صفحة 26 - كتاب الكيمياء - الصف 11 - الفصل 2 - المملكة العربية السعودية

📚 تغيرات الحالة والحرارة المولارية

المفاهيم الأساسية

حرارة التبخر المولارية (ΔH°vap): الحرارة اللازمة لتبخر 1 مول من سائل.

حرارة الانصهار المولارية (ΔH°fus): الحرارة اللازمة لصهر 1 مول من مادة صلبة.

خريطة المفاهيم

```markmap

الطاقة (طبيعة الطاقة)

قياس الحرارة

الوحدات

#### السعر (cal)

##### كمية الحرارة اللازمة لرفع درجة حرارة 1g ماء نقي 1°C

#### السعر الغذائي (Cal)

##### يساوي 1000 سعر (1 كيلوكالوري)

#### الجول (J)

##### وحدة الطاقة في النظام الدولي

##### 1 cal = 4.184 J

تحويل الوحدات

#### 1 Cal = 1000 cal

#### 1 cal = 4.184 J

الحرارة النوعية (Specific Heat)

تعريف

#### كمية الحرارة اللازمة لرفع درجة حرارة جرام واحد من مادة درجة سيليزية واحدة (C°1)

أمثلة

#### الماء

##### C° /g. J 4.184

#### الأسمنت

##### C° /g. J 0.84

#### الحديد (من المثال)

##### C° /g. J 0.449

تفسير

#### لكل مادة حرارة نوعية مميزة لها بسبب تركيبها المختلف

#### الأسمنت تسخن أسرع من الماء لأن حرارتها النوعية أقل

حساب الحرارة (q)

المعادلة

#### q = c × m × ΔT

##### q: الطاقة الحرارية الممتصة أو المنطلقة (J أو kJ)

##### c: الحرارة النوعية للمادة (J/g.°C)

##### m: كتلة المادة (g)

##### ΔT: التغير في درجة الحرارة (°C) = T_f - T_i

إعادة ترتيب المعادلة لحساب الحرارة النوعية (c)

#### c = \frac{q}{m × ΔT}

مثال تطبيقي (الحديد)

#### المعطيات

##### كتلة العينة (m) = 10.0 g

##### درجة الحرارة الابتدائية (T_i) = 50.4 °C

##### درجة الحرارة النهائية (T_f) = 25.0 °C

##### الطاقة المنطلقة (q) = 114 J

#### الحل

##### 1. حساب ΔT: ΔT = T_i - T_f = 50.4 - 25.0 = 25.4 °C

##### 2. تطبيق المعادلة: c = \frac{114 J}{(10.0 g)(25.4 °C)}

##### 3. النتيجة: c = 0.449 J/g·°C

تقويم الإجابة

#### مقارنة النتيجة بالقيم المسجلة في الجداول المرجعية (مثل الجدول 1-2)

مثال 1-3: تطبيق عملي

خطوات حل المسألة

#### 1. تحليل المسألة

##### المعطيات: الكتلة (m)، كمية الحرارة (q)، التغير في درجة الحرارة (ΔT)

##### المطلوب: الحرارة النوعية (c)

#### 2. حساب المطلوب

##### تطبيق المعادلة: c = \frac{q}{m × ΔT}

##### التعويض: c = \frac{256 J}{(4.68 g)(182°C)} = 0.301 J/(g·°C)

#### 3. تقويم الإجابة

##### عدد الأرقام المعنوية صحيح (ثلاثة أرقام)

##### الوحدة صحيحة (J/g·°C)

##### مقارنة النتيجة بالجدول 2-1 لتحديد نوع الفلز (الإسترانشيوم)

مسائل تدريبية

12. حساب الحرارة النوعية

13. حساب الكتلة

14. حساب كمية الحرارة

15. حساب درجة الحرارة النهائية

الطاقة الكيميائية والكون

الكيمياء الحرارية

#### تدرس تغيرات الحرارة المصاحبة للتفاعلات الكيميائية وتغيرات الحالة الفيزيائية

مثال تطبيقي

#### تفاعل أكسدة الحديد الساخنة:

##### 4Fe(s) + 3O₂(g) → 2Fe₂O₃(s) + 1625 kJ

#### يستخدم في تسخين وجبات الجنود وكمادات التدفئة

المسعرية (Calorimetry)

الهدف

#### قياس التغير في المحتوى الحراري (الطاقة الممتصة أو المنطلقة) في التفاعلات

مبدأ العمل

#### جهاز معزول حرارياً

#### يحتوي على كمية معلومة من الماء لامتصاص أو إمداد الطاقة

#### قياس التغير في درجة حرارة الماء لحساب كمية الحرارة

أنواع المسعرات

