المجال الثالث: الديناميكا الحرارية الكيميائية

Transcript

1 األتساذ : روبة حيي chimie17000@gmailcom المجال الثالث: الديناميكا الحرارية الكيميائية النشاط العملي رقم 01: قياس الحرارة المولية للذوبان النشاط العملي رقم 20: قياس الحرارة النوعية النصهار الجليد النشاط العملي رقم 23: قياس الحرارة المولية للتعديل النشاط العملي رقم 20: (Hess) قياس الحرارة المولية لتشكيل MgO باستعمال قانون هيس 1

2 قياس الحرارة المولية للذوبان Chaleur molaire de dissolution النشاط العملي )1(: تذكير: - النظام المفتوح: هو النظام الذي يمكنه تبادل المادة والطاقة مع الوسط الخارجي مثل كأس غير مغطى يحتوي على سائل يغلي حيث يمتص السائل الطاقة من الوسط الخارجي حتى يغلي وبالمقابل ينطلق بخار السائل من الكأس إلى الوسط الخارجي - النظام المغلق:هو النظام الذي يمكنه تبادل الطاقة دون المادة مع الوسط الخارجي - النظام المعزول:هو النظام الذي ال يمكنه تبادل ال المادة وال الطاقة مع الوسط الخارجي قياس كمية الحرارة: تقاس كمية الحرارة Q بالمسعر الحراري) calorimètre ( حيث السعة الحرارية للمسعر أو كتلته المكافئة من الماء تنسب عادة للماء J/gK) c )و H2O = 4,185 لقياس كمية الحرارة توضع الكاشف األول في المسعر )عادة ما يكون الماء( ونسجل درجة الحرارة من الكاشف الثاني ثم ننتظر التوازن الحراري ونسجل درجة حرارة المزيج T 2 تقاس كمية الحرارة بتطبيق العالقة : كتلة معلومة m 1 Q = mct من ثم نضيف إلى المسعر كتلة معلومة m 2 T 1, T = T 2 - T 1, c H2O = 4,185 J/g K حيث: m = m 1 + m 2 C يدعى بالسعة الحرارية m) (c تعريف الحرارة المولية للذوبان: هي كمية الطاقة الحرارية التي ترافق ذوبان 1 مول من مادة كيميائية في الماء 2

3 1 Thermodynamique Chimique الهدف: تعيين الحرارة المولية لذوبان هيدروكسيد البوتاسيوم الصلب (s) KOH و الصلب هيدروكسيد الصوديوم 100 ml في NaOH (s) من الماء المقطر 0 المبدأ: يتمثل في: إذابة المادة الصلبة في الماء داخل وعاء معزول )مسعر حراري( قياس التغيير في درجة حرارة محتوى الوعاء ΔT الذي يرافق الذوبان استنتاج كمية الحرارة Q المبادلة خالل الذوبان و كذلك نوع التفاعل: ماص ناشر للحرارة 3 أو ال حراري المواد و األدوات الالزمة : * المواد (Calorimètre) * األدوات مسعر حراري أو كأس من البولي ستيران مزود بغطاء في حالة غياب المسعر مخبار مدرج سعته 100 ml مقياس حرارة ( ترمومتر( ميزان حساس ملعقة 561 g KOH(s) من 4 g من NaOH(s) ماء مطر 0- خطوات العمل: بواسطة المخبار المدرج خذ 100 ml من الماء المقطر ثم ضعها في المسعر الحراري )أو كأس من البولي ستيران( سجل درجة الحرارة االبتدائية للماء زن (T i ) 561 g ضع كمية من هيدروكسيد البوتاسيوم KOH (s) KOH (s) الموزونة في الماء ثم حرك حتى الذوبان التام سجل درجة الحرارة النهائية )العظمى( مخلط محرار وعاء المسعر وعاء خارجي فراغ المحلول (T f ) أعد نفس الخطوات السابقة باستعمال 4 g من هيدروكسيد الصوديوم الصلب NaOH(s) 5- النتائج التجريبية: سجل كل النتائج في الجدول األتي: الحرارة المبادلة) Q ( (J) ΔT (K) T f (K) T i (K) كتلة المادة (g) كتلة الماء )g) KOH(s) NaOH(s) 3

