ملخص التفاعلات الكيميائية وتغيرات الإنثالبي — ثانية ثانوي

مقدمة

المادة: الكيمياء
المسار: مسار الهندسة وعلوم الحاسب
الوحدة: الفصل الثاني: التغيُّر والاتزان في المادة

تضغط على كيس التبريد الفوري بعد إصابة في الملعب فيصبح باردًا في ثوانٍ دون ثلاجة، بينما يدفئك موقد الغاز في ليلة شتوية. في الحالتين يحدث تغير كيميائي أو فيزيائي تنتقل فيه طاقة حرارية بين المواد والوسط المحيط. في هذا الدرس نتعلم كيف يصف الكيميائيون هذا الانتقال بكمية واحدة هي تغير الإنثالبي $\Delta H$ ، وكيف يكتبونه في المعادلة الكيميائية.

أهداف التعلم

أن تميّز التفاعل الطارد للحرارة من الماص للحرارة بملاحظة درجة حرارة الوسط وبإشارة $\Delta H$ .
أن تعرّف الإنثالبي وتغير الإنثالبي ووحدة قياسهما.
أن تكتب معادلة كيميائية حرارية صحيحة باتباع خطوات محددة.
أن تعرّف أنواع إنثالبي التفاعل وتحدد إشارة كل منها.
أن تحوّل وصفًا لفظيًّا لتغير حراري إلى معادلة حرارية، مع حساب $\Delta H$ لكل مول.

شرح الدرس

التفاعل الطارد والتفاعل الماص للحرارة

التفاعل الطارد للحرارة: يطلق حرارة إلى الوسط المحيط، فترتفع درجة حرارة الوسط (مثل احتراق الغاز الطبيعي، وذوبان هيدروكسيد الصوديوم في الماء).
التفاعل الماص للحرارة: يمتص حرارة من الوسط المحيط، فتنخفض درجة حرارة الوسط (مثل ذوبان نترات الأمونيوم في الماء، وتبخر العرق من الجلد).

الإنثالبي وتغير الإنثالبي

الإنثالبي $H$ (المحتوى الحراري): كمية تمثل الطاقة الحرارية المختزنة في المادة، ووحدتها الجول $\text{J}$ (وغالبًا نستخدم $\text{kJ}$ ).
تغير الإنثالبي (إنثالبي التفاعل) $\Delta H$ : التغير في الإنثالبي أثناء التفاعل:

\Delta H=H_{\text{النواتج}}-H_{\text{المتفاعلات}}

في التفاعل الطارد: إنثالبي النواتج أقل، فتكون $\Delta H<0$ (سالبة).
في التفاعل الماص: إنثالبي النواتج أكبر، فتكون $\Delta H>0$ (موجبة).

مخطط مستويات الإنثالبي: في التفاعل الطارد يكون مستوى النواتج أقل من المتفاعلات وسهم ΔH متجه لأسفل، وفي التفاعل الماص يكون مستوى النواتج أعلى وسهم ΔH متجه لأعلى

تنبيه: الإشارة تُكتب من وجهة نظر المواد المتفاعلة (النظام)، لا الوسط. فإذا سخن الوسط فقد فقدت المواد طاقة، و $\Delta H$ سالبة.

كتابة المعادلة الكيميائية الحرارية

اكتب المعادلة الكيميائية الموزونة.
اكتب الحالة الفيزيائية لكل مادة بعد صيغتها: $(s)$ صلب، $(l)$ سائل، $(g)$ غاز، $(aq)$ محلول مائي. وإذا كان للعنصر صور متآصلة فاكتب اسمها، مثل $\text{C}(\text{جرافيت})$ .
اجعل معامل المادة المراد دراستها يساوي $1$ (ولو ظهرت كسور لمعاملات مواد أخرى).
اكتب $\Delta H$ بإشارتها بعد المعادلة، بوحدة $\text{kJ/mol}$ (لكل مول من المادة المدروسة).

