فيديو الدرس: التفاعلات الطاردة والماصة للحرارة الكيمياء

نسخة الفيديو النصية

في هذا الفيديو، سوف نستعرض معنى مصطلحي طارد للحرارة وماص للحرارة عند تطبيقهما على التفاعلات، ونفحص انتقالات الطاقة المرتبطة بهما.

لننظر إلى أبسط تفاعل ممكن، وهو تكوين رابطة أحادية بين ذرتي هيدروجين. عادة، تتكون نواة ذرة الهيدروجين من بروتون واحد، ولا تحتوي على أي نيوترونات، بينما يوجد إلكترون واحد في السحابة الإلكترونية. عندما تقترب ذرتا الهيدروجين إحداهما من الأخرى، ينجذب إلكترون كل ذرة إلى نواة الذرة الأخرى. وعندما يقتربان بما يكفي، تتكون رابطة تساهمية؛ وتتم مشاركة الإلكترونين بين النواتين.

لكن الطاقة لا تفنى ولا تستحدث من العدم. لذا عند ارتباط الذرتين معًا، لا بد أن تظل الطاقة موجودة بأكملها. وتتحول كل الطاقة الكيميائية الموجودة في الذرتين وهما منفصلتان إلى طاقة حركية عند دورانهما أو اهتزازهما في صورة جزيء. وعندما يؤثر جزيء الهيدروجين العالي الطاقة المثار على جزيئات أخرى، يفقد جزءًا من هذه الطاقة ويصبح جزيء الهيدروجين أكثر استقرارًا. إذن، بشكل عام، تتحول الطاقة الكيميائية الكامنة في المتفاعلات إلى طاقة حركية، وهذه الطاقة تفقد في الوسط المحيط في صورة حرارة على الأرجح. إذا نظرنا إلى جزيء الهيدروجين بمفرده، نجده أكثر استقرارًا من الذرتين المنفصلتين. لذا، بصفة عامة، يمكننا أن نقول إن تكوين الرابطة يطلق طاقة.

لكن ماذا عن العكس؟ إن عكس تكوين الرابطة هو تفكك الرابطة، وهو ما يعرف أيضًا بكسر الرابطة. لنتناول جزيء الهيدروجين المستقر من الجزء السابق. يمكننا أن نرسل جسيمًا ذا قدر كبير من الطاقة الكيميائية إلى هذا الجزيء؛ ما يؤدي إلى إثارته. وإذا كانت الظروف مناسبة، يمكننا تفكيك جزيء الهيدروجين، وتتحول الطاقة الحركية إلى طاقة كيميائية كامنة. هذا يعني أننا إذا كنا نتحدث عن الجزيء والذرات فقط، فإن تفكك الرابطة يتطلب طاقة خارجية، لذا عادة ما نصفه بأنه ماص للطاقة. وغالبًا ما تأتي هذه الطاقة من الوسط المحيط. والمصطلحان اللذان سنستخدمهما من الآن فصاعدًا هما طارد للحرارة وماص للحرارة. ولكن ماذا يعني هذان المصطلحان بالضبط؟

يحتوي كلا المصطلحين على كلمة حرارة. والسبب في هذا هو أن معظم الطاقة المنتقلة في التفاعلات تكون في الغالب طاقة حرارية، التي نسميها عادة الحرارة. يحتوي الجسم الساخن على طاقة حرارية أكثر من الجسم البارد. وبطبيعة الحال، ستتدفق هذه الطاقة من الجسم الساخن إلى الجسم البارد؛ لذا من الطبيعي أن نفكر في الطاقة التي تدخل إلى نظام أو تخرج منه بوصفها طاقة حرارية. مصطلح طارد للحرارة بالإنجليزية هو ‪exothermic‬‏، وتعني البادئة ‪exo‬‏ خارجيًا أو خارج. أما مصطلح ماص للحرارة بالإنجليزية فهو ‪endothermic‬‏، وتعني البادئة ‪endo‬‏ داخل أو في. ومن ثم، من المنطقي تمامًا أن يعني مصطلح طارد للحرارة خروج طاقة حرارية، ومصطلح ماص للحرارة دخول طاقة حرارية.

