اگر در حال تجدید نظر در انرژی برای امتحان سطح A شیمی آینده خود هستید، مهم است که دانش خود را در مورد فیزیک و ریاضیات تقویت کنید. شما در امتحان شیمی سطح A با سوالات زیادی مواجه خواهید شد که از شما می خواهد انرژی مورد نیاز را محاسبه کنید. واکنش های شیمیاییبنابراین درک صحیح واحدهای اندازه گیری، تبدیل ها، ثابت ها و دستکاری معادلات بسیار مهم است.

به همان اندازه مهم، توانایی تجزیه و تحلیل مسائل داده شده از نظر انرژی واکنش و سرعت واکنش است. همچنین باید بتوانید تشخیص دهید که آیا واکنش در یک سیستم باز، بسته یا ایزوله رخ داده است.

خوشبختانه، بیشتر مسائلی که در امتحان شیمی از شما خواسته می‌شود بر اساس آزمایش‌های واقعی باشد که احتمالاً بسیاری از آنها را در کلاس انجام داده‌اید. این به شما مزیتی می‌دهد، زیرا اگرچه جزئیات دقیق مشکل متفاوت است، اما اصول اساسی یکسان خواهند ماند – بنابراین تا زمانی که اینها را بدانید، آماده هستید!

سیستم و محیط اطراف

اولین مفهومی که باید هنگام تحلیل آن درک کنید انرژی یک واکنش، چه شیمیایی و چه فیزیکی، رابطه بین یک سیستم و محیط اطراف آن است. دانستن نوع سیستمی که در آن واکنش های شیمیایی یا فیزیکی رخ می دهد در محاسبه انرژی فرآیند ضروری است.

یک سیستم که شامل یک ماده یا مواد مورد مطالعه است، می تواند یک سیستم باز، بسته یا ایزوله باشد. از نظر واکنش های شیمیایی، یک سیستم به اتم های واکنش دهنده ها و پیوندهای آنها اطلاق می شود. محیط اطراف هر چیز دیگری است، مانند ظرف، حلال غیر مشارکت کننده و هوا.

• سیستم باز: این به سیستمی اشاره دارد که امکان تبادل ماده و انرژی با محیط اطراف را فراهم می کند. نمونه ای از این موتورهای احتراقی بنزینی است که انرژی را به صورت گرما و انرژی مکانیکی آزاد می کند. همچنین محصولات جانبی احتراق را به صورت دود (در صورت احتراق ناقص) یا بخار و دی اکسید کربن آزاد می کند.

• سیستم بسته: یک سیستم بسته اجازه تبادل انرژی با محیط اطرافش را می دهد – اما نه تبادل ماده یکی از مثال‌های خوب دیوید لاتیمر است تراریومکه او در سال 1960 مهر و موم کرد. از آن زمان، آن را به یک میکرو اکوسیستم پایدار تبدیل شده است.

• سیستم منزوی: یک سیستم ایزوله اجازه تبادل انرژی یا ماده با محیط اطراف خود را در شرایط خاص نمی دهد. در واقعیت، چیزی به نام سیستم ایزوله کامل وجود ندارد. شاید تنها سیستم منزوی واقعی خود کیهان باشد. با این حال، برای اهداف عملی، بسیاری از سیستم های جدا شده در طبیعت و همچنین در محیط مصنوعی یک آزمایشگاه شیمی وجود دارند. به عنوان مثال، یک قهوه داغ که در داخل فلاسک قمقمه مهر و موم شده است تا حدی یک سیستم ایزوله است. با این وجود، گرما به دلیل هدایت و تشعشع، هر چند بسیار آهسته، به ناچار به بیرون نشت کرده و از بین می رود.

سینتیک و ترمودینامیک

در حالی که سینتیک و ترمودینامیک مرتبط هستند، آنها همچنین مفاهیم متمایز هستند:

• سینتیک همه چیز در مورد سرعت واکنش و مراحل میانی بین حالت اولیه و نهایی واکنش است.
• ترمودینامیک به تفاوت انرژی بین حالت اولیه و نهایی واکنش مربوط می شود.

در مورد واکنش های خنثی سازی بین اسیدها و بازها، سینتیک توسط قدرت اسیدها و بازها در شرایط استاندارد که شامل غلظت های خاص است، تعیین می شود. قدرت یک اسید یا باز معمولاً بر حسب اندازه گیری می شود pH و ثابت های تفکیک

شما می توانید انرژی درگیر در یک واکنش شیمیایی را با استفاده از تعدادی واحد انرژی مانند ژول یا کالری اندازه گیری کنید. برای اندازه گیری انرژی، ابتدا باید تعیین کنید که واکنش گرمازا است یا گرماگیر. واکنش های گرمازا رهایی انرژی گرمایی به محیط اطراف، در حالی که واکنش های گرماگیر جذب انرژی گرمایی از محیط اطراف

در زیر نمودار یک واکنش گرماگیر نشان داده شده است. همانطور که می بینید، محصولات انرژی بالاتری نسبت به واکنش دهنده ها دارند:

در همین حال، یک واکنش گرمازا دارای واکنش‌دهنده‌هایی است که در ابتدا انرژی بالایی دارند، اما همانطور که در نمودار زیر نشان داده شده است، به مرور زمان آن را به محیط اطراف آزاد می‌کنند. بنابراین، محصولات نهایی در مقایسه با واکنش دهنده ها انرژی کمتری دارند:

انرژی شیمیایی

در شیمی، انرژی بر پتانسیل و انرژی جنبشی مواد شیمیایی متمرکز است. همه مواد شیمیایی دارای انرژی بالقوه هستند. این انرژی بر خلاف انرژی هسته ای که در هسته ذخیره می شود، در پیوندهای بین اتم ها ذخیره می شود. هنگامی که مواد واکنش نشان می دهند، شکسته می شوند و پیوندهای جدیدی ایجاد می کنند. در این فرآیند، انرژی یا آزاد می شود (گرماداز) یا جذب می شود (گرماداز).

