الكيمياء الحرارية

الكيمياء الحرارية في الديناميكا الحرارية وفي الكيمياء الطبيعية هي دراسة تولد الحرارة أو امتصاصها في التفاعلات الكيميائية.
وتهتم عامة بتبادل الحرارة المرافق للتحولات، مثل الاختلاط وتحول الحالة والتفاعلات الكيميائية وما إلى ذلك وتشمل حسابات هذه الكميات من حيث سعة الحرارة وحرارة الاحتراق وحرارة التشكيل.
تعتمد قوانين الكيمياء الحرارية على قانونين:

1- قانون لافوازييه ولابلاس (1782): تبادل الحرارة المصاحب للتحول يساوي عكس تبادل الحرارة المصاحب للتحول في الجهة المعاكسة.

-2قانون هيس (1840): تبادل الحرارة المصاحب للتحول هو نفسه إذا ما حدث في عملية واحدة أو في عدة خطوات

سبق كلا القانونين أول قانون للديناميكا

الحرارية (1850) لكنهما نتيجة مباشرة له.

تمهيد :

تترافق التغيرات الكيميائية والفيزيائية التي تحدث في بيئة الفرد منا وفي الكون عموماً بتغيرات في الطاقة ، والأمثلة على ذلك كثيرة ، نأكل للحصول على الطاقة ، نحرق الوقود الأحفوري لتوليد الكهرباء ، ولتسيير المصانع ووسائل المواصلات وتدفئة المنازل . لتبريد كأس من الماء نضع مكعبات الثلج فيه ، ولتفكيك الماء إلى هيدروجين وأوكسجين نستخدم الطاقة الكهربائية .
يصاحب التفاعلات الكيميائية انتقال الطاقة الحرارية والحركة (الشغل ) ومن هنا جاءت التسمية من مقطعين (thermo) (حراري)) dynamicsحركة) .

عند تكوين الماء من عنصريه ينتج طاقة حرارية وشغل , ولا شك أننا نتذكر من الفيزياء أن الشغل مفهوم علمي ينتج عندما تؤثر القوة على جسم وتحركه مسافة ما .

بدأت دراسة الكيمياء الحرارية بشكل عملي تجريبي ومنظم في القرن الثامن عشر الميلادي في أثناء الثورة الصناعية من أجل زيادة كفاءة وفعالية الآلة البخارية التي يؤرخ بها لهذه الثورة .
ونتيجة لهذه الدراسات عرفت ووضعت قوانين علمية وعلاقات رياضية مبنية على التجارب والظواهر البيئية ، وطبقت على الآلات والأدوات الصناعية وأسهمت في كل مجالات التقدم العلمي والصناعي .
فلا غرو أن فرع الديناميكا الحرارية هو من الفروع الهامة ليس فقط في علم الكيمياء بل بكافة فروع العلوم الطبيعية
والعلوم الهندسية .

الكيمياء الحرارية هى دراسة التغيرات الحرارية التى تصاحب التفاعلات الكيميائية
وتختزن الطاقة الكيميائية فى المادة فى صورة:
الذرة المفردة.
الجزئ.
بين الجزيئات.

أولاً: الطاقة الكيميائية فى الذرة

تدور الإلكترونات حول النواة فى عدد من الأغلفة الإلكترونية ويكون للإلكترون فى أى من مستويات الطاقة نوعين من الطاقة هما:
1- طاقة وضع:- هى طاقة ارتباط الإلكترون بالنواة نتيجة جذب النواة له.
+ تزداد طاقة الوضع كلما بعد الإلكترون عن النواة وتقل كلما أقترب من النواة.
2- طاقة حركة: طاقة تنشأ نتيجة دوران الإلكترون حول النواة.
طاقة الإلكترون فى المستوى (طاقة المستوى):
هى مجموع طاقتى الوضع والحركة للإلكترون.
طاقة المستوى = طاقة حركة الإلكترون + طاقة وضع الإلكترون

ملاحظات:
كل مستوى طاقة يختلف عن غيره فى الطاقة.
تزداد طاقة المستوى كلما بعد عن النواة.
الطاقة الكيميائية فى الذرة هى طاقة الإلكترونات فى مستويات الطاقة.

