ملخص الوحدة السابعة: التغيرات في المحتوى الحراري لمادة الكيمياء للصف الحادي عشر الفصل الدراسي الثاني المنهج العماني

نقدم لكم ملخص الوحدة السابعة: التغيرات في المحتوى الحراري لمادة الكيمياء للصف الحادي عشر الفصل الدراسي الثاني المنهج العماني

الوحدة السابعة: التغيرات في المحتوى الحراري

مقدمة: الطاقة في عالمنا

تؤدي عملية انتقال الطاقة من المواد وإليها دورًا محوريًا في الصناعة والحياة اليومية. فمعظم المركبات والطائرات ومحطات توليد الطاقة تعتمد حاليًا على احتراق الوقود الأحفوري (بترول، كيروسين، غاز طبيعي). غير أن ذلك ينتج غاز CO₂ المسبب للاحتباس الحراري. ولمواجهة هذا التحدي تبرز بدائل مثل الإيثانول المستخلص من النباتات، وغاز الهيدروجين الذي يطلق طاقة تبلغ ثلاثة أضعاف الهيدروكربونات لكل كيلوجرام، وبطاريات الليثيوم-أيون التي باتت كثافة طاقتها تقترب من كثافة البترول.

1-7: التغير في المحتوى الحراري (ΔH)

التفاعلات الطاردة والماصة للحرارة

التفاعل الطارد للحرارة (Exothermic reaction): هو تفاعل تُطلق فيه طاقة حرارية نحو المحيط، فترتفع درجة الحرارة. تكون قيمة ΔH سالبة. أمثلة: احتراق الوقود، أكسدة الكربوهيدرات في التنفس الخلوي، تفاعل CaO مع الماء. مثال: Mg(s) + H₂SO₄(aq) → MgSO₄(aq) + H₂(g) + طاقة حرارية

التفاعل الماص للحرارة (Endothermic reaction): هو تفاعل يمتص فيه الجهاز طاقة حرارية من محيطه، فتنخفض درجة الحرارة. تكون قيمة ΔH موجبة. أمثلة: التحليل الحراري لكربونات الكالسيوم، التمثيل الضوئي، ذوبان كلوريد الأمونيوم (أكياس التبريد الرياضية). مثال: NH₄Cl(s) + H₂O(l) + طاقة حرارية → NH₄⁺(aq) + Cl⁻(aq)

التغير في المحتوى الحراري ومخططات مسار التفاعل

المحتوى الحراري (H) هو إجمالي طاقة نظام ما عند ضغط ثابت. ويُعرَّف التغير في المحتوى الحراري بالعلاقة:

ΔH = H[مواد ناتجة] − H[مواد متفاعلة]

ويُقاس بوحدة كيلوجول لكل مول (kJ/mol).

تُوضح مخططات مسار التفاعل المحتوى الحراري النسبي للمواد المتفاعلة والناتجة وطاقة التنشيط (Ea). في التفاعل الطارد للحرارة يكون مستوى المواد المتفاعلة أعلى من المواد الناتجة (ΔH سالبة)، والعكس في الماص.

طاقة التنشيط (Ea): الحد الأدنى من الطاقة التي يجب أن تمتلكها الجسيمات المتصادمة لبدء التفاعل. دائمًا موجبة.

2-7: الظروف القياسية وأنواع التغيرات في المحتوى الحراري

الظروف القياسية (⦵)

تُعرَّف الظروف القياسية بـ 298 K (25 °C) و100 kPa ضغطًا. تُكتب بالرمز ⦵ فوق ΔH.

أنواع التغيرات في المحتوى الحراري

1. التغير في المحتوى الحراري للتفاعل (ΔHrxn): الطاقة المتبادلة في تفاعل كيميائي محدد.
2. التغير في المحتوى الحراري القياسي للتكوين (ΔHf⦵): التغير في المحتوى الحراري عند تكوين مول واحد من مركب ما من عناصره في حالاتها الفيزيائية القياسية الاعتيادية. قيمة ΔHf⦵ للعناصر في حالتها القياسية = صفر.
3. التغير في المحتوى الحراري القياسي للاحتراق (ΔHc⦵): الطاقة المنطلقة عند احتراق مول واحد من مادة ما احتراقًا كاملًا في وجود الأكسجين في الظروف القياسية.
4. التغير في المحتوى الحراري القياسي للتعادل (ΔHneut⦵): الطاقة المنطلقة عند تعادل مول واحد من الماء بتفاعل حمض قوي مع قاعدة قوية في الظروف القياسية؛ تبلغ قيمتها نحو −57 kJ/mol.

