Қонунҳои термокимиёвӣ дар физика
Термохимия як соҳаи илм аст, ки робитаи байни реаксияҳои кимиёвӣ (ё тағйироти физикӣ дар модда) ва энергияи гармии ҳамроҳ (гармӣ)-ро меомӯзад. Дар заминаи физика, термохимия ҳамчун пули муҳим байни мафҳумҳои энергия, гармӣ, кор ва тағйирот дар ҳолати модда хизмат мекунад. Вақте ки реаксия рух медиҳад, энергия ҳеҷ гоҳ бе ягон нишона "пайдо намешавад" ё "нопадид намешавад". Энергия танҳо шаклашро тағйир медиҳад: аз энергияи химиявӣ ба гармӣ ё баръакс - гармӣ барои ба вуҷуд овардани тағйироти кимиёвӣ ҷаббида мешавад. Принсипҳое, ки инро танзим мекунанд, дар қонунҳои термохимия ҷамъбаст шудаанд, ки асоси ҳисоб кардани гармии реаксия, самаранокии энергия ва ҳатто тарҳрезии системаи саноатиро ташкил медиҳанд.
Мафҳумҳои асосӣ: Системаҳо, муҳити атроф ва гармии реаксия
Барои фаҳмидани қонунҳои термохимия, аввалин чизе, ки бояд фаҳмид, таърифҳои система ва муҳити атроф аст. Система қисми коинотест, ки мо меомӯзем - масалан, моддаҳое, ки дар зарф реаксия мекунанд. Муҳит ҳама чизест, ки берун аз система аст. Мубодилаи энергия байни система ва муҳити он аксар вақт дар шакли гармӣ ба амал меояд.
Гармии реаксия одатан ҳамчун тағирёбии энтальпия ифода карда мешавад, ки бо ΔH рамзгузорӣ мешавад. Энтальпия як миқдори термодинамикӣ аст, ки "миқдори энергия"-и системаро дар фишори доимӣ ифода мекунад ва хеле муфид аст, зеро бисёр реаксияҳо дар фишори атмосфера ба амал меоянд. Умуман:
– Агар система гармиро ба муҳити атроф барорад, реаксия экзотермӣ ва ΔH манфӣ аст (ΔH < 0). - Агар система гармиро аз муҳити атроф фурӯ барад, реаксия эндотермӣ ва ΔH мусбат аст (ΔH > 0).
Мисоли оддии реаксияи экзотермӣ сӯзиши сӯзишворӣ аст, дар ҳоле ки мисоли реаксияи эндотермӣ раванди фотосинтез аст (ки энергияро аз нури офтоб талаб мекунад).
Қонуни ҳифзи энергия ҳамчун асоси термохимия
Дар паси ҳамаи қонунҳои термохимия як принсипи бузурги физика ниҳон аст: Қонуни ҳифзи энергия, ки расман асоси Қонуни якуми термодинамикаро ташкил медиҳад. Ин қонун мегӯяд, ки энергияро на офаридан ва на нобуд кардан мумкин аст, балки танҳо шакли онро тағйир додан мумкин аст. Дар қайдкунии термодинамикӣ, тағйироти энергияи дохилӣ (ΔU) бо гармӣ (Q) ва кор (W) бо роҳи зерин алоқаманд аст:
ΔU = Q − W
Аломат ва таърифи кор вобаста ба шартҳо метавонад фарқ кунад, аммо идеяи асосӣ якхела аст: агар система гармӣ гирад, энергияи дохилии он майл ба афзоиш дорад; агар система ба муҳити атроф кор кунад, энергияи дохилии он майл ба коҳиш дорад. Дар бисёр ҳолатҳои термохимиявӣ - махсусан дар фишори доимӣ - энтальпия (H) аксар вақт истифода мешавад, то гармӣ дар фишори доимӣ ба ΔH баробар бошад.
Бо ин асос, термохимия реаксияҳоро на танҳо ҳамчун тағйирот дар модда, балки ҳамчун тағйирот дар энергия, ки метавонанд дақиқ ҳисоб карда шаванд, мешуморад.
