அலகு 5 — சக்தியியல்
முழுமையான பார்வை — சக்தியியல் (Energetics) ஏன் முக்கியம்?
ஒவ்வொரு இரசாயனத் தாக்கத்துடனும் ஒரு வெப்ப மாற்றம் இணைந்திருக்கின்றது. சில தாக்கங்கள் வெப்பத்தை வெளியேற்றுகின்றன; வேறு சில தாக்கங்கள் வெப்பத்தை அகத்துறிஞ்சுகின்றன. இந்த வெப்ப மாற்றம் ஏன், எவ்வளவு என்பதைத் துல்லியமாக அளந்து விளக்கும் இரசாயனவியலின் பிரிவே சக்தியியல் ஆகும். ஒரு தாக்கம் தானாகவே நிகழுமா என்பதைக் கணித்துக் கூறுவதும் இவ்வலகின் மைய நோக்கமாகும்.
மாறா அமுக்க நிபந்தனைகளில் நடைபெறும் ஒரு தாக்கத்தின் வெப்ப மாற்றத்தை அளப்பதற்கு இரசாயனவியலாளர் வெப்பவுள்ளுறை (enthalpy, H) எனும் இயல்பைப் பயன்படுத்துகின்றனர். ஒரு பதார்த்தத்தின் முழுமையான வெப்பவுள்ளுறையை அளக்க முடியாது; எனவே நாம் உண்மையில் அளப்பது வெப்பவுள்ளுறை மாற்றம் (ΔH) ஆகும். ΔH என்பது விளைவுகளின் வெப்பவுள்ளுறைக்கும் தாக்கிகளின் வெப்பவுள்ளுறைக்கும் இடையேயான வேறுபாடாகும்.
இவ்வலகின் மைய எண்ணக்கரு
வெப்பவுள்ளுறை மாற்றம் ΔH ஒரு நிலைத் தொழிற்பாடு (state function) ஆகும் — அது தொகுதியின் தொடக்க நிலையிலும் இறுதி நிலையிலும் மட்டுமே தங்கியுள்ளது; மாற்றம் எந்தப் பாதையினூடாக நிகழ்ந்தது என்பதில் தங்கியிருப்பதில்லை. இந்த ஒரே கருத்தே இவ்வலகின் கணிப்புகள் அனைத்திற்கும் அடித்தளமாக அமைகின்றது.
- தொகுதியின் பார்வையில் குறியைத் தீர்மானித்தல் — தாக்கம் வெப்பத்தை வெளிவிட்டால் புறவெப்பத் தாக்கம் (ΔH < 0); வெப்பத்தை அகத்துறிஞ்சினால் அகவெப்பத் தாக்கம் (ΔH > 0). குறியைச் சரியாகக் கொடுப்பதே முதற்படியாகும்.
- ΔH ஒரு நிலைத் தொழிற்பாடு என்பதைப் பயன்படுத்துதல் — நேரடியாக அளக்க முடியாத வெப்பவுள்ளுறை மாற்றங்களை எசுவின் விதி (Hess's law) மூலமாகவும் பிணைப்புச் சக்தி மூலமாகவும் மறைமுகமாகக் கணிக்கலாம்.
- தாக்கம் தானாகவே நிகழுமா எனத் தீர்மானித்தல் — வெப்பவுள்ளுறை மாற்றம் ΔH உம் எந்திரப்பி மாற்றம் ΔS உம் சேர்ந்தே ஒரு தாக்கத்தின் சுயாதீன தன்மையைத் தீர்மானிக்கின்றன; இவ்விரண்டையும் இணைப்பது கிப்ஸின் சுயாதீன சக்தி ΔG = ΔH − TΔS ஆகும்.
இவ்வலகில் தனி வெப்பநிலை (கெல்வின்) மிக முக்கியமான இடம் வகிக்கின்றது. கிப்ஸ் சமன்பாட்டில் வெப்பநிலை T எப்போதும் கெல்வினில் இருக்க வேண்டும்; செல்சியசை நேரடியாகப் பயன்படுத்தினால் ΔG தவறாக அமையும்.
இவ்வலகு உள்ளடக்கும் பகுதிகள்
இவ்வலகு பின்வரும் பகுதிகளைப் படிப்படியாகக் கற்பிக்கின்றது. ஒவ்வொரு பகுதியும் அதற்கு முந்தைய பகுதியின் மீது கட்டியெழுப்பப்படுகின்றது.
- 5.1 வெப்ப இரசாயனத்திலும் வெப்ப இயக்கவியலிலும் உள்ள அடிப்படைப் பதங்கள் — தொகுதி, சூழல், எல்லை; திறந்த, மூடிய, தனிமைப்படுத்திய தொகுதிகள்; விரிவியல்புகளும் செறிவியல்புகளும்; நிலைத் தொழிற்பாடுகள்; வெப்பவுள்ளுறையும் வெப்பமும்.
- 5.2 வெப்பவுள்ளுறை மாற்றங்களும் நியம வெப்பவுள்ளுறை மாற்றங்களும் — புறவெப்ப அகவெப்பத் தாக்கங்கள், வெப்ப இரசாயனச் சமன்பாடுகள், வெப்பவுள்ளுறை வரிப்படங்கள், நியம தோன்றல், தகன, நடுநிலையாக்கல், அணுவாதல் வெப்பவுள்ளுறைகள்.
