الفصل 5 طاقة التفاعلات الصف الثاني عشر العلمي

القسم 5 – 1 الكيمياء الحرارية

الكيمياء الحرارية : دراسة انتقال الطاقة على صورة حرارة الذي يصاحب التفاعلات الكيميائية والتغيرات الفيزيائية الطاقة المنتقلة : هي الطاقة المنطلقة أو الممتصة .

ما المقصود بدرجة الحرارة ؟ ما الجهاز المستخدم لقياس الطاقة المنتقلة الكالوريمتر أو المسعر الحراري . ما المقصود بدرجة الحرارة ؟ قياس معدل الطاقة الحركية لجسيمات عينة من المادة .

في حسابات الكيمياء نستخدم المقياس المئوي (C ) ومقياس كلفن . ( K ) K = 273 + OC مقادير تقسيمات الدرجات في المقاسين متساوية .

حول 200C إلى كلفن . K = 273 + OC K = 273 + 20 K = 293

تقاس كمية الطاقة المنتقلة كحرارة بوحدة الجول ( J) ما المقصود بالحرارة ؟ صورة للطاقة تنتقل تلقائياً من جسم أعلى في درجة حرارته إلى جسم أقل في درجة حرارته .

ما العوامل التي تعتمد عليها كمية الطاقة المنتقلة كحرارة خلال التغير ؟ 1- طبيعة المادة . 2- كتلة المادة . 3- مقدار التغير في درجة الحرارة .

عرف الحرارة النوعية ؟ كمية الطاقة اللازمة لرفع درجة حرارة جرام واحد من المادة درجة مئوية واحد أو كلفنا واحداً . تقاس الحرارة النوعية تحت ضغط ثابت ورمزها Cp .

q Cp = ΔT m × q m ΔT الطاقة المنطلقة أو الممتصة . كتلة العينة ( g ) الفرق بين درجتي الحرارة الابتدائية والنهائية . ΔT

ΔT T2 T1 = - T2 درجة الحرارة النهائية . T1 درجة الحرارة الابتدائية .

q q المعطى : المعطى : = = m m = = T1 T2 T1 = = احسب الحرارة النوعية لمادة تمتص عينة منها كتلتها 35 g كمية 48 J من الطاقة عند تسخينها من293 K إلى 313 K . 48 J 35 g 293 K 313 K q q المعطى : المعطى : = = m m = = T1 T2 T1 = =

- = T2 T1 ΔT = - ΔT 313 293 20 K = q Cp = m × ΔT 48 J Cp = = 0.069 J/g.K 35 g × 20 K

q 980 KJ = Cp = 4.18 6.2 L V = D 1 g/mL = 291K T1 = T2 المجهول : إذا أضيف 980KJ من الطاقة إلى 6.2L من الماء عند درجة حرارة 291 K فما درجة الحرارة النهائية للماء علماً أن كثافة الماء 1g/L وحرارته النوعية =4.18 J/g.K المعطى : q 980 KJ = Cp = 4.18 J/g.K V 6.2 L = D 1 g/mL 291K = T1 = T2 المجهول :

1000 J q 980 KJ 980 000J = × = 1 K 1000 mL mL V 6.2 L 6200 = × = 1 L m D = × V mL 1 g/mL m × 6200 = 6200 g m =

q ΔT = Cp m × 980 000J ΔT = 6200 g 4.18 J/g.K × ΔT = 38 K

T1 ΔT = T2 - T1 T2 = ΔT + T2 = 38 K + 291K T2 = 329 K

احسب Cp لمعدن الانديوم علماً أن1 احسب Cp لمعدن الانديوم علماً أن1.0 mol منه يمتص 53 J عندما ترتفع درجة حرارته من 297.5 K إلى 299.5 ( In = 114) q 53 J المعطى : = عدد المولات 1.0mol = 299.5 K 297.5K T2 = T1 = 1.0 mol In = 114.g = m Cp = ? المجهول : J/g.K

T2 T1 ΔT = - ΔT 299.5 - 297.5 = 2 K ΔT =

q Cp = m × ΔT 35 J Cp = 2 K 114 g × = 0. J/g.K

حرارة التفاعل ΔH هي كمية الطاقة المنتقلة (الممتصة أو المنطلقة) أثناء التفاعل الكيميائي .