4 4 Thermodynamique Chimique c e الحرارة الكتلية للماء = 4185 J / g K السعة الحرارية للمسعر كتلة 4 g = NaOH C cal = ρ = 1 g / ml : m e = 100 g 561 g - 6 طريقة الحساب: المعطيات : الكتلة الحجمية للماء كتلة الماء : كتلة = KOH عند تحقيق نظام معزول ال يبادل مع الوسط الخارجي طاقة يكون : 0 = Q Q + : Q كمية الحرارة المبادلة من طرف تفاعل الذوبان 'Q : كمية الحرارة المبادلة من طرف المسعر الحراري و محتواه : كمية الحرارة التي يبادلها المسعر و محتواه Q Q = ( C cal + m e c e ) ΔT ; C cal مهمل Q = m e c e ΔT Q = m e c e ( T f - T i ) : Q كمية الحرارة التي يبادلها التفاعل Q + Q = 0 Q = - Q Q = - m e c e ( T f - T i ) بما أن النظام معزول : Q Q P = n Q P = - m e c e ( T f T i ) n : Q P الحرارة المولية لتفاعل الذوبان : n عدد موالت المادة المتفاعلة ΔH diss = Q P : ΔH dissolution أنطالبي تفاعل الذوبان و NaOH(s) من في الماء برر اجابتك في 100 ml من الماء Q استنتج الحرارة 100 ml KOH(s) ΔH (diss) NaOH(s) KOH(s) 561 g 7- األسئلة: 1- استنتج نوع تفاعل الذوبان لكل من 2- احسب كمية الحرارة التي ترافق ذوبان المولية لذوبان هذه المادة Qp و أنطالبي الذوبان من في من الماء Q استنتج الحرارة ΔH (diss) 3- احسب كمية الحرارة التي ترافق ذوبان 4 g المولية لذوبان هذه المادة Qp اكتب تفاعالت ذوبان كل من و أنطالبي الذوبان و NaOH(s) في الماء موضحا انطالبي كل التفاعل KOH(s) 4

5 النشاط العملي )0(: قياس الحرارة النوعية النصهار الجليد Chaleur latent de fusion de la glace تذكير: االنصهار:هو تحول المادة من الحالة الصلبة إلى الحالة السائلة مثل: H 2 O (s) H 2 O (l) ΔH fus أو L fus والعملية العكسية لهذا التحول هي التجمد يرمز لألنطالبي المرافق له التبخر: هو تحول المادة من الحالة السائلة إلى الحالة الغازية مثل: ويرمز ألنطالبي هذا التحول ΔH cong أو L cong H 2 O (l) H 2 O (g) ΔH vap أو L vap والعملية العكسية لهذا التحول هي التمييع يرمز لألنطالبي لمرافق له التصعيد: هو تحول المادة مباشرة من الحالة الصلبة إلى الحالة الغازية دون المرور بالحالة السائلة, انصهار الجليد: تعريف: و يرمز ألنطالبي هذا التحول لألنطالبي المرافق له ويرمز ألنطالبي هذا التحول ΔH liq أو L liq مثل: 2(g) I 2(s) I ΔH sub أو L sub العملية العكسية لهذا التحول هي التكثيف يرمز L cond أو ΔH cond - انصهار الجليد هو تغيير في الحالة الفيزيائية للماء - هذا التغيير في الحالة الفيزيائية يرافقه امتصاص طاقة )حرارة( - التغيير في الحالة الفيزيائية لجسم يحدث عند درجة حرارة ثابتة - عبارة الحرارة المبادلة خالل تغيير الحالة الفيزيائية ) fus Q) = ml الحرارة النوعية النصهار جسم نقي ) fusion ( Chaleur latente de هي كمية الحرارة التي يجب توفيرها لكتلة من هذا الجسم لتحويله كليا إلى الحالة السائلة عند درجة حرارة ثابتة) درجة االنصهار( و تحت ضغط ثابت L fus يرمز لها وحدتها (J/g) أو (kj/kg) 5

