Heat الحرارة

1-2
Heat الحرارة

الأهداف

• تصف كيف يستخدم المسعر لقياس الطاقة الممتصة أو المنطلقة.
• توضح المقصود بالمحتوى الحراري وتغير المحتوى الحراري في التفاعلات الكيميائية والعمليات الكيميائية.

مراجعة المفردات
الضغط: القوة الواقعة على وحدة المساحة.

مفردات جديدة

• المسعر
• الكيمياء الحرارية
• النظام
• المحيط
• الكون
• المحتوى الحراري
• المحتوى الحراري للتفاعل (حرارة التفاعل)

الفكرة الرئيسية
التغير في المحتوى الحراري للتفاعل يساوي المحتوى الحراري للنواتج مطروحًا منه المحتوى الحراري للمتفاعلات.

الربط مع الحياة
لعلك تشعر بالاسترخاء عند وقوفك تحت الدش الدافئ؛ حيث يمتص جسمك حرارة من الماء، في حين أنك تشعر بالانتعاش عندما تقفز في مسبح بارد؛ حيث يفقد جسمك حرارة. بطريقة مشابهة تمتص أو تطلق بعض التفاعلات الكيميائية الحرارة.

المسعر Calorimetry
هل تساءلت يومًا كيف يعرف كيميائيو الغذاء القيمة الحرارية للأطعمة؟ لقد تم الحصول على المعلومات المدونة على عبوات المنتجات الغذائية من تفاعلات احتراق أجريت في أجهزة تسمى مسعر. والمسعر جهاز معزول حراريًا يستخدم لقياس كمية الحرارة الممتصة أو المنطلقة في أثناء عملية كيميائية أو فيزيائية؛ إذ توضع كمية معلومة من الماء في حجرة معزولة لكي تمتص الطاقة المنطلقة من التفاعل، أو لتزود الطاقة التي يمتصها التفاعل، ومن ثم يمكننا قياس التغير في درجة حرارة كتلة الماء. ويبين الشكل 1-4 نوعًا من المساعر يسمى مسعر القنبلة، يستخدمه كيميائيو التغذية.

تحديد الحرارة النوعية
يمكنك الحصول على نتائج مرضية لتجارب قياس الحرارة باستخدام مسعر أبسط من مسعر التفجير، وهو الكأس المصنوعة من البوليسترين. هذه المساعر مفتوحة على الجو، ولذلك فالتفاعلات التي تحدث فيها تكون تحت ضغط ثابت. ويمكنك استخدامها لتحديد الحرارة النوعية لفلز ما.

افترض أنك وضعت 125 g من الماء في مسعر (كأس مصنوعة من البوليسترين)، وقست درجة حرارته الأولية فوجدتها 25.60°C، ثم سخنت عينة من فلز ما كتلتها 50.0 g إلى درجة حرارة 115.0°C، ووضعتها في الماء داخل المسعر. سوف تنتقل الحرارة من الفلز الساخن إلى الماء في المسعر، فترتفع درجة حرارة الماء. ويتوقف انتقال الحرارة فقط عندما تتساوى درجة حرارة الماء مع درجة حرارة الفلز.

الشكل 1-4
وضعت عينة في حجرة فولاذية داخلية تسمى القنبلة، مملوءة بالأكسجين المضغوط ضغطًا عاليًا. وحول القنبلة كمية معلومة من الماء تحرك بمحرك قليل الاحتكاك للمحافظة على درجة حرارة منتظمة. يبدأ التفاعل بشرارة، وتسجل درجة الحرارة حتى وصلت إلى أقصاها.
استنتج: لماذا يعد من المهم ألا ينتج المحرك احتكاكًا؟

تسميات الشكل 1-4:

• طرق الاشتعال
• مقياس حرارة
• محرك
• ماء
• مادة عازلة
• حجرة تفاعل محكمة الإغلاق تحتوي على المادة والأكسجين
• مسعر التفجير (القنبلة)

الصورة المستخرجة المرتبطة بهذه الفقرة:
الشكل_1-4_مسعر_التفجير_القنبلة.png

الشكل 1-5
أ. سجلت درجة الحرارة الأولية 25.60°C لـ 125 g من الماء في المسعر.
ب. سخنت قطعة من فلز مجهول كتلتها 50.0 g حتى أصبحت درجة حرارتها 115.0°C، ثم وضعت في المسعر.
ج. ينتقل الفلز الحرارة إلى الماء حتى تتساوى درجة حرارة الفلز والماء، وكانت درجة الحرارة النهائية 29.30°C.

