فيديو السؤال: التغيرات في طاقة الروابط في أكسدة أندروسوف الكيمياء • الصف الأول الثانوي

نسخة الفيديو النصية

في أكسدة أندروسوف، يتفاعل الميثان والأمونيا والأكسجين لإنتاج سيانيد الهيدروجين ‪(HCN)‬‏ والماء. يوضح الجدول طاقات بعض من الروابط المختارة. اكتب معادلة كيميائية موزونة لهذا التفاعل.

في هذا الجزء من السؤال، لا داعي لأن نكون على دراية بأكسدة أندروسوف. كل ما علينا فعله هو تحديد أن المتفاعلات هي الميثان والأمونيا والأكسجين، وأن الناتجين هما سيانيد الهيدروجين والماء. وبما أن المطلوب منا هو تكوين معادلة كيميائية موزونة، فعلينا معرفة الصيغ الكيميائية لجميع المكونات.

الميثان هو أبسط الهيدروكربونات وصيغته ‪CH4‬‏. رمز الأمونيا هو ‪NH3‬‏. ويشير الأكسجين هنا إلى جزيء الأكسجين ‪O2‬‏. ولدينا بالفعل رمز سيانيد الهيدروجين، ‪HCN‬‏. والماء صيغته ‪H2O‬‏. يمكننا الآن كتابة المعادلة الكيميائية، بداية من الميثان والأمونيا والأكسجين باعتبارها المتفاعلات، وصولًا إلى سيانيد الهيدروجين والماء باعتبارهما النواتج. يمكننا الآن المواصلة لوزن المعادلة الكيميائية.

لدينا مكافئ واحد من الكربون في كلا طرفي المعادلة، وإجمالي سبع ذرات من الهيدروجين في الطرف الأيسر وثلاث ذرات من الهيدروجين في الطرف الأيمن، وذرة نيتروجين واحدة في كلا الطرفين، ومكافئان من الأكسجين في الطرف الأيسر ومكافئ واحد في الطرف الأيمن. الكربون والنيتروجين موزونان، بينما الأكسجين والهيدروجين غير موزونين. ستكون موازنة الهيدروجين معقدة كثيرًا؛ لأنه يظهر في متفاعلين وناتجين. من ناحية أخرى، يظهر الأكسجين في متفاعل واحد وناتج واحد. لنبدأ إذن بموازنة الأكسجين.

إذا أضفنا جزيء ماء آخر إلى الطرف الأيمن، فإننا نضاعف بذلك كمية الأكسجين، ويصبح لدينا مكافئان في كلا الطرفين. أصبح بذلك الأكسجين موزونًا. لكن الهيدروجين غير موزون. لدينا سبعة مكافئات في الطرف الأيسر وخمسة فقط في الطرف الأيمن. أصبحت هذه الآن معادلة يصعب وزنها. ونظرًا لوجود الهيدروجين في العديد من المكونات، فقد نجرب العديد من الاحتمالات المختلفة ولا نصل إلى أي نتيجة.

لكننا نعلم أنه لا يمكننا في الوقت الحالي أن نجعل النظام موزونًا باستخدام مكافئ واحد فقط من الميثان والأمونيا والأكسجين وسيانيد الهيدروجين. وأسهل طريقة لتخطي هذه العقبة هي ببساطة أن نجرب إضافة القليل من الميثان. هذه الخطوة تجعل الكربون غير موزون؛ ولذا علينا إضافة جزيء آخر من سيانيد الهيدروجين لموازنة ذرات الكربون. لكن هذا يجعل النيتروجين غير موزون. ويمكن تصحيح ذلك عن طريق مضاعفة كمية الأمونيا، وبذلك يصبح عدد مكافئات النيتروجين في كلا الطرفين اثنين.

أصبحت لدينا الآن معادلة جديدة يمكننا محاولة وزنها. وبما أننا نستخدم الأكسجين في صورته النقية، يمكننا تغيير كمية الأكسجين لموازنة أي كمية من الأكسجين في طرف النواتج. إذن، ما يمكننا فعله هو تغيير كمية الماء التي لدينا لموازنة الهيدروجين ثم تغيير كمية الأكسجين لموازنة ذرات الأكسجين مرة أخرى. لدينا 14 ذرة من الهيدروجين في طرف المتفاعلات، ولكن ستة فقط في طرف النواتج. إذا رفعنا إجمالي جزيئات الماء إلى ستة، فسيكون لدينا 12 ذرة من الهيدروجين مصدرها الماء، واثنان مصدرهما سيانيد الهيدروجين، وهذا يعطينا العدد 14 الذي نحتاجه في طرف النواتج لوزن المعادلة.

