فيديو الدرس: وحدات قياس الطاقة الكيمياء • الصف الأول الثانوي

نسخة الفيديو النصية

في هذا الفيديو، سوف نتعرف على بعض وحدات قياس الطاقة الشائعة، ووحدات قياس الطاقة لكل رابطة كيميائية أو كمية مادة كيميائية. كما سنتدرب على التحويل بين هذه الوحدات. لكن قبل التعمق في الشرح، ثمة بعض الأمور علينا معرفتها. أولًا، توجد أنواع عديدة من الطاقة، مثل الطاقة الكيميائية الكامنة، وطاقة الجاذبية، والطاقة الكهربية، وهكذا. نستخدم الكلمة العامة «طاقة» عندما لا نكون متأكدين من نوع الطاقة الذي نتعامل معه أو عند وجود مزيج من أنواع الطاقة المختلفة. وبغض النظر عن نوع الطاقة، وحدة القياس المعترف بها دوليًّا هي الجول، ويرمز له بحرف ‪J‬‏.

التعريف الكامل للجول الواحد معقد للغاية. وهو يساوي الشغل المبذول بواسطة قوة مقدارها نيوتن واحد عند تحرك الجسم مسافة قدرها متر واحد في اتجاه تأثير القوة. وهذا مثال مناسب؛ فهو جسم موضوع على سطح ويدفع. يتطلب الأمر جولًا واحدًا من الطاقة لتحريك هذا الجسم مسافة متر واحد إذا كانت قوة الاحتكاك نيوتن واحدًا. لكن نظرًا لأننا بوصفنا كيميائيين لا نتعامل غالبًا مع قوى أو مسافات في هذا المستوى، يمكننا التوصل إلى طريقة مختلفة لتذكره. نحتاج إلى 4.2 جول تقريبًا من الطاقة الحرارية لتدفئة ملليلتر واحد من إحدى المواد المفضلة لدينا، وهي الماء، بمقدار درجة سلزية واحدة. وإذا أردنا وحدات أكبر أو أصغر للتعامل مع مسألة معينة، فيمكننا استخدام البادئات القياسية.

على سبيل المثال، يمكننا استخدام الميكروجول، وهو يساوي واحدًا على مليون من الجول ويرمز إليه بالحرف ‪𝜇‬‏. ويمكننا استخدام المللي جول الذي يساوي واحدًا على الألف من الجول، أو الكيلوجول الذي يساوي ألف جول. في الكيمياء، إحدى وحدات قياس الطاقة الأكثر فائدة هي الكيلوجول، لكننا سنتناولها لاحقًا. من الوحدات الأخرى المهمة التي يجب أن نعرفها هي المول، وهي وحدة قياس كمية المادة وفقًا للنظام الدولي للوحدات. رسميًّا، المول الواحد من أي ذرة أو أيون أو جزيء يساوي بالضبط 6.02214076 مضروبًا في 10 أس 23 من هذه الذرات أو الأيونات أو الجزيئات، وهكذا. هذا يشبه قولنا إن الدزينة الواحدة من شيء ما تساوي 12 وحدة من هذا الشيء. سترى بوجه عام هذا العدد الدقيق جدًّا مقربًا إلى أربعة أو ثلاثة أرقام معنوية.

يعرف هذا العدد بعدد أفوجادرو. وهو يمثل أفضل تقدير لعدد ذرات الكربون- 12 الموجودة في 12 جرامًا من الكربون- 12. وهو وحدة تساعدنا في التعبير عن كميات المادة على نطاق بشري. إذا أردنا التحويل بين الأعداد والكميات بالمولات، يمكننا استخدام ثابت أفوجادرو، وهو عدد أفوجادرو بوحدة قياس لكل مول. وهذا يوضح لنا عدد الذرات أو الأيونات أو الجزيئات لكل مول. وباستخدام ثابت أفوجادرو، يمكننا التحويل بين عدد ‪𝑋‬‏ وكمية ‪𝑋‬‏ بالمول.