#### مسعر التفجير (القنبلة)

##### حجرة تفاعل محكمة الإغلاق تحتوي على المادة والأكسجين المضغوط

##### يستخدمه كيميائيو التغذية لقياس القيمة الحرارية للأطعمة

##### يبدأ التفاعل بشارة كهربائية

##### يجب أن يكون المحراك قليل الاحتكاك لتجنب توليد حرارة إضافية

#### مسعر الكأس المصنوعة من البوليسترين

##### أبسط، مفتوح على الجو (تفاعلات تحت ضغط ثابت)

##### يستخدم لتحديد الحرارة النوعية للمواد (مثل الفلزات)

##### مثال: وضع فلز ساخن في ماء المسعر وقياس التغير في درجة حرارة الماء حتى التساوي

خطوات تجربة تحديد الحرارة النوعية للفلز

#### 1. تسخين الفلز

#### 2. نقله إلى المسعر (كأس معزول) الذي يحتوي على كمية معلومة من الماء

#### 3. قياس درجة الحرارة النهائية المشتركة بعد التساوي

#### 4. تطبيق مبدأ حفظ الطاقة: q_{metal} = - q_{water}

#### 5. حساب الحرارة النوعية للفلز: c_{metal} = \frac{- q_{water}}{m_{metal} × ΔT_{metal}}

#### 6. مقارنة النتيجة بالقيم المرجعية (مثل الجدول 2-2) لتحديد نوع الفلز

تجربة: تحديد الحرارة النوعية لفلز

الأدوات

#### كأس بوليسترين (مسعر)، كأس زجاجية، سخان، ماء مقطر، فلز، مقياس حرارة غير زئبقي، مقص، مخبار مدرج

الخطوات العملية

#### 1. تعبئة بطاقة السلامة

#### 2. عمل جدول لتسجيل البيانات

#### 3. تسخين الفلز في الماء المغلي

#### 4. تحضير كمية معلومة من الماء البارد في المسعر

#### 5. نقل الفلز الساخن إلى الماء البارد في المسعر

#### 6. قياس درجة الحرارة النهائية

التحليل

#### 1. حساب الحرارة المكتسبة بواسطة الماء: q_{water} = c_{water} × m_{water} × ΔT_{water}

#### 2. حساب الحرارة النوعية للفلز: c_{metal} = \frac{- q_{water}}{m_{metal} × ΔT_{metal}}

#### 3. مقارنة النتيجة بالقيمة المقبولة للفلز

#### 4. تحديد مصادر الخطأ والتحسينات الممكنة

المحتوى الحراري وتغيراته

الكون والنظام والمحيط

#### الكون = النظام + المحيط

#### التفاعل الطارد للحرارة: تنتقل الحرارة من النظام إلى المحيط

#### التفاعل الماص للحرارة: تنتقل الحرارة من المحيط إلى النظام

مثال على التفاعل الماص للحرارة

#### خلط هيدروكسيد الباريوم مع ثيوسيانات الأمونيوم

#### يمتص التفاعل حرارة من المحيط (الماء واللوح) مما يخفض درجة الحرارة حتى التجمد

#### تحذير: ثيوسيانات الأمونيوم مادة شديدة السمية

المحتوى الحراري (H)

تعريف

#### مقدار الطاقة الحرارية المخزنة في مول واحد من المادة تحت ضغط ثابت

التغير في المحتوى الحراري (ΔHrxn)

#### كمية الحرارة المنطلقة أو الممتصة في التفاعل الكيميائي

#### ΔHrxn = Hfinal – Hinitial

#### ΔHrxn = Hproducts – Hreactants

إشارة المحتوى الحراري للتفاعل

#### التفاعل الطارد للحرارة

##### تنتقل الحرارة من النظام إلى المحيط

##### المحتوى الحراري للمواد الناتجة (Hproducts) أقل من المحتوى الحراري للمواد المتفاعلة (Hreactants)

##### ΔHrxn قيمة سالبة

##### مثال: 4Fe(s) + 3O₂(g) → 2Fe₂O₃(s) ΔHrxn = –1625 kJ

#### التفاعل الماص للحرارة

##### مثال: الكمادة الباردة

###### معادلة التفاعل: NH₄NO₃(s) → NH₄⁺(aq) + NO₃⁻(aq) ΔHrxn = 27 kJ

###### تنتقل الحرارة من المحيط (جسم الشخص) إلى النظام (الكمادة)

###### المحتوى الحراري للنواتج (Hproducts) أكبر من المحتوى الحراري للمواد المتفاعلة (Hreactants)

###### ΔHrxn قيمة موجبة

###### ΔHrxn = Hproducts – Hreactants > 0

المعادلات الكيميائية الحرارية

