شارح الدرس: وحدات قياس الطاقة الكيمياء • الصف الأول الثانوي

في هذا الشارح، سوف نتعلَّم كيف نعبِّر عن الطاقة بوحدات مختلفة ونحوِّل بينها.

الطاقة هي القدرة على بذل شغل. هناك فئات مختلفة من الطاقة، يشمل بعضها طاقة الوضع الكهربية، والطاقة الكيميائية الكامنة، والطاقة الحركية، وطاقة وضع الجاذبية.

الطاقة لا تَفنَى ولا تُستحدَث من العدم. تظلُّ الطاقة الكلية لأيِّ نظام قائم بذاته ثابتة. ومع ذلك، يُمكن تحويل الطاقة من صورة إلى أخرى. عند استخدام موقد بنسن، تتحوَّل الطاقة الكيميائية الكامنة إلى طاقة حرارية. مواقد بنسن تحرق وقود البروبان ، وأثناء هذا التفاعل، تتحوَّل الطاقة الكيميائية الكامنة للراوبط إلى طاقة حرارية وطاقة صوتية. تنبعث الطاقة الكيميائية الكامنة عند كسر الروابط الكيميائية في جزيئات البروبان والأكسجين.

الطاقة مطلوبة لكسر الروابط الكيميائية، وتنبعث طاقة عند تكوين روابط كيميائية جديدة. هذه الطاقة تُسمَّى «طاقة الرابطة»، أو «إنثالبي الرابطة»، وهو مقياس لقوة الرابطة. طاقة الرابطة تُسمَّى أحيانًا طاقة تفكُّك الرابطة. ويُمكن تعريف طاقة الرابطة بأنها كمية الطاقة (الإنثالبي) اللازمة لكسر مول واحد من الجزيئات إلى الذرات المكوِّنة له.

يُوجَد العديد من فئات الطاقة المختلفة، ويُمكن قياس كلٍّ منها بوحدات مختلفة. وحدة (SI) الأساسية للطاقة هي الجول. نُشير إلى الجول بالحرف J الكبير. ويُعرَّف الجول بأنه كمية الطاقة الحرارية اللازمة لرفع درجة حرارة 1 g من الماء بمقدار .

الجول هو كمية صغيرة للغاية من الطاقة، وعادة ما نستهلك كميات أكبر بكثير من الطاقة عند تناول الطعام والحركة. وعادةً ما يكون من الأنسب وصْف الطاقة بوحدة الـكيلو جول (kJ). الطاقة الموجودة في شريحة واحدة من الخبز تساوي 250‎ ‎000 J تقريبًا! هذا رقم ضخم للغاية، ويُفضِّل معظم خبراء التغذية التعبير عن هذه القيمة على الصورة 250 kJ.

يُمكننا استخدام العلاقة الآتية للتحويل بين وحدتَيِ الجول (J) والكيلو جول (kJ):

توضِّح العلاقة أنه يُمكن قسمة الجول على 1‎ ‎000 للحصول على القيمة نفسها بوحدة الكيلو جول. وتوضِّح العلاقة أيضًا أنه يُمكن ضرب الكيلو جول في 1‎ ‎000 للحصول على القيمة نفسها بوحدة الجول. يُمكن قسمة 250‎ ‎000 J على 1‎ ‎000 للتعبير عن الكمية نفسها على صورة 250 kJ.

يُمكن استخدام معاملَيِ التحويل الآتيين للتحويل بين وحدتَيِ الـجول (J) والـكيلو جول (kJ):

توضِّح العملية الحسابية الآتية كيف يُمكن استخدام معامل التحويل فى الطرف الأيسر لتحويل قيمة 250‎ ‎000 J إلى 250 kJ، كالآتي:

معامل تحويل الوحدة صحيح هنا؛ لإن وحدتَيِ الجول (J) ستُلغِي كلٌّ منهما الأخَرى ويتبقَّى لدينا وحدة (kJ) فقط.

الإنثالبي هو محتوى الطاقة للنظام الكيميائي. من الصعب قياس الإنثالبي مباشرة، وعادة ما يَقِيس الكيميائيون التغيُّر في الإنثالبي بدلًا منه. التغيُّر في الإنثالبي هو مقدار الطاقة الحرارية التي تفقدها أو تكتسبها الذرات أثناء التفاعل الكيميائي.

يُمكن تحديد التغيُّر في الإنثالبي لجزيء واحد أو يُمكن تحديده لمول واحد من الجزيئات. يُوجَد جسيم في المول الواحد من المادة الكيميائية؛ إذن التغيُّر في الإنثالبي لمول واحد يساوي التغيُّر في الإنثالبي لـ جسيم. التغيُّر في الإنثالبي لمول واحد يُعبَّر عنه بوحدة كيلو جول لكل مول (kJ/mol).

كلُّ نوع معيَّن من الروابط، مثل الرابطة ، سيكون له طاقة رابطة مختلفة قليلًا بناءً على الجزيء الموجودة فيه الرابطة. ولهذا السبب، تُعطَى قِيَم طاقات الروابط قِيَمًا متوسطة. يوضِّح الجدول الآتي متوسط طاقة الرابطة لبعض الروابط الأحادية.

طاقة الرابطة للروابط المزدوجة أعلى من الطاقة الموجودة في الروابط الأحادية المماثِلة، ولكنَّها ليست بالضرورة ضِعْفها. يُقارن الجدول الآتي بين طاقة الرابطة لرابطة كربون-كربون () أحادية، ورابطة كربون-كربون () مزدوجة، ورابطة كربون-كربون () ثلاثية.

