[أسيرة القمر]

لماذا التفاعلات التي تطلق الطاقة هي المفضّلة في الطبيعة؟

إن التغيرات في الطبيعة التي تميل إلى زيادة ثبات الذرات أو الأيونات في المركبات هي المفضّلة. فعندما تحدث التفاعلات الكيميائية فإن الروابط التي في المواد تقوم بإعادة ترتيب نفسها. وكما نعلم بأن تكوين الروابط تطلق طاقة, أما ت***رها فإنه سيحتاج لطاقة. فإذا كانت الطاقة الناتجة من تكوين الروابط أكبر من الطاقة الممتصة لكسر الروابط, فإن التفاعل هو طارد للطاقة.




الانتروبيا Entropy

المقدمة

يمكن للتفاعلات الكيميائية أن تكون إما طاردة للطاقة أو ماصة لها. ففي التفاعلات الطاردة للطاقة بشكل عام يقل المحتوى الحراري ( H ) الناتج عن ت***ر الروابط عن تكوينها مكونا ترتيبا ثابتا من الذرات والإلكترونات. هذه هي الحالة المفضلة في الطبيعة وتقود التفاعلات للحدوث.
فلماذ إذن تمتص التفاعلات الطاقة وبشكل عام ينتج عنها زيادة في المحتوى الحراري ( الطاقة ) ؟ الجواب أنه في مثل هذه الأنظمة سيكون هناك دائما زيادة في الانتروبيا. ما هي الانتروبيا وكيف ستزداد ؟

وجد العلماء أن هناك سبب آخر يؤدي لحدوث التفاعلات , وهو الميل نحو العشوائية . ودرجة العشوائية أو الفوضوية في النظام تسمى الانتروبيا entropy . وتعطى رمز S.
فالتغيرات التي تنتج مواد بعشوائية أكبر (+ S)هي المستحسنة في الطبيعة وتميل للحدوث. وهذه القائمة تبيّن أهم التغيرات ( بشكل عام ) التي تنتج عشوائية أكثر في المواد :
1. التحول من الصلابة إلى السيولة
2. التحوّل من السيولة إلى الغازية
3. التحول من الصلابة إلى الغازية
4. تكوين الخليط
5. زيادة حجم النظام من الغازات

في كل الأحوال, إذا كان التفاعل ماص للطاقة, فإن الانتروبيا للنظام يجب أن تزداد.
وعادة الميل للانتروبيا ونقصان المحتوى الحراري يعارضان بعضهما البعض. في التفاعلات الكيميائية يحدث التوازن ما بين المحتوى الحراري والانتروبيا إذا ما حدث بشكل عفوى وعند أي درجة حرارة.
لندرس بعض التفاعلات الكيميائية, ولنحاول أن نبيّن لماذا حدثت.

نشاط : المحتوى الحراري والانتروبيا
الهدف:

- لدراسة الأسباب التي تؤدي لحدوث التفاعلات الكيميائية
للأمن والسلامة : تأكد من لبس القفازات والكوت لحفظ ملابسك عند إجراء أي من التجارب التالية .
أجب عن الأسئلة بعد الانتهاء من العمل اعتمادا على المعلومات المشروحة للأنتروبيا

الاختبار 1 : تفاعل كربونات الصوديوم الهيدروجينية وحمض الأستيك
المواد اللازمة :

- كربونات الصوديوم الهيدروجينية ، حمض الأستيك ، أنبوبة اختبار ( 20 مل ) ،عود ثقاب .
الاجراءات :

أدوات النادي 4

- أخلط ببطء 10 مل من 1 مول/لتر من كربونات الصوديوم الهيدروجينية مع 10 مل من 3 مولار من حمض الأستيك المخفف في أنبوبة إختبار
- لاحظ الناتج من التفاعل
- اشعل عود الثقاب وقربه من الغاز المتصاعد عند فوهة أنبوبة الإختبار ( لا تلقي بعود الثقاب داخل الأنبوبة, فقط قربها من الفوهة)
1. ماذا سيحدث ؟
2. وماذا يدل هذا بالنسبة للغاز المتصاعد؟

التفاعل قد حدث على مرحلتين. أولا حدث تفاعل إحلال مزدوج, فكوّن أسيتات الصوديوم وحمض الكربو***. محلول حمض الكربو*** بعدها سيتحلل إلى غاز وماء.
3. هل كان التفاعل طارد أم ماص للطاقة ؟
4. كيف يمكن أن تعرف ذلك ؟
5. اكتب المعادلة الكيميائية التي حدثت على مرحلتين وبيّن التغيرات في الحالات ثم بيّن إذا ما زادت العشوائية .
الاختبار 2 : احتراق الميثانول

المواد اللازمة :

- إيثانول ، قنينة بلاستيكية فارغة, عود ثقابالاجرءات:
- ضع 95% من الإيثانول في قنينة بلاستيكية نظيفه ( 100 مل ) .
- حرّك القنينة بحركة دائرية لمدة 2 دقيقة ثم ارجع الإيثانول لقارورته الأصلية .
- ثبت القنينة البلاستيكية لمدة 30 ثانية
- اشعل عود ثقاب ومررها على فوهة القنينة البلاستيكية بحذر .
1. ماذا يحدث ؟
2. ما المواد من الهواء التي تفاعل معها الإيثانول ؟

أدوات النادي 4

احتراق كامل حدث ( النواتج هي ثاني أ***د الكربون والماء ) . أكتب معادلة حرارية موزونة للتفاعل الذي حدث )
3. هل هو تفاعل طارد للطاقة أم ماص للطاقة ؟
4. كيف تم معرفة ذلك ؟
5. هل الانتروبيا للنظام زادت ؟
6. عد عدد الجزيئات في المتفاعلات والنواتج, كيف يمكن هذا أن يساعدك لتقرر إن كانت الانتروبيا قد زادت ؟ الاختبار 3 :
المواد اللازمة :

