في جميع التفاعلات الكيميائية ، يمكن استقبال الحرارة من المناطق المحيطة أو إطلاقها في المناطق المحيطة. يُعرف تبادل الحرارة بين تفاعل كيميائي وبيئته باسم المحتوى الحراري للتفاعل ، أو H. ومع ذلك ، لا يمكن قياس H مباشرة - بدلاً من ذلك ، يستخدم العلماء التغيير في درجة حرارة التفاعل بمرور الوقت للعثور على التغيير في المحتوى الحراري بمرور الوقت (مكتوب كـ ح). مع H ، يمكن للعالم تحديد ما إذا كان التفاعل ينتج حرارة (أو "طارد للحرارة") أو يتلقى حرارة (أو "ماص للحرارة"). بشكل عام، H = m x s x T ، حيث m هي كتلة المواد المتفاعلة ، و s هي الحرارة النوعية للنواتج ، و T هي التغير في درجة الحرارة في التفاعل.
خطوة
طريقة 1 من 3: حل مشاكل المحتوى الحراري
الخطوة 1. حدّد تفاعل المنتجات والمواد المتفاعلة
يتضمن أي تفاعل كيميائي فئتين كيميائيتين - المنتجات والمواد المتفاعلة. المنتجات عبارة عن مواد كيميائية تنتج عن التفاعلات ، بينما المواد المتفاعلة هي مواد كيميائية تتحد أو تنقسم لإنتاج منتجات. بمعنى آخر ، المواد المتفاعلة للتفاعل تشبه مكونات وصفة الطعام ، بينما المنتجات هي الطعام النهائي. للعثور على H في التفاعل ، أولاً ، حدد المنتجات والمواد المتفاعلة.
على سبيل المثال ، لنفترض أننا سنجد المحتوى الحراري للتفاعل لتكوين الماء من الهيدروجين والأكسجين: 2H2 (هيدروجين) + O2 (أكسجين) → 2H2يا (ماء). في هذه المعادلة ، ح2 و ا2 هو المتفاعل و ح2ا منتج.
الخطوة 2. تحديد الكتلة الكلية للمواد المتفاعلة
بعد ذلك ، أوجد كتلة المواد المتفاعلة. إذا كنت لا تعرف كتلته ولا يمكنك وزنه على مقياس علمي ، يمكنك استخدام كتلته المولية لإيجاد كتلته الفعلية. الكتلة المولية هي ثابت يمكن العثور عليه في الجدول الدوري العادي (للعناصر الفردية) والمصادر الكيميائية الأخرى (للجزيئات والمركبات). فقط اضرب الكتلة المولية لكل مادة متفاعلة في عدد المولات لإيجاد كتلة المواد المتفاعلة.
-
في مثال الماء ، المواد المتفاعلة لدينا هي غازات الهيدروجين والأكسجين ، والتي لها كتل مولية تبلغ 2 جم و 32 جم. نظرًا لأننا نستخدم 2 مول من الهيدروجين (إذا حكمنا من خلال معامل 2 في H2) و 1 مول من الأكسجين (بالحكم على عدم وجود معاملات في O2) ، يمكننا حساب الكتلة الكلية للمواد المتفاعلة على النحو التالي:
2 × (2 جم) + 1 × (32 جم) = 4 جم + 32 جم = 36 جرام
الخطوة الثالثة. ابحث عن الحرارة المحددة لمنتجك
بعد ذلك ، ابحث عن الحرارة المحددة للمنتج الذي تقوم بتحليله. كل عنصر أو جزيء له حرارة محددة: هذه القيمة ثابتة وعادة ما توجد في موارد تعلم الكيمياء (على سبيل المثال ، في الجدول الموجود في الجزء الخلفي من كتاب الكيمياء). توجد طرق مختلفة لحساب الحرارة النوعية ، لكن بالنسبة للصيغة التي نستخدمها ، نستخدم الوحدة جول / جرام درجة مئوية.
