صفحة 45 - كتاب الكيمياء - الصف 11 - الفصل 2 - المملكة العربية السعودية

سؤال 89: 89. الوقود البديل ابحث من خلال المصادر وشبكة الإنترنت كيف يمكن إنتاج الهيدروجين وشحنه واستعماله وقودًا للسيارات؟ لخص فوائد وعوائق استعمال الهيدروجين وقودًا بديلًا في محركات الاحتراق الداخلي.

الإجابة: س 89: - إنتاج الهيدروجين: 1) إصلاح الغاز الطبيعي بالبخار (الأكثر شيوعاً) ثم تنقية الهيدروجين. 2) التحليل الكهربائي للماء (ويكون أنظف إذا كانت الكهرباء من مصادر متجددة). 3) طرق أخرى مثل تغويز الكتلة الحيوية. - شحنه/تخزينه ونقله: يُضغط في أسطوانات عالية الضغط (تقريباً 350- 700 bar) أو يُسال عند نحو -253°C أو يُخزن في مواد مثل هيدريدات معدنية. - استعماله في السيارات (محركات احتراق داخلي): يُغذى من الخزان إلى نظام حقن/خلط مناسب، ويحترق مع الأكسجين منتجاً أساساً ماءً (مع احتمال تكون NOx عند درجات حرارة الاحتراق العالية). - فوائد الهيدروجين: انبعاثات كربونية منخفضة/صفرية من العادم عند استخدام هيدروجين "أخضر"، وطاقة نوعية عالية لكل كتلة، وإمكان إنتاجه من مصادر متجددة. - عوائق الهيدروجين: صعوبة/كلفة التخزين والنقل بسبب انخفاض كثافته الحجمية، مخاطر التسرب والاشتعال، نقص البنية التحتية للتزود، وقد ينتج NOx في محركات الاحتراق، كما أن إنتاجه حالياً غالباً من الوقود الأحفوري يرافقه CO2.

خطوات الحل:

1. **الشرح:** لنفهم هذا السؤال، فهو يطلب منا البحث في كيفية إنتاج الهيدروجين واستخدامه كوقود للسيارات، ثم تلخيص فوائده وعوائقه. **أولاً: إنتاج الهيدروجين** الهيدروجين يمكن إنتاجه بعدة طرق: 1) **إصلاح الغاز الطبيعي بالبخار**: وهي الطريقة الأكثر شيوعاً، حيث يتفاعل الغاز الطبيعي مع البخار لإنتاج الهيدروجين، ثم يُنقى. 2) **التحليل الكهربائي للماء**: حيث يُمرر تيار كهربائي في الماء لتفكيكه إلى هيدروجين وأكسجين. هذه الطريقة تكون أنظف إذا كانت الكهرباء المستخدمة من مصادر متجددة مثل الطاقة الشمسية أو الرياح. 3) **طرق أخرى**: مثل تغويز الكتلة الحيوية (تحويل المواد العضوية إلى غاز يحتوي على الهيدروجين). **ثانياً: شحن وتخزين ونقل الهيدروجين** بعد إنتاجه، يتم تخزين الهيدروجين بطرق مختلفة: - **الضغط**: يُضغط في أسطوانات عالية الضغط (حوالي 350-700 بار) لتقليل حجمه. - **التسييل**: يُبرد إلى درجة حرارة منخفضة جداً (حوالي -253°م) لتحويله إلى سائل. - **التخزين في مواد**: مثل هيدريدات المعادن، حيث يمتص الهيدروجين في هذه المواد. **ثالثاً: استخدامه في السيارات** في محركات الاحتراق الداخلي، يُضخ الهيدروجين من الخزان إلى نظام الحقن، حيث يختلط مع الأكسجين ويحترق، منتجاً بشكل أساسي بخار الماء. لكن عند درجات حرارة عالية قد يتكون أكاسيد النيتروجين (NOx). **رابعاً: فوائد وعوائق استخدام الهيدروجين كوقود بديل** **الفوائد:** - **انبعاثات منخفضة**: عند استخدام هيدروجين "أخضر" (من مصادر متجددة)، تكون الانبعاثات الكربونية قريبة من الصفر. - **طاقة نوعية عالية**: يحتوي على طاقة عالية لكل كيلوجرام مقارنة بالوقود التقليدي. - **إمكانية الإنتاج من مصادر متجددة**: مما يجعله وقوداً مستداماً. **العوائق:** - **صعوبة التخزين والنقل**: بسبب انخفاض كثافته الحجمية، مما يتطلب معدات خاصة ومرتفعة التكلفة. - **المخاطر**: تسرب الهيدروجين قد يؤدي إلى اشتعال أو انفجار. - **نقص البنية التحتية**: محطات التزود بالهيدروجين قليلة مقارنة بمحطات البنزين. - **انبعاثات ثانوية**: في محركات الاحتراق قد يتكون NOx. - **مصدر الإنتاج**: حالياً، معظم الهيدروجين يُنتج من الوقود الأحفوري، مما يرافقه انبعاثات ثاني أكسيد الكربون. إذن، الهيدروجين وقود بديل واعد لكنه يواجه تحديات تقنية واقتصادية.

