ولكن في تفاعل الاحتراق هناك مولات من الميثانول. سنقوم بتقسيم معادلة احتراق الميثانول بأكملها إلى اثنين. وسوف نقسم أيضًا حرارة الاحتراق على اثنين كما هو موضح في الصورة.

لأن الفورمالديهايد يكون على جانب المنتج في التفاعل الرئيسي ولكن في تفاعل الاحتراق يكون على جانب المتفاعل. سنقوم بقلب تفاعل احتراق الفورمالديهايد. عندما نعكس المعادلة، فإننا نعكس أيضًا إشارة الموجب والسالب لحرارة التفاعل. كما نرى في الرسم التوضيحي الموضح يوجد مول واحد من الفورمالديهايد في التفاعل الرئيسي وأيضًا في تفاعل الاحتراق.

أما بالنسبة لاحتراق الهيدروجين، فيمكننا أن نرى وجود غاز الهيدروجين على جانب المنتج في التفاعل الرئيسي وفي جانب المتفاعل في الاحتراق. سنقوم بقلب معادلة الاحتراق مع حرارة الاحتراقبعد ذلك نقسم معادلة الاحتراق على اثنين لأن هناك مول واحد من غاز الهيدروجين في المعادلة الرئيسية ومولين من غاز الهيدروجين في معادلة الاحتراق.

بعد ترتيب تفاعلات الاحتراق، سنقوم بإضافة هذه التفاعلات وحرارة احتراقها للحصول على التفاعل النهائي والتغير في قيمة المحتوى الحرارييمكننا أن نرى في الرسم التوضيحي أن التغير في المحتوى الحراري لتحويل الميثانول إلى الفورمالديهايد وغاز الهيدروجين هو +86 كيلوجول.

يمثل مخطط المحتوى الحراري التغير في المحتوى الحراري للتفاعل. يمكن أن يكون التفاعل طاردًا للحرارة أو ماصًا للحرارةيتم عرض عملية التفاعل على المحور السيني. على المحور y يتم إعطاء التغير في المحتوى الحراريالآن دعونا نحسب التغير في المحتوى الحراري لتكوين البنزين من الكربون والهيدروجينالآن سوف نكتب تفاعلات الاحتراق للمتفاعلات والناتجة في تفاعلنا الرئيسي ثم نرسم دورة لحساب التغير في المحتوى الحراري.

حرارة احتراق مول واحد من الكربون تساوي -394 كيلوجول ولمول واحد من الهيدروجين تساوي -286 كيلوجول. نظرًا لوجود ستة مولات من الكربون وثلاثة مولات من الهيدروجين في المادة المتفاعلة، فقد ضربنا حرارة الاحتراق في ستة وثلاثة وأضفناهما معًاالآن إذا لاحظنا أن دلتا H2 هي -3268 كيلوجول. سنقوم بقلب المعادلة وإشارة الموجب والسالب للحرارة الاحتراق لإكمال الدورة نحو المنتج.

الآن سوف نضيف دلتا H2 ودلتا H3 للحصول على التغير في المحتوى الحراري لتفاعلنا. وسوف نرسم أيضًا دورة المحتوى الحراريتظهر دورة المحتوى الحراري أيضًا أن عملية دلتا H3 كانت طاردة للحرارة وأن عملية دلتا H2 كانت ماصة للحرارة. عندما جمعنا هاتين القيمتين، حصلنا على قيمة التغير في المحتوى الحراري لتفاعلنا. التغير في المحتوى الحراري لتكوين مول واحد من البنزين من الكربون والهيدروجين هو +46 كيلوجول.

