المحتوي الحراري - علوم متكاملة - أولي ثانوي - الترم الثاني

هل توجد علاقة بين التفاعلات الكيميائية وبقاء الطاقة؟

نعم، هناك علاقة وثيقة بين التفاعلات الكيميائية والطاقة، حيث تتضمن التفاعلات الكيميائية عمليات امتصاص أو إطلاق للطاقة، والتي ترتبط بتكوين أو كسر الروابط الكيميائية بين الجزيئات.

التعبير عن التفاعل الكيميائي

يمكن تمثيل التفاعل الكيميائي بمعادلة كيميائية على النحو التالي:

$\text{مواد متفاعلة} \rightarrow \text{مواد ناتجة}$

مثال: تفاعل الهيدروجين مع الأكسجين لتكوين الماء: $2H_2 + O_2 \rightarrow 2H_2O$

وحدة قياس المواد في التفاعل الكيميائي

في التفاعلات الكيميائية، يتم قياس كميات المواد المتفاعلة أو الناتجة باستخدام وحدة المول (Mole)، والتي تعبر عن كمية من المادة تحتوي على عدد أفوجادرو ($6.022 \times 10^{23}$ جسيمًا).

مثال:

• كتلة المول من الماء $H_2O$ تساوي $18g$ (لأن الكتلة الذرية: $H=1$, $O=16$, لذا $2 \times 1 + 16 = 18g$).
• كتلة المول من ثاني أكسيد الكربون $CO_2$ تساوي $44g$.

المحتوى الحراري (H) والتغير في الطاقة

المحتوى الحراري ($H$) للمادة هو كمية الطاقة الكيميائية المختزنة داخل مول واحد منها، وهي مخزنة في:

• الذرات والجزيئات.
• الروابط الكيميائية.
• قوى الجذب بين الجزيئات.

يختلف المحتوى الحراري للمادة حسب:

• نوع الذرات المكونة لها.
• عدد الذرات.
• أنواع الروابط بين الذرات.

التغير في المحتوى الحراري (ΔH)

التغير في المحتوى الحراري هو الفرق بين مجموع المحتوى الحراري للمواد الناتجة ومجموع المحتوى الحراري للمواد المتفاعلة: $\Delta H = H_\text{النواتج} - H_\text{المتفاعلات}$

أنواع التفاعلات الكيميائية حسب التغير في الطاقة

1- التفاعلات الطاردة للحرارة

هي التفاعلات التي تطلق طاقة حرارية إلى الوسط المحيط، مما يؤدي إلى ارتفاع درجة حرارته. يحدث ذلك عندما يكون مجموع المحتوى الحراري للمتفاعلات أعلى من مجموع المحتوى الحراري للنواتج، مما يجعل ΔH سالبة.

مثال: تفاعل تكوين الماء: $2H_2 + O_2 \rightarrow 2H_2O + \text{طاقة}$

2- التفاعلات الماصة للحرارة

هي التفاعلات التي تمتص طاقة حرارية من الوسط المحيط، مما يؤدي إلى انخفاض درجة حرارته. يحدث ذلك عندما يكون مجموع المحتوى الحراري للمتفاعلات أقل من مجموع المحتوى الحراري للنواتج، مما يجعل ΔH موجبة.

مثال: تفاعل تحلل كربونات المغنيسيوم: $MgCO_3 \rightarrow MgO + CO_2 - \text{طاقة}$

لماذا يكون التفاعل الكيميائي مصحوبًا بتغير حراري؟

يحدث التغير الحراري في التفاعل الكيميائي لأن:

1. كسر الروابط في المواد المتفاعلة يتطلب امتصاص طاقة من الوسط المحيط.
2. تكوين روابط جديدة في المواد الناتجة يؤدي إلى انطلاق طاقة إلى الوسط المحيط.

• إذا كانت الطاقة المنطلقة أكبر من الطاقة الممتصة → التفاعل طارد للحرارة (ΔH سالب).
• إذا كانت الطاقة الممتصة أكبر من الطاقة المنطلقة → التفاعل ماص للحرارة (ΔH موجب).

حساب التغير الحراري باستخدام طاقة الروابط

طاقة الرابطة: هي الطاقة اللازمة لكسر أو تكوين مول واحد من الروابط الكيميائية.

المعادلة: $\Delta H = \sum \text{طاقة الروابط المكسورة} - \sum \text{طاقة الروابط المتكونة}$

مثال تطبيقي: احسب التغير الحراري للتفاعل التالي، وحدد ما إذا كان طاردًا أم ماصًا للحرارة: $CH_4 + 2O_2 \rightarrow CO_2 + 2H_2O$

(باستخدام قيم طاقة الروابط من الجداول الكيميائية)

تحليل الديناميكا الحرارية وكفاءة الطاقة

البحث والاستقصاء

تأثير الديناميكا الحرارية على كفاءة الطاقة وتأثير الملوثات البيئية:

• عند تحليل التفاعلات الكيميائية، يمكننا دراسة تأثيرها على البيئة ومدى كفاءتها في تحويل الطاقة.
• مثال: دراسة تأثير احتراق الوقود الأحفوري على البيئة من حيث كفاءة إنتاج الطاقة وانبعاثات الغازات الضارة.