طاقة التفاعلات
الكيمياء الحرارية : علم يعني بدراسة انتقال الطاقة على صورة حرارة والذي يصاحب التفاعلات الكيميائية والتغيرات الفيزيائية .
الحرارة ودرجة الحرارة
درجة الحرارة : هي قياس رقمي لمعدل الطاقة الحركية لجسيمات عينة من المادة . وهي تزداد بزيادة الطاقة الحركية لجسيمات المادة ، فتصبح المادة أكثر سخونة . ولقياس درجة الحرارة يستخدم إما المقياس المئوي (السيليزي) أو مقياس كلفن والذي يساوي 273 + درجة الحرارة المئوية . K = 273 + 0C
الجول : هو وحدة قياس الطاقة المنتقلة كحرارة ، وهو وحدة الحرارة في النظام الدولي . وفي الغالب ستخدم وحدة الكيلو جول kJ وهي تساوي 1000 J .
الحرارة : هي صورة للطاقة تنتقل تلقائيا من جسم أعلى في درجة الحرارة إلى جسم أقل في درجة الحرارة .
وتعتمد كمية الطاقة المنتقلة كحرارة على :
* طبيعة المادة ، * كتلة المادة (m) * ومقدار التغير في درجة الحرارة (Δt)
فأنت ترى أن درجة حرارة جسم السيارة (الحديد) ظهراً وفي الصيف أعلى بكثير من درجة حرارة ماء البحر ، والسبب في ذلك هو اختلاف طبيعة الحديد عن الماء أي اختلاف ما يعرف بالحرارة النوعية . فما هي الحرارة النوعية؟
الحرارة النوعيةcp : هي كمية الطاقة اللازمة لرفع درجة حرارة جرام واحد من المادة درجة مئوية واحدة (10C) أو كلفناً واحداً (1K) . هل عرفت الآن سبب ارتفاع درجة حرارة جسم السيارة ( الحديد) عن درجة حرارة مياه البحر؟ إن السبب في ذلك هو ارتفاع الحرارة النوعية للماء عنها للحديد حيث يسخن الحديد بسرعة لأنه يحتاج إلى طاقة أقل لرفع درجة حرارته عما يحتاجه الماء . وفي الجدول ص 129 تجد أن الحرارة النوعية للماء = 4.18 J/(g*K) وهي الأعلى بين المواد الشائعة ، بينما تجد الحرارة النوعية للحديد = 0.449 J/(g.K) .
وتقاس الحرارة النوعية تحت ضغط ثابت، (نظراً لأن الضغط يؤثر في الحجم والذي يؤثر في الكتلة) ويرمز لها (cp) . وإذا كانت q تمثل الطاقة المفقودة أو المكتسبة ، m كتلة العينة ، ΔT فرق درجتي الحرارة يكون :
, q = cp × m × Δ T ,
مسألة نموذجية 5 ـ 1 : سخن 4.0 g من الزجاج من 274 K إلى 314 K فامتص طاقة حرارية مقدارها 32 J .
أ ـ ما الحرارة النوعية لهذا النوع من الزجاج ؟ t = 40 KΔ
ب ـ كم يكتسب من الطاقة هذا النوع من الزجاج عند تسخينه من 314 K إلى 344 K ؟ Δt = 30.0 K
الحل : أ – الحرارة النوعية
cp = 32 J ÷ (4.0 g × 40.0 K) = 0.20 J/(g.K)
ب – كمية الطاقة 0.20 × 4.0 × 30.0 = 24 J q = cp × m × Δ T =
مسألة 2 ص 130 : إذا أضيف 980 kJ من الطاقة إلى 6.2 L من الماء عند درجة حرارة 291K ـ ما درجة الحرارة النهائية للماء ؟ علماً بأن الحرارة النوعية للماء = 4.18 J (g*K) . ( كثافة الماء = 1 g/cm3 فتكون كتلة الماء = 6.2 kg = 6200 g )
الحل : q = cp × m × Δ T
الطاقة = kJ 980 = 980000 جول ،
الكتلة = 6.2 kg = 6.2×1000 g
= 38 K
درجة الحرارة النهائية T = T1 + Δ T = 291 + 38 = 329 K
حرارة التفاعل :
المحتوى الحراري H : هومجموع الطاقات لمكونات نظام . وهو رمز لكمية لا توجد طريقة لقياسها في نظام مباشرة .
التغير في المحتوى الحراري ΔH : هو كمية الطاقة الممتصة أو المنطلقة على صورة حرارة من قبل نظام معين خلال عملية تجري تحت ضغط ثابت . ( المتفاعلات) H − ( النواتج ΔH = H (
حرارة التفاعل : هي كمية الطاقة المنتقلة ( الممتصة أو المنطلقة ) كحرارة أثناء التفاعل الكيميائي .
التفاعلات الطاردة للحرارة : عند حرق الهيدروجين في جو من الأكسجين تنطلق طاقة ، وتكتب المعادلة كالتالي :
2H2O(g) + 483.6 kJ →2H2(g) + O2(g)
وانطلاق الطاقة يعني أن المحتوى الحراري للنواتج أقل من المحتوى الحراري للمتفاعلات ، والفرق خرج على صورة طاقة حرارية منطلقة . وحيث أن .
( المتفاعلات) H − ( النواتج ΔH = H (
فإن إشارة ΔH تكون سالبة (H للمتفاعلات أكبر من H للنواتج) . تكوّن الماء طارد للحرارة .
ولذا فإنه يمكن كتابة المعادلة كالتالي : 2H2O(g) , ΔH = − 483.6 kJ → 2H2(g) + O2(g)
التفاعلات الماصة للحرارة : إذا أردنا أن نعكس المعادلة السابقة ، أي إذا أردنا الحصول على الهيدروجين والأكسجين من الماء ، فإننا نحتاج إلى الطاقة التي انطلقت لنعيد المواد إلى ما كانت عليه ، وتكتب المعادلة كالتالي :
2H2(g) + O2(g) → 483.6 KJ + 2H2O(g)
وحيث أن المحتوى الحراري للنواتج أكبر من المحتوى الحراري للمتفاعلات فإن إشارة ΔH تكون موجبة ، وتكتب المعادلة كالتالي : 483.6 kJ + = HΔ 2H2(g) + O2(g) , → 2H2O(g)
إشارة ΔH موجبة ، تفكك الماء ماص للحرارة .
