المحاضرة الثامنة / المعادلة الكيميائية الحرارية – السادس العلمي

🔥 المعادلة الكيميائية الحرارية – شرح

1. ما هي المعادلة الكيميائية الحرارية؟

المعادلة الكيميائية الحرارية هي صيغة رمزية تعبر عن تفاعل كيميائي، لكنها لا تقتصر على بيان المواد المتفاعلة والناتجة، بل تُضاف إليها قيمة التغير في المحتوى الحراري (ΔH)، وهي كمية الطاقة الحرارية الممتصة أو المنبعثة أثناء التفاعل.

هذه المعادلة تمثل التفاعل الكيميائي من الناحيتين الكمية والحرارية، وهي أداة أساسية لفهم الكيمياء الحرارية (Thermochemistry).

2. أهمية المعادلة الكيميائية الحرارية

في التفاعلات الكيميائية، لا تحدث فقط تحولات في الروابط بين الذرات، بل يحدث أيضًا تبادل للطاقة. لذلك، فإن فهم نوع التفاعل من حيث الحرارة (ماص أو طارد) يساعد في:

• تصميم التفاعلات الصناعية.
• حساب الطاقة المطلوبة أو الناتجة.
• تقييم كفاءة العمليات الكيميائية.
• فهم سلوك المواد في الظروف المختلفة.

3. أنواع التفاعلات الحرارية

✅ التفاعل الطارد للحرارة (Exothermic reaction)

• يُطلق حرارة إلى الوسط المحيط.
• تكون ΔH سالبة.
• درجة حرارة الوسط ترتفع.
• مثال: احتراق الوقود.

$$\text{CH}_4 + 2\text{O}_2 \rightarrow \text{CO}_2 + 2\text{H}_2O + 890 \, \text{kJ}$$

هذا يعني أن 890 كيلوجول من الحرارة تُطلق عند احتراق مول واحد من غاز الميثان.

✅ التفاعل الماص للحرارة (Endothermic reaction)

• يمتص حرارة من الوسط المحيط.
• تكون ΔH موجبة.
• تنخفض درجة حرارة الوسط.
• مثال: تحلل كربونات الكالسيوم.

$$\text{CaCO}_3 \rightarrow \text{CaO} + \text{CO}_2 \quad \Delta H = +178 \, \text{kJ}$$

هذا يعني أن التفاعل يحتاج إلى امتصاص 178 كيلوجول من الحرارة لكل مول.

4. كتابة المعادلة الكيميائية الحرارية

لكتابة معادلة حرارية صحيحة، يجب اتباع الخطوات التالية:

1. كتابة المعادلة الكيميائية الموزونة.

مثال: تفاعل الهيدروجين مع الأكسجين:

$$2\text{H}_2 + \text{O}_2 \rightarrow 2\text{H}_2O$$

2. إضافة الطاقة المنبعثة أو الممتصة.

إذا علمنا أن هذا التفاعل يُطلق 572 كيلوجول:

$$2\text{H}_2 + \text{O}_2 \rightarrow 2\text{H}_2O + 572 \, \text{kJ}$$

أو نكتبها باستخدام ΔH:

$$\Delta H = -572 \, \text{kJ}$$

5. ملاحظات مهمة:

• الحرارة لا تُضاف للصيغة الكيميائية، بل تُكتب كقيمة منفصلة.
• إذا كانت الطاقة تُضاف للمتفاعلات، فهي تفاعل ماص.
• إذا كانت الطاقة تخرج من النواتج، فهو تفاعل طارد.
• الطاقة يمكن أن تُعطى بوحدة kJ/mol (كيلوجول لكل مول).

6. علاقة المعادلة الحرارية بقانون حفظ الطاقة

تخضع المعادلات الكيميائية الحرارية لـ قانون حفظ الطاقة الذي ينص على أن “الطاقة لا تُفنى ولا تُستحدث من العدم، بل تتحول من شكل لآخر”.

هذا يعني أن:

• الطاقة الممتصة من الوسط في التفاعل الماص تتحول إلى طاقة كيميائية.
• الطاقة المنبعثة في التفاعل الطارد كانت مخزنة في الروابط الكيميائية للمواد المتفاعلة.

7. استخدامات المعادلات الحرارية في الحياة اليومية

🏭 الصناعة:

• معرفة كمية الحرارة الناتجة من تفاعل يساعد في تصميم المفاعلات الصناعية وتحسين كفاءتها.

🍳 الطهي:

• احتراق الغاز في الموقد طارد للحرارة ويُستخدم لتسخين الطعام.

❄️ التبريد:

• بعض المواد الكيميائية تمتص حرارة عند تفاعلها، وتُستخدم في أكياس التبريد الفوري.

⚗️ المختبرات:

• تحديد حرارة التفاعل يساعد في اختيار ظروف التفاعل المناسبة (حرارة، ضغط، تركيز).

8. تأثير العوامل الخارجية على المعادلات الحرارية

التغير في الحرارة، الضغط، أو الحالة الفيزيائية للمادة قد يؤثر على ΔH:

• إذا كانت النواتج أو المتفاعلات في حالة بخار بدلاً من سائل، فقد تختلف قيمة ΔH.
• التحولات بين الحالات الفيزيائية (مثل: انصهار، تبخر) لها أيضًا معادلات حرارية خاصة.

مثال:

$$\text{H}_2O(l) \rightarrow \text{H}_2O(g) \quad \Delta H = +40.7 \, \text{kJ/mol}$$

يمثل هذا تبخر الماء، وهو تفاعل ماص للحرارة.

9. الرسم البياني للتفاعل الحراري

يمكن تمثيل التفاعل الحراري بيانيًا باستخدام منحنى طاقة التفاعل:

• في التفاعل الطارد: تنخفض الطاقة من المتفاعلات إلى النواتج.
• في التفاعل الماص: ترتفع الطاقة من المتفاعلات إلى النواتج.

يمثل الفرق بينهما قيمة ΔH.

10. معادلات حرارية شهيرة:

احتراق الكربون:

$$\text{C} + \text{O}_2 \rightarrow \text{CO}_2 \quad \Delta H = -393.5 \, \text{kJ/mol}$$

تكوين الماء:

$$2\text{H}_2 + \text{O}_2 \rightarrow 2\text{H}_2O \quad \Delta H = -572 \, \text{kJ}$$

تفكك الماء:

$$2\text{H}_2O \rightarrow 2\text{H}_2 + \text{O}_2 \quad \Delta H = +572 \, \text{kJ}$$

لاحظ أن تفكك الماء هو عكس تكوينه، لذا تتغير إشارة ΔH.

11. التدريب على المعادلات الحرارية

لفهمها جيدًا، يُنصح بالتمرّن على:

• تصنيف التفاعلات إلى ماصّة وطاردة.
• حساب ΔH من خلال المسائل.
• استخدام قانون هس (Hess’s Law) لحساب حرارة التفاعل من معادلات متعددة.

12. خلاصة

المعادلة الكيميائية الحرارية توضح لنا ليس فقط ما يتفاعل وينتج، بل أيضًا كمية الطاقة المتبادلة. وهي أداة حيوية في الكيمياء لفهم سلوك المواد والطاقة، وتطبيقاتها واسعة من المختبرات إلى المصانع.