لكن هذا جعل الأكسجين غير موزون الآن. يمكن إصلاح ذلك عن طريق إضافة جزيئين آخرين من الأكسجين إلى طرف المتفاعلات، وهو ما يعطينا ستة مكافئات من الأكسجين في كلا الطرفين؛ ما يعني أن المعادلة أصبحت موزونة الآن. وهذا يعطينا المعادلة النهائية: يتفاعل 2CH4 زائد 2NH3 زائد 3O2 لتكوين 2HCN زائد 6H2O. حسنًا، كان من الممكن أن نزن المعادلة دون مضاعفة كمية الميثان، ولكن هذا كان سيعني إدخال حد كسري. بإضافة هذا الجزيء ونصف من الأكسجين، تصبح المعادلة موزونة، وهذه إجابة صحيحة تمامًا. لكنني أفضل كتابة المعادلة بأعداد صحيحة كاملة. وطالما أصبحت لديك معادلة كيميائية موزونة، فإجابتك صحيحة.

احسب تغير الطاقة الكلي في طاقة الرابطة لهذا التفاعل لكل مول من سيانيد الهيدروجين الناتج.

للإجابة عن هذا الجزء من السؤال، علينا الرجوع إلى المعادلة الكيميائية الموزونة في الجزء أ. تشير طاقات الروابط المذكورة في الجدول إلى كمية الطاقة اللازمة لكسر الروابط. على سبيل المثال، يلزم 142 كيلو جول لكسر مول واحد من الروابط الأحادية بين ذرتي أكسجين. إذن، ما علينا فعله في هذا السؤال هو تحديد الروابط في المتفاعلات والنواتج، وإيجاد طاقاتها، ثم إيجاد الفرق.

الخطوة الأولى هي حساب طاقة المتفاعلات. يمكننا إذن البدء بالميثان، الذي له هذه البنية. يحتوي جزيء واحد من الميثان على أربعة من الرابطة الأحادية ‪CH‬‏. وبما أن لدينا جزيئين من الميثان، فهذا يعني أن لدينا اثنين في أربعة من الرابطة ‪CH‬‏. هذه هي بنية الأمونيا. إذن، يحتوي جزيء واحد من الأمونيا على ثلاثة من الرابطة ‪NH‬‏. وهذا يعني أن جزيئي الأمونيا يحتويان على اثنين في ثلاثة من الرابطة ‪NH‬‏.

وأخيرًا، بالنسبة إلى طرف المتفاعلات، لدينا جزيء أكسجين تتكون بنيته من ذرتي أكسجين بينهما رابطة مزدوجة. وبما أن لدينا ثلاثة مكافئات من الأكسجين، فهذا يعني أن لدينا ثلاثة مكافئات من الرابطة المزدوجة بين ذرتي الأكسجين. إذن هذه هي الروابط بين المتفاعلات مجتمعة. ونريد أن نطرح من ذلك طاقات الروابط المتكونة بين النواتج. سيانيد الهيدروجين له هذه البنية. إذن، يحتوي جزيء واحد من سيانيد الهيدروجين على رابطة أحادية واحدة ‪HC‬‏، ورابطة ثلاثية واحدة ‪CN‬‏. إذن، في جزيئي سيانيد الهيدروجين، لدينا اثنان من الرابطة ‪HC‬‏ واثنان من الرابطة الثلاثية ‪CN‬‏.

وأخيرًا، نأتي إلى الماء. يحتوي جزيء واحد من الماء على اثنتين من الرابطة ‪OH‬‏. إذن، في ستة جزيئات من الماء، لدينا ستة في اثنين من الرابطة ‪OH‬‏. أصبح لدينا الآن جميع الروابط المتكونة بين النواتج. الخطوة التالية هي التعويض بالقيم الواردة في الجدول: 411 للروابط ‪CH‬‏، و386 للروابط ‪NH‬‏، و494 للروابط المزدوجة بين ذرتي الأكسجين، و411 للروابط ‪HC‬‏، و887 للروابط الثلاثية ‪CN‬‏، وأخيرًا، 459 للروابط بين ذرتي الأكسجين والهيدروجين.

الخطوة التالية هي إيجاد قيمة هذا المقدار والحصول على تغير الطاقة الكلي. بحساب قيمة كل حد، نحصل على ذلك، وبالجمع نحصل على 7086 كيلو جول لكل مول في حالة المتفاعلات، و8104 كيلو جول لكل مول في حالة النواتج. وهذا يعطينا تغيرًا كليًّا في الطاقة مقداره 1018 كيلو جول لكل مول.

لكن هذه القيمة تخص المعادلة التي لدينا فيها مكافئان من سيانيد الهيدروجين. ويطلب منا السؤال إيجاد تغير الطاقة الكلي لكل مول من سيانيد الهيدروجين الناتج. إذن، للحصول على تغير الطاقة الكلي لكل مول من سيانيد الهيدروجين، علينا قسمة سالب 1018 على اثنين. وهذا يعطينا رقمًا نهائيًّا هو سالب 509 كيلو جول لكل مول من سيانيد الهيدروجين.

والإشارة السالبة هنا تعني أن طاقة الرابطة الكلية للنواتج أكبر من طاقة الرابطة الكلية للمتفاعلات، وتشير إجمالًا إلى انطلاق طاقة. وهذا يعني أن تفاعل الميثان والأمونيا والأكسجين الذي ينتج عنه سيانيد الهيدروجين والماء هو تفاعل طارد للحرارة.