उष्मा और एन्थलपी परिवर्तन

परिचय

थर्मोकैमिस्ट्री वह अध्ययन है जो रासायनिक प्रतिक्रियाओं और भौतिक अवस्था के परिवर्तनों के साथ होने वाले तापमान परिवर्तनों का अध्ययन करती है। यह थर्मोडायनेमिक्स की एक शाखा है और यह उष्मा और ऊर्जा के आदान-प्रदान की अवधारणाओं पर केंद्रित होती है। यहां, हम मुख्य रूप से रासायनिक प्रतिक्रियाओं के दौरान उष्मा और एन्थलपी परिवर्तनों और उन सिद्धांतों की चर्चा करेंगे जो इन घटनाओं को समझाने में मदद करते हैं।

उष्मा क्या है?

विज्ञान के संदर्भ में उष्मा का अर्थ ऊर्जा का एक निकाय या प्रणाली से दूसरे निकाय या प्रणाली में अंतर के कारण ऊर्जा का स्थानांतरण है। यह गर्म वस्तु से ठंडी वस्तु की ओर बहती है। उदाहरण के लिए, यदि आप एक गर्म कप कॉफी को छूते हैं, तो उष्मा कप से आपके हाथ की ओर स्थानांतरित होगी।

उष्मा स्थानांतरण का दृश्य उदाहरण:

लाल वर्ग (अधिक उष्मा) नीले वर्ग (ठंडी वस्तु) को उष्मा स्थानांतरित करता है, जब तक कि उनके तापमान समान या लगभग समान नहीं हो जाते।

एन्थलपी को समझना

शब्द "एन्थलपी" को समझना थोड़ा मुश्किल है, लेकिन इसे प्रणाली की ऊष्मा सामग्री के रूप में सरल बनाया जा सकता है। H के रूप में प्रतीकात्मकित, एन्थलपी प्रणाली में कार्य करने के लिए उपलब्ध ऊर्जा की मात्रा है।

गणितीय रूप से, एन्थलपी प्रणाली की आंतरिक ऊर्जा (E) के साथ उस पर इसके पर्यावरण द्वारा किए गए कार्य के योग में मिलती है। इसे इस समीकरण द्वारा दिया गया है:

H = E + P*V

यहां, P दबाव के लिए खड़ा है, और V आयतन के लिए खड़ा है।

प्रतिक्रियाओं में उष्मा और एन्थलपी परिवर्तन

रासायनिक प्रतिक्रियाओं के दौरान, प्रतिक्रियावकों के बंध टूटते हैं, और उत्पादों में नए बंध बनते हैं। ये प्रक्रियाएं ऊर्जा परिवर्तन शामिल करती हैं। यदि कोई प्रतिक्रिया उष्मा निष्कासित करती है, तो वह उष्माक्षेपक है, और यदि वह उष्मा अवशोषित करती है, तो वह उष्माशोषी है।

उष्माक्षेपक प्रतिक्रिया का उदाहरण

हाइड्रोकार्बन का दहन उष्माक्षेपक प्रतिक्रिया का एक क्लासिक उदाहरण है:

CH 4 + 2O 2 → CO 2 + 2H 2 O + ऊर्जा

यहां, मीथेन (CH 4) ऑक्सीजन में जलता है और कार्बन डाइऑक्साइड (CO 2), जल (H 2 O), और ऊष्मा के रूप में ऊर्जा उत्पन्न करता है।

उष्माक्षेपक प्रतिक्रिया के लिए दृश्य उदाहरण:

उष्माशोषी प्रतिक्रिया के उदाहरण

उष्माशोषी प्रतिक्रिया का एक उदाहरण प्रकाश संश्लेषण की प्रक्रिया है:

6CO 2 + 6H 2 O + ऊर्जा → C 6 H 12 O 6 + 6O 2

प्रकाश संश्लेषण में, पौधे सूर्यकिरण (ऊर्जा) को अवशोषित करते हैं ताकि कार्बन डाइऑक्साइड (CO 2) और जल (H 2 O) को ग्लूकोज (C 6 H 12 O 6) और ऑक्सीजन (O 2) में परिवर्तित कर सकें।

उष्माशोषी प्रतिक्रिया के लिए दृश्य उदाहरण:

उष्मा और एन्थलपी परिवर्तन की गणना कैसे करें?

थर्मोकैमिस्ट्री में, प्रतिक्रिया की उष्मा या एन्थलपी परिवर्तन की गणना करने के लिए बंधों को तोड़ने के लिए आवश्यक ऊर्जा और नए बंधों के निर्माण में जारी ऊर्जा के बीच संतुलन जरूरी होता है। गणना करने के लिए, निम्नलिखित सामान्य कदम आमतौर पर किये जाते हैं:

1. प्रतिक्रियावक और उत्पादों की पहचान करें।
2. प्रत्येक पदार्थ के लिए मानक एन्थलपी निर्माण मूल्य का उपयोग करें, जो आमतौर पर तालिकाओं में मिलता है।
3. प्रतिक्रिया के लिए एन्थलपी परिवर्तन के सूत्र को लागू करें:

ΔH = ΣH उत्पाद - ΣH प्रतिक्रियावक

जहां ΔH एन्थलपी में परिवर्तन है।

उदाहरण गणना में समझाना

एक सरल काल्पनिक प्रतिक्रिया के लिए एन्थलपी की गणना का उदाहरण प्रस्तुत करें:

A + B → C + D

मान लें कि H मान प्रतिक्रियावकों और उत्पादों के लिए निम्नानुसार हैं:

• A : +50 kJ/mol
• B : +30 kJ/mol
• C : +20 kJ/mol
• D : +40 kJ/mol

सूत्र का उपयोग:

ΔH = (H C + H D ) - (H A + H B )

ΔH = (20 + 40) - (50 + 30)

ΔH = 60 - 80

ΔH = -20 kJ/mol

ऋणात्मक ΔH एक उष्माक्षेपक प्रतिक्रिया का संकेत करता है।

बंध एन्थलपी और ऊष्मा गणना

रासायनिक बंधों की दृढ़ता का वर्णन बंध एन्थलपी के रूप में किया जा सकता है। एक प्रतिक्रिया के दौरान, ऊर्जा की गणना करने के लिए बंध एन्थलपी को ध्यान में रखा जाता है। उदाहरण के लिए, एक सरल द्विआणिक अणु में ऊर्जा परिवर्तन जैसे कि हाइड्रोजन के टूटने और निर्माण की गणना की जा सकती है:

H 2 + Cl 2 → 2HCl

बंध एन्थलपी इस प्रकार हो सकती है:

• H-H बंध: 436 kJ/mol
• Cl-Cl बंध: 243 kJ/mol
• H–Cl बंध: 431 kJ/mol

एन्थलपी परिवर्तन (ΔH) उन बंधों की बंध ऊर्जा को जोड़कर जिनका तोड़ा जा रहा है, और उन बंधों की बंध ऊर्जा को घटाकर जिनका गठन किया जा रहा है, की गणना की जा सकती है:

ΔH = (HH + Cl-Cl) - 2*(H-Cl)

ΔH = (436 + 243) - 2*431

ΔH = 679 - 862

ΔH = -183 kJ/mol

यहां, यह एक उष्माक्षेपक प्रतिक्रिया है। बंध ऊर्जा गणनाएं प्रतिक्रियाओं में शामिल ऊर्जा परिवर्तनों की पूर्वानुमान में मदद करती हैं।

उष्मा परिवर्तनों को मापने में कैलोमीटर की भूमिका

कैलोमीटर उपकरण हैं जो रासायनिक और भौतिक प्रक्रियाओं में अवशोषित या जारी की गई ऊष्मा को मापने के लिए उपयोग किए जाते हैं। वे एक नियंत्रित वातावरण प्रदान करते हैं, और यह थर्मोकैमिस्ट्री में महत्वपूर्ण उपकरण हैं। उदाहरण के लिए, एक सरल कॉफी कप कैलोमीटर का उपयोग उन प्रतिक्रियाओं के अध्ययन के लिए किया जा सकता है जो समाधान में होती हैं।

कॉफी कप कैलोमीटर परीक्षण का उदाहरण

हाइड्रोक्लोरिक एसिड (HCl) और सोडियम हाइड्रॉक्साइड (NaOH) के बीच न्यूट्रलाइजेशन प्रतिक्रिया पर विचार करें:

HCl(aq) + NaOH(aq) → NaCl(aq) + H 2 O(l) + ऊर्जा

कैलोमीटर का उपयोग करके तापमान परिवर्तन को देखें और इस सूत्र का उपयोग करके ऊर्जा की गणना करें:

q = m * c * ΔT

जहां:

• q = अवशोषित/जारी ऊष्मा
• m = पदार्थ का द्रव्यमान
• c = विशिष्ट ऊष्मा क्षमता
• ΔT = तापमान में परिवर्तन

उष्मा और एन्थलपी परिवर्तनों को प्रभावित करने वाले कारक

कई कारक प्रतिक्रियाओं की ऊष्मा और एन्थलपी को प्रभावित कर सकते हैं जैसे कि:

1. प्रतिक्रियावक और उत्पादों का प्रकृति: विभिन्न पदार्थों की विभिन्न एन्थलपी होती हैं।
2. भौतिक अवस्थाएं: ठोसों, तरल पदार्थों और गैसों में अवशोषित या जारी ऊष्मा भिन्न होती है।
3. सांद्रता और दबाव: सांद्रता या दबाव के साथ प्रतिक्रियाओं की ऊष्मा भिन्न हो सकती है।
4. तापमान: उच्च तापमान प्रतिक्रियाओं को तेज कर सकता है जो तापमान परिवर्तनों को प्रभावित करता है।

निष्कर्ष

रासायनिक प्रतिक्रियाओं में उष्मा और एन्थलपी परिवर्तनों को समझना महत्वपूर्ण है। ये अवधारणाएँ प्रतिक्रियाओं के ऊर्जावान पहलू को समझाती हैं और रसायन विज्ञान में मौलिक ज्ञान प्रदान करती हैं। प्रायोगिक अनुप्रयोगों में ऊर्जा उत्पादन, सामग्री संश्लेषण, और प्राकृतिक प्रक्रियाओं की समझ शामिल है।

याद रखने के लिए मुख्य बिंदु

• उष्मा तापमान के अंतर के कारण ऊर्जा का स्थानांतरण है।
• एन्थलपी प्रणाली की ऊष्मा सामग्री को संदर्भित करता है।
• उष्माक्षेपक प्रतिक्रियाएँ ऊष्मा जारी करती हैं, उष्माशोषी प्रतिक्रियाएँ ऊष्मा अवशोषित करती हैं।
• कैलोरीमीटर का उपयोग तापमान परिवर्तन को मापने के लिए किया जाता है।
• ΔH की गणना करके, प्रतिक्रिया के ऊर्जा आदान-प्रदान का पूर्वानुमान लगाया जा सकता है।

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