صفحة 28 - كتاب الكيمياء - الصف 11 - الفصل 2 - المملكة العربية السعودية

سؤال 1: 1. حلل كلاً من الأجزاء الخمسة من الرسم. والتي تتميز بتغير حاد في ميل المنحنى. وبين كيف يغير امتصاص الحرارة من طاقة الوضع وطاقة الحركة لجزيئات الماء.

الإجابة: س: 1) من 20- إلى 0 (تسخين الجليد): تزداد طاقة الحركة فترتفع الحرارة. 2) عند 0 (الانصهار): الحرارة ثابتة؛ الطاقة تكسر الروابط (تزداد طاقة الوضع). 3) من 0 إلى 100 (تسخين السائل): تزداد طاقة الحركة فترتفع الحرارة. 4) عند 100 (الغليان): الحرارة ثابتة؛ الطاقة تحرر الجزيئات (تزداد طاقة الوضع). 5) فوق 100 (تسخين البخار): تزداد طاقة الحركة فترتفع الحرارة.

خطوات الحل:

1. **الشرح:** لنفهم هذا السؤال. الرسم البياني لمنحنى التسخين للماء يوضح العلاقة بين درجة الحرارة والزمن (أو الطاقة المضافة). المنحنى يتكون من خمسة أجزاء رئيسية تتميز بتغير حاد في الميل (الانحدار). الفكرة هنا هي أن إضافة الحرارة (الطاقة) تؤثر على طاقة الجزيئات بطريقتين: 1. **طاقة الحركة**: وهي مرتبطة بحركة الجزيئات، وزيادتها ترفع درجة الحرارة (الأجزاء المائلة في المنحنى). 2. **طاقة الوضع**: وهي مرتبطة بترتيب وترابط الجزيئات، وزيادتها تكسر الروابط بين الجزيئات دون رفع درجة الحرارة (الأجزاء الأفقية في المنحنى). إذن، عند تحليل الأجزاء الخمسة: - **الجزء الأول (تسخين الجليد من -20°C إلى 0°C)**: الحرارة المضافة تزيد طاقة حركة جزيئات الجليد، فترتفع درجة الحرارة (ميل موجب). - **الجزء الثاني (عند 0°C، الانصهار)**: الحرارة المضافة ثابتة؛ الطاقة تستخدم لكسر الروابط بين جزيئات الجليد لتحويله إلى ماء سائل، فتزداد طاقة الوضع بينما تبقى درجة الحرارة ثابتة (خط أفقي). - **الجزء الثالث (تسخين الماء السائل من 0°C إلى 100°C)**: الحرارة المضافة تزيد طاقة حركة جزيئات الماء، فترتفع درجة الحرارة (ميل موجب). - **الجزء الرابع (عند 100°C، الغليان)**: الحرارة المضافة ثابتة؛ الطاقة تستخدم لكسر الروابط بين جزيئات الماء السائل لتحويله إلى بخار، فتزداد طاقة الوضع بينما تبقى درجة الحرارة ثابتة (خط أفقي). - **الجزء الخامس (تسخين البخار فوق 100°C)**: الحرارة المضافة تزيد طاقة حركة جزيئات البخار، فترتفع درجة الحرارة (ميل موجب). لذلك، الإجابة هي: **تغير الحرارة يؤثر على طاقة الحركة (يرفع درجة الحرارة) في الأجزاء المائلة، وعلى طاقة الوضع (يكسر الروابط) في الأجزاء الأفقية**.

سؤال 2: 2. احسب كمية الحرارة اللازمة لكل منطقة من الرسم. 180 g H₂O = 10 mol H₂O, ΔHfus = 6.01 kJ/mol, ΔHvap = 40.7 kJ/mol, C_H₂O(s) = 2.03 J/g•°C, C_H₂O(l) = 4.184 J/g•°C, C_H₂O(g) = 2.01 J/g•°C ما علاقة الزمن اللازم في كل منطقة في الرسم بكمية الحرارة الممتصة؟

الإجابة: س2: الطاقة اللازمة: 1) تسخين الجليد: 7.31 kJ 2) الانصهار: 60.1 kJ 3) تسخين الماء: 75.3 kJ 4) التبخر: 407 kJ 5) تسخين البخار: 7.24 kJ * الزمن يتناسب طرديًا مع كمية الحرارة الممتصة.

