“`niðurstaða
Lögmál Hess: Mikilvægi lögmálsins um varðveislu orku í efnahvörfum
Pengantar
Efnafræði snýst ekki bara um litabreytingar, form og ótrúleg viðbrögð í tilraunaglösum. Að baki hverri efnahvörf eru grundvallarreglur sem stjórna hegðun efnis og orku. Ein af þessum grundvallarreglum er lögmál Hess, sem gegnir lykilhlutverki í að skilja hvernig orka kemur við sögu og flyst í efnahvörfum.
Skilgreining á lögmáli Hess
Lögmál Hess, nefnt eftir rússneska efnafræðingnum Germain Henri Hess, er einn af lykilþáttum varmaefnafræðinnar. Þetta lögmál segir að heildarentalpíubreytingin við efnahvörf sé sú sama, óháð ferli eða skrefum sem tekin eru. Með öðrum orðum, ef upphafshvörfin og lokaafurðirnar eru þær sömu, þá helst heildarorkumagnið sem þarf eða losnar stöðugt.
Stærðfræðilega má útskýra lögmál Hess á eftirfarandi hátt:
\[ \Delta H_{samtals} = \Delta H_1 + \Delta H_2 + \Delta H_3 + \ldots + \Delta H_n \]
Þar sem ΔH er entalpíubreytingin í hverju skrefi í hvarfinu.
Grundvallarreglur lögmáls Hess
Lögmál Hess er í raun beiting á lögmáli um varðveislu orku í efnafræði. Samkvæmt lögmáli um varðveislu orku er ekki hægt að skapa né eyða orku — hún getur aðeins breyst úr einu formi í annað. Í samhengi efnahvarfa er þessi orka venjulega tjáð sem entalpía (H), sem mælir heildarorkuna sem er geymd í kerfi.
Ef hægt er að raða efnahvörfum niður í nokkur smærri skref sem eru frábrugðin beinu efnahvörfunum, þá getum við lagt saman entalpíubreytingarnar í hverju þessara smærri skrefa til að fá heildarentalpíubreytinguna. Þetta þýðir að við getum reiknað heildarentalpíu flókinnar efnahvarfs með því að draga frá entalpíurnar úr einföldustu efnahvörfunum sem mynda það.
Beiting lögmáls Hess
Lögmál Hess hefur marga hagnýta notkunarmöguleika á ýmsum sviðum efnafræðinnar, þar á meðal:
1. Útreikningur á hvarfgengi
Þegar við lendum í efnahvarfi þar sem erfitt er að mæla entalpíubreytinguna beint, gerir lögmál Hess okkur kleift að brjóta efnahvarfið niður í einfaldari skref, þar sem entalpíubreytingarnar er auðveldara að mæla eða vita út frá tiltækum varmaefnafræðilegum gögnum.
Dæmi: Segjum að við viljum ákvarða entalpíubreytinguna (ΔH) fyrir viðbrögðin:
[C(s) + 1/2, O_2(g) = CO(g)]
Við getum brotið þessa viðbrögð niður í:
[C(s) + O₂(g)₂CO₂(g)₂(ΔH = -393.5; kJ/mól)]
[CO₂(g)₂ CO(g) + 1/2₂, O₂(g)₂ (ΔH = +283.0₂; kJ/mól)]
Samkvæmt lögmáli Hess er heildar entalpíubreytingin:
\[ \Delta H = -393.5 \; \text{kJ/mól} + 283.0 \; \text{kJ/mól} = -110.5 \; \text{kJ/mól} \]
2. Ákvörðun tengiorku
Lögmál Hess er einnig oft notað til að ákvarða orku tengja sem ekki er hægt að mæla beint. Með því að nota entalpíugögn úr þekktum efnahvörfum og ýmsar forsendur eða aðrar kvörðunaraðferðir geta vísindamenn metið orkuna sem þarf til að rjúfa og mynda efnatengi.
3. Rannsókn á varmafræði lausna
Í lyfjafræði og greiningarefnafræði hjálpar lögmál Hess til við að skilja upplausn (upplausn) og samloðun (bindingu) efna. Til dæmis hjálpar það til við að greina á milli óreiða (ΔS) og entalpíu (ΔH) lyfs sem leysist upp í ýmsum leysum.
Saga og þróun
Lögmál Hess var fyrst sett fram af Germain Henri Hess árið 1840. Þá tók Hess eftir því að varminn sem losnar eða frásogast í efnahvörfum við fastan þrýsting er sá sami, óháð því hvort viðbrögðin eiga sér stað beint eða í gegnum röð af skrefum.
Uppgötvun hans ruddi brautina fyrir frekari þróun í rannsóknum á varmaefnafræði, þar á meðal annarra mikilvægra hugtaka eins og ástandsföll, þar sem stærðin er ekki háð því hvernig kerfið náði því ástandi heldur aðeins upphafs- og lokaástandi.
Tölulegt dæmi um notkun lögmáls Hess
Sem dæmi um beitingu lögmáls Hess munum við reikna entalpíubreytinguna frá bruna metans í koltvísýring og vatn:
[CH₄(g) + 2⁻⁶, O₂(g)] = CO₂(g) + 2⁻⁶, H₂O(g)
Áfangarnir eru sem hér segir:
1. Brennsla metans í koltvísýring og vatn:
[CH₄(g) + 2⁻⁶, O₂(g) ≤ CO₂(g) + 2⁻⁶, H₂O(g) ≤ (ΔH₃H₃H₃H)]
2. Við vitum:
[CH₄(g) + 2⁻⁶, O₂(g) ≤ CO₂(g) + 2⁻⁶, H₂O(l) ≤ (ΔH = -890.3; kJ/mól)]
Þá:
[H_2O(l) \rightarrow H_2O(g) \quad (ΔH_{vap} = +44.0 \; \text{kJ/mól}) \]
Með því að nota lögmál Hess:
[ΔH = -890.3; kJ/mól + 2 ≥ 44.0; kJ/mól = -802.3; kJ/mól]
Þannig er auðvelt að reikna entalpíubreytinguna við bruna metans í koltvísýring og vatn við mismunandi hvarfskilyrði með því að nota lögmál Hess.
Niðurstaða
Lögmál Hess veitir djúpa innsýn í varðveislu orku í efnahvörfum og hjálpar efnafræðingum og sérfræðingum að skilja og spá fyrir um varmafræðilega hegðun ýmissa efnahvarfa. Með hjálp meginreglna lögmáls Hess er hægt að reikna út og greina orkubreytingar sem eiga sér stað á smásjárstigi með mikilli nákvæmni, sem gerir kleift að þróa frekari þætti í ýmsum greinum efnafræði, eðlisfræði og efnistækni.
Með góðum skilningi á lögmáli Hess geta ekki aðeins efnafræðingar, heldur einnig vísindamenn frá ýmsum fræðigreinum kannað og meðhöndlað efnahvörf fyrir fjölbreytt hagnýt notkun, allt frá efnasmíði til nýjunga í orkutækni.
„“
Þessi grein dregur saman skilgreiningu, grunnreglur, hagnýta notkun, sögu og raunveruleg dæmi um lögmál Hess í varmaefnafræði. Við vonum að þetta hjálpi þér að skilja og beita þessu mikilvæga hugtaki í efnafræði.