Қонуни Гесс: Гармии реаксия аз масир вобаста нест
Яке аз муҳимтарин қонунҳои термохимия Қонуни Гесс аст. Дар ин қонун гуфта мешавад, ки тағйирёбии умумии энтальпияи реаксия танҳо аз ҳолатҳои ибтидоӣ ва ниҳоӣ вобаста аст, на аз роҳи реаксия. Ин маънои онро дорад, ки агар реаксия дар якчанд марҳила ба амал ояд, миқдори гармии истеҳсолшуда ё фурӯ бурдашуда (ΔH) ба гармии реаксияи мустақим баробар хоҳад буд, ба шарте ки реактивҳо ва маҳсулоти ниҳоӣ якхела бошанд.
Аз нигоҳи математикӣ, агар реаксияи A → B-ро ба чунин тақсим кардан мумкин бошад:
– A → C (ΔH₁)
– C → B (ΔH₂)
ҳамин тавр:
Ҷамъи ΔH = ΔH₁ + ΔH₂
Қонуни Гесс муфид аст, зеро бисёр реаксияҳоро чен кардани гармии реаксияи мустақим душвор аст. Бо тақсим кардани реаксия ба марҳилаҳое, ки маълумот дар бораи онҳо дастрас аст, мо метавонем ΔH-ро ба таври ғайримустақим ҳисоб кунем. Дар физикаи амалӣ ва саноатӣ, ин қонун барои пешгӯии ниёзҳои энергияи равандҳои кимиёвӣ, ба монанди истеҳсоли аммиак, тозакунии металл ва ҳатто реаксияҳо дар батареяҳо кӯмак мекунад.
Қонуни Лавуазье-Лаплас: Реаксияҳои баръакс аломати ΔH-и муқобилро доранд
Қонуни дигари муҳими термохимиявӣ Қонуни Лавуазье-Лаплас аст, ки мегӯяд, гармии реаксияи як раванд аз ҷиҳати бузургӣ баробар, вале аз ҷиҳати аломат муқобили гармии реаксияи баръакс аст. Ба ибораи дигар:
Агар реаксия:
A → B дорои ΔH = x мебошад,
пас реаксияи баръакс:
B → A дорои ΔH = −x мебошад.
Ин принсип содда ба назар мерасад, аммо он асосӣ аст. Он изҳор медорад, ки тағйироти энергия аз рӯи симметрияи ҳолат пайравӣ мекунанд: агар миқдори муайяни энергия аз A ба B ҷудо шавад, пас барои бозгашт аз B ба A ҳамон миқдори энергия бояд ҷаббида шавад. Ин принсип дар таҳлили давраҳои энергия, аз ҷумла муҳаррикҳои гармӣ, системаҳои яхдон ва ҳисобҳои энергияҳои пайвандҳо дар дохили молекулаҳо истифода мешавад.
Энтальпияи ташаккул ва энтальпияи сӯзиш
Барои осон кардани ҳисобҳои термохимиявӣ, олимон якчанд намуди энтальпияҳои стандартиро муайян мекунанд:
1. Энтальпияи стандартии ташаккул (ΔHf°)
Ин тағйироти энтальпия ҳангоми ташкил ёфтани 1 мол пайвастагӣ аз унсурҳои он дар шароити стандартӣ (одатан 1 атм ва 25°C) мебошад. Ин арзиш "блоки сохтмонӣ" дар ҳисоб кардани ΔH-и реаксия мебошад.
2. Энтальпияи стандартии сӯзиш (ΔHc°)
Ин тағирёбии энтальпия ҳангоми сӯхтани пурраи 1 моли модда дар оксиген аст. Сӯзиш одатан экзотермикӣ аст, аз ин рӯ ΔHc° одатан манфӣ аст.