خطوات الحل:

1. **الخطوة 1 (المعطيات):** لنحدد ما لدينا: - كتلة الماء: m = 180 g - عدد المولات: n = 10 mol (لأن 180 g H₂O = 10 mol، حيث الكتلة المولية للماء = 18 g/mol) - حرارة الانصهار المولية: ΔHfus = 6.01 kJ/mol - حرارة التبخر المولية: ΔHvap = 40.7 kJ/mol - السعة الحرارية النوعية للجليد: C_H₂O(s) = 2.03 J/g•°C - السعة الحرارية النوعية للماء السائل: C_H₂O(l) = 4.184 J/g•°C - السعة الحرارية النوعية للبخار: C_H₂O(g) = 2.01 J/g•°C - نطاقات درجات الحرارة (من الرسم في السؤال 1): 1) تسخين الجليد: من -20°C إلى 0°C → ΔT1 = 20°C 2) الانصهار: عند 0°C 3) تسخين الماء: من 0°C إلى 100°C → ΔT2 = 100°C 4) التبخر: عند 100°C 5) تسخين البخار: من 100°C إلى درجة أعلى (لنفترض 120°C للتوضيح، لكن السؤال لا يحدد؛ من الرسم، قد يكون فوق 100°C، لنأخذ ΔT3 = 20°C كمثال)
2. **الخطوة 2 (القوانين):** نستخدم القوانين التالية: 1. **لحساب الحرارة لتسخين مادة (بدون تغير طور):** $$q = m \times C \times \Delta T$$ حيث q هي الحرارة، m الكتلة، C السعة الحرارية النوعية، ΔT التغير في درجة الحرارة. 2. **لحساب الحرارة لتغير الطور (انصهار أو تبخر):** $$q = n \times \Delta H$$ حيث n عدد المولات، ΔH حرارة التحول المولية. 3. **العلاقة بين الزمن وكمية الحرارة:** إذا كان معدل إضافة الحرارة ثابتاً (مثلاً، تسخين بمصدر حراري ثابت)، فإن الزمن اللازم يتناسب طردياً مع كمية الحرارة الممتصة، لأن: $$\text{الزمن} \propto \frac{q}{\text{معدل الحرارة}}$$
3. **الخطوة 3 (الحل):** بالتعويض في القوانين: 1) **تسخين الجليد (من -20°C إلى 0°C):** $$q_1 = m \times C_{H₂O(s)} \times \Delta T_1 = 180 \times 2.03 \times 20$$ $$q_1 = 180 \times 40.6 = 7308 \text{ J} = 7.308 \text{ kJ} \approx 7.31 \text{ kJ}$$ 2) **الانصهار (عند 0°C):** $$q_2 = n \times \Delta H_{fus} = 10 \times 6.01 = 60.1 \text{ kJ}$$ 3) **تسخين الماء (من 0°C إلى 100°C):** $$q_3 = m \times C_{H₂O(l)} \times \Delta T_2 = 180 \times 4.184 \times 100$$ $$q_3 = 180 \times 418.4 = 75312 \text{ J} = 75.312 \text{ kJ} \approx 75.3 \text{ kJ}$$ 4) **التبخر (عند 100°C):** $$q_4 = n \times \Delta H_{vap} = 10 \times 40.7 = 407 \text{ kJ}$$ 5) **تسخين البخار (مثال: من 100°C إلى 120°C، ΔT3 = 20°C):** $$q_5 = m \times C_{H₂O(g)} \times \Delta T_3 = 180 \times 2.01 \times 20$$ $$q_5 = 180 \times 40.2 = 7236 \text{ J} = 7.236 \text{ kJ} \approx 7.24 \text{ kJ}$$ **علاقة الزمن بكمية الحرارة:** إذا كان التسخين بمعدل ثابت (مثلاً، باستخدام موقد بنفس الشدة)، فإن الزمن اللازم لكل منطقة في الرسم يتناسب طردياً مع كمية الحرارة الممتصة في تلك المنطقة. لأن كمية الحرارة = معدل الحرارة × الزمن، وبالتالي: $$\text{الزمن} = \frac{q}{\text{معدل الحرارة}}$$ فكلما زادت q، زاد الزمن اللازم، والعكس صحيح.
4. **الخطوة 4 (النتيجة):** إذن: - كمية الحرارة اللازمة لكل منطقة: 1) تسخين الجليد: **7.31 kJ** 2) الانصهار: **60.1 kJ** 3) تسخين الماء: **75.3 kJ** 4) التبخر: **407 kJ** 5) تسخين البخار: **7.24 kJ** - العلاقة: **الزمن يتناسب طردياً مع كمية الحرارة الممتصة** في كل منطقة، إذا كان معدل إضافة الحرارة ثابتاً.

