درسنامه آموزشی شیمی (2) کلاس یازدهم رشته ریاضی و تجربی
گرماسنجی و قانون هس
جمع پذیری گرمای واکنشها، قانون هس
آنتالپی بسیاری از واکنشهای شیمیایی را نمیتوان به روش تجربی (شکل 8) اندازه گیری کرد، زیرا برخی از آنها مرحلهای از یک واکنش پیچیده هستند و برخی دیگر به آسانی انجام نمیشوند. آشکار است که تأمین شرایط بهینه برای انجام آنها بسیار دشوار است. شیمیدانها برای تعیین $\Delta H$ چنین واکنشهایی از روشهای دقیق دیگری همانند قانون هِس بهره میبرند.
میدانید که متان، سادهترین هیدروکربن و نخستین عضو خانوادهٔ آلکانها است و بخش عمدهٔ گاز طبیعی را تشکیل میدهد. این گاز از تجزیه گیاهان به وسیلهٔ باکتریهای بیهوازی نیز در زیر آب تولید میشود. (شکل 9).
گاز متان نخستین بار از سطح مردابها جمع آوری شده، از این رو به گاز مرداب معروف است.
شاید تصور کنید که گاز متان را میتوان مطابق معادلۀ زیر از واکنش میان گرافیت و گاز هیدروژن در آزمایشگاه تهیه کرد:
$\begin{array}{*{20}{c}} {) + 2{H_2}(g) \to C{H_4}(g)}&{\Delta H = ?} \end{array}$ گرافیت $C(s,$
آزمایشها و یافتههای تجربی نشان میدهند که تأمین شرایط بهینه برای انجام این واکنش بسیار دشوار و پرهزینه است، به همین دلیل برای تعیین $\Delta H$ این واکنش میتوان از واکنشهای دیگری بهره برد که پیش از این $\Delta H$ آنها تعیین شده است. این واکنشهای ترموشیمیایی میتوانند واکنش سوختن یک مول گرافیت، یک مول گاز هیدروژن و یک مول گاز متان باشد که معادلهٔ هریک از آنها در $25{}^\circ C$ به صورت زیر است:
$)\begin{array}{*{20}{c}} { + {O_2}(g) \to C{O_2}(g)}&{\Delta {H_1} = - 393/5kJ} \end{array}$ گرافیت $1) C (s,$
$\begin{array}{*{20}{c}}
{2){H_2}(g) + \frac{1}{2}{O_2}(g) \to {H_2}O(l)}&{\Delta {H_2} = - 286kJ}
\end{array}$
$\begin{array}{*{20}{c}}
{3)C{H_4}(g) + 2{O_2}(g) \to C{O_2}(g) + 2{H_2}O(l)}&{\Delta {H_3} = - 890kJ}
\end{array}$
با کمی دقت درمییابید که به آسانی نمیتوان از جمع سه واکنش ترموشیمیایی بالا به واکنش موردنظر رسید. در این شرایط باید از قواعد رایج در ترموشیمی بهره برد.
در واکنش موردنظر، نخستین واکنش دهنده گرافیت با ضریب استوکیومتری برابر با 1 است که در معادلۀ نخست نیز با همان ویژگیها دیده میشود. دومین واکنشدهنده، گاز هیدروژن با ضریب استوکیومتری برابر با 2 است که در معادلهٔ دوم نیز واکنش دهنده اما با ضریب استوکیومتری برابر با 1 است؛ از این رو، باید این معادله ترموشیمیایی در 2 ضرب شود.
$\begin{array}{*{20}{c}}
{4)2{H_2}(g) + {O_2}(g) \to 2{H_2}O(l)}&{\Delta {H_4} = - 572kJ}
\end{array}$
سومین ماده در واکنش مورد نظر، $C{{H}_{4}}(g)$ بوده که تنها فراورده با ضریب استوکیومتری برابر با یک است، مادهای که در سومین معادله، یک واکنشدهنده با همان ضریب استوکیومتری است. وارونه کردن این معادله هدف ما را تأمین میکند.
$\begin{array}{*{20}{c}}
{5)C{O_2}(g) + 2{H_2}O(l) \to C{H_4}(g) + 2{O_2}(g)}&{\Delta {H_5} = + 890kJ}
\end{array}$
اینک از جمع معادلههای 1، 4 و 5 میتوان به معادلهٔ ترموشیمیایی مورد نظر رسید. این روند نشان میدهد که $\Delta H$ آن برابر با جمع جبری $\Delta {{H}_{1}}$، $\Delta {{H}_{4}}$ و $\Delta {{H}_{5}}$ خواهد بود.
