Enthalpy परिवर्तनों के विश्लेषण के माध्यम से रूपांतरण की व्यवहार्यता

किसी प्रणाली की समग्र ऊष्मा-सामग्री को एन्थैल्पी कहा जाता है। एन्थैल्पी परिवर्तन स्थिर दाब पर किसी अभिक्रिया में अवशोषित या मुक्त की गई ऊष्मा की मात्रा है। एन्थैल्पी परिवर्तन का प्रतीक डेल्टा H है। जब ऊष्मा अवशोषित होती है तो एन्थैल्पी परिवर्तन धनात्मक होता है। जब ऊष्मा मुक्त होती है तो एन्थैल्पी परिवर्तन ऋणात्मक होता है।

मानक एन्थैल्पी परिवर्तन एन्थैल्पी में वह परिवर्तन है, जब किसी पदार्थ का एक मोल उसके मानक अवस्था के शुद्ध तत्वों से बनता है। मानक अवस्था 1 वायुमंडलीय दाब और 29815 केल्विन तापमान है। किसी अभिक्रिया का मानक एन्थैल्पी परिवर्तन, उत्पादों के निर्माण की मानक एन्थैल्पी के योग में से अभिकारकों के निर्माण की मानक एन्थैल्पी के योग को घटाकर प्राप्त मान के बराबर होता है।

आइये एक प्रक्रिया में एन्थैल्पी परिवर्तन की गणना करें। मेथनॉल को फॉर्मेल्डिहाइड और हाइड्रोजन गैस में परिवर्तित किया जाता है। इस प्रक्रिया के दौरान एन्थैल्पी परिवर्तन की गणना निम्नलिखित तरीके से की जा सकती हैसबसे पहले हमें मेथनॉल, फॉर्मेल्डिहाइड और हाइड्रोजन गैस की दहन ऊष्मा ज्ञात करनी होगी जो चित्र में दी गई हैअब हम मेथनॉल को फॉर्मेल्डिहाइड और हाइड्रोजन गैस में रूपान्तरित करने के लिए एन्थैल्पी परिवर्तन का निर्धारण करेंगे।

सबसे पहले हम इन समीकरणों को अपनी मुख्य प्रतिक्रिया के अनुसार पुनर्व्यवस्थित करेंगे। मेथनॉल अभिकारक पक्ष में है इसलिए हम मेथनॉल दहन समीकरण को वैसे ही लिखेंगेहमारी मुख्य अभिक्रिया में एक मोल मेथनॉल लिया जाता है लेकिन दहन अभिक्रिया में मेथनॉल के मोल होते हैं। हम संपूर्ण मेथनॉल दहन समीकरण को दो से विभाजित करेंगे। हम दहन की ऊष्मा को भी दो से विभाजित करेंगे जैसा कि चित्र में दिखाया गया है।

क्योंकि फॉर्मेल्डिहाइड मुख्य अभिक्रिया में उत्पाद पक्ष में होता है लेकिन दहन अभिक्रिया में यह अभिकारक पक्ष में होता है। हम फॉर्मेल्डिहाइड की दहन प्रतिक्रिया पर चर्चा करेंगे। समीकरण को बदलते समय, हमें प्रतिक्रिया की ऊष्मा के धन-ऋण चिह्न को भी बदल देना चाहिए। जैसा कि हम दिए गए चित्र में देख सकते हैं कि मुख्य अभिक्रिया में तथा दहन अभिक्रिया में भी फॉर्मेल्डिहाइड का एक मोल है।

अब हाइड्रोजन के दहन के लिए हम देख सकते हैं कि मुख्य अभिक्रिया में उत्पाद पक्ष में हाइड्रोजन गैस होती है और दहन में अभिकारक पक्ष में हाइड्रोजन गैस होती है। हम दहन की ऊष्मा के साथ दहन समीकरण को भी बदलेंगेइसके बाद हम दहन समीकरण को दो से विभाजित करेंगे क्योंकि मुख्य समीकरण में हाइड्रोजन गैस का एक मोल है और दहन समीकरण में हाइड्रोजन गैस के दो मोल हैं।

दहन अभिक्रियाओं की व्यवस्था के बाद हम इन अभिक्रियाओं और उनकी दहन ऊष्मा को जोड़ेंगे, जिससे अंतिम अभिक्रिया और एन्थैल्पी मान में परिवर्तन प्राप्त होगाहम चित्रण में देख सकते हैं कि मेथनॉल को फॉर्मेल्डिहाइड और हाइड्रोजन गैस में रूपान्तरित करने के लिए एन्थैल्पी में परिवर्तन +86 kJ है।