سؤال 3: 3. استنتج كيف يبدو شكل منحنى التسخين للإيثانول؟ ينصهر الإيثانول عند 114°C- ويغلي عند 78°C. ارسم منحنى تسخين الإيثانول في مدى درجات الحرارة من 120°C- إلى 90°C. ما العوامل التي تحدد طول الأجزاء التي تثبت فيها درجة الحرارة (الخطوط الأفقية)، وميل المنحنى بين الأجزاء التي تتغير فيها درجة الحرارة؟

الإجابة: س 3: منحنى الإيثانول: 1) مائل (120- إلى 114-): تسخين الصلب. 2) أفقي (114-): انصهار. 3) مائل (114- إلى 78): تسخين السائل. 4) أفقي (78): غليان. 5) مائل (78 إلى 90): تسخين البخار. * طول الأجزاء الأفقية يعتمد على كمية المادة وحرارة التحول. * الميل يعتمد على الحرارة النوعية والكتلة.

خطوات الحل:

1. **الخطوة 1 (المفهوم):** نتذكر أن منحنى التسخين يوضح تغير درجة الحرارة مع الزمن (أو الطاقة المضافة) لمادة أثناء تسخينها. للمواد النقية، يظهر المنحنى أجزاء مائلة (حيث تتغير درجة الحرارة) وأجزاء أفقية (حيث تثبت درجة الحرارة أثناء تغير الطور، مثل الانصهار والغليان). في هذا السؤال، المادة هي الإيثانول، وله خصائص محددة: - درجة انصهاره: -114°C (أي يتحول من صلب إلى سائل عند هذه الدرجة). - درجة غليانه: 78°C (أي يتحول من سائل إلى غاز عند هذه الدرجة). المدى المطلوب للرسم: من -120°C إلى 90°C.
2. **الخطوة 2 (التطبيق):** بتطبيق هذا على السؤال، نرسم منحنى تسخين الإيثانول: 1. **من -120°C إلى -114°C**: تسخين الإيثانول الصلب – درجة الحرارة ترتفع (منحنى مائل). 2. **عند -114°C**: انصهار الإيثانول – درجة الحرارة تثبت (خط أفقي) حتى يكتمل التحول من صلب إلى سائل. 3. **من -114°C إلى 78°C**: تسخين الإيثانول السائل – درجة الحرارة ترتفع (منحنى مائل). 4. **عند 78°C**: غليان الإيثانول – درجة الحرارة تثبت (خط أفقي) حتى يكتمل التحول من سائل إلى بخار. 5. **من 78°C إلى 90°C**: تسخين بخار الإيثانول – درجة الحرارة ترتفع (منحنى مائل). **العوامل التي تحدد خصائص المنحنى:** - **طول الأجزاء الأفقية (التي تثبت فيها درجة الحرارة)**: يعتمد على كمية المادة (الكتلة أو عدد المولات) وحرارة التحول (حرارة الانصهار أو حرارة التبخر). لأن كمية الحرارة اللازمة لتغير الطور = كمية المادة × حرارة التحول، فكلما زادت هذه الكمية، زاد الزمن (وبالتالي طول الخط الأفقي في الرسم) إذا كان معدل التسخين ثابتاً. - **ميل المنحنى في الأجزاء المائلة (حيث تتغير درجة الحرارة)**: يعتمد على السعة الحرارية النوعية للمادة وكتلتها. لأن كمية الحرارة اللازمة لرفع درجة الحرارة = الكتلة × السعة الحرارية النوعية × التغير في درجة الحرارة. ميل المنحنى (الانحدار) يتناسب عكسياً مع هذه الكمية: فكلما زادت السعة الحرارية أو الكتلة، قل الميل (أي يحتاج وقت أطول لرفع درجة الحرارة نفسها).
3. **الخطوة 3 (النتيجة):** إذن: - شكل منحنى التسخين للإيثانول: **به أجزاء مائلة عند تسخين الأطوار الصلبة والسائلة والغازية، وأجزاء أفقية عند -114°C (للانصهار) و78°C (للغليان)**. - العوامل: * **طول الأجزاء الأفقية**: **كمية المادة وحرارة التحول**. * **ميل المنحنى في الأجزاء المائلة**: **السعة الحرارية النوعية والكتلة**.

