فيديو الدرس: التغيرات في الإنثالبي القياسي الكيمياء • الصف الأول الثانوي

نسخة الفيديو النصية

في هذا الفيديو، سوف نتعلم كيف نصف أنواعًا مختلفة من التغيرات في الإنثالبي القياسي، ونعرفها. قد يكون المعنى الدقيق لكلمة قياسي أمرًا محيرًا. في هذا الفيديو، سنرى كلمة قياسي مستخدمة في ثلاث حالات مختلفة، وهي: الظروف القياسية مثل درجة الحرارة القياسية والضغط القياسي، والحالات القياسية، والتغيرات في الإنثالبي القياسي. بشكل مفصل، يختلف معنى كلمة قياسي اختلافًا طفيفًا في كل من هذه الحالات. لكن بوجه عام، تعني كلمة قياسي أن ثمة اتفاقًا على كيفية تعريف هذه الأشياء. دعونا نبدأ.

تغير الإنثالبي ببساطة هو التغير في طاقة النظام الذي نلاحظه. إذا حدث تفاعل طارد للحرارة في النظام، فعادة ما تنكسر روابط، وتتكون روابط جديدة. تتحول الطاقة الكيميائية الكامنة إلى صور أخرى من الطاقة مثل الحرارة؛ ومن ثم تترك هذه الطاقة النظام وتنتقل إلى الوسط المحيط. هذا يعني أن إنثالبي النظام ينخفض. في التفاعل الماص للحرارة، تتحول صور أخرى من الطاقة، مثل الحرارة، إلى طاقة كيميائية كامنة في النظام. وتنتقل الطاقة من الوسط المحيط إلى النظام، وهو ما يزيد من إنثالبي النظام. نستخدم الرمز ‪Δ𝐻‬‏ للإشارة إلى التغير في الإنثالبي.

كل هذا يبدو رائعًا، لكن توجد مشكلة صغيرة. يمكن أن تختلف تغيرات الإنثالبي باختلاف درجة الحرارة والضغط. على سبيل المثال، قياس تغير الإنثالبي لتفاعل يحدث عند درجة حرارة 25 درجة سلزية قد يختلف اختلافًا طفيفًا عنه في نفس التفاعل عند درجة حرارة 50 درجة سلزية. وهذا هو سبب صياغة مفهوم التغيرات في الإنثالبي القياسي. التغير في الإنثالبي القياسي ببساطة هو التغير المتوقع في الإنثالبي الذي قد يحدث في تفاعل معين أو عملية معينة في ظروف قياسية. سترى غالبًا مصطلح الإنثالبي القياسي يستخدم بدلًا من التغير في الإنثالبي القياسي للتعبير عن نفس الشيء. لذا سنتناول دائمًا تغير الإنثالبي عند الحديث عن قيم الإنثالبي القياسي.

عند استخدام الظروف القياسية، تضاف هذه العلامة، التي تسمى بليمسول، إلى أعلى يمين رمز تغير الإنثالبي. الظرف القياسي ببساطة هو قيمة متفق عليها لظرف ما عند إجراء قياس معين. أحد أكثر الظروف القياسية شيوعًا هو تثبيت الضغط عند قيمة ضغط جوي واحد. وتستخدم أحيانًا أيضًا قيمة بار واحد التي تساويها تقريبًا. فالضغط الجوي الواحد يساوي 1.01325 بار. لا توجد درجة حرارة واحدة متفق عليها، لكن معظم قيم الإنثالبي القياسي تكون محددة عند 25 درجة سلزية، وهو ما يساوي 298.15 كلفن. بالنسبة إلى معظم قيم الإنثالبي القياسي، يمكنك افتراض أن درجة الحرارة 25 درجة سلزية ما لم يذكر غير ذلك.

بالنسبة إلى تغيرات الإنثالبي التي تتضمن مواد مذابة، نستخدم عادة تركيزًا مقداره مولار واحد. عند تفقد بيانات مختلفة، قد تجد تغيرات الإنثالبي مقيسة وفقًا لظروف قياسية مختلفة عن هذه. احرص على التحقق من معرفة أي منها هو المستخدم كي لا تخلط بينها. عند الحديث عن التغيرات في الإنثالبي القياسي، فكثيرًا ما ستتعرض لمصطلح الحالات القياسية. لكن ماذا يعني ذلك؟ نظرًا لصعوبة قياس الإنثالبي بشكل مباشر، فقد توصل العلماء إلى نظام خاص يتضمن نقطة مرجعية خاصة لكل مادة كيميائية. وهي طريقة يمكن أن يتفق عليها الجميع لتتبع التغيرات في الإنثالبي أثناء التفاعلات.

