از گرما تا سرعت واکنش
پایهٔ ۱۱ · فصل ۲علامت، مبنا و شرط مقایسه را حفظ کن.
اول مفهوم را بخوان، بعد دام همان مبحث را کنارش بررسی کن.
دما با میانگین انرژی جنبشی ذرهها ارتباط دارد؛ گرما انتقال انرژی بر اثر اختلاف دماست. آب یک استخر و یک لیوان میتوانند همدما باشند، اما مقدار انرژی وابسته به جرمشان متفاوت باشد. بنابراین «گرمای موجود در جسم» بیان دقیقی برای انتقال نیست. جهت انتقال خودبهخودی گرما از جسم گرمتر به سردتر است تا تعادل گرمایی برقرار شود.
دما با میانگین انرژی جنبشی مرتبط است؛ مقدار کل انرژی به مقدار و نوع ماده و حالت آن هم وابسته است.
برای گرم یا سرد شدن بدون تغییر فاز، q=mcΔT است. c گرمای ویژه و mc ظرفیت گرمایی نمونه است. اگر q بر حسب ژول باشد، واحد c باید با جرم و تغییر دما سازگار باشد. در گرماسنج ایدهآل با اتلاف ناچیز، انرژی ازدسترفته بخش گرم برابر انرژی گرفتهشده بخش سرد است. اگر ظرفیت گرمایی ظرف ناچیز فرض شده باشد، سهم آن را حذف میکنیم؛ اگر ظرفیت ظرف داده شده یا ناچیز نباشد، سهم گرمایی آن را جداگانه در موازنه انرژی وارد میکنیم.
ΔT برابر دمای نهایی منهای دمای اولیه است؛ استفاده از دمای نهایی فقط اگر دمای اولیه صفر همان مقیاس باشد، عدد یکسان میدهد.
اول مفهوم را بخوان، بعد دام همان مبحث را کنارش بررسی کن.
سامانه بخشی است که برای مطالعه انتخاب میکنیم و محیط بیرون آن است. در واکنش گرمازا، سامانه به محیط گرما میدهد و ΔH واکنش در فشار ثابت منفی است. در واکنش گرماگیر، سامانه انرژی میگیرد و ΔH مثبت است. افزایش دمای محیط در گرماسنج معمولاً شاهد آزادشدن انرژی از واکنش است؛ آن را با مثبت بودن ΔH واکنش اشتباه نمیگیریم.
گرمای واکنش گرمازا منفی است؛ گرمای مثبتِ محیط را با گرمای سامانه واکنش جابهجا نکن.
ΔH واکنش برابر آنتالپی فراوردهها منهای آنتالپی واکنشدهندههاست. مقدار آن به ضرایب معادله و حالت فیزیکی مواد وابسته است. اگر معادله دو برابر شود، ΔH هم دو برابر میشود؛ اگر وارونه شود، علامت ΔH عوض میشود. نوشتن آب مایع به جای بخار میتواند مقدار گرمای واکنش را تغییر دهد، حتی اگر فرمول شیمیایی آب همان باشد.
ضرب معادله در ضریب، ΔH را نیز ضرب میکند و تغییر حالت مواد نیز مقدار ΔH را تغییر میدهد.
اول مفهوم را بخوان، بعد دام همان مبحث را کنارش بررسی کن.
شکستن پیوند انرژی میخواهد و تشکیل پیوند انرژی آزاد میکند. برای برآورد ΔH واکنش گازی از میانگین آنتالپی پیوندها، مجموع انرژی لازم برای شکستن پیوندها را منهای مقدارِ مثبتِ انرژی آزادشده هنگام تشکیل پیوندها میکنیم. اگر سهم تشکیل را با علامت منفی بنویسیم، همین محاسبه جمع جبری دو سهم است. این مقادیر میانگیناند؛ نتیجه ممکن است با مقدار تجربی دقیق اختلاف داشته باشد. گرمازا بودن به معنی بینیازی از شروع واکنش نیست.
شکستن پیوند انرژی میگیرد؛ در سوختن گرمازا انرژی آزادشده از تشکیل پیوندهای محصول از انرژی لازم برای شکستن پیوندها بیشتر است.
