في هذا الدرس، سوف نتعلَّم كيف نَصِف التفاعلات الطاردة والماصَّة للحرارة، وكيف نفحص انتقالات الطاقة الموجودة.
إن تكوُّن رابطة أحادية بين ذرتي هيدروجين هو أبسط صورة ممكنة للتفاعل الكيميائي:
تحتوي ذرة الهيدروجين عادةً على بروتون واحد ولا تحتوي نواتها على نيوترونات، بينما يوجد إلكترون واحد في السحابة الإلكترونية. عندما تقترب ذرتا الهيدروجين بعضهما من بعض، يرتبط إلكترون إحدى ذرتي الهيدروجين بنواة الذرة الأخرى. وعندما تقتربان بما يكفي، تتكون رابطة تساهمية: حيث تتشارك النواتان الإلكترونين:
الطاقة لا تُستحدث ولا تَفنى؛ ومن ثَمَّ، فإن الذرتين المرتبطتين معًا لهما طاقة كلية تساوي الطاقة الكلية لذرتي الهيدروجين المنفصلتين.
تتحول طاقة الوضع (PE) إلى طاقة حركة (KE) أثناء تكون الرابطة، لكن الكمية الكلية للطاقة تظل ثابتة:
تتحول كل الطاقة الكيميائية الكامنة لذرتي الهيدروجين في البداية إلى طاقة حركة؛ فهما تدوران وتهتزان باعتبارهما جزيئًا واحدًا. عندما يصطدم جزيء الهيدروجين المثار عالي الطاقة هذا بالجسيمات الأخرى، تُفقد بعض من هذه الطاقة ويصبح جزيء الهيدروجين أكثر استقرارًا:
وإجمالًا، تتحول الطاقة الكيميائية الكامنة في المتفاعلات إلى طاقة حركة، تُفقد إلى الوسط المحيط (عادة في صورة طاقة حرارية). وبالحديث عن جزيء الهيدروجين خاصةً، فهو أكثر استقرارًا من ذرتي هيدروجين منفصلتين. إذن، يمكننا القول عمومًا إن تكون الرابطة «يُطلق» طاقة.
العملية العكسية لتكون الرابطة هي تفكك الرابطة، أو ما يعرف بكسر الرابطة. إذا اصطدم جسيم آخر بجزيء الهيدروجين بطاقة كافية، فقد يتكسر جزيء الهيدروجين؛ وأثناء هذه العملية، تتحول الطاقة الحركية إلى طاقة كيميائية كامنة.
ينتج عن تكون الرابطة صورة من الطاقة يمكنها أن تنتقل إلى الجسيمات الأخرى، ولذا فعادة ما نطلق على هذه العملية إطلاق الطاقة. وعلى الجانب الآخر، يتطلب تفكك الرابطة طاقة خارجية، ولذا فعادة ما نطلق على هذه العملية امتصاص الطاقة. وعادةً ما تستخدم كلمتان شائعتان لوصف هاتين العمليتين وهما «طاردة للحرارة» و«ماصة للحرارة».
تحتوي الكلمتان على المقطع حرارة؛ لأن الطاقة التي تنتقل أثناء التفاعلات هي بوجه عام طاقة حرارية، ونسميها عادة حرارة. تتدفق الطاقة من الأجسام الساخنة إلى الأجسام الباردة، ولذا من الطبيعي إلى حد كبير أن نفكر في الطاقة التي تدخل نظامًا أو تتركه على أنها طاقة حرارية.
طاردة تعني «إلى الخارج» وماصة تعني «إلى الداخل». بناءً على هاتين الكلمتين، من المنطقي للغاية أن طاردة للحرارة تعني أن «الطاقة الحرارية تنتقل إلى الخارج» وماصة للحرارة تعني أن «الطاقة الحرارية تنتقل إلى الداخل». ولكن، يوجد العديد من أنواع الطاقة، مثل الضوء والصوت، يمكنها أن تشترك في التفاعل. إذن طاردة للحرارة تعني «انتقال أي نوع من الطاقة إلى الخارج» وماصة للحرارة تعني «انتقال أي نوع من الطاقة إلى الداخل.»