بعد ذلك، سنلقي نظرة على مجال معين تتضح فيه الكثير من هذه المعلومات. طاقة الرابطة هي كمية الطاقة التي تتحول بين الطاقة الكيميائية الكامنة وأشكال الطاقة الأخرى، مثل الحرارة والضوء، عند تكوين رابطة أو كسرها. يبعث تكوين رابطة واحدة مقدارًا ضئيلًا من الطاقة. على سبيل المثال، عندما تلتقي ذرتان من النيتروجين معًا وتشكلان واحدة من أقوى الروابط التساهمية، وهي الرابطة الثلاثية بين ذرتي نيتروجين، فإن الطاقة المنبعثة تساوي 0.00000000000000000156 جول على الأرجح في صورة طاقة حرارية. وعند كتابة ذلك بالترميز العلمي، فهذا يساوي 1.56 مضروبًا في 10 أس سالب 18 جول لكل رابطة ثلاثية بين ذرتي نيتروجين.

وبما أن هذه الطاقات صغيرة جدًّا، فمن الأكثر شيوعًا الحديث عن طاقات الرابطة لكل مول من الرابطة. في المول الواحد من غاز النيتروجين، لدينا حوالي 6.022 مضروبًا في 10 أس 23 لكل رابطة ثلاثية بين ذرتي نيتروجين. والطاقة المحولة أثناء تكوين جميع هذه الروابط أو كسرها تساوي 942000 جول تقريبًا. إذن يمكننا القول إن طاقة الرابطة المولية في الرابطة الثلاثية بين ذرتي النيتروجين تكون تقريبًا 942000 جول لكل مول. لتوضيح الأمور، نستخدم عادة الكيلوجول لكل مول، بدلًا من الجول لكل مول. إذن، فإن طاقة الرابطة المولية تساوي 942 كيلوجول لكل مول.

الآن سنلقي نظرة على التحويلات بين وحدات قياس الطاقة المختلفة. لإجراء التحويلات، ربما تحتاج إلى معرفة معنى البادئات القياسية. وقد تحتاج إلى التحويل بين وحدة مألوفة وأخرى غير مألوفة. سنتعرف هنا على كيفية التحويل بين الميكرو جول والمللي جول والجول والكيلوجول والميجا جول. إذا كان لديك جول واحد من الطاقة، فهذا يكافئ 1000 مللي جول. والمللي جول الواحد يكافئ واحدًا على 1000 جول. و 10 أس ستة أو مليون ميكرو جول يكافئ الجول أيضًا. والميكرو جول الواحد يكافئ جزءًا من المليون أو 10 أس سالب ستة من الجول.

أما في الاتجاه الآخر، فإن الجول الواحد أصغر 1000 مرة من الكيلوجول. والكيلوجول أكبر 1000 مرة من الجول. وأخيرًا، الجول الواحد يكافئ 10 أس سالب ستة ميجا جول، بينما يكافئ الميجا جول الواحد مليون جول. وفي هذا العمود تسهل ملاحظة ما تعنيه البادئات. لكن إذا لم تكن ترغب في استخدام البادئات، فيمكنك دائمًا العودة إلى هذا الجدول لإجراء التحويلات. في البداية، عليك إيجاد الوحدة هنا على اليسار، ثم إيجاد الوحدة التي ستحول إليها في الأعلى، ثم إيجاد المكافئات في الجدول. على سبيل المثال، لنفترض أننا نريد التحويل بين الجول والمللي جول. من الجدول، الجول الواحد يكافئ 1000 مللي جول. نبدأ بعدد معين من الجول نرمز له بالحرف ‪𝑥‬‏، ثم نضرب في نسبة التحويل، وهي 1000 مللي جول لكل جول.

الوحدة التي نحول إليها تقع في البسط، والوحدة التي نحول منها تقع في المقام. لذا تحذف كل منهما الأخرى. بعد حذف الوحدات، نلاحظ أن الجول الواحد يساوي 1000 من وحدات المللي جول. والآن يمكننا ملء بقية الجدول. يمكننا ملاحظة نمط معين في الجدول. فكل من المللي جول والجول والكيلوجول والميجا جول أكبر 1000 مرة من الوحدة المذكورة أعلاها في الجدول. ومن ثم، يمكننا اتباع النمط المستخدم لملء بقية الجدول؛ ما يقودنا إلى النهايات القصوى حيث 10 أس 12 ، أي 1000 مليار ميكرو جول، يكافئ ميجا جول واحدًا، والميكرو جول الواحد يكافئ 10 أس سالب 12 ميجا جول. الآن دعونا نتدرب على تحويل 5.2 ميجا جول إلى الجول.

