حل درس تلقائية حدوث التفاعلات كيمياء ثاني عشر متقدم

حل درس تلقائية حدوث التفاعلات كيمياء ثاني عشر متقدم

تلقائية حدوث التفاعلات 

العمليات التلقائية 

في الشكل 17 يمكنك أن ترى صورة مألوفة لما يحدث لجسم من الحديد في حال تم تركه في الهواء الرطب يصدأ الحديد تبعا لنفس المعادلة الكيميائية التي تصف ما يحدث في الكمادة الساخنة التي قرأت عنها في قسم سابق من هذه الوحدة 

4Fe(s) + 3O2(g) → 2Fe2O3(s) ΔH = -1625

يتم تنشيط الكمادة الساخنة في اللحظة التي تقوم بتفعيلها فيها̄وبالمثل فإن الأجسام الحديدية تصدأ سواء رغبت في ذلك أم لا الصدأ أمر تلقائي أي تغيير فيزيائي أو كيميائي يبدأ في أي لحظة ويحدث دون أي تدخل خارجي يكون عملية تلقائية ومع هذا، فبالنسبة للعديد من العمليات التلقائية ينبغي توفير بعض الطاقة من البيئات المحيطة من أجل بدء العملية  على سبيل المثال، قد تحتاج لاستخدام عود ثقاب لإشعال لهب بنزن في مختبر مدرستك لنفترض أنك عكست اتجاه معادلة صدأ الحديد̄تذكر أنك حين تغير اتجاه التفاعل فإن إشارة ΔH تتغير ويصبح التفاعل ماصا للحرارة 

2Fe2O3(s) → 4Fe(s) + 3O2(g) ΔH = 1625

أن عكس المعادلة لن يتسبب في تحلل الصدأ تلقائي ليتحول إلى حديد وأكسجين في ظل الظروف الطبيعية، تمثل المعادلة تفاعل غير تلقائي 

ما هو الأنتروبي 

 قد لا تندهش إذا شممت رائحة الفطائر التي تخبز في المطبخ منتشرة في كل مكان بالمنزل وأنت تعلم أن الغازات تميل للانتشار خلال الهواء الجوي تتصرف الغازات بهذا الشكل؟ حين تنتشر الغازات، يصل النظام إلى حالة من كبيرة من الإنتروبي الإنتروبي (S )هو قياس عدد الطرق التي يمكن أن يتم بها توزيع الطاقة عبر نظام ما ويرتبط ذلك بحرية جسيمات النظام في الحركة وعدد الطرق التي يتم تنظيمها بها لننظر إلى الدورقين في الشكل 18  عند غلق المحبس، يحتوي دورق على جزيء واحد من الأكسجين بينما يحتوي الآخر على ذرة واحدة من الهيليوم عند فتح المحبس يتحرك جسيما الغازين بحرية بين الدورقين يمكن أن ينتشر جسيم الغاز في ضعف الحجم الأصلي يمكن العثور على الجسيمين في أي من الترتيبات لأن عدد الأربعة الموضحة إنتروبي النظام يكون أكبر حين يكون المحبس مفتوح الترتيبات الممكنة للجسيمات وتوزيع طاقتها يزيد ومع زيادة عدد الجسيمات، يزيد عدد الترتيبات الممكنة لمجموعة من الجسيمات بشكل كبير إذا كان عدد الجسيمات في الدورقين 10 جسيمات، فسيكون عدد الترتيبات الممكنة أكثر ب 1024 مرة مما إذا كان عدد الجسيمات نفسه موجود في دورق واحد بوجه عام، يزيد عدد الترتيبات الممكنة لنظام ما في ظل الظروف الآتية«عندما يزيد الحجم، عندما تزيد الطاقة، عندما يزيد عدد الجسيمات أو عندما تزيد حرية حركة الجسيمات .

القانون الثاني للديناميكا الحرارية 

يتم تلخيص الميل نحو زيادة الإنتروبي عن طريق القانون الثاني للديناميكا الحرارية، والذي ينص على أن العمليات التلقائية دئما ما تستمر بالطريقة التي يزداد بها إنتروبي الكون في بعض الأحيان يعتبر الإنتروبي هو قياس لاضطراب أو عشوائية الجسيمات التي يتكون منها نظام ما فتعتبر الجسيمات الأكثر انتشار  أكثر اضطرابا مما يجعل الإنتروبي للنظام أكبر مما سيكون عليه الحال إذا كانت الجسيمات أقرب لبعضها البعض .

