ويظهر قانون الخوذات أنه أحد أركان الديناميات الحرارية الكيميائية، مما يتيح للكيميائيين التنبؤ بالتغيرات الحرارية المرتبطة بالردود التي يصعب أو يتعذر قياسها بصورة مباشرة، ويوضح هذا المبدأ أن التغير الجذري الكلي للرد الفعلي الكيميائي مستقل عن المسارات التي يتم اتباعها، شريطة أن تكون الدول الأولى والنهائية متطابقة، ومن خلال استغلال هذا القانون، يمكن للباحثين والمهندسين أن يفصلوا سلسلة التفاعل المعقدة في خطوات قابلة للإدارة.

Understanding Hes’s Law

وفي جوهر قانون هيس هو نتيجة مباشرة للنسخة التي تمثل وظيفة الدولة ](FLT:0)[ ](FLT:1])() وتتوقف وظيفة الدولة فقط على الحالة الراهنة للنظام )الضغط، درجة الحرارة، التكوين( وليس على كيفية بلوغ هذه الدولة، ولذلك فإن التغير في القياسات الكيميائية )المقياس الكيميائي( بين ردود الفعل والمنتجات هو نفس ما إذا كان التحول يحدث في سلسلة من خطوات أو خطوات متوسطة.

ويمكن التعبير عن قانون هيس، على سبيل المثال، على أنه:

adh]overall] = hhsteps]

حيث كل خطوة من الـ ديه هي التغيير الطبعي لرد فعل فردي في الممر، ويصدق القانون على ذلك لأن أي حرارة تم امتصاصها أو إطلاقها خلال خطوات وسيطة تلغي عندما يتم النظر في الدورة الكاملة، وهذا مماثل لحفظ الطاقة في حلقة مغلقة، مفهوم مألوف من قوانين كيرشووف.

فعلى سبيل المثال، يمكن تحديد التغيير المطبوع في تكوين ثاني أكسيد الكربون من الغرافيت والأكسجين إما مباشرة (C + O2 ⁇ CO2) أو عن طريق تكوين ثاني أكسيد الكربون ثم احتراقه لاحقاً (C + 1.5O2 ⁇ CO، ثم ثاني أكسيد الكربون + 1.5O2 ⁇ CO2).

مؤسسة النظريات: نسخة إلكترونية كوظيفة حكومية

ويتوقف موثوقية قانون هيس على الخصائص الرياضية لوظائف الدولة، ويعرف الإستنساخ (H) بأنه H = U + PV، حيث الطاقة الداخلية، والضغط، والحجم، وبالنسبة لعملية الضغط المستمرة، فإن التغيير في الاستنساخ يساوي الحرارة المتبادلة مع المحيطين، ولأن U, P, and V هي ممتلكات الدولة، فإن تركيبتها تعني أيضاً ملكية الدولة.

⁇ dH = 0

وبالتالي، فإن أي طريق يربط دولتين يُفضي إلى نفس اللوم، وهذا ليس نتيجة مستمدة من التجربة وحدها؛ وهو يتبع القانون الأول للدماغيات الحرارية وتعريف الطبع كوظيفة حكومية، وبالتالي فإن قانون هيس ليس تقريبا عمليا بل مبدأ حراريا صارما.

ومن الطرق الأخرى التي يمكن بها تقدير ذلك: ] طاقات مبتذلة .() ويمكن تقدير التغير الظاهري العام في رد الفعل بإلهام طاقات السندات التي تكسرها أقل من تلك التي تشكل، وعلى الرغم من أن طاقات السندات هي قيم متوسطة، فإن مبدأ قانون Hesss ' s Law ensures that if exact stepwise enthalpies.

التطبيقات العملية في مسارات التفاعل المعقدة

وأصبح قانون هيس لا غنى عنه عند معالجة ردود الفعل التي تنطوي على أنواع متعددة من الوسطاء أو الأنواع غير المستقرة أو الظروف التي تحول دون إجراء حاسبات مباشرة، كما أن تطبيقات عديدة رئيسية في السياقين الأكاديمي والصناعي على السواء.

Determining Enthalpies of Formation via Indirect Routes

(ب) إن التكوينات القياسية (في شكل المادة 3 من القانون (H(و) ) هي بيانات حرارية أساسية تستخدم لحساب أجهزة رد الفعل لأي عملية تقريباً، غير أن العديد من المركبات لا يمكن أن تشكل مباشرة من عناصرها في رد فعل نظيف أو خطي واحد.() أما بالنسبة للجزيئات العضوية، فإن بيانات الاحتراق تقترن في كثير من الأحيان بقانون الاختراق(6).

hf]°(C6H6) = 6H]comb(C) + 3 dH]comb(H2) − cheH

وهذه الطريقة غير المباشرة هي ممارسة معيارية في الجداول الحرارية الكيميائية وتستخدم لآلاف المركبات العضوية.