مثال: احتراق $1\ \text{mol}$ من الهيدروجين ليعطي ماءً سائلًا يطلق $286\ \text{kJ}$ :

\text{H}_2(g)+\tfrac{1}{2}\text{O}_2(g)\rightarrow\text{H}_2\text{O}(l)\qquad\Delta H=-286\ \text{kJ/mol}

لماذا نكتب الحالة الفيزيائية؟ لأن تكوين بخار الماء $\text{H}_2\text{O}(g)$ يطلق حرارة أقل (نحو $242\ \text{kJ/mol}$ )؛ إذ يُستهلك جزء من الطاقة في التبخر.

أنواع إنثالبي التفاعل

النوع	يُعرَّف لكل	الإشارة
إنثالبي الاحتراق	$1\ \text{mol}$ من المادة يحترق احتراقًا تامًّا في الأكسجين	سالبة دائمًا
إنثالبي الذوبان	$1\ \text{mol}$ من المادة يذوب تمامًا في وفرة من المذيب	سالبة أو موجبة
إنثالبي التعادل	$1\ \text{mol}$ من الماء يتكون من تفاعل حمض مع قاعدة	سالبة
إنثالبي التكوين	$1\ \text{mol}$ من مركب يتكون من عناصره في أكثر حالاتها استقرارًا (الظروف القياسية)	سالبة أو موجبة
إنثالبي تغير الحالة	$1\ \text{mol}$ من المادة يتحول من حالة فيزيائية إلى أخرى	سالبة أو موجبة

الرمز $(aq)$ يعني الذوبان في وفرة من الماء، مثل: $\text{NaOH}(s)\rightarrow\text{NaOH}(aq)\quad\Delta H=-44.5\ \text{kJ/mol}$ .
إنثالبي التعادل لحمض قوي مع قاعدة قوية ثابت تقريبًا (نحو $-56\ \text{kJ/mol}$ )؛ لأن التفاعل الحقيقي في كل الحالات هو $\text{H}^{+}(aq)+\text{OH}^{-}(aq)\rightarrow\text{H}_2\text{O}(l)$ .
قد تمثل قيمة واحدة نوعين معًا: فاحتراق الجرافيت $\text{C}(\text{جرافيت})+\text{O}_2(g)\rightarrow\text{CO}_2(g)\quad\Delta H=-394\ \text{kJ/mol}$ هو إنثالبي احتراق الجرافيت وإنثالبي تكوين $\text{CO}_2$ في الوقت نفسه.

أمثلة وتطبيقات

خذ $\text{H}=1$ ، $\text{C}=12$ ، $\text{N}=14$ ، $\text{O}=16$ ، $\text{Na}=23$ .

مثال 1 (من الوصف إلى المعادلة): احتراق $1\ \text{mol}$ من الإيثان $\text{C}_2\text{H}_6$ احتراقًا تامًّا يطلق $1562\ \text{kJ}$ .

المعادلة الموزونة: $2\text{C}_2\text{H}_6+7\text{O}_2\rightarrow4\text{CO}_2+6\text{H}_2\text{O}$ .
بعد إضافة الحالات وجعل معامل الإيثان $1$ :

\text{C}_2\text{H}_6(g)+\tfrac{7}{2}\text{O}_2(g)\rightarrow2\text{CO}_2(g)+3\text{H}_2\text{O}(l)\qquad\Delta H=-1562\ \text{kJ/mol}

مثال 2 (من كتلة إلى مول): يمتص $9.0\ \text{g}$ من الماء السائل $22\ \text{kJ}$ عند تبخره. اكتب المعادلة الحرارية.

$n=\frac{9.0}{18}=0.50\ \text{mol}$ ، إذن لكل مول: $\frac{22}{0.50}=44\ \text{kJ}$ ، والعملية ماصة:

\text{H}_2\text{O}(l)\rightarrow\text{H}_2\text{O}(g)\qquad\Delta H=+44\ \text{kJ/mol}

مثال 3: ذوبان $4.0\ \text{g}$ من نترات الأمونيوم $\text{NH}_4\text{NO}_3$ ( $80\ \text{g/mol}$ ) في وفرة من الماء يمتص $1.3\ \text{kJ}$ .

