شارح الدرس: قياس التغيُّر في الإنثالبي الكيمياء

في هذا الشارح، سوف نتعلَّم كيف نُجري تجارب القياس الحراري، ونستخدم النتائج لحساب التغيُّر في الإنثالبي في التفاعل الكيميائي.

معظم التفاعلات الكيميائية، بما في ذلك تلك التي تحدث في الكائنات الحية، تُصدر طاقة أو تكتسبها خلال التفاعل. ووفقًا لقانون حفظ الطاقة، لا بد أن تؤدي التفاعلات الكيميائية إلى تحويل الطاقة من صورة لأخرى. تتحول الطاقة من صورة لأخرى، ولا تفنى ولا تُستحدث من العدم.

في الديناميكا الحرارية، ينحصر مكان إجراء التفاعل في منطقةٍ نطلق عليها النظام. أما المنطقة خارج النظام، حيث نسجل ملاحظاتنا، فتُسمى الوسط المحيط. يوضح الشكل الآتي مثالًا على هذه المصطلحات، حيث من الممكن أن يحدث تفاعل ما داخل كأس زجاجية.

يمكن للنظام المفتوح أن يتبادل الطاقة والمادة مع وسطه المحيط، بينما يسمح النظام المغلق بتبادل الطاقة فقط مع وسطه المحيط، أما النظام المعزول، فلا يسمح بتبادل الطاقة أو المادة مع وسطه المحيط. ولا يتفاعل النظام المعزول مع وسطه المحيط. وأحد الأمثلة على النظام المعزول هو زجاجة حافظة للحرارة مغلقة ومعزولة حراريًّا وميكانيكيًّا وكهربيًّا عن وسطها المحيط.

توصف التفاعلات الكيميائية التي تنقل الطاقة على صورة حرارة إلى الوسط المحيط بأنها تفاعلات طاردة للحرارة. وتعد تفاعلات الاحتراق مثالًا على التفاعلات الطاردة للحرارة. عندما يحدث تفاعل كيميائي في نظام يمتص الطاقة على صورة حرارة من الوسط المحيط، يوصف بأنه تفاعل ماص للحرارة. وتحتوي أكياس الثلج الهلامية، الموجودة في مجموعات الإسعافات الأولية، على مواد كيميائية تنتج تفاعلًا ماصًّا للحرارة عند خلطها معًا.

ويمكن قياس كمية الحرارة المنتقلة بين نظام التفاعل والوسط المحيط تجريبيًّا. لكي نتمكن من حساب الطاقة المنتقلة في هذه العمليات، علينا أن نكون قادرين على ربط كمية الطاقة المنتقلة بمقدار التسخين أو التبريد الذي نلاحظه في التجربة.

الحرارة هي انتقال الطاقة الحرارية بين الجزيئات والذَّرَّات في نظام. هذا الانتقال للطاقة الحرارية يسببه الاختلاف في درجة الحرارة. وترتبط الحرارة ودرجة الحرارة ارتباطًا وثيقًا، لكنهما مختلفتان جوهريًّا. درجة الحرارة هي مقياس لمتوسط طاقة حركة الجزيئات. ويمكن استخدامها أيضًا للتعبير عن مدى سخونة أو برودة المادة.

عند تسخين مادة ما، تنتقل الطاقة إلى الجزيئات والذرات الموجودة في المادة. تزداد طاقة حركة هذه الذرات والجزيئات، وترتفع درجة حرارة المادة. يعتمد التغير في درجة الحرارة على السعة الحرارية للمادة. تُعرَّف السعة الحرارية، ، كالآتي: حيث هي كمية الطاقة المقيسة بالجول، و هو التغير في درجة الحرارة المقيس بالكلفن أو درجة سلزية. وبما أن حجم الدرجة المقيسة بوحدة الكلفن، K، يساوي حجم الدرجة المقيسة بوحدة درجة سلزية، فإن التغير في درجة الحرارة سيكون متماثلًا في أي من الحالتين.

وبما أن السعة الحرارية تعتمد على كمية المادة التي تُسخَّن أو تبرَّد، فإنها تُعرف بأنها خاصية شمولية. يمكن استخدام السعة الحرارية باعتبارها خاصيةً شمولية، وتسمى في هذه الحالة السعة الحرارية النوعية. تُعرَّف السعة الحرارية النوعية بأنها السعة الحرارية مقسومة على كتلة العينة:

تُقاس السعة الحرارية النوعية بوحدة الجول لكل كلفن لكل جرام أو جول لكل درجة سلزية لكل جرام. وعادة ما يشار إلى السعة الحرارية النوعية بالحرارة النوعية.

يوضح الجدول الآتي بعض قيم الحرارة النوعية للمواد المختلفة. الماء السائل حرارته النوعية مرتفعة نسبيًّا مقارنةً بالمواد الأخرى. إذا زُوِّد ماء سائل بطاقة حرارية بمعدل ثابت، فسيستغرق وقتًا أطول ليسخن لدرجة حرارة معينة مقارنةً بالكتلة نفسها من الحديد.