$)\begin{array}{*{20}{c}} { + {O_2}(g) \to C{O_2}(g)}&{\Delta {H_1} = - 393/5kJ} \end{array}$ گرافیت $1) C (s,$
$\begin{array}{*{20}{c}}
{4)2{H_2}(g) + {O_2}(g) \to 2{H_2}O(l)}&{\Delta {H_4} = - 572kJ}
\end{array}$
$\begin{array}{*{20}{c}}
{5)C{O_2}(g) + 2{H_2}O(l) \to C{H_4}(g) + 2{O_2}(g)}&{\Delta {H_5} = + 890kJ}
\end{array}$
$) + 2{H_2}(g) \to C{H_4}(g),\Delta H = \Delta {H_1} + \Delta {H_4} + \Delta {H_5}$ گرافیت $C(s,$
نخستین بار هنری هس دریافت که گرمای یک واکنش معین به راهی که برای انجام آن در پیش گرفته میشود، وابسته نیست. به دیگر سخن استفاده از $\Delta H$ دو یا چند واکنش دیگر میتوان $\Delta H$ یک واکنش معین را به دست آورد، به شرطی که شرایط انجام همهٔ واکنشها یکسان باشد. امروزه از این نتیجه با نام قانون هس یاد میشود، قانونی که به جمعپذیری گرمای واکنشها معروف است. بیان علمی قانون هس براساس مفهوم $\Delta H$ به صورت زیر است:
«اگر معادلهٔ واکنشی را بتوان از جمع معادلهٔ دو یا چند واکنش دیگر به دست آورد، $\Delta H$ آن نیز از جمع جبری $\Delta H$ همان واکنشها به دست میآید».
خود را بیازمایید (صفحهٔ 76 کتاب درسی)
1- هیدروژن پر اکسید $({{H}_{2}}{{O}_{2}})$ مادهای است که با نام تجاری آب اکسیژنه به فروش میرسد.
الف) با استفاده از واکنشهای ترموشیمیایی زیر، آنتالپی واکنش ${{H}_{2}}(g)+{{O}_{2}}(g)\xrightarrow{{}}{{H}_{2}}{{O}_{2}}(l)$ را حساب کنید.
${{H}_{2}}(g)+\frac{1}{2}{{O}_{2}}(g)\xrightarrow{{}}{{H}_{2}}O(l)\begin{matrix}
{} \\
\end{matrix}\begin{matrix}
{} & {} & {} & {} \\
\end{matrix}\Delta H=-286kJ$
$2{{H}_{2}}{{O}_{2}}(l)\xrightarrow{{}}2{{H}_{2}}O(l)+{{O}_{2}}(g)\begin{matrix}
{} & {} & {} & \begin{matrix}
{} & {} \\
\end{matrix} \\
\end{matrix}\Delta H=-196kJ$
${{H}_{2}}(g)+{{O}_{2}}(g)\to {{H}_{2}}{{O}_{2}}(l)\begin{matrix}
{} & {} \\
\end{matrix};\begin{matrix}
{} \\
\end{matrix}\Delta H=?kJ$
${{H}_{2}}(g)+\frac{1}{2}{{O}_{2}}(g)\to {{H}_{2}}O(l)\begin{matrix}
{} & {} \\
\end{matrix};\begin{matrix}
{} \\
\end{matrix}\Delta {{H}_{1}}=-286kJ$ (بدون تغییر)
$2{{H}_{2}}{{O}_{2}}(l)\to 2{{H}_{2}}O(l)+{{O}_{2}}(g)\begin{matrix}
{} & {} \\
\end{matrix};\begin{matrix}
{} \\
\end{matrix}\Delta {{H}_{2}}=-196kJ\times (-\frac{1}{2})$ (نصف وارون)
$3){{H}_{2}}(g)+\frac{1}{2}{{O}_{2}}(g)\to {{H}_{2}}O(l)\begin{matrix}
{} & {} \\
\end{matrix};\Delta {{H}_{3}}=-286kJ$
$\begin{matrix}
4){{H}_{2}}O(l)+\frac{1}{2}{{O}_{2}}(g)\to {{H}_{2}}{{O}_{2}}(l)\begin{matrix}
{} \\
\end{matrix}\begin{matrix}
{} & {} & {} \\
\end{matrix}:\Delta H_{4}^{'}=+98kJ \\
\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_ \\
\end{matrix}\text{ }\!\!~\!\!\text{ }$
${{H}_{2}}(g)+{{O}_{2}}(g)\to {{H}_{2}}{{O}_{2}}(l)$
$\Delta H=\Delta {{H}_{3}}+\Delta H_{4}^{'}\Rightarrow \Delta H=-286+98=-188kJ$
ب) توضیح دهید چرا تهیهٔ این ماده از واکنش مستقیم گازهای هیدروژن و اکسیژن ممکن نیست؟
این واکنش، دو مرحلهای است و دارای یک گونهی حد واسط $({{H}_{2}}O(l))$ میباشد. بنابراین مطابق مکانیسم پیشنهادی برای این واکنش، ابتدا آب تشکیل شده و سپس آب اکسیژنه تشکیل میشود.
