المحاضرة الخامسة / حرارة التفاعل (الانثالبي)

حرارة التفاعل (الإنثالبي) – Enthalpy of Reaction

مقدمة

في الكيمياء والفيزياء، تحدث التفاعلات الكيميائية مصحوبة بتغيّرات في الطاقة. هذه التغيرات تظهر غالبًا على شكل حرارة تنطلق أو تُمتص أثناء التفاعل. لفهم ودراسة هذه التغيرات بدقة، تم استخدام مفهوم يُعرف بـ حرارة التفاعل أو الإنثالبي (Enthalpy).

الإنثالبي هو مقياس لمحتوى الطاقة في النظام، ويُستخدم لوصف كمية الحرارة المتبادلة أثناء التفاعلات الكيميائية عند ضغط ثابت. هذا المفهوم أساسي في الكيمياء الحرارية (thermochemistry) والهندسة والعلوم البيئية.

تعريف الإنثالبي (H)

الإنثالبي (H) هو دالة حالة ترمز إلى مجموع الطاقة الداخلية للنظام (U) مضافًا إليها حاصل ضرب الضغط والحجم:

$$H = U + PV$$

حيث:

• $H$: الإنثالبي (Joule)
• $U$: الطاقة الداخلية
• $P$: الضغط
• $V$: الحجم

لكن في التطبيقات العملية، لا نهتم بقيمة الإنثالبي نفسه، بل نهتم بالتغير فيه أثناء التفاعل:

$$\Delta H = H_{\text{products}} – H_{\text{reactants}}$$

أي الفرق بين إنثالبي النواتج وإنثالبي المواد المتفاعلة.

حرارة التفاعل (ΔH)

حرارة التفاعل هي التغير في الإنثالبي المصاحب لتفاعل كيميائي يتم عند ضغط ثابت. يمكن أن تكون:

1. تفاعل طارد للحرارة (Exothermic):
   يُطلق حرارة إلى الوسط المحيط، ويكون:

   $$\Delta H < 0$$مثال: احتراق الوقود، تفاعل الأحماض مع القواعد.

2. تفاعل ماص للحرارة (Endothermic):
   يمتص حرارة من الوسط، ويكون:

   $$\Delta H > 0$$مثال: تحليل الماء كهربائيًا، التفاعلات الفوتوسنتزية.

الوحدة المستخدمة

الوحدة الدولية لقياس الإنثالبي هي الجول (J)، لكن في الكيمياء يُستخدم أيضًا الكيلوجول (kJ) أو السعر (cal)، حيث:

$$1 \, \text{cal} = 4.184 \, \text{J}$$

طرق قياس حرارة التفاعل

1. المسعر (Calorimeter)

جهاز يُستخدم لقياس كمية الحرارة المنبعثة أو الممتصة أثناء التفاعل. يُغمر التفاعل في وسط معزول ويُقاس التغير في درجة حرارة الماء أو المادة المحيطة.

الصيغة المستخدمة:

$$Q = m \cdot c \cdot \Delta T$$

ثم نحصل على:

$$\Delta H \approx Q$$

(عند ثبات الضغط)

2. من خلال حرارة التكوين القياسية (ΔHf°)

هي كمية الحرارة اللازمة لتكوين مول واحد من مادة من عناصرها الأولية في حالتها القياسية.

لحساب حرارة التفاعل باستخدام حرارة التكوين:

$$\Delta H_{\text{reaction}} = \sum \Delta H_f^\circ \text{(products)} – \sum \Delta H_f^\circ \text{(reactants)}$$

أمثلة على حرارة التفاعل

مثال 1: تفاعل طارد للحرارة

احتراق غاز الميثان:

$$CH_4(g) + 2O_2(g) \rightarrow CO_2(g) + 2H_2O(l) \quad \Delta H = -890 \, \text{kJ/mol}$$

في هذا التفاعل، تنطلق 890 كيلوجول من الحرارة عند احتراق 1 مول من الميثان.

مثال 2: تفاعل ماص للحرارة

تحلل كربونات الكالسيوم:

$$CaCO_3(s) \rightarrow CaO(s) + CO_2(g) \quad \Delta H = +178 \, \text{kJ/mol}$$

يمتص التفاعل 178 كيلوجول لتفكيك مول واحد من كربونات الكالسيوم.

عوامل تؤثر على حرارة التفاعل

1. حالة المواد (صلبة، سائلة، غازية):
   حرارة التفاعل تختلف إذا تغيرت الحالة الفيزيائية للمواد.
2. الضغط ودرجة الحرارة:
   بالرغم من أن ΔH تقاس عادة عند ضغط ثابت، إلا أن تغير الظروف قد يؤثر على القيمة.
3. التركيز والمولارية:
   التفاعلات في المحاليل تتأثر بتركيز المواد المتفاعلة.
4. التحفيز (Catalysis):
   لا يؤثر على ΔH، لكنه يسرّع التفاعل بتقليل طاقة التنشيط.

قانون هس (Hess’s Law)

ينص على أن:

“إذا تم التفاعل على عدة خطوات، فإن مجموع حرارة التفاعل الكلية يساوي مجموع التغيرات في الإنثالبي لكل خطوة، بغض النظر عن الطريق الذي تم فيه التفاعل.”

يساعدنا قانون هس في حساب حرارة تفاعل غير مباشرة باستخدام تفاعلات أخرى معروفة.

الرسم البياني للإنثالبي

• في التفاعل الطارد للحرارة: تكون طاقة المواد المتفاعلة أعلى من طاقة النواتج.
• في التفاعل الماص للحرارة: تكون طاقة النواتج أعلى من المتفاعلات.

يُرسم هذا عادة باستخدام محور يمثل الإنثالبي، والخطوط البيانية تظهر اتجاه التغير في الطاقة.

أهمية دراسة حرارة التفاعل (الإنثالبي)

1. في الصناعة: لتحديد الطاقة اللازمة أو الناتجة عن التفاعلات الكيميائية، مثلًا في صناعة الأسمدة أو الوقود.
2. في التغذية: حساب السعرات الحرارية للأطعمة.
3. في البيئة: دراسة تأثير التفاعلات الحرارية على المناخ والاحتباس الحراري.
4. في الطب والصيدلة: تصميم تفاعلات آمنة وفعالة في تصنيع الأدوية.

الفرق بين الإنثالبي والطاقة الداخلية

• الطاقة الداخلية (U): تشمل كل أشكال الطاقة داخل النظام.
• الإنثالبي (H): يشمل الطاقة الداخلية بالإضافة إلى الطاقة الناتجة عن الضغط والحجم.

الإنثالبي يُستخدم عند ثبات الضغط، بينما الطاقة الداخلية تُستخدم عند ثبات الحجم.

ملخص

• حرارة التفاعل (ΔH) هي مقدار الطاقة الحرارية المتبادلة أثناء التفاعل عند ضغط ثابت.
• تُقاس بوحدة جول أو كيلوجول.
• تُحسب باستخدام:

  $$\Delta H = H_{\text{products}} – H_{\text{reactants}}$$

• يمكن أن يكون التفاعل طاردًا أو ماصًا للحرارة.
• تُستخدم قوانين مثل قانون هس وحرارة التكوين القياسية في حساب ΔH.
• لها تطبيقات كثيرة في الحياة العملية والعلمية.