حساب حرارة التفاعل وقانون هس (Hess law )

حساب حرارة التفاعل : يتم حساب حرارة التفاعل بطرق غير مباشرة منها :

أ‌-        باستخدام حرارة التكوين ∆H⁰_F.

ب‌-     باستخدام قانون هس .

أولا :  حساب حرارة التفاعل باستخدام حرارة التكوين :

حرارة التفاعل ∆H = مجموع المحتوى الحراري للنواتج  - مجموع المحتوى الحراري للمتفاعلات

وباستبدال المحتوى الحراري للمركبات بحرارة التكوين في المعادلة فتصبح كما يلي :

حرارة التفاعل ∆H = مجموع حرارة تكوين النواتج – مجموع حرارة تكوين المتفاعلات

مثال (1 ) : احسب حرارة التفاعل الآتي :

2Al_(S)    +    Fe₂O_3(S)           →       Al₂O_3(S)     +  2Fe_(S)                                                                            

علما بأن حراة تكوين أكسيد الحديد (III ) القياسية = -822,2 كيلوجول / مول . وحرارة تكوين أكسيد الألومنيوم القياسية = -1669,8 كيلوجول / مول . وهل التفاعل ماص أم طارد للحرارة ؟

الحلـــــــــــــــــــــــــ

ملاحظة : حرارة تكوين عنصري الحديد  Fe , الألومنيوم  Al  تساوي = صفر ؟ لماذا ؟ .......................

حرارة التفاعل ∆H = مجموع حرارة تكوين النواتج – مجموع حرارة تكوين المتفاعلات

حرارة التفاعل ∆H = ]( 1×-1669,8 )  + ( 2× صفر ) [ -  ] ( 2× صفر ) + ( 1× -822,2 ) [

                       = ] -1669,8 + 822,2 [  =  -847,6 كيلو جول / مول .

ثانيا : حساب حرارة التفاعل باستخدام قانون هس :  هس هو عالم روسي وضع قانونا عرف باسمه .

نص قانون هس :}حرارة التفاعل هي عبارة عن مقدار ثابت عند الظروف القياسية سواء تم التفاعل في خطوة واحدة أوفي عدة خطوات{

أهمية قانون هس :

·         حساب حرارة التفاعلات الخطرة أو المعقدة والتي لا يمكن قياسها بطرق تجريبية مباشرة .

·         حساب حرارة التفاعل لبعض التفاعلات التي تتم في عدة خطوات .

·         يتعامل مع المعادلات الكيميائية الحرارية وكأنها معادلات جبرية يمكن جمعها وطرحها أو ضرب طرفيها في معامل ثابت

علل : يعد قانون هس أحد نتائج قانون حفظ الطاقة ؟

ü      لأن التغير في المحتوى الحراري لأي تفاعل يعتمد على الحالة الإبتدائية والنهائية ولا يتأثر بالخطوات الوسطية التي يسلكها التفاعل .

علل : يعد قانون هس من القوانين المهمة في الكيمياء الحرارية ؟

ü      لأنه يمكنننا من التعامل مع المعادلات الكيميائية وكأنها معادلات جبرية يمكن جمعها وطرحها أو ضرب طرفيها في معامل ثابت .

التغير في المحتوى الحراري لأي تفاعل كيميائي تحت ضغط ثابت يساوي كمية ثابتة سواء تم هذا التفاعل في خطوة واحدة أوفي عدة خطوات

الإستنتاج : توصل العالم هس إلى قانونه  بالاستنتاج التالي :

مثال ( 1) : يحترق الميثان كما في المعادلة :

             CH₄      +   2O₂        →    CO₂     +    2H₂O        ∆H = -890,8 kj/mole                             

احسب حرارة التفاعل باستخدام قانون هس علما بأن حرارة تفكك الميثان الى عناصره هي ( 74,3 ) كيلوجول / مول

وحرارة احتراق الكربون هي ( -393,5 ) كيلوجول / مول , وحرارة تكوين الماء السائل هي ( -285,8 ) كيلوجول / مول .

