فيديو الدرس: قانون هس الكيمياء

في هذا الفيديو، سوف نتعلم كيف نستخدم قانون هس لحساب التغيرات في الإنثالبي، ونعرف القانون.

١٦:٤٩

‏نسخة الفيديو النصية

في هذا الفيديو، سوف نتعرف على قانون هس، وهو مفيد للغاية في الكيمياء لحساب التغيرات في الإنثالبي. سوف نعرف قانون هس، ونستخدمه لحساب التغيرات في الإنثالبي لتفاعلات الاحتراق والتكوين.

دعونا نتخيل أننا نحاول أن نتسلق جبلًا. قد يكون هناك العديد من المسارات التي يمكن أن نسلكها للوصول إلى قمة الجبل. وقد نستغرق أزمنة مختلفة لتسلق الجبل، وذلك حسب المسار الذي نسلكه. لكن نظرًا إلى أن كل المسارات تبدأ من سفح الجبل وتنتهي عند القمة، فإن التغير في الارتفاع سيظل كما هو، بصرف النظر عن المسار الذي نسلكه. التغير في الطاقة خلال التفاعل الكيميائي يشبه التغير في الارتفاع عند تسلق الجبل. هذا يعني أننا إذا بدأنا تفاعلًا ببعض المتفاعلات وانتهينا بتكوين بعض النواتج، فإن التغير في الطاقة سيظل كما هو، بصرف النظر عن المسار الذي نسلكه من المتفاعلات إلى النواتج. وهذا تحديدًا ما ينص عليه قانون هس. التغير في الإنثالبي لأي تفاعل كيميائي لا يعتمد على المسار الذي يسلكه.

حسنًا، سنفترض أن لدينا تفاعلًا كيميائيًّا عامًّا نبدأ فيه بالمتفاعلات ونكون بعض النواتج. يتمثل أحد المسارات في الانتقال مباشرة من المتفاعلات إلى النواتج، ولكن قد يكون هناك مسار ثان تتكون فيه بعض المركبات الوسيطة أولًا قبل تكوين النواتج. يخبرنا قانون هس أن التغير في الإنثالبي في المسار الأول سيكون مساويًا للتغير في الإنثالبي في المسار الثاني. إذا ألقينا نظرة على المخطط البياني لإنثالبي هذا التفاعل، فسيصبح السبب وراء قانون هس واضحًا. لدينا هنا حالة المتفاعلات وحالة النواتج. والتغير في الإنثالبي للانتقال من المتفاعلات إلى النواتج هو ببساطة الفارق في الإنثالبي بين حالة النواتج وحالة المتفاعلات؛ والذي نشير إليه بـ ‪𝛥𝐻𝑎‬‏.

في المسار الثاني، تتكون المركبات الوسيطة أولًا. والتغير في الإنثالبي، الذي يشار إليه بـ ‪𝛥𝐻𝑏‬‏، هو تغير الإنثالبي الناتج عن تحول المتفاعلات إلى المركبات الوسيطة. و‪𝛥𝐻𝑐‬‏ هو التغير في الإنثالبي من المركبات الوسيطة إلى النواتج. التغير في الإنثالبي في المسار الأول هو ‪𝛥𝐻𝑎‬‏ فحسب. ويمكننا معرفة التغير في الإنثالبي في المسار الثاني عن طريق جمع ‪𝛥𝐻𝑏‬‏ و‪𝛥𝐻𝑐‬‏ معًا، وهذا يعطينا هذا التغير في الإنثالبي. وكما نلاحظ، فإن التغير في الإنثالبي في المسار الأول مطابق للتغير في الإنثالبي في المسار الثاني. وهذا يجب ألا يكون مفاجئًا لأننا في كلتا الحالتين نبدأ بالمتفاعلات وننتهي بالنواتج.

التغير الكلي في الإنثالبي دائمًا ما تحدده المواضع النسبية للمتفاعلات والنواتج على مخطط الإنثالبي. قانون هس ملائم للغاية في الكيمياء لأنه يساعدنا على تحديد التغيرات في الإنثالبي للتفاعلات المختلفة. على سبيل المثال، قد لا نعرف التغير في الإنثالبي الناتج عن الانتقال مباشرة من المتفاعلات إلى النواتج. ولكن نظرًا لأن التغير في الإنثالبي ثابت في كلا المسارين، يمكننا حساب التغير في الإنثالبي الذي يهمنا دون إجراء تجربة، ما دمنا نعرف التغير أو التغيرات في الإنثالبي الحادثة في المسار الآخر.