- لاحظ أنه إذا كانت معادلتك تحتوي على العديد من المنتجات ، فستحتاج إلى حساب المحتوى الحراري لتفاعلات العناصر المستخدمة لإنتاج كل منتج ، ثم قم بإضافتها للعثور على المحتوى الحراري الكلي للتفاعل.
- في مثالنا ، المنتج النهائي هو الماء ، الذي له حرارة معينة تقريبًا. 4.2 جول / جرام.
الخطوة 4. أوجد الفرق في درجة الحرارة بعد حدوث التفاعل
بعد ذلك ، سنجد T ، التغير في درجة الحرارة قبل التفاعل وبعده. اطرح درجة الحرارة الأولية للتفاعل (أو T1) من درجة الحرارة النهائية بعد التفاعل (أو T2) لحسابها. كما هو الحال في معظم الأعمال الكيميائية ، يتم استخدام درجة حرارة كلفن (على الرغم من أن الدرجة المئوية (C) ستعطي نفس النتيجة).
-
على سبيل المثال ، لنفترض أن درجة الحرارة الأولية للتفاعل هي 185 كلفن لكنها تبرد إلى 95 كلفن عند اكتمال التفاعل. في هذه المشكلة ، يتم حساب T على النحو التالي:
T = T2 - T1 = 95K - 185K = - 90 ألف
الخطوة 5. استخدم الصيغة H = m x s x T لحلها
إذا كان لديك m ، كتلة المواد المتفاعلة ، s ، الحرارة النوعية للنواتج ، و T ، التغير في درجة حرارة التفاعل ، فأنت على استعداد لإيجاد المحتوى الحراري للتفاعل. عوّض بالقيم في الصيغة H = m x s x T واضرب لحلها. إجابتك مكتوبة بوحدات الطاقة ، وهي الجول (J).
-
بالنسبة لمشكلتنا كمثال ، المحتوى الحراري للتفاعل هو:
H = (36 جم) × (4.2 JK-1 جم -1) × (-90 كلفن) = - 13608 جول
الخطوة 6. حدد ما إذا كان رد فعلك يتلقى طاقة أو يفقدها
أحد الأسباب الأكثر شيوعًا لحساب H للتفاعلات المختلفة هو تحديد ما إذا كان التفاعل طاردًا للحرارة (يفقد الطاقة ويطلق الحرارة) أو ماصًا للحرارة (يكتسب طاقة ويمتص الحرارة). إذا كانت علامة إجابتك النهائية لـ H موجبة ، فهذا يعني أن التفاعل ماص للحرارة. وفي الوقت نفسه ، إذا كانت العلامة سلبية ، يكون رد الفعل طاردًا للحرارة. كلما زاد العدد ، زاد التفاعل الخارجي أو الماص للحرارة. كن حذرًا مع التفاعلات القوية الطاردة للحرارة - فهي تطلق أحيانًا كميات كبيرة من الطاقة ، والتي ، إذا تم إطلاقها بسرعة كبيرة ، يمكن أن تسبب انفجارًا.
الإجابة النهائية في مثالنا هي -13608J. نظرًا لأن الإشارة سلبية ، فنحن نعلم أن رد فعلنا هو طارد للحرارة. هذا منطقي - H.2 و O2 هو غاز ، بينما H2O المنتج عبارة عن سائل. يجب أن يطلق الغاز الساخن (على شكل بخار) الطاقة إلى البيئة على شكل حرارة ، لتبريدها لتكوين سائل ، أي التفاعل لتكوين H2O هو طارد للحرارة.
طريقة 2 من 3: تقدير حجم المحتوى الحراري
الخطوة 1. استخدم طاقات الرابطة لتقدير المحتوى الحراري
تتضمن جميع التفاعلات الكيميائية تقريبًا تكوين أو كسر الروابط بين الذرات. نظرًا لأنه في التفاعلات الكيميائية ، لا يمكن تدمير الطاقة أو تكوينها ، إذا عرفنا مقدار الطاقة المطلوبة لتشكيل أو كسر الروابط في تفاعل ما ، فيمكننا تقدير التغير في المحتوى الحراري للتفاعل الكلي بدرجة عالية من الدقة عن طريق إضافة هذه الرابطة الطاقات.
