المعادلات الكيميائية الحرارية لتغيرات الحالة - كتاب الكيمياء - الصف 11 - الفصل 2 - المملكة العربية السعودية

📚 المعادلات الكيميائية الحرارية لتغيرات الحالة

المفاهيم الأساسية

المعادلات الكيميائية الحرارية لتغيرات الحالة: معادلات تصف التغير في المحتوى الحراري (ΔH) المصاحب لتغيرات الحالة الفيزيائية للماء.

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 للحئة → 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

المعادلات الكيميائية الحرارية لتغيرات الحالة

معادلات تغيرات الحالة للماء

#### التبخر (ماص للحرارة)

##### H₂O(l) → H₂O(g) ΔHvap = 40.7 kJ

#### الانصهار (ماص للحرارة)

##### H₂O(s) → H₂O(l) ΔHfus = 6.01 kJ

#### التكثف (طاردة للحرارة)

##### H₂O(g) → H₂O(l) ΔHcond = -40.7 kJ

#### التجمد (طاردة للحرارة)

##### H₂O(l) → H₂O(s) ΔHsolid = -6.01 kJ

العلاقة بين العمليات العكسية

#### ΔHvap = -ΔHcond

#### ΔHfus = -ΔHsolid

#### القيم الرقمية متساوية، لكن الإشارات متعاكسة.

تطبيق عملي

#### يستغل المزارعون حرارة انصهار الماء لحماية المحاصيل من التجمد.

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

• التبخر والانصهار: عمليات ماصة للحرارة (ΔH موجبة).
• التكثف والتجمد: عمليات طاردة للحرارة (ΔH سالبة).
• العلاقة العكسية: القيمة العددية للتغير في المحتوى الحراري متساوية للعمليتين العكسيتين، لكن الإشارة معاكسة (مثال: ΔHvap = -ΔHcond).
• تطبيق عملي: يستخدم المزارعون حرارة انصهار الماء (الطاقة الممتصة أثناء الذوبان) لحماية المحاصيل من الصقيع.

المعادلات الكيميائية الحرارية لتغيرات الحالة

وصف الجليد بالملداتين الأتين:

H₂O(l) → H₂O(g) ΔHvap = 40.7 kJ

H₂O(s) → H₂O(l) ΔHfus = 6.01 kJ

تبين المعادلة الأولى أن 40.7 kJ من الطاقة تُمتص عندما يتحول 1 mol من الماء إلى بخار الماء. بينما تشير المعادلة الثانية إلى أن 6.01 kJ من الطاقة تُمتص عندما ينصهر مول واحد من الجليد ليكون مولاً واحدًا من الماء السائل.

ماذا يحدث في العمليتين العكسيتين عندما يتكثف بخار الماء ليكون الماء السائل أو عندما يتجمد الماء مكونًا الجليد؟ كميات الحرارة الطاردة للحرارة في هذه العمليات متساوية لكميات الحرارة الممتصة في عمليتي التبخر والانصهار. وهكذا فإن قيمة حرارة التكثف المولارية (ΔHcond) وحرارة التبخر المولارية (ΔHvap) متساويتان رقميًا وإن اختلفتا في الإشارة. كذلك فإن قيمة حرارة التجمد المولارية (ΔHsolid) وقيمة حرارة الانصهار المولارية لها القيمة الرقمية نفسها، ولكنها تختلفان في الإشارة. وهذه العلاقات موضحة في الشكل 1-9.

ΔHvap = -ΔHcond

ΔHfus = -ΔHsolid

قارن بين معادلات تكثف وتجمد الماء الآتيتين بتبخر الماء وصهره.