एन्थैल्पी आरेख किसी अभिक्रिया की एन्थैल्पी में परिवर्तन को दर्शाता है। कोई भी अभिक्रिया ऊष्माक्षेपी या ऊष्माशोषी हो सकती हैx-अक्ष पर अभिक्रिया की प्रक्रिया दी गई है। y-अक्ष पर एन्थैल्पी में परिवर्तन दिया गया हैअब कार्बन और हाइड्रोजन से बेंजीन के निर्माण के लिए एन्थैल्पी में परिवर्तन की गणना करते हैंअब हम अपनी मुख्य अभिक्रिया में अभिकारकों और उत्पादों के लिए दहन अभिक्रियाएँ लिखेंगे और फिर एन्थैल्पी परिवर्तन की गणना करने के लिए एक चक्र बनाएंगे।

एक मोल कार्बन की दहन ऊष्मा -394 kJ है तथा एक मोल हाइड्रोजन की दहन ऊष्मा -286 kJ है। चूंकि अभिकारक में कार्बन के छः मोल तथा हाइड्रोजन के तीन मोल हैं, इसलिए हमने दहन ऊष्मा को छः तथा तीन से गुणा करके उन्हें जोड़ दिया हैअब यदि हम देखें कि डेल्टा H2 -3268kJ है। उत्पाद की ओर चक्र को पूरा करने के लिए हम दहन की ऊष्मा के समीकरण और धन-ऋण चिह्न को बदल देंगे।

अब हम अपनी प्रतिक्रिया के लिए एन्थैल्पी परिवर्तन प्राप्त करने के लिए डेल्टा H2 और डेल्टा H3 को जोड़ेंगे। हम एन्थैल्पी चक्र भी बनाएंगेएन्थैल्पी चक्र यह भी दर्शाता है कि डेल्टा H3 प्रक्रिया ऊष्माक्षेपी थी और डेल्टा H2 प्रक्रिया ऊष्माशोषी थी। जब हमने इन दोनों मानों को जोड़ा तो हमें अपनी प्रतिक्रिया के लिए एन्थैल्पी परिवर्तन मान प्राप्त हुआ। कार्बन और हाइड्रोजन से एक मोल बेंजीन के निर्माण के लिए एन्थैल्पी परिवर्तन +46 kJ है।

हम प्रयोगात्मक रूप से मानक विलयन एन्थैल्पी को माप सकते हैं। सबसे पहले एक प्लास्टिक का कप लें और उसमें थोड़ा विलायक डालकर उसे पूरी तरह ढक दें। अब इसमें थर्मामीटर डालें और प्रारंभिक तापमान मापें। इसके बाद विलेय की एक तौली हुई मात्रा विलायक में डालें और तब तक हिलाएं जब तक वह पूरी तरह से घुल न जाए। अब अंतिम तापमान मापें। इसके बाद तापमान में परिवर्तन को मापें। अब चित्र में दिए गए सूत्र में विलायक के द्रव्यमान, विशिष्ट ऊष्माधारिता तथा तापमान के मान डालें तथा विलयन की ऊष्मा q की गणना करें। हम विलायक का द्रव्यमान उसके घनत्व को प्रयुक्त आयतन से गुणा करके ज्ञात कर सकते हैं। यह ऊष्माक्षेपी या ऊष्माशोषी अभिक्रिया हो सकती हैअब विलेय के द्रव्यमान को विलेय के मोलर द्रव्यमान से विभाजित करके विलेय के मोलों की संख्या ज्ञात करेंअंत में, विलयन की ऊष्मा के मान को लिए गए विलेय के मोलों की संख्या से भाग दें। परिणामी उत्तर उस विलेय के विघटन की मानक ऊष्मा है।