التغير في المحتوى الحراري ΔH هي كمية الطاقة الممتصة أو المنطلقة على صورة حرارة من قبل نظام معين خلال عملية تحت ضغط ثابت .

H نواتج H متفاعلات ΔH H نواتج H متفاعلات ΔH = - المحتوى الحراري للنواتج H نواتج H متفاعلات المحتوى الحراري للمتفاعلات التغير في المحتوى الحراري ΔH

2H2O(g) 2H2(g) + O2(g) عند حدوث التفاعل السابق تنطلق كمية من الطاقة = 483.6 عند درجة حرارة 298 K وبالتالي يعبر عن كمية الطاقة المنطلقة خلال التفاعل بالمعادلة التالية : 2H2(g) +O2(g) 2H2O(g) + 483.6 kJ

2H2(g) +O2(g) 2H2O(g) + 483.6 kJ من المعادلة : تنطلق 483.6 kJ من الطاقة عند تكون 2 mol من بخار الماء س: كم من الطاقة ينطلق عند تكون 4 mol من بخار الماء ؟ 2× 483.6 kJ

س: كم من الطاقة ينطلق عند تكون 1 mol من بخار الماء ؟ ½× 483.6 kJ

المعادلة الكيميائية الحرارية : المعادلة التي تتضمن كمية الطاقة الممتصة أو المنطلقة كحرارة أثناء التفاعل الكيميائي . في التفاعلات الطاردة للحرارة تكتب كمية الحرارة على اليمين جهة المواد الناتجة . في التفاعلات الماصة للحرارة تكتب كمية الحرارة على اليسار جهة المواد المتفاعلة .

حدد نوع التفاعل (طارد أو ماص للحرارة) : 3CO(g) +Fe2O3(S) 2Fe(S) + 3CO2(g) + 24.7 kJ إذاً التفاعل طارد للحرارة . I2(g) I2(S) + 24.7 kJ التفاعل ماص للحرارة

في التفاعلات الطاردة للحرارة تكتب كمية الحرارة على اليمين جهة المواد الناتجة وتكون قيمة ΔH سالبة أي ΔH > 0.

في التفاعلات الماصة للحرارة تكتب كمية الحرارة على اليسار جهة المواد المتفاعلة وتكون قيمة ΔH موجبة أي ΔH < 0 .

س: حدد قيمة ΔH لكل تفاعل مما يلي : 3CO(g) +Fe2O3(S) + 3CO2(g) 2Fe(S) + 24.7 kJ هل التفاعل ماص أم طارد للحرارة . ً التفاعل طارد للحرارة . هل ΔH موجبة أم سالبة لهذا التفاعل ؟ سالبة . - 24.7 kJ كم تكون قيمة ΔH لهذا التفاعل ؟

هل التفاعل ماص أم طارد للحرارة . I2(g) I2(S) س : + 24.7 kJ هل التفاعل ماص أم طارد للحرارة . ً التفاعل ماص للحرارة . هل ΔH موجبة أم سالبة لهذا التفاعل ؟ موجبة . كم تكون قيمة ΔH لهذا التفاعل ؟ + 24.7 kJ

3- في التفاعلات الطاردة للحرارة أين تكتب كمية الحرارة ؟ س: أعد كتابة المعادلات التالية مضمناً قيمة ΔH جانب المتفاعلات أو النواتج : 2Mg(S) 2MgO(S) +O2(g) ΔH = -1200 kJ 1-هل ΔH موجبة أم سالبة لهذا التفاعل ؟ سالبة . طارد. 2- هل التفاعل ماص أم طارد للحرارة ؟ 3- في التفاعلات الطاردة للحرارة أين تكتب كمية الحرارة ؟ جهة النواتج . 2Mg(S) +1200 kJ +O2(g) 2MgO(S)

ΔH سالبة وبالتالي التفاعل للحرارة طارد مسار التفاعل الحراري الطاقة الابتدائية سير التفاعل الطاقة المتفاعلات 300 ΔH الطاقة النهائية 500 النواتج - ΔH الطاقة النهائية = الطاقة الابتدائية - 500 300 200 ΔH = = ΔH سالبة وبالتالي التفاعل للحرارة طارد

ΔH موجبة وبالتالي التفاعل للحرارة ماص الطاقة النهائية النواتج ΔH الطاقة الطاقة الابتدائية المتفاعلات سير التفاعل مسار التفاعل الحراري : ΔH موجبة وبالتالي التفاعل للحرارة ماص

عند استخدام المعادلات الكيميائية الحرارية: 1- تمثل المعاملات عدد المولات ولا تمثل عدد الجزيئات مطلقاً . علل : يمكن كتابة المعاملات ككسور في المعادلات الكيميائية الحرارية ؟ * لأنها تمثل المعاملات عدد المولات ولا تمثل عدد الجزيئات مطلقاً .