دعونا نتناول كيف يمكننا استخدام قانون هس لحساب التغير في الإنثالبي لتفاعل كيميائي. سنفترض أننا نريد أن نعرف الإنثالبي القياسي لتكوين البنزين. تذكر أن الإنثالبي القياسي للتكوين هو التغير في الإنثالبي عندما يتكون مول واحد من المادة من عناصرها المكونة في حالاتها القياسية وفي الظروف القياسية. والظروف القياسية تعرف بأنها درجة حرارة مقدارها 298 كلفن، وضغط مقداره بار واحد. قد ترى أيضًا أنه يعبر عن الضغط في الظروف القياسية بالقيمة جو واحد؛ لأن القيمتين بار واحدًا وجوًّا واحدًا متشابهتان إلى حد ما.

لذا، إذا أردنا معرفة الإنثالبي القياسي لتكوين البنزين، فسنصف التفاعل الذي نكون فيه البنزين مباشرة من الكربون على شكل جرافيت وغاز الهيدروجين. يمكننا دومًا قياس التغير في الإنثالبي لأي تفاعل كيميائي بإجراء تجربة المسعرية الحرارية. لكن يستحيل تكوين البنزين من الجرافيت وغاز الهيدروجين؛ لذلك لا يمكننا قياس إنثالبي تكوين البنزين. ومع هذا، يمكننا قياس الإنثالبي القياسي لاحتراق كل نوع كيميائي في التفاعل. للتذكرة، الإنثالبي القياسي للاحتراق هو التغير في الإنثالبي عند الاحتراق الكامل لمول واحد من مادة في حالتها القياسية في الأكسجين في الظروف القياسية. إذن هذه هي التفاعلات الكيميائية التي علينا قياسها لتحديد إنثالبي الاحتراق لكل نوع من الأنواع الكيميائية.

سوف نستخدم هذه التفاعلات وقانون هس لحساب إنثالبي تكوين البنزين عن طريق بناء دورة هس. الخطوة الأولى في بناء دورة هس هي كتابة المعادلة الكيميائية التي تناظر التغير في الإنثالبي المطلوب معرفته. بعد ذلك، نحتاج إلى تضمين الأنواع الكيميائية المتضمنة في التفاعلات الأخرى التي نستخدمها لحساب التغير في الإنثالبي المطلوب. الشيء المهم الذي نحتاج إلى تضمينه هنا هو ناتجا تفاعلات الاحتراق هذه؛ وهما ثاني أكسيد الكربون والماء. يمكننا تضمين الأكسجين في دورة هس، ولكن هذا سيجعل الشاشة مزدحمة. كما أن هذه التفاعلات تجرى في فائض من الأكسجين؛ لذا فإن الأكسجين ليس النوع الكيميائي الأهم الذي يجب تضمينه في دورة هس هذه.

الأمر الثاني الذي نحتاج إلى عمله لبناء دورة هس هو رسم أسهم لربط المتفاعلات بالنواتج. يحترق الجرافيت في وجود الأكسجين لينتج ثاني أكسيد الكربون. ويحترق الهيدروجين في وجود الأكسجين لينتج الماء. ويحترق البنزين في وجود الأكسجين لينتج ثاني أكسيد الكربون والماء. بعد ذلك، سوف نكتب التغير في الإنثالبي الخاص بكل تفاعل من التفاعلات التي وضعنا عليها أسهمًا. هذا السهم يمثل احتراق الجرافيت. والتغير في الإنثالبي للتفاعل الذي يشير إليه هذا السهم هو التغير في الإنثالبي الناتج عن احتراق الجرافيت. لكن هناك ستة مولات من الجرافيت في التفاعل. لذا نحتاج إلى ضرب هذا التغير في الإنثالبي في ستة. وإنثالبي احتراق الجرافيت هو سالب 393.5 كيلوجول لكل مول.

يمثل هذا السهم التالي احتراق الهيدروجين. لذا فإن التغير في الإنثالبي للتفاعل الذي يشير إليه هذا السهم هو ثلاثة مضروبًا في إنثالبي احتراق الهيدروجين؛ لأن لدينا ثلاث ذرات من الهيدروجين في دورة هس هذه. وإنثالبي احتراق الهيدروجين هو سالب 285.8 كيلوجول لكل مول. وأخيرًا: يمثل السهم الأخير احتراق البنزين. لدينا مول واحد فقط من البنزين في دورة هس هذه. لذا فإن التغير في الإنثالبي للتفاعل الذي يشير إليه هذا السهم هو التغير في الإنثالبي لاحتراق البنزين، وهو سالب 3267 كيلوجول لكل مول.