يمكننا أن نلاحظ من الجدول أن الميجا جول الواحد يكافئ 10 أس ستة جول. إذن، لإجراء عملية التحويل هذه، يمكننا ضرب 5.2 ميجا جول في 10 أس ستة جول لكل ميجا جول. وبعد حذف الوحدات والضرب، نحصل على 5200000 جول. لكن ماذا يحدث إذا كان لدينا 0.2 ميكرو جول، ولسبب ما نادر الحدوث، نريد تحويلها إلى الكيلوجول؟ قد يكون التحويل إلى الجول أولًا أكثر سهولة. نضرب هنا في 10 أس سالب ستة جول لكل ميكرو جول. ثم يمكننا التحويل إلى الكيلوجول بالضرب في 10 أس سالب ثلاثة كيلوجول لكل جول. لكن يمكنك أن ترى أن بإمكانك دمج هاتين العمليتين معًا في عملية واحدة، حيث نضرب في 10 أس سالب تسعة كيلوجول لكل ميكرو جول.

هناك طريقة بديلة يمكننا استخدامها، وهي استخدام البادئات. يمكن التعبير عن 0.2 ميكرو جول في صورة 0.2 مضروبًا في 10 أس سالب ستة جول عن طريق فك البادئة. ويمكننا فعل الشيء نفسه مع الكيلوجول المستهدف، بتحويل وحدة الكيلو إلى 10 أس ثلاثة. من هنا، يسهل ملاحظة أننا ننتقل من كتلة صغيرة جدًّا من الطاقة إلى كتلة كبيرة جدًّا من الطاقة، والفرق في الحجم هو 10 أس تسعة. وبما أننا نحول إلى وحدة طاقة أكبر، فإننا نحتاج إلى عدد أقل منها. لذا يمكننا الضرب في 10 أس سالب تسعة للتأكد من أنه مكافئ. إذن، يمكننا كتابة ذلك في صورة 0.2 مضروبًا في 10 أس سالب تسعة أو اثنين مضروبًا في 10 أس سالب ثمانية كيلوجول.

هناك إذن عدة طرق لإجراء عملية التحويل. ما يهم هو أن نفهم سبب فائدة هذه الطرق. فهي مفيدة لأننا نتعامل دائمًا مع كميات مكافئة من الطاقة. والأمر الجيد من معرفة كيف تتكافأ وحدات قياس الطاقة المختلفة هو أنه يمكنك التحويل بين وحدات مألوفة وأخرى غير مألوفة. على سبيل المثال، وحدة السعر الحراري، التي لا تتبع النظام الدولي للوحدات، لا يمكن تحويلها إلى الجول بسهولة مثل الكيلوجول أو المللي جول. عرف السعر الحراري، تاريخيًّا، بأنه الطاقة اللازمة لتسخين ملليمتر واحد من الماء بمقدار درجة سلزية واحدة. لكن الأمر لم يعد كذلك الآن؛ فالسعر الحراري يعرف حاليًّا بالنسبة إلى الجول. فالسعر الحراري الواحد يساوي الآن تحديدًا 4.184 جول.

كمية الطاقة الفعلية الممثلة بالسعر الحراري لم تتغير. ما تغير هو الطريقة التي نعرفها بها. وبما أن السعر الحراري الواحد يكافئ 4.184 جول، فإن الجول الواحد يكافئ 0.239 سعر حراري تقريبًا، وهو ما يساوي واحدًا مقسومًا على 4.184. السعر الحراري وحدة شائعة إلى حد ما، ولكنك قد تسمع كلمة سعر حراري تشير إلى شيء مختلف قليلًا. كما هو متوقع، لو وضعنا كلمة كيلو أمام مصطلح سعر حراري، فسنحصل على كيلو سعر حراري الذي يكافئ 1000 سعر حراري؛ ما يعني أن الكيلو سعر حراري الواحد يكافئ 4184 جول. والسعر الحراري الواحد يكافئ واحدًا على الألف من الكيلو سعر حراري. وإذا كنت تريد التحويل مباشرة بين الجول والكيلو سعر حراري، فإن الجول الواحد يكافئ تقريبًا 2.39 مضروبًا في 10 أس سالب أربعة كيلو سعر حراري.