الشكلين التاليين يبينان العلاقة بين سير التفاعل والطاقة لكل من التفاعلات الطاردة والماصة للحرارة :
لدى استخدامك المعادلات الكيميائية الحرارية لاحظ أن :
1. المعاملات فيها تمثل عدد مولات وليس جزيئات فيمكن أن تكون كسوراً .
2. الحالة الفيزيائية للمواد عامل مهم فيجب ذكره في المعادلات .
3. التغير في الطاقة الممثل في المعادلة الحرارية يتناسب طردياً مع عدد المولات .
4. قيمة تغير الطاقة ΔH لا تتأثر عادة بتغير درجة الحرارة .
حرارة التكوين ΔH0f :هو تغير الحرارة الذي يحصل لدى تكوين مول واحد من مركب من عناصره في حالتها القياسية . والحالة القياسية هي حالة المادة عند درجة حرارة 250C وتحت ضغط 1atm .
ففي التفاعل 2H2O(g) , ΔH = − 483.6 kJ →2H2(g) + O2(g)
بالقسمةعلى 2 نجد H2O(g) , ΔH0f = − 241.8 kJ → H2(g) + ½ O2(g)
تكون حرارة تكوين الماء ( 1 مول ) في الحالة الغازية = −241.8 KJ
الجدول في الكتاب ص 179 يبين حرارات التكوين لمواد مختلفة ( لاحظ ذكر حالة المادة المتكونة )
استقرار المركبات وحرارة تكوينها :
في التفاعل 2H2O(g) , ΔH = − 483.6 kJ → 2H2(g) + O2(g)
يتكون الماء وتنطلق طاقة حرارية ، ولكي يتفكك الماء فإنه يحتاج إلى هذه الطاقة ، أي أن جزيئات الماء تكون ثابتة ولا تتفكك إلا إذا اكتسبت هذه الطاقة .
المركبات التي تكون إشارة ΔH0f لها سالبة ( تفاعلات التكوين الطاردة للحرارة ) تكون ثابتة حرارياً ، وكلما كانت القيمة العددية لحرارة التكوين بإشارتها السالبة كبيرة كان المركب أكثر ثباتاً حرارياً .
أما المركبات التي تكون إشارة ΔH0f لها موجبة ( تفاعلات التكوين لها ماصة للحرارة ) ، فإنها تكون غير ثابتة حرارياً ، وتتفكك تلقائياً ، لأنها تريد أن تتخلص من هذه الطاقة الزائدة عن حاجتها للثبات . وكلما كانت القيمة العددية لحرارة التكوين بإشارتها الموجبة كبيرة ، تكون أقل استقراراً .
والمركبات التي لها حرارة تكوين موجبة وعالية غير مستقرة تماماً ، وقد تتفاعل أو تتفكك بشدة . فالأسيتيلين C2H2
(ΔH0f = + 226.7 kJ/mol ) يتفاعل بقوة مع الأكسجين لذا فهو يحفظ في اسطوانات محلولاً في الأسيتون . كما أن فلمينات الزئبق HgC2N2O2 له حرارة تكوين عالية جداً ( + 270 kJ/mol ) ولكونه غير مستقر فإنه يستخدم كصاعق للمتفجرات .
سؤال : رتب تصاعدياً المركبات التالية تبعاً لدرجة الثبات الحراري اعتماداً على قيم ΔH0f (KJ/mol) .
(ΔH0f = −110.5) CO , (ΔH0f = − 45.9)NH3 , (ΔH0f = +33.2)NO2 (ΔH0f = +90.92) NO , .
الحل : الترتيب هو الأقل ثباتاً هو NO ثم NO2 ثم NH3 ثم CO أكثرها استقراراً .
سؤال : علل يخزن الأسيتيلين في اسطوانات محلولاً في الأسيتون ؟
جواب : حرارة تكوين الأسيتيلين ΔH0f إشارتها موجبة ، وقيمتها العددية كبيرة ΔH0f = +226KJ) ( ، ولذا فهو غير مستقر ، وهو يتفاعل بشدة مع الأكسجين لذا فهو يخزن محلولاً في الأسيتون .
حرارة الاحتراق ΔH0C :
الاحتراق : هو تفاعل كيميائي للمادة مع الأكسجين ينتج عنه كمية كبيرة من الطاقةعلى صورة حرارة وضوء .
حرارة الاحتراق ΔH0C : هي كمية الحرارة ( الطاقة ) المنطلقة عند احتراق مول
واحد من المادة في وفرة من الأكسجين احتراقاً تاماً . ويمكن قياس حرارة الاحتــراق
بواسطة كالوريمتر الاحتراق. حيث تحرق كتلة معروفة من المادة في الصحن ، بواسطة شحنة كهربية في أكسجين نقي، فتسخن
الحاوية الفولاذية والماء المحيط بها . ويستخدم الفرق بين درجتي الحرارة الابتدائية والنهائية لحساب كمية الطاقة المنطلقة من التفاعل كحرارة .
حساب حرارة التفاعل :
يمكن إعادة ترتيب معادلات الكيمياء الحرارية وجمعها لتعطي تغيرات في قيم
حرارةالتفاعل وذلك بتطبيق قانون هس.
قانون هس : التغير في المحتوي الحراري ΔH لأي تفاعل كيميائي قيمته ثابتة ـ سواء تم التفاعل في خطوة واحدة أو في عدة خطوات .
وهذا يتيح لنا حساب حرارة التفاعلات ، وكذا حرارت التكوين التي يصعب أو يستحيل قياسها في الواقع .
مثال: لحساب حرارة تكوين غاز الميثان من عنصريه (C , H) والتي يصعب قياسها عملياً نحسبها بقانون هس .
