فيديو السؤال: مقارنة كميتي الحرارة المنتقلة أثناء احتراق الجازولين وتجمده الكيمياء • الصف الأول الثانوي

نسخة الفيديو النصية

عند تجمد 10 ملليلترات من الجازولين عند سالب 57 درجة سلزية، تبلغ الكمية الكلية للحرارة المنتقلة كيلو جول واحدًا تقريبًا. على الجانب الآخر، ينتقل 300 كيلو جول من الحرارة عند حرق نفس الكمية من الجازولين في درجة حرارة الغرفة. لماذا تنتقل في الاحتراق كمية أكبر من الحرارة مما ينتقل في التجمد؟ (أ) التجمد عملية طاردة للحرارة، أما الاحتراق فعملية ماصة للحرارة. (ب) الروابط التي تتكسر أثناء الاحتراق أضعف من تلك التي تتكسر أثناء التجمد. (ج) الروابط المكونة أثناء الاحتراق أقوى من تلك المكونة أثناء التجمد. (د) يحدث الاحتراق عند درجة حرارة أعلى من التجمد. أو (هـ) التجمد عملية ماصة للحرارة، أما الاحتراق فعملية طاردة للحرارة.

يركز هذا السؤال على مقارنة كميتي الحرارة المنتقلة خلال عمليتي الاحتراق والتجمد، ويركز تحديدًا على سبب انتقال كمية أكبر من الحرارة عند حرق الجازولين، الذي يعرف أيضًا بتفاعل الاحتراق، من تلك المنتقلة عند تجمده عند استخدام الكمية نفسها في كلتا العمليتين. لتبسيط المعلومات المعطاة، دعونا نستخدم هذا الجدول الذي يلخص المعلومات التي سنحتاج إليها لتساعدنا في الإجابة عن هذا السؤال.

في هذا السؤال، نقارن كميتين مختلفتين من الطاقة، وهما كيلو جول واحد من الحرارة المنتقلة عند تجمد 10 ملليلترات من الجازولين و 300 كيلو جول من الحرارة المنتقلة عند احتراق 10 ملليلترات من الجازولين. نلاحظ هنا أن المادتين من النوع نفسه ولهما الكمية نفسها، لكن الاختلاف الرئيسي بينهما يتمثل في العملية التي تخضعان لها وكمية الحرارة المنتقلة. والسؤال هنا هو: لماذا رغم التعامل مع المادة نفسها والكمية نفسها في كل عملية، يوجد هذا الاختلاف الكبير في كمية الحرارة المنتقلة؟ للإجابة عن هذا السؤال، دعونا نناقش كل عملية باختصار.

في الواقع، بما أن الجازولين خليط مركب من الهيدروكربونات ‪C4‬‏ إلى ‪C12‬‏ أو المركبات التي تحتوي على ذرات الهيدروجين والكربون إلى جانب بعض المضافات لتحسين أداء الوقود، فمن أجل توضيح الفروق بين العمليتين، سنستخدم أبسط المركبات الهيدروكربونية، وهو الميثان، باعتباره جزيئًا تمثيليًّا. عملية الاحتراق، مثل تفاعل احتراق الميثان، تتضمن موادًّا تتفاعل مع الأكسجين. وتحديدًا، تستخدم الطاقة لتكسير الروابط التساهمية التي تربط بين ذرات الكربون والهيدروجين في الميثان، وكذلك تلك التي تربط بين ذرات الأكسجين؛ بحيث تتجمع ذرات الكربون والأكسجين والهيدروجين معًا لتكون روابط تساهمية جديدة وناتجين جديدين، وهما ثاني أكسيد الكربون والماء.

الروابط التساهمية المكونة في النواتج أقوى من الروابط التساهمية التي تتكسر في المتفاعلات، ما يعني أن النواتج سيكون لها طاقة كيميائية كامنة أقل من المتفاعلات، ومن ثم تكون أكثر استقرارًا. وسيؤدي ذلك إلى انطلاق طاقة أو حرارة من التفاعل إلى البيئة المحيطة، ولهذا السبب تعد تفاعلات الاحتراق أمثلة جيدة على التفاعلات الطاردة للحرارة. نلاحظ أيضًا انطلاقًا للطاقة عند حدوث تغيرات في الحالة، كما هو الحال في عملية التجمد الفيزيائية حيث تنتقل المواد من حالة ذات طاقة أعلى، تعرف بالحالة السائلة، إلى حالة فيزيائية ذات طاقة أقل، تعرف بالحالة الصلبة.