طاقة الرابطة لجزيء واحد يُمكن استخدامها لتحديد طاقة الرابطة لمول واحد من الجزيئات. فيما يأتي عملية تحديد طاقة الرابطة لمول واحد من جزيئات بروميد الهيدروجين.

الخطوة الأولى هي القول إن جزيء بروميد الهيدروجين الواحد له طاقة رابطة قيمتها J. الخطوة التالية هي كتابة المعادلة الآتية:

يُمكن بعد ذلك استخدام هذه المعادلة لاشتقاق معاملَيِ التحويل الآتيين:

يُمكن استخدام معامل التحويل الأول لتحديد طاقة الرابطة لمول واحد من الجزيئات، ويُمكن استخدام معامل التحويل الثاني لتحديد طاقة الرابطة لجزيء واحد.

إذن يُمكن استخدام معامل التحويل الأول لتحديد طاقة الرابطة لمول واحد من جزيئات بروميد الهيدروجين:

بتقريب هذه القيمة لأقرب منزلتين عشريتين، نحصل على:

عادةً ما يُعبَّر عن طاقة الرابطة المولية بوحدة الكيلو جول لكل مول. ومن ثَمَّ، علينا التحويل من جول لكل مول إلى كيلو جول لكل مول باستخدام معامل التحويل الآتي:

إذن طاقة الرابطة لبروميد الهيدروجين تساوي 370 kJ/mol.

بمعرفة كمية الطاقة المطلوبة لكسر الرابطة في جزيء واحد من بروميد الهيدروجين، نكون قد حدَّدنا طاقة الرابطة المطلوبة لكسر الرابطة بين الهيدروجين والبروم في مول من جزيئات بروميد الهيدروجين.

بالمثل يُمكن ضرب قيمة طاقة الرابطة المولية في معامل تحويل لتحديد طاقة رابطة كيميائية واحدة. توضِّح مجموعة الحسابات الآتية كيف يُمكن استخدام معامل التحويل لتحديد مقدار الطاقة المطلوبة لكسر الرابطة هيدروجين-هيدروجين في جزيء واحد من غاز الهيدروجين ().

نعرف أن طاقة الرابطة المولية في جزيئات غاز الهيدروجين تساوي 436 كيلو جول لكل مول. وهذا يعني أن من جزيئات الهيدروجين () به طاقة صافية مقدارها 436 kJ. يُمكننا استخدام هذه المعلومات لتكوين المعادلة الرياضية الآتية:

في الطرف الأيسر من المعادلة الرياضية لدينا الطاقة لكلِّ جزيء، ولكن الطاقة المُعطاة هنا بوحدة كيلو جول لكلِّ جزيء. لذلك علينا ضرب الحدِّ الموجود في الطرف الأيسر في معامل تحويل آخَر، إذا أردنا أن تصبح وحدة الطاقة جول لكلِّ جزيء:

بحذف وحدتَيِ الكيلو جول كل منهما مع الأخرى، وضرب كلِّ الأعداد في بعضها، تصبح لدينا القيمة . إذن كلُّ رابطة كيميائية في جزيئات الهيدروجين تحتوي طاقة مقدارها J.

ثمَّة وحدة أخرى يُمكن استخدامها للطاقة، وهي السعر الحراري. من الناحية التاريخية، يُعرَّف السعر الحراري الواحد بأنه كمية الطاقة اللازمة لرفع درجة حرارة جرام واحد من الماء بمقدار درجة واحدة. ومع ذلك، فإن السعر الحراري يُعرَّف بدقَّة الآن بأنه يساوي 4.184 جول.

يُمكن تحويل الجول إلى سعر حراري بقسمة الجول على 4.184، ويُمكن تحويل السعر الحراري إلى جول بضربه في 4.184.

يُمكن أيضًا استخدام عاملَيِ التحويل الآتيين للتحويل بين الجول (J) والسعر الحراري (cal):

يُمكن تعريف ألف سعر حراري بأنها كيلو سعر حراري (kcal). العلاقة بين وحدتَيِ السعر الحراري والكيلو سعر حراري موضَّحة في السطر الآتي:

في بعض الكتب المدرسية ومصادر الإنترنت وعلى بعض أغلفة المواد الغذائية، نلاحِظ كتابة وحدة الـ Cal وفي بدايتها حرف C الكبير. Cal يُكافئ كيلو سعرًا حراريًّا أو 1‎ ‎000 سعر حراري.

توضِّح الصورة الآتية ملصق المعلومات الغذائية الموجود على علبة حبوب إفطار. الطاقة في كلِّ 30 g مُعبَّرًا عنها بوحدتَيِ الكيلو جول والكيلو سعر حراري.

توضِّح العملية الحسابية الآتية كيفية تحويل القِيَم بوحدة الكيلو جول إلى القِيَم المُكافِئة بوحدة الكيلو سعر حراري في خطوة واحدة:

نختار معاملات تحويل الوحدات بناءً على الأسباب الآتية:

• معامل تحويل الوحدات الأول يُستخدَم للتحويل إلى cal.
• معامل التحويل الثاني يحتوي على الوحدة kJ في المقام؛ ومن ثَمَّ، تُحذَف وحدة kJ من التعبير. كما يحتوي أيضًا على وحدة J في البسط، وهذا ما يحذف وحدة J في معامل التحويل الأول.
• معامل التحويل الثالث يُستخدَم لإدخال وحدة kcal وحذف وحدة cal.