الصورة المستخرجة المرتبطة بهذه الفقرة:
الشكل_1-5_خطوات_تجربة_تحديد_الحرارة_النوعية.png

يبين الشكل 1-5 خطوات عمل التجربة. لاحظ أن درجة الحرارة في المسعر تثبت عند 29.30°C، وهي درجة الحرارة النهائية التي وصل إليها كل من الفلز والماء. فإذا افترضنا أنه لم تفقد حرارة إلى المحيط، فإن الحرارة التي اكتسبها الماء تكون مساوية للحرارة التي فقدها الفلز. ويمكن حساب كمية الحرارة هذه بالمعادلة:

q = c × m × ΔT

ماذا قرأت؟ حدد المتغيرات الأربعة في المعادلة أعلاه.

احسب أولًا كمية الحرارة التي اكتسبها الماء. وللقيام بذلك عليك أن تعرف أن الحرارة النوعية للماء تساوي 4.184 J/(g·°C).

q_water = 4.184 J/(g·°C) × 125 g × (29.30°C - 25.60°C)
q_water = 4.184 J/(g·°C) × 125 g × 3.70°C
q_water = 1935.1 J

إن كمية الحرارة التي اكتسبها الماء 1935.1 J تساوي كمية الحرارة التي فقدها الفلز q_metal؛ لذلك يمكنك كتابة المعادلة:

q_metal = q_water
q_metal = -1935.1 J
c_metal × m × ΔT = -1935.1 J

استخرج الآن قيمة الحرارة النوعية للفلز c_metal.

c_metal = -1935.1 J / (m × ΔT)

التغير في درجة حرارة الفلز ΔT هو الفرق بين درجة الحرارة النهائية للماء ودرجة الحرارة الأولية للفلز:

29.30°C - 115.0°C = -85.7°C

عوض بقيم كل من m و ΔT في المعادلة:

c_metal = -1935.1 J / ((50.0 g)(-85.7°C)) = 0.453 J/(g·°C)

بمقارنة الحرارة النوعية للفلز 0.453 J/(g·°C) بالقيم الواردة في الجدول 1-2 يتبين أن هذا الفلز هو الحديد.

============================================================
============================================================

مثال 1-3
استعمال الحرارة النوعية
تمتص قطعة فلز كتلتها 4.68 g ما مقداره 256 J من الحرارة عندما ترتفع درجة حرارتها بمقدار 182°C. ما الحرارة النوعية للفلز؟ هل يمكن أن يكون الفلز أحد الفلزات القلوية الأرضية الموجودة في الجدول 1-2؟

1 تحليل المسألة
لديك كتلة الفلز، وكمية الحرارة التي اكتسبها، والتغير في درجة الحرارة. عليك حساب الحرارة النوعية. استخدم معادلة كمية الحرارة، واستخرج قيمة الحرارة النوعية c.

المعطيات
كتلة الفلز m = 4.68 g
كمية الحرارة المكتسبة q = 256 J
ΔT = 182°C

المطلوب
الحرارة النوعية c = ? J/(g·°C)

2 حساب المطلوب
اكتب معادلة كمية الحرارة q.
حل المعادلة لإيجاد c.
عوض q = 256 J، و m = 4.68 g، و ΔT = 182°C.

q = c × m × ΔT
c = q / (m × ΔT)
c = 256 J / ((4.68 g)(182°C)) = 0.301 J/(g·°C)

بالرجوع إلى الجدول 1-2 فإن الفلز هو الإسترانشيوم.