CH4(g) , ΔH = ? → C(s) + 2H2(g)
الحل : نأخذ معادلات احتراق كل من الكربون والهيدروجين والميثان :
CO2(g) , ΔH0C = −393.5 kJ → 1 - C(s) + O2(g)
H2O(l) , ΔH0C = −285.8 kJ → 2 - H2(g) + ½ O2(g)
CO2(g) + 2H2O(l) , ΔH0C = −890.8 kJ →3 - CH4(G) + 2O2(g)
نضرب المعادلة الثانية في 2 ، ونعكس المعادلة الثالثة ثم نجمع ونختصر:
حيث نجد بالحساب أن حرارة تكوين الميثان من عنصريه = −74.3KJ حسابياً .
وإذا كان لدينا حرارات تكوين جميع المواد المتواجدة في تفاعل ، فإنه يمكن حساب حرارة التفاعل كالتالي :
مجموع ΔH0f للمتفاعلات − مجموع ΔH0f للنواتج ΔH0 =.
مسألة نموذجية : 5 ـ 3 : احسب حرارة التفاعل لاحتراق غاز أول أكسيد النيتروجين NO لتكوين غاز ثاني أكسيد النيتروجين NO2 كما في المعادلة الكيميائية الحرارية التالية : NO(g) + ½ O2(g) → NO2(g)
الحل : هناك طريقتان للحل ، حسب المعطيات ، فإذا أعطينا معادلات تكوين NO , NO2 فإنه يمكن استخدام قانون هس . أما إذا أعطينا قيم حرارات التكوين كما في الملحق (5 ـ أ ) فيمكن حلها باستخدام قانون ΔH0 = الفرق بين حرارات تكوين النواتج والمتفاعلات .
من الجدول نجد أن ΔH0f (NO2) = + 33.2 mol , ΔH0f (NO) = + 90.29 kJ/mol , ΔH0f (O2) = 0 kJ/mol
يمكن استخدام العلاقة :
مجموع ΔH0f للمتفاعلات − مجموع ΔH0f للنواتج ΔH0 =
ΔH0 = ΔH0f ( NO2) − [ ΔH0f (NO ) + ΔH0f (O2) ]
= + 33.2 kJ / mol − ( + 90.29 kJ / mol + 0 kJ / mol )
= + 33.2 kJ / mol – 90.29 kJ / mol
= − 57.1 kJ
حساب حرارة التكوين :
حساب حرارة تكوين CO من عنصرية عملية صعبة ، لإنه عند حرق الكربون في كمية محدودة من الأكسجين ينتج مزيج من CO , CO2 ، ولكن يمكن حسابها من معرفة حرارة تكوين CO2 وحرارة احتراق CO كالتالي:
C(S) + ½ O2(g) → CO(g) , ΔH0f = ?
الحل :
مسألة نموذجية : 5 ـ 4
الحل : نعكس معادلة احتراق البنتان لحاجتنا إليه كناتج ، ونضرب معادلة تكوين CO2 في 5 لتعطي 5C كمتفاعل ، ونضرب معادلة تكوين الماء في 6 لتعطي 6H2 كمتفاعل ثم نجمع المعادلات فينتج لدينا المعادلة النهائية التالية :
5C(s) + 6H2(g) → C5H12(g) , Δ0f = − 145.7 kJ
مراجعة القسم 5 ـ 1
1 ـ ما المقصود بتغير المحتوى الحراري ؟ ( هو كمية الطاقة الممتصة أو المنطلقة كحرارة من نظام معين خلال عملية كيميائية تجرى تحت ضغط ثابت .)
2 ـ ما المقصود بحرارة التفاعل ؟ ( هي كمية الطاقة المنطلقة أو الممتصة كحرارة خلال ذلك التفاعل .)
3 ـ فسّر العلاقة بين استقرار المركب وحرارة تكوينه ؟ (كلما ازدادت القيمة العددية لحرارة التكوين ذات الإشارة السالبة ( سالبية التكوين ) يزداد استقرار المركب.)
4 ـ ما أهمية قانون هس في حسابات الكيمياء الحرارية ؟ ( يوفر قانون هس طريقة لحساب قيمة ΔH لتفاعل معين ، من خلال حسابات ΔH لتفاعلات أخرى. كما يوفر طريقة لحساب حرارات تكوين بعض المواد التي يصعب حسابها عملياً .)
5 ـ ما كمية الطاقة الممتصة كحرارة من 75 g حديد عند تسخينها من 295K إلى 301 K ؟ الحرارة النوعية للحديد = 0.449 J/(g.K) ( 2.0× 102 J )
6 ـ الأيزوأوكتان C8H18 هو المكون الأكبر للجازولين : أ ـ مستخدماً البيانات التالية ، احسب حرارة احتراق 1mol من الأيزوأوكتان ،
H2(g) + ½ O2(g) → H2O ,ΔH0 = − 241.8 kJ
ΔH0 = −393.5 kJ C(s) + O2(g) → CO2(g)
8C(s) + 9H2(g) → C8H18(l) , ΔH0 = −224.13kJ
ب ـ كتلة الجالون الواحد من الأيزوأوكتان 2.6 kg ، احسب ΔH لاحتراق جالون واحد من هذه المادة .
