تفريغ درس: المعادلات الكيميائية الحرارية

تفريغ درس: المعادلات الكيميائية الحرارية
الصفحات: 25-30

========================================
الصفحة 25
========================================

1-3
المعادلات الكيميائية الحرارية
Thermochemical Equations

الأهداف

• تكتب معادلات كيميائية حرارية تمثل تفاعلات كيميائية وعمليات أخرى.
• تصف كيف تفقد الطاقة أو تكتسب في أثناء تغيرات الحالة الفيزيائية للمادة.
• تحسب الطاقة الممتصة أو المنطلقة في تفاعل كيميائي.

مراجعة المفردات
تفاعل الاحتراق: هو تفاعل كيميائي يحدث عند تفاعل مادة مع الأكسجين، مطلقًا طاقة على شكل حرارة وضوء.

المفردات الجديدة

• المعادلة الكيميائية الحرارية.
• حرارة الاحتراق.
• حرارة التبخر المولارية.
• حرارة الانصهار المولارية.

الفكرة الرئيسة
تعبر المعادلات الكيميائية الحرارية عن مقدار الحرارة المنطلقة أو الممتصة في التفاعلات الكيميائية.

الربط مع الحياة
هل شعرت في أي وقت بالإجهاد بعد سباق صعب أو أي نشاط شاق؟ إذا شعرت أن طاقة جسمك أصبحت أقل مما كانت عليه قبل ذلك الحدث فقد كنت على حق. يتعلق ذلك الشعور بالتعب بتفاعلات الاحتراق التي تحدث داخل خلايا جسمك، وهو الاحتراق نفسه الذي قد تشاهده عند احتراق الوقود.

كتابة المعادلات الكيميائية الحرارية
Writing Thermochemical Equations

إن التغير في الطاقة جزء مهم من التفاعلات الكيميائية، لذلك يضمن الكيميائيون ΔH في الكثير من المعادلات الكيميائية. وتسمى المعادلات الكيميائية التي تكتب فيها قيم ΔH معادلات كيميائية حرارية.

4Fe(s) + 3O2(g) → 2Fe2O3(s) ΔH = -1625 kJ
NH4NO3(s) → NH4+(aq) + NO3-(aq) ΔH = 27 kJ

تكتب المعادلة الكيميائية الحرارية في صورة معادلة كيميائية موزونة تشتمل على الحالات الفيزيائية لجميع المواد المتفاعلة والناتجة، والتغير في الطاقة، والذي يعبر عنه عادة بأنه تغير في المحتوى الحراري ΔH.

ينتج عن تفاعل احتراق الجلوكوز C6H12O6 الطارد للحرارة - في أثناء عملية الأيض في الجسم - كمية كبيرة من الطاقة، كما هو مبين في المعادلة الكيميائية:

C6H12O6(s) + 6O2(g) → 6CO2(g) + 6H2O(l) ΔHcomb = -2808 kJ

يسمى المحتوى الحراري الناتج عن حرق 1 mol من المادة احتراقًا كاملًا حرارة الاحتراق enthalpy (heat) of combustion (ΔHcomb). ويبين الجدول 1-3 تغيرات المحتوى الحراري القياسية لعدة مواد. ويستعمل الرمز ΔH° ليدل على تغير المحتوى الحراري القياسي. فالرمز (°) يبين أن تغيرات المحتوى الحراري قد تم تحديدها للمواد المتفاعلة والنواتج جميعها عند الظروف القياسية (ضغط جوي 1 atm ودرجة حرارة 25°C)، ويجب عدم الخلط بينها وبين درجة الحرارة والضغط القياسيين STP.

[صورة مرتبطة: رابط_الدرس_الرقمي_QR.png]

========================================
========================================

المطويات
أدخل معلومات من هذا القسم في مطويتك.