 الحلـــــــــــــــــــــ

لتحقيق المعادلة نكون ثلاث معادلات كما هو مطلوب في المسألة كما يلي :

1 – CH₄         →      C   +   2H₂∆H = +74,3 kj/mole                                                      

2 – C    +  O₂     →    CO₂∆H =  -393,5 kj/mole                                                         

3 – H₂   +   1/2 O₂    →   H₂O      ∆H = -285,8  kj/mole                                              

بضرب المعادلة الثالثة  × 2  كما يأتي  :

   1 – CH₄       →       C   +   2H₂∆H = +74,3 kj/mole                                                          

2 – C    +  O₂     →   CO₂ ∆H =  -393,5 kj/mole                                                                

3 –  2x H₂    + 2x 1/2O₂     →      2  H₂O      ∆H = 2x -285,8  kj/mole                            

بعد عملية الحذف للمتشابهات من الطرفين نحصل على المعادلة الآتية :

          CH₄      +   2O₂     →   CO₂     +    2H₂O      ∆H = -890,8 kJ/mole 

1-     احسب مقدار التغير الحراري الناتج من تفاعل 6 جرام من غاز الميثان علما بأن التغير الحراري للميثان هي -890 كيلوجول/مول

الحلـــــــــــــــــــــ

الكتلة الجزيئية للميثان       التغير الحراري         الكتلة الجزيئية لـ  CH4 = ( 4× 1 ) + ( 12 ) = 16

 16 جم                          -890

6 جم                                 س

س  =  6×-890  /  16  = 333,75 كيلو جول . 

2-     إذا كانت حرارة إحتراق غاز الميثان -890 كيلوجول / مول ما كمية الحرارة المنطلقة عند حرق 50 جرام منه علما بأن الوزن الجزيئي  =  16  جرام .

الحلـــــــــــــــــــــــــــــ     رقم  3

حرارة الاحتراق        كمية الغاز

-890                      16

 س                        50

س ( حرارة احتراق 50 جم )  =  -890 × 50   /   16     =  -2781,25 كيلوجول / مول

3-     احسب حرارة تكوين  NO من المعادلتين الاتيتين :

                                                   1 – N₂      +  2O₂      →      2NO₂∆H = +67,6 kj / mole                          

                                2 -  NO       +   1/2 O₂    →     NO₂∆H = -56,6 kj/ mole             

الحلــــــــــــــــــــ

نقسم المعادلة الاولى على  2  ونقوم بعكس الثانية

                   1 – 1/2N₂    +   O₂      →     NO₂∆H = +67,6 / 2    =  33,8 kj/ mole                

                   2 – NO₂      →    NO     +   1/2 O₂   ∆H = +56,6 kj/mole                                   

بجمع المعادلتين مع حذف المتشابهات يصبح الناتج : 

                                                                   1/2 N₂    +   1/2  O₂        →    NO     ∆H = 94,4kj/mole

   

الخواص الفيزيائية والكيميائية لفلز الحديد

الخواص الفيزيائية للحديد :

§         الحديد النقي في حالته الصلبة عبارة عن فلز فضي .

§         لين وقابل للطرق والسحب .

§         موصل جيد للحرارة والكهرباء .

§         درجة إنصهاره 1535 مْ ودرجة غليانه 2750 مْ .

§        
الحديد من المواد المختزلة الجيدة .

§         مسحوق الحديد لونه أسود .

§         عند انصهار الحديد يزداد حجمه بمقدار 4,4 % .

§         أهم تفاعلات الحديد :

أ‌-        مع الهواء الجاف :

·         يتفاعل الحديد الساخن حتى الإحمرار مع الأكسجين مكونا أكسيد الحديد المغناطيسي كما في المعادلة التالية :

3Fe       +   2O₂       →       Fe₃O₄                                                                                    

ب‌-     مع بخار الماء :

·         يتفاعل الحديد الساخن حتى الإحمرار مع بخار الماء مكونا أكسيد الحديد المغناطيسي ويتصاعد غاز الهيدروجين .حسب المعادلة

     3Fe     +    4H₂O         →     Fe₃O₄        +    4H₂                                                                  

 جـ -  مع الهواء الرطب :

·         يتفاعل الحديد مع الهواء الرطب مكونا طبقة الصدأ , كما في المعادلة .