الحل : أ ـ مستخدماً قانون هس : بضرب المعادلة الأولى في 9 ، والمعادلة الثانية في 8 , وعكس المعادلة الثالثة ـ معادلة تكوين الجازولين ـ والجمع والاختصار . يتكون لدينا المعادلة النهائية التالية : C8H18 + 12 ½ O2(g) = 8CO2(g) + 9H2O(g) . ΔH0 = − 5100 kJ
ب ـ الكتلة المولية للجازولين = 114 g عدد المولات في 2.6 kg 2600 g 114g/mol = 22.8 mol
ΔH لاحتراق جالون واحد 22.8 × (−5100 kJ/ mol ) = − 1.2 × 105 kJ
مراجعة الفصل الخامس
1 ـ تفوير الفحم عملية لإنتاج الميثان عن طريق التفاعل C(s) + 2H2(g) → CH4 (g) , ΔH = ? ما قيمة ΔH لهذا التفاعل مستخدماً المعادلات الحرارية التالية :
C(s) + O2(g) → CO2(g), ΔH = −394 kJ
H2(g) + ½ O2(g) → H2O(l) , ΔH = − 286 kJ
CH4(g) + 2O2(g) → CO2(g) + 2H2O(l) , ΔH = −891kJ ( بضرب المعادلة الثانية في 2 وعكس الأخيرة والجمع )
أ ـ 75 kJ ب ـ −75 kJ جـ ـ 1856 kJ د ـ − 1865 kJ (الجواب ب ـ −75 kJ )
3 ـ يمتص عنصران لهما كتلتان متساويتان وحرارتان نوعيتان مختلفتان كمية متساوية من الحرارة ، أي العنصرين يظهر تغيراً أقل في درجات الحرارة ؟
أ ـ العنصر ذو الحرارة النوعية الأعلى ب ـ العنصر ذو الحرارة النوعية الأقل جـ ـ العنصران يظهران التغير نفسه د ـ لا يمكن التحديد من هذه المعطيات. ( أ ـ )
6 ـ قارن المحتوى الحراري للنواتج في نظام تفاعل معين بالمحتوى الحراري للمتفاعلات عندما يكون التفاعل:
أ ) ماصاً للحرارة ب ـ طاردا للحرارة ( أ ـ طاقة النواتج أكبر ب ـ طاقة النواتج أصغر )
7 ـ أ ـ ميز بين حرارة التفاعل وحرارة التكوين وحرارة الاحتراق . ( حرارة التفاعل ΔH هي كمية الطاقة الممتصة أو المنطلقة خلال تفاعل كيميائي .
ΔH0f هي تغير المحتوى الحراري الذي يحصل عندما يتكون مول واحد من مركب من عناصره في حالاتها القياسية عند 250C وتحت ضغط 1atm .
ΔHC هي تغير المحتوى الحراري الناتج ( طاقة حرارية منطلقة ) بالاحتراق الكامل لمول واحد من المادة .)
ب ـ ما الأساس الذي يعتمد لتعريف حرارة التكوين وحرارة الاحتراق ؟ ( تعرف حرارة الاحتراق لمول واحد متفاعل ، وحرارة التكوين لمول واحد ناتج )
8 ـ اكتب المعادلة المستخدمة لحساب قيم حرارة التفاعل من حرارة التكوين . ( مجموع ΔH0f للمتفاعلات - ΔH0f للنواتج ΔH0 = )
( وعندحساب ΔH لكل من النواتج والمتفاعلات يتم ضرب قيمة حرارة التكوين لكل منها في عدد مولاته في المعادلة الموزونة .)
9 ـ ما العوامل المؤثرة في قيمة ΔH في نظام تفاعل ؟ ( التغير في عدد الروابط المتكسرة والمتكونة وقوى هذه الروابط عندما تكوِّن المتفاعلات النواتج .)
10 ـ اذكر قانون هس . وكيف يستخدم هذا القانون ؟ ( ينص قانون هس على أن التغير في المحتوى الحراري لأي تفاعل كيميائي قيمة ثابتة ، سواء تم التفاعل في خطوة واحدة أو في عدة خطوات . ويستخدم لحساب تغير المحتوى الحراري لتفاعل انطلاقاً من حرارة التكوين المولية للمتفاعلات والنواتج . )
15 ـ احسب الحرارة اللازمة لرفع درجة حرارة عينة ألمنيوم كتلتها 55 g من 22.40C إلى 94.60C ؟ الحرارة النوعية للألمنيوم = 0.897 J/(g.K) وراجع
مسألة نموذجية 5 ـ 1 . ( الجواب 3.6 × 103 J )
16 ـ إذا أضيف 3.5 kJ من الطاقة إلى عينة حديد كتلتها 28.2 g عند درجة حرارة 20.00C ، فما هي درجة الحرارة النهائية للحديد مقيسة بالكلفن ؟ الحرارة النوعية للحديد = 0.449 J/(g.K) ( 570 K )
17 ـ يلزم 70.2 J لرفع درجة حرارة 34.0 g من الأمونيا NH3(g) من 23.00C إلى 24.00C احسب الحرارة النوعية للأمونيا . ( 35.1 J/K.mol )
18 ـ احسب cp ( الحرارة النوعية ) لمعدن الأنديوم In ، علماً بأن 1.0 mol منه يمتص 53 J عندما ترتفع درجة حرارته من 297.5 K إلى 299.5 K .
( 26.5 J/K.mol )
19 ـ حدد لكل من المعادلات التالية قيمة ΔH ، ونوعية التفاعل ماًصاً أم طارداً للحرارة .
أ ـ C(s) + O2(g) → CO2(g) + 393.51 kJ ب ـ CH4(g) + 2O2(g) → CO2(g)+ 2H2O(l) + 890.31 kJ
جـ ـ CaCO3(s) + 176 kJ → CaO(s)+ CO2(g) د ـ H2O(g) → H2O(l) + 44.02 kJ
(أ ـ −393.51 kJ ، طارد للحرارة . ب ـ −890.31 kJ ، طارد ، جـ ـ +167 kJ ماص للحرارة ، د ـ − 44.02 kJ طارد)
20 ـ أعد كتابة كل من المعادلات التالية مضمناً قيمة ΔH في جانب النواتج أو المتفاعلات ، وحدد نوع التفاعل طارد أم ماص للحرارة .