6 ر- 1- الهدف: قياس الحرارة النوعية النصهار الجليد بطريقة المسعر الحراري (Calorimétrie) 0- المبدأ: يتمثل في انصهار قطعة الجليد داخل وعاء معزول )مسعر حراري( الحرارة ΔT خالل العملية * األدوات 3- المواد و األدوات الالزمة : * المواد قطع الجليد ماء مقطر مسعر حراري (Calorimètre) 0- خطوات العمل: - بغطاء في حالة غياب المسعر مخبار مدرج سعته 200 ml مقياس حرارة ( ترمومتر أو محرار( بشير و قياس تغيير درجة أو كأس من البوليستيران مزود ضع قطع جليدية في بشير فيه ماء نقي و انتظر التوازن الحراري تحقق باستعمال محرار أن درجة حرارة التوازن ( ماء + جليد ) - خذ بواسطة مخبار مدرج 200 ml هي فعال 0 C من ماء ( أي ) و اسكبها داخل المسعر الحراري m e = 200g - اغمس المحرار و اقرأ درجة الحرارة االبتدائية T i )المسعر + الماء( - ضع المجموع )المسعر + الماء( على الميزان و اقرأ الكتلة m - خذ من البشير قطعة جليد و امسحها بسرعة بمنديل ورقي ثم أغمسها في المسعر اقب بواسطة المحرار انخفاض درجة الحرارة داخل المسعر الناتج عن انصهار قطعة الجليد - انتظر التوازن الحراري ثم اقرأ درجة الحرارة النهائية T f - زن المجموع )المسعر + الماء + الماء الناتج من القطعة الجليدية( تجد كتلة m - احسب كتلة قطعة الجليد m g = m -m - كرر التجربة ثالثة مرات دون النتائج في الجدول 5- جدول النتائج : ΔT (K) T f (K) T i (K) m g (g) m e (g) التجربة 1 التجربة 0 التجربة 3 6

7 Qi = 0 Q + Q + Q " = 0-6 طريقة الحساب: عند تحقيق نظام معزول ال يبادل مع الوسط الخارجي حرارة : Q كمية الحرارة المفقودة من طرف المسعر الحراري و محتواه ( (0 C كمية الحرارة المستعملة النصهار الجليد عند درجة حرارة ثابتة : 'Q "Q : كمية الحرارة المستعملة لرفع درجة حرارة الماء الناتج عن انصهار الجليد Q = ( C cal + m e c e )( T f - T i ) كمية الحرارة التي يفقدها المسعر و محتواه : Q = m g L f كمية الحرارة المستعملة النصهار الجليد : Q" = m g c e ( T f ) كمية الحرارة المستعملة لرفع درجة حرارة الماء الناتج من الجليد : ( C cal + m e c e )( T f - T i ) + m g L f + m g c e ( T f ) = 0 L f = - (C cal + m e c e ) ( T f T i ) + m g c e ( T f ) m g 7- األسئلة: 1- هل انصهار الجليد تحو ل ماصا أم ناشرا للحرارة أم هو ال حراري برر إجابتك 1- احسب الحرارة النوعية النصهار الجليد L f عند 0 C بالنسبة لكل تجربة ثم احسب القيمة المتوسطة L f = 335 J / g النظرية المعطاة في جداول الديناميكا الحرارية هي: (%) 2- إذا كانت قيمة L f احسب الخطأ النسبي المرتكب خالل هذه التجربة بالنسبة المئوية ما إشارة هذه الحرارة و لماذا ΔH fus 3- احسب الحرارة المولية النصهار الجليد Q P 4- اكتب تفاعل انصهار الجليد موضحا أمامه انطالبي هذا التفاعل 7

