گرماشیمی: شاخه‌ای از شیمی که به مطالعه انرژی گرمایی مبادله‌شده در واکنش‌ها می‌پردازد

گرماشیمی: رمزگشایی از انرژی در واکنش‌های شیمیایی

انرژی و انواع آن در شیمی

همه چیز در اطراف ما از انرژی تشکیل شده است. وقتی چوب می‌سوزد، وقتی غذا می‌پزیم، یا حتی وقتی بدن ما غذا را هضم می‌کند، یک مبادله انرژی رخ می‌دهد. در شیمی، انرژی به صورت کلی به دو دسته تقسیم می‌شود: انرژی پتانسیل^۵ (انرژی ذخیره‌شده) و انرژی جنبشی^۶ (انرژی ناشی از حرکت). در یک واکنش شیمیایی، انرژی بین مواد شرکت‌کننده مبادله می‌شود که اغلب به صورت گرما ظاهر می‌گردد.

به عنوان یک مثال ساده، حل کردن قرص جوشان در آب را در نظر بگیرید. شما حباب‌های گاز را مشاهده می‌کنید و ممکن است احساس سردی یا گرمی در لیوان کنید. این تغییر دما دقیقاً همان مبادله انرژی گرمایی است که گرماشیمی آن را مطالعه می‌کند.

سامانه و محیط؛ صحنه نمایش واکنش

برای مطالعه دقیق‌تر، گرماشیمی دنیای واکنش را به دو بخش تقسیم می‌کند:

• سامانه^۹: بخشی از جهان که ما روی آن تمرکز کرده‌ایم (معمولاً مواد درون یک بشر یا لوله آزمایش).
• محیط^۱۰: هر چیز دیگری در اطراف سامانه که با آن تبادل انرژی دارد.

وقتی شما یک واکنش در یک لیوان آب انجام می‌دهید، مواد داخل لیوان سامانه و خود لیوان، هوا و دستان شما محیط هستند. انرژی گرمایی می‌تواند بین سامانه و محیط جریان یابد.

انواع واکنش‌ها از نگاه انرژی: گرماده و گرماگیر

واکنش‌های شیمیایی از نظر مبادله انرژی به دو دسته اصلی تقسیم می‌شوند. جدول زیر این دو نوع را به طور خلاصه مقایسه می‌کند:

یک مثال کلاسیک برای واکنش گرماده، سوختن^۱۱ است. وقتی شما گاز اجاق را روشن می‌کنید، گاز متان ($CH_4$) با اکسیژن ($O_2$) واکنش داده و گرما و نور تولید می‌کند: $CH_4(g) + 2O_2(g) \rightarrow CO_2(g) + 2H_2O(g) + Energy$

آنتالپی؛ معیاری برای محتوای گرمایی

دانشمندان برای اندازه‌گیری دقیق تغییرات انرژی در یک واکنش شیمیایی در فشار ثابت، از کمیتی به نام آنتالپی ($H$) استفاده می‌کنند. آنچه در گرماشیمی بیشتر مورد توجه است، تغییر آنتالپی^۱۲ ($\Delta H$) است.

$\Delta H = H_{products} - H_{reactants}$

این فرمول ساده نشان می‌دهد که تغییر آنتالپی، تفاوت بین آنتالپی فرآورده‌ها و آنتالپی واکنش‌دهنده‌ها است. همانطور که در جدول قبل دیدیم، علامت $\Delta H$ به ما می‌گوید که واکنش گرماده است یا گرماگیر.

گرماشیمی در خدمت زندگی روزمره

اصول گرماشیمی تنها محدود به آزمایشگاه نیست و در بسیاری از جنبه‌های زندگی ما حضور دارد:

• بسته‌های گرمازا: این بسته‌ها حاوی یک نمک مانند استات سدیم هستند که با فشردن و ایجاد یک هسته مرکزی، بلوریشدن را آغاز می‌کند. این فرآیند بلوریشدن یک واکنش گرماده است و گرمای قابل توجهی آزاد می‌کند.
• کودهای شیمیایی: برخی از کودها طوری طراحی شده‌اند که هنگام حل شدن در آب، واکنش گرماگیر انجام دهند تا از گرمازدگی و آسیب به ریشه گیاهان جلوگیری کنند.
• پخت و پز: پختن یک کیک یک فرآیند گرماگیر است. مواد خمیر، انرژی گرمایی را از فر جذب می‌کنند تا به یک کیک پخته‌شده تبدیل شوند.
• سوخت‌های فسیلی: اساس کار این سوخت‌ها بر پایه واکنش‌های گرماده سوختن است که انرژی لازم برای حرکت خودروها و تولید برق را فراهم می‌آورد.

اشتباهات رایج و پرسش‌های مهم

پاورقی

^۱ Thermochemistry
^۲ Energy
^۳ Chemical Reactions
^۴ Enthalpy
^۵ Potential Energy
^۶ Kinetic Energy
^۷ Joule
^۸ Calorie
^۹ System
^۱۰ Surroundings
^۱۱ Combustion
^۱۲ Enthalpy Change