تمرین با هم بیندیشیم شیمی یازدهم صفحه 64
1. با توجه به واکنش‌های زیر پاسخ دهید:
$$\mathbf{N_2(g) + 3H_2(g) \xrightarrow{25^irc C} 2NH_3(g) + 92 \text{ kJ}}$$
$$\mathbf{N_2H_4(g) + H_2(g) \xrightarrow{25^irc C} 2NH_3(g) + 183 \text{ kJ}}$$
الف) چرا گرمای آزاد شده در دو واکنش متفاوت است؟ توضیح دهید.
ب) در کدام واکنش، مواد واکنش‌دهنده پایدارتر است؟ چرا؟
پاسخ و توضیح تمرین 1 با هم بیندیشیم صفحه 64 شیمی یازدهم
این تمرین به مقایسه‌ی $\mathbf{\text{گرمای واکنش (آنتالپی)}}$ در دو واکنش $\mathbf{\text{تولید آمونیاک}}$ می‌پردازد و نشان می‌دهد که $\mathbf{\text{میزان پایداری مواد اولیه}}$ (پیوندهای شیمیایی آن‌ها) نقش حیاتی در تعیین گرمای آزاد شده دارد. 🔥
---
## الف) دلیل تفاوت گرمای آزاد شده
**پاسخ:** گرمای آزاد شده در دو واکنش متفاوت است، زیرا $\mathbf{\text{انرژی پیوندهای موجود در مواد اولیه (واکنش‌دهنده‌ها) متفاوت است.}}$
1. **واکنش اول (تولید آمونیاک از $\mathbf{N_2}$):** $\mathbf{N_2}$ دارای $\mathbf{\text{پیوند سه‌گانه بسیار قوی}}$ ($athbf{N \equiv N}$) است. برای شروع واکنش، $\mathbf{\text{انرژی زیادی}}$ صرف $\mathbf{\text{شکستن این پیوند}}$ می‌شود.
2. **واکنش دوم (تولید آمونیاک از $\mathbf{N_2H_4}$):** $\mathbf{N_2H_4}$ (هیدرازین) دارای $\mathbf{\text{پیوند یگانه}} (N-N)$ و $\mathbf{\text{پیوند } N-H}$ است که $\mathbf{\text{بسیار ضعیف‌تر}}$ از پیوند سه‌گانه در $\mathbf{N_2}$ است.
* **نتیجه:** $\mathbf{\text{انرژی مصرفی}}$ برای شکستن پیوندهای واکنش‌دهنده‌ها در $\mathbf{\text{واکنش اول بیشتر}}$ از واکنش دوم است. اگرچه $\mathbf{\text{فرآورده‌ها } (2NH_3)}$ یکسان هستند، اما چون $\mathbf{\text{انرژی ورودی (شکستن پیوندها)}}$ در واکنش دوم کمتر است، در نهایت $\mathbf{\text{انرژی بیشتری}}$ ($athbf{183 \text{ kJ}}$) نسبت به واکنش اول ($athbf{92 \text{ kJ}}$) $\mathbf{\text{آزاد}}$ می‌شود.
---
## ب) پایداری مواد واکنش‌دهنده
**پاسخ:** مواد واکنش‌دهنده‌ی $\mathbf{\text{واکنش اول } (N_2 + 3H_2)}$ پایدارتر هستند.
**چرا؟**
1. **انرژی پیوند و پایداری:** هر چه $\mathbf{\text{انرژی پیوندهای شیمیایی}}$ در یک مولکول $\mathbf{\text{بالاتر}}$ باشد، مولکول $\mathbf{\text{پایدارتر}}$ و $\mathbf{\text{کمتر فعال}}$ است. $\mathbf{\text{نیتروژن } (N_2)}$ با $\mathbf{\text{پیوند سه‌گانه}} (N \equiv N)$ دارای $\mathbf{\text{انرژی پیوند بسیار زیاد}}$ است.
2. **مقایسه انرژی:** $\mathbf{N_2}$ (پیوند سه‌گانه) $\mathbf{\text{انرژی پیوند بالاتری}}$ نسبت به $\mathbf{N_2H_4}$ (پیوند یگانه $\mathbf{N-N}$) دارد. به همین دلیل، $\mathbf{\text{انرژی کمتری}}$ از طریق واکنش دوم ($athbf{183 \text{ kJ}}$) نسبت به واکنش اول ($athbf{92 \text{ kJ}}$) به صورت خالص آزاد می‌شود.
3. **تفسیر گرما:** گرمای آزاد شده ($athbf{q}$) در واکنش، برابر است با $\mathbf{\text{تفاوت انرژی پیوندهای فرآورده‌ها و واکنش‌دهنده‌ها}}$. گرمای آزاد شده بیشتر در $\mathbf{\text{واکنش دوم}}$ نشان می‌دهد که $\mathbf{\text{انرژی شیمیایی ذخیره شده در واکنش‌دهنده‌های } N_2H_4 + H_2 \text{ بالاتر بوده}}$ و $\mathbf{\text{پایداری کمتری}}$ داشته‌اند (زیرا به فرآورده‌ی پایدارتر تبدیل شده‌اند).
