عوامل موثر بر گرمای واکنش چه هستند؟ – به زبان ساده

عوامل موثر بر گرمای واکنش مواردی چون فشار، دما، حالت فیزیکی، انرژی پیوندهای شیمیایی و غلظت و ... هستند. این عوامل با توجه به شرایط واکنش می‌توانند بر میزان گرمای آزاد شده یا جذب شده طی واکنش شیمیایی و توسط مواد مختلف، اثر بگذارند. در این مطلب از مجله فرادرس می‌آموزیم عوامل موثر بر گرمای واکنش چه مواردی هستند و اثر آن‌ها بر آنتالپی واکنش چگونه است.

در ابتدای این مطلب می‌آموزیم عوامل موثر بر گرمای واکنش چه مواردی هستند. سپس به بررسی مفهوم گرمای واکنش می‌پردازیم. در ادامه به صورت جداگانه اثر انرژی پیوند، ماهیت واکنش دهنده، حالت فیزیکی، دما، فشار، غلظت و کاتالیزگر را بر گرمای واکنش بررسی می‌کنیم. با مطالعه این مطلب تا انتها می‌توانید به شکلی کامل با عوامل موثر بر گرمای واکنش آشنا شوید.

عوامل موثر بر گرمای واکنش

گرمای واکنش میزان انرژی گرمایی است که طی انجام یک واکنش شیمیایی تولید یا مصرف می‌شود. برخی از واکنش‌ها گرماگیر بوده و گرما را دریافت می‌کنند و برخی گرماده بوده و گرما را آزاد می‌کنند. عوامل موثر بر این گرمای واکنش مورادی چون فشار، دما، حالت فیزیکی، انرژی پیوندهای شیمیایی و غلظت و ... هستند.

در ادامه نحوه اثر هر یک از این موارد را بر گرمای واکنش بررسی می‌کنیم.

• انرژی پیوند: استحکام پیوندهای شیمیایی که در طول واکنش شکسته و تشکیل می‌شوند، بر مقدار کلی تغییر گرمای واکنش تاثیر مستقیم می‌گذارد.
• حالت فیزیکی: حالت فیزیکی واکنش‌دهنده‌ها و فرآورده‌ها (جامد، مایع یا گاز) می‌تواند بر تغییر گرمای واکنش اثر بگذارد.
• دما: تغییرات دما می‌تواند گرمای واکنش یک واکنش را تغییر دهد، زیرا دما بر انرژی جنبشی مولکول‌ها تاثیر دارد.
• فشار: در واکنش‌هایی که گازها در آن‌ها حضور دارند، تغییرات فشار می‌تواند بر مقدار تغییر گرمای واکنش اثر بگذارد.
• غلظت: در واکنش‌های مربوط به محلول‌ها، تغییر غلظت مواد می‌تواند بر تغییر گرمای واکنش تاثیر بگذارد.
• کاتالیزگرها: حضور کاتالیزگرها می‌تواند مسیر انجام واکنش را تغییر دهد و در نتیجه بر تغییر گرمای واکنش (به صورت غیر مستقیم) موثر باشد.

این عوامل در مجموع مقدار تغییر آنتالپی (گرمای) یک واکنش را تعیین می‌کنند و درک بهتری از تغییرات انرژی در فرایندهای شیمیایی ارائه می‌دهند. گرمای واکنش در بسیاری از منابع و مسائل با عنوان آنتالپی مشخص می‌شود که با استفاده از میزان آنتالپی پیوند فرآورده‌های واکنش منهای آنتالپی پیوند واکنش‌دهنده‌ها به دست می‌آید.

یادگیری شیمی یازدهم با فرادرس

برای درک بهتر عوامل موثر بر گرمای واکنش نیاز است ابتدا با مفاهیمی چون مفهوم گرما، تفاوت دما و گرما، ظرفیت گرمایی مواد، گرماسنجی، آنتالپی استاندراد سوختن، آنتالپی استاندراد تشکیل و ... آشنا شویم. پیشنهاد می‌کنیم برای درک بهتر این مفاهیم، به مجموعه فیلم آموزش دروس پایه یازدهم، بخش شیمی مراجعه کنید که با زبانی ساده ولی کاربردی به توضیح این مفاهیم می‌پردازد.

همچنین با مراجعه به فیلم‌های آموزش فرادرس که در ادامه آورده شده است، می‌توانید به آموزش‌های بیشتری درباره عوامل موثر بر گرمای واکنش دسترسی داشته باشید.