3 تقويم الإجابة
الكميات الثلاث المستخدمة في الحل تحتوي ثلاثة أرقام معنوية، والإجابة تتكون من ثلاثة أرقام، وهذا صحيح. الحسابات صحيحة وتعطي الوحدة المتوقعة.

مسائل تدريبية

• عينة من فلز كتلتها 90.0 g امتصت 25.6 J من الحرارة، عندما ازدادت درجة حرارتها 1.18°C، ما الحرارة النوعية للفلز؟
• ارتفعت درجة حرارة عينة من الماء من 20.0°C إلى 46.6°C، عندما امتصت 5650 J من الحرارة. ما كتلة العينة؟
• ما كمية الحرارة التي تكتسبها صخرة من الجرانيت كتلتها 2.00 × 10^3 g إذا ارتفعت درجة حرارتها من 10.0°C إلى 29.0°C، إذا علمت أن الحرارة النوعية للجرانيت 0.803 J/(g·°C)؟
• تحفيز: إذا فقدت 335 g من الماء، عند درجة حرارة 65.5°C كمية حرارة مقدارها 9750 J، فما درجة الحرارة النهائية للماء؟

الصورة المستخرجة المرتبطة بهذه الفقرة:
مثال_1-3_استعمال_الحرارة_النوعية_ومسائل_تدريبية.png

الطاقة الكيميائية والكون Chemical Energy and the Universe
يرافق كل تفاعل كيميائي وكل تغير في الحالة الفيزيائية إطلاق أو امتصاص حرارة. وتدرس الكيمياء الحرارية تغيرات الحرارة التي ترافق التفاعلات الكيميائية وتغيرات الحالة الفيزيائية. فمثلًا تنتج دائمًا عن حرق الوقود حرارة، وتصمم بعض المنتجات لتعطي حرارة عند الطلب. فمثلًا يستخدم الجنود في الميدان تفاعلًا شديدًا طاردًا للحرارة لتسخين وجباتهم. كما قد تستخدم كمادة ساخنة لتدفئة الأيدي في الأيام الباردة. وتنتج هذه الطاقة المنطلقة من الكمادة الساخنة نتيجة للتفاعل الكيميائي الآتي:

4Fe(s) + 3O2(g) → 2Fe2O3(s) + 1625 kJ

============================================================

============================================================

تجربة
تحديد الحرارة النوعية
كيف تستطيع أن تحدد الحرارة النوعية لفلز؟
يمكنك استخدام الكأس المصنوعة من البوليسترين بوصفها مسعرًا لتحديد الحرارة النوعية لفلز.

الخطوات

• املأ بطاقة السلامة في دليل التجارب العملية.
• اعمل جدولًا تسجل فيه بياناتك.
• اسكب 150 mL تقريبًا من الماء المقطر في كأس زجاجية سعتها 250 mL، ثم ضع الكأس على السخان الكهربائي.
• قس كتلة قطعة الفلز بالميزان.
• أمسك قطعة الفلز بحذر بالملقط، وضعها في الكأس التي على السخان الكهربائي.
• قس 90.0 mL من الماء المقطر بالمخبار المدرج.
• اسكب الماء في كأس بوليسترين موضوعة داخل كأس زجاجية ثانية سعتها 250 mL.
• قس درجة حرارة الماء بمقياس حرارة غير زئبقي.
• عندما يبدأ الماء الموجود في الكأس التي على السخان الكهربائي في الغليان قس درجة الحرارة وسجلها على أنها درجة الحرارة الأولية للفلز.
• أمسك قطعة الفلز الساخنة بالملقط بحذر، وضعها في الماء البارد الموجود في كأس البوليسترين. لا تلمس الفلز الساخن بيديك.
• حرك الماء في الكأس، وقس أعلى درجة حرارة يصل إليها بعد إضافة الفلز.

