الطاقة في كيمياء A Level: المحتوى الحراري وقانون هس ودورة بورن هابر والإنتروبيا

موقع الطاقة في كل منهج

يسمح إدكسل IAL باستخدام ΔG = ΔH - TΔSsystem، لكن المنهج مبني على ΔStotal.

الأفكار الأساسية

تغير المحتوى الحراري ΔH هو تغير الحرارة عند ضغط ثابت؛ سالب للتفاعلات الطاردة وموجب للماصة. والظروف القياسية 100 kPa ودرجة حرارة محددة عادة 298 K. احفظ التعريفات حرفيًا، فمثلًا المحتوى الحراري القياسي للتكوين هو تغير المحتوى الحراري عند تكوين مول واحد من مركب من عناصره في حالاتها القياسية وتحت الظروف القياسية.

قانون هس: التغير الكلي في المحتوى الحراري لا يعتمد على المسار. ببيانات التكوين: ΔrH = مجموع ΔfH للنواتج - مجموع ΔfH للمتفاعلات، وببيانات الاحتراق: المتفاعلات ناقص النواتج. وبطاقات الروابط: طاقة كسر روابط المتفاعلات ناقص الطاقة المنطلقة من تكوين روابط النواتج، والمتوسطات تجعل الناتج أقل دقة.

طاقة الشبكة هي تغير المحتوى الحراري عند تكوين مول من مركب أيوني صلب من أيوناته الغازية، وتكون أكثر طردًا للأيونات الأصغر والأعلى شحنة. ودورة بورن هابر تربطها بمحتوى التكوين عبر التذرية وطاقات التأين والألفة الإلكترونية. والإنتروبيا S مقياس لتشتت الطاقة والجسيمات، ويكون التفاعل ممكنًا عندما تكون ΔG سالبة (كامبريدج) أو ΔStotal موجبة (إدكسل).

مثال محلول ١: المحتوى الحراري لاحتراق الميثان من بيانات التكوين

1. المعادلة: CH4(g) + 2O2(g) → CO2(g) + 2H2O(l).
2. البيانات (kJ mol^-1): CH4 ‏-74.8، وCO2 ‏-393.5، وH2O(l) ‏-285.8، وO2 صفر لأنه عنصر.
3. ΔH = [-393.5 + 2(-285.8)] - [-74.8] = -965.1 + 74.8.
4. الجواب: ΔcH = -890.3 kJ mol^-1.

مثال محلول ٢: محتوى التعادل من تجربة مسعرية

1. خُلط 50.0 cm^3 من HCl تركيزه 1.00 mol dm^-3 مع 50.0 cm^3 من NaOH بالتركيز نفسه، فارتفعت الحرارة 6.8 °C.
2. كتلة المحلول ≈ 100 g وc = 4.18 J g^-1 K^-1.
3. q = 100 × 4.18 × 6.8 = 2842 J.
4. مولات الماء المتكون = 0.0500 mol.
5. ΔH = -2842 ÷ 0.0500 = -56.8 kJ mol^-1، والإشارة سالبة لأن الحرارة ارتفعت.

مثال محلول ٣ (A Level): طاقة شبكة كلوريد الصوديوم بدورة بورن هابر

1. البيانات (kJ mol^-1): ΔfH(NaCl) = -411، وتذرية Na ‏+107، وطاقة التأين الأولى لـ Na ‏+496، وتذرية الكلور ‏+122، والألفة الإلكترونية لـ Cl ‏-349.
2. المسار المباشر -411، والمسار غير المباشر 107 + 496 + 122 - 349 + LE.
3. بقانون هس: -411 = 376 + LE.
4. الجواب: طاقة الشبكة = -787 kJ mol^-1.

أخطاء شائعة تُفقد الدرجات

• استخدام كتلة المتفاعل بدل كتلة المحلول في q = mcΔT.
• نسيان الإشارة السالبة للتفاعل الطارد أو عدم التحويل من J إلى kJ.
• عكس الترتيب في دورات هس: بيانات التكوين نواتج ناقص متفاعلات، وبيانات الاحتراق العكس.
• نسيان الضرب في عدد المولات في المعادلة الموزونة.
• استخدام عدد خاطئ من طاقات التأين في دورة بورن هابر، مثل الأولى فقط لـ Mg2+.
• خلط الوحدات في ΔG = ΔH - TΔS: اقسم ΔS على 1000 قبل جمعها مع kJ.

أسلوب الإجابة في الامتحان ودور المدرس

ارسم الدورة في كل مرة مع أسهم واضحة الاتجاه، واكتب معادلة هس التي تتبع الأسهم قبل التعويض. واذكر افتراضات المسعرية: كل الحرارة تذهب إلى المحلول، وكثافته وسعته الحرارية مثل الماء، ولا فقد للحرارة. وأسئلة التقويم تسأل غالبًا لماذا القيمة التجريبية أقل طردًا من قيمة الجداول، والسبب الرئيسي فقد الحرارة.

في الحصة الفردية يدرّب المدرس الطالب على التعريفات حتى تصبح دقيقة، ثم يحل معه دورات متدرجة الصعوبة على السبورة المشتركة ويتحقق من اتجاه كل سهم قبل الحساب، فيتحسن معظم الطلاب بسرعة عندما يرسمون الدورة دائمًا.

اختبر نفسك

• عرّف المحتوى الحراري القياسي للاحتراق.
• لماذا ΔfH للأكسجين صفر؟ (الجواب: عنصر في حالته القياسية)
• احسب q عندما ترتفع حرارة 25.0 g من الماء 12.0 °C. (الجواب: 1254 J)
• لماذا طاقة شبكة MgO أكثر طردًا من NaCl؟ (الجواب: أيونات أصغر وأعلى شحنة فالتجاذب أقوى)
• لتفاعل CaCO3 → CaO + CO2 ‏ΔH = +178 kJ mol^-1 وΔS = +161 J K^-1 mol^-1. فوق أي درجة حرارة يصبح ممكنًا؟ (الجواب: نحو 1106 K)