اینتھالپی اور کیلوری پیمائی: تعامل کی حرارت ناپنا

نظام اور گردونواح کے درمیان حد کھینچنا

ہر توانائی کا حساب نظام چننے سے شروع ہوتا ہے، عموماً تعامل کرنے والے کیمیکل۔ باقی سب گردونواح ہے، جس کا مطلب کیلوری میٹر میں بنیادی طور پر پانی یا محلول اور برتن ہے۔ توانائی حد کو حرارت، q، یا کام، w، کی صورت میں پار کر سکتی ہے، اور نظام کی اندرونی توانائی میں تبدیلی ΔU = q + w ہے۔

اینتھالپی، H = U + PV، یوں متعین ہے کہ مستقل دباؤ پر، جب واحد کام پھیلاؤ کا کام ہو، اس کی تبدیلی تبادلہ شدہ حرارت کے برابر ہوتی ہے: ΔH = q_p۔ چونکہ زیادہ تر ورک بینچ کی کیمیا تقریباً مستقل فضائی دباؤ پر ہوتی ہے، اس لیے کیمیا دان اندرونی توانائی کی بجائے اینتھالپی کی جدول بناتے ہیں۔

حرارت اور اینتھالپی کے لیے علامتوں کے قواعد

علامتیں ہمیشہ نظام کے نقطۂ نظر سے لکھی جاتی ہیں۔ نظام میں بہنے والی حرارت مثبت ہے؛ باہر بہنے والی منفی۔ حرارت چھوڑنے والا (ایکزو تھرمک) تعامل گردونواح کو حرارت دیتا ہے، اس لیے اس کا ΔH منفی ہے اور گردونواح گرم ہو جاتا ہے۔ حرارت جذب کرنے والا (اینڈو تھرمک) تعامل حرارت جذب کرتا ہے، اس لیے اس کا ΔH مثبت ہے اور گردونواح ٹھنڈا ہو جاتا ہے۔

کیلوری میٹر میں آپ گردونواح ناپتے ہیں، تعامل نہیں۔ اگر پانی گرم ہو تو پانی نے حرارت حاصل کی، اور تعامل نے ٹھیک اتنی ہی کھوئی۔ اس سے کیلوری پیمائی کا مرکزی تعلق ملتا ہے: q_reaction = −q_surroundings۔

حرارتی گنجائش اور مساوات q = mcΔT

کسی مادے کا درجۂ حرارت بدلنے کے لیے درکار حرارت q = mcΔT ہے، جہاں m کمیت ہے، c مخصوص حرارت ہے (ایک گرام کو ایک درجہ گرم کرنے کے لیے درکار حرارت)، اور ΔT = T_final − T_initial۔ ایک ڈگری سیلسیس کی تبدیلی ایک کیلون کی تبدیلی کے برابر ہے، اس لیے ΔT کی قدر دونوں پیمانوں پر ایک جیسی ہے۔ نیچے استعمال ہونے والی مخصوص حرارتیں OpenStax Chemistry 2e کے جدول 5.1 سے ہیں، جو 25 °C کے قریب ناپی گئیں؛ مائع پانی کے لیے c = 4.184 J/(g·°C)۔

حل شدہ مثال 1۔ سلیکون کے 310.0 g کے بلاک کو 24.5 °C سے 160.0 °C تک گرم کرنے کے لیے کتنی حرارت درکار ہے؟ سلیکون کی مخصوص حرارت 0.712 J/(g·°C) ہے۔ ΔT = 160.0 − 24.5 = 135.5 °C۔ q = (310.0 g)(0.712 J/(g·°C))(135.5 °C) = 2.99 × 10⁴ J، یا 29.9 kJ۔ مخصوص حرارت میں تین اہم ہندسے ہیں، اس لیے جواب میں بھی تین ہیں۔