2- در شیمی دهم آموختید که گازهای آلاینده مانند $NO$ و $CO$ از اگزوز خودروها به هواکره وارد میشوند. شیمیدانهای هواکره انجام واکنش زیر را برای تبدیل این آلایندهها به گازهایی پایدارتر و با آلایندگی کمتر، طراحی کردهاند.
$2CO(g)+2NO(g)\xrightarrow{{}}2C{{O}_{2}}(g)+{{N}_{2}}(g)\begin{matrix}
{} & {} & {} & {} \\
\end{matrix}\Delta H=?$
آنتالپی واکنش بالا را با استفاده از واکنشهای ترموشیمیایی زیر حساب کنید.
$CO(g)+\frac{1}{2}{{O}_{2}}(g)\xrightarrow{{}}C{{O}_{2}}(g)\begin{matrix}
{} \\
\end{matrix}\begin{matrix}
{} & {} & {} & {} \\
\end{matrix}\Delta H=-283kJ$
${{N}_{2}}(g)+{{O}_{2}}(g)\xrightarrow{{}}2NO(g)\begin{matrix}
{} \\
\end{matrix}\begin{matrix}
{} & {} & {} & {} \\
\end{matrix}\Delta H=+181kJ$
$2CO(g)+2NO(g)\to 2C{{O}_{2}}(g)+{{N}_{2}}(g)\begin{matrix}
{} & {} & {} \\
\end{matrix};\begin{matrix}
{} & {} & {} \\
\end{matrix}\Delta H=?$
$2CO(g)+{{O}_{2}}(g)\to 2C{{O}_{2}}(g)\begin{matrix}
{} & {} & {} \\
\end{matrix}\begin{matrix}
{} & {} & {} \\
\end{matrix};\begin{matrix}
{} & {} & {} \\
\end{matrix}\Delta {{H}_{1}}=2\times (-283)=-566kJ$
$\begin{align}
& 2NO(g)\to {{n}_{2}}(g)+{{O}_{2}}(g)\begin{matrix}
{} & {} & {} \\
\end{matrix}\begin{matrix}
{} & {} & {} \\
\end{matrix};\begin{matrix}
{} & {} & {} \\
\end{matrix}\Delta {{H}_{2}}=-191kJ \\
& \_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_ \\
& 2CO(g)+2NO(g)\to 2C{{O}_{2}}(g)+{{N}_{2}}(g) \\
\end{align}$
$\Delta H=\Delta {{H}_{1}}+\Delta {{H}_{2}}\Rightarrow \Delta H=-566-181=-747kJ$
3- واکنش سوختن کامل گرافیت را میتوان مجموعهای از دو واکنش پی درپی مطابق نمودار زیر دانست.
آ) شواهد نشان میدهد که $\Delta H$ واکنش تولید $CO(g)$ را نمیتوان به روش تجربی تعیین کرد. دربارۀ علت آن گفت وگو کنید.
زیرا در این واکنش، یک مادهی حد واسط $(CO)$ تولید میشود و کربنمونوکسید از سوختن ناقص گرافیت به دست میآید. در سوختن ناقص، اکسیژن به اندازهی کافی وجود ندارد.
ب) $\Delta H$ واکنش تولید $CO(g)$ را از گرافیت و گاز اکسیژن حساب کنید.
