أي تفاعل كيميائي في الطبيعة إما يمتص الحرارة أو ينشرها. هذا التبادل الحراري يسمى المحتوى الحراري للتفاعل، أو H باختصار. لا يمكن قياس المحتوى الحراري بشكل مباشر – لذلك يحسب العلماء التغير في درجة حرارة تفاعل كيميائي من وقت لآخر من أجل معرفة التغير في المحتوى الحراري خلال هذا الوقت (أو H 1 للاختصار). تحديد المواد الداخلة في التفاعل والمواد المنتجة. يتضمن كل تفاعل نوعين من المواد الكيميائية – المتفاعلة والمنتج. المنتجات هي المواد التي يتكون منها التفاعل، في حين أن المواد المتفاعلة هي المواد التي تتفاعل أو تتحد أو تتحلل لتشكيل ناتج التفاعل. يشبه التفاعل الكيميائي المكونات الموجودة في وصفة الطعام، في حين أن المنتجات هي اللوحة التي نتناولها من أجل معرفة التغير في المحتوى الحراري ∆H للتفاعل، يجب علينا أولاً تحديد المواد المتفاعلة والمنتجات.

  • لنرسم المحتوى الحراري للتفاعل لتكوين الماء على سبيل المثال، من الهيدروجين والأكسجين 2H2 (هيدروجين) + O2 (أكسجين) → 2H2O (ماء) في هذه المعادلة، المواد المتفاعلة هي الهيدروجين H2 والأكسجين O2 بينما المنتج هو الماء.

  • 2 أوجد الكتلة الكلية للمواد المتفاعلة. ابحث الآن عن كتل المواد المتفاعلة، إذا كنت لا تعرف كتلها أو لم تكن قادرًا على وزن المواد المتفاعلة في توازن علمي، يمكنك استخدام كتلها الجزيئية لمعرفة كتلها الحقيقية. الكتل المولية هي ثوابت مذكورة في الجدول الدوري (للعناصر الفردية فقط) وفي مراجع كيميائية أخرى (للجزيئات والمركبات). ببساطة اضرب الكتلة المولية لكل مادة متفاعلة في عدد مولاتها المستخدمة لإيجاد كتلة المواد المتفاعلة.

    • في المثال السابق لتكوين الماء، المواد المتفاعلة هي الهيدروجين والأكسجين، اللذان لهما كتل مولية 2 جم و 32 جم ج.لأننا استخدمنا مولين من الهيدروجين (يشار إليه بالرقم 2 في المعادلة بجوار الرمز المركب H2 الهيدروجين) ومول واحد من الأكسجين (لا يوجد رقم بجوار مركب الأكسجين O2)، يمكننا حساب الكتلة الكلية للمواد المتفاعلة على النحو التالي
      2 × (2 جم) + 1 × (32 جم) = 4 جم + 32 جم = 36 جم

  • 3 أوجد الحرارة النوعية للمنتج. ابحث الآن عن الحرارة النوعية للمركب الناتج الذي تقوم بتحليله. كل جزيء وعنصر كيميائي له قيمة حرارية مرتبطة به هذه القيم هي ثوابت غالبًا ما توجد في الكتب المرجعية للكيمياء (مثل الجداول الموجودة في الصفحات الأخيرة من كتب الكيمياء المدرسية أو الجامعية). هناك العديد من الطرق لقياس الحرارة النوعية، ولكن في معادلتنا سنستخدم القيم بالجول / الجرام درجة مئوية فقط.

    • لاحظ أنه إذا تضمنت معادلة التفاعل أكثر من منتج واحد، فيجب عليك حساب المحتوى الحراري لكل منتج على حدة، ثم إضافة هذه القيم للحصول على المحتوى الحراري الكلي للتفاعل.
    • في مثالنا، المنتج النهائي للتفاعل هو الماء، الذي له حرارة محددة تبلغ 4.2 جول / جرام درجة مئوية.

