تمرین خود را بیازمایید شیمی یازدهم صفحه 76
1. هیدروژن پراکسید ($\mathbf{H_2O_2}$) ماده‌ای است که با نام تجاری $\mathbf{\text{آب اکسیژنه}}$ به فروش می‌رسد.
الف) با استفاده از واکنش‌های زیر، آنتالپی واکنش $\mathbf{H_2(g) + O_2(g) \rightarrow H_2O_2(l)}$ را حساب کنید.
$$\mathbf{1) H_2(g) + \frac{1}{2} O_2(g) \rightarrow H_2O(l)} \quad \mathbf{\Delta H = -286 \text{ kJ}}$$
$$\mathbf{2) 2H_2O_2(l) \rightarrow 2H_2O(l) + O_2(g)} \quad \mathbf{\Delta H = -196 \text{ kJ}}$$
ب) توضیح دهید چرا $\mathbf{\text{تهیه‌ی این ماده از واکنش مستقیم گاز هیدروژن با اکسیژن ممکن نیست؟}}$
پاسخ و توضیح تمرین 1 خود را بیازمایید صفحه 76 شیمی یازدهم
این تمرین به شما کمک می‌کند تا با $\mathbf{\text{قانون هس } (Hess's Law)}$ آشنا شوید و آنتالپی واکنش‌هایی را که به طور مستقیم قابل اندازه‌گیری نیستند (مانند $\mathbf{\text{تولید هیدروژن پراکسید}}$)، محاسبه کنید. 💧
---
## الف) محاسبه‌ی آنتالپی واکنش $\mathbf{H_2(g) + O_2(g) \rightarrow H_2O_2(l)}$
**واکنش هدف:** $\mathbf{H_2(g) + O_2(g) \rightarrow H_2O_2(l)} \quad \mathbf{\Delta H_{\text{هدف}} = ?}$
### 1. تنظیم واکنش‌های میانی
* $\mathbf{\text{واکنش هدف به } 1 \text{ مول } H_2O_2 \text{ نیاز دارد.}}$ $\mathbf{\text{واکنش } 2}$ باید تقسیم بر 2 و $\mathbf{\text{برعکس}}$ شود تا $\mathbf{H_2O_2(l)}$ در سمت فرآورده‌ها قرار گیرد:
$$\mathbf{3) H_2O(l) + \frac{1}{2} O_2(g) \rightarrow H_2O_2(l)}$$
$$\mathbf{\Delta H_3} = -\frac{\Delta H_2}{2} = -\frac{-196 \text{ kJ}}{2} = \mathbf{+98 \text{ kJ}}$$
* $\mathbf{\text{واکنش هدف به } H_2(g) \text{ در سمت واکنش‌دهنده نیاز دارد.}}$ $\mathbf{\text{واکنش } 1}$ را $\mathbf{\text{بدون تغییر}}$ استفاده می‌کنیم:
$$\mathbf{1) H_2(g) + \frac{1}{2} O_2(g) \rightarrow H_2O(l)} \quad \mathbf{\Delta H_1 = -286 \text{ kJ}}$$
### 2. جمع زدن واکنش‌ها
$$\mathbf{H_2(g) + \frac{1}{2} O_2(g) \rightarrow H_2O(l)} \quad \mathbf{\Delta H_1 = -286 \text{ kJ}}$$
$$\mathbf{H_2O(l) + \frac{1}{2} O_2(g) \rightarrow H_2O_2(l)} \quad \mathbf{\Delta H_3 = +98 \text{ kJ}}$$
$$\mathbf{H_2(g) + O_2(g) \rightarrow H_2O_2(l)}$$
$$\mathbf{\Delta H_{\text{هدف}} = \Delta H_1 + \Delta H_3 = -286 \text{ kJ} + 98 \text{ kJ} = \mathbf{-188 \text{ kJ}}}$$
**نتیجه:** آنتالپی تولید هیدروژن پراکسید برابر با $\mathbf{-188 \text{ kJ}}$ است.
---
## ب) دلیل عدم تهیه‌ی $\mathbf{H_2O_2}$ از واکنش مستقیم $\mathbf{H_2}$ و $\mathbf{O_2}$
**پاسخ:** $\mathbf{\text{تهیه‌ی } H_2O_2 \text{ از واکنش مستقیم } H_2 \text{ و } O_2 \text{ ممکن نیست}}$، زیرا فرآورده‌ی اصلی این واکنش، $\mathbf{\text{مولکول پایدار آب } (H_2O)}$ است.
1. **پایداری فرآورده:** $\mathbf{\text{واکنش مستقیم } H_2 \text{ و } O_2}$ یک واکنش $\mathbf{\text{شدیداً گرماده}}$ است و $\mathbf{\text{آب } (H_2O)}$ تولید می‌کند ($athbf{2H_2 + O_2 \rightarrow 2H_2O}$). $\mathbf{H_2O}$ از $\mathbf{H_2O_2}$ بسیار $\mathbf{\text{پایدارتر}}$ است.
2. **دلیل ترمودینامیکی:** اگرچه تولید $\mathbf{H_2O_2}$ نیز $\mathbf{\text{گرماده}}$ ($athbf{\Delta H = -188 \text{ kJ}}$) است، اما $\mathbf{\text{واکنش تولید آب}}$ ($athbf{\Delta H = -286 \text{ kJ/mol } H_2O}$) $\mathbf{\text{گرمادهی بیشتری}}$ دارد و از نظر $\mathbf{\text{ترمودینامیکی مطلوب‌تر}}$ است.