يمكننا قياس المحتوى الحراري القياسي للذوبان تجريبياً. أولاً، خذ كوبًا بلاستيكيًا وأضف إليه بعض المذيب وقم بتغطيته بالكامل. الآن ضع مقياس الحرارة فيه وقم بقياس درجة الحرارة الأولية. بعد ذلك يتم وضع كمية مناسبة من المذاب في المذيب وتحريكها حتى تذوب تماما. الآن قم بقياس درجة الحرارة النهائية. بعد ذلك قم بقياس التغير في درجة الحرارة. الآن ضع قيم الكتلة والسعة الحرارية النوعية للمذيب ودرجة الحرارة في الصيغة الموضحة في الرسم التوضيحي واحسب الحرارة q للحل. يمكننا إيجاد كتلة المذيب عن طريق ضرب كثافته بالحجم المستخدم. يمكن أن يكون التفاعل طاردًا للحرارة أو ماصًا للحرارةالآن أوجد عدد مولات المذاب عن طريق قسمة كتلة المذاب على الكتلة المولية للمذابوأخيرًا، قسّم قيمة حرارة المحلول على عدد مولات المذاب المأخوذة. والإجابة الناتجة هي الحرارة القياسية للذوبان لهذا المذاب.

إنثالبي التعادل هو كمية الحرارة الممتصة أو المنطلقة عند تكوين مول واحد من الماء عن طريق تفاعل محلول مائي من الحمض مع محلول مائي من القاعدة في ظل الظروف القياسيةيمكننا تحديد المحتوى الحراري للتحييد تجريبياً. أولاً، خذ كوبًا من البوليسترين وضع فيه المحلول المائي للقاعدة. الآن ضع مقياس الحرارة فيه وقم بقياس درجة الحرارة الأولية. قم بتغطية الكأس بشكل كاملالآن ضع محلول الحمض فيه. ثم قم بقياس درجة الحرارة النهائية. احسب التغير في درجة الحرارة. الآن ضع قيم كتلة السعة الحرارية النوعية للمحلول والتغير في درجة الحرارة في الصيغة الموضحة في الرسم التوضيحي وأوجد الحرارة المنطلقة. وأخيرًا، أوجد عدد مولات الماء المتكونة من تفاعل التعادل. اقسم حرارة المحلول على عدد مولات الماء المتكونة. ستكون القيمة الناتجة النهائية هي إنثالبية التحييد.

عندما يحل معدن أكثر إيجابية كهروستاتيكية محل مول واحد من المعدن من محلول الملح الخاص به في ظل ظروف قياسية، يحدث تغير في المحتوى الحراري. يُطلق على هذا التغير في المحتوى الحراري اسم المحتوى الحراري للإزاحةعندما نتفاعل معدن الزنك مع محلول كبريتات النحاس، يحل معدن الزنك محل النحاس. التغير في المحتوى الحراري خلال هذه العملية هو -210 كيلوجول/مول. هذه هي إنثالبي الإزاحة.

سنقوم الآن بتحديد المحتوى الحراري لإزاحة مول واحد من أيونات النحاس في محلول كبريتات النحاس بواسطة معدن المغنيسيوم تجريبياً. نأخذ كوبًا بلاستيكيًا. ثم نضع فيه مقياس الحرارة. بعد ذلك نضع مكعب خمسين سنتيمترا من محلول كبريتات النحاس بتركيز صفر فاصل واحد مولاري فيه ونقيس درجة الحرارة الأولية لمدة دقيقتين. نحن نسجل درجة الحرارة الأولية. ثم نضع فيه جرامين من مسحوق المغنيسيوم. نقوم بتحريك الخليط وبعد مرور بعض الوقت نقوم بتسجيل درجة الحرارة النهائية.

الآن نقوم بتدوين قيم درجات الحرارة الأولية والنهائية ونقيس التغير في درجة الحرارةبعد ذلك نجد عدد مولات النحاس من عدد مولات محلول كبريتات النحاس المستخدم. يمكننا بعد ذلك إيجاد التغير في المحتوى الحراري بالصيغة دلتا H تساوي الكتلة مضروبة في السعة الحرارية c مضروبة في ثيتا. تمثل ثيتا التغير في درجة الحرارة.

نحصل على التغير في المحتوى الحراري لإزاحة صفر فاصلة صفر واحد مول من النحاس. وأخيرًا، نجد التغير في المحتوى الحراري لإزاحة مول واحد من النحاس. تظهر كافة الحسابات في الصورة التوضيحية الموضحة.