التحليل

• احسب كمية الحرارة التي اكتسبها الماء، علمًا بأن الحرارة النوعية للماء 4.184 J/(g·°C)، ولأن كثافة الماء تساوي 1.0 g/mL، استخدم حجم الماء على أنه الكتلة.
• احسب الحرارة النوعية للفلز. افترض أن الحرارة التي امتصها الماء تساوي الحرارة التي فقدها الفلز.
• قارن القيمة التي حصلت عليها في التجربة بالقيمة المقبولة للفلز.
• صف مصادر الخطأ الرئيسية في هذه التجربة. ما التحسينات التي يمكن أن تعملها في هذه التجربة لتقليل الخطأ؟

الصورة المستخرجة المرتبطة بهذه الفقرة:
تجربة_تحديد_الحرارة_النوعية_خطوات_وتحليل.png

عرفت أن الحرارة التي تنطلق من الكمادة تنتج عن تفاعل كيميائي. لذا عليك أن تفكر بالمادة ومكوناتها بوصفها نظامًا. تعرف الكيمياء الحرارية النظام بأنه جزء معين من الكون يحتوي على التفاعل أو العملية التي تريد دراستها، وأن كل شيء في الكون غير النظام يسمى المحيط. لذلك يعرف الكون بأنه النظام مع المحيط.

الكون = النظام + المحيط

ما نوع انتقال الطاقة الذي يحدث في أثناء التفاعل الطارد للحرارة في الكمادة الساخنة؟ تنتقل الحرارة الناتجة عن التفاعل من الكمادة الساخنة (النظام) إلى يديك الباردتين (جزء من المحيط). ماذا يحدث في العملية أو التفاعل الماص للحرارة؟ ينعكس انتقال الحرارة؛ إذ تنتقل الحرارة من المحيط إلى النظام. فعلى سبيل المثال، عند خلط هيدروكسيد الباريوم مع بلورات ثيوسيانات الأمونيوم في كأس، كما يظهر في الشكل 1-6، ينتج تفاعل ماص للحرارة بشدة. وعند وضع الكأس التي تحتوي هذا التفاعل على لوح مبلل بالماء تنتقل الحرارة من الماء واللوح (المحيط) إلى داخل الكأس (النظام)، فيحدث تغير كبير في درجة الحرارة، يسبب في تجمد الماء الذي بين اللوح والكأس، مما يجعل الكأس تلتصق باللوح. ولا ينصح بإجراء هذا التفاعل نظرًا للمخاطر المرافقة لاستخدام مادة ثيوسيانات الأمونيوم؛ إذ إنها مادة شديدة السمية ضارة عند الاستنشاق والتلامس مع الجلد أو الابتلاع.

الشكل 1-6
في هذا التفاعل الماص للحرارة يمتص خليط التفاعل كمية كافية من الطاقة من الماء الذي يبلل اللوح ومن اللوح نفسه، فتنخفض درجة حرارة الماء حتى التجمد فيمسك اللوح بالكأس.

الصورة المستخرجة المرتبطة بهذه الفقرة:
الشكل_1-6_التفاعل_الماص_للحرارة_والكأس.png

المحتوى الحراري وتغيراته
تعتمد كمية الحرارة الكلية التي تحتوي عليها مادة ما على عوامل كثيرة، وبعض هذه العوامل غير مفهوم تمامًا حتى الآن؛ لذلك من المستحيل معرفة كمية الحرارة الكلية الموجودة في المادة. ومن حسن الحظ أن...

============================================================

============================================================

الكيميائيين يهتمون بدراسة تغيرات الطاقة في أثناء التفاعلات الكيميائية أكثر من اهتمامهم بكمية الطاقة الموجودة في المواد المتفاعلة أو المواد الناتجة. يمكن قياس كمية الطاقة المكتسبة أو المفقودة للكثير من التفاعلات باستخدام المسعر عند ضغط ثابت، كما هو موضح في التجربة في الشكل 1-5. ولأن كأس البوليسترين غير مغلقة فالضغط ثابت. يحدث الكثير من التفاعلات عند ضغط جوي ثابت، ومن ذلك تلك التي تحدث في المخلوقات الحية التي تعيش على سطح الأرض، وفي البرك والمحيطات، وكذلك التفاعلات التي تحدث في الكؤوس والدوارق المفتوحة داخل المختبرات. يرمز إلى الطاقة المنطلقة أو المتولدة من التفاعلات التي تحدث عند ضغط ثابت في بعض الأحيان بالرمز q_p. ولتسهيل قياس أو دراسة تغيرات الطاقة التي ترافق تلك التفاعلات وضع الكيميائيون خاصية أسموها المحتوى الحراري. ويعرف المحتوى الحراري (H) بأنه مقدار الطاقة الحرارية المخزنة في مول واحد من المادة تحت ضغط ثابت.

