قانون هس و آنتالپی واکنش؛ جمع‌کردن معادله‌ها بدون خطای علامت

آنتالپی واکنش و علامت ΔH را معنا کن

تغییر آنتالپی واکنش در فشار ثابت نشان می‌دهد سامانه چه مقدار گرما با محیط مبادله می‌کند. در واکنش گرماده، سامانه گرما به محیط می‌دهد و آنتالپی فرآورده‌ها از واکنش‌دهنده‌ها کمتر است؛ پس ΔH منفی می‌شود. در واکنش گرماگیر، سامانه گرما می‌گیرد و ΔH مثبت است.

مقدار ΔH به واکنش همان‌طور که نوشته شده وابسته است. حالت فیزیکی مواد نیز بخشی از معادله است؛ برای نمونه H₂O(l) و H₂O(g) آنتالپی یکسانی ندارند. پس پیش از محاسبه، ضرایب، جهت پیکان و نمادهای (s)، (l)، (g) و (aq) را با واکنش هدف مقایسه کن.

• گرماده: ΔH < 0
• گرماگیر: ΔH > 0
• ضرایب و حالت فیزیکی مواد در مقدار ΔH اثر دارند

چرا قانون هس قابل استفاده است؟

آنتالپی یک تابع حالت است؛ یعنی تغییر آن فقط به حالت آغازین و پایانی بستگی دارد، نه به تعداد یا نوع مرحله‌هایی که میان آن دو طی شده است. اگر واکنش A در یک مرحله و همان تبدیل در سه مرحله انجام شود، مجموع تغییر آنتالپی سه مرحله با تغییر آنتالپی مسیر مستقیم برابر خواهد بود.

در محاسبات دبیرستانی، معادله‌های داده‌شده را مانند قطعه‌های یک پازل کنار هم می‌گذاریم. موادی که در دو سوی مجموعه ظاهر می‌شوند و در واکنش هدف نیستند، باید با ضرایب برابر حذف شوند. معادله باقی‌مانده باید دقیقاً همان واکنش هدف باشد؛ در آن صورت مجموع جبری ΔH مرحله‌ها پاسخ است.

سه قاعده دست‌کاری معادله‌های ترموشیمیایی

اگر جهت یک واکنش را برعکس کنی، نقش واکنش‌دهنده و فرآورده عوض می‌شود و علامت ΔH نیز تغییر می‌کند. اگر همه ضرایب معادله را در عددی ضرب کنی، ΔH را هم در همان عدد ضرب کن؛ نصف‌کردن ضرایب نیز ΔH را نصف می‌کند. هنگام جمع معادله‌ها، ΔHها با علامت خودشان جمع می‌شوند.

ضریب‌دادن باید برای همه مواد یک معادله انجام شود، نه فقط ماده‌ای که می‌خواهی حذف کنی. پس از هر تغییر، بهتر است ΔH تازه را همان کنار بنویسی. این کار مانع می‌شود در پایان، علامت مقدار اولیه یا ضریب قدیمی را به اشتباه وارد کنی.

• وارونه‌کردن واکنش: تغییر علامت ΔH
• ضرب معادله در k: ضرب ΔH در k
• جمع معادله‌ها: جمع جبری ΔHها
• حذف مواد واسطه فقط وقتی ممکن است که در دو طرف ضرایب برابر داشته باشند

روش مرحله‌به‌مرحله ساختن واکنش هدف

ابتدا واکنش هدف را جدا بنویس و یک ماده شاخص انتخاب کن که فقط در یکی از معادله‌های داده‌شده حضور دارد. معادله مربوط به آن را طوری جهت بده و ضریب بزن که ماده شاخص در سمت و مقدار درست قرار گیرد. سپس سراغ ماده شاخص بعدی برو و این روند را ادامه بده.

در پایان همه معادله‌های تنظیم‌شده را جمع کن، گونه‌های یکسان دو طرف را حذف کن و واکنش حاصل را با هدف تطبیق بده. فقط پس از این کنترل، ΔHهای تنظیم‌شده را جمع بزن. اگر ماده‌ای اضافه مانده یا ضریبی متفاوت است، هنوز یکی از مرحله‌ها درست جهت‌دهی یا مقیاس نشده است.

مثال حل‌شده: تشکیل مونوکسید کربن

می‌خواهیم ΔH واکنش C(s) + ½O₂(g) → CO(g) را پیدا کنیم. دو داده داریم: C(s) + O₂(g) → CO₂(g) با ΔH = −393.5 kJ و CO(g) + ½O₂(g) → CO₂(g) با ΔH = −283.0 kJ. در واکنش هدف، CO فرآورده است؛ پس معادله دوم را وارونه می‌کنیم: CO₂(g) → CO(g) + ½O₂(g) و ΔH آن +283.0 kJ می‌شود.

با جمع‌کردن معادله اول و معادله وارونه‌شده دوم، CO₂ از دو طرف حذف می‌شود. یک مول O₂ در سمت واکنش‌دهنده با نیم مول O₂ در سمت فرآورده ساده می‌شود و واکنش C(s) + ½O₂(g) → CO(g) باقی می‌ماند. بنابراین ΔH = −393.5 + 283.0 = −110.5 kJ است. منفی‌بودن پاسخ یعنی تشکیل یک مول CO مطابق واکنش نوشته‌شده گرماده است.

تمرین و نکات کلیدی

با استفاده از N₂(g) + O₂(g) → 2NO(g) با ΔH = +180.5 kJ، آنتالپی واکنش NO(g) → ½N₂(g) + ½O₂(g) را حساب کن. ابتدا معادله داده‌شده را نصف کن تا ½N₂ + ½O₂ → NO با ΔH = +90.25 kJ به دست آید؛ سپس آن را وارونه کن. پاسخ ΔH = −90.25 kJ است.

برای کنترل نهایی سه سؤال بپرس: آیا واکنش حاصل دقیقاً با هدف یکسان است؟ آیا هر بار وارونه‌کردن، علامت ΔH را عوض کرده‌ام؟ آیا ضریب هر معادله روی ΔH همان مرحله هم اعمال شده است؟ این بررسی کوتاه بیشتر خطاهای قانون هس را آشکار می‌کند.

• واکنش هدف را پیش از دست‌کاری داده‌ها بنویس
• حالت فیزیکی مواد را هنگام حذف‌کردن یکسان بگیر
• علامت منفی را جزئی از مقدار ΔH بدان
• پیش از جمع عددها، معادله نهایی را کنترل کن
• واحد رایج ΔH واکنش kJ برای واکنشِ نوشته‌شده است