$n=\frac{4.0}{80}=0.050\ \text{mol}$ ، فيكون $\Delta H=\frac{+1.3}{0.050}=+26\ \text{kJ/mol}$ :

\text{NH}_4\text{NO}_3(s)\rightarrow\text{NH}_4\text{NO}_3(aq)\qquad\Delta H=+26\ \text{kJ/mol}

مثال 4 (تحديد النوع): في $\text{HCl}(aq)+\text{KOH}(aq)\rightarrow\text{KCl}(aq)+\text{H}_2\text{O}(l)\quad\Delta H=-56\ \text{kJ}$ ، تمثل $\Delta H$ إنثالبي التعادل، وتُنسب إلى $1\ \text{mol}$ من الماء المتكون.

تطبيق: الكمادة الساخنة الفورية تعتمد على عملية طاردة (مثل أكسدة مسحوق الحديد أو ذوبان بعض الأملاح)، والكمادة الباردة الفورية تعتمد على عملية ماصة مثل ذوبان نترات الأمونيوم. ومعرفة قيم $\Delta H$ تساعد المهندسين على اختيار وقود يعطي طاقة أكبر لكل كيلوجرام، وتصميم عمليات صناعية أقل استهلاكًا للطاقة.

ملاحظات مهمة

لا تحكم على نوع التفاعل من مقدار $\Delta H$ ؛ فالإشارة وحدها تحدد: $-250\ \text{kJ}$ تعني انطلاق $250\ \text{kJ}$ لا امتصاصها.
إنثالبي الاحتراق سالب دائمًا؛ لأن كل احتراق يصاحبه انطلاق حرارة.
إذا ضُربت المعادلة في عدد ضُربت $\Delta H$ في العدد نفسه، وإذا عُكست المعادلة انعكست إشارة $\Delta H$ .
أي كمية حرارة معطاة لكتلة معينة يجب تحويلها إلى قيمة لكل مول قبل كتابتها في المعادلة.

المفاهيم الأساسية

الطارد للحرارة: $\Delta H<0$ ؛ والماص للحرارة: $\Delta H>0$ .
$\Delta H=H_{\text{النواتج}}-H_{\text{المتفاعلات}}$ ، ووحدتها $\text{kJ/mol}$ .
المعادلة الحرارية: موزونة، بالحالات الفيزيائية، ومعامل المادة المدروسة $1$ ، ثم $\Delta H$ .
أنواع الإنثالبي: الاحتراق، الذوبان، التعادل، التكوين، تغير الحالة.

ملخص الدرس

كل تفاعل كيميائي أو تغير في الحالة يصاحبه تغير في الإنثالبي $\Delta H$ : سالب إذا انطلقت حرارة إلى الوسط، وموجب إذا امتُصت منه. ونكتب هذا التغير في معادلة كيميائية حرارية موزونة تذكر الحالات الفيزيائية، ويكون فيها معامل المادة المدروسة واحدًا. ويُسمى $\Delta H$ بحسب نوع العملية: احتراق أو ذوبان أو تعادل أو تكوين أو تغير حالة، ولكل منها تعريف يُنسب إلى مول واحد.

أسئلة للتدريب

اكتب المعادلة الحرارية لاحتراق $1\ \text{mol}$ من الميثان احتراقًا تامًّا إذا انطلق $891\ \text{kJ}$ .
ذوبان $1.0\ \text{g}$ من $\text{NaOH}$ في وفرة من الماء يطلق $1.1\ \text{kJ}$ . احسب إنثالبي ذوبانه واكتب المعادلة.
حدد نوع التغير الحراري والمادة المقصودة في: $\text{CO}(g)+\tfrac{1}{2}\text{O}_2(g)\rightarrow\text{CO}_2(g)\quad\Delta H=-283\ \text{kJ}$ .
اكتب معادلة تكوين $1\ \text{mol}$ من $\text{NO}$ من عنصريه إذا امتُص $90\ \text{kJ}$ .
قال طالب: « $\Delta H=-250\ \text{kJ}$ تعني أن التفاعل امتص طاقة كبيرة». قيّم هذه العبارة.