قانون هس: نقشه‌ای برای سفر انرژی در واکنش‌های شیمیایی
مفاهیم پایه: انرژی، گرما و آنتالپی
هر واکنش شیمیایی با جذب یا آزادسازی انرژی همراه است. این انرژی معمولاً به صورت گرما ظاهر می‌شود. به مقدار گرمای مبادله شده در یک واکنش شیمیایی که در فشار ثابت انجام می‌شود، تغییرات آنتالپی($ \Delta H $) می‌گویند. اگر واکنش گرما آزاد کند (واکنش گرماده5)، $ \Delta H $ منفی و اگر گرما جذب کند (واکنش گرماگیر6)، $ \Delta H $ مثبت خواهد بود.
دکتر ژرمن هنری هس، شیمی‌دان روسی-سوئیسی، در سال 1840 دریافت که تغییرات آنتالپی کل یک فرآیند، فارغ از این که در یک مرحله یا چندین مرحله انجام شود، همواره ثابت است. این کشف که به قانون پایداری گرمای ترکیب نیز معروف است، اساس قانون هس را تشکیل می‌دهد.
چرا قانون هس مهم است؟ حالت تابعی آنتالپی
دلیل صحت قانون هس این است که آنتالپی یک خاصیت حالت‌ی یا تابع حالت است. این به آن معناست که مقدار آن تنها به حالت کنونی سیستم (مثلاً دما، فشار و حالت فیزیکی مواد) بستگی دارد و نه به تاریخچه یا مسیری که سیستم برای رسیدن به آن حالت طی کرده است.
آوردفرض کنید می‌خواهید از طبقه همکف به طبقه سوم یک ساختمان بروید. ارتفاعی که به دست می آورید (مشابه $ \Delta H $) فقط به اختلاف ارتفاع بین طبقه سوم و همکف بستگی دارد. چه از پله برقی استفاده کنید، چه از آسانسور، یا حتی یک مسیر پرپیچ‌وخم را طی کنید، در نهایت همان مقدار انرژی پتانسیل گرانشی را به دست آورده‌اید. مسیرهای مختلف تنها نمایانگر مراحل میانی هستند.
| ویژگی | خاصیت حالت (مثل آنتالپی) | خاصیت مسیر (مثل کار یا گرما) |
|---|---|---|
| وابستگی | فقط به حالت اولیه و نهایی | به مسیر انجام فرآیند بستگی دارد |
| مثال | ارتفاع، حجم، دما | مسافت طی شده، میزان سوخت مصرفی |
| در تغییرات چرخه‌ای | تغییرات کل صفر است | معمولاً صفر نیست |
راهنمای گام‌به‌گام حل مسائل قانون هس
برای محاسبه تغییرات آنتالپی یک واکنش با استفاده از قانون هس، این مراحل را دنبال کنید:
گام ۱: تعیین واکنش هدف
واکنشی که می‌خواهید $ \Delta H $ آن را پیدا کنید، به وضوح بنویسید.
گام ۲: فهرست کردن واکنش‌های داده شده
تمام واکنش‌هایی که تغییرات آنتالپی آن‌ها مشخص است و موادشان با واکنش هدف مرتبط است، را یادداشت کنید.
گام ۳: تنظیم و دستکاری واکنش‌ها
واکنش‌های داده شده را به گونه‌ای دستکاری کنید (معکوس کردن، ضرب در یک ضریب) که وقتی با هم جمع جبری شوند، واکنش هدف به دست آید. هنگام دستکاری واکنش‌ها، قوانین زیر را به خاطر داشته باشید:
- اگر واکنشی را معکوس کنید، علامت $ \Delta H $ آن نیز معکوس می‌شود.
- اگر یک واکنش را در یک ضریب (مثلاً n) ضرب کنید، $ \Delta H $ آن نیز باید در همان ضریب ضرب شود.
- موادی که در نهایت در دو طرف معادله حذف می‌شوند، باید در حالت فیزیکی یکسان باشند.
گام ۴: جمع جبری
واکنش‌های دستکاری شده و مقادیر $ \Delta H $ مربوطه را با هم جمع جبری کنید تا هم واکنش هدف و هم تغییرات آنتالپی آن به دست آید.
یک مثال کاربردی: محاسبه آنتالپی تشکیل
فرض کنید می‌خواهیم تغییرات آنتالپی استاندارد تشکیل7$ CO_2 $ از عناصرش ($ C $ و $ O_2 $) را محاسبه کنیم، اما این واکنش به طور مستقیم در دسترس نیست. ما واکنش‌های زیر را در اختیار داریم:
| واکنش | تغییرات آنتالپی ($ \Delta H $) |
|---|---|
| $ C_{(graphite)} + O_{2(g)} \rightarrow CO_{2(g)} $هدف | $ \Delta H_f = ? $ |
| $ C_{(graphite)} + \frac{1}{2}O_{2(g)} \rightarrow CO_{(g)} $ | $ \Delta H_1 = -110.5 \, \text{kJ/mol} $ |
| $ CO_{(g)} + \frac{1}{2}O_{2(g)} \rightarrow CO_{2(g)} $ | $ \Delta H_2 = -283.0 \, \text{kJ/mol} $ |
راه حل:
می‌بینیم که اگر واکنش اول و دوم را با هم جمع کنیم، $ CO_{(g)} $ در دو طرف معادله ظاهر شده و حذف می‌شود و در نهایت واکنش هدف به دست می‌آید.
