الطاقة والتغيرات الكيميائية

القسم 1 الطاقة

الطاقة قانون حفظ الطاقة طاقة الوضع الكيميائية

ما المقصود بالحرارة ؟ الطاقة التي تنتقل تلقائياً من جسم أعلى في درجة حرارته إلى جسم أقل في درجة حرارته عرف السعر cal؟ كمية الطاقة اللازمة لرفع درجة حرارة جرام واحد من الماء درجة سيليزية واحدة.

1000 سعر حراري السعر الغذائي = 1Cal = 1000cal = 1kcal السعر الغذائي حرف C كبير ما وحدة قياس الطاقة في النظام الدوليSI؟ الجولJ

1cal = 4.184 J 1kcal = 4.184 kJ

تطبيق

عرف الحرارة النوعية ؟ كمية الطاقة اللازمة لرفع درجة حرارة جرام واحد من المادة درجة سيليزية واحدة. تقاس الحرارة النوعية تحت ضغط ثابت ورمزها Cp .

الحرارة النوعية المادة الماء 4.18 الخرسانة 0.84

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

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

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

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

- = ΔT = T2 - T1 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 : المعطى : 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/mL وحرارته النوعية =4.18 J/g.K المعطى : = q V T1 980 KJ 6.2 L 291K Cp = 4.18 J/g.K المجهول : T2 D 1 g/mL

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

تطبيق الحرارة النوعية للإيثانول 2.44 J/g.C الحرارة النوعية للذهب 0.129 J/g.C

الحرارة النوعية J/g.C للذهب 0.129 الألمنيوم 0.897 الحديد 0.449 الفضة 0.235 ملاحظة الأعلى في درجة الحرارة الأقل الألمنيوم الحديد الفضة الذهب

القسم 2 الحرارة

قياس الحرارة المسعر

لأن الاحتكاك ينتج حرارة

تحديد الحرارة النوعية باستخدام مسعر مصنوع من كوب بلاستيك رغوي كما هو مبين في الشكل المجاور

تحديد الحرارة النوعية a b c

تطبيق 12 - 15

الطاقة الكيميائية والكون الكيمياء الحرارية دراسة التغيرات الحرارية المصاحبة للتفاعلات الكيميائية والتغيرات الفيزيائية. الكمادة الساخنة التفاعل الذي يحدث فيها 4 Fe + 3O2 = 2Fe2O3 + 1625 kJ

الجزء المعين من الكون الذي التفاعل أو العملية التي ترغب في دراستها. النظام كل شيء في الكون بخلاف النظام المحيط النظام + المحيط الكون =

المحتوى الحراري التغير في المحتوى الحراري المحتوى الحراري H المحتوى الحراري لنظام ما عند ضغط ثابت

ΔH حرارة التفاعل هي كمية الحرارة الممتصة أو المنطلقة أثناء التفاعل الكيميائي . التغير في المحتوى الحراريΔH حرارة التفاعل هي

ΔHrxn Hfinal Hinitial = - ΔHrxn Hproducts Hreactants = - H نواتج Hproducts المحتوى الحراري للنواتج H متفاعلات Hreactants المحتوى الحراري للمتفاعلات التغير في المحتوى الحراري ΔHrxn

في التفاعلات الطاردة للحرارة، أين تكتب كمية الحرارة ؟ على اليمين جهة المواد الناتجة في التفاعلات الماصة للحرارة، أين تكتب كمية الحرارة؟ على اليسار جهة المواد المتفاعلة

فسر: كمية الطاقة الممتصة من جزيئات الماء لتكوين الهيدروجين والأكسجين تساوي كمية الطاقة المنطلقة عند اتحاد هذين العنصرين لتكوين الماء . لأن الفرق بين طاقة المتفاعلات والنواتج لم يتغير

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

ما إشارة ΔH في التفاعلات الطاردة للحرارة ؟ من 0 أقل أي ΔH سالبة دائماً لأن النظام يفقد طاقة أثناء التفاعل لماذا ؟ ما إشارة ΔHفي التفاعلات الماصة للحرارة ؟ من 0 أكبر أي ΔH موجبة دائما لأن النظام يكتسب طاقة أثناء التفاعل

س: حدد قيمة ΔH لكل تفاعل مما يلي : 3CO(g) +Fe2O3(S) 2Fe(S) + 3CO2(g) + 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(S) I2(g) + 24.7 kJ هل التفاعل ماص أم طارد للحرارة ؟ التفاعل ماص للحرارة . هل ΔH موجبة أم سالبة لهذا التفاعل ؟ موجبة . + 24.7 kJ كم تكون قيمة ΔH لهذا التفاعل ؟

