ऊष्मारसायन
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थर्मोकैमिस्ट्री अध्ययन नोट्स
विषय सूची
- थर्मोकैमिस्ट्री का परिचय
- थर्मोकैमिस्ट्री में प्रमुख अवधारणाएँ
- महत्वपूर्ण परिभाषाएँ और सूत्र
- एन्थैल्पी परिवर्तन के प्रकार
- हेस का नियम और बंध एन्थैल्पी
- कैलोरीमिति और प्रायोगिक अनुप्रयोग
- सारांश और प्रमुख बिंदु
1. थर्मोकैमिस्ट्री का परिचय
थर्मोकैमिस्ट्री ऊष्मागतिकी की वह शाखा है जो रासायनिक अभिक्रियाओं और भौतिक प्रक्रियाओं के दौरान होने वाले ऊष्मा ऊर्जा परिवर्तनों का अध्ययन करती है।
2. थर्मोकैमिस्ट्री में प्रमुख अवधारणाएँ
2.1 ऊष्मा और ऊर्जा स्थानांतरण
- ऊष्मा (q): तापमान अंतर के कारण पदार्थों के बीच स्थानांतरित ऊर्जा।
- कार्य (w): किसी वस्तु को हिलाने के लिए बल लगाने पर स्थानांतरित ऊर्जा।
- आंतरिक ऊर्जा (ΔU): किसी तंत्र की कुल ऊर्जा, जिसमें गतिज और स्थितिज ऊर्जा शामिल होती है।
2.2 तंत्र और परिवेश
- तंत्र: ब्रह्मांड का वह भाग जिसका अध्ययन किया जा रहा है।
- परिवेश: तंत्र के बाहर की सभी चीजें।
“एक बंद प्रणाली में, तंत्र परिवेश के साथ ऊर्जा का आदान-प्रदान कर सकता है लेकिन पदार्थ का नहीं।”
3. महत्वपूर्ण परिभाषाएँ और सूत्र
3.1 एन्थैल्पी (ΔH)
“एन्थैल्पी स्थिर दबाव पर किसी तंत्र की कुल ऊष्मा सामग्री का माप है।”
- सूत्र:
$$ \Delta H = q_p $$
3.2 एन्थैल्पी परिवर्तन (ΔH)
- ऊष्माशोषी अभिक्रियाएँ: ऊष्मा अवशोषित करती हैं (ΔH > 0)
- ऊष्माक्षेपी अभिक्रियाएँ: ऊष्मा मुक्त करती हैं (ΔH < 0)
3.3 ऊष्मा क्षमता और विशिष्ट ऊष्मा
- ऊष्मा क्षमता (C): किसी पदार्थ का तापमान 1°C बढ़ाने के लिए आवश्यक ऊष्मा की मात्रा।
- विशिष्ट ऊष्मा (c): प्रति इकाई द्रव्यमान ऊष्मा क्षमता।
“पानी की विशिष्ट ऊष्मा 4.184 J/g·°C है।”
4. एन्थैल्पी परिवर्तन के प्रकार
4.1 निर्माण एन्थैल्पी (ΔH_f)
“मानक अवस्था में अपने तत्वों से एक मोल यौगिक बनने पर होने वाला एन्थैल्पी परिवर्तन।”
- उदाहरण:
$$ \text{C(graphite)} + \text{O}_2(g) \rightarrow \text{CO}_2(g); \quad \Delta H_f^\circ = -393.5 , \text{kJ/mol} $$
4.2 दहन एन्थैल्पी (ΔH_c)
“किसी पदार्थ के एक मोल को ऑक्सीजन में पूर्णतः जलाए जाने पर होने वाला एन्थैल्पी परिवर्तन।”
- उदाहरण:
$$ \text{CH}_4(g) + 2\text{O}_2(g) \rightarrow \text{CO}_2(g) + 2\text{H}_2\text{O}(l); \quad \Delta H_c^\circ = -890.3 , \text{kJ/mol} $$
4.3 उदासीनीकरण एन्थैल्पी (ΔH_n)
“एक अम्ल और क्षार के अभिक्रिया कर पानी बनाने पर होने वाला एन्थैल्पी परिवर्तन।”
- उदाहरण:
$$ \text{HCl}(aq) + \text{NaOH}(aq) \rightarrow \text{NaCl}(aq) + \text{H}_2\text{O}(l); \quad \Delta H_n^\circ = -57.3 , \text{kJ/mol} $$
5. हेस का नियम और बंध एन्थैल्पी
5.1 हेस का निरंतर ऊष्मा संकलन नियम
“किसी अभिक्रिया का एन्थैल्पी परिवर्तन मार्ग से स्वतंत्र होता है और केवल प्रारंभिक व अंतिम अवस्था पर निर्भर करता है।”
- सूत्र:
$$ \Delta H = \Delta H_1 + \Delta H_2 + \Delta H_3 $$