سؤال س: كيف ترسم منحنى التسخين للماء؟: كيف ترسم منحنى التسخين للماء؟

الإجابة: س: كيف ترسم منحنى التسخين للماء؟ ضع الزمن (min) على المحور الأفقي ودرجة الحرارة (C°) على الرأسي. مثل النقاط وصل بينها. سيظهر منحنى به أجزاء مائلة (تغير حرارة) وأفقية (ثبات حرارة عند 0 و 100).

خطوات الحل:

1. **الشرح:** لنفهم هذا السؤال. منحنى التسخين للماء هو رسم بياني يوضح كيف تتغير درجة حرارة الماء عند تسخينه بمرور الزمن (أو عند إضافة طاقة حرارية). الفكرة هنا هي أن الماء مادة نقية، لذا عند تسخينه: - تزداد درجة حرارته عندما يكون في طور واحد (صلب أو سائل أو غاز) إذا لم يحدث تغير في الطور. - تثبت درجة حرارته عند نقاط تغير الطور (الانصهار عند 0°C والغليان عند 100°C) حتى يكتمل التحول. لرسم المنحنى: 1. **إعداد المحاور**: ضع **الزمن (بالدقائق min)** على المحور الأفقي (السيني)، و**درجة الحرارة (بالدرجة المئوية C°)** على المحور الرأسي (الصادي). لأننا عادة نسخن الماء بمعدل ثابت، فالزمن يمثل الطاقة المضافة. 2. **تحديد النقاط الرئيسية**: من التجربة أو البيانات، نعلم أن: - عند تسخين الجليد من درجة تحت الصفر (مثلاً -20°C) إلى 0°C، درجة الحرارة ترتفع بمرور الزمن. - عند 0°C، تثبت درجة الحرارة حتى ينصهر كل الجليد إلى ماء سائل. - عند تسخين الماء السائل من 0°C إلى 100°C، درجة الحرارة ترتفع بمرور الزمن. - عند 100°C، تثبت درجة الحرارة حتى يغلي كل الماء السائل إلى بخار. - عند تسخين البخار فوق 100°C، درجة الحرارة ترتفع بمرور الزمن. 3. **رسم المنحنى**: مثل هذه النقاط على الرسم البياني (الزمن مقابل درجة الحرارة)، ثم صل بينها بخطوط. سيكون المنحنى متصلاً: - **أجزاء مائلة (منحدرة)**: حيث تتغير درجة الحرارة (مثل من -20°C إلى 0°C، ومن 0°C إلى 100°C، ومن 100°C إلى أعلى). - **أجزاء أفقية (مسطحة)**: حيث تثبت درجة الحرارة عند 0°C (للانصهار) وعند 100°C (للغليان). لذلك، الإجابة هي: **نرسم منحنى التسخين للماء بوضع الزمن على المحور الأفقي ودرجة الحرارة على المحور الرأسي، ثم نصل النقاط لظهور أجزاء مائلة (تغير حرارة) وأفقية (ثبات حرارة عند 0°C و100°C)**.

في منحنى التسخين للمادة النقية، ماذا يحدث لدرجة الحرارة وطاقة الجزيئات أثناء الأجزاء الأفقية (مثل الانصهار والغليان)؟

• أ) ترتفع درجة الحرارة وتزداد طاقة الحركة للجزيئات.
• ب) تثبت درجة الحرارة وتزداد طاقة الوضع للجزيئات (تستخدم الطاقة لكسر الروابط).
• ج) تنخفض درجة الحرارة وتتحول طاقة الوضع إلى طاقة حركة.
• د) تثبت درجة الحرارة وتنخفض طاقة الوضع للجزيئات.