لا يٌشترط أن تكون الطاقة حرارية حتى تنتقل بين النظام والوسط المحيط. لكن بوجه عام، يظل بإمكاننا استخدام التغيرات التي تحدث في الطاقة للتنبؤ بما إذا كان الوسط المحيط سيصبح أكثر سخونة أم أكثر برودة. إذا لاحظنا أن الوسط المحيط أصبح أكثر سخونة بسبب التفاعل، نعرف يقينًا أن التفاعل طارد للحرارة. وإذا أصبح الوسط المحيط أكثر برودة، فعلى الأرجح أن التفاعل ماص للحرارة.
تكوُّن الرابطة طارد للحرارة، وتفكك الرابطة ماص للحرارة.
تعريف: التفاعل الطارد للحرارة
هو التفاعل الذي تنطلق منه طاقة إلى الوسط المحيط.
تعريف: التفاعل الماص للحرارة
هو التفاعل الذي يمتص طاقة من الوسط المحيط.
مثال ١: التعرف على المشكلات التي تتعلق بوصف التفاعلات الطاردة للحرارة
عند تسجيل تجربة، كتب طالب: «إنَّ الاحتراق تفاعل طارد للحرارة؛ لأنَّ الطاقة تُنتَج في صورة حرارة.»
- لماذا لا يعد هذا الوصف صوابًا؟
- لأنه لا تحدث تغيُّرات في الطاقة أثناء التفاعل الطارد للحرارة.
- لأن الاحتراق تفاعل ماصٌّ للحرارة.
- لأن الحرارة ليست إحدى صور الطاقة.
- لأنه لا يُمكِن إنتاج الطاقة.
- لأن التفاعلات الطاردة للحرارة تمتص الحرارة.
- أيٌّ ممَّا يلي الوصف الدقيق لتفاعل الاحتراق؟
- الاحتراق تفاعل ماصٌّ للحرارة؛ لأن الطاقة تُنتَج في صورة حرارة.
- الاحتراق تفاعل طارد للحرارة؛ لأن الطاقة لا تُنتَج.
- الاحتراق تفاعل طارد للحرارة؛ لأن الطاقة الكيميائية تتحوَّل إلى حرارة.
- الاحتراق تفاعل طارد للحرارة؛ لأن الحرارة تتحوَّل إلى طاقة كيميائية.
- الاحتراق تفاعل ماصٌّ للحرارة بسبب انطلاق الطاقة الحرارية.
الحل
الجزء الأول
في تفاعل الاحتراق، تتفاعل المادة مع الأكسجين. تنطلق طاقة عن تفاعلات الاحتراق، في صورة حرارة عادةً.
يكون التفاعل طاردًا للحرارة إذا انطلقت كمية من الطاقة إلى الوسط المحيط أكثر من الطاقة الممتصة؛ والنتيجة الأكثر شيوعًا للتفاعل الطارد للحرارة هي زيادة درجة حرارة الوسط المحيط.
للوهلة الأولى، تبدو عبارة الطالب صحيحة؛ لأن الاحتراق تفاعل طارد للحرارة بالفعل. لكن الجزء الذي يقول «لأن الطاقة تُنتج في صورة حرارة» ليس صحيحًا.
نعلم أن الطاقة لا يمكن أن تُستحدث من العدم (تُنتج) أو تفنى، لكنها تتحول فقط من صورة إلى أخرى. ومن ثَمَّ، فإن التفاعل لا يمكن أن ينتج طاقة.
إذن، الإجابة هي (د).
