ملخص الفصل ١: الطاقة والتغيرات الكيميائية

1-1 الطاقة

• الطاقة هي القدرة على بذل شغل أو إنتاج حرارة، وتظهر في صورتين: طاقة وضع تعتمد على تركيب الجسم أو موضعه، وطاقة حركية مرتبطة بحركته.
• ينص قانون حفظ الطاقة على أن الطاقة في أي تفاعل كيميائي أو عملية فيزيائية تتحول من شكل إلى آخر لكنها لا تفنى ولا تُستحدث، ويسمى أيضًا القانون الأول في الديناميكا الحرارية.
• طاقة الوضع الكيميائية مخزنة في الروابط بين ذرات المادة، والحرارة النوعية هي كمية الحرارة اللازمة لرفع درجة حرارة ١ g من المادة درجة سيليزية واحدة، وتُحسب الحرارة بالعلاقة q = c × m × ΔT.

راجع صفحة ١٢ في الكتاب

1-2 الحرارة

• المِسعر جهاز معزول حراريًا يُقاس به مقدار الحرارة التي يمتصها التفاعل أو يطلقها، ويُستعمل كذلك لتحديد الحرارة النوعية لفلز مجهول.
• النظام هو الجزء المحدد من الكون الذي ندرسه، والمحيط هو كل ما عداه، ومجموعهما يكوّن الكون.
• التغير في المحتوى الحراري للتفاعل ΔH يساوي المحتوى الحراري للنواتج مطروحًا منه المحتوى الحراري للمتفاعلات؛ فتكون قيمته سالبة في التفاعل الطارد للحرارة وموجبة في التفاعل الماص لها.

راجع صفحة ١٩ في الكتاب

1-3 المعادلات الكيميائية الحرارية

• المعادلة الكيميائية الحرارية معادلة موزونة تبيّن الحالة الفيزيائية لكل مادة متفاعلة وناتجة، ومعها قيمة التغير في المحتوى الحراري ΔH.
• حرارة الاحتراق هي المحتوى الحراري الناتج عن حرق ١ mol من المادة احتراقًا كاملًا، ويدل الرمز ΔH° على قياس التغير في الظروف القياسية (1 atm و 25 °C).
• حرارة التبخر المولارية هي الحرارة اللازمة لتبخير ١ mol من سائل، وحرارة الانصهار المولارية هي الحرارة اللازمة لصهر ١ mol من صلب، وكلتاهما عملية ماصة للحرارة.

راجع صفحة ٢٥ في الكتاب

1-4 حساب التغير في المحتوى الحراري

• ينص قانون هس على أن التغير في المحتوى الحراري لتفاعل ما يعتمد على المواد المتفاعلة والناتجة فقط، لا على الخطوات أو المسار الذي يتم فيه التفاعل.
• عند تطبيق قانون هس نجمع معادلات حرارية معلومة، فإذا عُكست معادلة تُعكس إشارة ΔH، وإذا ضُربت معاملاتها في عدد تُضرب ΔH في العدد نفسه.
• حرارة التكوين القياسية هي التغير في المحتوى الحراري عند تكوين ١ mol من مركب من عناصره في حالاتها القياسية، وتساوي صفرًا للعناصر الحرة، ويُحسب بها ΔH°rxn = ΣΔH°f(النواتج) − ΣΔH°f(المتفاعلات).

راجع صفحة ٣١ في الكتاب

مثال محلول

ما كمية الحرارة التي يمتصها 50.0 g من الماء عند تسخينه من 20.0 °C إلى 45.0 °C؟ علمًا بأن الحرارة النوعية للماء 4.184 J/(g·°C).

1. نحدد المعطيات: m = 50.0 g و c = 4.184 J/(g·°C)، والتغير في درجة الحرارة ΔT = 45.0 − 20.0 = 25.0 °C.
2. نكتب العلاقة q = c × m × ΔT ونعوّض: q = 4.184 × 50.0 × 25.0.
3. نحسب: 4.184 × 50.0 = 209.2، ثم 209.2 × 25.0 = 5230 J، أي 5.23 kJ تقريبًا.
4. تحقق: q ÷ (m × ΔT) = 5230 ÷ (50.0 × 25.0) = 5230 ÷ 1250 = 4.184 J/(g·°C)، وهي الحرارة النوعية المعطاة، والإشارة موجبة لأن الماء امتص الحرارة.

الإجابة: يمتص الماء 5230 J أي نحو 5.23 kJ.