بالنسبة إلى معظم المواد الكيميائية، تكون الحالة القياسية بسيطة. فهي الحالة النموذجية للمادة الكيميائية عند ضغط جوي واحد و25 درجة سلزية. الحالة القياسية للماء ‪H2O‬‏ هي ‪H2O‬‏ السائل؛ لأن الماء يكون سائلًا عند ضغط جوي واحد و25 درجة سلزية. لكن، لسوء الحظ، خيارات الحالة القياسية للعناصر ليست كلها بسيطة. بالنسبة إلى بعض العناصر، عليك أن تتذكرها. وفيما يخص معظم العناصر مثل الهيدروجين، نختار الحالة النموذجية. وهو أمر سهل للغاية. الحالة القياسية للهيدروجين هي ‪H2‬‏ الغاز. ويتضح هذا أيضًا بالنسبة إلى عناصر مثل الهليوم، وهو ‪He‬‏ الغاز، و‪O2‬‏ الغاز، والصوديوم الصلب، والزئبق السائل؛ لأن هذه هي الحالات التي عادة ما نجد فيها هذه العناصر نقية عند 25 درجة سلزية وضغط جوي واحد.

بعض العناصر لها أكثر من صورة شائعة أو متآصل؛ لذا كان على العلماء الاتفاق على اختيار صورة واحدة منها. على سبيل المثال، للكربون عدة صور مستقرة عند ضغط جوي واحد و25 درجة سلزية، وتختلف هذه الصور اختلافات طفيفة في الإنثالبي الخاص بها. لذا اتفق العلماء على أن يكون الجرافيت هو الحالة القياسية للكربون. إذا التزمنا الدقة الشديدة، فلن تكون كتابة «كربون صلب» كافية عند حساب تغير الإنثالبي القياسي؛ لأنه لن يكون من الواضح الصورة التي يكون عليها الكربون الصلب.

سنستعرض الآن بعض أنواع التغير في الإنثالبي القياسي. أولًا، سنلقي نظرة على تغيرات الإنثالبي المرتبطة بتحول مادة من الحالة الصلبة إلى السائلة أو من الحالة السائلة إلى الغازية. النوع الأول هو الإنثالبي القياسي للانصهار، وهو تغير الإنثالبي الذي يحدث عندما تتحول مادة من حالتها الصلبة إلى السائلة عن طريق الانصهار. الضغط القياسي لهذه العملية هو ضغط جوي واحد، لكن درجة الحرارة هي درجة حرارة انتقال الحالة؛ أي درجة الحرارة التي تنصهر عندها المادة عادة.

على سبيل المثال، الإنثالبي القياسي لانصهار الماء هو 6.0 كيلو جول لكل مول. يمكننا كتابة معادلة هذه العملية على النحو الآتي. لدينا ماء صلب في الطرف الأيسر يتحول إلى ماء سائل في الطرف الأيمن عند ضغط جوي واحد وصفر درجة سلزية. نستخدم صفر درجة سلزية تحديدًا؛ لأنها درجة انصهار الماء. الانصهار عملية ماصة للحرارة. فنحتاج إلى طاقة لتحويل الصلب إلى سائل؛ ومن ثم يكون تغير الإنثالبي موجبًا. يرجع ذلك إلى أن الأمر يتطلب طاقة للتغلب على القوى بين الجزيئية في الحالة الصلبة للمادة لتحويلها إلى حالتها السائلة.

والعملية العكسية هي التصلب أو التجمد، وهو التحول من سائل إلى صلب. يمكننا وصف الإنثالبي القياسي للتصلب بأنه تغير الإنثالبي الذي يحدث عندما تتجمد المادة عند الضغط القياسي وعند درجة انصهار المادة لكل مول منها. بالنسبة إلى مادة مثل الماء، تكون درجة الانصهار ودرجة التجمد واحدة، وسنظل نستخدم الضغط الجوي الواحد قيمة للضغط القياسي. الإنثالبي القياسي للتصلب يساوي الإنثالبي القياسي للانصهار لكن بإشارة سالبة. فالإنثالبي القياسي لتصلب الماء سالب، والعملية طاردة للحرارة؛ لأن تكوين الروابط بين الجزيئية يطلق طاقة إلى الوسط المحيط. إذن فنحن نتناول العملية نفسها، لكن في اتجاه عكسي.