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

ΔH موجبة وبالتالي التفاعل للحرارة طارد سير التفاعل الطاقة المتفاعلات النواتج الطاقة الابتدائية الطاقة النهائية ΔH 50 30 مسار التفاعل الحراري - ΔH الطاقة النهائية = الطاقة الابتدائية - 30 50 +80 ΔH = = ΔH موجبة وبالتالي التفاعل للحرارة طارد

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

القسم 3 المعادلة الكيميائية الحرارية القسم 3 المعادلة الكيميائية الحرارية المعادلة التي تتضمن الحالة الفيزيائية للمتفاعلات والنواتج وتغير الطاقة.

حرارة الاحتراق ΔHc التغير في المحتوى الحراري لدى الاحتراق الكامل لمول واحد من المادة . الجهاز الشائع لتحديد قيم حرارة الاحتراق هو كالوريمتر الاحتراق .

ضوابط حساب حرارة الاحتراق القياسية : 1– خاص بالمادة المتفاعلة مع الأكسجين . 2 – مول واحد من المادة المتفاعلة( المحترقة ) . 3- المركب الناتج في حالته القياسية ( درجة الحرارة ( C 25 والضغط 1atm ) .

تغيرات الحالة الحرارة المولية للتبخير ΔHv الحرارة المولية للانصهار ΔHf

تبخير الماء انصهار الثلج

تكثف البخار تجمد الماء

قارن بين معادلتي تكثف بخار الماء وتبخير الماء تكثف البخار

قارن بين معادلتي انصهار الثلج و تجمد الماء

الحرارة المولية للتكثيف ΔHcon الحرارة المولية للتجمد ΔHsol

العملية طاردة أم ماصة التكثف التجمد التبخير الانصهار طاردة طاردة ماصة ماصة

- 891k/mol ΔHc حرارة الاحتراق للميثان

تفاعلات الاحتراق

سؤال: إذا كانت حرارة احتراق غاز الأسيتيلين C2H2 تساوي -1301.1 kJ/mol -2 إذا تفاعل 0.250 mol من C2H2 بحسب المعادلة (1) فما الطاقة المنطلقة من هذا التفاعل . 3- كم جراما من C2H2 يلزم التفاعل بحسب المعادلة (1) لإطلاق طاقة 3900KJ , 26 g/mol = C2H2

ادرس التفاعل التالي ثم أجب عن الأسئلة التي تليه : 2H2(g) + O2(g) 2H2O(g) + 483.6 kJ 1-ما نوع التفاعل ؟ 2- ما قيمة حرارة التفاعل ؟ 3- ما قيمة حرارة التكوين ؟ ( الماء ) 4- ما قيمة حرارة الاحتراق؟( الهيدروجين ) 5-اكتب المعادلة الكيميائية الحرارية لتفكك بخار الماء

2H2(g) + O2(g) 2H2O(g) عند حدوث التفاعل السابق تنطلق كمية من الطاقة = 483.6 عند 25C 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 س: كم من الطاقة ينطلق عند تكون 4 mol من بخار الماء ؟ حسب المعادلة: تنطلق 483.6 kJ من الطاقة عند تكون 2 mol من بخار الماء 2× 483.6 kJ

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

A ΔH D ΔH1 ΔH3 B ΔH2 C ΔH3 ΔH = ΔH1 + ΔH2 +

خطوات حساب حرارة التفاعل : 1- حدد المواد المشتركة بين التفاعلات مع التفاعل الأصلي 2- اعكس معادلة التفاعل حيث يلزم(وبالتالي تنعكس إشارة ΔH ) 3- اضرب معاملات المعادلات بأعداد بسيطة بحيث تعطي عند جمعها المعادلة الكيميائية المطلوبة ( تضرب ΔH بنفس العدد ) 4- جمع المعادلات للحصول على المعادلة الأصلية

+O2(g) C(s) CO2(g) H2O(l) H2(g) + ½O2(g) 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) ΔHc = - 285.8kJ H2O(l) ΔHc = H2(g) + ½O2(g) - 890.8kJ +2H2O(l) ΔHc= CH4(g) CO2(g) + 2O2(g)

C(s) +2H2(g) كتابة المعادلة الأصلية : CH4(g) ΔHf = ? قارن بين كل معادلة والمعادلة الأصلية 1- تبقى المعادلتان الأولى والثانية كما هي بينما تعكس المعادلة الثالثة 2- تضرب المعادلة الثانية ب( 2 ) بينما تبقى كل من المعادلة الأولى والثالثة كما هي . 3- جمع المعادلات الثلاثة :

سؤال احسب حرارة التفاعل أعلاه باستخدام البيانات التالية 1/2 99

سؤال احسب حرارة التفاعل b باستخدام حرارة التفاعل الأصلي مع المعادلة a

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

ضوابط حساب حرارة التكوين القياسية : 1– خاص بالمادة الناتجة . 2- مول واحد من المادة الناتجة . 2 – يتكون المركب من عناصره الأولية . 3 – المركب الناتج في حالته القياسية ( درجة الحرارة 250C والضغط (1atm ) .