إذا سُخنت كتلة معلومة من مادة عند ضغط ثابت بحيث لا يوجد أي ضغط من الوسط المحيط، يمكن حساب مقدار الطاقة الحرارية المكتسبة باستخدام الصيغة: حيث هي الطاقة المقيسة بوحدة الجول.

تُقاس كتلة المادة، ، بوحدة الجرام. و، التي تنطق «دلتا تي»، هي التغير في درجة حرارة المادة. ويمكن حساب بطرح درجة الحرارة النهائية من درجة الحرارة الأولية، وتُقاس باستخدام الترمومتر. عدديًّا، ستأخذ القيمة نفسها سواء كانت درجتا الحرارة النهائية والأولية مقيستين بوحدة درجة سلزية أو بوحدة الكلفن.

تقاس السعة الحرارية النوعية، ، بوحدة . لكن الأكثر شيوعًا هو استخدام وحدة الجرام وهو ما يعطينا وحدة القياس .

في المعمل، يمكن قياس التغير في درجة الحرارة الناتج عن أحد التفاعلات باستخدام أداة بسيطة تُعرَف بالمسعر الحراري. التجارِب التي تقيس انتقال الحرارة في التفاعلات تسمى تجارب القياس الحراري.

يتكون المسعر الحراري البسيط من وعاء تفاعل معزول، وأداة تقليب، وترمومتر. عادة ما يُستخدم كوب بولي ستايرين، موضوع داخل كأس زجاجية، له غطاء محكم باعتباره وعاءً معزولًا لإجراء التفاعل. عادة ما يكون الوعاء مملوءًا بكتلة محددة مسبقًا من الماء تحتوي على المتفاعلات. يوضح الشكل الآتي مخططًا لمسعر حراري بسيط.

يمكن استخدام هذا النوع من المسعرات الحرارية لقياس التغير في الطاقة الحرارية الذي يحدث خلال تفاعل يجري في محلول مائي. يمكن دراسة تفاعلات التعادل وتفاعلات الأكسدة والاختزال باستخدام هذا النوع من الأجهزة. في هذا النوع من المسعرات الحرارية البسيطة، يكون الوعاء المعزول موضوعًا تحت الضغط الجوي، ويجري التفاعل تحت ضغط ثابت.

مثال ٣: تحديد مدى ملاءمة جهاز تجريبي لإجراء تجربة قياس حراري

يوضِّح الشكل الآتي الإعداد التجريبي لمسعر بسيط يُستخدَم لقياس التغيُّر في الإنثالبي في تفاعلات مُحدَّدة. في أيِّ التفاعلات لا يكون استخدام هذا الجهاز العملي لقياس التغيُّر في الإنثالبي مُناسِبًا؟

1. الذوبان.
2. الاحتراق.
3. الاستبدال.
4. التعادل.
5. الترسيب.

الحل

نوع المسعر الحراري الموضح في الشكل أعلاه هو الأنسب لقياس التغير في الإنثالبي للتفاعلات التي تحدث في محلولٍ مائي، أو في وسط سائل.

تحدث تفاعلات الذوبان عندما يذوب مذاب في مذيب سائل. وأحد الأمثلة على ذلك هو عندما يذوب مركب أيوني، مثل نيترات الأمونيوم، في الماء ليكوِّن أيونات مماهة.

ورغم أن تفاعلات الاستبدال يمكن أن تحدث بين المتفاعلات الصُّلبة، فإنها تحدث عادةً في الماء. وأحد الأمثلة على هذا النوع من التفاعلات هو إحلال مسحوق المغنيسيوم مكان النحاس في محلول كبريتات النحاس المائي.

تحدث تفاعلات التعادل بين حمض وقاعدة. يذوب الحمض والقاعدة عادة في الماء. في هذه الحالة، قد يشار إلى المحلول القاعدي بالقلوي. وتحدث هذه التفاعلات عادة أثناء تجارب المعايرة التي يُستخدم فيها دليل الحمض والقاعدة.

تتضمن تفاعلات الترسيب تكوُّن ناتج غير قابل للذوبان من اتحاد عددٍ من المحاليل. في هذه التفاعلات، يكون المذيب عادة هو الماء.

ويمكن إجراء جميع التفاعلات الموضحة حتى الآن داخل مسعر حراري بسيط على شكل كوب مصنوع من البولي ستايرين، ومعزول بصوف قطني.

تتطلب تفاعلات الاحتراق، التي تطلق نوعًا من اللهب، كمية كبيرة من الأكسجين لضمان الاحتراق التام. لا يمكن تسخين كوب البولي ستايرين باستخدام لهب مباشر؛ لأن الكوب، إلى جانب الطبقة العازلة المصنوعة من الصوف القطني، ستشتعل فيهما النيران. كوب البولي ستايرين ليس موصلًا جيدًا للحرارة؛ لذا فكمية الأكسجين اللازمة لاشتعاله ستكون محددة وداخل الجهاز الموضح. الجهاز الموضح ليس مناسبًا لإجراء تجارب القياس الحراري التي تتضمَّن احتراقًا. وعليه، فالإجابة الصحيحة هي الخيار (ب).