• فیلم آموزش علوم تجربی پایه نهم بخش شیمی فرادرس
• فیلم آموزش آزمایشگاه شیمی عمومی به زبان ساده گواهینامه فرادرس
• فیلم آموزش شیمی آموزش شیمی عمومی ۱ و ۲ مرور و حل مساله فرادرس

گرمای واکنش چیست؟

بیشتر اندازه‌گیری‌های گرمایی در واکنش‌های شیمیایی در شرایط فشار ثابت انجام می‌شود. در این شرایط، گرمای جذب‌شده یا آزادشده در یک واکنش را گرمای واکنش می‌نامند و با نماد $$q$$ نشان می‌دهند. گرمای واکنش نشان می‌دهد که در یک واکنش شیمیایی چه مقدار انرژی به صورت گرما جذب یا آزاد می‌شود. این مقدار از اختلاف انرژی واکنش‌دهنده‌ها و فرآورده‌ها به دست می‌آید.

در هر واکنش شیمیایی، ابتدا برخی پیوندها در واکنش‌دهنده‌ها شکسته می‌شوند و سپس پیوندهای جدیدی در فرآورده‌ها تشکیل می‌شوند. شکستن پیوندها به انرژی نیاز دارد، اما تشکیل پیوندها انرژی آزاد می‌کند. در بیشتر واکنش‌های شیمیایی، فشار ثابت در نظر گرفته می‌شود. در این شرایط، گرمای واکنش برابر با تغییر آنتالپی واکنش است و با نماد $$\Delta H$$ نشان داده می‌شود.

• اگر انرژی لازم برای شکستن پیوندها بیشتر از انرژی آزادشده در تشکیل پیوندهای جدید باشد، واکنش گرماگیر است و آنتالپی مثبت خواهد بود.
• گر انرژی آزادشده در تشکیل پیوندهای جدید بیشتر از انرژی لازم برای شکستن پیوندها باشد، واکنش گرماده است و آنتالپی منفی خواهد بود.

اثر انرژی پیوند بر گرمای واکنش

در هر واکنش شیمیایی، برای شکستن پیوندهای موجود در واکنش دهنده‌ها باید انرژی صرف شود، در حالی که تشکیل پیوندهای جدید در فرآورده‌ها با آزاد شدن انرژی همراه است. از آنجا که مقدار انرژی مورد نیاز برای شکستن پیوندها با مقدار انرژی آزاد شده هنگام تشکیل پیوندهای جدید یکسان نیست، در نهایت بین این دو مقدار اختلافی ایجاد می‌شود. این اختلاف همان تغییر گرمای واکنش است.

• اگر انرژی آزاد شده هنگام تشکیل پیوندهای جدید بیشتر از انرژی مصرف شده برای شکستن پیوندها باشد، واکنش گرماده خواهد بود و مقدار آنتالپی منفی می‌شود.
• اگر انرژی لازم برای شکستن پیوندها بیشتر از انرژی آزاد شده در هنگام تشکیل پیوندهای جدید باشد، واکنش گرماگیر خواهد بود و مقدار آنتالپی مثبت می‌شود.

نکته مهم دیگر ارتباط بین طول پیوند و استحکام پیوند است. به طور کلی هرچه یک پیوند کوتاه‌تر باشد، قوی‌تر است و انرژی بیشتری برای شکستن آن لازم است. برعکس، پیوندهای بلندتر ضعیف‌تر هستند و راحت‌تر شکسته می‌شوند. علت این موضوع آن است که در پیوندهای کوتاه، هم پوشانی اوربیتال‌ها بیشتر بوده و چگالی الکترونی بین دو اتم بالاتر است. به میزان انرژی مورد نیاز برای شکستن پیوند مواد شیمیایی، آنتالپی پیوند گفته می‌شود.

به همین دلیل، با حرکت به سمت پایین یک گروه در جدول تناوبی و بزرگ‌تر شدن اتم‌ها، طول پیوند افزایش و استحکام پیوند کاهش می‌یابد. برای مثال، اتم فلوئور از اتم کلر کوچک‌تر است و در نتیجه پیوند H-F کوتاه‌تر و قوی‌تر از پیوند H-Cl است. بنابراین انرژی لازم برای شکستن پیوند H-F بیشتر از انرژی مورد نیاز برای شکستن پیوند H-Cl خواهد بود. این موضوع یکی از راه‌های مقایسه قدرت پیوندها بدون مراجعه به جدول انرژی پیوندها است.