تعريف

#### معادلة كيميائية موزونة تشتمل على الحالات الفيزيائية لجميع المواد المتفاعلة والناتجة، والتغير في الطاقة (ΔH)

كتابتها

#### تعد كتابة الطاقة جزء مهم من التفاعلات الكيميائية، لذلك يتضمن الكيميائيون ΔH في المعادلات الكيميائية

أمثلة

#### تفاعل طارد للحرارة (أكسدة الحديد)

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

#### تفاعل ماص للحرارة (ذوبان نترات الأمونيوم)

##### NH₄NO₃(s) → NH₄⁺(aq) + NO₃⁻(aq) ΔH = 27 kJ

#### تفاعل احتراق الجلوكوز (أيض)

##### C₆H₁₂O₆(s) + 6O₂(g) → 6CO₂(g) + 6H₂O(l) ΔHcomb = -2808 kJ

حرارة الاحتراق (ΔHcomb)

#### المحتوى الحراري الناتج عن حرق 1mol من المادة احتراقاً كاملاً

الظروف القياسية (ΔH°)

#### تغيرات المحتوى الحراري القياسية للمواد المتفاعلة والناتجة جميعها عند الظروف القياسية (ضغط جوي 1 atm ودرجة حرارة 25 °C)

حرارة الاحتراق القياسية (ΔH°comb)

تعريف

#### المحتوى الحراري الناتج عن حرق 1mol من المادة احتراقاً كاملاً في الظروف القياسية

أمثلة من الجدول 3-1

#### السكروز (سكر المائدة): C_{12}H_{22}O_{11}(s), ΔH°_{comb} = -5644 kJ/mol

#### الأوكتان (مكون البنزين): C_{8}H_{18}(l), ΔH°_{comb} = -5471 kJ/mol

#### الجلوكوز: C_{6}H_{12}O_{6}(s), ΔH°_{comb} = -2808 kJ/mol

#### البروبان: C_{3}H_{8}(g), ΔH°_{comb} = -2219 kJ/mol

#### الميثان: CH_{4}(g), ΔH°_{comb} = -891 kJ/mol

تغيرات الحالة (Changes of State)

طبيعة العمليات

#### عمليات فيزيائية (غير كيميائية) ماصة للحرارة

#### أمثلة من الحياة

##### تبخر الماء عن الجلد بعد الحمام الساخن (يسبب برودة)

##### ذوبان مكعب الثلج في الماء (يبرد الماء)

الحرارة المولارية لتغيرات الحالة

#### حرارة الانصهار المولارية (ΔH°fus)

##### الحرارة اللازمة لصهر 1mol من مادة صلبة

##### عملية ماصة للحرارة → ΔH°fus > 0 (موجب)

#### حرارة التبخر المولارية (ΔH°vap)

##### الحرارة اللازمة لتبخر 1mol من سائل

##### عملية ماصة للحرارة → ΔH°vap > 0 (موجب)

قيم قياسية (من الجدول 4-1)

#### الماء: ΔH°fus = 6.01 kJ/mol, ΔH°vap = 40.7 kJ/mol

#### الإيثانول: ΔH°fus = 4.94 kJ/mol, ΔH°vap = 38.6 kJ/mol

#### الميثانول: ΔH°fus = 3.22 kJ/mol, ΔH°vap = 35.2 kJ/mol

#### حمض الإيثانويك (الخل): ΔH°fus = 11.7 kJ/mol, ΔH°vap = 23.4 kJ/mol

#### الأمونيا: ΔH°fus = 5.66 kJ/mol, ΔH°vap = 23.3 kJ/mol

الطاقة الشمسية

الاستغلال

#### تسخين الماء (بسبب حرارته النوعية العالية) لتدفئة الأماكن

#### تقليل استعمال الوقود الذي ينتج ثاني أكسيد الكربون

تحديات

#### سطوع الشمس لفترة محددة يوميًا

#### تراكم الغيوم يقلل من كمية الأشعة

#### الحاجة لطرق فعالة لتخزين الطاقة

الخلايا الكهروضوئية

#### تحول الإشعاع الشمسي مباشرة إلى كهرباء

#### تكلفة إنتاج الكهرباء بها مرتفعة مقارنة بحرق الفحم أو البترول

#### تستخدم لتزويد رواد الفضاء بالطاقة

تطبيقات وطنية

رؤية 2030

#### زيادة مساهمة مصادر الطاقة المتجددة في مزيج الطاقة

مدينة الملك عبد العزيز للعلوم والتقنية (KACST)

#### الجهة الوطنية الرائدة في البحوث التطبيقية في مجال الطاقة

خلايا غراتزل

#### أنظمة ضوئية وكهروكيميائية لتحويل الطاقة الشمسية

#### طورها البروفيسور مايكل غراتزل (فائز بجائزة الملك فيصل للعلوم 1436هـ)