-
على سبيل المثال ، استخدم التفاعل H2 + ف2 → 2HF. في هذه المعادلة ، الطاقة المطلوبة لتحطيم ذرات H في جزيء H. هي2 هي 436 kJ / mol ، بينما الطاقة المطلوبة لـ F2 هو 158 كيلو جول / مول. أخيرًا ، الطاقة المطلوبة لتكوين HF من H و F = -568 kJ / mol. نضرب في 2 لأن حاصل الضرب في المعادلة هو 2 HF ، أي 2 × -568 = -1136 كيلو جول / مول. بجمعهم جميعًا معًا ، نحصل على:
436 + 158 + -1136 = - 542 كيلو جول / مول.
الخطوة 2. استخدم المحتوى الحراري للتكوين لتقدير المحتوى الحراري
المحتوى الحراري للتكوين هو مجموعة من القيم H التي تمثل التغير في المحتوى الحراري لتفاعل لإنتاج مادة كيميائية. إذا كنت تعرف المحتوى الحراري للتكوين المطلوب لإنتاج المنتجات والمواد المتفاعلة في المعادلة ، فيمكنك جمعها لتقدير المحتوى الحراري مثل طاقات الرابطة الموصوفة أعلاه.
-
على سبيل المثال ، استخدمت المعادلة C2ح5أوه + 3O2 → 2CO2 + 3 ح2O. في هذه المعادلة ، نعلم أن المحتوى الحراري للتكوين للتفاعل التالي هو:
ج2ح5أوه → 2 ج + 3 ح2 + 0.5O2 = 228 كيلو جول / مول
2 ج + 2 س2 → 2CO2 = -394 × 2 = -788 كيلوجول / مول
3 ح2 +1.5 س2 → 3 ح2O = -286 × 3 = -858 كيلوجول / مول
حيث يمكننا جمع هذه المعادلات للحصول على C2ح5أوه + 3O2 → 2CO2 + 3 ح2O ، من التفاعل الذي نحاول إيجاد المحتوى الحراري فيه ، نحتاج فقط إلى إضافة المحتوى الحراري لتفاعل التكوين أعلاه للعثور على المحتوى الحراري لهذا التفاعل ، على النحو التالي:
228 + -788 + -858 = - 1418 كج / مول.
الخطوة 3. لا تنس تغيير العلامة عند عكس المعادلة
من المهم ملاحظة أنه عند استخدام المحتوى الحراري للتكوين لحساب المحتوى الحراري للتفاعل ، يجب عليك تغيير علامة المحتوى الحراري للتكوين كلما قمت بعكس معادلة تفاعل العناصر. بعبارة أخرى ، إذا قلبت واحدة أو أكثر من معادلاتك لتشكيل تفاعل بحيث تلغي المنتجات والمواد المتفاعلة بعضها البعض ، فغيّر علامة المحتوى الحراري لتفاعل التكوين الذي تبادله.
في المثال أعلاه ، لاحظ أن تفاعل التكوين الذي استخدمناه لـ C2ح5يا رأسا على عقب. ج2ح5أوه → 2 ج + 3 ح2 + 0.5O2 تظهر ج2ح5OH ينقسم ، لا يتشكل. نظرًا لأننا عكسنا هذه المعادلة بحيث تلغي المنتجات والمواد المتفاعلة بعضها البعض ، قمنا بتغيير علامة المحتوى الحراري للتكوين لنحصل على 228 كيلو جول / مول. في الواقع ، المحتوى الحراري لتكوين C2ح5OH هي -228 كيلوجول / مول.