مثال اثر انرژی پیوند بر گرمای واکنش

برای درک بهتر اثر انرژی پیوند بر گرمای واکنش، به دو واکنش زیر دقت کنید.

$$2H_2(g)+O_2(g)\rightarrow2H_2O(l)\qquad \Delta H^\circ=-571.6\ \mathrm{kJ}$$

$$N_2(g)+O_2(g)\rightarrow2NO(g)\qquad \Delta H^\circ=+180.5\ \mathrm{kJ}$$

در واکنش تشکیل آب، پیوندهای تشکیل شده از پیوندهای شکسته شده قوی‌تر هستند، بنابراین انرژی بیشتری آزاد می‌شود و واکنش گرماده است. اما در واکنش تشکیل مونوکسید نیتروژن، برای شکستن پیوند سه گانه بین نیتروژن‌ها، انرژی بسیار زیادی مصرف می‌شود و انرژی آزاد شده در تشکیل پیوندهای جدید نمی‌تواند این مقدار را جبران کند. به همین دلیل واکنش گرماگیر است. این دو مثال نشان می‌دهند که استحکام و نوع پیوندهای شکسته شده و تشکیل شده نقش تعیین کننده‌ای در مقدار گرمای واکنش دارند.

پیشنهاد می‌کنیم برای درک بهتر اثر پیوند بر گرمای واکنش، فیلم آموزش آنتالپی پیوند فرادرس که در ادامه آورده شده است را مشاهده کنید.

محاسبه گرمای واکنش با انرژی پیوند

برای محاسبه میزان گرمای واکنش با استفاده از انرژی پیوند باید میزان انرژی مجموع پیوندهای فرآوره‌ها (تشکیل شده ) را از مجموع انرژی پیوند واکنش‌دهنده‌ها (شکسته شده) کم کنیم. برای مثال، واکنش بین کلر (Cl-Cl) و ۲-متیل پروپان یک واکنش گرماده است و تغییر آنتالپی آن برابر با مقدار زیر است.

$$\Delta H^\circ=-138\ \mathrm{kJ\ mol^{-1}}$$

علامت منفی نشان می‌دهد که در این واکنش، انرژی آزاد شده در هنگام تشکیل پیوندهای جدید بیشتر از انرژی مصرف شده برای شکستن پیوندهای اولیه است. در نتیجه، خالص انرژی به صورت گرما به محیط اطراف منتقل می‌شود و واکنش گرماده خواهد بود.

برای محاسبه میزان گرمای واکنش، ابتدا باید پیوندهای شکسته شده و پیوندهای تشکیل شده را شناسایی کنیم. در این واکنش، پیوند C-H در ۲-متیل پروپان و پیوند Cl-Cl در مولکول کلر شکسته می‌شوند. انرژی لازم برای شکستن این پیوندها به ترتیب برابر با ۳۸۱ کیلوژول بر مول و ۲۴۳ کیلوژول بر مول است. سپس پیوندهای جدیدی که در فرآورده‌ها تشکیل می‌شوند را در نظر می‌گیریم. این پیوندها شامل پیوند C-Cl با انرژی پیوند ۳۳۱ کیلوژول بر مول و پیوند H-Cl با انرژی پیوند ۴۳۱ کیلوژول بر مول هستند.

مجموع انرژی پیوندهای تشکیل شده برابر است با:

$$\Delta H^\circ_{\text{}}=331+431=762\ \mathrm{kJ\ mol^{-1}}$$

و مجموع انرژی پیوندهای شکسته شده برابر است با:

$$\Delta H^\circ_{\text{}}=381+243=624\ \mathrm{kJ\ mol^{-1}}$$

مشاهده می‌شود که انرژی آزاد شده هنگام تشکیل پیوندهای جدید (۷۶۲ کیلوژول بر مول) از انرژی لازم برای شکستن پیوندهای اولیه (۶۲۴ کیلوژول بر مول) بیشتر است. بنابراین، مقدار انرژی آزاد شده از مقدار انرژی جذب شده بیشتر خواهد بود و واکنش به صورت گرماده انجام می‌شود. در محاسبات گرمای واکنش از رابطه زیر استفاده می‌شود:

$$\Delta H=624-762=-138\ \mathrm{kJ\ mol^{-1}}$$

اثر ماهیت واکنش دهنده‌ها بر گرمای واکنش

ماهیت واکنش‌دهنده‌ها نقش مهمی در تعیین تغییر گرمای واکنش دارد. مواد مختلف دارای انرژی پیوندهای متفاوتی هستند. هنگامی که یک واکنش رخ می‌دهد، پیوندهای موجود در واکنش‌دهنده‌ها شکسته شده و پیوندهای جدیدی در فرآورده‌ها تشکیل می‌شوند. اگر انرژی لازم برای شکستن پیوندها بیشتر از انرژی آزادشده هنگام تشکیل پیوندهای جدید باشد، واکنش گرماگیر است و تغییر گرمای واکنش آن مثبت خواهد بود. برعکس، اگر انرژی مورد نیاز برای شکستن پیوندها کمتر از انرژی آزادشده در هنگام تشکیل پیوندهای جدید باشد، واکنش گرماده است و تغییر گرمای واکنش آن منفی خواهد بود.