واکنش ۱: $ C + \frac{1}{2}O_2 \rightarrow CO $ $ \Delta H_1 = -110.5 \, \text{kJ} $
واکنش ۲: $ CO + \frac{1}{2}O_2 \rightarrow CO_2 $ $ \Delta H_2 = -283.0 \, \text{kJ} $
جمع دو واکنش:
$ C + \frac{1}{2}O_2 + CO + \frac{1}{2}O_2 \rightarrow CO + CO_2 $
با ساده‌سازی (حذف $ CO $ از دو طرف و جمع $ \frac{1}{2}O_2 + \frac{1}{2}O_2 $):
$ C_{(graphite)} + O_{2(g)} \rightarrow CO_{2(g)} $
طبق قانون هس، تغییرات آنتالپی واکنش هدف برابر است با:
$ \Delta H_f = \Delta H_1 + \Delta H_2 $
$ \Delta H_f = (-110.5) + (-283.0) = -393.5 \, \text{kJ/mol} $
پس آنتالپی تشکیل $ CO_2 $ برابر با -393.5 kJ/mol است که یک مقدار گرماده می‌باشد.
اشتباهات رایج و پرسش‌های مهم
خیر. قانون هس یک قانون عمومی است و برای همهٔ واکنش‌های شیمیایی، اعم از گرماده و گرماگیر، صادق است. مهم نیست که مقادیر $ \Delta H $ مثبت یا منفی باشند، اصل جمع پذیری برای همه برقرار است.
دو اشتباه بسیار رایج عبارت‌اند از:
- فراموش کردن تغییر علامت $ \Delta H $ هنگام معکوس کردن واکنش: اگر واکنشی را برعکس می‌کنید، حتماً علامت $ \Delta H $ آن را نیز تغییر دهید.
- تغییر ندادن ضریب $ \Delta H $ هنگام ضرب کردن واکنش در یک عدد: اگر تمام ضرایب یک واکنش را در n ضرب می‌کنید، مقدار $ \Delta H $ نیز باید در n ضرب شود.
از قانون هس برای محاسبه تغییرات انرژی واکنش‌هایی استفاده می‌شود که اندازه‌گیری مستقیم آن‌ها در آزمایشگاه دشوار، خطرناک یا غیرممکن است. برای مثال، محاسبه آنتالپی تشکیل موادی که بسیار ناپایدار هستند یا در دمای بسیار بالا تشکیل می‌شوند، با ترکیب آنتالپی واکنش‌های دیگر که به راحتی قابل اندازه‌گیری هستند، امکان‌پذیر می‌شود. این کار در صنایع شیمیایی برای طراحی راکتورها و بهینه‌سازی فرآیندها حیاتی است.
قانون هس یک ابزار محاسباتی قدرتمند و منطقی در شیمی است که بر پایه ویژگی تابع حالت بودن آنتالپی بنا شده است. این قانون به ما اجازه می‌دهد بدون انجام آزمایش‌های پیچیده و پرهزینه، تغییرات انرژی واکنش‌های شیمیایی مختلف را پیش‌بینی و محاسبه کنیم. درک صحیح این قانون و تسلط بر مراحل حل مسائل آن، نه تنها در امتحانات، بلکه برای درک عمیق‌تر از رفتار انرژی در دنیای اطراف ما ضروری است.
پاورقی
1 قانون هس (Hess's Law)
2 آنتالپی (Enthalpy): یک خاصیت ترمودینامیکی که محتوای گرمایی یک سیستم در فشار ثابت را نشان می‌دهد.
3 ترموشیمی (Thermochemistry): شاخه‌ای از شیمی که به مطالعه تغییرات انرژی در واکنش‌های شیمیایی می‌پردازد.
4 حالت تابعی یا تابع حالت (State Function): خاصیتی که مقدار آن فقط به حالت کنونی سیستم بستگی دارد و نه به تاریخچه آن.
5 واکنش گرماده (Exothermic Reaction): واکنشی که در آن انرژی به صورت گرما به محیط اطراف آزاد می‌شود.
6 واکنش گرماگیر (Endothermic Reaction): واکنشی که برای پیشرفت، گرما از محیط اطراف جذب می‌کند.
7 آنتالپی استاندارد تشکیل (Standard Enthalpy of Formation): تغییرات آنتالپی هنگامی که یک مول از یک ماده از عناصر سازنده‌اش در استانداردترین حالت‌هایشان تشکیل می‌شود.