الجزء الثاني
تبيَّن لنا أن التفاعلات الطاردة للحرارة تتضمن انتقالًا كليًّا للطاقة إلى الوسط المحيط وأن الاحتراق تفاعل طارد للحرارة. كما تبيَّن لنا أيضًا أن الطاقة لا يمكن إنتاجها، لكنها تتحول فقط من صورة إلى أخرى. عند تفاعل المواد مع الأكسجين واحتراقها، تتحول الطاقة الكيميائية الكامنة إلى صور أخرى من الطاقة، مثل الحرارة. وفي الحقيقة، عادة ما تشكل الطاقة الحرارية الكمية الأكبر من الطاقة المتحولة من الطاقة الكيميائية الكامنة. ولهذا فعادة ما نبسط وصف التفاعلات الطاردة للحرارة بقولنا «انطلاق الحرارة».
تقول الإجابتان (أ) و(هـ) إن الاحتراق تفاعل ماص للحرارة؛ ومن ثَمَّ، فهما ليستا صحيحتين.
تقترح الإجابة (ب) أن التفاعلات الطاردة للحرارة لا تنتج طاقة من نفسها؛ وهذا صحيح، لكنه ينطبق أيضًا على جميع التفاعلات. فلا يمكن لأي تفاعل أن ينتج طاقة من نفسه. فجميع التفاعلات تتضمن تحول الطاقة الكيميائية الكامنة إلى صور أخرى من الطاقة أو العكس. الإجابة (ب) ليست الإجابة الصحيحة.
كل من الإجابتين (ج) و(د) تصف الاحتراق على أنه تفاعل طارد للحرارة وتوضح أن الطاقة تتحول من صورة إلى أخرى، وهذا صحيح؛ مع ذلك، فالإجابة (ج) فقط توضح بصورة صحيحة أن الطاقة الكيميائية الكامنة (أو «الطاقة الكيميائية» للاختصار) هي التي تتحول إلى حرارة.
الإجابة هي (ج).
مثال ٢: تحديد ما إذا كان التفاعل الذري طاردًا للحرارة أم ماصًّا للحرارة
انظر إلى معادلة التفاعل الكيميائي الموضحة:
هل هذا التفاعل ماص للحرارة أم طارد للحرارة؟
الحل
المتفاعلات في هذا التفاعل تمثلها ذرتا هيدروجين منفصلتان. وهذا التفاعل ليس مألوفًا؛ فعادة ما نجد الهيدروجين النقي في صورة جزيئات من الهيدروجين . تتحد هاتان الذرتان لتكوين ؛ ما يعني أن رابطة تساهمية واحدة تربط الذرتين معًا؛ وهذا جزيء الهيدروجين الذي نعرفه.
لا تتكسر أي روابط، لكنها تتكون. تكون الرابطة هو عملية طاردة للحرارة؛ فتكون الروابط يحول طاقة الوضع إلى صور أخرى من الطاقة، مثل الحرارة، التي يمكن أن تُفقد إلى الوسط المحيط.
إذن، هذا التفاعل طارد للحرارة.
وعادةً، في التفاعلات الكيميائية، تتكسر الروابط في المتفاعلات، لتتكون بعد ذلك روابط في النواتج. وتسمى المواد التي توجد أثناء التفاعل المواد الوسيطة. الطاقة الكلية اللازمة لكسر الروابط القديمة هي الطاقة التي لا بد أن تدخل النظام (الطاقة الممتصة، ، أما الطاقة الكلية التي نحصل عليها عند تكون الروابط فهي الطاقة التي تخرج من النظام (الطاقة المنطلقة، ).
إذا كان ، إجمالًا، فهذا يعني أن الطاقة قد انطلقت وأن التفاعل طارد للحرارة. ولكن، إذا كان ، إجمالًا، فهذا يعني أن الطاقة قد امتصت وأن التفاعل ماص للحرارة.
عند الحديث عن التفاعلات، عادة ما نهتم بالمتفاعلات والنواتج فقط، ليس شيئًا آخر. نطلق على المتفاعلات والنواتج اسم «النظام». ونطلق على أي شيء آخر ببساطة «الوسط المحيط».
