الكيمياء الحرارية: ما الدراسات والقوانين والتطبيقات
الكيمياء الحرارية هي المسؤولة عن دراسة التعديلات الحرارية التي يتم إجراؤها في التفاعلات بين نوعين أو أكثر. يعتبر جزءًا أساسيًا من الديناميكا الحرارية ، التي تدرس تحول الحرارة وأنواع الطاقة الأخرى لفهم الاتجاه الذي تتطور به العمليات وكيف تتنوع طاقاتها.
أيضا ، من الضروري أن نفهم أن الحرارة تنطوي على نقل الطاقة الحرارية التي تحدث بين جسمين ، عندما تكون في درجات حرارة مختلفة ؛ في حين أن الطاقة الحرارية هي تلك المرتبطة بالحركة العشوائية التي تمتلكها الذرات والجزيئات.
لذلك ، كما هو الحال في جميع التفاعلات الكيميائية تقريبًا ، يتم امتصاص الطاقة أو إطلاقها عن طريق الحرارة ، ويعتبر تحليل الظواهر التي تحدث من خلال الكيمياء الحرارية مهمًا جدًا.
ماذا دراسة الكيمياء الحرارية؟
كما لوحظ سابقًا ، تدرس الكيمياء الحرارية تغيرات الطاقة في شكل حرارة تحدث في التفاعلات الكيميائية أو عند حدوث عمليات تنطوي على تحولات فيزيائية.
بهذا المعنى ، من الضروري توضيح مفاهيم معينة داخل الموضوع لفهمه بشكل أفضل.
على سبيل المثال ، يشير مصطلح "النظام" إلى الجزء المحدد من الكون الذي تتم دراسته ، مما يعني "الكون" نظر النظام ومحيطه (كل شيء خارجه).
لذلك ، يتكون النظام عادة من الأنواع المتورطة في التحولات الكيميائية أو الفيزيائية التي تحدث في التفاعلات. يمكن تصنيف هذه الأنظمة إلى ثلاثة أنواع: مفتوحة ، مغلقة ومعزولة.
- النظام المفتوح هو النظام الذي يسمح بنقل المادة والطاقة (الحرارة) مع محيطها.
- في نظام مغلق هناك تبادل للطاقة ولكن ليس من المسألة.
- في نظام معزول لا يوجد أي نقل للمادة أو الطاقة في شكل حرارة. تُعرف هذه الأنظمة أيضًا باسم "adiabatics".
قوانين
ترتبط قوانين الكيمياء الحرارية ارتباطًا وثيقًا بقانون لابلاس ولافوازييه ، وكذلك بقانون هيس ، الذي يمثل سلائف أول قانون للديناميكا الحرارية.
يشير المبدأ الذي أوضحه الفرنسي أنطوان لافوازييه (الكيميائي المهم والنبيل) وبيير سيمون لابلاس (عالم الرياضيات والفيزيائي والفلكي الشهير) إلى أن "التغيير في الطاقة الذي يظهر في أي تحول فيزيائي أو كيميائي له نفس المقدار والمعنى. خلافا للتغيير في طاقة رد الفعل العكسي ".
قانون هيس
وفقًا لترتيب الأفكار نفسه ، فإن القانون الذي صاغه الكيميائي الروسي من سويسرا ، جرمين هيس ، هو حجر الزاوية لتفسير الكيمياء الحرارية.
يعتمد هذا المبدأ على تفسيره لقانون الحفاظ على الطاقة ، والذي يشير إلى حقيقة أنه لا يمكن إنشاء أو تدمير الطاقة ، بل يتم تحويلها فقط.
يمكن سن قانون هيس على هذا النحو: "إن المحتوى الحراري الكلي في التفاعل الكيميائي هو نفسه ، سواء تم تنفيذ التفاعل في خطوة واحدة أو في تسلسل من عدة خطوات."
يتم إعطاء enthalpy الكلي كما الطرح بين مجموع enthalpy من المنتجات ناقص مجموع enthalpy من المواد المتفاعلة.
في حالة التغير في المحتوى الحراري المعياري للنظام (في ظل الظروف المعيارية 25 درجة مئوية و 1 صراف آلي) ، يمكن تهيئته وفقًا لرد الفعل التالي:
تفاعل =H = ΣΔH (منتجات) - ΣΔH (تفاعلات)
هناك طريقة أخرى لشرح هذا المبدأ ، مع العلم أن تغيير المحتوى الحراري يشير إلى تغير الحرارة في التفاعلات عند إعطاءها تحت ضغط ثابت ، وهو أن التغيير في صافي المحتوى الحراري للنظام لا يعتمد على المسار المتبع بين الحالة الأولية والنهائية.
أول قانون للديناميكا الحرارية
يرتبط هذا القانون ارتباطًا جوهريًا بالكيمياء الحرارية لدرجة أنه في بعض الأحيان يكون مرتبكًا وهو الذي ألهم الآخر ؛ لذا ، من أجل إلقاء الضوء على هذا القانون ، يجب أن نبدأ بالقول إن له جذوره أيضًا في مبدأ الحفاظ على الطاقة.
لذلك الديناميكا الحرارية لا تأخذ الحرارة في الاعتبار فقط كشكل من أشكال نقل الطاقة (مثل الكيمياء الحرارية) ، ولكنها تتضمن أيضًا أشكالًا أخرى من الطاقة ، مثل الطاقة الداخلية ( U ).
وبالتالي فإن الاختلاف في الطاقة الداخلية للنظام (ΔU) يعزى إلى الفرق بين حالته الأولية والنهائية (كما هو موضح في قانون هيس).
بالنظر إلى أن الطاقة الداخلية تتكون من الطاقة الحركية (حركة الجسيمات) والطاقة الكامنة (التفاعلات بين الجسيمات) من نفس النظام ، يمكن استنتاج أن هناك عوامل أخرى تساهم في دراسة حالة وخصائص كل نظام.
تطبيقات
الكيمياء الحرارية لها تطبيقات متعددة ، وسيتم ذكر بعض منها أدناه:
- تحديد التغيرات في الطاقة في بعض ردود الفعل من خلال استخدام المسعرات الحرارية (قياس التغيرات الحرارية في بعض النظم المعزولة).
- استنباط تغييرات المحتوى الحراري في النظام ، حتى عندما لا يمكن معرفة ذلك عن طريق القياس المباشر.
- تحليل عمليات نقل الحرارة التي يتم إنتاجها تجريبياً عندما تتشكل المركبات العضوية المعدنية مع معادن انتقالية.
- دراسة تحويلات الطاقة (في شكل حرارة) المقدمة في مركبات التنسيق من البوليامين مع المعادن.
- تحديد المحتوى الحراري للرابطة المعدنية - الأكسجين من d-diketones و d-diketonates المرتبطة بالمعادن.
كما في التطبيقات السابقة ، يمكن استخدام الكيمياء الحرارية لتحديد عدد كبير من المعلمات المرتبطة بأنواع أخرى من وظائف الطاقة أو الحالة ، والتي هي التي تحدد حالة النظام في وقت معين.
تستخدم الكيمياء الحرارية أيضًا في دراسة العديد من خصائص المركبات ، كما في قياس المسعرات الحرارية.