والآن نحتاج إلى تكوين مسارين حول المخطط الخاص بنا حتى نتمكن من تطبيق قانون هس على دورة هس. عند تكوين هذين المسارين، يجب أن يتبع السهمان الاتجاه نفسه. لذا قد يبدأ أحد المسارين بالكربون والهيدروجين ويتبع الأسهم وصولًا إلى ثاني أكسيد الكربون والماء. وبالنسبة إلى المسار الآخر، سوف نبدأ ثانية بالكربون والهيدروجين ونكمل في الاتجاه المعاكس نحو ثاني أكسيد الكربون والماء.

ينص قانون هس على أن التغير في الإنثالبي لأحد المسارين يساوي التغير في الإنثالبي للمسار الثاني. إجمالي التغير في الإنثالبي للمسار الأول هو إنثالبي تكوين البنزين زائد إنثالبي احتراق البنزين؛ أي سالب 3267 كيلوجول لكل مول. إجمالي التغير في الإنثالبي للمسار الثاني هو مجموع ستة مضروبًا في سالب 393.5 كيلوجول لكل مول، وثلاثة مضروبًا في سالب 285.8 كيلوجول لكل مول.

والآن أصبح لدينا كل ما نحتاج إليه للحل لإيجاد إنثالبي تكوين البنزين. سنعزل أولًا إنثالبي التكوين بإضافة 3267 كيلوجول لكل مول لكلا الطرفين لدينا. يمكننا الآن إيجاد إنثالبي تكوين البنزين، وهو ما يعطينا 48.6 كيلوجول لكل مول. نحن نعرف الآن كيف نستخدم قانون هس لبناء دورات هس حتى نتمكن من حساب تغيرات الإنثالبي للتفاعلات التي نريدها.

لعل أكثر تطبيقات قانون هس شيوعًا هو حساب إنثالبي تفاعل كيميائي من إنثالبي التكوين. على سبيل المثال، دعونا نحدد التغير في الإنثالبي المرتبط بهذا التفاعل الكيميائي. هذا هو التفاعل المتضمن في التنفس الخلوي؛ حيث يستخدم الجلوكوز لإنتاج الطاقة لخلايانا. سنحتاج إلى إنثالبي التكوين لكل نوع كيميائي متضمن في هذا التفاعل. تذكر أن إنثالبي التكوين يتطابق مع تكوين كل نوع من الأنواع الكيميائية من العناصر المكونة له.

لبناء دورة هس في هذه الحالة، سوف نحتاج إلى تضمين العناصر التي تكون كل نوع كيميائي. قبل أن نفعل ذلك، سأزيل الإنثالبي القياسي لتكوين الأكسجين من هذا الجدول لنتمكن من توفير بعض المساحة على الشاشة. على أي حال، الإنثالبي القياسي لتكوين أي عنصر في حالته القياسية هو صفر. لذا فإنه لا يمنحنا الكثير من المعلومات هنا. لتكوين الأنواع الكيميائية بكلا طرفي معادلة التفاعل الكيميائي في حالاتها القياسية، سنحتاج إلى ست ذرات كربون في صورة جرافيت، وتسع ذرات من غاز الأكسجين، وست ذرات من غاز الهيدروجين.

الخطوة الثانية لبناء دورة هس هي ربط كل شيء عن طريق الأسهم. واتجاه الأسهم في دورة هس يجب أن يتطابق مع أسهم التفاعل في هذه التفاعلات التي تتطابق مع إنثالبي التكوين. يتكون الجلوكوز من الكربون والأكسجين والهيدروجين، ويتكون ثاني أكسيد الكربون من الأكسجين والكربون، ويتكون الماء من الهيدروجين والأكسجين. يجب ألا نشغل أنفسنا بتضمين غاز الأكسجين في دورة هس؛ لأن إنثالبي تكوين الأكسجين هو صفر.