2- يجب كتابة الحالة الفيزيائية للمتفاعلات والنواتج . 3- يتناسب التغير في الطاقة طردياً مع عدد مولات المادة الخاضعة للتغير . 4- قيمة تغير الطاقة ΔH لا تتأثر عادة بتغير درجة الحرارة .

حرارة التكوين المولية ΔH0 f تغير الحرارة الذي يحصل لدى تكون مول واحد من مركب من عناصره الأولية في حالتها القياسية عند 250C وضغط 1atm

حرارة التكوين المولية للعناصر في حالتها القياسية = صفر . ΔH0 f ΔH0 f المركبات المستقرة جداً تكون حرارة التكوين لها ذات قيم سالبة كبيرة .

المركبات غير المستقرة تماماً تكون حرارة التكوين لها ذات قيم موجبة كبيرة . المركبات غير المستقرة تكون حرارة التكوين لها ذات قيم موجبة أو سالبة قليلة .

يزداد الاستقرار + -

رتب تصاعدياً المركبات التالية حسب استقرارها(حرارة التكوين kJ/mol بين قوسين) HI (+26.5) , C2H2 ( +226.7) HgC2N2O2(+270) CO2 (-393.5) أقلها الترتيب : C2H2 CO2 HI HgC2N2O2 ثم ثم ثم

حرارة الاحتراق ΔH c الحرارة المنطلقة لدى الاحتراق الكامل لمول واحد من المادة . الجهاز الشائع لتحديد قيم حرارة الاحتراق هو كالوريمتر الاحتراق .

حساب حرارة التفاعل ΔH قانون هس : قيمة التغير في المحتوى الحراري ΔH لأي تفاعل كيميائي ثابتة سواء تم التفاعل في خطوة واحدة أو في عدة خطوات .

خطوات حساب حرارة التفاعل : 1- اعكس معادلة التفاعل حيث يلزم .( وبالتالي تنعكس إشارة ΔH ) 2- اضرب معاملات المعادلات بأعداد بسيطة بحيث تعطي عند جمعها المعادلة الكيميائية المطلوبة ( تضرب ΔH بنفس العدد )

+O2(g) C(s) CO2(g) H2(g) + ½O2(g) H2O(l) س: احسب حرارة تكوين غاز الميثان من عنصريه غاز الهيدروجين والكربون الصلب عند درجة 298K باستخدام المعادلات والمعلومات التالية : +O2(g) - 393.5kJ C(s) CO2(g) ΔH = c - 285.8kJ H2(g) ΔH = c + ½O2(g) H2O(l) +2H2O(l) CH4(g) + 2O2(g) CO2(g) - 890.8kJ ΔH = c

C(s) +2H2(g) +O2 C CO2 H2 + ½O2 H2O كتابة المعادلة الأصلية : CH4(g) ΔH = ? f C(s) +2H2(g) قارن بين كل معادلة والمعادلة الأصلية 1- تبقى المعادلتان الأولى والثانية كما هي بينما تعكس المعادلة الثالثة +O2 - 393.5kJ C CO2 ΔH = c - 285.8kJ H2 ΔH = c + ½O2 H2O CH4 + 2O2 CO2 +2H2O + 890.8kJ ΔH =

+O2 C CO2 2H2 H2 + ½O2 + O2 2H2O H2O + 2O2 CH4 CO2 +2H2O 2- تضرب المعادلة الثانية ب( 2 ) بينما تبقى كل من المعادلة الأولى والثالثة كما هي . +O2 - 393.5kJ C CO2 ΔH = c - 285.8kJ 2H2 H2 ΔH = c + ½O2 + O2 2H2O H2O 2×- 285.8kJ CH4 + 2O2 CO2 +2H2O + 890.8kJ ΔH =