تحليل مسارات متعددة الأطياف

وفي التوليف العضوي، كثيرا ما يتم الحصول على جزيء مستهدف من خلال عدة ردود فعل متتالية، وكل خطوة لها تغيير في الطبع، كما أن كفاءة الطاقة العامة أمر حاسم في رفع مستوى العملية، إذ أن قانون الخوذات يسمح للكيميائيين بأن يرتبوا مسارات مركبة مختلفة عن طريق مقارنة صافيها من حيث الحرارة أو الحرارة دون أن يؤدوا كل خطوة في مقياس حراري، وعلى سبيل المثال، يساعد في توليف الأحماض السائل.

Biochemical Pathway Energetics

وتعتمد النظم الحية على مسارات معقّدة من قبيل التحلل اللامعي، ودائرة الأحماض المسدودة، وأجهزة الفوسفور المكسورة، والمقياس المباشر للتغيرات في الخلايا الكهرومائية في التحويل العام للغاز المكشوف إلى ثاني أكسيد الكربون وثاني أكسيد الكربون، غير أن مساهمات كل قسائمة من الزعانف غير قابلة للكشف عن خطوات التحلل.

تصميم العملية الصناعية وتحقيق الاستفادة المثلى منها

ويستخدم مهندسو المواد الكيميائية، بصورة روتينية، قانون هيس لتصميم مفاعلات ذات كفاءة في الطاقة وشبكات تبادل الحرارة، وبالنسبة لعملية متعددة المراحل مثل تركيبة الأمونيا في هابر بوش، فإن التفاعل الشامل بين أجهزة توليد الطاقة الكهربائية والإشعاعية السعة والسعة والسعة والسعة والسعة والسعة والسعة والسعة والسعة والسعة والحجمية، يشمل قياساً مباشراً مركباً.

نهج الخطوة - المتعددة الجوانب بشأن تطبيق قانون هيس

وللاستخدام الفعال لقانون هيس على مسار معقد، يتبع إجراء منهجي:

  1. أكتب رد الفعل المستهدف ]: حدد بوضوح رد الفعل العام الذي يلزم إحداث تغيير مطبوع من أجله، بما في ذلك الدول المادية (S, l, g, aq).
  2. Identify known steps]: Break the target reaction into a set of reactions with known loH values. These may include formation reactions, combustion reactions, or any reaction with published thermochemical data.
  3. Arrange the known reactions]: Manipulate the equations (reverse, multiply coefficients, change phase) so that when added, the medium species abolish and the net equation matches the target. remember to correspondingly adjust the DD sign and magnitude (reverse changes sign, multiply by the same factor).
  4. Sum the adjusted chemh values: المبلغ هو الـ دي إتش لرد الفعل المستهدف.
  5. التحقق من الاتساق : التحقق من أن المعادلة النهائية لها قياس مُعدّل صحيح وأن جميع الأنواع غير المستهدفة قد ألغت.

وكثيرا ما يتم تدريس هذه الطريقة بمعادلة كيميائية حرارية مكتوبة أدناه بعضها البعض، ثم إضافة تلك المعادلات، مثلا، لاستخلاص البيانات المعروفة عن تكوين ثاني أكسيد الكربون وعن تشكيل أكسيد النيتروز، واستخدمت الخطوات التي اتخذت لإلغاء الـ (أو2) و(ن2) مما يؤدي إلى النسخة الموسّعة.

حساب نموذجي

تكوين مونوكسيد الكربون

ومن الأمثلة التقليدية تحديد تركيبة ثاني أكسيد الكربون. ومن الصعب قياس رد الفعل المباشر C + 1.5O2 ⁇ CO لأن ثاني أكسيد الكربون هو دائما منتج جانبي، غير أن حرق الرسوم البيانية وحرق ثاني أكسيد الكربون يقاسان بسهولة:

  • hcomb](C, graphite) = −393.5 kJ/mol (C + O2 ⁇ CO2)
  • hcomb](CO) = −283.0 kJ/mol (CO + 1.52 ⁇ CO2)

نريد أن نعالج الحرق المعروف للغرافيت كخطوة الإنجاز المستهدفة.