H₂O(g) → H₂O(l) ΔHcond = -40.7 kJ

H₂O(l) → H₂O(s) ΔHsolid = -6.01 kJ

يستغل بعض المزارعين في البلاد الباردة حرارة انصهار الماء لحماية الفاكهة والخضراوات من التجمد. فإذا كان من المتوقع أن تنخفض درجة الحرارة إلى درجة التجمد في أحد الأيام فإنهم يغمرون بساتينهم وحقولهم بالماء في تلك الليلة. ويعود السبب في ذلك إلى أن عملية تجمد الماء تطلق طاقة ΔHsolid الهواء المحيط لدرجة كافية لمنع الفاكهة والخضراوات من التلف. وسوف ترسم في مختبر حل المشكلات الآتي منحنى تسخين الماء

ماذا قرأت؟ صف عمليات كل من التكثف، والتجمد، والتبخر، والانصهار، إلى طاردة للحرارة أو ماصة لها.

--- SECTION: المعادلات الكيميائية الحرارية لتغيرات الحالة --- المعادلات الكيميائية الحرارية لتغيرات الحالة --- SECTION: وصف الجليد بالملداتين الأتين --- وصف الجليد بالملداتين الأتين: H₂O(l) → H₂O(g) ΔHvap = 40.7 kJ H₂O(s) → H₂O(l) ΔHfus = 6.01 kJ تبين المعادلة الأولى أن 40.7 kJ من الطاقة تُمتص عندما يتحول 1 mol من الماء إلى بخار الماء. بينما تشير المعادلة الثانية إلى أن 6.01 kJ من الطاقة تُمتص عندما ينصهر مول واحد من الجليد ليكون مولاً واحدًا من الماء السائل. ماذا يحدث في العمليتين العكسيتين عندما يتكثف بخار الماء ليكون الماء السائل أو عندما يتجمد الماء مكونًا الجليد؟ كميات الحرارة الطاردة للحرارة في هذه العمليات متساوية لكميات الحرارة الممتصة في عمليتي التبخر والانصهار. وهكذا فإن قيمة حرارة التكثف المولارية (ΔHcond) وحرارة التبخر المولارية (ΔHvap) متساويتان رقميًا وإن اختلفتا في الإشارة. كذلك فإن قيمة حرارة التجمد المولارية (ΔHsolid) وقيمة حرارة الانصهار المولارية لها القيمة الرقمية نفسها، ولكنها تختلفان في الإشارة. وهذه العلاقات موضحة في الشكل 1-9. ΔHvap = -ΔHcond ΔHfus = -ΔHsolid قارن بين معادلات تكثف وتجمد الماء الآتيتين بتبخر الماء وصهره. H₂O(g) → H₂O(l) ΔHcond = -40.7 kJ H₂O(l) → H₂O(s) ΔHsolid = -6.01 kJ يستغل بعض المزارعين في البلاد الباردة حرارة انصهار الماء لحماية الفاكهة والخضراوات من التجمد. فإذا كان من المتوقع أن تنخفض درجة الحرارة إلى درجة التجمد في أحد الأيام فإنهم يغمرون بساتينهم وحقولهم بالماء في تلك الليلة. ويعود السبب في ذلك إلى أن عملية تجمد الماء تطلق طاقة ΔHsolid الهواء المحيط لدرجة كافية لمنع الفاكهة والخضراوات من التلف. وسوف ترسم في مختبر حل المشكلات الآتي منحنى تسخين الماء ماذا قرأت؟ صف عمليات كل من التكثف، والتجمد، والتبخر، والانصهار، إلى طاردة للحرارة أو ماصة لها. --- VISUAL CONTEXT --- **GRAPH**: تغيرات حالة الماء Description: A diagram illustrating the energy changes associated with phase transitions of water. It shows three distinct energy levels corresponding to H2O(g), H2O(l), and H2O(s). Arrows indicate energy absorption (upward) and release (downward) during transitions. X-axis: State of Water Y-axis: المحتوى الحراري (kJ) Data: The diagram shows that vaporization and fusion absorb energy (positive ΔH), while condensation and solidification release energy (negative ΔH). The magnitudes of energy change are equal for opposing processes. Key Values: ΔHvap = +40.7 kJ, ΔHfus = +6.01 kJ, ΔHcond = -40.7 kJ, ΔHsolid = -6.01 kJ Context: Illustrates the enthalpy changes for phase transitions of water, showing that vaporization and fusion are endothermic, while condensation and solidification are exothermic.