- كلوريد الأمونيوم , ماء , كأس (100 مل ), ترمومتر
الاجراءات

- حضّر 100 مل من الماء وقس درجة حرارتها. زن 2,5 غم من كلوريد الأمونيوم ثم ضيفها إلى الماء في كأس سعته 250 مل .
1. ما التغير الذي حدث على درجة الحرارة ؟
2. علام يدل ذلك بالنسبة للتفاعل ؟



الناتج هو محلول أيوني. اكتب المعادلة الموزونة للذوبان الحاصل
NH4Cl (s) ------->_____________ (aq) + _____________(aq)
3. هل أنتروبيا النظام زادت نظرا للتغير في الحالة ؟

الاختبار 4 : ( عرض يقوم به المعلم)
المواد اللازمة :

- برمنجنات البوتاسيوم الصلبة، قطارة، حمض الكبريتيك المركز

الاجراءات :

- حمض الكبريتيك مادة حارقة قوية لذا يجب لبس القفازات ونظارات الحامية للأعين وكوت المختبر عند تنفيذ هذا العرض ( التجربة )
- شاهد عرض المعلم وهو يجري خطوات . ضع قطعة من برمنجنات البوتاسيوم جفنة خزفية في خزانة الغازات. ضع من 3 إلى 4 قطرات من حمض الكبريتيك المركز ( 18 مول/لتر ). ابتعد للخلف ثم لاحظ نتائج التجربة, فقد يلزمها عدة ثواني قبل أن تبدأ.

أدوات النادي 4

- هل التفاعل ماص للطاقة أم طارد ؟
- ما الأسباب التي تجعل من هذا التفاعل أن يكون تلقائي ؟
- اكتب معادلة التفاعل الحرارية الموزونة ؟

الاختبار 5 :
المواد اللازمة :

- فلز النحاس ، حمض النيتريك المركز ، كأس (1000 مل ) أو مخبار مدرج.

الاجراءات :

- حمض النيتريك مادة حارقة , فيجب اتخاذ كل الاحتياطات من لبس القفازات وكوت المختبر وإجراء التجربة في غرفة الغازات

- في مخبار مدرج طويل ( أو 100 مل كأس ), ضع عملة نحاسية إو سلك نحاسي . أضف إليها 10 مل من حمض النيتريك المركز ثم لا حظ ماذا سيحدث ؟ . النواتج من هذا التفاعل سيكون محلول نترات النحاس اا والماء وثاني أ***د النيروجين

أدوات النادي 4

1. ما لون غاز ثاني ا***د النيتروجين ؟
2. إلمس قاعدة الكأس . هل التفاعل طارد للطاقة أم ماص ؟
- اكتب معادلة حرارية موزونة تلك التي حدثت ما بين النحاس وحمض النيتريك
1. ما هي حالة النواتج التي تكونت ؟
2. قارن ما بين حالة المتفاعلات والنواتج. هل الانتروبيا ستزداد بهذا النظام ؟


الديناميكا الحرارية

دراسة الطاقة والطاقة الحركية تسمى بالديناميكا الحرارية. هناك قانين يحكمان انتقال الحرارة في الطبيعة ما بين الأجسام.

قوانين انتقال الحرارة :

1. القانون الأول للديناميكا الحرارية : قانون حفظ الطاقة
" الطاقة لا تفنى ولا تستحدث من عدم , لإنما تتغير من شكل لآخر "
فالطاقة يمكن أن تكون في عدة أشكال مثل الضوء أوالحرارة أوالصوت. وهذا القانون يقرر بأن الطاقة قد تتحول من شكل إلى آخر, إنما أبدا تفقد من أي نظام مغلق

عندما يحدث تفاعل طارد للطاقة فإن بعض من المحتوى الحراري للجزيئات ( الطاقة التي في الجزيئات ) للنظام ستتحول إلى حرارة أو ضوء. وهذه الطاقة ستنطلق من النظام إلى المحيط. ومجموع الطاقة في النظام ستقل, بينما الطاقة في المحيط ستزداد بنفس الكمية. لذا يمكن أن نقول بأن :

أما عندما يحدث التفاعل الماص للطاقة فإن بعض من طاقة المحيط ستمتص من قبل النظام وتتحول لمحتوى حراري في الجزيئات.

2. القانون الثاني للديناميكا الحرارية :

" تنتقل الطاقة تلقائيا من الأجسام الأكثر حرارة إلى الأجسام الأبرد "

أن تعرف منذ كنت صغيرا بأنك ستحترق إذا ما لمست الموقد الساخن! وهذا أداء القانون الثاني للديناميكا الحرارية. فالموقد أسخن من جسمك’ لذلك ستنتقل الحرارة إلى يديك. وعندما تخرج في الجو البارد دون أخذ الاحتياطات من ملابس ثقيلة , فإنك ستصاب بلسعة البرد. وهذا مثال آخر على عمل القانون الثاني للديناميكا الحرارية. فالحرارة ستنتقل من جسمك إلى الهواء المحيط, عندما لا يوجد هناك حائل يحجز الحرارة في جسمك ويمنعها من الفقدان, فإن جلدك سيبرد وستصاب بلسعة البرد.

قيّم فهمك للموضوع :

1. ماذا يحدث بالضبط لجلدك عندما تصاب بلسعة البرد؟
2. حدد العامل الأساسي المسبب للسعة البرد واقترح طرق لعلاجها .
3. وضّح دور كل من القانونين الأول والثاني للديناميكا الحرارية في حدوث لسعة البرد ؟
4. طبّق نفس الأسئلة من 1 – 3 على حادثة حرق الجلد من الموقد .