اثر مقدار واکنش دهنده بر گرمای واکنش

گرمای واکنش مستقیما به مقدار مواد شرکت کننده در واکنش بستگی دارد. اگر مقدار واکنش دهنده‌ها دو برابر شود، مقدار گرمای جذب شده یا آزاد شده نیز دو برابر خواهد شد. به عنوان مثال، اگر سوختن یک مول متان مقدار مشخصی گرما آزاد کند، سوختن دو مول متان دو برابر آن گرما را آزاد خواهد کرد. این قانون با استفاده از قانون هس قابل توجیه است. پیشنهاد می‌کنیم برای درک بهتر این قوانین در ترمودینامیک و روش محاسبه آنتالپی واکنش‌های مختلف، مطلب جمع بندی فصل دوم شیمی یازدهم مجله فرادرس را مطالعه کنید.

اثر حالت فیزیکی مواد

حالت فیزیکی مواد مانند جامد، مایع یا گاز تاثیر زیادی بر گرمای واکنش دارد. تغییر حالت با جذب یا آزاد شدن گرمای نهان همراه است، بنابراین واکنش‌هایی که فرآورده‌ها یا واکنش دهنده‌های آن‌ها در حالت‌های فیزیکی متفاوتی قرار دارند، مقادیر آنتالپی متفاوتی خواهند داشت. برای مثال، تشکیل آب مایع گرمای بیشتری نسبت به تشکیل آب بخار آزاد می‌کند، زیرا در تبدیل بخار به مایع نیز گرما آزاد می‌شود.

مثال اثر حالت فیزیکی بر گرمای واکنش

برای درک بهتر اثر حالت فیزیکی بر گرمای واکنش، به دو واکنش زیر دقت کنید.

$$H_2(g)+\frac{1}{2}O_2(g)\rightarrow H_2O(l)\qquad \Delta H^\circ=-285.8\ \mathrm{kJ\,mol^{-1}}$$

$$H_2(g)+\frac{1}{2}O_2(g)\rightarrow H_2O(g)\qquad \Delta H^\circ=-241.8\ \mathrm{kJ\,mol^{-1}}$$

در هر دو واکنش، واکنش دهنده‌ها یکسان هستند و تنها تفاوت در حالت فیزیکی فرآورده نهایی است. در واکنش اول، آب به صورت مایع تشکیل می‌شود، در حالی که در واکنش دوم آب به صورت بخار تولید می‌شود. مشاهده می‌شود که تشکیل آب مایع گرمای بیشتری آزاد می‌کند و مقدار آنتالپی آن منفی‌تر است.

علت این تفاوت آن است که هنگام تبدیل بخار آب به آب مایع، گرمای نهان میعان نیز آزاد می‌شود. بنابراین آب مایع نسبت به آب بخار در سطح انرژی پایین‌تری قرار دارد و تشکیل آن با آزاد شدن انرژی بیشتری همراه است. این مثال نشان می‌دهد که حتی اگر نوع واکنش دهنده‌ها و فرآورده‌ها یکسان باشد، تغییر حالت فیزیکی مواد می‌تواند مقدار گرمای واکنش را به طور قابل توجهی تغییر دهد.

عوامل موثر بر تغییر حالت فیزیکی مواد

عوامل مختلفی بر تغییرات آنتالپی در تغییر حالت‌های فیزیکی (مانند ذوب، تبخیر و تصعید) اثر می‌گذارند. یکی از مهم‌ترین این عوامل، نیروهای بین مولکولی است. هر چه این نیروها قوی‌تر باشند، انرژی بیشتری برای جدا کردن ذرات از یکدیگر لازم است و در نتیجه مقدار آنتالپی تغییر حالت بیشتر خواهد بود. برای مثال، آب به دلیل وجود پیوندهای هیدروژنی قوی بین مولکول‌های خود، آنتالپی تبخیر بالایی دارد و برای تبدیل شدن به بخار به انرژی زیادی نیاز دارد.