طريقة 3 من 3: مراقبة التغير في المحتوى الحراري في التجارب
الخطوة 1. خذ وعاءً نظيفًا واملأه بالماء
من السهل رؤية مبدأ المحتوى الحراري بتجربة بسيطة. لضمان عدم تلوث رد فعلك التجريبي بالمواد الخارجية ، نظف وعقم الحاويات التي تنوي استخدامها. يستخدم العلماء حاويات خاصة محكمة الغلق تسمى المسعرات لقياس المحتوى الحراري ، ولكن يمكنك الحصول على نتائج جيدة باستخدام أي زجاج أو أنبوب اختبار صغير. مهما كانت الحاوية التي تستخدمها ، املأها بماء نظيف بدرجة حرارة الغرفة. يجب عليك أيضًا تجربة غرفة ذات درجة حرارة باردة.
لهذه التجربة ، ستحتاج إلى حاوية صغيرة إلى حد ما. سوف نفحص تأثير تغير المحتوى الحراري في Alka-Seltzer على الماء ، لذا فكلما قل استخدام الماء ، كلما كان التغير في درجة الحرارة أكثر وضوحًا
الخطوة الثانية. أدخل الترمومتر في الحاوية
خذ مقياس حرارة وضعه في الحاوية بحيث يكون طرفه تحت الماء. اقرأ درجة حرارة الماء - لأغراضنا ، يتم الإشارة إلى درجة حرارة الماء بواسطة T1 ، درجة الحرارة الأولية للتفاعل.
لنفترض أننا نقيس درجة حرارة الماء وكانت النتيجة 10 درجات مئوية. في بضع خطوات ، سنستخدم قراءات درجة الحرارة هذه لإثبات مبدأ المحتوى الحراري
الخطوة 3. أضف ألكا-سيلتزر واحد إلى الحاوية
عندما تكون جاهزًا لبدء التجربة ، أسقط Alka-Seltzer في الماء. ستلاحظ على الفور أن الحبوب تغلي وتهسهس. عندما تذوب الحبيبات في الماء ، فإنها تتحلل إلى مادة البيكربونات الكيميائية (HCO.).3-) وحمض الستريك (الذي يتفاعل في شكل أيونات الهيدروجين ، H+). تتفاعل هذه المواد الكيميائية لتكوين الماء وغاز ثاني أكسيد الكربون في المعادلة 3HCO3− + 3 ح+ → 3 ح2O + 3CO2.
الخطوة 4. قم بقياس درجة الحرارة عند اكتمال التفاعل
راقب بينما يستمر التفاعل - ستذوب حبيبات Alka-Seltzer ببطء. بمجرد انتهاء تفاعل الحبوب (أو تباطؤه) ، قم بقياس درجة الحرارة مرة أخرى. يجب أن يكون الماء أكثر برودة من ذي قبل. إذا كان الجو أكثر دفئًا ، فقد تتأثر التجربة بالقوى الخارجية (على سبيل المثال ، إذا كانت الغرفة التي تتواجد فيها دافئة).
في مثالنا التجريبي ، لنفترض أن درجة حرارة الماء 8 درجات مئوية بعد توقف الحبوب عن الفوران
الخطوة 5. تقدير المحتوى الحراري للتفاعل
في تجربة مثالية ، عندما تسقط حبة Alka-Seltzer في الماء ، فإنها تشكل الماء وغاز ثاني أكسيد الكربون (يمكن ملاحظة الغاز على شكل فقاعة صفير) ويؤدي إلى انخفاض درجة حرارة الماء. من هذه المعلومات ، نعتقد أن التفاعل ماص للحرارة - أي أنه يمتص الطاقة من البيئة المحيطة. تتطلب المواد المتفاعلة السائلة المذابة طاقة إضافية لإنتاج منتج غازي ، لذا فهي تمتص الطاقة على شكل حرارة من البيئة المحيطة (في هذه التجربة ، الماء). يؤدي هذا إلى انخفاض درجة حرارة الماء.