الإجابة الصحيحة: b

الإجابة: تثبت درجة الحرارة وتزداد طاقة الوضع للجزيئات (تستخدم الطاقة لكسر الروابط).

الشرح: 1. في الأجزاء الأفقية (تغير الطور)، تثبت درجة الحرارة. 2. الطاقة المضافة لا تزيد من سرعة الجزيئات (طاقة حركة). 3. بدلاً من ذلك، تستخدم الطاقة لكسر الروابط بين الجزيئات، مما يزيد من طاقة وضعها.

تلميح: فكر في مصير الطاقة المضافة عندما لا ترتفع درجة الحرارة.

التصنيف: مفهوم جوهري | المستوى: متوسط

ما القانون المستخدم لحساب كمية الحرارة اللازمة لتسخين 180 جرامًا من الجليد من -20°C إلى 0°C، علماً أن السعة الحرارية النوعية للجليد 2.03 J/g•°C؟

• أ) q = n × ΔH
• ب) q = m × C × ΔT
• ج) q = P × t
• د) q = (m × ΔH) / M

الإجابة الصحيحة: b

الإجابة: q = m × C × ΔT

الشرح: 1. القانون العام للحرارة عند تغير درجة الحرارة هو: الحرارة (q) = الكتلة (m) × السعة الحرارية النوعية (C) × التغير في درجة الحرارة (ΔT). 2. في هذه الحالة: m = 180g، C = 2.03 J/g•°C، ΔT = 0 - (-20) = 20°C.

تلميح: هذا القانون لحساب الحرارة عند تغير درجة الحرارة دون تغير في الطور.

التصنيف: صيغة/خطوات | المستوى: سهل

إذا كان التسخين يتم بمعدل ثابت، فما العلاقة بين الزمن اللازم لكل مرحلة في منحنى التسخين وكمية الحرارة الممتصة في تلك المرحلة؟

• أ) الزمن يتناسب عكسياً مع كمية الحرارة الممتصة.
• ب) لا توجد علاقة بينهما.
• ج) الزمن يتناسب طردياً مع كمية الحرارة الممتصة.
• د) الزمن يتناسب مع مربع كمية الحرارة الممتصة.

الإجابة الصحيحة: c

الإجابة: الزمن يتناسب طردياً مع كمية الحرارة الممتصة.

الشرح: 1. إذا كان معدل إضافة الحرارة (الطاقة/الزمن) ثابتاً. 2. فإن كمية الحرارة الممتصة (q) = المعدل الثابت × الزمن (t). 3. وبالتالي، الزمن (t) = q / المعدل الثابت، أي أن الزمن يتناسب طردياً مع كمية الحرارة (كلما زادت q، زاد t).

تلميح: فكر في معنى التسخين بمعدل ثابت: كمية الحرارة المضافة لكل وحدة زمن ثابتة.

التصنيف: مفهوم جوهري | المستوى: متوسط

أي مما يلي يفسر ارتفاع الحرارة النوعية وحرارة الانصهار والتبخير للماء نسبياً؟

• أ) انخفاض الكتلة المولية لجزيء الماء.
• ب) قطبية جزيئات الماء وتكوينها لروابط هيدروجينية قوية.
• ج) وجود ذرة أكسجين واحدة فقط في الجزيء.
• د) الحالة السائلة للماء في الظروف القياسية.

الإجابة الصحيحة: b

الإجابة: قطبية جزيئات الماء وتكوينها لروابط هيدروجينية قوية.

الشرح: 1. جزيئات الماء قطبية (شحنة سالبة جزئية على الأكسجين وموجبة على الهيدروجين). 2. هذا القطبية يؤدي إلى تكوين روابط هيدروجينية قوية بين الجزيئات. 3. لكسر هذه الروابط القوية (أثناء الانصهار أو التبخر) أو لرفع درجة حرارتها (تسخين) نحتاج إلى طاقة حرارية كبيرة، مما يفسر القيم العالية لخصائصه الحرارية.

تلميح: الخاصية المذكورة تتعلق بقوة التجاذب بين الجزيئات.

التصنيف: تفكير ناقد | المستوى: صعب