عامل مهم دیگر اندازه و ساختار مولکول‌ها است. مولکول‌های بزرگ‌تر و پیچیده‌تر معمولا نیروهای بین مولکولی بیشتری دارند و جدا کردن آن‌ها از یکدیگر سخت‌تر است، بنابراین تغییر آنتالپی در تغییر حالت آن‌ها بیشتر می‌شود. همچنین فشار محیط نیز نقش مهمی دارد. در فشارهای پایین‌تر، مانند مناطق مرتفع، مایع در دمای پایین‌تری به جوش می‌آید زیرا انرژی کمتری برای غلبه بر فشار محیط لازم است. در نهایت، نوع ماده نیز اهمیت دارد. برای مثال، جامدات یونی مانند سدیم کلرید به دلیل وجود نیروهای الکتروستاتیکی قوی در شبکه بلوری، آنتالپی ذوب بیشتری نسبت به جامدات مولکولی مانند یخ دارند.

اثر شکل‌های آلوتروپی عناصر

برخی عناصر می‌توانند در چند ساختار مختلف وجود داشته باشند که به آن‌ها آلوتروپ گفته می‌شود. هر آلوتروپ دارای انرژی و پایداری متفاوتی است. برای نمونه، کربن به صورت الماس و گرافیت وجود دارد. هنگام سوختن الماس و گرافیت، مقدار گرمای آزاد شده یکسان نیست، زیرا انرژی ذخیره شده در ساختار این دو ماده با یکدیگر تفاوت دارد. این تفاوت نشان می‌دهد که گرافیت در شرایط استاندارد از نظر ترمودینامیکی پایدارتر از الماس است.

اثر دما بر گرمای واکنش

دما بر تغییر گرمای واکنش تاثیر می‌گذارد. به طور کلی، با افزایش دما، مقدار تغییر گرمای واکنش کاهش می‌یابد. دلیل این موضوع آن است که در دماهای بالاتر، تعداد بیشتری از ذرات واکنش‌دهنده انرژی لازم برای غلبه بر سد انرژی فعال‌سازی را دارند. در نتیجه واکنش سریع‌تر انجام می‌شود و تغییر گرمای واکنش کمتری مشاهده می‌شود. البته این موضوع همیشه صادق نیست، زیرا برخی واکنش‌ها پیچیده‌تر هستند و ممکن است از این روند کلی پیروی نکنند.

افزایش دمای یک واکنش شیمیایی باعث افزایش سرعت واکنش می‌شود. هنگامی که ذرات واکنش‌دهنده گرم می‌شوند، با سرعت بیشتری حرکت می‌کنند. در نتیجه، تعداد برخوردهای میان ذرات در واحد زمان افزایش می‌یابد. با این حال، مهم‌ترین اثر افزایش دما این است که برخوردها با انرژی و شدت بیشتری انجام می‌شوند. بنابراین، احتمال اینکه ذرات واکنش‌دهنده بتوانند بر انرژی فعال‌سازی غلبه کرده و به فرآورده‌ها تبدیل شوند، بیشتر می‌شود.

وابستگی گرمای واکنش به دما

گرمای واکنش یک مقدار کاملا ثابت نیست و با تغییر دما می‌تواند تغییر کند. این تغییر توسط معادله کیرشهف توصیف می‌شود. این معادله در ادامه آورده شده است.

$$\frac{d(\Delta H)}{dT}=\Delta C_p$$

در این معادله، $$\Delta H$$ گرمای واکنش در دمای T و $$\Delta C_p$$ اختلاف ظرفیت گرمایی فرآورده‌ها و واکنش‌دهنده‌ها است. معادله کیرشهف بیان می‌کند که گرمای واکنش همیشه مقدار ثابتی ندارد و با تغییر دما ممکن است تغییر کند. دلیل این موضوع آن است که فرآورده‌ها و واکنش دهنده‌ها معمولا ظرفیت گرمایی یکسانی ندارند. از آنجا که هر ماده توانایی متفاوتی در جذب و ذخیره گرما دارد، افزایش یا کاهش دما می‌تواند مقدار آنتالپی واکنش را نیز تحت تاثیر قرار دهد.

اگر مقدار مثبت باشد، یعنی فرآورده‌ها ظرفیت گرمایی بیشتری نسبت به واکنش دهنده‌ها دارند و در نتیجه با افزایش دما، مقدار ‌$$\Delta H$$ نیز افزایش پیدا می‌کند. در مقابل، اگر $$\Delta H$$ منفی باشد، ظرفیت گرمایی فرآورده‌ها کمتر از واکنش دهنده‌ها است و با افزایش دما مقدار کاهش می‌یابد.