5.2 बंध एन्थैल्पी (बंध ऊर्जा)
“गैसीय अवस्था में बंध टूटने या बनने पर होने वाला एन्थैल्पी परिवर्तन।”
- सूत्र:
$$ \Delta H_r = \text{अभिकारकों की बंध ऊर्जा का योग} - \text{उत्पादों की बंध ऊर्जा का योग} $$
| बंध | बंध ऊर्जा (kJ/mol) |
|---|---|
| H-H | 436 |
| O=O | 498 |
| C-C | 346 |
| C=O | 799 |
6. कैलोरीमिति और प्रायोगिक अनुप्रयोग
6.1 कैलोरीमिति
“कैलोरीमिति किसी अभिक्रिया में ऊष्मा परिवर्तन का प्रायोगिक मापन है।”
-
कैलोरीमिति में ऊष्मा स्थानांतरण के लिए सूत्र:
$$ q = m \cdot c \cdot \Delta T $$ -
उदाहरण:
$$ q = 100 , \text{g} \cdot 4.184 , \text{J/g·°C} \cdot (35 - 25) , \text{°C} = 4184 , \text{J} $$
7. सारांश और प्रमुख बिंदु
7.1 प्रमुख बिंदुओं का सारांश
- थर्मोकैमिस्ट्री रासायनिक अभिक्रियाओं में ऊष्मा ऊर्जा परिवर्तनों का अध्ययन करती है।
- एन्थैल्पी (ΔH) स्थिर दबाव पर तंत्र की ऊष्मा सामग्री है।
- हेस का नियम प्रत्यक्ष माप के बिना एन्थैल्पी परिवर्तन की गणना की अनुमति देता है।
- बंध एन्थैल्पी बंधों को तोड़ने या बनाने के लिए आवश्यक ऊर्जा निर्धारित करने में सहायक है।
- कैलोरीमिति का उपयोग अभिक्रिया में ऊष्मा परिवर्तन को मापने के लिए किया जाता है।
7.2 महत्वपूर्ण सूत्र
| सूत्र | विवरण |
|---|---|
| $ \Delta H = q_p $ | स्थिर दबाव पर एन्थैल्पी परिवर्तन |
| $ \Delta H_r = \text{अभिकारकों की बंध ऊर्जा का योग} - \text{उत्पादों की बंध ऊर्जा का योग} $ | बंध एन्थैल्पी परिवर्तन |
| $ q = m \cdot c \cdot \Delta T $ | कैलोरीमिति में ऊष्मा स्थानांतरण |
8. अंतिम टिप्पणियाँ
- हमेशा सुनिश्चित करें कि एन्थैल्पी परिवर्तन का चिह्न यह दर्शाता है कि अभिक्रिया ऊष्माशोषी है या ऊष्माक्षेपी।
- हेस का नियम का उपयोग उन जटिल अभिक्रियाओं के लिए करें जिन्हें सरल चरणों में तोड़ा जा सकता है।
- बंध एन्थैल्पी प्रायोगिक रूप से मापने में कठिन अभिक्रियाओं के एन्थैल्पी परिवर्तन का अनुमान लगाने में उपयोगी है।
- कैलोरीमिति सैद्धांतिक गणनाओं के प्रायोगिक सत्यापन के लिए आवश्यक है।
10. निष्कर्ष
थर्मोकैमिस्ट्री रसायन विज्ञान में एक मूलभूत अवधारणा है जो पदार्थों के स्थूल गुणों को उनके सूक्ष्म व्यवहार से जोड़ती है। ऊष्मा स्थानांतरण, एन्थैल्पी परिवर्तन और कैलोरीमिति के सिद्धांतों को समझना सैद्धांतिक और प्रायोगिक दोनों संदर्भों में रासायनिक अभिक्रियाओं का पूर्वानुमान और विश्लेषण करने के लिए आवश्यक है।
Practice Problems
##### $\Delta H _{f(\mathrm{NO} _{2})}^{\circ}=33.84 \hspace{0.5mm} \mathrm{k \hspace{0.5mm} J} \hspace{0.5mm} \mathrm{mol}^{-1}$ और $\Delta H _{f(\mathrm{N} _{2} \mathrm{O} _{4})}^{\circ}$ $=9.66 \hspace{0.5mm} \mathrm{k \hspace{0.5mm} J} \hspace{0.5mm} \mathrm{mol}^{-1}$, अत: $\mathrm{NO} _{2}$ का डाइमरीकरण होकर $\mathrm{N} _{2} \mathrm{O} _{4}$ का निर्माण होना है
1. [ ] एंडोथर्मिक
2. [ ] आइसोथर्मिक
3. [x] एक्ज़ोथर्मिक
4. [ ] आइसोकोरिक