يسمى التغير في الإنثالبي القياسي المرتبط بغليان المادة الإنثالبي القياسي للتبخر. والإنثالبي القياسي للتبخر هو تغير الإنثالبي الذي يحدث عندما تغلي المادة عند الضغط القياسي وعند درجة غليان المادة لكل مول منها. فيساوي الضغط ضغطًا جويًّا واحدًا، وتعتمد درجة الغليان على المادة. الإنثالبي القياسي لتبخر الماء يساوي 40.7 كيلو جول لكل مول. وهذه عملية ماصة للحرارة أيضًا؛ لأننا نحتاج إلى طاقة لكسر الروابط بين الجزيئية. تمثل المعادلة الكيميائية تحول الماء من حالته السائلة إلى حالته الغازية عند ضغط جوي واحد و100 درجة سلزية، وهي درجة غليان الماء.

العملية العكسية للتبخر هي التكثيف. والإنثالبي القياسي للتكثيف هو تغير الإنثالبي الذي يحدث عندما تتكثف مادة عند الضغط القياسي وعند درجة غليان المادة لكل مول منها. فيساوي الضغط ضغطًا جويًّا واحدًا، وتعتمد درجة الغليان على المادة ويمكن أن تحل درجة التكثيف محلها لأنهما متساويتان. الإنثالبي القياسي لتكثيف الماء يساوي سالب الإنثالبي القياسي لتبخر الماء. إذن فهو يساوي سالب 40.7 كيلو جول لكل مول. هذه عملية طاردة للحرارة؛ حيث تنبعث الطاقة في صورة قوى بين جزيئية بين جزيئات الغاز عندما يتحول الماء إلى سائل. وتظل درجة الحرارة خلال هذه العملية ثابتة عند 100 درجة سلزية، وهي درجة غليان الماء.

توجد تغيرات في الإنثالبي مرتبطة بالتسامي والترسب، لكننا لن نتناولها في هذا الفيديو. بدلًا من ذلك، سنلقي نظرة سريعة على منحنيات الحرارة، وهي إحدى الطرق التي يمكننا من خلالها فهم التغير في الإنثالبي المرتبط بتغير الحالة. في هذا المثال، سنتخيل أننا نسخن الماء ونقيس درجة الحرارة. درجة انصهار الماء هي صفر درجة سلزية؛ ومن ثم يكون الماء صلبًا حتى يصل إلى هذه الدرجة. درجة غليان الماء هي 100 درجة سلزية؛ ومن ثم يكون الماء سائلًا بين صفر و100 درجة سلزية. وعندما ترتفع درجة حرارة الماء عن 100 درجة سلزية، يصبح غازًا.

سنقيس الطاقة بالنسبة إلى كمية الماء التي لدينا بالمول. قد تصادف مواقف يكون لديك فيها كتلة أو حجم من الماء، وتحتاج في هذه الحالة إلى حساب الكمية لكل مول عن طريق إجراء العمليات الحسابية المناسبة. هذا شكل المنحنى في الظروف المثالية. لا يستهلك تسخين الثلج قدرًا كبيرًا من الطاقة؛ ومن ثم فإن هذا الجزء من المنحنى يكون شديد الانحدار. عند درجة انصهار الثلج، بدلًا من استخدام الطاقة لزيادة درجة الحرارة، سنستخدم الطاقة لكسر القوى بين الجزيئية. الفرق في الطاقة بالكيلو جول لكل مول بين بداية هذا الجزء ونهايته يكافئ الإنثالبي القياسي لانصهار الماء.

في الجزء الآتي، سنضيف طاقة إلى الماء السائل لتسخينه. لكن بمجرد أن نصل إلى درجة غليان الماء، سنحتاج إلى إضافة طاقة لكسر القوى بين الجزيئية بين جزيئات الماء لتحويلها إلى غاز. يمكننا بعد ذلك حساب الإنثالبي القياسي لتبخر الماء من طول هذا الجزء. وعند نقطة نهاية هذا الجزء، ستساهم الطاقة الإضافية في ارتفاع درجة حرارة البخار. قد ترى نماذج من هذا المنحنى تكون فيها العناصر أو بعضها مصغرة أو مكبرة لتسهيل قراءتها.