  • 4 أوجد الفرق في الحرارة بعد التفاعل. الآن، سنجد ∆T، وهي التغير في درجة الحرارة بين بداية التفاعل ونهايته. اطرح درجة حرارة التفاعل الأولية (أو T1) من درجة حرارة التفاعل النهائية (أو T2) لحساب هذه القيمة. كما هو الحال مع معظم الحسابات الكيميائية، يجب استخدام وحدة كلفن (K) لقياس درجات الحرارة (على الرغم من أن استخدام الوحدة المئوية (C) سيعطي نفس النتائج).

    • في مثالنا، لنفترض أن درجة حرارة التفاعل كانت 185 كلفن في بدايته، لكنها انخفضت إلى 95 كلفن في نهاية التفاعل. في هذه الحالة نحسب ∆T كالتالي
      ∆T = T2 – T1 = 95 ك – 185 ك = -90 ك

  • 5 استخدم العلاقة ∆H = mxsx ∆T لحلها. بمجرد أن تعرف قيمة m، وكتلة المواد المتفاعلة، و s، والحرارة النوعية للمنتج، و ∆T، التغير في درجة حرارة التفاعل، فأنت جاهز لإيجاد المحتوى الحراري للتفاعل. ما عليك سوى إدخال القيم في المعادلة ∆H = mxsx ∆T واضربها لحساب الإجابة. الوحدة الناتجة ستكون الجول (J).

    • في مثالنا، سنحسب المحتوى الحراري للتفاعل على النحو التالي
      ∆H = (36 جم) × (4.2 JK-1 جم -1) × (-90 كلفن) = -13،608 جول

  • 6 تحديد ما إذا كان رد فعلك ماصًا للحرارة أو طاردًا للحرارة. أحد أهم أسباب حساب التغير في المحتوى الحراري، ∆H، هو معرفة ما إذا كان التفاعل طاردًا للحرارة (طاردًا للحرارة) أو ماصًا للحرارة (ماصًا للحرارة). إذا كانت علامة المنتج النهائي ∆H موجبة، يكون التفاعل ماصًا للحرارة. إذا كانت علامته سلبية، يكون التفاعل طاردًا للحرارة. كلما زاد الرقم المعبر عنه لهذا المنتج، زادت الحرارة التي يمتصها التفاعل أو يتبددها. احذر من التفاعلات شديدة الحرارة – فهي تشير غالبًا إلى إطلاق كمية كبيرة من الطاقة، وإذا كانت سريعة فقد تتسبب في حدوث انفجار.

    • في مثالنا، الإجابة النهائية هي -13608 J. نظرًا لأن علامتها سلبية، يكون التفاعل طاردًا للحرارة بالتأكيد. هذا منطقي – H2 و O2 غازات، بينما منتج التفاعل، H2O، هو سائل. يجب أن تطلق الغازات الساخنة (على سبيل المثال، في شكل بخار) الطاقة في المناطق المحيطة على شكل حرارة للحصول على البرودة الكافية لتكوين ماء سائل، أي عملية تكوين H2O طارد للحرارة.

    • تقدير المحتوى الحراري

    1. 1 استخدم طاقة الرابطة لتقدير المحتوى الحراري. تنطوي جميع التفاعلات الكيميائية تقريبًا على مرحلة تتشكل فيها الروابط بين الذرات أو تنكسر. نظرًا لأن التفاعل الكيميائي إما يستهلك أو ينتج حرارة، إذا عرفنا مقدار الطاقة اللازمة لتشكيل أو كسر الروابط التي يتم تشكيلها أو كسرها أيضًا، فيمكننا تقدير التغيير الحراري للتفاعل ككل بدقة عالية، عن طريق تلخيصًا لطاقات السندات هذه.