##### अभिक्रिया में, $y \rightarrow z, \Delta H=+100 \hspace{0.5mm} \mathrm{k \hspace{0.5mm} cal} / \mathrm{mol}$ और अभिक्रिया, $z \rightarrow x, \Delta H=-80 \hspace{0.5mm} \mathrm{k \hspace{0.5mm} cal} / \mathrm{mol}$ तथा $y \rightarrow x$ में, $\Delta H=20 \hspace{0.5mm}\text{kcal/mol}$ है। $x, y$ और $z$ के निर्माण की एन्थैल्पी को बढ़ते क्रम में व्यवस्थित कीजिए
1. [x] $y, x, z$
2. [ ] $y, z, x$
3. [ ] $x, z, y$
4. [ ] $x, y, z$
##### $2.1 \mathrm{g}$ आयरन, सल्फर के साथ संयुक्त होकर $3.77 \mathrm{k \hspace{0.5mm} J}$ ऊर्जा मुक्त करता है। $\mathrm{FeS}$ के निर्माण की ऊष्मा $\mathrm{k \hspace{0.5mm} J} / \mathrm{mol}$ में है
1. [ ] -1.79
2. [x] -100.5
3. [ ] -3.77
4. [ ] इनमें से कोई नहीं
##### निम्नलिखित में से कौन सी अभिक्रिया(एँ) एंडोथर्मिक है(हैं)? I. मीथेन का दहन II. जल का अपघटन III. ऐथेन का डीहाइड्रोजनीकरण कर एथिलीन बनना IV. ग्रेफाइट का हीरे में रूपांतरण
1. [ ] (I) और (II)
2. [ ] (II) और (III)
3. [ ] (III) और (IV)
4. [x] (II), (III) और (IV)
##### $\mathrm{CO} _{2}(g), \mathrm{CO}(g)$ और $\mathrm{H} _{2} \mathrm{O}(g)$ के लिए $\Delta H _{f}^{\circ}$ मान क्रमश: -393.5 , -110.5 और $-241.8 \hspace{0.5mm} \mathrm{k \hspace{0.5mm} J} \hspace{0.5mm} \mathrm{mol}^{-1}$ हैं, तो अभिक्रिया $ \mathrm{CO} _{2}(g)+\mathrm{H} _{2}(g) \rightarrow \mathrm{CO}(g)+\mathrm{H} _{2} \mathrm{O}(g) \text {, में मानक एन्थैल्पी परिवर्तन ( } \mathrm{k \hspace{0.5mm} J} \text { में) है } $
1. [ ] 524.1
2. [x] 41.2
3. [ ] -262.5
4. [ ] -41.2
##### निम्नलिखित पर विचार करें, $ \begin{aligned} \mathrm{C}+\mathrm{O} _{2} & \rightarrow \mathrm{CO} _{2} ; \Delta H=x \\\\ \mathrm{CO}+\frac{1}{2} \mathrm{O} _{2} & \rightarrow \mathrm{CO} _{2} ; \Delta H=y \end{aligned} $ तब, $\mathrm{CO}$ के निर्माण की ऊष्मा है
1. [x] $x-y$
2. [ ] $y-2 x$
3. [ ] $x+y$
4. [ ] $2 x-y$
##### निम्नलिखित ऊष्मारासायनिक आंकड़ों के आधार पर $(\Delta_{f} H_{H^{+}(a q)}^{\circ}=0)$ $$\mathrm{H} _{2} \mathrm{O}(l) \rightarrow \mathrm{H} ^{+}(\mathrm{aq})+\mathrm{OH} ^{-}(\mathrm{aq}) ; \Delta H^{\circ}=57.32 \mathrm{k \hspace{0.5mm} J}$$ $$\mathrm{H} _{2}(g)+\frac{1}{2} \mathrm{O} _{2}(g) \rightarrow \mathrm{H} _{2} \mathrm{O}(l) ; \Delta H^{\circ}=-286.20 \mathrm{k \hspace{0.5mm} J}$$ साथ ही $(\Delta_{f} H_{H^{+}(a q)}^{\circ}=0)$ $25^{\circ} \mathrm{C}$ पर $\mathrm{OH}^{-}$आयन के निर्माण की एन्थैल्पी का मान है $\rightarrow$ JEE Main 2009
1. [ ] $-22.88 \mathrm{k \hspace{0.5mm} J}$
2. [x] $-228.88 \mathrm{k \hspace{0.5mm} J}$
3. [ ] $+228.88 \mathrm{k \hspace{0.5mm} J}$
4. [ ] $-343.52 \mathrm{k \hspace{0.5mm} J}$
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