انتالپی تشکیل

از جمله مباحثی که در جریان تدریس شیمی دبیرستان باید مورد توجّه و مطالعه قرار گیرد ، همین مبحث انتالپی تشکیل است که ذکر آن در قالب و محتوای کتاب درسی می تواند خیلی از چالش های علمی را که برای دانش آموز ایجاد می شود ، برطرف کند . از این رو بر آن شدم که در قالب نوشته هایم آن را مطرح کنم تا مورد استفاده دانش آموزان و همکاران قرار گیرد .

روش شاده برای محاسبۀ ​\( \Delta H \)​هر واکنش شامل استفاده از مقادیر ثبت شده ای به نام انتالپی استاندارد تشکیل است .

انتالپی استاندارد تشکیل یک ماده مرکّب که با نماد​\( \Delta H^{\circ }_{f} \)​نشان داده می شود ، مقدار ​\( \Delta H \)​مربوط به واکنشی که در آن یک مول مادّۀ مرکّب  در 1atm و در آن دمای معیّن ساخته می شود . ( البته این تعریف در مورد واکنش های صادق است که شامل ترکیب ها و عناصری در حالت استانداردشان باشد . )

حالت استاندارد یک مایع یا جامد ، مایع خالص یا جامد خالص در فشار 1 اتمسفر است . حالت استاندارد یک گاز ، گاز در فشار 1atm با فرض رفتار ایده آل آن می باشد .  حالا این سوال پیش می آید که رفتار ایده آل گاز ها چیست ؟

رفتار ایده‌آل گازها بر اساس قانون گاز ایده‌آل مدل‌سازی می‌شود که فرض می‌کند گازها تحت شرایط خاصی (مانند دما و فشار معین) رفتار خاصی دارند. رفتار ایده‌آل گازها در واقع زمانی درست است که فرض‌های خاصی درباره ذرات گاز و تعاملات بین آن‌ها وجود داشته باشد.

ویژگی‌های رفتار ایده‌آل گازها عبارتند از:

1- ذرات گاز (مولکول‌ها) بدون حجم هستند: در مدل گاز ایده‌آل، فرض می‌شود که حجم ذرات گاز نسبت به فضای اشغالی آن‌ها ناچیز است و بنابراین می‌توان آن‌ها را بدون حجم در نظر گرفت.

2- هیچ‌گونه نیرویی بین ذرات گاز وجود ندارد: در این مدل فرض می‌شود که ذرات گاز هیچ نیروی جاذبه یا دافعه‌ای نسبت به هم ندارند و تنها زمانی با یکدیگر برخورد می‌کنند که در تماس باشند.

3- برخوردها کاملاً الاستیک هستند: وقتی ذرات گاز با یکدیگر یا با دیواره‌ی محفظه برخورد می‌کنند، انرژی جنبشی کل سیستم حفظ می‌شود، به این معنی که انرژی جنبشی پیش از برخورد برابر با انرژی جنبشی پس از برخورد است.

4- ذرات گاز به طور تصادفی حرکت می‌کنند: حرکت ذرات گاز در یک فضای سه‌بعدی به طور تصادفی است و با سرعت‌های مختلفی حرکت می‌کنند.

5- قانون گاز ایده‌آل: معادله حالت گاز ایده‌آل که رابطه‌ی میان فشار (P)، حجم (V)، دما (T) و تعداد مولکول‌ها (n) را بیان می‌کند، که به صورت ​\( PV=nRT \)​می باشد .

مقدار R در واحد های مختلف فرق خواهد د اشت . ​\( R=0.082Lit.atm/mol.K =8.314J/mol.K \)​

شرایط برای رفتار ایده‌آل

• گازها در دمای بالا و فشار پایین معمولاً نزدیک به رفتار ایده‌آل رفتار می‌کنند. زیرا در این شرایط فاصله بین ذرات زیاد است و اثرات نیروهای بین ذرات کم می‌شود.

• در دمای پایین و فشار بالا، گازها دیگر رفتار ایده‌آل ندارند و اثرات بین‌ذرات (مانند جاذبه یا دافعه) شروع به تاثیرگذاری می‌کنند.

بنابراین، گازهای واقعی به طور کامل رفتار ایده‌آل ندارند، اما در شرایط خاص می‌توان آن‌ها را تقریباً ایده‌آل در نظر گرفت.

