रासायनिक ऊष्मागतिकी

रासायनिक ऊष्मागतिकी ऊर्जा और एन्ट्रापी के सार्वभौमिक नियमों को रासायनिक परिवर्तन पर लागू करती है, यह भविष्यवाणी करती है कि अभिक्रियाएँ आगे बढ़ेंगी या नहीं, वे कितनी दूर तक जाएँगी, और तापमान, दबाव तथा सांद्रता के प्रति प्रावस्था और संघटन कैसे प्रतिक्रिया करते हैं।

Definition

रासायनिक ऊष्मागतिकी भौतिक रसायन विज्ञान की वह शाखा है जो एन्थैल्पी, एन्ट्रापी और मुक्त ऊर्जा जैसे अवस्था फलनों का उपयोग रासायनिक अभिक्रियाओं और प्रावस्था परिवर्तनों की स्वतःप्रवर्तनशीलता, संतुलन स्थिति और ऊर्जावानता को निर्धारित करने के लिए करती है।

Scope

यह क्षेत्र रासायनिक प्रणालियों के ऊष्मागतिकीय विवरण को समाहित करता है: आंतरिक ऊर्जा, एन्थैल्पी, एन्ट्रापी, और गिब्स तथा हेल्महोल्त्ज़ मुक्त ऊर्जाएँ; पदार्थ के प्रवाह और अभिक्रिया के लिए प्रेरक चर के रूप में रासायनिक विभव; रासायनिक और प्रावस्था संतुलन के लिए शर्तें; गिब्स प्रावस्था नियम; और ऊष्मारसायन तथा कैलोरीमिति के माध्यम से ऊष्मा का मापन। इन स्थूल मात्राओं की सांख्यिकीय-यांत्रिक उत्पत्ति को सांख्यिकीय ऊष्मागतिकी के तहत अलग से वर्णित किया गया है, और स्वयं नियमों को उनके सामान्य भौतिक रूप में भौतिकी में शामिल किया गया है; यहाँ जोर रासायनिक प्रक्रियाओं की दिशा और सीमा की भविष्यवाणी करने के लिए उनके उपयोग पर है।

Sub-topics

• रासायनिक विभव और साम्यावस्था
• प्रावस्था साम्यावस्था और प्रावस्था नियम
• ऊष्मारसायन और कैलोरीमिति
• रसायन विज्ञान में ऊष्मागतिकी के नियम

Core questions

• दी गई परिस्थितियों में एक रासायनिक अभिक्रिया स्वतःप्रवर्तित होगी या नहीं, यह क्या निर्धारित करता है?
• किसी अभिक्रिया का संतुलन स्थिरांक उसके मानक गिब्स मुक्त ऊर्जा परिवर्तन से कैसे संबंधित है?
• रासायनिक विभव प्रावस्थाओं के बीच पदार्थ के प्रवाह और संतुलन की स्थिति को कैसे नियंत्रित करता है?
• कितनी प्रावस्थाएँ और घटक सह-अस्तित्व में रह सकते हैं, और प्रावस्था नियम उन्हें कैसे बाधित करता है?

Key concepts

• एन्थैल्पी, एन्ट्रापी और गिब्स मुक्त ऊर्जा
• रासायनिक विभव और गतिविधि
• संतुलन स्थिरांक और अभिक्रिया भागफल
• मानक अवस्थाएँ और संदर्भ स्थितियाँ
• प्रावस्था नियम और स्वतंत्रता की कोटियाँ

Key theories

स्वतःप्रवर्तनशीलता के लिए गिब्स मुक्त ऊर्जा मानदंड

स्थिर तापमान और दबाव पर एक प्रक्रिया स्वतःप्रवर्तित होती है जब गिब्स मुक्त ऊर्जा घटती है; संतुलन G में न्यूनतम के अनुरूप होता है, जो मानक मुक्त ऊर्जा परिवर्तन को dG = -RT ln K के माध्यम से संतुलन स्थिरांक से जोड़ता है।

रासायनिक विभव और संतुलन की शर्तें

प्रत्येक प्रजाति एक रासायनिक विभव वहन करती है जो तापमान, दबाव और संघटन पर निर्भर करती है; पदार्थ उच्च से निम्न रासायनिक विभव वाले क्षेत्रों में प्रवाहित होता है, और संतुलन तब प्राप्त होता है जब प्रत्येक घटक का रासायनिक विभव सभी प्रावस्थाओं में बराबर होता है।

Clinical relevance

रासायनिक ऊष्मागतिकी अभिक्रिया इंजीनियरिंग, पृथक्करण प्रक्रियाओं, सामग्री और धातुकर्म डिजाइन, बैटरी और ईंधन-सेल ऊर्जावानता, और चयापचय की जैव-ऊर्जावानता का आधार है, जो उन मानदंडों को प्रदान करती है जो यह तय करते हैं कि कौन से परिवर्तन संभव हैं और संतुलन कहाँ स्थित है।

History

रासायनिक ऊष्मागतिकी की स्थापना 1870 के दशक में जे. विलार्ड गिब्स ने की थी, जिनके विषम संतुलन के उपचार ने रासायनिक विभव और प्रावस्था नियम को प्रस्तुत किया; इस ढांचे को वान्ट हॉफ, नर्नस्ट और लुईस ने विस्तारित किया, जिन्होंने मुक्त ऊर्जा, गतिविधि और मानक अवस्थाओं को व्यवस्थित किया, और ओन्सेगर ने, जिन्होंने इसे अनुत्क्रमणीय प्रक्रियाओं के लिए सामान्यीकृत किया।

Key figures

• J. Willard Gibbs
• Hermann von Helmholtz
• Walther Nernst

Seminal works

• atkins2018
• levine2009
• onsager1931

Frequently asked questions

क्या ऋणात्मक गिब्स मुक्त ऊर्जा का मतलब है कि अभिक्रिया तेजी से होगी?

नहीं। ऊष्मागतिकी आपको बताती है कि अभिक्रिया अनुकूल है या नहीं और संतुलन कहाँ स्थित है, लेकिन यह नहीं बताती कि यह कितनी तेजी से वहाँ पहुँचती है; दर रासायनिक गतिकी द्वारा नियंत्रित होती है और एक अत्यधिक स्वतःप्रवर्तित अभिक्रिया के लिए भी यह बहुत धीमी हो सकती है।

मानक और वास्तविक मुक्त ऊर्जा परिवर्तनों में क्या अंतर है?

मानक मुक्त ऊर्जा परिवर्तन सभी प्रजातियों को उनकी संदर्भ मानक अवस्थाओं में संदर्भित करता है, जबकि वास्तविक परिवर्तन अभिक्रिया भागफल के माध्यम से वास्तविक सांद्रता या दबावों को ध्यान में रखता है; वास्तविक मान, न कि मानक मान, किसी भी क्षण अभिक्रिया की दिशा निर्धारित करता है।