8 قياس الحرارة المولية للتعديل Chaleur molaire de neutralisation النشاط العملي )3(: وعاء عازل محرار الوعاء الذي يحدث فيه التفاعل مخلط ماء تذكير: HCl و ) HNO 3 و األسس القوية )مثل ) NaOH تتشرد كليا في الماء : AH + H 2 O A - + H 3 O + األحماض القوية ( مثل تفاعل تعديل حمض قوي و أساس قوي ينتج عنه ملح متعادل و ماء BOH B + + OH - AH (aq) + BOH (aq) BA (aq) + H 2 O تفاعل تعديل حمض قوي و أساس قوي ينتج عنه ملح متعادل و ماء AH (aq) + BOH (aq) BA (aq) + H 2 O أو + O H 3 و (aq) OH - الشوارد لذلك فان الحرارة H + (aq) تفاعل التعديل يحدث بين الشوارد المولية للتعديل ثابتة ال تتعلق بنوع الحمض أو نوع األساس H + (aq) + OH - (aq) H 2 O Q P Q = mct : تقاس كمية الحرارة كما سبق ذكره بتطبيق العالقة, T = T 2 - T 1, c H2O = 4,185 J/g K m = m 1 + m 2 C (m c) حيث: يدعى بالسعة الحرارية 1 mole H + (aq) تعريف: الحرارة المولية للتعديل هي كمية الحرارة المبادلة خالل تفاعل 1 mole من الشوارد تحت ضغط ثابت من الشوارد مع OH - (aq) 8

9 1- الهدف: قياس الحرارة المولية لتفاعل تعديل: - محلول NaOH ب محلول HCl - محلول NaOH ب محلول HNO 3 0 المبدأ: يتم قياس الحرارة المولية للتعديل بتحقيق تفاعل التعديل داخل وعاء معزول )مسعر حراري( وقياس تغيير درجة الحرارة ΔT الذي يرافق التفاعل ثم يطبق مبدأ النظام المعزول = 0 ΣQi و عبارة كمية الحرارة Q = mcδt 3- المواد و األدوات الالزمة : المواد محلول (05mol /L) NaOH محلول (05mol /L) HCl محلول (05mol /L) HNO 3 ماء مقطر للغسل األدوات مسعر حراري (Calorimètre) أو كأسان من البولي ستيران 0 مخبار مدرج سعته 50 ml 0 بيشر 0 محرار ( ترمومتر( 0- خطوات العمل: أ(- تعديل : HCl ب NaOH - نأخذ بواسطة مخبار مدرج 50 ml من محلول NaOH و نسكبها داخل المسعر الحراري - نغمس داخل المسعر محرار لقياس درجة الحرارة االبتدائية ) i T) للمسعر و محلول NaOH - نأخذ بواسطة مخبار أخر 50 ml من محلول HCl - نسكب محلول HCl داخل المسعر تدريجيا مع التحريك ونراقب تغيير درجة الحرارة - عند سكب كل كمية HCl نحرك من جديد و نسجل أكبر درجة حرارة نقرأها على المحرار لتكن ب(- تعديل NaOH ب (T f ) : HNO 3 - نغسل جيدا المسعر و نجففه و نعيد كل الخطوات السابقة باستعمال في هذه المرة حمض األزوت HNO 3 5- جدول النتائج: سجل كل النتائج في الجدول األتي: ΔT (K) T f (K) T i (K) نوع التفاعل كتلة الخليط (g) تعديل ب NaOH (aq) HCl (aq) تعديل ب NaOH (aq) HNO 3 (aq) 9

10 مالحظات: - نعتبر كتلة المحلول تساوي لكتلة الماء - نهمل الحرارة النوعية للمواد المتفاعلة و للملح الناتج عند التعديل أمام الحرارة النوعية للماء c eau = 4185 J g - 1 K طريقة الحساب: عند تحقيق نظام معزول ال يبادل مع الوسط الخارجي طاقة يكون: = 0 Q Q + كمية الحرارة التي امتصها المسعر و محتواه Q : Q = ( C cal + m e c e ) ΔT Q = ( C cal + m e c e )( T f - T i ) : Q كمية الحرارة التي نشرها التفاعل Q + Q = 0 Q = - Q Q = - (C cal + m e c e ) ( T f - T i بما أن النظام معزول: ) : Q P الحرارة المولية لتفاعل التعديل Q Q P = Q P = - (C cal + m e c e ) ( T f T i ) n n n = Ca Va 1000 = Cb Vb 1000 = عدد موالت الشوارد - OH : عدد موالت الشوارد + O H 3 n ΔH neut = Q P : ΔH neutralisation أنطالبي تفاعل التعديل 7- األسئلة: 1- احسب الحرارة المولية للتعديل بالنسبة لكل تفاعل 2- استنتج األنطالبي المولي للتعديل لكل تفاعل ماذا تستنتج 3- أكتب معادلة كل تفاعل تعديل موضحا عليها الحرارة المولية 4- احسب الخطأ النسبي على األنطالبي المولى إذا كانت قيمتها النظرية المعطاة في جداول الديناميكا الحرارية: ΔH = - 57 kj/mol عند 25 C و P = 1 atm 11