در فیزیک، تعریف انرژی ظرفیت آن برای انجام کار است. واحد انرژی SI ژول است که به عنوان یک نیوتن نیروی اعمال شده به یک کیلوگرم جرم که با یک متر حرکت می کند تعریف می شود. بنابراین، واحد ژول به صورت kg⋅m بیان می شود²⋅s^-2. همچنین برابر با 1W⋅s یا 2.390×10 است^-4 کیلو کالری (کالری ترموشیمیایی).

فرمول های فیزیک انرژی به شرح زیر است:

اگرچه این ها جرم، سرعت و ثابت گرانشی را نشان می دهند، اما در محاسبه انرژی شیمیایی از طریق تبدیل های مکانیکی مفید هستند. به عنوان مثال، انرژی شیمیایی باروت را می توان بر اساس انرژی جنبشی گلوله محاسبه کرد.

اگر می خواهید در محاسبه تغییر انرژی درگیر در یک واکنش شیمیایی (خواه گرماده یا گرمازا) دقیق تر باشید، می توانید به سادگی انرژی گرفته شده را از انرژی دریافتی کم کنید. می توانید این را بر حسب گرما اندازه گیری کنید یا استفاده کنید انرژی پیوند. هر مولکول با پیوند کووالانسی دارای انرژی پیوند است که به صورت تجربی تعیین شده و بر حسب کیلوژول در هر مول از یک ماده بیان می شود. انرژی پیوند انرژی گرمایی یا آنتالپی مورد نیاز برای شکستن یک مول مولکول به اتم های سازنده آن است.

این مثال از واکنش بین هیدروژن و کلر برای تشکیل کلرید هیدروژن را در نظر بگیرید:

اچ₂ + Cl₂ → 2HCl

مربوطه انرژی های پیوند به شرح زیر هستند:

• انرژی در = 436 + 243 = 679 کیلوژول / مول
• انرژی خروجی = 2 x 432 = 864 KJ / مول
• تغییر انرژی = 679 – 864 = -185 کیلوژول / مول

بر اساس تغییر انرژی، می توانیم ببینیم که این یک واکنش گرمازا است.

آنتالپی چیست؟

تمام واکنش های شیمیایی شامل یک تغییر انرژی است که می تواند مثبت یا منفی باشد. واکنش‌های گرمازا، مانند مثال بالا، دارای یک تغییر انرژی منفی هستند زیرا واکنش‌دهنده‌ها هنگام واکنش گرما را آزاد می‌کنند. برعکس، تغییر انرژی در واکنش‌های گرماگیر مثبت است زیرا واکنش‌دهنده‌ها انرژی را در طول واکنش جذب می‌کنند.

این واکنش ها را می توان با نمودارهای انرژی، مانند نمودارهای انرژی تعمیم یافته زیر نشان داد:

در آنتالپی یک سیستم کل انرژی داخلی به اضافه حاصل ضرب فشار و حجم یک سیستم ترمودینامیکی است. بنابراین می توان آن را به صورت زیر بیان کرد:

H = E + PV

آنتالپی یک سیستم در شرایط استاندارد اندازه گیری می شود که در زیر نشان داده شده است. تمام واکنش های شیمیایی شامل تغییر در آنتالپی یک سیستم ترمودینامیک است:

منبع

آنتالپی های واکنش شیمیایی را می توان به دسته های مختلف طبقه بندی کرد، اما تحت شرایط استاندارد:

• تغییر شکل گیری آنتالپی: تغییر در انرژی زمانی که یک مول از یک ماده از اجزای تشکیل دهنده آن تشکیل می شود
• تغییر آنتالپی احتراق: این تغییر در انرژی است که زمانی رخ می دهد که یک مول از یک ماده به طور کامل احتراق شود
• تغییر آنتالپی خنثی سازی: این تغییر انرژی مربوط به تشکیل یک مول آب از واکنش اسیدها و بازها در شرایط استاندارد است.

قانون هس

قانون هس این نام به افتخار شیمیدان و پزشک روسی الاصل سوئیسی، ژرمن هس، که این مفهوم را مطرح کرد، نامگذاری شده است. قانون او بر آنتالپی حاکم است و می گوید:

تغییر آنتالپی در یک واکنش شیمیایی مستقل از مسیر بین حالت اولیه و نهایی است.

به بیان ساده، گرما یا انرژی درگیر در یک واکنش شیمیایی در شرایط استاندارد تحت تأثیر مسیر واکنش های شیمیایی بین حالت اولیه و نهایی قرار نمی گیرد. این همچنین یک اصل است که توسط قانون اول ترمودینامیک یا بقای انرژی ذکر شده است. این بدان معنی است که چه محصولات واسطه ای از واکنش ها وجود داشته باشد یا نه، تغییر در آنتالپی تحت تأثیر قرار نمی گیرد.

برای اطلاعات بیشتر در مورد منابع شیمی سطح A برای کمک به شما در بازنگری و برای اطلاعات در مورد مطالعه سطح A، ما را بررسی کنید منابع سطح شیمی هاب