آنتالپی واکنش: نقشه‌ی انرژی تغییرات شیمیایی
انرژی و تغییرات شیمیایی: از کجا شروع می‌شود؟
همه‌ی تغییرات شیمیایی با جذب یا آزادسازی انرژی همراه هستند. وقتی چوب می‌سوزد، انرژی به صورت گرما و نور آزاد می‌شود. وقتی یخ آب می‌شود، انرژی گرمایی از محیط جذب می‌کند. دانشمندان برای اندازه‌گیری این تغییرات انرژی از کمیتی به نام آنتالپی۵ استفاده می‌کنند.
آنتالپی یک سامانه، مجموع انرژی درونی۶ آن و حاصل‌ضرب فشار در حجم آن است. اما در عمل، ما نمی‌توانیم آنتالپی مطلق یک ماده را اندازه‌گیری کنیم. آنچه مهم است، تغییر آنتالپی در طول یک فرآیند، مثلاً یک واکنش شیمیایی، است. این تغییر را با نماد $\Delta H$ نشان می‌دهند که در آن $\Delta$ (دلتا) نماد تغییر است.
واکنش گرماده و گرماگیر: دو روی یک سکه
واکنش‌های شیمیایی از نظر تغییر انرژی به دو دسته‌ی اصلی تقسیم می‌شوند:
| نوع واکنش | تغییر آنتالپی ($\Delta H$) | توضیح و مثال |
|---|---|---|
| واکنش گرماده۷ | $\Delta H (منفی) |
انرژی از سامانه به محیط اطراف آزاد می‌شود. معمولاً با احساس گرما همراه است.
مثال: سوختن گاز طبیعی برای پخت‌وپز: $CH_4 + 2O_2 \rightarrow CO_2 + 2H_2O$ |
| واکنش گرماگیر۸ | $\Delta H > 0$ (مثبت) |
انرژی از محیط اطراف به سامانه جذب می‌شود. معمولاً با احساس سرما همراه است.
مثال: حل شدن نیترات آمونیوم در آب برای تولید سرما: $NH_4NO_3(s) \rightarrow NH_4^+(aq) + NO_3^-(aq)$ |
چگونه تغییرات آنتالپی را محاسبه و اندازه‌گیری می‌کنیم؟
برای اندازه‌گیری $\Delta H$ از دستگاهی به نام کالری‌سنج۹ استفاده می‌شود. این دستگاه به گونه‌ای طراحی شده که واکنش در یک محیط بسته و عایق‌بندی شده صورت می‌گیرد و تغییر دمای محیط (معمولاً آب) اندازه‌گیری می‌شود. با دانستن ظرفیت گرمایی ویژه۱۰ آب و دیگر اجزا، می‌توان مقدار گرمای مبادله شده و در نتیجه تغییر آنتالپی را محاسبه کرد.
اما یک روش قدرتمند محاسباتی نیز وجود دارد: قانون هس. این قانون می‌گوید:
برای مثال، اگر تشکیل دی‌اکسید کربن از کربن و اکسیژن را در نظر بگیریم، می‌توان آن را مستقیماً انجام داد یا ابتدا کربن را به مونوکسید کربن تبدیل کرد و سپس مونوکسید کربن را سوزاند. قانون هس به ما اجازه می‌دهد تغییرات آنتالپی مراحل میانی را با هم ترکیب کنیم تا آنتالپی واکنش اصلی را پیدا کنیم.
آنتالپی در عمل: از آشپزخانه تا صنعت
مفهوم آنتالپی تنها محدود به آزمایشگاه نیست و کاربردهای گسترده‌ای در زندگی واقعی دارد:
- بسته‌های گرمایشی فوری: این بسته‌ها حاوی یک نمک (مانند استات سدیم) هستند که با فشردن بسته، بلوریشکنی می‌کند و یک واکنش گرماده را آغاز می‌کند و گرما آزاد می‌کند. $\Delta H
- کودهای شیمیایی: انتخاب کودها بر اساس واکنش‌های حل شدن آنها در خاک است. برخی کودها هنگام حل شدن گرماگیر هستند و می‌توانند به طور موقت دمای خاک را کاهش دهند، در حالی که برخی دیگر گرماده هستند.
- سوخت‌های موشک: محاسبه‌ی آنتالپی سوختن سوخت‌های موشک برای تعیین مقدار انرژی آزاد شده و در نتیجه نیروی رانش بسیار حیاتی است.
- فتوسنتز: این فرآیند حیاتی یک واکنش گرماگیر بزرگ است. گیاهان انرژی خورشید را جذب می‌کنند تا دی‌اکسید کربن و آب را به گلوکز و اکسیژن تبدیل کنند. $\Delta H > 0$
اشتباهات رایج و پرسش‌های مهم
خیر. گرما شکلی از انرژی در حال انتقال است، در حالی که آنتالپی یک خاصیت ترمودینامیکی از خود سامانه است که در فشار ثابت، تغییرات آن برابر با گرمای مبادله شده است.
زیرا در فشار ثابت، تغییر آنتالپی ($\Delta H$) مستقیماً برابر با گرمای مبادله شده ($q_p$) می‌شود. این شرایط، اندازه‌گیری و کار با انرژی واکنش‌ها را بسیار ساده‌تر می‌کند، چرا که بسیاری از واکنش‌ها در فشار هوای آزاد (که تقریباً ثابت است) انجام می‌شوند.
خیر. اگرچه بسیاری از واکنش‌های گرماده خودبه‌خودی هستند، اما این یک قانون مطلق نیست. عامل دیگری به نام آنتروپی۱۱ (بینظمی) نیز در تعیین خودبه‌خودی بودن یک فرآیند نقش دارد.
پاورقی
۱ Reaction Enthalpy
۲ System
۳ Thermodynamics
۴ Hess's Law
۵ Enthalpy
۶ Internal Energy
۷ Exothermic Reaction
۸ Endothermic Reaction
۹ Calorimeter
۱۰ Specific Heat Capacity
۱۱ Entropy