لكن الكيميائيين يدركون أن هناك أشكالًا عديدة للطاقة تتضمنها التفاعلات، مثل الضوء والصوت. لذا في الواقع، طارد للحرارة تعني خروج طاقة من أي نوع، وماص للحرارة تعني دخول طاقة من أي نوع. عليك فقط أن تتذكر أن عبارة «للحرارة» لا تعني ما تتوقعه فقط. بالعودة إلى ما كنا نتحدث عنه فيما يخص الروابط، فإنه أثناء تكوين الرابطة، تتحول الطاقة الكيميائية الكامنة إلى أشكال أخرى من الطاقة التي تنطلق؛ ومن ثم يعد تكوين الروابط طاردًا للحرارة. على الجانب الآخر، يعد تفكك الروابط، وهو العملية المعاكسة، ماصًا للحرارة. وبهذا نكون قد عرفنا معنى مصطلحي طارد للحرارة وماص للحرارة في الروابط الأحادية. لكن ماذا عن التفاعلات الأكثر تعقيدًا؟

عادة عندما تحدث التفاعلات الكيميائية، تنكسر روابط في المتفاعلات، وتتكون بعد ذلك روابط في النواتج. نطلق على أي مواد تنشأ خلال التفاعل اسم المواد الوسيطة رغم أن الاسم لا يهم كثيرًا. يمكننا تسمية الطاقة الكلية اللازمة لكسر الروابط القديمة الطاقة الداخلة، والطاقة الكلية التي نحصل عليها عند تكون الروابط الجديدة الطاقة الخارجة. إذا كانت كمية الطاقة الخارجة أكبر من الطاقة الداخلة، فهذا يعني انطلاق طاقة في المجمل ويكون التفاعل طاردًا للحرارة. أما إذا كانت الطاقة الداخلة أكبر من الطاقة الخارجة، فهذا يعني امتصاص طاقة في المجمل، ويكون التفاعل ماصًا للحرارة.

تعد تفاعلات الاحتراق، مثل احتراق الميثان، أمثلة جيدة على التفاعلات الطاردة للحرارة. تكون الروابط في النواتج أقوى منها في المتفاعلات، وبالتالي نلاحظ بشكل عام انطلاقًا للطاقة إلى الوسط المحيط. ونلاحظ أيضًا انطلاق الطاقة أثناء تغير حالات المادة؛ على سبيل المثال، عندما يتحول سائل إلى مادة صلبة، مثلما يتجمد الماء، تنطلق كمية صغيرة من الطاقة إلى الوسط المحيط. ومن أمثلة التفاعلات الماصة للحرارة تفكك كربونات الكالسيوم، وهي عملية ضرورية في إنتاج الإسمنت. يتطلب هذا قدرًا هائلًا من الطاقة. من ناحية أخرى، يعد ذوبان الجليد أكثر اعتدالًا ولا يتطلب نفس مقدار الطاقة التي يتطلبها تفكك كربونات الكالسيوم، لكنه عملية ماصة للحرارة.

عند الحديث عن التفاعلات، لا نهتم في الغالب سوى بالمتفاعلات والنواتج ولا شيء غير ذلك. نسمي المتفاعلات والنواتج النظام. وأي شيء آخر نسميه الوسط المحيط. وفي كثير من الأحيان عندما نتحدث عن الطاقة، لا نقصد سوى طاقة النظام. تزيد الطاقة الداخلة طاقة النظام، والطاقة الخارجة تقللها. إذن، بالنسبة إلى الطاقة الداخلة، يكون التغير في الطاقة موجبًا. وبالنسبة إلى الطاقة الخارجة، يكون التغير في الطاقة سالبًا. إذن، في المجمل، إذا انطلقت طاقة، تقل طاقة النظام، ويصبح التغير في الطاقة سالبًا، ويكون التفاعل طاردًا للحرارة. على الجانب الآخر، إذا امتصت طاقة في المجمل، تزيد طاقة النظام، ويصبح التغير في الطاقة موجبًا، ويكون التفاعل ماصًا للحرارة.

يمكننا أيضًا التحدث عن طاقة النظام من منظور الإنثالبي. هذا خارج نطاق هذا الفيديو، لكن ينطبق المبدأ نفسه بالضبط عندما نتحدث عن التفاعلات الطاردة للحرارة والماصة للحرارة. إذن، في أي تفاعل طارد للحرارة، يكون التغير في الإنثالبي سالبًا؛ فيقل إنثالبي النظام بسبب انطلاق الطاقة إلى الوسط المحيط، بينما في التفاعل الماص للحرارة يكون التغير في الإنثالبي موجبًا؛ فيزيد إنثالبي النظام بسبب امتصاص الطاقة من الوسط المحيط.