في التفاعلات مثل احتراق الوقود، يلزم وجود نوع مختلف من المسعرات الحرارية. يُستخدم هنا مسعر حراري ذو حجم ثابت أو ما يسمى مسعر الاحتراق. يوضح الشكل الآتي مخططًا بسيطًا لمسعر الاحتراق.

يحتوي مسعر الاحتراق على ماء، وأداة تقليب، وترمومتر؛ مثل المسعر الحراري البسيط. لكن بما أنه لا بد من إحراق العينة، فلا يمكن وضعها في الماء مباشرة. عوضًا عن ذلك، توضع العينة داخل غرفة، ويمكن بعد ذلك إشعالها عن بُعد باستخدام أسلاك الإشعال.

ونظرًا لأن هذه الغرفة تُعرف أيضًا بخلية القنبلة، يشار عادة إلى المسعر الحراري بأكمله بمسعر القنبلة.

عند استخدام كل من المسعر البسيط ومسعر الاحتراق، نضع افتراضات معينة. تتضمن تلك الافتراضات أن درجة الحرارة العظمى تعكس كمية الحرارة المنطلقة، وأنه لا تتسرب أي حرارة من المسعر إلى وسطه المحيط. وأخيرًا، نفترض أيضًا أن المسعر نفسه، بالإضافة إلى الأدوات الأخرى الموجودة مثل أداة التقليب والترمومتر، لا تمتص أيًّا من الحرارة المنطلقة.

يُستخدم عادة مسعر القنبلة لإيجاد القيمة الحرارية للمواد الغذائية.

يمكن استخدام الجول (J) والسعر الحراري (cal) باعتبارهما وحدتي طاقة. الجول هو وحدة الطاقة وفقًا للنظام الدولي للوحدات. ويعرف الجول بأنه مقدار الطاقة الحرارية اللازمة لرفع درجة حرارة 1 g من الماء بمقدار .

يمكن تحويل الجول إلى سعر حراري بقسمته على 4.184، ويمكن تحويل السعر الحراري إلى جول بضربه في 4.184.

يمكن أيضًا استخدام عاملي التحويل الآتيين للتحويل بين الجول (J) والسعر الحراري (cal):

يمكن تعريف ألف سعر حراري بأنها كيلو سعر حراري (kcal). العلاقة بين السعر الحراري والكيلو سعر حراري هي:

عادة ما يحسب التغير في الإنثالبي في تفاعل كيميائي بوحدة القياس كيلو جول لكل مول. ويشار إليه عادة بتغير الإنثالبي المولي. لا بد أن تكون الطاقة الحرارية المنتقلة خلال التفاعل الكيميائي مرتبطة بعدد مولات الجسيمات المتضمنة في التفاعل الكيميائي. بالنسبة للمركبات الصلبة، يمكن حساب عدد المولات المتفاعلة بمعلومية كتلة العامل المحدد المستخدم. بالنسبة للمحاليل السائلة، يمكن حساب عدد المولات المتفاعلة بمعلومية التركيز والحجم المسجلين للمحلول. من المهم أن يُسجَّل تغير الإنثالبي المولي بالإشارة الصحيحة. في التفاعلات الطاردة للحرارة، يأخذ تغير الإنثالبي المولي إشارة سالبة. في التفاعلات الماصة للحرارة، يأخذ تغير الإنثالبي المولي إشارة موجبة.

من النتائج التجريبية، يمكن حساب تغير الإنثالبي المولي باستخدام المعادلة الآتية: حيث هو عدد المولات المتفاعلة للعامل المحدد في المعادلة الكيميائية الموزونة.

من المهم ملاحظة قصور تجارب القياس الحراري التي تجرى باستخدام جهاز بسيط في المختبر. المسعر ليس نظامًا معزولًا تمامًا؛ لذا لا بد من انتقال الحرارة إلى الهواء والأسطح المحيطة. ونتيجة لذلك، فإن التغيُّر المقيس في درجة الحرارة يكون عادة أقل مما سيكون عليه في حالة عدم وجود أي حرارة منتقلة. وهذا يؤدي إلى انخفاض القيمة المحسوبة لتغير الإنثالبي المولاري عن القيمة الفعلية.

عند إجراء تجارب الاحتراق، تكون كمية الحرارة المنتقلة إلى الهواء المحيط أكبر، ويحتمل مواجهة أخطاء تجريبية كبيرة. عادة ما يحدث احتراق غير تامٍّ في التجارب المعملية البسيطة. وتتسبب تجارب الاحتراق غير التام في ترسبات سخامية على المسعرات. وتتحرر طاقة أقل خلال تفاعل الاحتراق في هذه الظروف. وهذا يؤدي إلى انخفاض القيم التجريبية للإنثالبي المولي للاحتراق، مقارنة بالبيانات المقبولة، المقيسة تحت الظروف القياسية.

دعونا نلخِّص ما تناولناه في هذا الشارح.