```

نقاط مهمة

• تغيرات الحالة (مثل التبخر والانصهار) هي عمليات فيزيائية ماصة للحرارة، لذلك تكون قيم ΔH°fus و ΔH°vap موجبة.
• حرارة التبخر لأي مادة أكبر بكثير من حرارة انصهارها (مقارنة قيم الماء في الجدول).
• حرارة الاحتراق لجميع المواد في الجدول 3-1 قيمها سالبة لأن الاحتراق تفاعل طارد للحرارة.

--- SECTION: المطويات --- أدخل معلومات من هذا القسم في مطويتك. --- SECTION: الجدول 3-1 --- جدول يوضح حرارة الاحتراق القياسية لبعض المواد --- SECTION: تغيرات الحالة Changes of State --- هناك الكثير من العمليات غير الكيميائية التي تمتص الطاقة فيها أو تُطلق. فكر مثلاً فيما يحدث عندما تخرج من حمام ساخن، لا بد أنك تشعر برعشة جسمك في أثناء تبخر الماء عن جلدك؛ وذلك لأن جلدك يزود الماء بالحرارة التي يحتاج إليها لكي يتبخر، وكلما امتص الماء الحرارة من جلدك وتبخر ازدادت برودة جسمك. تسمى الحرارة اللازمة لتبخر 1mol من سائل حرارة التبخر المولارية (AHvap) (Molar enthalpy (heat) of vaporization). وبالمثل أيضًا إذا أردت شرب كأس ماء بارد فقد تضع فيه مكعبا من الثلج؛ فيبرد الماء؛ لأنه يزود مكعب الثلج بالحرارة لكي ينصهر . تسمى الحرارة اللازمة لصهر 1mol من مادة صلبة حرارة الانصهار المولارية (ΔΗfus) (Molar enthalpy (heat) of fusion). ولأن تبخر السائل وصهر المادة الصلبة عمليتان ماصتان للحرارة، تكون AH لكل من العمليتين موجبة. يبين الجدول 4-1 حرارة التبخر والانصهار القياسية لعدد من المواد المألوفة. --- SECTION: الجدول 4-1 --- جدول يوضح حرارة التبخر والانصهار القياسية لعدد من المواد المألوفة.