حل شدہ مثال 2۔ 88.0 °C پر سیسے کا 450.0 g کا بلاک جھاگ کے کپ میں 20.5 °C پر 60.0 g پانی میں رکھا جاتا ہے۔ سیسے کی مخصوص حرارت 0.130 J/(g·°C) ہے، اور پانی کی وہ قدر ہے جو اوپر دی گئی۔ سیسے کی کھوئی ہوئی حرارت پانی کی حاصل کی ہوئی حرارت کے برابر ہے، اس لیے q_lead + q_water = 0: (58.5 J/°C)(T_f − 88.0) + (251.0 J/°C)(T_f − 20.5) = 0، جہاں ہر عددی سر کمیت ضرب مخصوص حرارت ہے۔ حل کرنے پر T_f = (58.5 × 88.0 + 251.0 × 20.5)/(58.5 + 251.0) = 33.3 °C۔ جانچ: پانی تقریباً 251.0 × 12.8 ≈ 3.2 kJ حاصل کرتا ہے، اور سیسہ تقریباً 58.5 × 54.7 ≈ 3.2 kJ کھوتا ہے۔ پانی کا درجۂ حرارت سیسے سے کہیں کم بدلتا ہے کیونکہ اس کی حرارتی گنجائش چار گنا سے زیادہ ہے۔

مستقل دباؤ پر کافی کپ کیلوری پیمائی

کافی کپ کیلوری میٹر ہوا کے لیے کھلا ایک عایق کپ ہے، اس لیے عمل مستقل دباؤ پر ہوتا ہے اور ناپی گئی حرارت براہ راست ΔH دیتی ہے۔ ہلکے آبی محلولوں کے لیے عام مفروضے یہ ہیں کہ محلول کی کثافت اور مخصوص حرارت پانی جیسی ہیں اور کپ نہ ہونے کے برابر حرارت جذب کرتا ہے۔

حل شدہ مثال 3۔ 21.42 °C پر 0.800 mol/L نائٹرک تیزاب کے 60.0 mL کو اسی درجۂ حرارت پر 0.800 mol/L پوٹاشیم ہائیڈروآکسائیڈ کے 60.0 mL کے ساتھ ملایا جاتا ہے۔ آمیزہ 26.75 °C تک پہنچتا ہے۔ بننے والے پانی کے فی مول ΔH معلوم کریں۔ محلول کی کمیت: 120.0 mL × 1.00 g/mL = 120. g۔ ΔT = 26.75 − 21.42 = 5.33 °C۔ q_solution = (120. g)(4.184 J/(g·°C))(5.33 °C) = 2.68 × 10³ J۔ اس لیے q_reaction = −2.68 × 10³ J۔

بننے والے پانی کے مول: ہر محلول 0.0600 L × 0.800 mol/L = 0.0480 mol فراہم کرتا ہے، اور تعامل H⁺(aq) + OH⁻(aq) → H₂O(l) 1:1 ہے، اس لیے 0.0480 mol پانی بنتا ہے۔ ΔH = −2.68 kJ / 0.0480 mol = −55.8 kJ/mol۔ جانچ کے طور پر OpenStax کے ضمیمہ G کی معیاری تشکیلی اینتھالپیاں اسی خالص تعامل کے لیے −285.83 − (−230.0) = −55.8 kJ/mol دیتی ہیں، روایت کے مطابق H⁺(aq) کی ΔH°f صفر لیتے ہوئے۔

بم کیلوری پیمائی اور ΔU اور ΔH کے درمیان فرق

احتراق کو بم کیلوری میٹر میں ناپا جاتا ہے، جو پانی کے غسل میں رکھا بند اسٹیل برتن ہے۔ چونکہ حجم مقررہ ہے، اس لیے پھیلاؤ کا کوئی کام نہیں ہوتا اور ناپی گئی حرارت ΔU ہے، ΔH نہیں۔ پورا آلہ ایک اکائی کے طور پر کیلیبریٹ کیا جاتا ہے، جس سے kJ/°C میں کیلوری میٹر مستقل C_cal ملتا ہے، اس لیے q = C_cal × ΔT ہے اور الگ کمیت یا مخصوص حرارت درکار نہیں۔