وعادةً، عندما نتحدث عن الطاقة، فإننا نعني طاقة النظام فقط. تزيد الطاقة التي تدخل النظام طاقته، بينما تقلل الطاقة التي تخرج من النظام طاقته. إذن، بالنسبة إلى الطاقة الممتصة، يكون التغير في الطاقة موجبًا؛ وبالنسبة إلى الطاقة المنطلقة، يكون التغير في الطاقة سالبًا.
| إجمالًا، إذا كان | طاقة النظام | التغير في الطاقة | التفاعل |
|---|---|---|---|
| تنطلق الطاقة | تنخفض | سالب | طارد للحرارة |
| تُمتص الطاقة | ترتفع | موجب | ماص للحرارة |
ويمكننا أيضًا الحديث عن طاقة النظام بدلالة الإنثالبي. ينطبق المبدأ نفسه عندما نتحدث عن التفاعل الطارد للحرارة والتفاعل الماص للحرارة. يمكن وصف تغير إنثالبي التفاعل بأنه الفرق بين إنثالبي المتفاعلات وإنثالبي النواتج.
في التفاعل الطارد للحرارة، إنثالبي النواتج أقل من إنثالبي المتفاعلات. ونتيجة لذلك، يكون التغير في الإنثالبي سالبًا. لكن في التفاعل الماص للحرارة، إنثالبي النواتج أكبر من إنثالبي المتفاعلات، ولذلك يكون التغير في الإنثالبي موجبًا.
يوضح المخطط الآتي الفرق بين إنثالبي التفاعل الطارد للحرارة وإنثالبي التفاعل الماص للحرارة.
مثال ٣: تحديد التفاعل الماص للحرارة والتفاعل الطارد للحرارة بدلالة إنثالبي التفاعل
تفاعل كيميائي له إنثالبي تفاعل مقداره kJ/mol. هل التفاعل ماص للحرارة أم طارد للحرارة؟
الحل
إنثالبي التفاعل هو تغير إنثالبي النظام أثناء التفاعل. التغير الموجب في الإثنالبي يعني أن الطاقة تدخل النظام. أي شيء ليس جزءًا من النظام يسمى الوسط المحيط. لكي تدخل الطاقة النظام، عليها أن تغادر الوسط المحيط (فالطاقة لا تُستحدث ولا تفنى).
التفاعل الماص للحرارة هو التفاعل الذي يمتص فيه النظام الطاقة من الوسط المحيط. ومن ثَمَّ، نظرًا لأن التفاعل الكيميائي له إنثالبي موجب، فهو ماص للحرارة.
فيما يلي بعض الأمثلة على التفاعلات الطاردة للحرارة والعمليات الفيزيائية:
- احتراق الميثان.
- التجمد.
- التكثيف.
إجمالًا، إذا كانت الروابط في النواتج أقوى من الروابط في المتفاعلات، فهذا يعني أن التفاعل طارد للحرارة.
كما أن تغير المادة من حالة إلى أخرى يعني تغير في قوة الرابطة. على سبيل المثال، القوى بين الجزيئية في الجليد أقوى من القوى بين الجزيئية في الماء؛ ومن ثَمَّ، عندما يتجمد الماء، تنطلق طاقة إلى الوسط المحيط.
أما إذا كانت الروابط في النواتج أضعف منها في المتفاعلات، فهذا يعني أن التفاعل ماص للحرارة.
فيما يلي بعض الأمثلة على التفاعلات الماصة للحرارة والعمليات الفيزيائية:
- تفكك كربونات الكالسيوم.
- الانصهار.
- التبخير.
مثال ٤: مقارنة بين انتقال الحرارة في حالة الاحتراق وانتقال الحرارة في حالة التجمد
عند تجمد 10 mL من الجازولين عند ، تبلغ الكمية الكلية للحرارة المنتقلة 1 kJ تقريبًا. على الجانب الآخر، ينتقل 300 kJ من الحرارة عند حَرْق نفس الكمية من الجازولين في درجة حرارة الغرفة. لماذا تنتقل في الاحتراق كمية أكبر من الحرارة ممَّا ينتقل في التجمُّد؟
- التجمُّد عملية طاردة للحرارة، أما الاحتراق فعملية ماصة للحرارة.