گروه عاملی بخشی از ساختار است که در بسیاری از خواص و واکنشهای یک خانواده نقش دارد. گروه هیدروکسیل در الکل و گروه کربوکسیل در اسید کربوکسیلیک از نمونهها هستند. وجود C و H بهتنهایی ماده را هیدروکربن نمیکند؛ اگر O هم داشته باشد دیگر فقط از کربن و هیدروژن ساخته نشده است. برای تشخیص گروه، اتصال اتمها را میخوانیم.
هیدروکربن فقط C و H دارد؛ اتانول با داشتن اکسیژن، با وجود C و H هیدروکربن نیست.
اول مفهوم را بخوان، بعد دام همان مبحث را کنارش بررسی کن.
ارزش سوختی انرژی آزادشده از سوختن کامل واحد جرم ماده است و میتواند بر حسب kJ/g بیان شود. انرژی مربوط به جرم معین از ضرب جرم در ارزش سوختی به دست میآید. برای یک مخلوط، سهم اجزا جمع میشود، به شرط آنکه مبنای دادهها یکسان باشد. انرژی سوختن آزمایشگاهی و انرژی قابل استفاده زیستی را بدون تصریح یکسان فرض نمیکنیم.
برای kJ/g جرم را به گرم تبدیل کن؛ جایگذاری کیلوگرم بدون ضریب هزار پاسخ را هزار برابر کوچک میکند.
آنتالپی تابع حالت است؛ تغییر آن به حالت ابتدا و انتها وابسته است، نه مسیر فرضی محاسبه. در قانون هس، معادلهها را طوری جمع میکنیم که مواد واسطه حذف و معادله هدف ساخته شود. هر تغییری در جهت یا ضرایب یک معادله باید روی ΔH همان معادله هم اعمال شود. این روش را با جمع بیهدف عددهای آنتالپی اشتباه نمیگیریم. کنترل رقم پایانی میتواند خطای جمع و تفریق را آشکار کند، اما جای ساختن معادلهٔ هدف و محاسبهٔ کامل ΔH را نمیگیرد.
ابتدا معادلهها را وارونه یا ضرب کن تا گونههای واسطه حذف و واکنش هدف حاصل شود؛ همان تغییرها را بر ΔH اعمال کن.
اول مفهوم را بخوان، بعد دام همان مبحث را کنارش بررسی کن.
سرعت مصرف یا تولید یک ماده با تغییر مقدار آن در زمان ارتباط دارد. در حجم ثابت میتوان از تغییر غلظت استفاده کرد. سرعت واکنش با تقسیم سرعت مصرف یا تولید هر ماده بر ضریب استوکیومتری آن یکسان میشود. علامت منفی برای مصرف، مقدار سرعت را مثبت میکند. سرعت متوسط روی بازه زمانی با شیب مماس در یک لحظه یکی نیست.
سرعت مصرف یا تولید گونهها متناسب با ضرایب است؛ در ۲A→B مصرف A دو برابر تولید B است.
دما، غلظت، سطح تماس جامد و وجود کاتالیزگر میتوانند سرعت را تغییر دهند. خرد کردن جامد با جرم ثابت سطح در دسترس را بیشتر میکند، نه مقدار مول را. سرد کردن معمولاً بسیاری از واکنشهای فساد را کند میکند؛ این به معنی توقف همه فرایندها نیست. مقایسه آزمایشها فقط وقتی اثر یک عامل را نشان میدهد که عوامل دیگر کنترل شده باشند.
خرد کردن، سطح تماس را افزایش میدهد؛ چون جرم و جرم مولی ثابتاند تعداد مول افزایش نمییابد.
در رابطه گرماسنجی، هر عامل معنای مشخصی دارد: m مقدار جرم، c انرژی لازم برای گرم کردن واحد جرم به اندازه یک درجه و ΔT اختلاف دمای نهایی و اولیه است. با دو برابر شدن جرم، برای همان افزایش دما، گرمای لازم دو برابر میشود. ظرفیت گرمایی کل C با گرمای ویژه c فرق دارد: C=mc و واحد آن J/°C است، ولی c واحد J/(g °C) دارد. برای ظرفی که ظرفیت کل آن داده شده، دوباره در جرم ضرب نمیکنیم؛ سهم ظرف Cظرف×ΔT است. برای آب از mc استفاده میکنیم و سپس دو سهم را جمع میزنیم.