مثال اثر دما بر گرمای واکنش

برای درک بهتر اثر دما بر گرمای واکنش، به دو واکنش زیر دقت کنید.

واکنش تشکیل آب در دمای ۲۹۸ کلوین:

$$H_2(g)+\frac{1}{2}O_2(g)\rightarrow H_2O(l)\qquad \Delta H^\circ_{298}=-285.8\ \mathrm{kJ\,mol^{-1}}$$

واکنش تشکیل آب در دمای بالاتر (برای مثال ۵۰۰ کلوین):

$$H_2(g)+\frac{1}{2}O_2(g)\rightarrow H_2O(l)\qquad \Delta H_{500}\approx-283\ \mathrm{kJ\,mol^{-1}}$$

در این مثال، نوع واکنش و مواد شرکت کننده کاملا یکسان هستند و تنها دمای انجام واکنش تغییر کرده است. مشاهده می‌شود که مقدار آنتالپی واکنش در دمای بالاتر کمی متفاوت است. این تغییر به دلیل تفاوت ظرفیت گرمایی واکنش دهنده‌ها و فرآورده‌ها رخ می‌دهد که طبق معادله کیرشهف باعث وابستگی گرمای واکنش به دما می‌شود.

همچنین افزایش دما باعث افزایش سرعت واکنش می‌شود. در دماهای بالاتر، ذرات انرژی جنبشی بیشتری دارند و با تعداد و انرژی بیشتری با یکدیگر برخورد می‌کنند. در نتیجه، تعداد بیشتری از مولکول‌ها می‌توانند از سد انرژی فعال سازی عبور کنند و واکنش سریع‌تر انجام شود. بنابراین دما علاوه بر تاثیر بر سرعت واکنش، می‌تواند مقدار گرمای واکنش را نیز تا حدودی تغییر دهد.

اثر فشار بر گرمای واکنش

فشار نیز می‌تواند بر تغییر گرمای واکنش اثر بگذارد. در واکنش‌هایی که گازها در آن‌ها حضور دارند، افزایش فشار سمت واکنش را که تعداد مولکول‌های گازی کمتری دارد، تقویت می‌کند و این امر می‌تواند بر تغییر گرمای واکنش تاثیر بگذارد. این رفتار بر اساس اصل لوشاتلیه است که بیان می‌کند یک سامانه در حال تعادل، در برابر تغییر فشار به گونه‌ای واکنش نشان می‌دهد که اثر آن تغییر را کاهش دهد.

فشار می‌تواند بر گرمای واکنش ثر بگذارد، اما میزان این اثر به نوع مواد شرکت کننده در واکنش بستگی دارد. از آنجا که آنتالپی طبق رابطه $$H=U+PV$$ به فشار و حجم وابسته است، تغییر فشار می‌تواند مقدار آنتالپی مواد را تغییر دهد. این تاثیر به ویژه در واکنش‌هایی که شامل گازها هستند اهمیت بیشتری دارد، زیرا حجم گازها به شدت تحت تاثیر فشار قرار می‌گیرد. در مقابل، برای جامدات و مایعات که تراکم پذیری بسیار کمی دارند، تغییر فشار معمولا اثر ناچیزی بر گرمای واکنش دارد.

در واکنش‌های گازی، اگر فشار تغییر کند، حجم و در نتیجه مقدار جمله PV نیز تغییر می‌کند و این موضوع می‌تواند باعث تغییر آنتالپی واکنش شود. با این حال، برای گازهای ایده آل، آنتالپی تنها تابع دما است و در دمای ثابت، تغییر فشار به تنهایی تاثیر قابل توجهی بر گرمای واکنش ندارد. به همین دلیل در بسیاری از محاسبات شیمی عمومی، اثر فشار بر گرمای واکنش نادیده گرفته می‌شود. اما در فرایندهای صنعتی که در فشارهای بسیار بالا انجام می‌شوند، بررسی اثر فشار بر آنتالپی و گرمای واکنش اهمیت زیادی پیدا می‌کند و باید در طراحی و کنترل فرایند در نظر گرفته شود.

مثال اثر فشار بر گرمای واکنش

برای درک بهتر اثر فشار بر گرمای واکنش، به واکنش‌های سنتز و تجزیه آمونیاک که در ادامه آورده شده است، دقت کنید.

$$N_2(g)+3H_2(g)\rightleftharpoons2NH_3(g)\qquad \Delta H^\circ=-92.4\ \mathrm{kJ}$$

$$2NH_3(g)\rightleftharpoons N_2(g)+3H_2(g)\qquad \Delta H^\circ=+92.4\ \mathrm{kJ}$$

در واکنش سنتز آمونیاک، تعداد مول های گازی از ۴ مول در سمت واکنش دهنده‌ها به ۲ مول در سمت فرآورده‌ها کاهش می‌یابد. بنابراین با افزایش فشار، تعادل به سمت تشکیل آمونیاک جابه جا می‌شود. در مقابل، در واکنش تجزیه آمونیاک تعداد مول های گازی افزایش می‌یابد و افزایش فشار انجام این واکنش را نامطلوب تر می‌کند. این رفتار مطابق اصل لوشاتلیه است.