      • على سبيل المثال، دعنا نفكر قليلاً في التفاعل التالي H2 + F2 → 2HF. في هذه الحالة، الطاقة المطلوبة لكسر الرابطة بين ذرتي الهيدروجين في جزيء H2 هي 436 كيلوجول / مول، بينما الطاقة المطلوبة لكسر الرابطة بين ذرتي الفلور في الجزيء F2 هي 158 كيلوجول / مول. X مصدر البحث أخيرًا، الطاقة المطلوبة لتكوين HF مركب من H و F هي -568 kJ / mol. مصدر البحث X نضربه في 2 لأن النتيجة في المعادلة مضروبة في 2 أي 2HF، مما يعطينا 2 x -568 = -1136 kJ / mol. إضافة كل هذه القيم يعطينا
        436 + 158 + -1136 = -542 كج / مول.

    2. 2 استخدم المحتوى الحراري للتكوين لتقدير المحتوى الحراري للتفاعل. المحتوى الحراري للتكوين عبارة عن قيم ∆H محددة تمثل تغير المحتوى الحراري في التفاعلات المستخدمة لتشكيل المواد الكيميائية. إذا كنت تعرف المحتوى الحراري اللازم للتكوين لتشكيل المنتجات والمواد المتفاعلة في معادلة، فيمكنك جمعها لتقدير المحتوى الحراري كما تفعل مع طاقات الرابطة بالطريقة المذكورة أعلاه.

      • على سبيل المثال، لدينا التفاعل التالي C2H5OH + 3O2 → 2CO2 + 3H2O. في هذه الحالة، نعلم أن المحتوى الحراري للتكوين للتفاعلات التالية هو X هو مصدر بحثي

        C2H5OH → 2C + 3H2 + 0.5O2 = 228 كيلوجول / مول
        2C + 2O2 → 2CO2 = -394 × 2 = -788 كيلوجول / مول
        3H2 + 1.5 O2 → 3H2O = -286 x 3 = -858 كيلوجول / مول
        يمكننا إضافة هذه المعادلات معًا والحصول على C2H5OH + 3O2 → 2CO2 + 3H2O، التفاعلات التي نحاول إيجاد المحتوى الحراري لها، يمكننا ببساطة إضافة المحتوى الحراري التوافقي للعثور على المحتوى الحراري لهذا التفاعل على النحو التالي
        228 + -788 + -858 = -1418 كيلوجول / مول.

    3. 3 لا تنس عكس الإشارات عند قلب المعادلة. من المهم ملاحظة الحاجة إلى عكس المحتوى الحراري للتشكيل عند عكس التفاعل أثناء استخدام المحتوى الحراري لحساب المحتوى الحراري للتفاعل الكيميائي. بعبارة أخرى، إذا أردت قلب واحدة أو أكثر من معادلات تفاعل التشكل لتحييد كل من المواد المتفاعلة والنواتج، فقم بعكس إشارة المحتوى الحراري لتفاعلات التشكل التي كان عليك قلبها.

      • في المثال أعلاه، لاحظ أن تفاعل التشكل الذي نستخدمه لـ C2H5OH معكوس. يبدو أن C2H5OH → 2C + 3H2 + 0.5O2 C2H5OH لا يتشكل ولكنه ينفصل. لأننا قلبنا المعادلة لنجعل المنتجات والمواد المتفاعلة تتصرف بشكل معكوس تمامًا، عن طريق عكس إشارة تكوين المحتوى الحراري للحصول على 228 كيلو جول / مول. في الواقع، المحتوى الحراري لتكوين C2H5OH هو -228 كيلو جول / مول.

    لاحظ التغيرات في المحتوى الحراري بشكل تجريبي

    1. 1 احصل على وعاء نظيف واملأه بالماء. من السهل رؤية مبادئ المحتوى الحراري في تجربة بسيطة. للتأكد من أن التفاعل في تجربتك سيحدث دون أي تلوث من مصدر خارجي، قم بتنظيف وتعقيم الحاوية التي تنوي استخدامها. يستخدم العلماء حاويات خاصة من المحتوى الحراري تسمى المسعرات لقياس المحتوى الحراري، ولكن يمكنك الحصول على نتائج معقولة باستخدام أي إبريق زجاجي أو قارورة صغيرة. بغض النظر عن الحاوية التي تستخدمها، املأها بماء الصنبور النظيف، بحيث تكون في درجة حرارة الغرفة. يجب أيضًا إجراء رد الفعل في مكان معتدل بالداخل.