برای صد گرم آب با c برابر ۴٫۲ ژول بر گرم بر درجه و افزایش دمای سه درجه، ابتدا ۱۰۰ در ۴٫۲ و سپس در ۳ ضرب میکنیم؛ ۱۲۶۰ ژول به دست میآید. اگر دمای اولیه ۲۰ و نهایی ۲۳ باشد، عدد ورودی ΔT همان ۳ است، نه ۲۳.
۲۰۰ گرم آب با c=۴٫۲ از ۲۰ به ۲۵ درجه میرسد. q چقدر است؟
پاسخ تشریحی: q=۲۰۰×۴٫۲×۵=۴۲۰۰ J.
پیوند پایدار یعنی اتمهای متصل نسبت به وضعیت جداشده انرژی کمتری دارند. جدا کردن آنها نیاز به انرژی دارد و نزدیک شدن و تشکیل پیوند انرژی آزاد میکند. در واکنش، هر دو اتفاق میتواند رخ دهد؛ نتیجه نهایی به مقایسه مجموع انرژی دو گروه بستگی دارد.
فرض کن شکستن پیوندهای واکنشدهندهها ۳۰۰ و تشکیل پیوندهای فراوردهها ۴۵۰ کیلوژول انرژی داشته باشد. سامانه ۳۰۰ میگیرد و ۴۵۰ پس میدهد؛ تغییر خالص منفی ۱۵۰ کیلوژول است. بنابراین گرمازایی را به «آزاد شدن انرژی هنگام شکستن پیوند» نسبت نده.
چرا تشکیل پیوند بهتنهایی فرایندی گرماگیر نیست؟
پاسخ تشریحی: چون با تشکیل پیوند، سامانه به وضعیت کمانرژیتر میرود و انرژی آزاد میشود.
برای A→B، ΔH=−۴۰ kJ است. ΔH واکنش ۲B→۲A را بیابید.
جواب نهایی: ΔH برابر +۸۰ kJ است.
در قانون هس، عددهای ΔH فقط وقتی جمع میشوند که معادلههای دستکاریشده واقعاً واکنش هدف را بسازند. وارونه کردن معادله علامت ΔH را عوض میکند و ضرب ضرایب، ΔH را به همان نسبت ضرب میکند.
با دادههای C+O₂→CO₂ ، ΔH=−۳۹۴ kJ و CO+½O₂→CO₂ ، ΔH=−۲۸۳ kJ، ΔH واکنش C+½O₂→CO را بیاب.
فرضها: همه گونهها در حالتهای فیزیکی یکسان با معادلههای دادهشدهاند.
جواب نهایی: ΔH=−۱۱۱ kJ برای واکنش نوشتهشده.
آیا دو نمونه همدما الزاماً انرژی یکسان دارند؟
پاسخ: خیر؛ مقدار ماده، نوع ماده و حالت آن نیز اهمیت دارند.
اگر محلول اطراف واکنش گرم شود، ΔH واکنش با فرض انتقال گرما از واکنش چه علامتی دارد؟
پاسخ: منفی؛ واکنش گرمازا است.
در برآورد ΔH با انرژی پیوندها، چرا انرژی پیوندهای شکستهشده را مثبت میگیریم و انرژی پیوندهای تشکیلشده را از آن کم میکنیم؟
پاسخ: شکستن پیوند انرژی میگیرد و تشکیل پیوند انرژی آزاد میکند. پس برآورد ΔH برابر است با مجموع انرژی پیوندهای شکستهشده منهای مجموع انرژی پیوندهای تشکیلشده. اگر انرژی آزادشده در اثر تشکیل پیوندها بیشتر باشد، ΔH منفی و واکنش گرمازا است.
۵ گرم ماده با ارزش سوختی ۲۰ kJ/g چه انرژی در سوختن کامل آزاد میکند؟
پاسخ: ۱۰۰ کیلوژول.
در ۲A→B اگر سرعت مصرف A برابر ۰٫۰۴ mol/L/s باشد، سرعت تولید B چیست؟
پاسخ: ۰٫۰۲ mol/L/s؛ نسبت سرعتها از ضرایب ۲ به ۱ میآید.
این صفحه برای جستوجوی «جزوه شیمی یازدهم فصل ۲»، «نکات ناب شیمی» و مرور سریع کنکور و امتحان نهایی آماده شده است.