11 النشاط العملي )0(: قياس الحرارة المولية لتشكيل MgO باستعمال قانون هيس (Hess) Hess تذكير : مختلف طرق حساب أنطالبي تفاعل كيميائي : أ (- باستعمال أنطالبيات التشكل المعيارية :ΔH f من خالل مبدأ الحالة االبتدائية والحالة النهائية يمكن كتابة قانون من أجل التفاعل من الشكل: a A + b B c C + d D ΔH r = [ c ΔH f(c) + d ΔH f(d) ] [ a ΔH f(a) + b ΔH f(b) ] ο ο ΔH r = Σ ΔH f (Produits) Σ ΔH f (Réactifs) ο ΔH f يرمز ألنطالبي التشكل A B ΔH r A C ΔH 1 C B ΔH 2 ΔΗ ο r حيث لدينا: يرمز ألنطالبي التفاعل و ب(- باستعمال انطالبيات التفاعالت الوسطية : إذا كان التفاعل المباشر التالي : يمر بالتفاعالت الوسطية التالية : ΔH r B الحالة النهائية A الحالة االبتدائية ΔH 1 C الحالة الوسطية ΔH 2 ΔH r = Σ ΔH i يكتب قانون Hess كاألتي : ج(- حساب أنطالبي التفاعل باستعمال طاقات الروابط : ΔH r = ΔH 1 + ΔH 2 بصفة عامة : A + B A B ΔH f(a-b) A B A + B ΔH diss(a-b) ΔH f(a-b) = - ΔH diss(a-b) f(a-b) : ΔH أنطالبي تشكيل الرابطة( A-B ) انطالقا من الذرات A وB مأخوذة في حالتها الغازية و هي دائما سالبة : أنطالبي تفكك الرابطة (A-B) إلى ذرات حرة في الحالة الغازية وهي دائما موجبة ΔH diss (A-B) ΔH r = Σ ΔH f(a-b)produits Σ ΔH f(a-b)réactifs ΔH r = Σ ΔH diss (A-B)Réactifs - Σ ΔH diss (A-B)Produits أو 11

12 تعيين حرارة تشكل أكسيد المغنيزيوم MgO باستخدام قانون هيس من أجل معادلة التفاعل التالية: 1- الهدف: Mg (s) + ½ O 2(g) MgO (s) H r 0- المبدأ: يتم تعيين الحرارة المولية لتفاعل تشكيل MgO بقياس الحرارة المولية للتفاعالت الوسطية أو العنصرية التي يمر بها هذا التفاعل و تطبيق مبدأ الحالة االبتدائية و الحالة النهائية ( قانون ( Hess من أجل التفاعل السابق يمكن تحقيق تجريبيا التفاعلين: التفاعل 1 : MgO (s) + 2HCl (aq) MgCl 2(aq) + H 2 O (l) H 1 Mg (s) + 2HCl (aq) MgCl 2(aq) + H 2(g) H 2 التفاعل التفاعل 0 : H 2(g) + ½ O 2(g) H 2 O (l) H 3 = kj/mol :3 H r = H 2 + H 3 - H 1 حيث : 3- المواد و األدوات الالزمة: األدوات كأسان من البوليستيران ميزان محرار المواد 05 g من المغنيزيوم Mg 100 ml من حمض كلور الماء )1mol/L (HCl 05 g من أكسيد المغنيزيوم MgO 0- طريقة العمل: التفاعل 1 : (l) MgO (s) + 2HCl (aq) MgCl 2(aq) + H 2 O أسكب 50 ml من حمض كلورالماء 1( mol/l ( HCl في كأس البوليستيران ثم قس درجة الحرارة االبتدائية ) i (T MgO من أكسيد المغنيزيوم 05 g زن ضف كمية MgO إلى محلول حمض كلور الماء رج حتى الذوبان التام ثم قس درجة الحرارة العظمى (T f ) 12