عندما يتم تكوين مول واحد من مركب من عناصره النقية في ظل ظروف قياسية، يحدث تغير في المحتوى الحراري. يُطلق على هذا التغير في المحتوى الحراري اسم المحتوى الحراري القياسي للتكوين. يتم الإشارة إليه بواسطة ∆Hfعند كتابة معادلة المحتوى الحراري القياسي للتكوين يجب علينا دائمًا كتابة مول واحد من المركب في جانب المنتج. إذا كان الأمر يتطلب كتابة معامل في الكسر على جانب المتفاعل، فهذا جيد تمامًا.

دعونا نأخذ مثالا على المحتوى الحراري لتكوين الماء. يتكون مول واحد من الماء من غاز الهيدروجين وغاز الأكسجين. يتم إطلاق الطاقة في هذه العملية. يتم إطلاق ما يعادل سالب مائتين وستة وتسعين كيلو جول لكل مول من الحرارة في هذه العمليةهذه عملية طاردة للحرارة، مما يعني إطلاق الحرارة في هذه العمليةهذه الحرارة تسمى بالحرارة القياسية للتكوين.

في مثال آخر يتفاعل الكربون مع الأكسجين لتكوين البنزين. كما نرى يتكون مول واحد من البنزين. يتم امتصاص الطاقة في هذه العمليةوتسمى هذه الطاقة الممتصة بالحرارة التكوينية.

عندما نحرق مول واحد من المركب في ظل ظروف قياسية في الأكسجين، يحدث تغير في المحتوى الحراري. يُطلق على هذا التغير في المحتوى الحراري اسم المحتوى الحراري القياسي للاحتراق. في الرسم التوضيحي الموضح، نقوم باحتراق مول واحد من الهيدروجين في وجود الأكسجين لتكوين الماء. إن المحتوى الحراري القياسي للاحتراق لهذا التفاعل يساوي سالب مائتين وستة وثمانين كيلو جول لكل مول.

وفي مثال آخر نقوم بحرق الإيثان. إنثالبي الاحتراق القياسي للإيثان هو -1560 كيلوجول/مولعند كتابة معادلة إنثالبي الاحتراق نكتب المركب المراد حرقه على أنه مول واحد بغض النظر عما إذا كان الأكسجين مكتوبًا في كسور. علاوة على ذلك، يتم كتابة المتفاعلات والنواتج في حالتها القياسية. على سبيل المثال، الماء يتواجد على شكل سائل في الحالة القياسية. لذلك يكتب الماء على هيئة سائل (ل).

عندما يحترق الإيثانول في وجود الأكسجين يتكون ثاني أكسيد الكربون والماء. - يتم إطلاق 13668 كيلوجول/مول من الحرارة في هذه العملية. هذه الحرارة تسمى بالحرارة القياسية للاحتراق. يتم التفاعل تحت ظروف قياسية وهي 1 ضغط جوي و 29815 كلفن من درجة الحرارة.

تسمى الطاقة المخزنة في الروابط بين الذرات في الجزيء بحرارة الرابطة. إن إنثالبي تفكك الرابطة هو مقدار الإنثالبي المُضاف للانقسام المتجانس للرابطة بين ذرتين في جزيءفي الرسم التوضيحي الموضح، يتم كسر الرابطة بين الجزيء AB بشكل متماثل. ويؤدي هذا إلى تشكيل الجذورإن المحتوى الحراري مطلوب لكسر هذه الرابطة.

يتطلب كسر الرابطة بشكل متماثل بين ذرتي هيدروجين في جزيء الهيدروجين أربعمائة وستة وثلاثين كيلو جول لكل مول من المحتوى الحراريتسمى هذه القدرة الحرارية المطلوبة لكسر الرابطة بقدرة حرارية لتفكك الرابطةبعد كسر الرابطة تتكون الجذور الهيدروجينية.

في Prop-1-ene يتم كسر الرابطة المزدوجة بشكل متماثل بين ذرتي كربون. إن المحتوى الحراري المطلوب لكسر هذه الرابطة هو ستمائة وعشرة كيلو جول لكل مولويتم تشكيل الجذور الحرة نتيجة لذلكهذه القيمة الحرارية تسمى "قيمة حرارية لتفكك الرابطة".