وعلى الرغم من عدم مقدرتك على قياس الطاقة الفعلية أو المحتوى الحراري للمادة إلا أنه يمكنك أن تقيس التغير في المحتوى الحراري، وهو كمية الحرارة الممتصة أو المنطلقة في التفاعل الكيميائي. ويسمى التغير في المحتوى الحراري المحتوى الحراري للتفاعل (أو حرارة التفاعل) (ΔH_rxn). لقد تعلمت سابقًا أن الرمز المسبوق بالحرف اليوناني دلتا (Δ) يعني التغير في خاصية ما. لذا فإن ΔH_rxn يعني الفرق بين المحتوى الحراري للمواد التي توجد عند نهاية التفاعل H_final والمحتوى الحراري للمواد الموجودة في البداية H_initial.

ΔH_rxn = H_final - H_initial

ولأن المواد المتفاعلة هي التي تكون عند بداية التفاعل reactants، والمواد الناتجة توجد عند نهايته Products، يمكن التعبير عن ΔH_rxn بالمعادلة:

ΔH_rxn = H_products - H_reactants

إشارة المحتوى الحراري للتفاعل
تذكر التفاعل الكيميائي الذي يحدث في الكمادة الساخنة:

4Fe(s) + 3O2(g) → 2Fe2O3(s) + 1625 kJ

يتبين من معادلة التفاعل أن المواد المتفاعلة في هذا التفاعل الطارد للحرارة تفقد حرارة، لذلك يكون:

H_products < H_reactants

لذا عند طرح H_reactants من H_products التي كميتها أصغر تحصل على قيمة سالبة لـ ΔH_rxn، ويقودنا ذلك إلى أن تغيرات المحتوى الحراري للتفاعلات الطاردة للحرارة سالبة دائمًا. لذلك فإن معادلة التفاعل الذي يحدث في الكمادة الساخنة والتغير في محتواها الحراري تكتب عادة كما يأتي:

4Fe(s) + 3O2(g) → 2Fe2O3(s) ΔH_rxn = -1625 kJ

ويبين الشكل 1-7 مخطط التغير في المحتوى الحراري.

الشكل 1-7
يشير السهم المتجه إلى أسفل إلى أن 1625 kJ من الحرارة انطلقت إلى المحيط، في التفاعل بين الحديد والأكسجين لتكوين Fe2O3. يمكن استخدام كمادة ساخنة من هذا النوع لتدفئة الأيدي الباردة.
اشرح: كيف يبين المخطط أن التفاعل طارد للحرارة؟

الصورة المستخرجة المرتبطة بهذه الفقرة:
الشكل_1-7_الكمادة_الساخنة_والتفاعل_الطارد_للحرارة.png

============================================================

============================================================

الشكل 1-8
يبين السهم الذي يشير إلى أعلى أن 27 kJ من الحرارة قد تم امتصاصها من المحيط في أثناء عملية إذابة NH4NO3. يعد هذا التفاعل الأساس في صناعة الكمادة الباردة؛ فعند وضع الكمادة على كاحل الشخص يزود الكاحل الكمادة بالحرارة ويبرد هو بدوره.