أ ـ H2(g) + ½ O2(g) → H2O(l) , ΔH0 = − 285.83 kJ ( H2(g) + ½ O2(g) → H2O(l) + 285.83 kJ والتفاعل طارد للحرارة )
ب ـ 2Mg(s) + O2(g) → 2MgO(s) , ΔH0 = − 1200kJ (2Mg(s) + O2(g) → 2MgO(s) + 1200kJ والتفاعل طارد للحرارة )
جـ ـ I2(s) → I2(g) , ΔH0 = + 62.4 kJ ( I2(s) + 62.4 kJ → I2(g) والتفاعل ماص للحرارة )
د ـ 3CO(g) + Fe2O3(s) → 2Fe(s) + 3CO2(g) , ΔH0 = − 24.7 kJ (3CO(g) + Fe2O3(s) → 2Fe(s) + 3CO2(g) + 24.7 kJ طارد للحرارة)
21 ـ وظف ملحق الجدول 5 ـ أ لكتابة تفاعل تكوين كل من المركبات التالية من عناصرها الأولية ، واكتب ΔH كجزء من التفاعل ، وحدد قيمتها للتفاعل العكسي :
أ ـ CaCl2(s) ب ـ C2 H2(g) جـ ـ SO2(g) ( أ ـ Ca(s) + Cl2(g) → CaCl2(s) + 795.4 kJ ، ΔH = + 795.4 kJ عكسي )
(ب ـ 2C(s) + H2(g) + 228.2kJ → C2H2(g) ، ΔH = −228.2 kJ عكسي .)
( جـ ـ S(s) + O2(g) = SO2(g) + 296.8 kJ ، ΔH = +296.8 kJ عكسي )
22 ـ يدخل التفاعل 2Fe2O3(s) + 3C(s) → 4Fe(s) + 3CO2(g) في عملية صهر خام الحديد . وظف قيم ΔH المعطاة في ملحق الجدول 5 ـ أ لحساب التغير في المحتوى الحراري خلال عملية انتاج 1 mol من الحديد . (ΔH = 117.6 kJ )
23 ـ وظف بيانات حرارة التكوين الواردة في ملحق الجدول 5 ـ أ لحساب حرارة تفاعل كل من: أ ـ CaCO3(s) → CaO(s) + CO2(g) (ΔH = +179.2 kJ )
ب ـ Ca(OH)2(s) → CaO(s) + H2O(g) (ΔH = + 106.5 kJ ) جـ ـ Fe2O3(s) + 3CO(g) → 2Fe(s) + 3CO2(g) (ΔH = − 24.8 kJ ) 24 ـ الجلوكوز C6H12O6(s) له ΔH0f = − 1263 kJ/mol احسب التغير في المحتوى الحراري عندما يحترق 1 mol منه لتكوين H2O(l) , CO2(g) .
( − 2813 kJ )
25 ـ احسب حرارة التفاعل القياسية لتفاعلي احتراق يكون فيهما الإيثان C2H6 والبنزين C6H6 متفاعلين ، ويكون CO2(g) , H2O(l) الناتجين في كل منهما .، واحسب ذلك من خلال جمع المعادلات الكيميائية الحرارية المعروفة ،مستخدماً قيم ΔHf المبينة في ملحق الجدول 5 ـ أ . تحقق من النتائج باستخدام المعادلة العامة لإيجاد حرارة التفاعل من حرارات التكوين. أ ـ → C2H6(g) + 3½O2(g) ب ـ C6H6(l) + 7½ O2(g) → ( أ ـ − 1560.5 kJ ، ب ـ − 3267.5 kJ ) 26 ـ حرارة تكوين الإيثانول C2H5OH هي – 277.0 kJ/mol عند درجة حرارة 298 K . احسب حرارة احتراق مول واحد من الإيثانول ، مفترضاً أن النواتج هي CO2(g) , H2O(l) انظر مسألة نموذجية 5 ـ 3 . ( − 1367.4 kJ )
( 115 kJ /mol غير تلقائي )
35 ـ يمثل الشكل البياني المجاور قانون هس للتفاعل Sn(s) + 2Cl2(g) = SnCl4(l) استخدم الشكل البياني
لتحديد قيمة ΔH لكل خطوة من الخطوات التالية : Sn(s) + Cl2(g) → SnCl2(s) , ΔH = ?
ΔH = ? SnCl2((s) + Cl2(g) →SnCl4(l) ,
Sn(s) + 2Cl2(g) → SnCl4(l) , ΔH = ?
الإجابة :
( ΔH = −325.1 k J ، ΔH = −186.2 k J ، ΔH = − 511.3 k J )
36 ـ تبلغ حرارة تكوين ثاني أكسيد الكبريت القياسية − 296.8 kJ/mol . احسب كمية الطاقة المنطلقة بالـ kJ عند تكوّن 30.0 g من SO2(g) من عناصره .
38 ـ أعد كتابة المعادلات التالية ، مضمناً كتابتك قيمة ΔH في جانب النواتج أو المتفاعلات ، وحدد نوعية التفاعل ماص أم طارد للحرارة .
أ ـ 2SO2(g) + O2(g) → 2SO3(g) , ΔH = − 197.8 kJ ( 2SO2(g) + O2(g) → 2SO3(g) + 197.8 kJ طارد )
ب ـ ΔH = + 114.2 kJ 2NO2(g) → 2NO(g) + O2(g) , ( 2NO2(g) + 114.2 kJ → 2NO(g) + O2(g) ماص )
جـ ـ ΔH = − 1411.0 kJ C2H4(g) + 3O2(g) → 2CO2(g) + 2H2O(l) , ( 1411.0 kJ C2H4(g) + 3O2(g) →2CO2(g) + 2H2O(l) + طارد )
39 ـ احسب حرارة التفاعل التالي 4FeO(s) + O2(g) → 2Fe2O3(s) مستخدماً بيانات حرارة التكوين الموضحة في ملحق الجدول 5 ـ أ . ( − 560.4 kJ )
41 ـ ما خاصة الكالوريمتر المستخدم في تجارب الكيمياء الحرارية ؟ ولماذا تكون هذه الخاصة جوهرية ؟ ( الكالوريمتر حاوية جيدة العزل الحراري فهي تمنع تسرب الحرارة الناتجة عن التفاعل ، وتتسرب كلها إلى الحوض المائي ، ويسجل حرارتها ترمومتر مغمور فيه . عدم تسرب الحرارة للخارج ، وكذا عدم امتصاص حرارة من الخارج لجودة العزل الحراري توجد الدقة في الحسابات الحرارية المحسوبة من تجارب الكالوريمتر .)