+O2 C C CO2 2H2O +2H2 2H2 + O2 CO2 CH4 CH4 + 2O2 +2H2O 3- جمع المعادلات الثلاثة : +O2 - 393.5kJ C C CO2 ΔH = 2H2O - 571.6 kJ +2H2 2H2 ΔH= + O2 CO2 CH4 CH4 + 2O2 +2H2O + 890.8kJ ΔH = -74.3kJ ΔH f =(-393.5) + (-571.6) + (+ 890.8)=

مسألة نموذجية 5 – 2 ص 136

حساب حرارة التكوين :

حرارة التفاعل لـ CO و CO2 +O2 C C + ½O2 CO2 0 kJ -393.5 kJ - 110.5 kJ ΔH = C + ½O2 + 283.0 kJ - 283.0 kJ ΔH = ΔH = CO2 -393.5 kJ

,Cl2 Sn 35 ص 150 SnCl2 SnCl4 Sn + Cl2 SnCl2 ΔH = ? SnCl2 + Cl2 SnCl4 -100 - 325.1 kJ -200 SnCl2 ? kJ -300 -400 - 186.2 kJ -500 SnCl4 -600 Sn + Cl2 SnCl2 ΔH = ? SnCl2 + Cl2 SnCl4 ΔH = ? Sn + 2Cl2 SnCl4 ΔH = ?

القوى الدافعة للتفاعلات القسم 5 - 2 القوى الدافعة للتفاعلات ما العاملان المعتمدان لتوقع حدوث تفاعل كيميائي ؟ 1- التغير في طاقة نظام التفاعل . 2- عشوائية الجسيمات في النظام .

التغير في المحتوى الحراري والميل إلى التفاعل * معظم التفاعلات الكيميائية في الطبيعة هي تفاعلات طاردة للحرارة . * وتكون طاقة النواتج أقل من طاقة المتفاعلات * وتكون النواتج أكثر مقاومة للتغير وأكثر استقراراً من المتفاعلات . الميل الطبيعي للتفاعل : أن يحدث في اتجاه الحالة الأدنى من الطاقة .

يعتقد كثيرون أن التفاعلات الماصة للحرارة لا تحدث تلقائيا ، لماذا ؟ لأن للنواتج طاقة كامنة أعلى واستقرارية أقل من المتفاعلات الأصلية .

الانتروبي والميل إلى التفاعل الانصهار من العمليات الماصة للحرارة التي تحدث طبيعياً . * انصهار الثلج يحدث تلقائياً في درجة حرارة الغرفة . * تفقد جزيئات الماء ترتيبها المنتظم وتتكون حالة السيولة ذات الترتيب الأقل انتظاماً وذات محتوى الطاقة الأعلى .

لماذا ينتقل النظام من حالة إلى أخرى دون تغير في المحتوى الحراري؟ ج- للزيادة في الانتروبي . النظام العشوائي : النظام الذي تفتقر مكوناته لإلى الترتيب المنتظم . الانتروبي S : قياس درجة عشوائية الجسيمات في نظام معين .

عشوائية جسيمات الصلب عشوائية جسيمات السائل عشوائيةجسيمات الغاز أكثر أكثر قاعدة عامة : انتروبي الصلب انتروبي السائل انتروبي الغاز أكبر أكبر

انتروبي الصلب البلوري النقي = 0 عند درجة الصفر المطلق . زيادة الطاقة تؤدي إلى زيادة عشوائية حركة الجزيئات التغير في الانتروبي هو : الفرق بين انتروبي النواتج وانتروبي المتفاعلات .

ΔS = - تزداد الانتروبي عند تكوين المحاليل غالباً لماذا؟ ج- لزيادة العشوائية . أمثلة : * مزج الغازات . * إذابة سائل في سائل . * إذابة صلب في سائل .

ΔS تغير الانتروبي عند ذوبان السكر في الشاي : * قبل الذوبان : الانتروبي منخفضة . جسيمات السكر صلبة . تزداد الانتروبي . * بعد الذوبان : تتحرك جزيئات السكر في جميع المحلول فتزداد العشوائية . موجبة تأخذ قيمة عند ذوبان السكر في الشاي ΔS

ΔS ΔS موجبة تأخذ قيمة نظام صلب - سائل : يحدث نفس الأمر عند خلط : * غازات مع بعضها . سوائل مع بعضها . موجبة حيث تكون ΔS

الطاقة الحرة G تحدث العمليات في الطبيعة في اتجاهين : 1- الحد الأدنى من الطاقة . 2- الحد الأعلى من العشوائية . عند تعارضهما يحدد العامل الغالب وجهة التغير .