سبق أن ناقشنا أنه ليس من الضروري أن تكون الطاقة حرارية كي يتم تبادلها بين النظام والوسط المحيط. ومع ذلك، ما يزال بإمكاننا بوجه عام استخدام التغير في الطاقة للتنبؤ بما إذا كان الوسط المحيط سيزداد حرارة أم برودة. إذا لاحظنا أن الوسط المحيط يزداد حرارة بسبب أحد التفاعلات، فمن المؤكد أن التفاعل طارد للحرارة والعكس بالعكس. أما إذا زادت برودة الوسط المحيط، فيكون التفاعل ماصًا للحرارة. الآن، وبعد أن عرفنا الكثير عن العمليات الماصة للحرارة والطاردة للحرارة، فلنتناول بعض التدريبات.

انظر إلى معادلة التفاعل الكيميائي التالية. ‏‏‪H‬‏ زائد ‪H‬‏ يتفاعلان ليكونا ‪H‬‏ رابطة أحادية ‪H‬‏. هل هذا التفاعل ماص للحرارة أم طارد للحرارة؟

توضح معادلة التفاعل أننا نكون رابطة بين ذرتي هيدروجين، إذن هذا مثال على تكوين رابطة. وبوجه عام، تنطلق الطاقة إلى الوسط المحيط عند تكوين الروابط. في التفاعل الماص للحرارة، تمتص الطاقة. وفي التفاعل الطارد للحرارة، تنطلق الطاقة. إذن، في هذا التفاعل، بما أننا نكون رابطة أحادية فقط ولا نكسر أي روابط على الإطلاق، فإن هذا التفاعل طارد للحرارة.

حسنًا، كان ذلك سؤالًا سهلًا نسبيًا. لنتناول سؤالًا أصعب.

تفاعل كيميائي له إنثالبي تفاعل مقداره موجب ‪430‬‏ كيلوجول لكل مول. هل التفاعل ماص للحرارة أم طارد للحرارة؟

لدينا هنا تفاعل كيميائي غير معروف تتحول فيه المتفاعلات إلى نواتج، والتغير في الإنثالبي موجب. ما يعنيه هذا هو أنه بسبب التفاعل، لا بد أن تكون الطاقة التي دخلت النظام أكثر من التي خرجت منه. التفاعل الماص للحرارة هو تفاعل تكون فيه الطاقة الداخلة أكبر من الطاقة الخارجة. وعادة ما يكون هذا مصحوبًا بانخفاض في درجة حرارة الوسط المحيط. على الجانب الآخر، التفاعل الطارد للحرارة هو التفاعل الذي تكون فيه الطاقة المنطلقة أكبر من الطاقة الممتصة. وهذا عادة ما يكون مصحوبًا بزيادة في درجة حرارة الوسط المحيط.

بما أن التغير في الإنثالبي موجب، فإن الإنثالبي بعد التفاعل يكون أكبر من الإنثالبي قبل التفاعل. إذن، فهذا التفاعل، حسب التعريف، ماص للحرارة على الرغم من أننا لا نعرف ما المتفاعلات وما النواتج.

والآن، فلنختم حديثنا بمراجعة النقاط الأساسية. في التفاعلات الطاردة للحرارة، تكون الطاقة المنطلقة أكبر من الطاقة الممتصة. في التفاعلات الطاردة للحرارة، تنخفض الطاقة الكلية للنظام. وبالتالي، يكون التغير في الطاقة سالبًا، والتغير في الإنثالبي سالبًا، وتزداد حرارة الوسط المحيط بوجه عام. يعد تكوين الروابط مثالًا لعملية طاردة للحرارة. على الجانب الآخر، في التفاعلات الماصة للحرارة، تكون الطاقة الممتصة أكبر من الطاقة المنبعثة. في العمليات الماصة للحرارة، تزداد الطاقة الكلية للنظام. وبالتالي، يكون التغير في طاقة النظام موجبًا، والتغير في الإنثالبي موجبًا، ويبرد الوسط المحيط بوجه عام. وأخيرًا، يعد تفكك الروابط أو كسرها مثالًا للعمليات الماصة للحرارة.