تمرین با هم بیندیشیم شیمی یازدهم صفحه 64
2. گرافیت و الماس دو آلوتروپ کربن هستند که فرآورده‌ی واکنش سوختن کامل آن‌ها، $\mathbf{\text{گاز کربن دی‌اکسید}}$ است.
$$\mathbf{C(s, \text{گرافیت}) + O_2(g) \rightarrow CO_2(g) + 393.5 \text{ kJ}}$$
$$\mathbf{C(s, \text{الماس}) + O_2(g) \rightarrow CO_2(g) + 395.4 \text{ kJ}}$$
الف) چرا گرمای حاصل از سوختن یک مول گرافیت متفاوت از یک مول الماس است؟
ب) الماس پایدارتر است یا گرافیت؟ چرا؟
پ) از سوختن کامل $\mathbf{7.2 \text{ گرم گرافیت}}$، چند کیلوژول گرما آزاد می‌شود؟
پاسخ و توضیح تمرین 2 با هم بیندیشیم صفحه 64 شیمی یازدهم
این تمرین تفاوت در $\mathbf{\text{ساختار بلوری}}$ دو $\mathbf{\text{دگرشکل }}$ کربن (گرافیت و الماس) و تأثیر این تفاوت بر $\mathbf{\text{انرژی و پایداری}}$ آن‌ها را نشان می‌دهد. 💎
---
## الف) دلیل تفاوت گرمای سوختن
**پاسخ:** گرمای حاصل از سوختن یک مول گرافیت ($athbf{393.5 \text{ kJ}}$) و یک مول الماس ($athbf{395.4 \text{ kJ}}$) متفاوت است، زیرا $\mathbf{\text{انرژی شیمیایی نهفته در گرافیت و الماس متفاوت است.}}$
1. **دگرشکلی:** گرافیت و الماس دارای $\mathbf{\text{ساختارهای بلوری متفاوتی}}$ هستند (گرافیت لایه‌ای، الماس چهاروجهی).
2. **انرژی داخلی:** تفاوت در $\mathbf{\text{نحوه‌ی پیوند اتم‌های کربن}}$ باعث می‌شود که $\mathbf{\text{انرژی درونی (ذخیره‌شده) }}$ یک مول گرافیت و یک مول الماس $\mathbf{\text{یکسان نباشد}}$.
3. **گرمای واکنش:** چون $\mathbf{\text{محصول نهایی }}$ ($athbf{CO_2}$) در هر دو واکنش $\mathbf{\text{یکسان}}$ است، تفاوت در گرمای آزاد شده تنها به دلیل $\mathbf{\text{تفاوت در انرژی مواد اولیه}}$ است.
$$\mathbf{\Delta H_{\text{سوختن}} = E_{\text{محصول}} - E_{\text{واکنش دهنده}}}$$
---
## ب) مقایسه‌ی پایداری (الماس یا گرافیت)
**پاسخ:** $\mathbf{\text{گرافیت}}$ پایدارتر است.
**چرا؟**
1. **قانون پایداری و انرژی:** ماده‌ای که برای تبدیل شدن به محصولی یکسان، $\mathbf{\text{گرمای کمتری}}$ آزاد می‌کند، $\mathbf{\text{پایدارتر}}$ است (یعنی خودش انرژی درونی پایین‌تری دارد).
2. **مقایسه انرژی:**
* $\mathbf{\text{گرافیت } (C_{\text{گرافیت}})}$: $\mathbf{393.5 \text{ kJ}}$ آزاد می‌کند.
* $\mathbf{\text{الماس } (C_{\text{الماس}})}$: $\mathbf{395.4 \text{ kJ}}$ آزاد می‌کند.
از آنجا که سوختن الماس ($athbf{1.9 \text{ kJ}}$ بیشتر) گرمای بیشتری آزاد می‌کند، $\mathbf{\text{انرژی درونی الماس بالاتر}}$ از گرافیت است. بنابراین، $\mathbf{\text{گرافیت پایدارترین دگرشکل کربن}}$ در نظر گرفته می‌شود.
---
## پ) محاسبه‌ی گرمای آزاد شده از سوختن گرافیت
**هدف:** تبدیل $athbf{7.2 \text{ g گرافیت}}$ به $\mathbf{? \text{ kJ}}$ گرما.
**داده‌ها:** $\mathbf{M(C) \approx 12 \text{ g/mol}}$. $\mathbf{\text{انرژی آزاد شده به ازای } 1 \text{ mol } C = 393.5 \text{ kJ}}$ (از معادله).