سؤال 90: 90. أي الزيوت أعطى أكبر كمية من الحرارة لكل وحدة كتلة عند احتراقه؟

الإجابة: س 90: زيت الكانولا (قيمته 41.45 kJ/g وهي الأكبر).

خطوات الحل:

1. **الخطوة 1 (المفهوم):** في هذا السؤال، نريد معرفة أي الزيوت يعطي أكبر كمية من الحرارة لكل جرام عند احتراقه. هذا يتعلق بقيمة الطاقة النوعية للوقود، والتي تقاس عادةً بالكيلوجول لكل جرام (kJ/g). **الخطوة 2 (المقارنة):** نقارن قيم الطاقة النوعية للزيوت المختلفة. بناءً على البيانات المعروفة في التجارب أو الجداول العلمية، نجد أن زيت الكانولا له قيمة طاقة نوعية تبلغ 41.45 kJ/g. **الخطوة 3 (النتيجة):** بالمقارنة مع زيوت أخرى مثل زيت الزيتون أو زيت الصويا، فإن قيمة 41.45 kJ/g لزيت الكانولا هي الأعلى. لذلك، زيت الكانولا يعطي أكبر كمية حرارة لكل وحدة كتلة عند احتراقه.

سؤال 91: 91. ما مقدار الحرارة التي قد تنطلق عند حرق 0.554 kg من زيت الزيتون؟

الإجابة: س 91: كتلة الزيت = 0.554 kg = 554 g $q = 554\text{ g} \times 39.31\frac{\text{kJ}}{\text{g}} = 2.18 \times 10^4\text{ kJ}$ أي تنطلق تقريباً $2.18 \times 10^4\text{ kJ}$ من الحرارة.

خطوات الحل:

1. **الخطوة 1 (المعطيات):** لنحدد ما لدينا: - كتلة زيت الزيتون: 0.554 kg - الطاقة النوعية لزيت الزيتون: 39.31 kJ/g (هذه قيمة معطاة في السياق العلمي للزيت) **الخطوة 2 (التحويل والقانون):** أولاً، نحول الكتلة من كيلوجرام إلى جرام لأن الطاقة النوعية معطاة بالكيلوجول لكل جرام: $$0.554 \text{ kg} = 554 \text{ g}$$ نستخدم قانون حساب الحرارة المنطلقة: $$q = m \times \text{الطاقة النوعية}$$ حيث: - $q$: الحرارة المنطلقة (بالكيلوجول) - $m$: الكتلة (بالجرام) - الطاقة النوعية: 39.31 kJ/g لزيت الزيتون **الخطوة 3 (الحل):** بالتعويض في القانون: $$q = 554 \text{ g} \times 39.31 \frac{\text{kJ}}{\text{g}}$$ نقوم بالضرب: $$q = 554 \times 39.31 = 21777.74 \text{ kJ}$$ **الخطوة 4 (النتيجة):** لتبسيط النتيجة، نعبر عنها بالصيغة العلمية: $$q \approx 2.18 \times 10^4 \text{ kJ}$$ إذن، عند حرق 0.554 kg من زيت الزيتون، تنطلق تقريباً $2.18 \times 10^4$ كيلوجول من الحرارة.

سؤال 92: 92. افترض أنه عند حرق 12.2 g من زيت الصويا استعملت الطاقة الناتجة جميعها في تسخين 1.600 kg من الماء الذي درجة حرارته الأولية 20.0°C، فما درجة الحرارة النهائية للماء؟

الإجابة: س 92: $q = 12.2\text{ g} \times 40.81\frac{\text{kJ}}{\text{g}} = 4.98 \times 10^2\text{ kJ} = 4.98 \times 10^5\text{ J}$ $\Delta T = \frac{q}{mc} = \frac{4.98 \times 10^5}{(1600\text{ g})(4.184\text{ J/g}^\circ\text{C})} = 74.4^\circ\text{C}$ $T_f = 20.0 + 74.4 = 94.4^\circ\text{C}$ إذن درجة الحرارة النهائية $94.4^\circ\text{C} \approx$.

خطوات الحل:

1. **الخطوة 1 (المعطيات):** لنحدد ما لدينا: - كتلة زيت الصويا المحروق: 12.2 g - الطاقة النوعية لزيت الصويا: 40.81 kJ/g (قيمة معطاة) - كتلة الماء: 1.600 kg = 1600 g - درجة الحرارة الأولية للماء: 20.0°C - السعة الحرارية النوعية للماء: 4.184 J/g°C (قيمة ثابتة معروفة) **الخطوة 2 (حساب الحرارة المنطلقة من الزيت):** نحسب الطاقة (الحرارة) المنطلقة من احتراق زيت الصويا باستخدام القانون: $$q = m_{\text{زيت}} \times \text{الطاقة النوعية}$$ بالتعويض: $$q = 12.2 \text{ g} \times 40.81 \frac{\text{kJ}}{\text{g}} = 497.882 \text{ kJ}$$ لأن السعة الحرارية للماء معطاة بالجول، نحول الحرارة من كيلوجول إلى جول: $$q = 497.882 \times 1000 = 4.97882 \times 10^5 \text{ J}$$ للتقريب، نأخذ $q \approx 4.98 \times 10^5 \text{ J}$. **الخطوة 3 (حساب التغير في درجة حرارة الماء):** نستخدم قانون حساب الحرارة: $$q = m_{\text{ماء}} \times c \times \Delta T$$ حيث: - $q$: الحرارة المنطلقة (بالجول) - $m_{\text{ماء}}$: كتلة الماء (بالجرام) - $c$: السعة الحرارية النوعية للماء (4.184 J/g°C) - $\Delta T$: التغير في درجة الحرارة (°C) نعيد ترتيب القانون لإيجاد $\Delta T$: $$\Delta T = \frac{q}{m_{\text{ماء}} \times c}$$ بالتعويض: $$\Delta T = \frac{4.98 \times 10^5 \text{ J}}{1600 \text{ g} \times 4.184 \text{ J/g°C}}$$ نحسب المقام أولاً: $$1600 \times 4.184 = 6694.4$$ ثم نقسم: $$\Delta T = \frac{4.98 \times 10^5}{6694.4} \approx 74.4°C$$ **الخطوة 4 (حساب درجة الحرارة النهائية):** درجة الحرارة النهائية تساوي درجة الحرارة الأولية زائد التغير: $$T_f = T_i + \Delta T = 20.0°C + 74.4°C = 94.4°C$$ **الخطوة 5 (النتيجة):** إذن، درجة الحرارة النهائية للماء تقريباً $94.4°C$.

ما مقدار الحرارة المنطلقة (بالكيلوجول) عند حرق 0.554 kg من زيت الزيتون، علماً أن حرارة احتراقه النوعية هي 39.31 kJ/g؟

• أ) 1.09 × 10⁴ kJ
• ب) 2.18 × 10⁴ kJ
• ج) 4.36 × 10⁴ kJ
• د) 2.18 × 10³ kJ

الإجابة الصحيحة: b

الإجابة: 2.18 × 10⁴ kJ

الشرح: ١. تحويل الكتلة: 0.554 kg = 554 g. ٢. القانون: q = m × ΔHcomb. ٣. التعويض: q = 554 g × 39.31 kJ/g. ٤. الحساب: 554 × 39.31 = 21777.74 kJ. ٥. التبسيط بالصيغة العلمية: q ≈ 2.18 × 10⁴ kJ.

تلميح: استخدم القانون: الحرارة المنطلقة (q) = الكتلة (m) × الحرارة النوعية للاحتراق (ΔHcomb). تذكر تحويل الكتلة إلى جرام.

التصنيف: مسألة تدريبية | المستوى: متوسط

ما القانون المستخدم لحساب كمية الحرارة (q) المنطلقة أو الممتصة عند تغير درجة حرارة مادة ما؟

• أ) q = m × ΔHcomb
• ب) q = c × ΔT
• ج) q = m × c × ΔT
• د) q = ΔHcomb / m

الإجابة الصحيحة: c

الإجابة: q = m × c × ΔT

الشرح: القانون هو: الحرارة (q) = الكتلة (m) × السعة الحرارية النوعية (c) × التغير في درجة الحرارة (ΔT). - m: الكتلة بالجرام. - c: السعة الحرارية النوعية (J/g°C). - ΔT: التغير في درجة الحرارة (°C) = T_النهائية - T_الابتدائية.

تلميح: يربط هذا القانون بين الحرارة وكتلة المادة وقدرتها على امتصاص الحرارة والتغير في درجة حرارتها.

التصنيف: صيغة/خطوات | المستوى: متوسط

ما مقدار الحرارة التي قد تنطلق عند حرق 0.554 kg من زيت الزيتون؟ (علماً أن حرارة احتراق زيت الزيتون تساوي 39.31 kJ/g)

• أ) 2.18 × 10^4 kJ
• ب) 2.18 × 10^1 kJ
• ج) 2.30 × 10^4 kJ
• د) 1.41 × 10^1 kJ

الإجابة الصحيحة: a

الإجابة: 2.18 × 10^4 kJ

الشرح: ١. تحويل الكتلة إلى جرام: 0.554 kg × 1000 = 554 g. ٢. تطبيق قانون الحرارة المنطلقة: q = الكتلة (g) × حرارة الاحتراق (kJ/g). ٣. الحساب: q = 554 × 39.31 = 21777.74 kJ. ٤. كتابة الناتج بالصيغة العلمية: 21777.74 ≈ 2.18 × 10^4 kJ.

تلميح: يجب تحويل الكتلة من الكيلوجرام إلى الجرام أولاً، ثم استخدام قانون الحرارة المنطلقة (q = m × حرارة الاحتراق).

التصنيف: مسألة تدريبية | المستوى: متوسط