1-3 المعادلات الكيميائية الحرارية

المعادلة الكيميائية الحرارية هي معادلة كيميائية موزونة تتضمن الحالة الفيزيائية لكل مادة وتغير المحتوى الحراري Delta H للتفاعل. تقوم الفكرة على أن التفاعلات ترافقها كميات محددة من الطاقة امتصاصا او اطلاقا. في تفاعلات الاحتراق مثلا يكتب التغير الحراري المولي ضمن المعادلة او بجانبها دلالة على الطاقة الناتجة عن حرق مول واحد من المادة. ولحساب الحرارة الناتجة عن كتلة معينة نستخدم معامل التحويل من الكتلة إلى المولات ثم نضرب في قيمة Delta H للمول الواحد. مثلا لحساب حرارة احتراق 54 جرام من الجلوكوز نجد عدد مولاتها ثم نضربها في 2808 كيلو جول لكل مول.

الفكرة الأساسية

المعادلة الكيميائية الحرارية هي لغة الكيمياء التي تربط بين كميات المواد المتفاعلة والناتجة وبين كمية الطاقة الممتصة أو المنطلقة في التفاعل. انظر إلى المعادلة الكيميائية، فهي لا تقتصر على بيان أنواع المواد وأوزانها، بل تسجل أيضا مقدار التغير في المحتوى الحراري الذي يرمز له بالرمز $\Delta H$ والحالات الفيزيائية للمواد.

الشرح

عندما يحدث تفاعل كيميائي، تتكسر روابط وتتكون أخرى، ويرافق ذلك تغير في الطاقة. نكتب المعادلة الكيميائية الحرارية في صورة معادلة كيميائية موزونة تشتمل على الحالات الفيزيائية: صلب (s) وسائل (l) وغاز (g) ومحلول مائي (aq). ويعبر عن التغير في الطاقة بالرمز $\Delta H$.

في تفاعلات الاحتراق، يسمى المحتوى الحراري الناتج عن حرق 1 مول من المادة احتراقا كاملا بحرارة الاحتراق $\Delta H_{comb}$. ويستعمل رمز الدرجة $(\circ)$ للدلالة على المحتوى الحراري القياسي عند ظروف قياسية من ضغط جوي 1 atm ودرجة حرارة $25^\circ\text{C}$.

أما في تغيرات الحالة الفيزيائية مثل التبخر والانصهار، فإن المادة تمتص حرارة لكي تتحول من حالة إلى أخرى، وتسمى حرارة التبخر المولارية $\Delta H_{vap}$ وهي الحرارة اللازمة لتبخر 1 مول من سائل، بينما تسمى حرارة الانصهار المولارية $\Delta H_{fus}$ وهي الحرارة اللازمة لصهر 1 مول من مادة صلبة. وتكون قيمة $\Delta H$ لهاتين العمليتين موجبة لأنهما ماصتان للحرارة. في المقابل، عمليات التكثف والتجمد تعكس هذه العمليات، وتكون قيم حرارة التكثف $\Delta H_{cond}$ وحرارة التجمد $\Delta H_{solid}$ مساوية لقيم التبخر والانصهار رقما ولكنها تختلف عنها في الإشارة لتصبح سالبة لأنها طاردة للحرارة.

مثال محلول خطوة بخطوة

احسب كمية الحرارة الناتجة عن احتراق 54.0 g من الجلوكوز $C_6H_{12}O_6$ بحسب المعادلة: $C_6H_{12}O_6(s) + 6O_2(g) \rightarrow 6CO_2(g) + 6H_2O(l) \quad \Delta H_{comb} = -2808 \text{ kJ}$

الخطوة الأولى: تحليل المسألة ومعرفة المعطيات. كتلة الجلوكوز تساوي 54.0 g، و$\Delta H_{comb} = -2808 \text{ kJ}$. المطلوب هو حساب كمية الحرارة $q$. الخطوة الثانية: تحويل جرامات الجلوكوز إلى مولات باستخدام الكتلة المولية. الكتلة المولية للجلوكوز تساوي 180.18 g/mol. $\text{Moles} = 54.0 \text{ g} \times \frac{1 \text{ mol}}{180.18 \text{ g}} = 0.300 \text{ mol}$ الخطوة الثالثة: حساب الحرارة الناتجة بضرب عدد المولات في حرارة الاحتراق لكل مول. $q = 0.300 \text{ mol} \times (-2808 \text{ kJ/mol}) = -842 \text{ kJ}$

أخطاء شائعة

1. الخلط بين إشارة $\Delta H$ في العمليات الماصة والطاردة للحرارة؛ فالعمليات التي تمتص حرارة مثل الانصهار والتبخر تكون إشارتها موجبة، بينما العمليات التي تطلق حرارة مثل التجمد والتكثف والاحتراق تكون إشارتها سالبة.
2. نسيان كتابة الحالات الفيزيائية للمواد في المعادلة الكيميائية الحرارية مع أن لها أثرا مباشرا في قيمة المحتوى الحراري.
3. الخلط بين درجة الحرارة والضغط القياسيين STP وبين الظروف القياسية للمحتوى الحراري ($25^\circ\text{C}$ و1 atm).

سؤالان للتدريب مع الإجابة

السؤال الأول: احسب الحرارة اللازمة لصهر 25.7 g من الميثانول الصلب عند درجة انصهاره، إذا علمت أن حرارة الانصهار المولارية للميثانول من الجدول هي $3.22 \text{ kJ/mol}$ وكتلته المولية تقارب $32.04 \text{ g/mol}$. الإجابة: نحول الكتلة إلى مولات بقسمة 25.7 على 32.04 لنحصل على 0.802 مول، ثم نضرب في حرارة الانصهار: $0.802 \text{ mol} \times 3.22 \text{ kJ/mol} = 2.58 \text{ kJ}$.

السؤال الثاني: حدد ما إذا كانت العملية الآتية طاردة للحرارة أم ماصة: $C_2H_5OH(l) \rightarrow C_2H_5OH(g)$ الإجابة: العملية هي تبخر للسائل، وتحويل السائل إلى غاز يتطلب امتصاص حرارة، إذن العملية ماصة للحرارة وستكون قيمة $\Delta H$ موجبة.