سؤال حول الجزء العملي :
في تجربة لقياس الحرارة النوعية لفلز تمت الخطوات التالية :
أولاً : تعيير الكالوريمتر : لحساب ثابت الكالوريمتر c' حصلنا على النتائج التالية :
جدول بيانات التعيير
ماء بارد ماء ساخن كالوريمتر
درجة الحرارة الأولية 25.00C 75.00C 25.00C
درجة الحرارة النهائية 49.50C 49.50C 49.50C
التغير في درجة الحرارة 24.50C -25.50C 24.50C
الحجم 50mL 50mL لا حاجة له
الكتلة 50.0g 50.0g لا حاجة له
السعة الحرارية للكالوريمتر لا حاجة لها لا حاجة لها 8.2J/0C
- احسب كمية الحرارة التي فقدها الماء الساخن علماً بأنcp للماء=4.184
القانون q = cp × m × ΔT للماء الساخن
= 4.184 ×50 g × 25.5 = 5330 J = 5.33 kJ
احسب كمية الحرارة التي اكتسبها الماء البارد
القانون q = cp × m × ΔT للماء البارد
q = 4.184 × 50 g × (49.5 – 25 ) = 5130J = 5.13kJ للماء البارد
احسب كمية الحرارة التي اكتسبها الكالوريمتر
القانون qللماء باردq - q للماء ساخن = q للكالوريمتر
q = 5.33 - 5.13 = 0.20 kJ للكالوريمتر
احسب ثابت الكالوريمتر من القانون q = c' × ΔT للكالوريمتر 0.20 = c' × 24.5 ومنها c' = 8.0 J
ثانياً : لتعيين الحرارة النوعية لفلز مجهول cp للفلز باستخدام الكالوريمتر معلوم ثابت الكالوريمتر له c' . وقد تم رصد النتائج التالية :
تجربة الحرارة النوعية لفلز مجهول
الماء الفلز
الحرارة الأولية 21.00C 99.00C
الحرارة النهائية 28.10C 28.10C
تغير الحرارة 7.10C -70.90C
الكتلة 75.0g 69.2g
-اكتب القانون المستخدم لتحديد الحرارة النوعية للفلز cp للفلز .
القانون
= 0.47 J/(g.0C)
وهذه هي الحرارة النوعية للحديد حسبما ورد في الجدول 5 – 1 في الكتاب
ورد في امتحانات الثانوية العامة:
أولاً : اختر الإجابة الصحيحة :
1 – فيما يتعلق بالتفاعل : 2 S (s) + 3 O2 (g) → 2SO3 (g) , Δ H = − 792 kJ أي العبارات التالية صحيحة :
التفاعل ماص للحرارة حرارة تكوين SO3(g) = حرارة احتراق S(S)
حرارة تكوين SO3(g) = حرارة التفاعل حرارة احتراق S(s) = حرارة التفاعل
2 – ما كتلة عينة من النحاس تمتص طاقة 53.9 J عندما تسخن من 274 K إلى 314 K ولها حرارة نوعية تساوي (0.385J/g*K) ؟
4.0 g 3.5 g 8.0 g 0.04 g
3 – أي المعادلات التالية تمثل تكوُّن مول واحد منB5H9(g) من عناصره في حالاتها القياسية عند درجة حرارة 298 K وضغط 1 atm ؟
5B(g) + 9H(g) → B5H9(g) 5/2 B2(g) + 9/2H2(g) → B5H9(g)
5B(s) + 9/2 H2(g) → B5H9(g) 2B(s) + 3BH3(g) → B5H9(g)
4 – بالنسبة للتفاعل التالي : 10 N2O5(g) + C3H8(g) → 10N2(g) + 3CO2(g) + 4H2O(g) ,ΔH = − 1436.7 kJ
فإنه يكون :
تلقائي عند جميع درجات الحرارة . غير تلقائي عند جميع درجات الحرارة .
تلقائي عند درجات الحرارة العالية فقط تلقائي عند درجات الحرارة المنخفضة فقط .
( قيمة ΔH سالبة والإنتروبي عالية حيث يتكون 17 مول غاز بينما المتفاعل 11 مول غاز فقط والنتيجة تكون قيمة ΔG دائما سالبة )
5 − أي المركبات التالية أكثر استقراراً :
CuO ΔH0f = − 175 kJ/mol CaO ΔH0f = − 635 kJ/mol
NO2 ΔH0f = + 82 kJ/mol C2H2 ΔH0f = + 228 kJ/mol
6 – قيمة ΔH للتفاعل N2(g) + O2(g) + 106.5 kJ → 2NO(g) تعبر عن :
حرارة التكوين ضعف حرارة التكوين ضعف حرارة الاحتراق نصف حرارة التكوين
7 – ما الذي يجعل التفاعلات تلقائية :
تخفيض H وتخفيض S تخفيض H وزيادة S زيادة H وزيادة S زيادة H وتخفيض S
8 – أي مما يلي يصف حرارة تكوين المركب الأقل استقراراً ويتفكك بسهولة ؟
صغيرة وسالبة صغيرة وموجبة كبيرة وسالبة كبيرة وموجبة
ثانياً : اكتب بين القوسين الاسم أو المصطلح العلمي :
( الإلكتروليت القوي ) المركب الذي توجد معظم جسيماته الذائبة على شكل أيونات ويكون موصلاً جيداً للتيار الكهربائي .
(حرارة الاحتراق ΔH0c ) الحرارة المنطلقة لدى الاحتراق الكامل لمول واحد من المادة .
(التغير في المحتوى الحراري) كمية الطاقة الممتصة أو المنطلقة على صورة حرارة من قبل نظام معين خلال عملية تجرى تحت ضغط ثابت.