بعد ذلك، سنوضح تغيرات الإنثالبي الصحيحة على الأسهم التي رسمناها لتونا. هذا السهم يمثل إنثالبي تكوين الجلوكوز، الذي يساوي سالب 1273.3 كيلوجول لكل مول. ويشير هذا السهم إلى إنثالبي تكوين ثاني أكسيد الكربون، وسيساوي ستة مضروبًا في إنثالبي تكوين ثاني أكسيد الكربون؛ لأن لدينا ستة مولات من ثاني أكسيد الكربون في معادلة التفاعل. وإنثالبي تكوين ثاني أكسيد الكربون هو سالب 393.5 كيلوجول لكل مول. وهذا السهم الأخير يشير إلى إنثالبي تكوين الماء. ومرة أخرى: سيساوي ستة مضروبًا في إنثالبي تكوين الماء؛ لأن لدينا ستة مولات من الماء في معادلة التفاعل. ويمكننا تضمين إنثالبي تكوين الماء، وهو سالب 285.8 كيلوجول لكل مول.

علينا الآن رسم مساراتنا حول دورة هس، والتأكد من تطابق اتجاه الأسهم. حسنًا، قد يسير أحد المسارين من هذا الطريق حول دورة هس، ويسير المسار الآخر من هذا الطريق. وفقًا لقانون هس، التغير في الإنثالبي لكلا المسارين يجب أن يكون متساويًا. إجمالي التغير في الإنثالبي للمسار الأول هو مجموع سالب 1273.3 كيلوجول لكل مول والإنثالبي القياسي للتفاعل الذي نريد قياسه. وإجمالي التغير في الإنثالبي للمسار الثاني هو مجموع ستة مضروبًا في سالب 393.5 كيلوجول لكل مول وستة مضروبًا في سالب 285.8 كيلوجول لكل مول.

حسنًا، يمكننا الآن الحل لإيجاد ‪𝛥𝐻‬‏ للتفاعل الكيميائي. بإمكاننا عزل التغير في الإنثالبي الذي نحاول إيجاده بإضافة 1273.3 كيلوجول لكل مول لكلا الطرفين لدينا. وبإجراء عمليات الضرب والجمع، نجد أن التغير في الإنثالبي للتفاعل يساوي سالب 2802.5 كيلوجول لكل مول.

فيما مضى، كان بمقدورنا حساب التغير في إنثالبي التفاعل باستخدام إنثالبي الروابط. هذا يعني أننا نأخذ مجموع إنثالبي الروابط للروابط التي تتكسر في المتفاعلات، ونطرح منه إنثالبي الروابط التي تتكون في النواتج. لقد عرفنا كيف نحسب نفس الكمية باستخدام الإنثالبي القياسي للتكوين. لكن أي الطريقتين أفضل؟ هل علينا حساب التغير في الإنثالبي لتفاعل ما باستخدام إنثالبي الروابط أم باستخدام إنثالبي التكوين؟

يمكننا استعراض قيم إنثالبي الروابط وإنثالبي التكوين في الجداول، واستخدامها لحساب إنثالبي التفاعل. ولكن من أين تأتي هذه القيم المجدولة؟ يقاس إنثالبي التكوين مباشرة في التجارب أو يحسب باستخدام بيانات تجريبية. وهذه التجارب تجرى في ظروف قياسية. إنثالبي الروابط هو ببساطة قيم متوسطة لرابطة من هذا النوع. ولكن في الواقع، يتغير إنثالبي الروابط وفقًا لبقية الجزيء الذي توجد فيه الرابطة. كما أن إنثالبي الروابط لا يقاس في الظروف القياسية. إذن الطريقة المثلى لحساب التغير في إنثالبي أي تفاعل كيميائي هي استخدام الإنثالبي القياسي للتكوين؛ لأنه أدق.

دعونا الآن نختتم هذا الفيديو بتلخيص ما تعلمناه. ينص قانون هس على أن التغير في الإنثالبي للتفاعل الكيميائي لا يعتمد على المسار الذي يسلكه. يمكننا استخدام دورات هس لحساب التغير في الإنثالبي. وعرفنا كيفية حساب إنثالبي التكوين من إنثالبي الاحتراق باستخدام دورات هس، وعرفنا أيضًا كيفية حساب إنثالبي التفاعل باستخدام إنثالبي التكوين. لكن يمكننا بناء دورات هس أكثر تعقيدًا لتفاعلات أخرى. ويمكننا أيضًا حساب التغير في الإنثالبي لتفاعل ما باستخدام إنثالبي الروابط، لكن النتائج لن تكون دقيقة كتلك الناتجة عن استخدام الإنثالبي القياسي للتكوين.

تستخدم نجوى ملفات تعريف الارتباط لضمان حصولك على أفضل تجربة على موقعنا. معرفة المزيد حول سياسة الخصوصية لدينا.