الجدول 1-3: حرارة الاحتراق القياسية

| المادة | الصيغة الكيميائية | ΔH°comb kJ/mol |
|---|---|---:|
| السكروز (سكر المائدة) | C12H22O11(s) | -5644 |
| الأوكتان (أحد مكونات البنزين) | C8H18(l) | -5471 |
| الجلوكوز (سكر بسيط يوجد في الفواكه) | C6H12O6(s) | -2808 |
| البروبان (وقود غازي) | C3H8(g) | -2219 |
| الميثان (وقود غازي) | CH4(g) | -891 |

[صورة مرتبطة: الجدول_1-3_حرارة_الاحتراق_القياسية.png]

تغيرات الحالة
Changes of State

هناك الكثير من العمليات غير الكيميائية التي تمتص الطاقة فيها أو تطلق. فكر مثلًا فيما يحدث عندما تخرج من حمام ساخن؛ لا بد أنك تشعر برعشة جسمك في أثناء تبخر الماء عن جلدك؛ وذلك لأن جلدك يزود الماء بالحرارة التي يحتاج إليها لكي يتبخر، وكلما امتص الماء الحرارة من جلدك وتبخر ازدادت برودة جسمك.

تسمى الحرارة اللازمة ليتبخر 1 mol من سائل حرارة التبخر المولارية (ΔHvap) Molar enthalpy (heat) of vaporization. وبالتالي أيضًا إذا أردت شرب كأس ماء بارد فقد تضع فيه مكعبًا من الثلج، فيبرد الماء؛ لأنه يزود مكعب الثلج بالحرارة لكي ينصهر. تسمى الحرارة اللازمة لصهر 1 mol من مادة صلبة حرارة الانصهار المولارية (ΔHfus) Molar enthalpy (heat) of fusion. ولأن تبخر السائل وصهر المادة الصلبة عمليتان ماصتان للحرارة، تكون ΔH لكل من العمليتين موجبة. يبين الجدول 1-4 حرارة التبخر والانصهار القياسية لعدد من المواد المألوفة.

الجدول 1-4: حرارة التبخر والانصهار القياسية

| المادة | الصيغة الكيميائية | ΔH°vap kJ/mol | ΔH°fus kJ/mol |
|---|---|---:|---:|
| الماء | H2O | 40.7 | 6.01 |
| الإيثانول | C2H5OH | 38.6 | 4.94 |
| الميثانول | CH3OH | 35.2 | 3.22 |
| حمض الإيثانويك (الخلي) | CH3COOH | 23.4 | 11.7 |
| الأمونيا | NH3 | 23.3 | 5.66 |

[صورة مرتبطة: الجدول_1-4_حرارة_التبخر_والانصهار_القياسية.png]

========================================
========================================

المعادلات الكيميائية الحرارية لتغيرات الحالة
يمكن وصف تبخر الماء وصهر الجليد بالمعادلتين الآتيتين:

H2O(l) → H2O(g) ΔHvap = 40.7 kJ
H2O(s) → H2O(l) ΔHfus = 6.01 kJ

تبين المعادلة الأولى أن 40.7 kJ من الطاقة تمتص عندما يتحول 1 mol من الماء إلى 1 mol من بخار الماء، بينما تشير المعادلة الثانية إلى أن 6.01 kJ من الطاقة تمتص عندما ينصهر مول واحد من الجليد ليكون مولًا واحدًا من الماء السائل.

ماذا يحدث في العمليتين العكسيتين عندما يتكثف بخار الماء ليكون الماء السائل أو عندما يتجمد الماء مكونًا الجليد؟ كميات الحرارة في هذه العمليات الطاردة للحرارة مساوية لكميات الحرارة التي تمتص في عمليتي التبخر والانصهار الماصتين للحرارة. وهكذا فإن قيمة حرارة التكثف المولارية Molar enthalpy (heat) of condensation (ΔHcond) وقيمة حرارة التبخر المولارية متساويتان رقميًا وإن اختلفتا في الإشارة. كذلك فإن قيمة حرارة التجمد المولارية (ΔHsolid) وقيمة حرارة الانصهار المولارية لها القيمة الرقمية نفسها، ولكنها تختلفان في الإشارة. وهذه العلاقات موضحة في الشكل 1-9.