- 5.2 கலோரிமானம் (Calorimetry) — q = mcΔT எனும் சமன்பாட்டின் மூலம் வெப்ப மாற்றத்தை அளத்தல்.
- 5.2 எசுவின் விதி (Hess's law) — வெப்பவுள்ளுறை மாற்றத்தை மறைமுகமாகத் துணிதல்.
- 5.2 பிணைப்புச் சக்தி (Bond energy) — பிணைப்பு வெப்பவுள்ளுறை; ΔH = Σ(உடைக்கப்படும் பிணைப்புகள்) − Σ(உருவாகும் பிணைப்புகள்).
- 5.3 சாலக வெப்பவுள்ளுறை: போன்-ஏபர் சக்கரம் (Born-Haber cycle) — அயனச் சேர்வையொன்றின் சாலகச் சக்தியை வட்டச் சக்கரம் மூலம் கணித்தல்.
- 5.4 இரசாயனத் தாக்கங்களின் சுயாதீன தன்மை — எந்திரப்பி (entropy), கிப்ஸின் சுயாதீன சக்தி ΔG = ΔH − TΔS.
ΔH ஒரு நிலைத் தொழிற்பாடு என்னும் மைய எண்ணக்கருவின் மீது அலகின் ஒவ்வொரு பகுதியும் கட்டியெழுப்பப்படுகின்றது.
முன்னோக்கிய இணைப்புகள்
இவ்வலகில் கற்கும் கருத்துகள் பிற்பகுதி அலகுகளில் தொடர்ந்து பயன்படுத்தப்படுகின்றன. அலகு 12 (இரசாயனச் சமநிலை) கிப்ஸின் சுயாதீன சக்தியை சமநிலை மாறிலியுடன் இணைக்கின்றது; ΔG = 0 என்பது சமநிலையின் நிபந்தனையாகும். எனவே சக்தியியலை நன்கு கற்றுத் தேர்வது பிற்காலக் கணிப்புகளுக்கு உறுதியான அடித்தளமாக அமையும்.
- ΔH இன் குறியைக் குழப்புதல் — புறவெப்பத் தாக்கத்திற்கு ΔH < 0 (வெப்பம் வெளிவிடப்படுகின்றது), அகவெப்பத் தாக்கத்திற்கு ΔH > 0 (வெப்பம் அகத்துறிஞ்சப்படுகின்றது). குறியை மறந்தால் முழு விடையும் தவறாகும்.
- வெப்பநிலையைக் கெல்வினுக்கு மாற்றாமை — ΔG = ΔH − TΔS சமன்பாட்டில் T எப்போதும் கெல்வினில் இருக்க வேண்டும். 25 °C ஐ 25 எனப் பயன்படுத்தாமல், 25 + 273 = 298 K எனப் பயன்படுத்த வேண்டும்.
- ΔH உம் ΔS உம் அலகுகளைக் கலந்துவிடுதல் — ΔH பொதுவாக kJ mol⁻¹ இலும், ΔS பொதுவாக J K⁻¹ mol⁻¹ இலும் தரப்படுகின்றன. TΔS ஐ ΔH உடன் கூட்டுவதற்கு முன் இரண்டையும் ஒரே அலகுக்கு (kJ அல்லது J) மாற்ற வேண்டும்.
- பிணைப்புச் சக்திச் சமன்பாட்டின் வரிசையை மாற்றுதல் — ΔH = Σ(உடைக்கப்படும் பிணைப்புகள்) − Σ(உருவாகும் பிணைப்புகள்); இதை எதிர்வரிசையில் எழுதினால் குறி தலைகீழாகும்.
- எசுவின் விதியில் சமன்பாட்டைத் திருப்பும்போது குறியை மாற்றாமை — ஒரு வெப்ப இரசாயனச் சமன்பாட்டை எதிர்த்திசையில் எழுதும்போது ΔH இன் குறியும் மாறுகின்றது; ஒரு குணகத்தால் பெருக்கும்போது ΔH உம் அதே குணகத்தால் பெருக்கப்பட வேண்டும்.
பகுதி I இல் புறவெப்ப அகவெப்பத் தாக்கங்களை அடையாளம் காணுதல், நியம வெப்பவுள்ளுறைகளின் வரைவிலக்கணம், எசுவின் விதி அடிப்படையிலான கணிப்புகள் ஒவ்வொரு வருடமும் கேட்கப்படுகின்றன. பகுதி II இன் கட்டமைப்பு வினாக்களில், எசுவின் விதி அல்லது பிணைப்புச் சக்தியைப் பயன்படுத்தி ΔH கணிக்கப்படுவதும், போன்-ஏபர் சக்கரம் வரைதலும், ΔG = ΔH − TΔS பயன்படுத்தி சுயாதீன தன்மையைத் தீர்மானித்தலும் வழமையான வினாக்களாகும். குறியையும் அலகுச் சீர்மையையும் உறுதிசெய்வது தேர்வில் மதிப்பெண் இழக்காமல் இருக்க அவசியமாகும்.
Thermodynamics overview
Credit: Wikimedia Commons · CC BY-SA 4.0
📖 மேலதிக தகவல் / More on Wikipedia →