المحاضرة السادسة عشر / العمليات التلقائية ولاتلقائية

🧪 أولًا: ماذا نقصد بالعملية الكيميائية؟

العملية الكيميائية هي أي تغير يحدث في المادة ينتج عنه مواد جديدة. قد تكون العملية بسيطة مثل ذوبان السكر في الماء، أو معقدة مثل احتراق الوقود أو التفاعلات النووية.
لكن السؤال الذي يهمنا هنا: هل هذه العمليات تحدث من تلقاء نفسها؟ أم تحتاج إلى تدخل خارجي؟

وهنا يأتي التفريق بين:

• العمليات التلقائية (Spontaneous Processes)
• العمليات غير التلقائية (Non-Spontaneous Processes)

🔷 ثانيًا: تعريف العملية التلقائية

العملية التلقائية هي تلك التي تحدث بشكل طبيعي دون الحاجة إلى تدخل خارجي دائم، أي بمجرد توفر الظروف المناسبة تبدأ العملية بالحدوث تلقائيًا.

✳️ أمثلة على العمليات التلقائية:

• انتشار الغاز في الهواء.
• ذوبان الملح في الماء.
• صدأ الحديد في وجود الهواء والماء.
• احتراق الخشب (بشرط وجود شرارة بدء فقط).
• انتقال الحرارة من الجسم الساخن إلى البارد.

هذه العمليات كلها تحدث بدون بذل شغل مستمر من الخارج.

🔶 ثالثًا: تعريف العملية غير التلقائية

العملية غير التلقائية هي العملية التي لا تحدث من تلقاء نفسها، بل تتطلب طاقة أو عمل مستمر من الخارج لكي تستمر أو تحدث.

✳️ أمثلة على العمليات غير التلقائية:

• تحويل الماء إلى هيدروجين وأكسجين (يتطلب طاقة كهربائية = تحليل كهربائي).
• ضغط الغاز ليعود إلى حجمه الأصلي بعد التمدد.
• فصل مكونات خليط بدون طاقة (مثل فصل الملح عن الماء).
• رفع جسم من الأرض إلى أعلى ضد الجاذبية.

🔻 الفرق الجوهري بين التلقائية وغير التلقائية:

🔬 رابعًا: ما الذي يتحكم في تلقائية العملية؟

قد يبدو أن انخفاض الطاقة هو العامل الوحيد لتلقائية التفاعل، لكن الحقيقة أكثر تعقيدًا. هناك عاملان رئيسيان:

1. 🔥 الإنثالبي (ΔH):

• هو التغير في الطاقة الحرارية خلال التفاعل.
• إذا كان ΔH سالب → العملية طاردة للحرارة → تميل للتلقائية.
• إذا كان ΔH موجب → العملية ماصة للحرارة → قد تكون غير تلقائية.

2. 🎲 الإنتروبيا (ΔS):

• الإنتروبيا تمثل “العشوائية” أو “درجة الفوضى” في النظام.
• إذا زادت العشوائية (ΔS موجب) → تميل العملية للتلقائية.
• إذا انخفضت العشوائية (ΔS سالب) → تميل لعدم التلقائية.

🧠 خامسًا: العلاقة بين ΔH و ΔS (قانون جيبس)

لحسم المسألة، نستخدم معادلة الطاقة الحرة لجيبس:

$$\Delta G = \Delta H – T\Delta S$$

حيث:

• ΔG = التغير في الطاقة الحرة (الذي يحدد تلقائية العملية)
• ΔH = الإنثالبي
• T = درجة الحرارة بالكلفن
• ΔS = الإنتروبيا

✅ تفسير النتيجة:

• إذا ΔG < 0 ⇒ التفاعل تلقائي
• إذا ΔG > 0 ⇒ التفاعل غير تلقائي
• إذا ΔG = 0 ⇒ التفاعل في حالة اتزان

📊 سادسًا: حالات التلقائية حسب ΔH و ΔS

🔄 سابعًا: أمثلة تطبيقية

🌡️ 1. ذوبان الملح في الماء:

• ΔH = موجب (ماص للحرارة)
• ΔS = موجب (زيادة في العشوائية)
• عند درجات حرارة عالية → التفاعل تلقائي.

🔥 2. احتراق الورق:

• ΔH = سالب (طارد للحرارة)
• ΔS = موجب (إنتاج غازات من مادة صلبة)
• ΔG = سالب → تفاعل تلقائي بعد بدء الاشتعال.

🧊 3. تجمد الماء:

• ΔH = سالب
• ΔS = سالب (نقص في العشوائية)
• يكون تلقائيًا فقط عند درجات حرارة منخفضة.

📚 ثامنًا: أهمية التلقائية في الحياة

• في الطبيعة: العمليات التلقائية تحدث دائمًا لإعادة التوازن، مثل تساقط الأمطار أو تعفن الطعام.
• في الصناعة: يُدرس مدى تلقائية التفاعل لتقليل استهلاك الطاقة.
• في الطب: فهم التفاعلات الحيوية يعتمد على تلقائية التفاعلات داخل الجسم.

📝 تاسعًا: كيف أميز العملية التلقائية في الامتحان؟

🔹 اتبع الخطوات التالية:

1. اقرأ المعطيات جيدًا (هل توجد ΔH أو ΔS أو ΔG؟).
2. طبّق قانون جيبس إن لزم.
3. راجع الإشارة:
   • ΔG سالب = تلقائي
   • ΔG موجب = غير تلقائي

🧩 عاشرًا: تمارين تدريبية

سؤال 1:

تفاعل كيميائي له ΔH = –200 kJ و ΔS = –0.3 kJ/K.
هل يكون تلقائيًا عند T = 300K؟

الحل:

$$\Delta G = \Delta H – T\Delta S = (–200) – (300 × –0.3) = –200 + 90 = –110 \ \text{kJ}$$

إذن: ΔG < 0 → التفاعل تلقائي

سؤال 2:

ما نوع العملية التالية:
انتقال الحرارة من جسم ساخن إلى جسم بارد؟

الجواب: تلقائية
لأن الحرارة تنتقل طبيعيًا من الأعلى حرارة إلى الأقل.

✅ خلاصة (تلخيص سريع):