      • من أجل إجراء هذه التجربة، ستحتاج إلى وعاء صغير إلى حد ما. سنختبر تأثيرات تغيير المحتوى الحراري لألكا سيلتزر (بيكربونات الصوديوم علميًا) على الماء، لذلك كلما قل استخدام الماء، كلما كانت التغيرات في درجة الحرارة ملحوظة.

    2. 2 أدخل مقياس حرارة في الوعاء. احصل على مقياس حرارة وضعه في وعاء التفاعل مع طرف مدبب أسفل مستوى الماء. اقرأ درجة حرارة الماء – سنأخذ درجة حرارة الماء لتكون درجة حرارة التفاعل الأولية، أي T1.

      • لنفترض أننا قمنا بقياس درجة حرارة الماء وكانت بالضبط 10 درجات مئوية. في بضع خطوات، سنستخدم درجة الحرارة هذه لتوضيح مبادئ المحتوى الحراري.

    3. 3 أضف قرصًا واحدًا من Alka-Seltzer إلى القدر. عندما تكون جاهزًا لبدء التجربة، أسقط قرصًا واحدًا من Alka-Seltzer في الماء. يجب أن تلاحظ فورًا فقاعات وأزيزًا. نظرًا لأن القرص يذوب في الماء، فإنه يتفكك إلى بيكربونات (HCO3-) وحمض الستريك (الذي يتماشى مع أيون الهيدروجين، H +). تتفاعل هذه المواد الكيميائية لتكوين الماء وثاني أكسيد الكربون في التفاعل 3HCO3− + 3H + → 3H2O + 3CO2.

    4. 4 قم بقياس درجة الحرارة عند انتهاء التفاعل. راقب التفاعل فور حدوثه – سيذوب قرص alka-seltzer تدريجيًا. بمجرد انتهاء الجهاز اللوحي من التفاعل (أو عندما يصبح بطيئًا جدًا)، قم بقياس درجة الحرارة مرة أخرى. يجب أن تكون درجة حرارة الماء أقل قليلاً من ذي قبل. إذا كان الجو أكثر دفئًا من ذي قبل، فيجب أن تكون التجربة قد تأثرت ببعض القوة الخارجية (إذا كانت الغرفة التي تجلس فيها دافئة بشكل استثنائي.

      • لتجربتنا، دعنا نقول أن درجة حرارة الماء 8 درجات مئوية بعد انتهاء فوار القرص.

    5. 5 تقدير المحتوى الحراري للتفاعل. في تجربة مثالية، عندما تضيف قرص alka-seltzer إلى الماء، ستحصل على الماء وغاز ثاني أكسيد الكربون (الذي يمكن رؤيته يتأرجح ويصدر فقاعات) ويتسبب في انخفاض درجة حرارة الماء. من هذه المعلومات، يمكننا التكهن بأن التفاعل ماص للحرارة – أي أنه يمتص الطاقة من البيئة المحيطة. تحتاج المواد السائلة المذابة إلى طاقة إضافية لتتحول إلى منتجات غازية، لذا فهي تمتص الطاقة على شكل حرارة من محيطها (في هذه الحالة الماء). هذا ما يجعل درجة حرارة الماء تنخفض.

      • في تجربتنا السابقة، انخفضت درجة حرارة الماء بمقدار درجتين بعد إضافة ألكا سيلتزر. هذا أقل ما يمكن أن نتوقعه بشأن اتساق التفاعل الماص للحرارة.

    أفكار مفيدة

    • تم إجراء كل هذه الحسابات باستخدام مقياس كلفن (K) – وهو مقياس لدرجة الحرارة مشابه لدرجة الحرارة المئوية. للتحويل بين السنتيمترات والكلفن، يمكنك ببساطة إضافة أو طرح 273 درجة K = ° C + 273.