1-4 حساب التغير في المحتوى الحراري (١)

بعض التفاعلات الكيميائية تحدث ببطء شديد أو تنتج مخاليط من النواتج مما يستحيل معه قياس التغير في المحتوى الحراري لها عملياً بالمسرع. لحل هذه المشكلة، نستعمل قانون هس الذي ينص على أن حرارة التفاعل أو التغير في المحتوى الحراري تتوقف على طبيعة المواد الداخلة في التفاعل والمواد الناتجة منه، وليس على الخطوات أو المسار الذي يتم فيه التفاعل. وتقوم الفكرة على جمع معادلات كيميائية حرارية معلومات التغير في حرارتها للوصول إلى المعادلة المطلوبة. إضافة إلى ذلك، يمكن حساب حرارة التفاعل القياسية باستعمال حرارة التكون القياسية للمركبات، حيث نفترض أن حرارة التكون القياسية للعناصر في حالتها القياسية تساوي صفر، ونستعمل علاقة التجميع $\Delta H^\circ_{\text{rxn}} = \sum \Delta H^\circ_{\text{f (products)}} - \sum \Delta H^\circ_{\text{f (reactants)}}$.

الفكرة الأساسية

حين ترغب في حساب التغير في المحتوى الحراري لتفاعل كيميائي بطيء جداً أو ينتج مخاليط تعيق القياس بالمسرع، لا يمكنك الاعتماد على التجربة المباشرة. هنا تأتي حاجة ملحة لطريقة نظرية، وهي قانون هس الذي يربط بين المحتوى الحراري للمواد الابتدائية والنهائية بغض النظر عن عدد خطوات التفاعل.

الشرح

ينص قانون هس على أن حرارة التفاعل أو التغير في المحتوى الحراري تتوقف على طبيعة المواد الداخلة في التفاعل والمواد الناتجة منه، وليس على الخطوات أو المسار الذي يتم فيه التفاعل. لكي تحسب التغير في المحتوى الحراري لتفاعل معين باستخدام قانون هس، عليك التعامل مع المعادلات الكيميائية الحرارية كألغاز رياضية: إذا ضربت المعادلة في عدد، فتضرب قيمة $\Delta H$ في نفس العدد. وإذا عكست اتجاه المعادلة، فتغير إشارة $\Delta H$ (من موجب إلى سالب أو العكس). وعند جمع هذه المعادلات، تحصل على المعادلة النهائية ومجموع قيم $\Delta H$ لها.

طريقة أخرى لحساب حرارة التفاعل القياسية $\Delta H^\circ_{\text{rxn}}$ هي استعمال حرارة التكون القياسية $\Delta H^\circ_{\text{f}}$، وهي التغير في المحتوى الحراري الذي يرافق تكون مول واحد من المركب من عناصره في حالاتها القياسية. حرارة التكون القياسية لأي عنصر في حالته القياسية تساوي صفراً. ولحساب حرارة التفاعل الكلي، تستخدم معادلة التجميع التالية: $\Delta H^\circ_{\text{rxn}} = \sum \Delta H^\circ_{\text{f (products)}} - \sum \Delta H^\circ_{\text{f (reactants)}}$ وهذا يعني أنك تجمع حرارة تكون النواتج وتطرح منها مجموع حرارة تكون المتفاعلات بعد ضرب كل قيمة في معاملها المولي في المعادلة الموزونة.

مثال محلول خطوة بخطوة

المطلوب إيجاد حرارة التفاعل القياسية لاحتراق الميثان وفق المعادلة الآتية: $\text{CH}_{4\text{(g)}} + 2\text{O}_{2\text{(g)}} \rightarrow \text{CO}_{2\text{(g)}} + 2\text{H}_2\text{O}_{\text{(l)}} \quad \Delta H^\circ_{\text{rxn}} = ?$

المعطيات من جدول حرارة التكون القياسية: $\Delta H^\circ_{\text{f}}(\text{CO}_2) = -394\text{ kJ}$ $\Delta H^\circ_{\text{f}}(\text{H}_2\text{O}) = -286\text{ kJ}$ $\Delta H^\circ_{\text{f}}(\text{CH}_4) = -75\text{ kJ}$ $\Delta H^\circ_{\text{f}}(\text{O}_2) = 0.0\text{ kJ}$

الخطوة 1: اكتب علاقة التجميع الرياضية. $\Delta H^\circ_{\text{rxn}} = \sum \Delta H^\circ_{\text{f (products)}} - \sum \Delta H^\circ_{\text{f (reactants)}}$

الخطوة 2: عوض عن المواد الناتجة والمواد المتفاعلات مع مراعاة عدد المولات (المعاملات في المعادلة). $\Delta H^\circ_{\text{rxn}} = [\Delta H^\circ_{\text{f}}(\text{CO}_2) + 2\Delta H^\circ_{\text{f}}(\text{H}_2\text{O})] - [\Delta H^\circ_{\text{f}}(\text{CH}_4) + 2\Delta H^\circ_{\text{f}}(\text{O}_2)]$

الخطوة 3: ادخل الأرقام واحسب الناتج النهائي. $\Delta H^\circ_{\text{rxn}} = [(-394\text{ kJ}) + 2(-286\text{ kJ})] - [(-75\text{ kJ}) + 2(0.0\text{ kJ})]$ $\Delta H^\circ_{\text{rxn}} = [-394\text{ kJ} - 572\text{ kJ}] - [-75\text{ kJ}]$ $\Delta H^\circ_{\text{rxn}} = -966\text{ kJ} + 75\text{ kJ} = -891\text{ kJ}$

أخطاء شائعة

• نسيان تغيير إشارة قيمة $\Delta H$ عند عكس اتجاه المعادلة الكيميائية الحرارية.
• عدم ضرب قيمة حرارة التكون القياسية لمركب ما في المعامل المولي الخاص به إذا كان مولوداً بأكثر من مول واحد في المعادلة الموزونة.
• الاعتقاد الخاطئ بأن حرارة التكون القياسية للعناصر في غير حالاتها القياسية تساوي صفراً.

سؤالان للتدريب مع الإجابة

السؤال الأول: لماذا تكون حرارة التكون القياسية لغاز الأكسجين $\text{O}_{2\text{(g)}}$ تساوي صفراً؟ الإجابة: لأنه عنصر في حالته القياسية، وقد اتخذت العناصر في حالاتها القياسية كنقطة بداية صفرية لجدول حرارة التكون.

السؤال الثاني: احسب حرارة التفاعل القياسية لتفاعل تكوين غاز أكسيد النيتروجين $\text{NO}_2$ من تفاعل نصف مول من غاز النيتروجين مع مول من الأكسجين، إذا علمت أن المعادلة هي: $\frac{1}{2}\text{N}_{2\text{(g)}} + \text{O}_{2\text{(g)}} \rightarrow \text{NO}_{2\text{(g)}}$ وأن حرارة التكون القياسية لـ $\text{NO}_2$ تساوي $+33.2\text{ kJ/mol}$. الإجابة: بما أن التفاعل يكوّن مولاً واحداً من $\text{NO}_2$ من عناصره الأولية في حالتها القياسية، فإن حرارة التفاعل تساوي مباشرة حرارة التكون القياسية للمركب، أي أن $\Delta H = +33.2\text{ kJ}$.