ΔHvap = -ΔHcond
ΔHfus = -ΔHsolid

قارن بين معادلتي تكثف وتجمد الماء الآتيتين بالمعادلتين المتعلقتين بتبخر الماء وصهره.

H2O(g) → H2O(l) ΔHcond = -40.7 kJ
H2O(l) → H2O(s) ΔHsolid = -6.01 kJ

يستغل بعض المزارعين في البلاد الباردة حرارة انصهار الماء لحماية الفاكهة والخضروات من التجمد. فإذا كان من المتوقع أن تنخفض درجة الحرارة إلى درجة التجمد في أحد الأيام فإنهم يرشون بساتينهم وحقولهم بالماء في تلك الليلة. ويعود السبب في ذلك إلى أن عملية تجمد الماء تطلق طاقة ΔHsolid تدفئ الهواء المحيط لدرجة كافية لمنع الفاكهة والخضروات من التلف. وسوف ترسم في مختبر حل المشكلات الآتي منحنى تسخين الماء لتفسير استعمال حرارة الانصهار والتبخر.

ماذا قرأت؟
صنف عمليات كل من التكثف، والتجمد، والتبخر، والانصهار، إلى طاردة للحرارة أو ماصة لها.

الشكل 1-9
الأسهم التي تشير إلى أعلى تدل على أن طاقة النظام تزداد عندما ينصهر الماء، ثم يتبخر. وتدل الأسهم التي تشير إلى أسفل على أن طاقة النظام تقل عندما يتكثف الماء ويتجمد.

تغيرات حالة الماء:
H2O(g)
ΔHvap = +40.7 kJ
ΔHcond = -40.7 kJ
H2O(l)
ΔHfus = +6.01 kJ
ΔHsolid = -6.01 kJ
H2O(s)
المحتوى الحراري

[صورة مرتبطة: الشكل_1-9_تغيرات_حالة_الماء_والمحتوى_الحراري.png]

=======================================
========================================

مختبر حل المشكلات
اعمل رسومًا بيانية واستعملها

كيف ترسم منحنى التسخين للماء؟
تتجاذب جزيئات الماء بشدة بعضها نحو بعض لأنها قطبية، وتكون روابط هيدروجينية فيما بينها. وتفسر قطبية الماء حرارته النوعية العالية، وحرارة الانصهار والتبخر العاليتين نسبيًا.

التحليل
استعمل بيانات الجدول لرسم منحنى التسخين لعينة من الماء كتلتها 180 g عند تسخينها بمعدل ثابت من -20°C إلى 120°C. ثم سجل الوقت الذي يحتاج إليه الماء ليمر في كل قطاع من الرسم البياني.

التفكير الناقد

• حلل كلًا من الأجزاء الخمسة من الرسم، والتي تتميز بتغير حاد في ميل المنحنى، وبين كيف يغير امتصاص الحرارة من طاقة الوضع وطاقة الحركة لجزيئات الماء.
• احسب كمية الحرارة اللازمة لكل منطقة من الرسم.

180 g H2O = 10 mol H2O, ΔHfus = 6.01 kJ/mol,
ΔHvap = 40.7 kJ/mol, C(H2O(s)) = 2.03 J/g·°C,
C(H2O(l)) = 4.184 J/g·°C, C(H2O(g)) = 2.01 J/g·°C

ما علاقة الزمن اللازم في كل منطقة في الرسم بكمية الحرارة الممتصة؟

• استنتج كيف يبدو شكل منحنى التسخين للإيثانول؟ ينصهر الإيثانول عند -114°C ويغلي عند 78°C. ارسم منحنى تسخين الإيثانول في مدى درجات الحرارة من -120°C إلى 90°C. ما العوامل التي تحدد طول الأجزاء التي تثبت فيها درجة الحرارة (الخطوط الأفقية)، وميل المنحنى بين الأجزاء التي تتغير فيها درجة الحرارة؟