1. **تبدیل جرم به مول:**
$$\mathbf{\text{مول گرافیت}} = \frac{7.2 \text{ g}}{12 \text{ g/mol}} = \mathbf{0.6 \text{ mol}}$$
2. **محاسبه‌ی گرما (انرژی):**
$$\mathbf{\text{گرما آزاد شده}} = 0.6 \text{ mol } \times \frac{393.5 \text{ kJ}}{1 \text{ mol}} = \mathbf{236.1 \text{ kJ}}$$
**نتیجه:** از سوختن کامل $\mathbf{7.2 \text{ گرم گرافیت}}$، $\mathbf{236.1 \text{ کیلوژول گرما}}$ آزاد می‌شود.
تمرین با هم بیندیشیم شیمی یازدهم صفحه 64
3. با توجه به واکنش $\mathbf{2H_2(g) + O_2(g) \rightarrow 2H_2O(g) + 484 \text{ kJ}}$، پیش‌بینی کنید گرمای واکنش $\mathbf{2H_2(g) + O_2(g) \rightarrow 2H_2O(l)}$ کدام است؟
$$\mathbf{(+422 \text{ kJ}, -422 \text{ kJ}, +572 \text{ kJ}, -572 \text{ kJ})}$$ چرا؟
پاسخ و توضیح تمرین 3 با هم بیندیشیم صفحه 64 شیمی یازدهم
این تمرین به مقایسه‌ی $\mathbf{\text{گرمای واکنش در حالات فیزیکی متفاوت}}$ ($athbf{\text{آب گازی در مقابل آب مایع}}$) می‌پردازد. این تفاوت ناشی از $\mathbf{\text{تغییر حالت}}$ ماده است. 💧
---
## 1. تحلیل واکنش‌های داده شده
* $\mathbf{\text{واکنش (1) (تشکیل آب گازی):}}$ $\mathbf{2H_2(g) + O_2(g) \rightarrow 2H_2O(g)} \quad \mathbf{\Delta H_1 = -484 \text{ kJ}}$ (گرما آزاد می‌شود)
* $\mathbf{\text{واکنش (2) (تشکیل آب مایع):}}$ $\mathbf{2H_2(g) + O_2(g) \rightarrow 2H_2O(l)} \quad \mathbf{\Delta H_2 = ?}$
## 2. رابطه‌ی بین دو واکنش
واکنش (2) را می‌توان حاصل جمع دو مرحله دانست:
1. تشکیل بخار آب (واکنش 1): $\mathbf{2H_2(g) + O_2(g) \rightarrow 2H_2O(g)} \quad \mathbf{\Delta H_1 = -484 \text{ kJ}}$
2. میعان بخار آب: $\mathbf{2H_2O(g) \rightarrow 2H_2O(l)} \quad \mathbf{\Delta H_{\text{میعان}}}$
## 3. محاسبه‌ی گرمای واکنش (2)
* **میعان (Condensation):** تبدیل گاز به مایع یک فرآیند $\mathbf{\text{گرماده}}$ است؛ یعنی هنگام تبدیل $\mathbf{H_2O(g)}$ به $\mathbf{H_2O(l)}$، $\mathbf{\text{گرما آزاد}}$ می‌شود ($athbf{\Delta H_{\text{میعان}}}$ منفی است).
* **نتیجه:** گرمای آزاد شده در واکنش (2) ($athbf{\Delta H_2}$) باید $\mathbf{\text{بزرگ‌تر (منفی‌تر)}}$ از گرمای آزاد شده در واکنش (1) ($athbf{\Delta H_1}$) باشد، زیرا $\mathbf{\text{گرمای میعان}}$ نیز به آن اضافه می‌شود.
$$\mathbf{\Delta H_2 = \Delta H_1 + \Delta H_{\text{میعان}}}$$
**پیش‌بینی:** مقدار $\mathbf{\Delta H_2}$ باید $\mathbf{\text{منفی}}$ و $\mathbf{\text{بزرگ‌تر از } -484 \text{ kJ}}$ باشد.
## 4. انتخاب پاسخ
* $\mathbf{-422 \text{ kJ}}$: کمتر گرماده است (غلط).
* $\mathbf{+422 \text{ kJ}}$ و $\mathbf{+572 \text{ kJ}}$: گرماده نیستند (غلط).
* $\mathbf{-572 \text{ kJ}}$: بیشتر گرماده است (بزرگ‌تر از $\mathbf{-484 \text{ kJ}}$).
**پاسخ صحیح:** $\mathbf{-572 \text{ kJ}}$
**چرا؟** چون $\mathbf{\text{میعان بخار آب}}$ ($athbf{H_2O(g) \rightarrow H_2O(l)}$) یک فرآیند $\mathbf{\text{گرماده}}$ است، انرژی بیشتری ($athbf{572 - 484 = 88 \text{ kJ}}$) آزاد می‌شود که مربوط به $\mathbf{\text{تشکیل پیوندهای هیدروژنی}}$ در آب مایع است. 🌡️
