एन्थैल्पी और एन्थैल्पी परिवर्तनों पर चर्चा करने वाले उदाहरण प्रश्न
एन्थैल्पी रासायनिक ऊष्मागतिकी की एक महत्वपूर्ण अवधारणा है, जो रासायनिक अभिक्रियाओं से लेकर अवस्था परिवर्तन तक, रसायन विज्ञान के विभिन्न विषयों में अक्सर देखने को मिलती है। इस लेख में, हम कुछ उदाहरण समस्याओं की समीक्षा करेंगे और एन्थैल्पी तथा एन्थैल्पी परिवर्तनों पर चर्चा करेंगे ताकि हम इस अवधारणा को बेहतर ढंग से समझ सकें।
एन्थैल्पी को समझना
एन्थैल्पी (H) किसी ऊष्मागतिक प्रणाली में कुल ऊर्जा की मात्रा है। इसमें कणों में संग्रहित आंतरिक ऊर्जा के साथ-साथ दिए गए दाब वातावरण में कणों के लिए स्थान बनाने के लिए आवश्यक ऊर्जा भी शामिल होती है। अंतर्राष्ट्रीय प्रणाली (SI) में एन्थैल्पी को जूल (J) में मापा जाता है।
गणितीय रूप से, एन्थैल्पी को इस प्रकार परिभाषित किया जाता है:
[ H = U + PV \]
कहाँ:
– \( H \) एन्थैल्पी है
– \( U \) आंतरिक ऊर्जा है
– \( P \) दाब है
– \( V \) आयतन है
एन्थैल्पी परिवर्तन
रासायनिक अभिक्रिया या भौतिक प्रक्रिया होने पर एन्थैल्पी परिवर्तन (ΔH) होता है। इस एन्थैल्पी परिवर्तन को स्थिर दाब पर किसी प्रणाली द्वारा उत्सर्जित या अवशोषित ऊष्मा की मात्रा के रूप में परिभाषित किया जा सकता है। गणितीय रूप से:
[ ΔH = H_{\text{उत्पाद}} – H_{\text{अभिकारक}} \]
ऊष्माक्षेपी अभिक्रियाएँ वे अभिक्रियाएँ होती हैं जिनमें वातावरण में ऊष्मा मुक्त होती है, और इन अभिक्रियाओं में ΔH का मान ऋणात्मक होता है। वहीं, ऊष्माशोषी अभिक्रियाएँ वे अभिक्रियाएँ होती हैं जिनमें वातावरण से ऊष्मा अवशोषित होती है, और इस अभिक्रिया में ΔH का मान धनात्मक होता है।
Contoh Soal dan Pembahasan
उदाहरण प्रश्न 1: दहन की एन्थैल्पी में परिवर्तन
सवाल:
यह ज्ञात है कि 1 मोल मीथेन (CH₄) के पूर्ण दहन से कार्बन डाइऑक्साइड (CO₂) और जल (H₂O) उत्पन्न होते हैं। निर्माण एन्थैल्पी का डेटा इस प्रकार है:
– \( \Delta H_{{f, H_2O (l)}} = -285.8 \text{kJ/mol} \)
– \( \Delta H_{{f, CO_2 (g)}} = -393.5 \text{kJ/mol} \)
– \( \Delta H_{{f, CH_4 (g)}} = -74.8 \text{kJ/mol} \)
दहन अभिक्रिया के एन्थैल्पी परिवर्तन (\( \Delta H \)) की गणना कीजिए।
बहस:
मीथेन की दहन अभिक्रिया इस प्रकार है:
\[ CH_4 (g) + 2 O_2 (g) \दायां तीर CO_2 (g) + 2 H_2O (l) \]
अभिक्रिया के एन्थैल्पी परिवर्तन (\( \Delta H \)) की गणना गठन की एन्थैल्पी का उपयोग करके की जा सकती है:
[ ΔH = σΔHf उत्पाद – σΔHf अभिकारक]
उत्पाद:
[ ΔH_f (CO_2 (g)) = -393.5 kJ/mol]
[ ΔH_f (H_2O (l)) = -285.8 kJ/mol]
उत्पादों की कुल एन्थैल्पी:
[ (-393.5 kJ/mol) + 2 × (-285.8 kJ/mol) = -393.5 – 571.6 = -965.1 kJ/mol ]
अभिकारक:
[ ΔH_f (CH_4 (g)) = -74.8 kJ/mol]
\[ \Delta H_f (O_2 (g)) = 0 \text{kJ/mol} \]
(अपनी मानक अवस्था में ऑक्सीजन की निर्माण एन्थैल्पी शून्य होती है।)
अभिकारकों की कुल एन्थैल्पी:
[ (-74.8 kJ/mol) + 2 × (0 kJ/mol) = -74.8 kJ/mol]
अतः, एन्थैल्पी में परिवर्तन (\( \Delta H \)) इस प्रकार है:
\[ \डेल्टा एच = -965.1 \text{kJ/mol} - (-74.8 \text{kJ/mol}) \]
\[ डेल्टा एच = -965.1 + 74.8 \]
[ ΔH = -890.3 kJ/mol]
अतः, 1 मोल मीथेन के दहन के लिए एन्थैल्पी परिवर्तन \(-890.3 \text{kJ/mol}\) है।
उदाहरण प्रश्न 2: भौतिक प्रक्रियाओं में एन्थैल्पी परिवर्तन
सवाल:
0°C पर 50 ग्राम बर्फ (H₂O) को 0°C पर पानी (H₂O) में पिघलाने पर एन्थैल्पी परिवर्तन की गणना कीजिए। यह ज्ञात है कि बर्फ के पिघलने की ऊष्मा (ΔH₂fus) 6.01 kJ/mol है और पानी का मोलर द्रव्यमान 18 g/mol है।
बहस:
पहला चरण बर्फ के मोलों की संख्या की गणना करना है।
बर्फ के मोल = 50 ग्राम/18 ग्राम/मोल ≈ 2.78 मोल
इसके बाद हम बर्फ पिघलने के लिए एन्थैल्पी परिवर्तन की गणना करते हैं:
[ ΔH = n cdot ΔH_{\text{fus}} \]
[ ΔH = 2.78 मोल ⋅ 6.01 केजे/मोल ]
\[ \Delta H \approx 16.7 \text{kJ} \]
अतः, 0°C पर 50 ग्राम बर्फ पिघलने पर एन्थैल्पी परिवर्तन लगभग 16.7 किलो जूल होता है। यह एक ऊष्माशोषी प्रक्रिया है क्योंकि बर्फ ऊष्मा अवशोषित करके पानी में परिवर्तित हो जाती है।
उदाहरण 3: हेस अभिक्रिया
सवाल:
हेस के नियम का उपयोग करके निम्नलिखित अभिक्रिया के लिए एन्थैल्पी परिवर्तन ज्ञात कीजिए:
[ 2 C(ग्रेफाइट) + 3 H_2(g) \rightarrow C_2H_6(g) \]
कई अभिक्रियाएँ ज्ञात हैं और उनके संबंधित एन्थैल्पी परिवर्तन भी ज्ञात हैं:
1. \( C(ग्रेफाइट) + O_2(g) \rightarrow CO_2(g), \Delta H = -393.5 \text{kJ} \)
2. \( H_2(g) + \frac{1}{2}O_2(g) \rightarrow H_2O(l), \Delta H = -285.8 \text{kJ} \)
3. \( 2 C_2H_6(g) + 7 O_2(g) \rightarrow 4 CO_2(g) + 6 H_2O(l), \Delta H = -3119.6 \text{kJ} \)
बहस:
अभिक्रिया के एन्थैल्पी परिवर्तन (\( \Delta H \)) की गणना करने के लिए, हमें लक्ष्य अभिक्रिया से मेल खाने के लिए कुछ अभिक्रियाओं को उलटना और गुणा करना होगा।
लॅंगका-लॅंगका:
1. अभिक्रिया \(C_2H_6 \rightarrow 2 CO_2 + 3 H_2O\) को बदलें:
\[2C_2H_6(g) + 7O_2(g) \rightarrow 4 CO_2(g) + 6H_2O(l), \Delta H = -3119.6 \text{kJ}\]
विपरीत और विभाजित अभिक्रियाएँ:
\[ 4CO_2(g) + 6H_2O(l) \rightarrow 2C_2H_6(g) + 7O_2(g), \Delta H = 3119.6/2 = 1559.8 \text{kJ} \]
2. अभिक्रिया \(C \rightarrow CO_2\):
[ 4C(ग्रेफाइट) + 4O_2(g) → 4CO_2(g), ΔH = 4 × -393.5 = -1574 kJ ]
3. अभिक्रिया \(H_2\rightarrow H_2O\):
\[ 6H_2(g) + 3O_2(g) \rightarrow 6H_2O(l), \Delta H = 6 \times -285.8 = -1714.8 \text{kJ} \]
इन सबको मिलाकर हमें यह मिलता है:
\[2सी(ग्रेफाइट) + 3एच_2(जी) \दायां तीर सी_2एच_6\]
[ ΔH = 1559.8 – 1574 – 1714.8 = -1729 kJ]
अतः, 2 मोल ग्रेफाइट और 3 मोल \(H_2\) की \(C_2H_6(g)\) में अभिक्रिया का एन्थैल्पी परिवर्तन -1729 kJ है।
इस प्रकार, एन्थैल्पी की अवधारणा और विभिन्न प्रकार की अभिक्रियाओं में इसके अनुप्रयोग को समझने से रासायनिक और भौतिक परिवर्तनों में ऊर्जा की भूमिका को बेहतर ढंग से समझने में मदद मिलती है। ऊपर दिए गए प्रश्न कुछ ऐसे उदाहरण हैं जिनका उपयोग पाठ्यक्रम में इन अवधारणाओं की समझ को सुदृढ़ करने के लिए किया जाता है।