ثانياً: الطاقة الكيميائية فى الجزيئات

الجزئ

عبارة عن ذرتين أو أكثر لعنصر واحد أو لعدة عناصر مرتبطة معاً بروابط كيميائية.
الطاقة الكيميائية فى الجزئ تتواجد فى الروابط الكيميائية بين الذرات
ثالثاً: طاقة الربط بين الجزيئات

توجد المادة فى ثلاث حالات هى: (الصلبة – السائلة – الغازية)
الحالة الصلبة: فيها تكون قوى الجذب بين الجزيئات أكبر ما يمكن مما يعطى الجسم الصلب حالة الجمود والشكل الثابت.
الحالة السائلة: فيها تكون قوى التجاذب بين الجزيئات ضعيفة ولها حرية حركة أكبر ولذلك يأخذ السائل شكل الإناء الذى يوضع فيه.
الحالة الغازية: فيها تكون قوى الجذب بين الجزيئات شبه منعدمة لذا تتحرك فى جميع الاتجاهات وتنتشر فى أى حجم متاح.
قوى جذب فاندر فالز:هى قوى الجذب بين جزيئات المادة
وهى عبارة عن طاقة وضع ولذا فهى تعتمد على المسافة بين الجزيئات وكتلة الجزيئات
المحتوى الحرارى للمادة (h):
مجموع الطاقات المختزنة فى مول واحد من المادة
· يختلف المحتوى الحرارى للمركبات المختلفة بسبب اختلاف جزيئات المواد فى نوع الذرات أو عددها أو أنواع الروابط فيها.
· لا يمكن عملياً قياس المحتوى الحرارى فى مادة معينة.
· يمكن قياس التغير الحادث فى المحتوى الحرارى.
· يفترض أن المحتوى الحرارى للمادة العنصرية يساوى الصفر.
التغير فى المحتوى الحرارى :
يساوى الفرق بين مجموع المحتوى الحرارى للنواتج ومجموع المحتوى الحرارى للمتفاعلات
التغير فى المحتوى الحرارى = المحتوى الحرارى للنواتج – المحتوى الحرارى للمتفاعلات

h = h (للنواتج) – h (للمتفاعلات)

وحدات الطاقة

السعر
الجول

تعريف السعر

كمية الحرارة اللازمة لرفع درجة حرارة واحد جرام من الماء بمقدار1 5م
(من 15 5م إلى 16 5م)

تعريف الجول

الكيلو سعر = 1000سعر (السعر الكبير)

1

4.18

كمية الحرارة اللازمة لرفع درجة حرارة واحد جرام من الماء بمقدار درجة مئوية
الكيلو جول = 1000جول
· الكيلوجول كمية صغيرة جداً من الطاقة.
· الكيلو جول يمكنه فقط تسخين 3سم3 من الماء من درجة الحرارة العادية إلى درجة الغليان.
· الكيلو جول = كمية الحرارة الناتجة من احتراق قطرة واحدة من الكحول الميثيلى.
العلاقة بين الجول والسعر

1 سعر = 4.18 جول
التحويل من جول إلى سعر

الطاقة بالجول

الطاقة بالسعر


4.18


الطاقة بالسعر =
الطاقة بالجول
4.18
التحويل من سعر إلى جول

الطاقة بالجول = الطاقة بالسعر × 4.18
مثال: ما مقدار الشغل المبذول بالجول الذى ينتج كمية من الحرارة مقدارها 4 سعر.

مثال: احسب كمية الحرارة (الطاقة) المتولدة بالسعر عن شغل مبذول مقداره 20.9 جول.

المعادلة الكيميائية الحرارية:
هى معادلة كيميائية متزنة موضح فيها الحالة الفيزيائية والتغيرات الحرارية المصاحبة.
أساسيات كتابة المعادلات الكيميائية الحرارية:
(1) أن تكون موزونة لتحقيق قانون بقاء المادة {المادة لا تفن ولا تستحدث من العدم}
(2) كتابة الحالة الفيزيائية للمتفاعلات والنواتج وذلك أن المحتوى الحرارى للمادة يختلف باختلاف حالتها الفيزيائية.
(3) توضع قيمة التغير فى المحتوى الحرارى فى نهاية المعادلة وتكون وحدة قياسها كيلو جول لكل مول.
عند حساب المحتوى الحرارى للمركبات:
[1] يفترض أن المحتوى الحرارى للمادة العنصرية صفر.
[2] نعين كمية الحرارة المنطلقة أو الممتصة عند تكوين المركب من عناصره.
أولاً: التفاعلات الطاردة للحرارة:
عند تفاعل مول من الكربون مع مول من الأكسجين يتكون مول من ثانى أكسيد الكربون
وتنطلق حرارة مقدارها 383.7 ك جول.
C + O2 CO2 + 383.7 ك جول
طاقة الطرف الأيمن = طاقة الطرف الأيسر (طبقاً لقانون بقاء الطاقة ”الطاقة لا تفن“)
383.7 + س = صفر + صفر
المحتوى الحرارى لثانى أكسيد الكربون (س) = - 383.7 ك جول
وتكتب معادلة التفاعل كما يلى:
C + O2 CO2, = - 383.7 K j
المحتوى الحرارى للنواتج

المحتوى الحرارى للمتفاعلات

الطاقة (كيلو جول)

C + O2

- 383.7

صفر

CO2

مخطط الطاقة لتفاعل طارد للحرارة

ثانياً: التفاعلات الماصة للحرارة:

عند تفاعل مول من الهيدروجين مع مول من اليود يتكون 2 مول من يوديد الهيدروجين مع امتصاص طاقة مقدارها 51.9 كيلو جول.
H2 + I2 2HI + (-51.9 كيلو جول)
طاقة الطرف الأيمن = طاقة الطرف الأيسر
(- 51.9 ) + س = صفر + صفر
س = + 51.9 كيلو جول
وتكتب معادلة التفاعل كالآتى:
H2 + I2 2HI, = + 51.9 K j
المحتوى الحرارى ليوديد الهيدروجين =
51.9
= 25.95 كيلو جول
2
المحتوى الحرارى للمتفاعلات

المحتوى الحرارى للنواتج

الطاقة (كيلو جول)

2 HI

صفر

H2 + I2

51.9


مخطط الطاقة لتفاعل ماص للحرارة
مقارنة بين التفاعل الطارد للحرارة والماص للحرارة
التفاعل الطارد للحرارة
التفاعل الماص للحرارة
يصحبه انطلاق طاقة
يصحبه امتصاص طاقة
المحتوى الحرارى للنواتج أقل من المحتوى الحرارى للمتفاعلات
المحتوى الحرارى للنواتج أكبر من المحتوى الحرارى للمتفاعلات
التغير فى المحتوى الحرارى سالب
H < صفر
التغير فى المحتوى الحرارى موجب
H > صفر
ينتج عنه مركبات طاردة للحرارة وهى ثابتة
ينتج عنه مركبات ماصة للحرارة وهى غير ثابتة
المركبات الناتجة يكون محتواها الحرارى سالب
المركبات الناتجة يكون محتواها الحرارى موجب

التغير فى المحتوى الحرارى والتفاعلات الكيميائية


التفاعل الكيميائى:
عبارة عن كسر الروابط الموجودة بين ذرات جزيئات المواد المتفاعلة وتكوين روابط جديدة بين ذرات جزيئات المواد الناتجة عن التفاعل.
H – H + Cl – Cl 2 H – Cl
تكوين رابطة كسر رابطة
طاقة الرابطة:
هى مقدار الطاقة اللازمة لكسر هذه الرابطة فى مول واحد من المادة.

ملاحظات:

1 تعتبر طاقة الرابطة مقياس لقوة الارتباط بين الذرات.
(يزداد تماسك الجزئ كلما زادت طاقة الرابطة)
2 طاقة كسر الرابطة تساوى طاقة تكوين نفس الرابطة.
3كسر الرابطة تفاعل ماص للطاقة.
{الإشارة موجبة}(للتغلب على قوى الجذب التى تربط الذرات)
4تكوين الرابطة تفاعل طارد للطاقة.
{الإشارة سالبة}
5 فى التفاعل الطارد للحرارة: طاقة تكوين الرابطة أكبر من طاقة كسر الرابطة.
6فى التفاعل الماص للحرارة: طاقة تكوين الرابطة أقل من طاقة كسر الرابطة.

حساب التغير فى المحتوى الحرارى:
1 وزن المعادلة.
2 نحول المعادلة إلى روابط.
3 نعوض بقيمة طاقة الرابطة.
4 التغير فى المحتوى الحرارى يحسب من العلاقة:
= المجموع الجبرى لطاقة كسر روابط المتفاعلات وطاقة تكوين روابط النواتج.

مثال:
احسب التغير فى المحتوى الحرارى عند اتحاد جزئ من الهيدروجين مع جزئ من الكلور لتكوين 2 جزئ من كلوريد الهيدروجين. علماً بأن طاقة الرابطة فى:
(جزئ H2 =435 ك جول ، جزئ Cl2 =240 ك جول ، جزئ HCl =430 ك جول)


الحل:
H2 + Cl2 2HCl
H – H + Cl – Cl 2 (HCl)
2 × 430 240 + 435
-860 + 675
H = المجموع الجبرى لطاقة كسر الروابط وطاقة تكوين الروابط.
= 675 + (-860)
= - 185 ك جول
H2 + Cl2 2HCl, = - 185 K j
المحتوى الحرارى لجزئ كلوريد الهيدروجين =
-185
= -92.5 كيلو جول

2

مثال:
احسب H بالكيلو جول للتفاعل الآتى:
CH4 + Cl2 CH3Cl + HCl
وهل التفاعل طارد للحرارة أم ماص للحرارة مع ذكر السبب.
إذا علمت أن طاقة الرابطة.
58 ك سعر
Cl – Cl
104 ك سعر
CH3 – H
84 ك سعر
CH3 – Cl
103 ك سعر
H – Cl
الحل:
تكوين
H
|
كسر
H
|
+H – Cl
H – C – Cl
+ Cl – Cl
H – C – H
|
H
|
H
طاقة تكوين الرابطة طاقة كسر الرابطة
103 + 84 58 + 104
- 187 + 162
H = 162 + (- 187)
= - 25 ك سعر
الطاقة بالكيلو جول = الطاقة بالكيلو سعر × 4.18 ك جول
= - 25 × 4.18 = - 104.5 ك جول