دمای مرجع معمولاً​\( 25^{^{\circ}C} \)​ است . اغلب مقادیر​\( \( \Delta H^{\circ }_{f} \) \)​ در کتاب درسی به واکنش هایی اشاره دارد که شامل اجسامی در حالت استاندارد باشد .  برخی از عناصر بیش از یک حالت دارند . فرم عنصر به کار رفته برای به دست آوردن مقدار ​\( \( \Delta H^{\circ }_{f} \) \)​، پایدارترین فرم آن ( دارای کمترین مقدار انتالپی ) در 1atm و در دمای مرجع است . مثلاٌ کربن به صورت الماس و گرافیت وجود دارد . انتالپی الماس بالاتر از انتالپی گرافیت است .

​\( C(almas)\longrightarrow C(grafit)\hspace{2cm}\Delta H^{\circ}=+1.9KJ \)​ در نتیجه پایدارترین حالت کربن در ​\( 25^{\circ}{C} \)​و 1atm گرافیت است و مقادیر ترکیبات کربن دار را از آن به دست می آورند . دو واکنش زیر را برای تشکیل ​\( CO_{2}({g}) \)​در نظر بگیرید .

​\( C(grafit)+O_{2}(g)\longrightarrow CO_{2}(g) \hspace{1.5cm}\Delta H^{\circ}=-393.5KJ \\C(almas)+O_{2}(g)\longrightarrow CO_{2}(g) \hspace{1.5cm}\Delta H^{\circ}=-395.4KJ \)​

انتالپی استاندارد برای تشکیل کربن دی اکسید ، در معادله اوّل که شامل گرافیت می باشد،داده شده است .

اکسیژن نیز فرم های مختلفی دارد . انتالپی مولکول اکسیژن ، یعنی​\( O_{2}(g) \)​ کمتر از مولکول اوزون​\( O_{3}(g) \)​ است . ​\( \frac{3}{2}O_{2}(g)\longrightarrow O_{3}(g) \hspace{1cm}\Delta H^{\circ}=+142KJ \)​

بنابر این پایدارترین فرم اکسیژن در فشار 1atm و دمای اتاق ، ​\( O_{2}(g) \)​است . برای عناصری که در طبیعت به صورت دو اتمی هستند( ​\( I_{2} , Cl_{2} , F_{2} , O_{2} , N_{2} , H_{2} \)​) انتالپی فرم اتمی آنها بسیار بالا است . فرم پایدار هر یک از این عناصر ، مولکول دو اتمی است مثلاً ​\( O_{2}(g) \)​برای اکسیژن ، نه ​\( O_(g) \)​

مقدار انتالپی واکنش : ​\( H_{2}+\frac{1}{2}O_{2}(g)\longrightarrow H_{2}O(l) \)​برابر انتالپی تشکیل آب در حالت مایع است . و انتالپی واکنش : ​\( \frac{1}{2}H_{2}(g)+\frac{1}{2}O_{2}(g)\longrightarrow HI(g) \)​برابر انتالپی تشکیل گاز هیدروژن یدید است .

انتالپی تشکیل را می توان مستقیماً اندازه گیری کرد یا با استفاده از قانون هِس از سایر داده های گرماشیمی دیگر محاسبه کرد . گرمای آزاد شده در واکنش :​\( C(grafit)+2H_{2}(g)\longrightarrow CH_{4}(g) \)​ برابر انتالپی تشکیل گاز متان است .

یک مثال برای نشان دادن این که می توان از انتالپی تشکیل ترکیبات دیگر ، انتالپی یک واکنش را محاسبه کرد .

​\( 2C(grafit)+2H_{2}(g)\longrightarrow C_{2}H_{4}(g)\hspace{1cm}\Delta H_{f}^{\circ }=52.30KJ \\ 2C(grafit)+3H_{2}(g)\longrightarrow C_{2}H_{6}(g)\hspace{1cm}\Delta H_{f}^{\circ }=-84.68KJ\\ C_{2}H_{4}(g)+H_{2}(g)\longrightarrow C_{2}H_{6}(g)\hspace{1cm}\Delta H^{\circ }=? \)​

که برای پیدا کردن انتالپی واکنش سوم می توان انتالپی تشکیل محصولات را منهای انتالپی تشکیل مواد اولیه کرد ( البته می دانیم که انتالپی تشکیل هیدروژن در حالت آزاد و استاندارد برابر صفر است . ) یعنی خواهیم داشت : ​\( \Delta H^{\circ }=\sum \Delta H_{2}-\sum \Delta H_{1}=[-84.68-(+52.30)]=-136.98KJ \)​

هنگام استفاده از این رابطه باید دو نکته را مد نظر قرار داد که انتالپی تشکیل هر ماده را باید در ضریب آن ضرب کرد و دیگر این که انتالپی استاندارد تشکیل یک عنصر در پایدارترین فرم آن در دمای اتاق و فشار یک اتمسفر برابر صفر در نظر گرفته می شود .