उदासीनीकरण एन्थैल्पी ऊष्मा की वह मात्रा है जो मानक स्थितियों के तहत अम्ल के जलीय विलयन और क्षार के जलीय विलयन की अभिक्रिया से एक मोल जल बनने पर अवशोषित या मुक्त होती हैहम प्रयोगात्मक रूप से उदासीनीकरण एन्थैल्पी का निर्धारण कर सकते हैं। सबसे पहले एक स्टायरोफोम कप लें और उसमें बेस का जलीय घोल डालें। अब इसमें थर्मामीटर डालें और प्रारंभिक तापमान मापें। कप को पूरी तरह से ढक देंअब इसमें एसिड का घोल डालें। फिर अंतिम तापमान मापें। तापमान में परिवर्तन की गणना करें। अब चित्र में दिए गए सूत्र में विलयन के द्रव्यमान, विशिष्ट ऊष्माधारिता तथा तापमान में परिवर्तन के मान डालें तथा मुक्त ऊष्मा ज्ञात करें। अंत में उदासीनीकरण अभिक्रिया से निर्मित जल के मोलों की संख्या ज्ञात कीजिए। विलयन की ऊष्मा को बने जल के मोलों की संख्या से भाग दें। अंतिम परिणामी मान उदासीनीकरण एन्थैल्पी होगा।

जब एक अधिक विद्युतधनात्मक धातु मानक स्थितियों के अंतर्गत अपने लवण विलयन से धातु के एक मोल को विस्थापित करती है तो एन्थैल्पी में परिवर्तन होता है। एन्थैल्पी में इस परिवर्तन को विस्थापन एन्थैल्पी कहा जाता हैजब हम जिंक धातु को कॉपर सल्फेट के घोल के साथ अभिक्रिया कराते हैं, तो जिंक धातु द्वारा कॉपर विस्थापित हो जाता है। इस प्रक्रिया के दौरान एन्थैल्पी परिवर्तन -210 kJ/mol है। यह विस्थापन एन्थैल्पी है।

अब हम प्रयोगात्मक रूप से मैग्नीशियम धातु द्वारा कॉपर सल्फेट विलयन में कॉपर आयनों के एक मोल के विस्थापन की एन्थैल्पी निर्धारित करेंगे। हम एक प्लास्टिक का कप लेते हैं। फिर हमने उसमें थर्मामीटर डाला। इसके बाद हम इसमें शून्य दशमलव एक मोलर कॉपर सल्फेट घोल का पचास सेंटीमीटर क्यूब डालते हैं और दो मिनट तक प्रारंभिक तापमान मापते हैं। हम प्रारंभिक तापमान नोट कर लेते हैं। फिर हमने इसमें दो ग्राम मैग्नीशियम पाउडर डाला। हम मिश्रण को हिलाते हैं और कुछ समय बाद अंतिम तापमान नोट कर लेते हैं।

अब हम प्रारंभिक और अंतिम तापमान मानों को नोट करते हैं और तापमान में परिवर्तन को मापते हैंइसके बाद हम प्रयुक्त कॉपर सल्फेट विलयन के मोलों की संख्या से कॉपर के मोलों की संख्या ज्ञात करते हैं। फिर हम सूत्र द्वारा एन्थैल्पी में परिवर्तन ज्ञात करते हैं डेल्टा एच = द्रव्यमान गुणनफल तापधारिता सी गुणनफल थीटा के बराबर है। थीटा तापमान में परिवर्तन को दर्शाता है।

हमें तांबे के शून्य दशमलव शून्य एक मोल के विस्थापन के लिए एन्थैल्पी में परिवर्तन प्राप्त होता है। अंततः हम तांबे के एक मोल के विस्थापन के लिए एन्थैल्पी में परिवर्तन ज्ञात करते हैं। सभी गणनाएँ नीचे दिए गए चित्र में दर्शाई गई हैं.

जब किसी यौगिक का एक मोल उसके शुद्ध तत्वों से मानक स्थितियों में बनता है, तो एन्थैल्पी परिवर्तन होता है। इस एन्थैल्पी परिवर्तन को मानक निर्माण एन्थैल्पी कहा जाता है। इसे ∆Hf द्वारा दर्शाया जाता हैमानक निर्माण एन्थैल्पी का समीकरण लिखते समय हमें हमेशा यौगिक का एक मोल उत्पाद पक्ष में लिखना चाहिए। यदि गुणांक को अभिकारक पक्ष पर अंश में लिखना आवश्यक हो तो यह पूर्णतः ठीक है।

आइये जल निर्माण एन्थैल्पी का एक उदाहरण लें। एक मोल जल हाइड्रोजन गैस और ऑक्सीजन गैस से बनता है। इस प्रक्रिया में ऊर्जा मुक्त होती है। इस प्रक्रिया में प्रति मोल ऋणात्मक दो सौ छियानवे किलो जूल ऊष्मा निकलती हैयह एक ऊष्माक्षेपी प्रक्रिया है, अर्थात इस प्रक्रिया में ऊष्मा निकलती हैइस ऊष्मा को मानक निर्माण एन्थैल्पी कहा जाता है।