حل شدہ مثال 4۔ C_cal = 10.25 kJ/°C والے کیلوری میٹر میں مائع بینزین، C₆H₆، کے 0.5000 g جلانے سے درجۂ حرارت 2.038 °C بڑھتا ہے۔ IUPAC کے معیاری جوہری اوزان دو اعشاری مقامات تک راؤنڈ کر کے (C 12.01، H 1.01)، M = 78.12 g/mol ہے، اس لیے n = 0.5000 g / 78.12 g/mol = 0.006400 mol۔ q_cal = (10.25 kJ/°C)(2.038 °C) = 20.89 kJ، اس لیے ΔU = −20.89 kJ / 0.006400 mol = −3264 kJ/mol، چار اہم ہندسوں کے ساتھ کیونکہ ہر ناپی گئی قدر میں چار ہیں۔

اینتھالپی میں بدلنے کے لیے ΔH = ΔU + Δn_gas RT استعمال کریں۔ C₆H₆(l) + 15/2 O₂(g) → 6 CO₂(g) + 3 H₂O(l) میں گیس کے مول 7.5 سے 6 تک گھٹتے ہیں، اس لیے Δn_gas = −1.5 اور اصلاح (−1.5)(8.314 J/(mol·K))(298.15 K) = −3.72 kJ/mol ہے۔ ΔH = −3264 − 3.72 = −3268 kJ/mol، جو ضمیمہ G کی تشکیلی اینتھالپیوں سے حاصل ہونے والے −3267.7 kJ/mol سے مطابقت رکھتا ہے۔ جب تعامل بہت سے گیسی مول بنائے یا خرچ کرے تو اصلاح بڑھ جاتی ہے۔

حرارتی کیمیائی مساواتوں کو پڑھنا اور پیمانہ بدلنا

حرارتی کیمیائی مساوات ΔH کو تعامل کے ساتھ ٹھیک اسی طرح جوڑتی ہے جیسے لکھا گیا ہو۔ عددی سر دگنے کریں تو ΔH دگنا ہو جاتا ہے؛ تعامل الٹ دیں تو علامت پلٹ جاتی ہے۔ طبعی حالتیں اہم ہیں: مائع پانی بننے سے آبی بخارات بننے سے زیادہ حرارت خارج ہوتی ہے، کیونکہ تکثیف خود حرارت چھوڑنے والی ہے۔

مادے کی دی گئی مقدار کے لیے حرارت معلوم کرنے کے لیے مول میں بدلیں اور تعامل کے فی مول ΔH کو تبدیلی کے جزو کے طور پر استعمال کریں۔ بینزین کے 12.5 g جلانے سے، بینزین کے فی مول ΔH = −3267.7 kJ کے ساتھ، (12.5 g / 78.12 g/mol) × 3267.7 kJ/mol = 523 kJ خارج ہوتی ہے۔ اسے تعامل کے لیے q = −523 kJ لکھیں، یا 523 kJ حرارت کے اخراج کے طور پر۔

کیلوری پیمائی کی غلطیاں جو علامتیں پلٹ دیتی ہیں یا حرارت کھو دیتی ہیں

کیلوری پیمائی کا حساب مختصر ہے، اس لیے زیادہ تر غلطیاں تصوراتی ہوتی ہیں۔

ایک قابل اعتماد آخری جانچ طبعی ہے: اگر پانی گرم ہوا تو تعامل کا ΔH منفی ہونا چاہیے۔

• منفی علامت چھوٹ جانا: گردونواح کا درجۂ حرارت بڑھا، اس لیے q_reaction منفی ہے۔ پانی کو گرم کرنے والے تعدیل کے لیے +55.8 kJ/mol بتانا علامت کی غلطی ہے۔
• غلط کمیت: محلولی کیلوری پیمائی میں پورے محلول کی کمیت استعمال کریں، صرف مذاب کی یا ملائے گئے دو حجموں میں سے ایک کی نہیں۔
• فی گرام بمقابلہ فی مول: kJ/mol حاصل کرنے کے لیے مخصوص نوع کے مول سے تقسیم کریں، اور بتائیں کہ کون سی نوع۔
• جول اور کلو جول گڈمڈ کرنا: mcΔT سے q جول میں ہے؛ kJ/mol کے جواب میں تقسیم کرنے سے پہلے تبدیل کریں۔
• بم کے اعداد و شمار کو ΔH سمجھنا: بند بم ΔU دیتا ہے؛ جب ΔH درکار ہو تو Δn_gas RT اصلاح لاگو کریں۔