بيانات الزمن ودرجة حرارة الماء

| الزمن min | درجة الحرارة °C | الزمن min | درجة الحرارة °C |
|---:|---:|---:|---:|
| 0.0 | -20 | 13.0 | 100 |
| 1.0 | 0 | 14.0 | 100 |
| 2.0 | 0 | 15.0 | 100 |
| 3.0 | 9 | 16.0 | 100 |
| 4.0 | 26 | 17.0 | 100 |
| 5.0 | 42 | 18.0 | 100 |
| 6.0 | 58 | 19.0 | 100 |
| 7.0 | 71 | 20.0 | 100 |
| 8.0 | 83 | 21.0 | 100 |
| 9.0 | 92 | 22.0 | 100 |
| 10.0 | 98 | 23.0 | 100 |
| 11.0 | 100 | 24.0 | 100 |
| 12.0 | 100 | 25.0 | 120 |

[صورة مرتبطة: مختبر_حل_المشكلات_منحنى_التسخين_للماء.png]

=======================================
========================================

مثال 1-4

الحرارة المنطلقة من تفاعل
يستعمل المسعر في قياس الحرارة الناتجة عن تفاعلات الاحتراق؛ إذ يتم التفاعل في حجم ثابت يحوي أكسجينًا مضغوطًا ضغطًا عاليًا. ما كمية الحرارة الناتجة عن احتراق 54.0 g جلوكوز C6H12O6 بحسب المعادلة الآتية:

C6H12O6(s) + 6O2(g) → 6CO2(g) + 6H2O(l) ΔHcomb = -2808 kJ

1 تحليل المسألة
لديك كتلة معروفة من الجلوكوز، ومعادلة احتراق الجلوكوز و ΔHcomb. عليك تحويل جرامات الجلوكوز إلى مولات. ولأن الكتلة المولية للجلوكوز أكثر ثلاث مرات من كتلة الجلوكوز المحترق، يمكنك أن تتوقع أن الحرارة الناتجة ستكون أقل من ثلث ΔHcomb.

المعطيات
كتلة الجلوكوز C6H12O6 = 54.0 g
ΔHcomb = -2808 kJ

المطلوب
q = ? kJ

2 حساب المطلوب
حوّل جرامات C6H12O6 إلى مولات C6H12O6.

54.0 g C6H12O6 × (1 mol C6H12O6 / 180.18 g C6H12O6) = 0.300 mol C6H12O6

اضرب مولات C6H12O6 في المحتوى الحراري للاحتراق ΔHcomb للحصول على الحرارة:

0.300 mol C6H12O6 × (2808 kJ / 1 mol C6H12O6) = 842 kJ

3 تقويم الإجابة
الطاقة الناتجة أقل من ثلث ΔHcomb.

مسائل تدريبية

• احسب الحرارة اللازمة لصهر 25.7 g من الميثانول الصلب عند درجة انصهاره. استعن بالجدول 1-4.
• ما كمية الحرارة المنطلقة عن تكثف 275 g من غاز الأمونيا إلى سائل عند درجة غليانه؟ استعن بالجدول 1-4 لتحديد ΔHcond.
• تحفيز: ما كتلة الميثان CH4 التي يجب احتراقها لإطلاق 12880 kJ من الحرارة؟ استعن بالجدول 1-3.

[صورة مرتبطة: مثال_1-4_الحرارة_المنطلقة_من_تفاعل_احتراق_الجلوكوز.png]

تجربة عملية
حرارة احتراق مادة الشمع
ارجع إلى دليل التجارب العملية على منصة عين الإثرائية.

[صورة مرتبطة: تجربة_عملية_حرارة_احتراق_مادة_الشمع_QR.png]

الربط مع علم الأحياء
عند احتراق 1 mol من الجلوكوز في مسعر ينطلق 2808 kJ من الحرارة. وتنطلق الكمية نفسها من الحرارة في عملية أيض كتلة مساوية من الجلوكوز خلال عملية التنفس الخلوي، وتحدث هذه العملية في كل خلية داخل جسمك في سلسلة من الخطوات المعقدة؛ حيث يتكسر الجلوكوز وينطلق ثاني أكسيد الكربون والماء اللذان ينتجان أيضًا عن حرق الجلوكوز في المسعر، وتخزن الحرارة الناتجة في صورة طاقة وضع كيميائية في روابط جزيئات ثلاثي فوسفات الأدينوسين ATP. وعندما يحتاج أي جزء من الجسم إلى الطاقة تقوم جزيئات ATP بإطلاق كمية الطاقة المطلوبة.