एक अन्य उदाहरण में कार्बन ऑक्सीजन के साथ अभिक्रिया करके बेंजीन बनाता है। जैसा कि हम देख सकते हैं कि एक मोल बेंजीन बनता है। इस प्रक्रिया में ऊर्जा अवशोषित होती हैइस अवशोषित ऊर्जा को निर्माण एन्थैल्पी कहा जाता है।

जब हम मानक परिस्थितियों में ऑक्सीजन में एक मोल यौगिक को जलाते हैं तो एन्थैल्पी में परिवर्तन होता है। इस एन्थैल्पी परिवर्तन को दहन की मानक एन्थैल्पी कहा जाता है। दिए गए चित्र में हम ऑक्सीजन की उपस्थिति में हाइड्रोजन के एक मोल का दहन कर जल बना रहे हैं। इस अभिक्रिया की मानक दहन एन्थैल्पी ऋणात्मक दो सौ छियासी किलो जूल प्रति मोल है।

दूसरे उदाहरण में हम इथेन जला रहे हैं। एथेन के दहन की मानक एन्थैल्पी -1560kJ/mol हैदहन की एन्थैल्पी का समीकरण लिखते समय हम जलाए जाने वाले यौगिक को एक मोल के रूप में लिखते हैं, भले ही ऑक्सीजन को अंशों में लिखा गया हो। इसके अलावा, अभिकारकों और उत्पादों को उनकी मानक अवस्था में लिखा जाता है। उदाहरण के लिए, पानी मानक अवस्था में तरल रूप में रहता है। इसलिए पानी को द्रव (l) लिखा जाता है।

जब इथेनॉल ऑक्सीजन की उपस्थिति में जलता है तो कार्बन डाइऑक्साइड और पानी बनता है। इस प्रक्रिया में -13668 kJ/mol ऊष्मा निकलती है। इस ऊष्मा को दहन की मानक एन्थैल्पी कहा जाता है। यह अभिक्रिया 1 वायुमंडलीय दाब और 29815 केल्विन तापमान की मानक परिस्थितियों में होती है।

किसी अणु में परमाणुओं के बीच बंधों में संग्रहित ऊर्जा को बंध एन्थैल्पी कहा जाता है। बंध वियोजन एन्थैल्पी एन्थैल्पी की वह मात्रा है जो किसी अणु में दो परमाणुओं के बीच बंध के समविकलन विदलन के लिए जोड़ी जाती हैदिए गए चित्र में अणु AB के बीच का बंधन सममित रूप से टूटा है। इसके परिणामस्वरूप मूलक का निर्माण होता हैइस बंधन को तोड़ने के लिए एन्थैल्पी की आवश्यकता होती है।

एक हाइड्रोजन अणु में दो हाइड्रोजन परमाणुओं के बीच सममित बंधन को तोड़ने के लिए प्रति मोल चार सौ छत्तीस किलो जूल एन्थैल्पी की आवश्यकता होती हैबंधन को तोड़ने के लिए आवश्यक एन्थैल्पी को बंधन वियोजन एन्थैल्पी कहा जाता हैबंधन टूटने के बाद हाइड्रोजन रेडिकल्स बनते हैं।

प्रोप-1-ईन में दो कार्बन परमाणुओं के बीच द्विबंध सममित रूप से टूट जाता है। इस बंधन को तोड़ने के लिए आवश्यक एन्थैल्पी छह सौ दस किलो जूल प्रति मोल हैइसके परिणामस्वरूप मूलक बनते हैंइस एन्थैल्पी को बंध वियोजन एन्थैल्पी कहा जाता है।

जब हम मानक परिस्थितियों में अम्ल और क्षार के विलयन को अभिक्रिया कराकर एक मोल जल बनाते हैं तो एन्थैल्पी में परिवर्तन होता है। इस एन्थैल्पी परिवर्तन को मानक उदासीनीकरण एन्थैल्पी कहा जाता हैजब अम्ल किसी क्षार के साथ अभिक्रिया करता है तो लवण और जल बनता है। इस अभिक्रिया को उदासीनीकरण अभिक्रिया कहा जाता हैहम जलीय अवस्था में सोडियम हाइड्रोक्साइड को जलीय हाइड्रोक्लोरिक अम्ल के साथ अभिक्रिया कराकर जलीय सोडियम क्लोराइड और एक मोल जल बनाते हैं। इस प्रक्रिया में एन्थैल्पी परिवर्तन -579 kJ/mol हैइसे मानक उदासीनीकरण एन्थैल्पी कहा जाता है। इस प्रक्रिया में ऊष्मा निकलती है।