حدد: ما مقدار الطاقة التي تمتصها نترات الأمونيوم عند استعمال الكمادة الباردة؟

الصورة المستخرجة المرتبطة بهذه الفقرة:
الشكل_1-8_طريقة_عمل_الكمادة_الباردة.png

الآن تذكر عملية الكمادة الباردة:

27 kJ + NH4NO3(s) → NH4+(aq) + NO3-(aq)

في هذه العملية الماصة للحرارة يكون:

H_products > H_reactants

لذلك عندما تطرح H_reactants من الكمية الكبرى H_products تحصل على قيمة موجبة لـ ΔH_rxn. يكتب الكيميائيون معادلة التفاعل الذي يحدث في الكمادة الباردة والتغير في محتواه الحراري بالطريقة الآتية:

NH4NO3(s) → NH4+(aq) + NO3-(aq) ΔH_rxn = 27 kJ

يبين الشكل 1-8 التغير في الطاقة في الكمادة الباردة، حيث يزيد المحتوى الحراري للنواتج بمقدار 27 kJ على المحتوى الحراري للمواد المتفاعلة؛ لأنه تم امتصاص طاقة. لذلك تكون إشارة ΔH لهذا التفاعل وجميع التفاعلات والعمليات الماصة للحرارة موجبة. تذكر أن إشارة ΔH_rxn سالبة للتفاعلات والعمليات الطاردة للحرارة.

التغير في المحتوى الحراري ΔH يساوي الحرارة المكتسبة أو المفقودة q_p في أي تفاعل أو عملية تحدث عند ضغط ثابت. ولأن جميع التفاعلات الواردة في هذا الفصل تحدث عند ضغط ثابت يمكنك أن تفترض أن:

q = ΔH_rxn

التقويم 1-2

الخلاصة

• تعرف الكيمياء الحرارية الكون على أنه النظام مع المحيط.
• تسمى كمية الحرارة المفقودة أو المكتسبة في النظام في أثناء التفاعل أو العملية التي تتم تحت ضغط ثابت التغير في المحتوى الحراري (ΔH_rxn).
• عندما يكون ΔH_rxn موجبًا يكون التفاعل ماصًا للحرارة، أما عندما يكون ΔH سالبًا فيكون التفاعل طاردًا للحرارة.

• الفكرة الرئيسية: صف كيف تحسب كمية الحرارة المكتسبة أو المنطلقة من المادة عندما تتغير درجة حرارتها؟
• اشرح لماذا تكون إشارة ΔH_rxn سالبة للتفاعل الطارد للحرارة؟
• اشرح لماذا يشكل الحجم المعلوم من الماء جزءًا مهمًا من المسعر؟
• اشرح لماذا يجب أن تعرف الحرارة النوعية للمادة حتى تحسب الحرارة المكتسبة أو المفقودة من المادة نتيجة تغير درجة الحرارة؟
• صف معنى النظام في الديناميكا الحرارية، واشرح العلاقة بين النظام والمحيط والكون.
• احسب الحرارة النوعية (J/(g·°C)) لمادة مجهولة؛ إذ تطلق عينة كتلتها 2.50 g منها 12.0 cal عندما تتغير درجة حرارتها من 25°C إلى 20.0°C. استعن بالجدول 1-1 صفحة 14.
• صمم تجربة صف خطوات العمل التي يمكنك أن تتبعها لإيجاد الحرارة النوعية لقطعة فلز كتلتها 45.0 g.

الصورة المستخرجة المرتبطة بهذه الفقرة:
تقويم_1-2_درس_الحرارة.png

============================================================
قائمة الصور المستخرجة
============================================================

• الشكل_1-4_مسعر_التفجير_القنبلة.png
• الشكل_1-5_خطوات_تجربة_تحديد_الحرارة_النوعية.png
• مثال_1-3_استعمال_الحرارة_النوعية_ومسائل_تدريبية.png
• تجربة_تحديد_الحرارة_النوعية_خطوات_وتحليل.png
• الشكل_1-6_التفاعل_الماص_للحرارة_والكأس.png
• الشكل_1-7_الكمادة_الساخنة_والتفاعل_الطارد_للحرارة.png
• الشكل_1-8_طريقة_عمل_الكمادة_الباردة.png
• تقويم_1-2_درس_الحرارة.png