13 التفاعل 0 : 2(g) Mg (s) + 2HCl (aq) MgCl 2(aq) + H أسكب 50 ml من حمض كلور الماءHCl 1( mol/l ( في كأس البوليستيران الثاني ثم سجل درجة حرارة االبتدائية المحلول ) i T) Mg من المغنيزيوم 05 g زن ضف كمية المغنيزيوم إلى محلول حمض كلور الماء رج حتى التفاعل التام ثم سجل درجة الحرارة العظمى (T f ) 5- جدول النتائج : التفاعل 0 التفاعل 1 كتلة محلول 50g HCl كتلة محلول 50g HCl درجة الحرارة االبتدائية ) i T) درجة الحرارة االبتدائية( T) i درجة الحرارة النهائية ) f T) درجة الحرارة النهائية ) f T) T T كتلة MgO الموزونة 0,5g كتلةMg الموزونة 0,5g عدد موالت Mg المستعملة عدد موالت MgO المستعملة مالحظة: نهمل كتلة كل من MgO HCl و Mg أمام كتلة الماء )c eau = 4185 J g -1 K -1 ) 6- طريقة الحساب: حساب أنطالبيات التفاعلين 1 و : 0 حساب أنطالبي التفاعل 0 ΔH 2 (kj/mol) Q solution2 = m sol c sol T m sol = m eau = 50g c sol = c eau Q réaction2 = - Q solution2 ΔH 2 = Q réaction2 / n n = m Mg / M حساب أنطالبي التفاعل 1 ΔH 1 (kj/mol) Q solution1 = m sol c sol T m sol = m eau = 50g c sol = c eau Q réaction1 = - Q solution1 ΔH 1 = Q réaction1 / n n = m MgO / M 13

14 : معادالت قانونHess باستخدام حساب الحرارة المولية لتشكلMgO للحصول على معادلة تشكلMgO التالية: Mg (s) + 1/2 O 2(g) MgO (s) نجمع التفاعالت 1 2 و 3 مع عكس التفاعل 1 كما يلي : 1) MgCl 2(aq) + H 2 O (l) MgO (s) + 2HCl (aq) - H 1 2) Mg (s) + 2HCl (aq) MgCl 2(aq) + H 2(g) H 2 3) H 2(g) + 1/2O 2(g) H 2 O (l) H 3 MgCl 2(aq) + H 2 O (l) + Mg (s) + 2HCl (aq) + H 2(g) + 1/2O 2(g) MgO (s) +2HCl (aq) + MgCl 2(aq) + H 2(g) + H 2 O (l) بعد الجمع يبقى: (s) Mg (s) + 1/2 O 2(g) MgO نجمع أنطالبي التفاعالت الثالثة H r = H 2 + H 3 - H 1 Mg (s) + 2HCl (aq) + 1/2 O 2(g) الطريقة الثانية : MgO (s) + 2HCl (aq) الحالة النهائية الحالة االبتدائية ΔHr ΔH 0 - ΔH 1 MgCl 2(ag) + H 2 (g) + 1/2 O 2(g) الحالة الوسطية 1 ΔH 3 MgCl 2(ag) + H 2 O (l) الحالة الوسطية 2 7- األسئلة: 1- أكمل الجدول السابق 2- أحسب األنطالبي المولي التفاعل 1 (kj/mol) H 1 3- أحسب األنطالبي المولي التفاعل 2 (kj/mol) H 2 4- أستنتج األنطالبي المولي لتفاعل تشكيل MgO باستخدام معادالت قانونHess )يمكن عكس إحدى المعادالت السابقة إن لزم األمر( 5- هل هذا التفاعل ماصا أو ناشرا للحرارة علل 6- أعد كتابة معادلة تشكيل MgO مع إدخال القيمة الموجودة 14