ثالثاً : رتب ما يلي تصاعدياً :
الصيغ التالية حسب استقرارها وثباتها علماً بأن حرارة التكوين القياسية بـ (kJ/mol ) :
NO2(g) , CH4(g) , CO2(g) , O3(g)
+ 33.2 , −74.3 , − 393.5 , +192.7
الترتيب : الأقل : CO2(g) ← CH4(g) ← NO2(g) ← O3(g)
الصيغ التالية تبعاً للاستقرار اعتماداً على قيم ( KJ/ml) ΔH0f
(ΔH0f = +90.29) NO , (ΔH0f = − 110.5) CO , (ΔH0f = − 45.9) NH3 , (ΔH0f = +33.2) NO2
الترتيب هو : الأقل استقراراً CO ← NH3 ← NO2 ← NO الأكثر استقراراً .
رابعاً : حل المسائل التالية :
1 – احسب حرارة تكوين غاز أول أكسيد الكربون CO موظفاً المعادلات الكيميائية الحرارية التالية :
C(s) + O2(g) → CO2(g) ΔH0 = − 393.5 kJ
CO(g) + ½ O2(g) → CO2(g) ΔH0 = − 283.0 kJ
الحل : نبقي المعادلة الأولى كما هي : C(s) + O2(g) → CO2(g) ΔH0 = − 393.5 kJ
نعكس المعادلة الثانية : CO2(g) → CO(g) + ½ O2(g) ΔH0 = + 283.0 kJ
ونجمع : C(s) + ½ O2(g) → CO(g) ΔH0 = − 110.5 kJ
2 - يتم تحضير الميثانول صناعياً حسب المعادلة التالية CO(g) + 2H2(g) → CH3OH(g) , ΔH = − 90.7 kJ/mol
فإذا كانت قيمة ΔS = − 221 J/K*mol ، احسب أقل درجة حرارة تلزم لحدوث التفاعل السابق تلقائياً ؟
الحل :القانونΔG = ΔH0 − TΔS ، ويحدث التفاعل تلقائياً بعدما تصبح قيمة ΔG صفر، ثم ترتفع درجة الحرارة لتصبح ΔG سالبة.
0 = − 90.7 kJ/mol − T ( − 0.221 kJ/K*mol )
90.7 = T ( 0.221 ) T = 410 K
3 – موظفاً المعادلات أدناه ، احسب حرارة التفاعل التالي : C2H2(g) + 2H2(g) → C2H6(g)
والمعادلات هي : 2C2H2(g) + 5O2(g) → 4CO2(g) + 2H2O(g) , ΔH = − 260.2 kJ
2C2H6(g) + 7O2(g) → 4CO2(g) + 6H2O(g) , ΔH = − 3123 kJ
H2(g) + ½ O2(g) → H2O(l) , ΔH = − 286 kJ
الحل : نضرب المعادلة الأولى في ½ ، ونضرب المعادلة الثانية في ½ ثم نعكسها ، ونضرب المعادلة الثالثة في 2 ونجمع ونختصر .
C2H2(g) + 5/2 O2(g) → 2CO2(g) + H2O(g) , ΔH = − 130.1 kJ
C2H6(g) + 7/2 O2(g) , ΔH = + 1561.5 kJ → 2CO2(g) + 3H2O(g)
2H2(g) + O2(g) → 2H2O(l) , ΔH = − 572 kJ
النتيجة : C2H2(g) + 2H2(g) → C2H6(g) , ΔH = 859.4 kJ إي إن حرارة التفاعل = (( − 859.4 kJ .
4 – يتفاعل الأوزون مع ثاني أكسيد النيتروجين حسب المعادلة: 2NO2(g) + O3(g) → N2O5(g) + O2(g) , ΔH= − 198 kJ
[(ΔH0f = 11 kJ/mol) N2O5 , (ΔH0f = 143 kJ/mol) O3 , ΔS0 = − 168 J/mol . K ] , والمطلوب:
احسب ΔH0f لثاني أكسيد النيتروجين .
ΔH = [ ΔH0f N2O5 + ΔH0f O2 ] − [ ΔH0f NO2 + ΔH0f O3 ]
− 198 = [ 11 + 0 ] − [ 2 ΔH0f NO2 + 143 ]
ΔH0f NO2 = + 33 kJ/mol
5 – احسب الطاقة اللازمة لرفع درجة حرارة ( 180.0 g) من الماء من (10.00C) إلى (40.00C) ، علماً بأن الحرارة النوعية للماء
تساوي (4.18 J/g.0C) .
الحل : Δt = 40.0 − 10.0 = 30.00C
= cp × m × Δt q
= (4.18 J/g.0C) (180.0 g) (30.00C)
= 2.26 × 104 J
6 − وظف المعادلات الحرارية التالية في الإجابة على الأسئلة التي تليها :
1 ) N2(g) + 2O2(g) → 2NO2(g) , ΔH = +66.4 kJ/mol
2 ) H2(g) + ½ O2(g) → H2O(g) , ΔH = − 241.8 kJ/mol
3 ) N2(g) + 3H2(g) → 2NH3(g) , ΔH = − 91.8 kJ/mol
احسب حرارة التفاعل 2NH3(g) + 7/2 O2(g) → 2NO2(g) + 3H2O(g) , ΔH = ??
الحل :
N2(g) + 2O2(g) → 2NO2(g) , ΔH = +66.4 kJ/mol 3H2(g) + ³/² O2(g) → 3H2O(g) , ΔH = − 725.4 kJ/mol
2NH3(g) → N2(g) + 3H2(g) , ΔH = + 91.8 kJ/mol
وبالجمع 2NH3(g) + 7/2 O2(g) → 2NO2(g) + 3H2O(g) , ΔH = − 567.2 kJ
هل التفاعل السابق ماص للحرارة أم ماص للحرارة ؟ طارد للحرارة .
هل تزداد الإنتروبي أم تقل في التفاعل نفسه ؟ الإنتروبي تقل .