از نظر گرمای واکنش، در فشارهای معمولی تغییر فشار اثر چندانی بر مقدار گرمای واکنش ندارد، اما در فشارهای بسیار بالا که در فرایند صنعتی هابر برای تولید آمونیاک استفاده می‌شود، تغییر حجم گازها و جمله PV می‌تواند بر مقدار آنتالپی اثر بگذارد. به همین دلیل، واکنش سنتز آمونیاک یکی از شناخته شده ترین نمونه‌ها برای بررسی اثر فشار بر تعادل و تا حدی بر گرمای واکنش در سامانه های گازی است.

اثر غلظت بر گرمای واکنش

در واکنش‌هایی که در محلول انجام می‌شوند، غلظت مواد می‌تواند بر گرمای واکنش اثر بگذارد. تغییر غلظت باعث تغییر برهمکنش‌های بین مولکولی و یون‌ها در محلول می‌شود و در نتیجه مقدار آنتالپی واکنش نیز ممکن است تغییر کند. وقتی مواد در محلول قرار دارند، یون‌ها و مولکول‌ها با یکدیگر و با مولکول‌های حلال برهمکنش دارند. با تغییر غلظت، فاصله و تعداد این ذرات تغییر می‌کند و در نتیجه شدت برهمکنش‌های بین مولکولی نیز عوض می‌شود.

این تغییر در برهمکنش‌ها می‌تواند باعث شود مقدار انرژی آزاد یا جذب شده در واکنش کمی تغییر کند، به ویژه در واکنش‌هایی که در آن‌ها یون‌ها نقش مهمی دارند. در محلول‌های رقیق، برهمکنش بین ذرات کمتر است و رفتار سیستم به حالت ایده آل نزدیک‌تر می‌شود، بنابراین تغییرات آنتالپی معمولا کمتر است. اما در محلول‌های غلیظ، برهمکنش‌های بین ذرات قوی‌تر و پیچیده‌تر می‌شود و انرژی بیشتری برای جدا کردن یا بازآرایی ذرات لازم است. به همین دلیل در برخی واکنش‌ها، افزایش غلظت می‌تواند باعث تغییر قابل توجه در گرمای واکنش شود. این موضوع در شیمی محلول‌ها و فرایندهای صنعتی که با محلول‌های غلیظ سروکار دارند اهمیت زیادی دارد.

مثال اثر غلظت بر گرمای واکنش

برای درک بهتر اثر غلظت بر گرمای واکنش، به دو واکنش زیر دقت کنید.این دو واکنش مربوط به رقیق کردن اسید سولفوریک غلیظ و رقیق است.

$$\mathrm{H_2SO_4(concentrated)+H_2O(l)\rightarrow H_2SO_4(dilute)}$$

$$\Delta H\approx -80\ \mathrm{kJ\ mol^{-1}}$$

$$\mathrm{H_2SO_4(semi\text{-}dilute)+H_2O(l)\rightarrow H_2SO_4(more\ dilute)}$$

$$\Delta H\approx -20\ \mathrm{kJ\ mol^{-1}}$$

در این دو فرایند، ماده شیمیایی یکسان است اما غلظت اولیه متفاوت است. مشاهده می‌شود که رقیق کردن اسید سولفوریک غلیظ گرمای بسیار بیشتری نسبت به رقیق کردن یک محلول نسبتا رقیق آزاد می‌کند.

اثر کاتالیزگر بر گرمای وکنش

کاتالیزگر معمولا در فهرست عوامل موثر بر گرمای واکنش قرار نمی‌گیرد، زیرا مقدار $$\Delta H$$ را تغییر نمی‌دهد و تنها سرعت رسیدن به تعادل را افزایش می‌دهد. کاتالیزگر ماده‌ای است که با فراهم کردن یک مسیر واکنشی جدید، انرژی فعال‌سازی واکنش را کاهش می‌دهد و در نتیجه سرعت انجام واکنش را افزایش می‌دهد. کاهش انرژی فعال‌سازی باعث می‌شود تعداد بیشتری از ذرات واکنش دهنده بتوانند با موفقیت از سد انرژی عبور کرده و به فرآورده‌ها تبدیل شوند. به همین دلیل، واکنش در حضور کاتالیزگر سریع‌تر انجام می‌شود و سامانه زودتر به حالت تعادل می‌رسد.