عندما نتفاعل محاليل الحمض مع محاليل القاعدة لإنتاج مول واحد من الماء في ظل الظروف القياسية يحدث تغير في المحتوى الحراري. يُطلق على هذا التغير في المحتوى الحراري اسم المحتوى الحراري القياسي للتحييدعندما يتفاعل الحمض مع القاعدة فإنه يشكل الملح والماء. يُسمى هذا التفاعل بتفاعل التحييدنتفاعل هيدروكسيد الصوديوم في الحالة المائية مع حمض الهيدروكلوريك في الحالة المائية لتكوين كلوريد الصوديوم المائي ومول واحد من الماء. التغير في المحتوى الحراري في هذه العملية هو -579 كيلوجول/موليُطلق على هذا مصطلح المحتوى الحراري القياسي للتحييد. يتم إطلاق الحرارة في هذه العملية.

كمية الطاقة المنطلقة أو الممتصة عندما يذوب مول واحد من المذاب في الماء في ظل ظروف قياسية تسمى المحتوى الحراري القياسي للإذابةعندما يذوب مول واحد من كلوريد الألومنيوم الصلب في الماء، يتم إطلاق -37363 كيلوجول من الحرارة. إن المحتوى الحراري القياسي للذوبان لكلوريد الألومنيوم هو -37363 كيلوجول/مول.

يُطلق على التغير في المحتوى الحراري الذي يحدث عندما نذيب مولًا واحدًا من الأيونات الغازية في كمية كافية من الماء لتكوين محلول مخفف لا نهائي في ظل الظروف القياسية اسم المحتوى الحراري القياسي للترطيبيعني المحلول المخفف اللانهائي أنه لن يكون هناك تغيير في المحتوى الحراري إذا قمنا بتخفيف المحلول بشكل أكبر عن طريق إضافة الماءيتم الإشارة إليه بواسطة ∆Hhydفي الرسم التوضيحي الموضح يكون M+ في الحالة الغازية وبعد إضافة الماء يكون في الحالة المائية.

التغير في المحتوى الحراري لأيون الصوديوم هو -405 كيلوجول/مولتذوب أيونات الصوديوم في الحالة الغازية في الماء. ثم يصبحون في حالة مائية. وبالمثل، يتم إذابة أيونات الليثيوم في الحالة الغازية في كمية كافية من الماء لتشكيل تخفيف لانهائي. إنثالبي الترطيب القياسي لأيونات الليثيوم هو -520 كيلوجول/مول.

إن إنثالبي الذوبان القياسي هو كمية الطاقة أو الحرارة المنبعثة أو الممتصة عندما يذوب مول واحد من المذاب بالكامل في المذيب في ظل ظروف قياسية. يتم تمثيلها بواسطة ∆Hsoln. يتم قياسه بوحدة kJ/molيمكن حسابها عن طريق قسمة حرارة المحلول على عدد مولات المذاب. إنثالبي ذوبان كلوريد الأمونيوم هو +1478 كيلوجول/مول. وهذا يعني أن 1478 كيلو جول من الحرارة يتم امتصاصها عندما يذوب مول واحد من كلوريد الأمونيوم بالكامل في المذيب.

ينص قانون هيس على أنه إذا كان من الممكن تنفيذ تفاعل في سلسلة من الخطوات، فإن مجموع المحتوى الحراري لكل خطوة يجب أن يساوي التغير في المحتوى الحراري للتفاعل الكلييمكننا التحقق من صحة هذا القانون عن طريق قياس المحتوى الحراري لتحويل الكربون والهيدروجين إلى غاز الإيثين أولاً. يمكن كتابة هذا التفاعل في سلسلة من الخطوات. يتم قياس المحتوى الحراري لكل خطوة تجريبياً باستخدام المسعر. لقد قمنا أيضًا بقياس قيمة المحتوى الحراري تجريبيًا لتفاعلنا الرئيسي وهي +224 كيلوجول/مول. ولكننا سنجد التغير في المحتوى الحراري للتفاعل الرئيسي باستخدام قانون هيس. سنقوم الآن بإضافة المحتوى الحراري للتفاعلات الفردية. إن المحتوى الحراري النهائي بعد إضافة المحتوى الحراري لكل خطوة من خطوات التفاعل هو +2267 كيلوجول وهي قيمة قريبة جدًا من القيمة المقاسة تجريبيًا لتفاعلنا الرئيسي. وهذا يثبت قانون هيس.