باستخدام الميثان جزيئًا تمثيليًّا للجازولين، عندما يحدث التجمد، تصبح القوى بين الجزيئية بين جزيئات الميثان في حالته الصلبة أقوى من القوى بين الجزيئية بين جزيئاته في حالته السائلة. ونتيجة لانتقال جزيئات الميثان من حالة فيزيائية ذات طاقة أعلى تعرف أيضًا بالحالة السائلة إلى حالة فيزيائية ذات طاقة أقل تعرف بالحالة الصلبة، تنطلق كمية صغيرة من الطاقة في صورة حرارة إلى الوسط المحيط، ولهذا نصنف التجمد على أنه عملية طاردة للحرارة. ونظرًا لأن الاحتراق والتجمد يصنفان على أنهما عمليتان طاردتان للحرارة، يمكننا استبعاد الإجابتين (أ) و(هـ) اللتين تشيران إلى أن الاحتراق أو التجمد عملية ماصة للحرارة، وهذا خطأ.

بالإضافة إلى ذلك، فعلى الرغم من أنه من المرجح حدوث الاحتراق بالفعل عند درجة حرارة أعلى من التجمد، فهذا لا يفيدنا عند المقارنة بين كميتي الطاقة المنتقلة. إذن، يمكننا أيضًا استبعاد الخيار (د). عند مقارنة الخيارين (ب) و(ج)، ينبغي إيجاد فرق رئيسي بينهما عندما يتعلق الأمر بتحديد معنى تكسير الروابط أو تكوينها؛ حيث يشير ذلك إلى الاحتراق والتجمد. على الرغم من أننا ذكرنا أن الاحتراق والتجمد عمليتان طاردتان للحرارة، فإن الطريقة التي تنطلق بها الطاقة أو الحرارة من كلتا العمليتين تنبع من مصدر مختلف. يوضح الخياران (ب) و(ج) أن الروابط تتكسر وتتكون أثناء الاحتراق.

وهذا صحيح لأن الاحتراق، بصفته تفاعلًا كيميائيًّا، يتضمن تكسير الروابط التساهمية بين جزيئات المتفاعلات وتكوين روابط تساهمية جديدة بين النواتج. وتحديدًا، الروابط التساهمية أحد أنواع القوى الضمنية داخل الجزيئات، ما يعني أن الاحتراق يتضمن تكسير قوى ضمنية داخل الجزيئات وتكوينها. يذكر الخياران (ب) و(ج) أيضًا أن الروابط تتكسر أو تتكون أثناء عملية التجمد. كما ذكرنا سابقًا، في العمليات الفيزيائية مثل التجمد، القوى بين الجزيئية هي الوحيدة التي تتكسر وتتكون من جديد، أما القوى الضمنية داخل الجزيئات، أو القوى التي تربط الذرات معًا في جزيئات الميثان، فهي لا تتكسر أو تتكون أثناء عملية التجمد. ونتيجة لذلك، القوى بين الجزيئية هي الروابط التي يشار إلى تكسرها أو تكونها خلال عملية التجمد.

هذا يعني أنه بما أن الاحتراق والتجمد عمليتان طاردتان للحرارة، فإننا نعلم أن نواتج تفاعل الاحتراق وعملية التجمد بينها روابط أو قوى أقوى مقارنة بالمتفاعلات. إذن يمكننا استبعاد الخيار (ب). الخيار (ج) هو الإجابة الصحيحة؛ لأنه في حالة انطلاق كمية أكبر من الطاقة عند حرق الجازولين من تلك المنطلقة عند تجمد الكمية نفسها، فهذا يعني أن الروابط المكونة في نواتج الاحتراق أقوى من تلك المكونة في ناتج التجمد.

وهذا منطقي؛ لأن القوى الضمنية داخل الجزيئات، مثل تلك التي تكونت في نواتج الاحتراق، أقوى من القوى بين الجزيئية، مثل تلك التي تكونت بين الجزيئات عند التجمد. إذن لماذا تنتقل في الاحتراق كمية أكبر من الحرارة مما ينتقل في التجمد؟ الإجابة هي (ج). الروابط المكونة أثناء الاحتراق أقوى من تلك المكونة أثناء التجمد.