Бо истифода аз маълумоти энтальпияи ташаккулёбӣ, тағирёбии энтальпияи реаксияро бо ёрии зерин ҳисоб кардан мумкин аст:
ΔHreaction = Σ(ҳосили ΔHf°) − Σ(ΔHf° реактив)
Ин формула аксар вақт дар химияи физикӣ ва физикаи химиявӣ истифода мешавад, хусусан ҳангоми омӯзиши реаксияҳо дар шароити қариб стандартӣ.
Калориметрия: Чӣ тавр гармии реаксияро чен кардан мумкин аст
Қонунҳои термохимия на танҳо назариявӣ мебошанд, балки онҳоро бо роҳи таҷрибавӣ низ санҷидан мумкин аст. Усули асосии чен кардани гармии реаксия калориметрия мебошад, ки ченкунии мубодилаи гармӣ бо истифода аз калориметр мебошад.
Дар таҷрибаи оддии калориметрӣ, гармии аз реаксия ҷудошуда ё фурӯ бурдашуда ҳарорати об ё дигар маводи атрофро тағйир медиҳад. Робитаи асосӣ чунин аст:
Q = mc ΔT
бо:
– Q = гармӣ (Ҷоул)
– м = масса (кг ё г)
– c = гармии мушаххас (Ҷ/кг·К ё Ҷ/г·°C)
– ΔT = тағйирёбии ҳарорат
Дар калориметри бомба, реаксияи сӯзиш дар зарфи пӯшида сурат мегирад ва ҳаҷми доимиро нигоҳ медорад. Ин бештар ба тағйирёбии энергияи дохилӣ (ΔU) алоқаманд аст, аммо дар ҳолати зарурӣ онро ба ΔH табдил додан мумкин аст.
Аҳамият дар физика ва ҳаёти воқеӣ
Термохимия ба физикаи амалӣ таъсири васеъ дорад. Дар соҳаи энергетика, он ба муайян кардани арзиши гармии сӯзишворӣ, ки барои истеҳсоли нерӯи барқ, муҳаррикҳои воситаҳои нақлиёт ва арзёбии самаранокии энергия муҳим аст, кӯмак мекунад. Дар илми маводшиносӣ, термохимия шарҳ медиҳад, ки чаро баъзе реаксияҳо дар истеҳсоли семент, пӯлод ё сафол ҳарорати баланд ва миқдори зиёди энергияро талаб мекунанд. Дар соҳаи муҳити зист, ҳисоб кардани гармии сӯзишворӣ барои партовҳои газҳои гулхонаӣ ва стратегияҳо барои коҳиш додани таъсири гармшавии глобалӣ муҳим аст.
Ҳатто дар биология, термохимия мефаҳмонад, ки чӣ гуна бадан энергияро аз ғизо тавассути реаксияҳои мубодилаи моддаҳо, ки асосан реаксияҳои кимиёвии экзотермикиро назорат мекунанд, ба даст меорад.
Penutup
Қонунҳои термохимия дар физика тасдиқ мекунанд, ки реаксияҳои кимиёвӣ ва тағйироти физикӣ ҳамеша бо тағйироти ченшавандаи энергия алоқаманданд. Бар асоси нигоҳдории энергия, қонуни Гесс ва қонуни Лавуазье-Лаплас, мо метавонем гармии реаксияро ҳам барои фаҳмидани падидаҳои табиӣ ва ҳам барои тарҳрезии равандҳои саноатӣ ҳисоб ва пешгӯӣ кунем. Термохимия на танҳо маҷмӯи формулаҳо, балки як дурнамои илмӣ аст, ки нишон медиҳад, ки ҳар як тағйирот дар модда ҳамеша "арзиш" ё "ҳосил"-и энергия дорад. Дарки ин қонунҳо маънои дарки яке аз асосҳои асосии таъсири мутақобилаи байни модда ва энергия дар коинотро дорад.
Агар хоҳед, ман метавонам мисоли ҳисоб кардани ΔH-ро бо истифода аз Қонуни Гесс ё маълумоти ΔHf°, бо қадамҳо илова кунам.