4Fe    +    2H₂O   +   3O₂         →       2(Fe₂O₃.H₂O )                                 

 د- مع اللافلزات : يتفاعل الحديد مع اللافلزات في درجة الحرارة العالية .

·         يتفاعل مع الكبريت مكونا كبريتيد الحديد (II)

Fe   +   S         →      FeS                                                                   

·         يتفاعل مع الكلور مكونا كلوريد الحديد(III)

2Fe   +   3Cl₂         →      2FeCl₃                                                                             

هـ - تفاعل الحديد مع الأحماض :

·         يتفاعل مع حمض الهيدروكلوريك المخفف والمركز كما في المعادلة التالية :

Fe   +   2HCl       →      FeCl₂   +   H₂                                                                            

·         يتفاعل مع حمض الكبريتيك المخفف فقط ,كما في المعادلة التالية :

Fe   +   H₂SO₄         →     FeSO₄    +   H₂                                                                    

تعريفات :

v     الصدأ : هو طبقة هشة مسامية غير قادرة على حماية الحديد من التآكل .

v     الحديد الخامل : هو الحديد المتكون على سطحه طبقة رقيقة من أكسيد الحديد المغناطيسي .

علل لما يأتي :

1-     عند تفاعل الحديد مع الكلور يتكون كلوريد الحديد (III) وليس  (II)؟

ü      لأن الكلور عامل مؤكسد قوي يؤكسد كلوريد الحديد الثنائي الى كلوريد الحديد الثلاثي .

2-     عند تفاعل الحديد مع HCl يتكون كلوريد الحديد ( װ ) وليس كلوريد الحديد (III ) ؟

ü      لأن الهيدروجين الناتج يختزل كلوريد الحديد ( III ) الى كلوريد الحديد ( װ ) .

3-     لا يتفاعل الحديد مع حمض الكبريتيك وحمض النتريك المركزين ؟

ü      بسبب تكون طبقة رقيقة من أكسيد الحديد المغناطيسي على سطح الحديد تحميه من التفاعل .

التجارب المعملية للكشف عن الحديد في أملاحه :

كلوريد حديدوز (π ) مثل       FeCl2 كلوريد حديديك (III)  مثل      FeCl3

يمكن التمييز بين أملاح الحديد الثنائية ( π ) وأملاح الحديد الثلاثية (III ) باستخدام كواشف خاصة بأملاح الحديد .

جدول (6 ) يوضح التجارب المعملية للتمييز بين أملاح الحديدوز ( II ) وأملاح الحديديك ( III ) .

م	التجربة	ملح حديد ثنائي ( حديدوز) Fe+2	ملح حديد ثلاثي (حديديك ) Fe+3
1	محلول ملح الحديد + محلول NaOH  أو NH4OH	يتكون راسب أخضر هلامي (كدر) من Fe(OH)2  هيدروكسيد حديد II	يتكون راسب أحمر بني من Fe(OH)3 هيدروكسيد الحديد III
2	محلول ملح الحديد + محلول حديدي سيانيد البوتاسيوم	يتكون راسب أزرق من حديدي سيانيد الحديد	يتكون محلول بني
3	محلول ملح الحديد + محلول حديدوسيانيد البوتاسيوم	يتكون راسب أزرق فاتح	يتكون راسب أزرق قاتم من حديدو سيانيد الحديد
4	محلول ملح الحديد + محلول ثيوسيانات البوتاسيوم KSCN	لا يحدث تفاعل ( لا يعطي لون )	يتكون لون أحمر دموي من ثيوسيانات الحديد IIIFe(SCN)3