- ΔG0 = ΔH0 TΔS0 تعريف الطاقة الحرة G أو طاقة جيبس الحرة الدالة التي تربط التغير في الحراري بالانتروبي تعريف التغير في الطاقة الحرة ΔG الفرق بين ΔHوحاصل ضرب درجة الحرارة بالكلفن في تغير الانتروبي أي TΔ S - ΔG0 = ΔH0 TΔS0

ΔG < 0 تلقائياً يكون التفاعل ΔS و ΔH0 إذا كانت يمكن لكل من تحدث العمليات الطبيعية عادة في اتجاه تقليل الطاقة الحرة للنظام . إذا كانت ΔG < 0 تلقائياً يكون التفاعل ΔS و ΔH0 يمكن لكل من أن يأخذ قيماً سالبة أو موجبة ، مما يؤدي لتكوين أربعة احتمالات .

تلقائياً دائماً ΔG < 0 يكون التفاعل تفاعل طارد للحرارة سالبة ΔH0 أولاً : أكثر عشوائية موجبة ΔS ΔG0 = - ΔH0 TΔS0 ΔG0 = = - - (+) - تلقائياً دائماً ΔG < 0 يكون التفاعل

تفاعل طارد للحرارة سالبة ΔH0 ثانياً : أقل عشوائية سالبة ΔS ΔG0 = - ΔH0 TΔS0 ΔG0 = = - - (-) ? حسب درجات الحرارة T

عند درجات الحرارة T المنخفضة سالبة ΔG0 تكون تلقائياً يكون التفاعل

تفاعل ماص للحرارة موجبة ΔH0 ثالثاً : أكثر عشوائية موجبة ΔS ΔG0 = - ΔH0 TΔS0 ΔG0 = = - (+) ? + حسب درجات الحرارة T

عند درجات الحرارة T المرتفعة سالبة ΔG0 تكون تلقائياً يكون التفاعل

يكون التفاعل غير تلقائي دائماً ΔG > 0 تفاعل ماص للحرارة موجبة ΔH0 رابعاً : أقل عشوائية سالبة ΔS ΔG0 = - ΔH0 TΔS0 ΔG0 = = - (-) + + يكون التفاعل غير تلقائي دائماً ΔG > 0

ΔS ΔG ΔH سالبة دائماً موجبة سالبة تلقائي دائماً تلقائي سالبة سالبة طبيعة التفاعل ΔG ΔH سالبة دائماً موجبة سالبة تلقائي دائماً أكثر عشوائية طارد للحرارة تلقائي سالبة سالبة سالبة عند درجات الحرارة المنخفضة أقل عشوائية طارد للحرارة تلقائي موجبة موجبة سالبة ماص للحرارة عند درجات الحرارة المرتفعة أكثر عشوائية غير تلقائي دائماً موجبة دائماً سالبة موجبة ماص للحرارة أقل عشوائية

مسألة نموذجية 5 - 5

اختر الاجابة الصحيحة 1- أكثر المركبات استقراراً حرارياً ( حرارة التكوين بوحدة kJ/mol ) CaO= -635 CuO= -157 NO2= -635 C2H2= -635

2- أي الرموز التالية يمثل الفرق في المحتوى الحراري بين النواتج والمتفاعلات ؟ ΔS ΔT ΔG ΔH 3- كمية الحرارة اللازمة لرفع درجة حرارة (1g)من مادة بمقدار (1c) أو(1K) تسمى : الطاقة الحرارية الحرارة النوعية حرارة التكوين السعة الحرارية

4- تنخفض الانتروبي عند : خفض درجة الحرارة خفض الضغط تحريك النظام رفع درجة الحرارة 5- أي العمليات التالية تخفض الانتروبي ؟ إذابة سائل في سائل تجميد السائل إذابة صلب في سائل مزج الغازات

6- أي العبارات التالية صحيحة فيما يتعلق بالشكل المقابل ؟ E 393.5kJ/ mol C+O2 CO2 التفاعل ماص للحرارة قيمة ΔH للتفاعل العكسي سالبة المحتوى الحراري للنواتج أكبر من المتفاعلات التفاعل الأمامي يمثل حرارة تكوين CO2