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

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

* من خلال بيانات الجدول التالي : المركب HgCl2 NO NaBr FeS حرارة التكوين(kJ/ mol ) -230 + 90.29 -361.8 -100 رتب المركبات تنازليا تبعا للاستقرار ، من الأعلى الى الأقل

2H2(g) +O2(g) 2H2O(g) + 483.6 kJ احسب حرارة تكوين الماء

حدد موقع الماء على الشكل باستخدام المعادلة التالية: H2O

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

حساب حرارة التفاعل من حرارة التكوين باستخدام العلاقة : مجموع fo ∆H متفاعلات ــ مجموع ∆H fo نواتج =∆H = ∑Hf نواتج - ∑Hf متفاعلات ∆H

سؤال: احسب حرارة تفاعل احتراق غاز الميثان CH4 (g) لتكوين CO2 (g) + H2O (l) علما بأن حرارة التكوين(kJ/mol ) لكل من : , CH4 (g) = -74.9 CO2 (g)= -393.5 , H2O (l)=-285.6

حرارة الاحتراق القياسية ∆Hco مقارنة بين حرارة التكوين القياسية وحرارة الاحتراق القياسية   حرارة التكوين القياسية ∆Hfo حرارة الاحتراق القياسية ∆Hco عدد المولات 1 نوع المركب ناتج متفاعل نوع الطاقة منطلقة أو ممتصة منطلقة دائما إشارة التغير ( + أو - ) ( - ) فقط

* ما البديل غير المنسجم علمياً مع بيان السبب : 4C(s)+ 5H2 (g) C4H10 (g) 2C(s) + 3H2 (g) C2H6 (g) C(s) + 2H2 (g) CH4(g) C (s) + O2 (g) CO2 (g)

احسب حرارة التفاعل التالي

إذا علمت ان حرارة تكوين المركبX هي(-110 * إذا علمت ان حرارة تكوين المركبX هي(-110.5 kJ/ mol ) وحرارة تكوين الناتج الوحيد لاحتراقه هي (-393.5 kJ/ mol ) فما حرارة احتراق المركب X ؟(-283.0 kJ )  

اكتب المعادلة الكيميائية الحرارية المعبرة عن احتراق غاز البيوتان C4H10 ، ثم احسب حرارة تكوين غاز البيوتان علماً بأن حرارة احتراق البيوتان= -2877.6 kJ/m0l وحرارة التكوين ( kJ/mol) CO2 (g)= -393.5 , H2O (l)=-285.6

سؤال : احسب كمية الطاقة المنطلقة عند تكون 30 سؤال : احسب كمية الطاقة المنطلقة عند تكون 30.3gمن SO2 علماً بأن حرارة تكوينه -296.8 kJ/mol و ك. مـ = 64 g/mol

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 S القانون الثاني للديناميكا الحرارية

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 إلى الترتيب المنتظم . الانتروبي S : قياس درجة عشوائية الجسيمات في نظام معين .

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

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

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

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

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

1 2

3 4

5

الطاقة الحرة G تعريف التغير في الطاقة الحرة ΔG الفرق بين ΔHوحاصل ضرب درجة الحرارة بالكلفن في تغير الانتروبي أي TΔ S ΔG0 = ΔH0 - TΔS0

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

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

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

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

عند درجات الحرارة T المنخفضة تكون ΔG0 سالبة تلقائياً يكون التفاعل

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

عند درجات الحرارة T المرتفعة تكون ΔG0 سالبة تلقائياً يكون التفاعل

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

ΔS ΔH طبيعة التفاعل ΔG موجبة سالبة تلقائي دائماً سالبة دائماً أكثر عشوائية طارد للحرارة تلقائي سالبة سالبة سالبة عند درجات منخفضة تلقائي موجبة موجبة سالبة عند درجات مرتفعة غير تلقائي دائماً موجبة دائماً سالبة موجبة

سؤال سؤال