لكن تظهر مشكلة هنا لأن مصطلح السعر الحراري إذا كان مكتوبًا بحرف ‪C‬‏ كبير، فإنه يكافئ كيلو سعر حراري واحدًا. فيعرف السعر الحراري الذي يكافئ 4.184 جول بالسعر الحراري الصغير. ويعرف السعر الحراري الذي يكافئ 4184 جول بالسعر الحراري الكبير. من السهل تذكر الفرق بينهما لأن السعر الحراري الصغير يكتب بالحرف ‪c‬‏ الصغير، والسعر الحراري الكبير يكتب بالحرف ‪C‬‏ الكبير. يوصى بوجه عام بأن يتناول الأشخاص ما يكفي من الطعام لتوفير حوالي 2000 سعر حراري كبير في اليوم. ويمكننا بسهولة تحويل ذلك إلى وحدات السعر الحراري الصغير؛ ما يعطينا حوالي مليوني سعر حراري صغير الذي يعادل اثنين ميجا سعر حراري صغير. لكن ربما تكون هذه الخطوة متقدمة بعض الشيء. فالدرس الأساسي هنا هو أن تتأكد عند سماع مصطلح السعر الحراري أنك تعرف ما إذا كان المقصود هو السعر الحراري الكبير أم الصغير.

والسؤال التالي هو: هل يتغير أي من ذلك عند النظر إلى طاقة الرابطة؟ هذا ليس صحيحًا. فكل ما علينا إضافته هو أن المول الواحد من أي شيء يكافئ عدد أفوجادرو من هذا الشيء. وثابت أفوجادرو يوضح لنا عدد الذرات أو الأيونات أو الجزيئات الموجودة لكل مول واحد. وبطبيعة الحال، فإن طاقة الرابطة التي تساوي جول واحدًا لكل مول تكافئ جول واحدًا لكل مول، أو 0.001 كيلوجول لكل مول. ويحدث ذلك لأن الكيلوجول الواحد يكافئ 1000 جول. لكن ماذا لو كنا لا نتعامل مع الجول لكل مول من الروابط، وإنما الجول لكل رابطة؟ لتحويل الجول لكل مول إلى جول لكل رابطة، علينا القسمة على ثابت أفوجادرو. عندما نقسم على ثابت أفوجادرو، نستخدمه لنعرف عدد المولات لكل عدد من الذرات أو الأيونات أو الجزيئات.

القسمة على ثابت أفوجادرو تكافئ الضرب في مول واحد لكل 6.022 مضروبًا في 10 أس 23 من شيء ما. يمكنك التحقق من صحة الحل لأنك من المفترض أن تقسم على عدد كبير؛ لأن الطاقة المنبعثة لكل رابطة ستكون أقل بكثير من الطاقة المنبعثة لكل مول من الروابط. هذه هي معاملات التحويل بين الجول لكل مول، والكيلوجول لكل مول، والجول لكل رابطة. ومع ذلك، قد لا تكون هذه أفضل طريقة لتذكر كيفية فعل ذلك. إذا أردنا التحويل بين وحدات الجول لكل رابطة إلى الجول لكل مول من الرابطة، فعلينا الضرب في ثابت أفوجادرو. وللتحويل في الاتجاه المعاكس، علينا القسمة على ثابت أفوجادرو.

ثم للتحويل بين الجول لكل مول والكيلوجول لكل مول، وهي الوحدة النموذجية لطاقات الرابطة، نضرب في 10 أس سالب ثلاثة كيلوجول لكل جول. هذه هي بالضبط طريقة التحويل بين الجول والكيلوجول. وللتحرك في الاتجاه الآخر، نضرب ببساطة في 1000 جول لكل كيلوجول. يمكنك، إذا أردت، الانتقال مباشرة من الجول لكل رابطة إلى الكيلوجول لكل مول. كل ما علينا فعله هو اتباع المسار بين الجول لكل رابطة والكيلوجول لكل مول، وجمع معاملات التحويل. إذن، سنضرب في ثابت أفوجادرو، ثم نضرب في 10 أس سالب ثلاثة كيلوجول لكل جول.