$C+\frac{1}{2}{{O}_{2}}(g)\to CO(g)\begin{matrix}
{} & {} & {} & {} \\
\end{matrix}\begin{matrix}
{} & {} \\
\end{matrix};\begin{matrix}
{} & {} \\
\end{matrix}\Delta H=?kJ$
$CO(g)+\frac{1}{2}{{O}_{2}}(g)\to CO(g)\begin{matrix}
{} & {} & {} & {} \\
\end{matrix}\begin{matrix}
{} \\
\end{matrix};\begin{matrix}
{} & {} \\
\end{matrix}\Delta {{H}_{2}}=-283kJ\times (-)$ (وارون)
$\begin{align}
& C(s)+{{O}_{2}}(g)\to C{{O}_{2}}(g)\begin{matrix}
{} & {} & {} & {} \\
\end{matrix}\begin{matrix}
{} & {} \\
\end{matrix};\begin{matrix}
{} & {} \\
\end{matrix}\Delta H=-393/5kJ \\
& \_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_ \\
\end{align}$ (بدون تغییر)
$C{{O}_{2}}(g)\to CO(g)+\frac{1}{2}{{O}_{2}}(g)\begin{matrix}
{} & {} & {} & {} \\
\end{matrix};\begin{matrix}
{} & {} \\
\end{matrix}\Delta H_{2}^{'}=+283kJ$
$\begin{align}
& C(s)+{{O}_{2}}(g)\to C{{O}_{2}}(g)\begin{matrix}
{} & {} & {} & {} \\
\end{matrix}\begin{matrix}
{} & {} \\
\end{matrix};\begin{matrix}
{} & {} \\
\end{matrix}\Delta H=-393/5kJ \\
& \_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_ \\
\end{align}$
$C(s)+\frac{1}{2}{{O}_{2}}(g)\to CO(g)$
$\Delta {{H}_{1}}=\Delta H_{2}^{'}+\Delta H\Rightarrow \Delta H=+283+(-393/5)=-110/5kJ$
4- شواهد تجربی نشان میدهند که تهیۀ آمونیاک به روش هابر از گازهای نیتروژن و هیدروژن مطابق نمودار زیر یک واکنش دو مرحلهای است.
آ) در شرایط یکسان، هیدرازین پایدارتر است یا آمونیاک؟ چرا؟
آمونیاک، زیرا سطح انرژی پایینتری دارد. به طور کلی، هر چه سطح انرژی یک ماده پایینتر باشد، پایدارتر است.
ب) آنتالپی واکنش تولید هیدرازین را حساب کنید.
${{N}_{2}}(g)+2{{H}_{2}}(g)\to {{N}_{2}}{{H}_{4}}(g)\begin{matrix}
{} & {} & {} & {} \\
\end{matrix};\begin{matrix}
{} \\
\end{matrix}\Delta H=?$
${{N}_{2}}{{H}_{4}}(g)+{{H}_{2}}(g)\to 2N{{H}_{3}}(g)\begin{matrix}
{} & {} & {} \\
\end{matrix}\begin{matrix}
{} \\
\end{matrix};\begin{matrix}
{} \\
\end{matrix}\Delta {{H}_{1}}=-183kJ\times (-)$ (وارون)
$\begin{align}
& {{N}_{2}}(g)+3{{H}_{2}}(g)\to 2N{{H}_{3}}(g)\begin{matrix}
{} & {} & {} & {} \\
\end{matrix}\begin{matrix}
{} \\
\end{matrix};\Delta H=-92kJ \\
& \_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_ \\
\end{align}$ (بدون تغییر)
$2N{{H}_{3}}(g)\to {{N}_{2}}{{H}_{4}}(g)+{{H}_{2}}(g)\begin{matrix}
{} & {} & {} \\
\end{matrix}\begin{matrix}
{} \\
\end{matrix};\begin{matrix}
{} \\
\end{matrix}\Delta H_{1}^{'}=183kJ$
$\begin{align}
& {{N}_{2}}(g)+3{{H}_{2}}(g)\to 2N{{H}_{3}}(g)\begin{matrix}
{} & {} & {} \\
\end{matrix}\begin{matrix}
{} \\
\end{matrix}\begin{matrix}
{} \\
\end{matrix};\begin{matrix}
{} \\
\end{matrix}\Delta {{H}_{2}}=-92kJ \\
& \_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_ \\
\end{align}$
${{N}_{2}}+2{{H}_{2}}(g)\to {{N}_{2}}{{H}_{4}}(g)$
$\Delta H=\Delta H_{1}^{'}+\Delta {{H}_{2}}\Rightarrow \Delta H=183+(-92)=91kJ$
آیا میدانید
محلول رقیق آب اکسیژنه یک محلول ضد عفونی کننده است که خاصیت رنگبری و لکهبری نیز دارد.
