نسخة الفيديو النصية
يظهر منحنى التفاعل الموضح أن الجرافيت أكثر استقرارًا من الماس. مع ذلك، يصعب جدًّا تحويل الماس إلى الجرافيت. أي عبارة من العبارات الآتية توضح سبب حدوث ذلك؟ (أ) الماس لا يوصل الكهرباء. (ب) الطاقة اللازمة لكسر الروابط التساهمية بين ذرات الكربون منخفضة. (ج) التفاعل طارد للحرارة، وليس ماصًّا للحرارة. (د) الفرق في الطاقة بين الماس والجرافيت صغير جدًّا. (هـ) طاقة تنشيط تفاعل تحويل الماس إلى الجرافيت مرتفعة جدًّا.
من المهم ملاحظة أن عبارة تحويل الماس إلى الجرافيت تشير إلى التفاعل الكيميائي لتحويل الماس إلى الجرافيت، على الرغم من أن كليهما عبارة عن بنى تساهمية شبكية من الكربون النقي في حالته العنصرية تتجاوز ما يمكن رسمه هنا. ويمكننا ببساطة القول إن كل ذرة من ذرات الكربون الموجودة في الماس مرتبطة تساهميًّا بأربع ذرات كربون أخرى، في حين ترتبط ذرات الكربون الموجودة في الجرافيت تساهميًّا بثلاث ذرات كربون أخرى فقط. هذا الاختلاف في كيفية ترابط ذرات الكربون يعني أن تحويل الماس إلى الجرافيت يتضمن كسر الروابط التساهمية بين ذرات الكربون في الماس لتكوين روابط تساهمية جديدة مختلفة بين ذرات الكربون في الجرافيت.
ولأننا نبحث عن عبارة توضح سبب صعوبة هذا التفاعل الكيميائي، فيمكننا على الفور استبعاد العبارة الموضحة في الخيار (أ). وعلى الرغم من أن هذه العبارة صحيحة، فإن التوصيلية الكهربية هي خاصية فيزيائية، تعرف بأنها خاصية مميزة للمادة يمكن ملاحظتها أو قياسها دون تغيير هوية المادة، وليست تفسيرًا لسبب صعوبة التفاعل الكيميائي.
بالنسبة للعبارات المتبقية المتعلقة بمنحنى التفاعل المعطى، دعونا نناقش بإيجاز ما يخبرنا به منحنى التفاعل هذا عن التفاعل الكيميائي المقصود. علمنا من السؤال أن الجرافيت أكثر استقرارًا من الماس. ويوضح منحنى التفاعل ذلك جيدًا؛ لأن مستوى طاقة الجرافيت، وهو الناتج، أقل من مستوى طاقة الماس، وهو المتفاعل. عندما تكون النواتج لها مستوى طاقة أقل من المتفاعلات، يرجع سبب ذلك إلى انطلاق الطاقة، وعادة ما تكون في صورة حرارة، وهو ما يعني أن تحول الماس إلى الجرافيت تفاعل طارد للحرارة، ويعني أيضًا أن العبارة الموجودة في الخيار (ج) صحيحة. ومع ذلك، فإن التأكيد بأن التفاعل طارد للحرارة لا يوضح سبب صعوبة التفاعل نفسه. ومن ثم، يمكننا استبعاد الخيار (ج).
بالاستمرار في المقارنة بين مستويات طاقة الماس والجرافيت، نجد أن الفرق في الطاقة بين النواتج والمتفاعلات في هذا التفاعل، المعروف باسم تغير الإنثالبي أو Δ𝐻، ليس قيمة سالبة فحسب؛ لأنه تفاعل طارد للحرارة، بل هذا الفرق صغير أيضًا. بالنظر إلى الخيار (د)، نجد أن هذه العبارة صحيحة أيضًا. لكن مرة أخرى، معرفة أن هذا التفاعل يطلق كمية صغيرة من الطاقة أو الحرارة لا يوضح سبب صعوبة التفاعل. ومن ثم، يمكننا أيضًا استبعاد الخيار (د) في هذه المرحلة.
تتعلق العبارات الواردة في خياري الإجابة (ب) و(هـ) بالجزء من مسار التفاعل الذي يقع بين مستويات طاقة المتفاعل والناتج. في التفاعل الكيميائي، تكسر الروابط في الجسيمات المتفاعلة لتكوين روابط جديدة في جسيمات الناتج. ولكي تحدث هذه العملية، يلزم توفر حد أدنى من الطاقة. ويعرف هذا باسم طاقة التنشيط 𝐸 a، التي تعرف بأنها أدنى كمية من الطاقة اللازمة لكي تصطدم جزيئات المتفاعلات وتتفاعل بعضها مع بعض، والمعروفة أيضًا باسم الزيادة الأولية في الطاقة اللازمة لبدء التفاعل. إذا كان التفاعل الكيميائي مزودًا بكمية من الطاقة يشار إليها بالرمز 𝐸 أصغر من 𝐸 a، فلن تتمكن المتفاعلات من التحول إلى النواتج، ولن يحدث التفاعل.
بالنظر إلى 𝐸 a في منحنى التفاعل، نلاحظ أن كمية 𝐸 a كبيرة جدًّا أو عالية جدًّا لهذا التفاعل، وهو ما يعني أن كسر روابط الكربون التساهمية في الماس يتطلب الكثير من الطاقة لتكوين روابط تساهمية جديدة بين الكربون في الجرافيت. وبناء على هذه المعلومة، يكون الخيار (ب) خطأ؛ لأن كمية 𝐸 a الكبيرة المطلوبة لهذا التفاعل تشير إلى أن الطاقة اللازمة لكسر الروابط بين ذرات الكربون كبيرة جدًّا. ونتيجة لذلك، يمكننا استبعاد الخيار (ب)، بحيث يتبقى الخيار الصحيح (هـ).
إذن، ما العبارة التي توضح صعوبة تحويل الماس إلى الجرافيت؟ الإجابة هي الخيار (هـ). طاقة تنشيط تفاعل تحويل الماس إلى الجرافيت مرتفعة جدًّا.