لكن عمليًّا، قد يكون من الأفضل أن نفعل ذلك في خطوتين للحد من احتمال وقوع أخطاء. على سبيل المثال، في حالة الرابطة الثلاثية بين ذرتي نيتروجين، تساوي طاقة الرابطة 1.56 مضروبًا في 10 أس سالب 18 جول لكل رابطة. عند التحويل إلى الجول لكل مول، بالضرب في ثابت أفوجادرو، نحصل على 942000 جول لكل مول. وأخيرًا، نحول الجول إلى كيلوجول بالضرب في 10 أس سالب ثلاثة كيلوجول لكل جول؛ ما يعطينا 942 كيلوجول لكل مول. والآن بعد أن تعرفنا على التحويل بين الوحدات والتحويل بين طاقات الرابطة، لنتدرب على ذلك.

قدر أن متوسط ما يجب على الشخص البالغ استهلاكه يبلغ 2000 كيلو سعر حراري تقريبًا في اليوم للمحافظة على نمط الحياة الصحي. كم تبلغ هذه القيمة بوحدة الكيلوجول؟

2000 كيلو سعر حراري هي كمية من الطاقة، والكيلوجول هي وحدة أخرى لقياس الطاقة. ولهذا، يمكننا تجاهل عبارة «في اليوم». ويمكننا تحليل الكيلو سعر حراري إلى ‪k‬‏ و‪cal‬‏. يرمز ‪k‬‏ إلى الكيلو، وهو ما يعني 1000 من شيء ما، ويرمز ‪cal‬‏ إلى السعر الحراري أو السعر الحراري الصغير. لذا فإن الكيلو سعر حراري يشير إلى 1000 سعر حراري. بينما يرمز إلى كيلوجول بالرمز ‪kJ‬‏. ويرمز ‪J‬‏ إلى الجول. الوحدة الأولى والوحدة النهائية بهما وحدة الكيلو؛ لذا لا نحتاج إلى التركيز على ذلك. ما علينا تذكره هو العلاقة بين السعر الحراري والجول. نحتاج إلى سعر حراري واحد لتسخين ملليلتر واحد من الماء بمقدار درجة سلزية واحدة. لكن رسميًّا، يعرف السعر الحراري الواحد بأنه يساوي 4.184 جول. إذا ضربنا كلا طرفي المعادلة في 1000، فسنحصل على العلاقة العددية نفسها بين الكيلو سعر حراري والكيلوجول.

الآن لدينا كل المعلومات التي نحتاج إليها لتحويل الكيلو سعر حراري إلى كيلوجول. نبدأ بضرب 2000 كيلو سعر حراري في 4.184 كيلوجول لكل كيلو سعر حراري. الإجابة هي 8368 كيلوجول. بدلًا من ذلك، كان بإمكانك فعل ذلك على خطوات: أولًا، من خلال التحويل من كيلو سعر حراري إلى سعر حراري عن طريق الضرب في 1000 سعر حراري لكل كيلو سعر حراري، ثم تحويل المقدار إلى الجول بالضرب في 4.184 جول لكل سعر حراري، وأخيرًا التحويل إلى كيلوجول عن طريق الضرب في 10 أس سالب ثلاثة كيلوجول لكل جول. إذا حذفنا الحدود المشتركة في هذا الاتجاه، فسنحصل على معامل التحويل نفسه. إذن، بغض النظر عن المسار، 2000 كيلو سعر حراري يكافئ 8368 كيلوجول.

لنختم حديثنا باستعراض سريع للنقاط الأساسية. تقاس الطاقة بالجول بغض النظر عن نوعها. يمكننا استخدام بادئات قياسية لتكوين وحدات أكبر أو أصغر من الطاقة، مثل الميكرو جول والمللي جول والكيلوجول والميجا جول. وحدة السعر الحراري أو السعر الحراري الصغير، التي لا تتبع النظام الدولي للوحدات، تكافئ 4.184 جول. أما الوحدة المرتبطة بها، وهي السعر الحراري الكبير الذي يكتب بحرف ‪C‬‏ كبير، فتكافئ كيلو سعر حراري صغيرًا أو 4184 جول. عندما ناقشنا طاقات الرابطة، عبرنا عنها بوحدة الكيلوجول لكل مول. لكن يمكننا تحويل هذه القيم إلى جول لكل مول عن طريق الضرب في 1000 جول لكل كيلوجول. وأخيرًا، يمكننا التحويل بين الجول لكل مول من الروابط والجول لكل رابطة فردية عن طريق القسمة على ثابت أفوجادرو.