[صورة مرتبطة: الربط_مع_علم_الأحياء_ATP_واحتراق_الجلوكوز.png]

=======================================
========================================

تفاعلات الاحتراق
Combustion Reactions

تفاعل الاحتراق عبارة عن تفاعل الوقود مع الأكسجين. وفي الأنظمة الحيوية يعد الطعام الوقود اللازم للاحتراق. يبين الشكل 1-10 بعض الأغذية العديدة التي تحتوي على الجلوكوز. بالإضافة إلى أغذية أخرى تحتوي على الكربوهيدرات، والتي تتحول بدورها إلى جلوكوز داخل جسمك. كما أنك تعتمد على تفاعلات الاحتراق في تدفئة منزلك. فمثلًا يحرق غاز الميثان بوصفه وسيلة لطهو الطعام أو تدفئة المنازل؛ إذ ينتج عن حرق 1 mol من الميثان 891 kJ من الطاقة الحرارية، كما تبين المعادلة الكيميائية:

CH4(g) + 2O2(g) → CO2(g) + 2H2O(l) + 891 kJ

تعمل معظم المركبات - ومنها السيارات والطائرات والسفن والشاحنات - باحتراق الجازولين، والذي يتكون غالبًا من الأوكتان C8H18. ويبين الجدول 2-3 أن احتراق 1 mol من الأوكتان ينتج 5471 kJ من الحرارة.

C8H18(l) + 25/2 O2(g) → 8CO2(g) + 9H2O(l) + 5471 kJ

كما يتفاعل الهيدروجين والأكسجين معًا لتوفير الطاقة اللازمة لرفع مكوك الفضاء إلى ارتفاعات شاهقة في الفضاء.

H2(g) + 1/2 O2(g) → H2O(l) + 286 kJ

الشكل 1-10
هذه الأغذية هي وقود للجسم؛ فهي تزود الجسم بالجلوكوز الذي يحترق لإنتاج 2808 kJ/mol ليقوم الجسم بأنشطته الحيوية.

[صورة مرتبطة: الشكل_1-10_الأغذية_وقود_للجسم_والجلوكوز.png]

التقويم 1-3

الخلاصة

• تحتوي المعادلة الكيميائية الحرارية على الحالات الطبيعية للمواد المتفاعلة والنواتج، كما تبين التغير في المحتوى الحراري.
• حرارة التبخر المولارية ΔHvap هي كمية الطاقة اللازمة لتبخر مول واحد من السائل.
• حرارة الانصهار المولارية ΔHfus هي كمية الحرارة اللازمة لصهر مول واحد من المادة الصلبة.

• الفكرة الرئيسة: اكتب معادلة كيميائية حرارية كاملة لاحتراق الإيثانول C2H5OH إذا علمت أن ΔHcomb = -1367 kJ/mol.

• حدد أي العمليات الآتية طاردة للحرارة، وأيها ماصة لها؟

أ. C2H5OH(l) → C2H5OH(g)
ب. Br2(l) → Br2(s)
ج. C5H12(g) + 8O2(g) → 5CO2(g) + 6H2O(l)

• اشرح كيف يمكنك حساب الحرارة المنطلقة عند تجمد 0.25 mol ماء.

• احسب كمية الحرارة المنطلقة عند احتراق 206 g من غاز الهيدروجين؟

ΔHcomb = -286 kJ/mol

• طبق: إذا كانت حرارة التبخر المولارية للأمونيا هي 23.3 kJ/mol فما مقدار حرارة التكثف المولارية للأمونيا؟

• تفسير الرسوم العلمية: يبين الرسم المجاور المحتوى الحراري للتفاعل A → C. هل التفاعل طارد أم ماص للحرارة؟ فسر إجابتك.

[صورة مرتبطة: تقويم_1-3_المعادلات_الكيميائية_الحرارية.png]