3-7: قياس التغيرات في المحتوى الحراري (المسعرية)

المسعر الحراري البسيط (كوب الإسفنج)

يُستخدم لقياس التغيرات في المحتوى الحراري في المحاليل المائية (تفاعلات التعادل، وتفاعلات الإحلال).

المسعر الحراري للاحتراق

يُستخدم لقياس ΔHc بحرق المادة في وجود الأكسجين الزائد في وعاء معزول.

الحسابات المسعرية

تُستخدم المعادلتان:

• q = mcΔT — لحساب الطاقة الحرارية المنطلقة أو الممتصة (حيث m الكتلة بالجرام، c السعة الحرارية النوعية = 4.18 J g⁻¹ K⁻¹ للماء، ΔT التغير في درجة الحرارة)
• ΔH = −mcΔT / n — لحساب التغير في المحتوى الحراري بوحدة kJ/mol (حيث n عدد الموالات)

مصادر الخطأ في المسعرية:

• ضياع الحرارة للبيئة المحيطة
• عدم تحقق الاحتراق الكامل
• عدم اعتبار حرارة المسعر نفسه
• التدرج غير المنتظم في درجة الحرارة

4-7: قانون هس

حفظ الطاقة وقانون هس

ينص قانون هس (Hess’s Law) على أن: التغير الكلي في المحتوى الحراري لأي تفاعل كيميائي تحت ضغط ثابت يساوي كمية ثابتة، سواء تم التفاعل في خطوة واحدة أو أكثر. وهو تطبيق لقانون حفظ الطاقة (القانون الأول للديناميكا الحرارية).

حلقات المحتوى الحراري (حلقات هس)

تُرسم على شكل مثلث يضم:

• المواد المتفاعلة والناتجة في أعلى الحلقة
• العناصر المكوّنة لها في أسفل الحلقة
• أسهم التغيرات في المحتوى الحراري جانب كل مسار

قاعدة عكس المعادلة: إذا عُكست معادلة تفاعل تُعكس إشارة ΔH. قاعدة ضرب المعادلة: إذا ضُربت معادلة في معامل يُضرب ΔH في المعامل نفسه.

حساب ΔHrxn باستخدام ΔHf: ΔHrxn = Σ ΔHf[مواد ناتجة] − Σ ΔHf[مواد متفاعلة]

يُستخدم قانون هس خصوصًا لحساب التغيرات في المحتوى الحراري للتفاعلات التي يصعب قياسها تجريبيًا مباشرة، مثل تكوين البروبان من عناصره.

5-7: طاقات الروابط

مفهوم طاقة الرابطة

طاقة الرابطة هي متوسط الطاقة اللازمة لكسر رابطة تساهمية بين ذرتين في الحالة الغازية. وتُعد قيمًا متوسطة لأن الطاقة الفعلية تتغير بحسب البيئة الكيميائية المحيطة.

استخدام طاقات الروابط لحساب ΔH

• كسر الروابط يتطلب امتصاص طاقة (عملية ماصة للحرارة، قيمة موجبة)
• تكوين الروابط ينطلق منه طاقة (عملية طاردة للحرارة، قيمة سالبة)

ΔH = Σ طاقات الروابط المكسورة − Σ طاقات الروابط المتكونة

مثال: احتراق الإيثان C₂H₄ + 3O₂ → 2CO₂ + 2H₂O تُحسب طاقات الروابط المكسورة في المواد المتفاعلة، ثم تطرح منها طاقات الروابط المتكونة في المواد الناتجة.

ملاحظة: تُعطي هذه الطريقة نتائج تقريبية بسبب استخدام متوسطات طاقات الروابط، وليست دقيقة كحلقات هس.