معادلة قانون حرارة التفاعل (قانون هيتش)

معادلة قانون حرارة التفاعل (قانون هيتش)

قانون هيتش (Hess’s law) هو قانون في الكيمياء يتعلق بحرارة التفاعل الكيميائي ويساعد على تحديد حرارة التفاعل الكلي بين مختلف المواد الكيميائية المشاركة في التفاعل. يقول القانون: “إذا كانت سلسلة من التفاعلات تؤدي إلى نفس النهاية، فإن الحرارة المنبعثة أو الممتصة في هذه السلسلة من التفاعلات هي نفسها، بغض النظر عن الطريقة التي تم الوصول بها إلى نفس النهاية”.

بمعنى آخر، يمكن استخدام قانون هيتش لحساب حرارة التفاعل الكلي من خلال مقارنة حرارة التفاعلات الفرعية الأخرى التي تؤدي إلى نفس المنتجات النهائية. يتم تطبيق هذا القانون على التفاعلات الكيميائية التي تجري تحت ظروف ثابتة من الضغط والحرارة.

المعادلة العامة لقانون هيتش هي:

ΔHrxn = ΣΔHf,products – ΣΔHf,reactants

حيث:
ΔHrxn = حرارة التفاعل الكلي
ΔHf,products = حرارة التكوين للمنتجات
ΔHf,reactants = حرارة التكوين للمواد الأولية (المتفاعلين)

المفتاح لتطبيق قانون هيتش هو معرفة حرارة التكوين (ΔHf) لكل مادة في التفاعل. يمكن العثور على قيم ΔHf للعديد من المواد في الجداول المعروفة باسم “جداول ΔHf”. ومن الجدير بالذكر أن قيم ΔHf يمكن حسابها أيضًا من الحرارة المنبعثة أو الممتصة في تفاعلات أخرى.

يمكن استخدام قانون هيتش في حل العديد من المسائل في الكيمياء، بما في ذلك تقدير حرارة التفاعلات الكيميائية غير المعروفة

تفاصيل أكثر حول قانون هيتش

معادلة كيميائية

تفاصيل أكثر حول قانون هيتش:

• يمكن تطبيق قانون هيتش على التفاعلات الكيميائية ذات الحالات الحرارية المختلفة (الحالة الصلبة، السائلة، الغازية، والمحاليل). ومع ذلك، يجب أن تكون الظروف الأخرى ثابتة في كل التفاعلات المقارنة (مثل درجة الحرارة والضغط).
• يمكن استخدام قانون هيتش لتحديد حرارة التفاعلات العكسية. يتم ذلك عن طريق تغيير علامة حرارة التفاعل الأصلي في المعادلة.
• يمكن استخدام قانون هيتش لتحديد حرارة التفاعلات المتعلقة بتفاعلات الاحتراق. يستخدم ذلك في مجالات مثل الاحتراق المثالي في محركات الاحتراق الداخلي.
• يمكن استخدام قانون هيتش لتحديد حرارة التفاعلات الكيميائية المهمة في المجالات الصناعية والتكنولوجية، مثل التفاعلات الكيميائية التي تحدث في صناعة الأدوية والمواد الكيميائية والبترول.
• قانون هيتش يعتبر أساسيًا في تقدير قيمة ثابت التفكك (disassociation constant) الخاص بالأحماض والقواعد. يمكن استخدام قيمة ثابت التفكك لتحديد درجة التحلل الحمضي أو القاعدي للمحاليل المائية.
• يمكن استخدام قانون هيتش لتحديد حرارة التفاعلات النووية، مثل التفاعلات المستخدمة في الطاقة النووية.
• يمكن استخدام قانون هيتش لتحديد القيم العددية للطاقة المجالية للروابط الكيميائية (bond energies)، مما يساعد في فهم كيفية تفكك المواد الكيميائية.
• يجب الانتباه إلى أن قانون هيتش لا ينطبق على التفاعلات التي تشارك فيها الأشكال النووية المختلفة للعناصر، مثل التفاعلات النووية التي تتميز بالانحلال الإشعاعي.

امثلة وحلول

إليك بعض الأمثلة والحلول المتعلقة بقانون هيتش:

1 – تفاعل كلوريد الهيدروجين الغازي (HCl) مع الصوديوم (Na) المعدني لإنتاج كلوريد الصوديوم (NaCl) والهيدروجين الغازي (H2). تعتبر هذه العملية تفاعل تحلل حراريًا، حيث تتطلب طاقة لتكسير الروابط الكيميائية في كلوريد الهيدروجين. إذا كان حرارة التفاعل -92.3 كيلوجول/مول، فما هي حرارة تفاعل تحلل الهيدروجين الغازي إلى الهيدروجين الذري؟
الحل:
نستخدم قانون هيتش لحساب حرارة تفاعل تحلل الهيدروجين الغازي. حيث يعرف القانون هيتش بأن حرارة التفاعل يساوي -ΔH. لذلك، سنستخدم ΔH = -92.3 كيلوجول/مول.

نحتاج إلى معرفة كمية الهيدروجين الذري الذي تم إنتاجه. من المعادلة، يتضح أن 2 مول من الهيدروجين الغازي يتم إنتاجها لكل مول من كلوريد الهيدروجين الغازي. لذلك، إذا تم إنتاج 1 مول من كلوريد الهيدروجين، فإن 2 مول من الهيدروجين الغازي تم إنتاجه.

باستخدام هذه المعلومة، نستخدم قانون هيتش لحساب حرارة تفاعل تحلل الهيدروجين الغازي:
ΔH = -92.3 كيلوجول/مول ÷ 2 مول = -46.15 كيلوجول/مول

2- تفاعل حرق الميثان (CH4) في الهواء الطلق ينتج عنه ثاني أكسيد الكربون (CO2) والماء (H2O). إذا كانت حرارة تفاعل الاحتراق -890.4 كيلوجول/مول، فما هي الحرارة المولية لتفاعل تحلل المي
تفاعل تحلل الميثان هو تفاعل عكسي لتفاعل الاحتراق، حيث يتم تكسير جزيئات الميثان إلى ثنائي أكسيد الكربون والماء، ويتم إطلاق حرارة خلال هذه العملية.

لحساب حرارة تفاعل تحلل الميثان، يمكن استخدام قانون هيتش، والذي ينص على أن حرارة التفاعل تساوي الفرق بين حرارة التفاعل الناتج وحرارة التفاعل المستهلك.

الحل :

نحن نعلم أن حرارة التفاعل لتحلل الميثان هي العكسية من حرارة التفاعل لاحتراق الميثان، وبالتالي يمكن حساب الحرارة المولية لتفاعل تحلل الميثان باستخدام القيمة المعطاة لحرارة التفاعل لاحتراق الميثان (-890.4 كيلوجول/مول)، وذلك باستخدام العلاقة:

حرارة التفاعل لتحلل الميثان = -1 × حرارة التفاعل لاحتراق الميثان

حيث تكون قيمة -1 مول لأنه يتم تحليل مول واحد من الميثان لإنتاج CO2 و H2O.

إذاً، نقوم بحساب الحرارة المولية لتفاعل تحلل الميثان عن طريق ضرب حرارة التفاعل لاحتراق الميثان ب-1:

حرارة التفاعل لتحلل الميثان = -1 × (-890.4 كيلوجول/مول) = 890.4 كيلوجول/مول

لذلك، تكون الحرارة المولية لتفاعل تحلل الميثان 890.4 كيلوجول/مول.