با وجود این، کاتالیزگر بر مقدار گرمای واکنش $$\Delta H$$ تاثیری ندارد. علت این موضوع آن است که گرمای واکنش تنها به اختلاف انرژی بین واکنش دهنده‌ها و فرآورده‌ها بستگی دارد، در حالی که کاتالیزگر فقط مسیر رسیدن از واکنش دهنده‌ها به فرآورده‌ها را تغییر می‌دهد. از آنجا که انرژی اولیه واکنش دهنده‌ها و انرژی نهایی فرآورده‌ها در حضور و عدم حضور کاتالیزگر یکسان است، مقدار گرمای جذب شده یا آزاد شده نیز تغییری نمی‌کند. بنابراین کاتالیزگر جایگاه تعادل، مقدار آنتالپی واکنش و گرمای واکنش را تغییر نمی‌دهد و تنها سرعت رسیدن به تعادل را افزایش می‌دهد. به عبارت دیگر، کاتالیزگر بر سینتیک واکنش اثر می‌گذارد، نه بر ترمودینامیک آن.

سایر عوامل موثر بر گرمای واکنش

علاوه بر عوامل اصلی موثر بر گرمای واکنش، عوامل دیگری نیز می‌توانند مقدار گرمای جذب شده یا آزاد شده در یک واکنش شیمیایی را تحت تاثیر قرار دهند. یکی از این عوامل نوع حلال است. در واکنش‌هایی که در محلول انجام می‌شوند، مولکول‌های حلال با واکنش‌دهنده‌ها و فرآورده‌ها برهمکنش دارند و این برهمکنش‌ها می‌توانند مقدار انرژی سامانه را تغییر دهند. به همین دلیل، یک واکنش ممکن است در حلال‌های مختلف مقادیر متفاوتی از گرمای واکنش را نشان دهد.

درجه خلوص مواد نیز از عوامل موثر بر گرمای واکنش است. وجود ناخالصی‌ها می‌تواند باعث شرکت کردن واکنش‌های جانبی در فرایند شود یا بخشی از گرمای مبادله شده را جذب یا آزاد کند. در نتیجه، مقدار گرمای اندازه‌گیری شده برای یک واکنش ممکن است با مقدار واقعی آن تفاوت داشته باشد. به همین دلیل در اندازه‌گیری‌های دقیق ترمودینامیکی، استفاده از مواد با خلوص بالا اهمیت زیادی دارد.

عامل دیگر، شرایط انجام واکنش است. برای مثال، انجام واکنش در فشار ثابت یا حجم ثابت می‌تواند بر مقدار گرمای اندازه‌گیری شده اثر بگذارد. همچنین عواملی مانند میزان اختلاط مواد، حضور گازهای بی اثر و شرایط محیطی می‌توانند بر انتقال گرما و نتایج اندازه‌گیری تاثیر بگذارند. به همین دلیل، هنگام مقایسه مقادیر گرمای واکنش، باید شرایط انجام آزمایش‌ها تا حد امکان یکسان و کنترل شده باشد.

جمع‌بندی

در این مطلب از مجله فرادرس آموختیم که گرمای واکنش یا تغییر آنتالپی واکنش به عوامل مختلفی وابسته است. مهم‌ترین این عوامل شامل انرژی پیوندهای شیمیایی، مقدار مواد واکنش دهنده، حالت فیزیکی مواد، شکل‌های آلوتروپی عناصر، دما، فشار و غلظت هستند. هر یک از این عوامل می‌توانند با تغییر انرژی واکنش دهنده‌ها و فرآورده‌ها یا شرایط انجام واکنش، بر مقدار گرمای جذب شده یا آزاد شده اثر بگذارند.

همچنین بررسی کردیم که کاتالیزگرها اگرچه سرعت واکنش را افزایش می‌دهند، اما تاثیری بر مقدار گرمای واکنش ندارند و تنها مسیر انجام واکنش را تغییر می‌دهند. شناخت عوامل موثر بر گرمای واکنش نقش مهمی در درک بهتر فرایندهای شیمیایی، پیش بینی تغییرات انرژی و طراحی فرایندهای صنعتی دارد و به شیمیدانان کمک می‌کند رفتار واکنش‌ها را در شرایط مختلف با دقت بیشتری بررسی کنند.