मानक परिस्थितियों में जब एक मोल विलेय को जल में घोला जाता है तो उत्सर्जित या अवशोषित ऊर्जा की मात्रा को मानक विलयन एन्थैल्पी कहते हैंजब ठोस एल्युमीनियम क्लोराइड के एक मोल को जल में घोला जाता है, तो -37363 kJ ऊष्मा निकलती है। एल्युमीनियम क्लोराइड के विलयन की मानक एन्थैल्पी -37363 kJ/mol है।

मानक स्थितियों के तहत जब हम एक मोल गैसीय आयनों को पर्याप्त मात्रा में जल में घोलकर अनंत तनु विलयन बनाते हैं, तो होने वाला एन्थैल्पी परिवर्तन जलयोजन की मानक एन्थैल्पी कहलाता हैअनंत तनु विलयन का अर्थ है कि यदि हम विलयन में जल मिलाकर उसे और अधिक तनु कर दें तो एन्थैल्पी में कोई परिवर्तन नहीं होगाइसे ∆Hhyd द्वारा दर्शाया जाता हैदिए गए चित्र में M+ गैसीय अवस्था में है तथा जल मिलाने पर यह जलीय अवस्था में हो जाता है।

Na+ आयन के लिए एन्थैल्पी परिवर्तन -405 kJ/mol हैगैसीय अवस्था में सोडियम आयन जल में घुले रहते हैं। तब वे जलीय अवस्था में होते हैं। इसी प्रकार गैसीय अवस्था में लिथियम आयनों को पर्याप्त मात्रा में पानी में घोलकर अनंत तनुकरण बनाया जाता है। लिथियम आयनों के लिए जलयोजन की मानक एन्थैल्पी -520 kJ/mol है।

मानक विलयन एन्थैल्पी ऊर्जा या ऊष्मा की वह मात्रा है जो मानक स्थितियों के अंतर्गत एक मोल विलेय के विलायक में पूर्णतः घुल जाने पर मुक्त या अवशोषित होती है। इसे ∆Hsoln द्वारा दर्शाया जाता है। इसे kJ/mol में मापा जाता हैइसकी गणना विलयन की ऊष्मा को विलेय के मोलों की संख्या से विभाजित करके की जा सकती है। अमोनियम क्लोराइड की विलयन एन्थैल्पी +1478 kJ/mol है। इसका अर्थ यह है कि जब एक मोल अमोनियम क्लोराइड को विलायक में पूरी तरह से घोला जाता है तो 1478 किलो जूल ऊष्मा अवशोषित होती है।

हेस का नियम कहता है कि यदि किसी अभिक्रिया को चरणों की एक श्रृंखला में सम्पन्न किया जा सकता है तो प्रत्येक चरण की एन्थैल्पी का योग सम्पूर्ण अभिक्रिया के एन्थैल्पी परिवर्तन के बराबर होना चाहिएहम सबसे पहले कार्बन और हाइड्रोजन को एथाइन गैस में रूपान्तरित करने के लिए एन्थैल्पी को मापकर इस नियम को प्रमाणित कर सकते हैं। इस प्रतिक्रिया को चरणों की एक श्रृंखला में लिखा जा सकता है। प्रत्येक चरण की एन्थैल्पी को कैलोरीमीटर का उपयोग करके प्रयोगात्मक रूप से मापा जाता है। हमारे पास प्रयोगात्मक रूप से मापी गई मुख्य अभिक्रिया के लिए एन्थैल्पी मान भी है जो +224 kJ/mol है। लेकिन हम हेस के नियम का उपयोग करके मुख्य अभिक्रिया की एन्थैल्पी में परिवर्तन ज्ञात करेंगे। अब हम अलग-अलग अभिक्रियाओं की एन्थैल्पी जोड़ेंगे। प्रत्येक अभिक्रिया चरण की एन्थैल्पी जोड़ने के बाद अंतिम एन्थैल्पी +2267kJ है, जो कि हमारे मुख्य अभिक्रिया के प्रयोगात्मक रूप से मापे गए मान के काफी निकट है। यह हेस के नियम को मान्य करता है।