- الروابط التي تتكسر أثناء الاحتراق أضعف من تلك التي تتكسر أثناء التجمد.
- الروابط المُكوَّنة أثناء الاحتراق أقوى من تلك المُكوَّنة أثناء التجمُّد.
- يحدث الاحتراق عند درجة حرارة أعلى من التجمُّد.
- التجمُّد عملية طاردة للحرارة، بينما الاحتراق عملية ماصة للحرارة.
الحل
في هذا السؤال، نقارن بين كميتين مختلفتين من الطاقة. كلا التفاعلين طارد للحرارة، وهكذا يمكننا استبعاد الإجابتين (أ) و(هـ). إضافة إلى ذلك، فعلى الرغم من أن الاحتراق يحدث بالفعل عند درجة حرارة أعلى من تلك التي يحدث عندها التجمد، فهذا لا يساعدنا في المقارنة بين كميتي الطاقة المنقولة.
وتحدث التغيرات في الطاقة أثناء التفاعل الكيميائي أو العمليات الفيزيائية، مثل التجمد، نتيجة الاختلاف في كمية الطاقة اللازمة لكسر الروابط في المتفاعلات والطاقة المنطلقة عند تكون روابط جديدة في النواتج. وإذا انطلق مزيد من الطاقة عند احتراق 1 g من الجازولين، نعلم أن الروابط المكونة بين نواتج الاحتراق أقوى من تلك المكونة أثناء التجمد. وهكذا، فإن الإجابة الصحيحة هي (ج).
تفكك كربونات الكالسيوم هو أحد العمليات المهمة في إنتاج الأسمنت. وهذا يتطلب كمية كبيرة من الطاقة. ولا يتطلب ذوبان الجليد بأي حال كمية الطاقة نفسها اللازمة لتفكك كربونات الكالسيوم، لكنه يظل عملية ماصة للحرارة.
مثال ٥: تصنيف تفاعل مُسَمَّى على أنه ماص للحرارة أو طارد للحرارة على أساس إنثالبي التفاعل
يجري تفاعل الاحتراق التام للميثانول طبقًا للمعادلة
إنثالبي التفاعل kJ/mol. هل احتراق الميثانول ماص للحرارة أم طارد للحرارة؟
الحل
التفاعل الطارد للحرارة هو التفاعل الذي تنطلق منه كمية من الطاقة أكبر إجمالًا من تلك الممتصة. وعادة ما يكون ذلك في صورة حرارة.
إنثالبي التفاعل سالب. هذا يعني أن طاقة النظام بعد التفاعل أقل منها قبل التفاعل. وهذا يتطابق مع وصف التفاعل الطارد للحرارة.
الإجابة هي «طارد للحرارة».
النقاط الرئيسية
- في التفاعلات الطاردة للحرارة، تنطلق كمية من الطاقة أكبر من تلك الممتصة. هذا يعني أن إنثالبي النظام ينخفض وأن إنثالبي النواتج أقل من إنثالبي المتفاعلات.
- في التفاعلات الطاردة للحرارة، تنخفض الطاقة الكلية للنظام، ويكون التغير في الطاقة سالبًا، والتغير في الإنثالبي سالبًا، وترتفع درجة حرارة الوسط المحيط بوجه عام:
- تكون الروابط هو تفاعل طارد للحرارة.
- في التفاعلات الماصة للحرارة، تُمتص كمية من الطاقة أكبر من تلك المنطلقة. هذا يعني أن إنثالبي النظام يرتفع وأن إنثالبي النواتج أكبر من إنثالبي المتفاعلات.
- في التفاعلات الماصة للحرارة، تزيد الطاقة الكلية للنظام، ويكون التغير في طاقة النظام موجبًا، والتغير في الإنثالبي موجبًا، وتنخفض درجة حرارة الوسط المحيط بوجه عام:
- كسر الرابطة، الذي يعرف أيضًا بتفكك الرابطة، هو تفاعل ماص للحرارة.