7 – اكتسبت عينة من الحديد كتلتها 50.0 g كمية من الطاقة تساوي 2.54 kJ عند درجة حرارة 23.00C ، احسب درجة الحرارة
النهائية لعينة الحديد . ( الحرارة النوعية للحديد =0.449 j/g . K )
الحل: q = cp × m × ΔT , ΔT = q ÷ ( cp× m ) = 2.54 × 1000 ÷( 0.449 ×50) = 113.14 K
T = 113.14 + 296 = 409.14 K
8 – التفاعل التالي يمثل عملية احتراق غاز البروبان
C3H8(g) + 5O2(g) → 3CO2(g) + 4H2O(l) , ΔH = − 2219.2 kJ/mol والمطلوب :
حساب ΔHf للبروبان علماً بأن [ΔH0f CO2(g) = − 393.5 kJ/mol , ΔH0f H2O(l) = − 285.8 kJ/mol ]
الحل : ( المتفاعلات ) − ΔH ( النواتج ) ΔH = ΔH
−2219.2 = [ ( 3×− 393.5) + (4 ×− 285.8) ] − ΔHf C3H8
− 2219.2 = − 2323.7 − ΔHf
ΔHf C3H8 = − 104.5 kJ/mol
في التفاعل السابق ينتج H2O في الحالة السائلة ، فإذا نتج في الحالة الغازية ، وضح تأثير ذلك على كل من :
- قيمة ΔH0 : تقل لاستهلاكها في تحول الماء السائل إلى بخار .
خامساً : اختر البديل غير المنسجم ، مع التبرير :
1 - 2NO(g) + O2(g) → 2NO2(g) ΔH = − 114.2 kJ
2SO2(g) + O2(g) → 2SO3(g) ΔH = − 196 kJ
C6H12O6(s) + 6O2(g) → 6CO2(g) + 6H2O(g) ΔH = − 2548 kJ
H2(g) + ½O2(g) → H2O(g) ΔH = − 241.8 kJ
البديل هو : C6H12O6(s) + 6O2(g) → 6CO2(g) + 6H2O(g) ΔH = − 2548 kJ
التبرير : لأنه التفاعل الذي تزيد فيه العشوائية ( الأنتروبي ) ، حيث تزداد فيه عدد المولات الغازية ، والباقي يقل فيهاعدد الغازات. أو : البديل هو : H2(g) + ½O2(g) → H2O(g) ΔH = − 241.8 kJ
التبرير : لأن ΔH لهذا التفاعل تمثل حرارة تكوين ، أما الباقي فلا .
2 - N2(g) + O2(g) → 2NO(g) 2H2(g) + O2(g) → 2H2O(g)
C(s) + O2(g) → CO2(g) 2CO(g) + O2(g) → 2CO2(g)
البديل هو : C(s) + O2(g) → CO2(g) التبرير : لأنها معادلة تكوُّن واحتراق معاً بينما البقية معادلات احتراق .
3 − NO(g) + ½ O2(g) → NO2(g) C(s) + O2(g) → CO2(g)
CO(g) + ½O2(g) → CO2(g) SO2(g) + ½O2(g) → SO3(g)
البديل هو : C(s) + O2(g) → CO2(g) التبرير : لأنه تفاعل تكوين والباقي تفاعلات احتراق
أو : التبرير : لأنه غير متجانس والبقية متجانسة . أو : التبرير : لأن العشوائية فيه لا تتغير ، وفي البقية العشوائية تقل .
سادساً : أ - أمعن النظر في المعادلة التالية ثم أجب عما يلي :
C2H5OH(l) + 3O2(g) → 2CO2(g) + 3H2O(g) + 1235.4 kJ
صنف التفاعل حرارياً . ... التفاعل طارد للحرارة .
استدل على إشارة ΔG ... سالبة . ( النواتج لها لإنتروبي أعلى من المتفاعلات ، وقيمة ΔS موجبة ،وقيمة ΔH سالبة فتكون قيمة ΔG سالبة )
احكم على التفاعل من حيث تلقائية حدوثه مبرراً حكمك ... التفاعل يحدث تلقائياً لأن ΔG , ΔH سالبتان .
ماذا تتوقع لقيمة ΔH إذا نتج ماء سائل بدلاً من بخار الماء ؟ مع التبرير . ... تزداد كمية الطاقة المنطلقة ، فتزداد قيمة ΔH ،
ويعزى ذلك إلى أن الحرارة المنطلقة من تكون الماء السائل أكبرمن المنطلقة في حالة بخار الماء.( تحول البخار إلى ماء سائل يطلق طاقة ).
سابعاً : فسِّر ما يلي علمياً :
2 – فسِّر : اختلاف الحرارة النوعية باختلاف حالات الماء الثلاث، موظفاً الجدول المرفق .
المادة الحرارة النوعيةJ/g·K
H2O(g) 1.87
H2O(l) 4.18
H2O(s) 2.06
التفسير : بالرغم من التشابه في التركيب الكيميائي للماء في حالاته الثلاث ، إلا أن
طبيعة القوى البينية بين وحدة الكتل (1 g ) في حالات المادة الثلاث مختلفة ، مما
يترتب عليــــه اختلاف الحرارة النوعية لكل حالة .
3 – عند مزج غازي الهيدروجين والأكسجين فإن التفاعل لا يحدث تلقائياً مع أن قيمة ΔGسالبة .
لحدوث التفاعل يجب توفير طاقة تنشيط للتغلب على قوى التنافر بين الجزيئات لدى تقاربها .
ثامناً: فيما يلي رسم لمنحنى تفاعل كيميائي حراري وعليه النقاط الثلاث X , Y , Z ادرسه وأجب عما يليه :
ماذا تمثل كل من النقاط :
X . تمثل الطاقة النهائية ( المحتوى الحراري للمواد الناتجة )
Y . تمثل ΔH ( التغير في المحتوى الحراري )
Z . تمثل الطاقة الابتدائية ( المحتوى الحراري للمواد الكتفاعلة )
توقع نوع التفاعل طارد / ماص للحرارة ؟ برر إجابتك .
التفاعل ماص للحرارة . لأن الطاقة النهائية أعلى من الطاقة الابتدائية ، ΔH موجبة .