بعد ذلك، سنلقي نظرة على تغيرات الإنثالبي المرتبطة بذوبان المواد. عندما تذوب مادة في مذيب، يحدث تغير مصاحب في الإنثالبي. يسمى ذلك بالإنثالبي القياسي للمحلول أو الذوبان. وهما يعنيان الشيء نفسه. عندما يذوب مول واحد من كلوريد الصوديوم في الماء عند 25 درجة سلزية، يكون تغير الإنثالبي 3.9 كيلو جول. بالنسبة إلى كلوريد الصوديوم، تكون الإذابة عملية ماصة للحرارة. يمكن تقسيم العملية الكلية إلى ثلاث مراحل منفصلة مع تغيرات الإنثالبي المصاحبة. في الخطوة الأولى، لدينا بلورة كلوريد صوديوم صلبة وجزيئات ماء، وعلينا توفير مساحة بين جزيئات الماء لأيونات الصوديوم والكلوريد. وهذا يتطلب طاقة. يمكننا أن نطلق على تغير الإنثالبي لهذه العملية الماصة للحرارة ‪Δ𝐻‬‏ واحدًا.

في الخطوة الثانية، علينا تقسيم الشبيكة البلورية إلى أيونات صوديوم وكلوريد. هذه العملية ماصة للحرارة أيضًا. في الخطوة الثالثة، نجمع جزيئات الماء وأيونات الصوديوم والكلوريد معًا، وهو ما يسمح لها بتكوين روابط بعضها بين بعض. وهذه العملية طاردة للحرارة. بالنسبة إلى كلوريد الصوديوم، يعني توازن مساهمات الطاقة هذه أن الطاقة مطلوبة بوجه عام. والطاقة المنبعثة من اتحاد جزيئات الماء وأيونات الصوديوم والكلوريد غير كافية لتعويض الطاقة اللازمة لفصل جزيئات الماء في المذيب وفصل أيونات الصوديوم والكلوريد في الشبيكة البلورية.

التعريف الكامل لهذا الإنثالبي القياسي للمحلول هو تغير الإنثالبي الذي يحدث عندما تذوب المادة في مذيب لتكوين محلول مخفف بدرجة لا نهائية لكل مول من المادة. والمحلول المخفف بدرجة لا نهائية هو مفهوم نظري يشير إلى عدم حدوث تداخلات بين مذابين. من الناحية العملية، يستحيل إجراء قياس كهذا؛ لذا يمكننا حساب القيمة بناء على بيانات من محاليل حقيقية. يوجد أيضًا إنثالبي قياسي للتخفيف المرتبط بمحاليل حقيقية؛ حيث تتحول من تركيزها الحالي إلى صورة مخففة بدرجة لا نهائية.

عندما نذيب غاز كلوريد الهيدروجين في الماء، يكون تغير الإنثالبي المرتبط بتكوين محلول مخفف بدرجة لا نهائية هو سالب 74.8 كيلو جول لكل مول. لكن، على سبيل المثال، إذا كان لدينا مول واحد من ‪HCl‬‏ مذاب في مول واحد من الماء، فإن إنثالبي التخفيف يساوي سالب 29.2 كيلو جول لكل مول فقط. إذن نحصل على معظم الطاقة عندما نكون محلولًا مركزًا، ونحصل على الجزء الباقي بالتخفيف اللانهائي. ومن ثم فإن الإنثالبي القياسي للتخفيف هو تغير الإنثالبي الذي يحدث عندما يخفف محلول مادة ما بدرجة لا نهائية لكل مول من المادة.

بعد ذلك، سنتناول الاحتراق. إذا أحرقنا الميثان بشكل تام في وجود الأكسجين عند ضغط جوي واحد و25 درجة سلزية، يكون تغير الإنثالبي سالب 882.0 كيلو جول لكل مول من الميثان. الإنثالبي القياسي لاحتراق المادة هو تغير الإنثالبي الذي يحدث عندما تحترق المادة احتراقًا تامًّا في وجود الأكسجين عند الضغط القياسي ودرجة الحرارة القياسية لكل مول من المادة. ونفترض أن المواد في حالاتها القياسية ما لم يذكر غير ذلك. فيكون الميثان والأكسجين وثاني أكسيد الكربون غازات، ويكون الماء سائلًا. تذكر أننا نفترض ثبات درجة الحرارة؛ لذا تنتقل أي حرارة ناتجة عن التجربة إلى الوسط المحيط، ويصبح لدينا الماء في حالته السائلة بدلًا من حالته الغازية.