  1. C + O2 ⁇ CO2, IDEH = 393.5 kJ
  2. CO2 ⁇ CO + 1.52O2, che = +283.0 kJ (reverse of CO combustion)

مضافاً إليه: C + O2 + CO2 ⁇ CO2 + 1.52 ⁇ Cancel CO2 and net O2: left with C + 1.52,O2 ⁇ CO, DIH = −393.5 + 283.0 = −110.5 kJ/mol. This value matches compiled data and shows that CO formation is exothermic but less so than complete combustion.

نسخة من رد الفعل المتعلق بالتحويل الكيميائي الأحيائي

(ب) النظر في تحويل الغلوكوس إلى حمض التكتيك في تحلل الغدد الصخرية الهوائية: C6H12O6 ⁇ 2C3H6O3.

المزايا والحدود

والمزايا الأساسية لقانون هيس هي أنه يطغى على الصعوبات التجريبية ويتجنب القضايا التي لا توجد فيها ردود فعل أو منتجات جانبية أو وسيطات غير مستقرة أو ظروف متطرفة، كما أنه يسمح بحساب التغييرات المطبوعة للرد على ردود الفعل التي تتطلب، خلاف ذلك، إنشاءات خطرة أو مكلفة، وفي التعليم، يعزز مفهوم وظائف الدولة وحفظ الطاقة.

غير أن قانون هيس له حدود، ولا يقدم أي معلومات عن rate أو ] الميكانيكية للرد؛ بل يعطي فقط جدوى تصاعدية، وتتوقف دقة النتيجة كلياً على دقة المدخلات والقيم الفوقية المستخدمة.

وثمة قيد عملي آخر هو توافر بيانات كيميائية حرارية موثوقة، إذ يمكن استخدام أساليب تقديرية مثل الإضافة الجماعية (استنادا إلى قانون هيس بروح) في العديد من الجزيئات الغريبة أو الأنواع العابرة، ولكن لا يُستهان بها، في هذه الحالات، بل يمكن استخدام أساليب تقديرية مثل الإضافة الجماعية (استنادا إلى قانون هيس بروح) ولكن الشكوك تزداد.

مقارنة مع القياس المباشر للمعاجم

ويتخذ القياس المباشر ]الحسابات[ إجراء تغيير حراري في رد الفعل بعزل النظام في مقياس حراري )مثلاً، مقياس الحرق بالقنابل( وفي حين أن هذا التغيير يتسم بالبطء في كثير من الأحيان، فإن قياس مقياس مقياس مقياس الحرق المباشر يتطلب حرق عينات في جو من الأوكسجين، وقياس درجة الحرارة المحددة، والاختناق)٢(.

الطلبات المتقدمة في الديناميكا الحرارية

وبالإضافة إلى ذلك، فإن مبادئ قانون هيس تمتد لتشمل وظائف أخرى للدولة مثل [(FLT:0]) الطاقة الحرة ) (FLT:1]) (DG) و]) (DS). وبما أن هذه الدورة من نماذج التحول إلى الطاقة، فإن هذه المادة هي أيضاً وظيفة حكومية مستقلة.

وفي مجال علوم المواد، يستخدم قانون هيس لتحليل التحولات التدريجية و] التأثيرات [و]، ولإجراء رد فعل مباشر قوي مثل 2MgO + SiO2 tempmet ⁇ Mg2SiO4 (forsterite)، قد يكون التغيير في النسخ من المسارات

كما أن الكيمياء البيئية تستفيد من قانون هيس عند تقييم الأثر الكيميائي الحراري الصافي للرد على الغلاف الجوي، فعلى سبيل المثال، يمكن تجميع التغير الطبعي لدورات استنفاد الأوزون من عدة ردود فعل أولية، حتى وإن كانت الدورة العامة قد تنطوي على متطرفين عابري النطاق مثل كلو أوف أوفد أوفدوكسينات، يقاسون في تجارب تحليل الصور الضوئية الفيض.

خاتمة

ويظل قانون هيس مبدأً متسماً بالدقة والاستمرارية في الكيمياء، إذ إن هذا القانون، من خلال استغلال طبيعة عمل الدولة في مجال الطبع، يتيح للعلماء والمهندسين حساب التغيرات في الطاقة من أجل ردود الفعل التي تنطوي على تحديات تجريبية أو غير عملية اقتصادياً، ويزيد من سرعة تصميم أدوات التكوين إلى تصميم عمليات صناعية متعددة البيوت.