التنبؤ بالتغيرات في الإنتروبي

 نذكر أن التغير في المحتوى الحراري لتفاعل ما يساوي المحتوى الحراري للنواتج مطروحا منه المحتوى الحراري للمتفاعلات التغير في الإنتروبي (ΔS )خلال تفاعل أو عملية ما هو نفس الشيء

المتفاعلاتS > النواتج S = النظامΔS

إذا زاد إنتروبي النظام خلال أو عملية ما تكون المتفاعلاتS > النواتج S وتكون قيمة النظامΔS موجبةوعلى العكس، إذا قل إنتروبي النظام خلال تفاعل أو عملية ما تكون المتفاعلاتS > النواتج S وقيمة النظامΔS سالبة يمكنك في بعض الأحيان أن تتنبأ ما إذا كانت قيمة النظامΔS موجبة أو سالبة من خلال معادلة التفاعل أو العملية 

1 .يمكن التنبؤ بالتغيرات في الإنتروبي المرتبط بتغير الحالة الفيزيائية للمادة،في المواد الصلبة تكون حركة الجسيمات محدودة وفي السوائل تكون ذات حرية أكثر للحركة أما في الغازات فتتحرك الجسيمات بحرية كبيرة للغاية في الوعاء وبالتالي يزيد الإنتروبي مع تغير حالة المادة من صلبة إلى سائلة ومن سائلة إلى غازية النظامΔS تكون موجبة في حالتي تبخر الماء وانصهار الميثانول 

H2O(l) → H2O(g) ΔSالنظام < 0

        CH3OH(s) → CH3OH(l) ΔSالنظام < 0

2 .إن ذوبان غاز ما في مذيب ينشأ عنه دائما انخفاض في الأنتروبي يتمتع جسيمات الغاز بمزيد من الإنتروبي حين تستطيع التحرك بحرية أكثر مما إذا ذابت في سائل حيث تحد من حركتها وعشوائيتها النظامΔS تكون سالبة في حالة ذوبان الأكسجين في الماء

          O2(g) → O2(aq) ΔSالنظام > 0

3 .على افتراض عدم حدوث أي تغير في الحالة الفيزيائية فإن إنتروبي أي نظام عادة ما يزيد حين يكون عدد مولات الغازات الناتجة أكبر من عدد مولات الغازات المتفاعلة في التفاعل التالي تكون قيمة النظامΔS موجبة نظرا لأن عدد مولات الغازات الناتجة أكبر من عدد مولات الغازات المتفاعلة 

2SO3(g) → 2SO2(g) + O2(g) ΔSالنظام < 0

4 .مع وجود بعض الحالات الاستثنائية، يزيد الإنتروبي حين تذوب مادة صلبة أو سائلة في مذيب تتشتت الجسيمات المذابة التي كانت مرتبطة ببعضها قبل الإذابة بداخل المذيب تصبح الجسيمات المذابة ذات حرية أكبر في الحركة، كما يتضح في الشكل 20 الخاص بذوبان كلوريد الصوديوم في الماء تكون قيمة النظامΔS موجبة

NaCl(s) → Na+(aq) + Cl-(aq) ΔSالنظام < 0

5 .تزيد الحركة العشوائية لجسيمات مادة ما كلما زادت درجة حرارتها تذكر أن الطاقة الحركية للجسيمات تزيد بزيادة درجة الحرارةزيادة الطاقة الحركية تعني حركة أسرع وعشوائية أكثر للجسيمات لذلك تزيد إنتروبي أي مادة بزيادة درجة حرارتها تكون قيمة النظامΔS موجبة 

العمليات التلقائية للأرض 

إن البراكين، والمنافذ البركانية، والينابيع الساخنة، والسخانات المائية الطبيعية ما هي إلا دليل على الطاقة الحرارية في باطن الأرض فالبراكين عبارة عن فتحات في القشرة الأرضية تتدفق منها الصخور المنصهرة( الماجما )والبخار والمواد الأخرى حين تتحرك مياه السطح نحو الأسفل عبر القشرة الأرضية فيمكنها أن تتفاعل مع الماجما والصخور الساخنة أما الماء الذي يعود إلى السطح على هيئة ينابيع ساخنة فتزيد درجة حرارته لتصبح أعلى من درجة حرارة الهواء المحيط , السخانات المائية الطبيعية هي عبارة عن ينابيع ماء ساخن يتدفق منها الماء الساخن والبخار في الهواء أما المنافذ البركانية فيتدفق منها البخار وغازات أخرى مثل كبريتيد الهيدروجين هذه العمليات البيئية الحرارية هي عمليات تلقائية بوضوح هل يمكنك أن تحدد زيادة الإنتروبي في هذه العمليات؟

الطاقة الحرة 

الطاقة الحرة هل يمكنك أن تحدد بالضبط ما إذا كان التفاعل تلقائي في عام 1878 ،تعرف جيه ويلارد جيبس وهو عالم فيزياء بجامعة ييل، على دالة علاقة تربط بين المحتوى الحراري والإنتروبي سميت الطاقة الحرة لجيبس وهي تجيب على هذا التساؤل بالنسبة للتفاعلات أو العمليات التي تحدث بضغط ودرجة حرارة ثابتين، فإن الطاقة الحرة لجيبس (النظامG )الذي يطلق عليها عادة الطاقة الحرة تكون هي الطاقة المتاحة للقيام بالشغل ومن ثم فإن الطاقة الحرة تكون طاقة مفيدة وعلى النقيض فإن بعض الإنتروبي مرتبطة بطاقة تنتشر في البيئة المحيطة، كما على سبيل لمثال، الحركة العشوائية للجسيمات، ولا يمكن استعادتها للقيام بعمل مفيد التغير في الطاقة الحرة (النظامΔG )هو الفرق بين التغير في المحتوى الحراري للنظام (النظامΔH )وناتج حاصل ضرب درجة الحرارة بالكلفن في التغير في الإنتروبي (النظامTΔS )