النوع الأخير للتغير في الإنثالبي القياسي الذي سنتناوله هو الإنثالبي القياسي للتكوين. الإنثالبي القياسي للتكوين هو تغير الإنثالبي الذي يحدث عندما تتكون المادة من عناصرها في الظروف القياسية لكل مول من المادة، مع افتراض أن تكون العناصر في حالاتها القياسية. وكالمعتاد، يكون الضغط القياسي المفترض ضغطًا جويًّا واحدًا، ودرجة الحرارة القياسية المفترضة 25 درجة سلزية. هذه هي الطريقة التي نكون بها المعادلة الكيميائية لتكوين الميثان. الحالة القياسية للميثان عند 25 درجة سلزية هي الحالة الغازية، ويتكون الميثان من ذرات الكربون والهيدروجين. الحالة القياسية للكربون هي الجرافيت الصلب، والحالة القياسية للهيدروجين هي ‪H2‬‏ الغاز؛ لذا سنحتاج إلى جزيئين منه لكل جزيء من الميثان.

الإنثالبي القياسي لتكوين الميثان هو سالب 74.9 كيلو جول لكل مول. وهذا التفاعل طارد للحرارة، وهو ما يعني أن الميثان أكثر استقرارًا من العناصر المكونة له في حالاتها القياسية. يمكن أن يكون إنثالبي التكوين ماصًّا للحرارة، وهو ما يشير إلى أن الناتج أقل استقرارًا من العناصر المكونة للمادة في حالاتها القياسية. وفقًا للتعريف، الإنثالبي القياسي لتكوين عنصر موجود بالفعل في حالته القياسية هو صفر. ففي نهاية المطاف، إذا لم يتغير شيء، لا يمكن أن يوجد تغير في الإنثالبي.

لقد تناولنا الكثير من المعلومات في هذا الفيديو؛ لذا دعونا نخصص بعض الوقت لاستعراض النقاط الرئيسية. أولًا، الظرف القياسي ببساطة هو أي ظرف يكون لدينا فيه قيمة ثابتة متفق عليها لإجراء القياسات. على سبيل المثال، عادة ما نثبت الضغط عند ضغط جوي واحد، ودرجات الحرارة عند 25 درجة سلزية، والتركيزات عند مولار واحد. ينتج عن الظروف القياسية عادة الحالات المرجعية التي نسميها الحالات القياسية للمادة. الحالة القياسية هي حالة مرجعية متفق عليها، وتستند عادة إلى حالة المادة عند ضغط جوي واحد و25 درجة سلزية. أي تغير في الإنثالبي القياسي ببساطة هو تغير إنثالبي نشأ تحت ظروف قياسية مثل الضغط ودرجة الحرارة، مع افتراض أن المواد في حالاتها القياسية ما لم يذكر غير ذلك. ونعبر عن ذلك لكل مول من المادة، ويكون عادة بالكيلو جول لكل مول.

لدينا تغيرات في الإنثالبي القياسي للحالة، مثل الإنثالبي القياسي للانصهار من صلب إلى سائل؛ والعكس؛ أي التصلب؛ والتبخر الذي يمثل التحول من سائل إلى غاز؛ والتكثيف الذي يمثل العكس. ولدينا التغير في الإنثالبي القياسي للمحلول، الذي يحدث عندما نخفف مادة بدرجة لا نهائية باستخدام مذيب. ولدينا الإنثالبي القياسي للتخفيف، وهو تغير الإنثالبي الذي يحدث عندما يخفف محلول حقيقي بدرجة لا نهائية. ويوجد الإنثالبي القياسي للاحتراق، وهو تغير الإنثالبي الذي يحدث عندما نفاعل مادة بشكل تام مع الأكسجين، وهناك أيضًا الإنثالبي القياسي للتكوين الذي يحدث عندما نكون مادة من عناصرها في حالاتها القياسية.