3. **نتیجه:** در رقابت بین تشکیل $\mathbf{H_2O}$ و $\mathbf{H_2O_2}$، مسیر تولید $\mathbf{\text{مولکول پایدارتر آب }}$ برنده است و $\mathbf{H_2O_2}$ به صورت $\mathbf{\text{محصول جانبی ناچیزی}}$ باقی می‌ماند. از این رو، برای تولید $\mathbf{H_2O_2}$ باید از $\mathbf{\text{مسیرهای غیرمستقیم و پیچیده‌تر}}$ (مانند روش‌های الکتروشیمیایی یا فرآیندهای صنعتی دیگر) استفاده کرد.
تمرین خود را بیازمایید شیمی یازدهم صفحه 76
2. در شیمی 1 آموختید که گازهای آلاینده مانند $\mathbf{NO}$ و $\mathbf{CO}$ از اگزوز خودروها به هواکره وارد می‌شوند. شیمی‌دان‌های هواکره واکنش زیر را برای تبدیل این آلاینده‌ها به گازهایی پایدارتر و با آلایندگی کمتر، طراحی کرده‌اند.
$$\mathbf{2CO(g) + 2NO(g) \rightarrow 2CO_2(g) + N_2(g)} \quad \mathbf{\Delta H = ?}$$
آنتالپی واکنش بالا را با استفاده از واکنش‌های ترموشیمیایی زیر حساب کنید.
$$\mathbf{1) CO(g) + \frac{1}{2} O_2(g) \rightarrow CO_2(g)} \quad \mathbf{\Delta H = -283 \text{ kJ}}$$
$$\mathbf{2) N_2(g) + O_2(g) \rightarrow 2NO(g)} \quad \mathbf{\Delta H = +181 \text{ kJ}}$$
پاسخ و توضیح تمرین 2 خود را بیازمایید صفحه 76 شیمی یازدهم
این تمرین یک کاربرد مستقیم از $\mathbf{\text{قانون هس } (Hess's Law)}$ برای محاسبه‌ی $\mathbf{\text{آنتالپی یک واکنش کاتالیستی}}$ (تبدیل آلاینده‌ها در مبدل کاتالیزوری) است. 💡
**واکنش هدف:** $\mathbf{2CO(g) + 2NO(g) \rightarrow 2CO_2(g) + N_2(g)} \quad \mathbf{\Delta H_{\text{هدف}} = ?}$
---
### 1. تنظیم واکنش‌های میانی
* $\mathbf{\text{واکنش } 1}$ ($athbf{CO \rightarrow CO_2}$): واکنش هدف به $\mathbf{2 \text{ مول } CO_2}$ نیاز دارد. $\mathbf{\text{واکنش } 1}$ را $\mathbf{\text{در } 2 \text{ ضرب}}}$ می‌کنیم:
$$\mathbf{3) 2CO(g) + O_2(g) \rightarrow 2CO_2(g)}$$
$$\mathbf{\Delta H_3} = 2 \times (-283 \text{ kJ}) = \mathbf{-566 \text{ kJ}}$$
* $\mathbf{\text{واکنش } 2}$ ($athbf{N_2 \rightarrow 2NO}$): واکنش هدف به $\mathbf{2 \text{ مول } NO}$ در سمت $\mathbf{\text{واکنش‌دهنده}}$ نیاز دارد. $\mathbf{\text{واکنش } 2}$ را $\mathbf{\text{برعکس}}$ می‌کنیم:
$$\mathbf{4) 2NO(g) \rightarrow N_2(g) + O_2(g)}$$
$$\mathbf{\Delta H_4} = -\Delta H_2 = \mathbf{-181 \text{ kJ}}$$
### 2. جمع زدن واکنش‌ها
$$\mathbf{2CO(g) + O_2(g) \rightarrow 2CO_2(g)} \quad \mathbf{\Delta H_3 = -566 \text{ kJ}}$$
$$\mathbf{2NO(g) \rightarrow N_2(g) + O_2(g)} \quad \mathbf{\Delta H_4 = -181 \text{ kJ}}$$
$$\mathbf{\text{مجموع (با حذف } O_2 \text{ مشترک)}}: \mathbf{2CO(g) + 2NO(g) \rightarrow 2CO_2(g) + N_2(g)}$$
$$\mathbf{\Delta H_{\text{هدف}} = \Delta H_3 + \Delta H_4 = -566 \text{ kJ} + (-181 \text{ kJ}) = \mathbf{-747 \text{ kJ}}}$$
**نتیجه:** آنتالپی واکنش تبدیل آلاینده‌ها $athbf{-747 \text{ kJ}}$ است. واکنش $\mathbf{\text{گرماده}}$ است، که مطلوب است. 💨
تمرین خود را بیازمایید شیمی یازدهم صفحه 76
3. واکنش سوختن کامل $\mathbf{\text{گرافیت}}$ را می‌توان مجموعه‌ای از دو واکنش پی در پی مطابق نمودار زیر دانست.
[نمودار سطح انرژی (آنتالپی) برای سوختن $\mathbf{C(s)}$ به $\mathbf{CO_2(g)}$ در دو مرحله:
1. $\mathbf{C(s) + \frac{1}{2} O_2(g) \rightarrow CO(g)}$ (انرژی $\mathbf{\Delta H_1 = ?}$)
2. $\mathbf{CO(g) + \frac{1}{2} O_2(g) \rightarrow CO_2(g)}$ (انرژی $\mathbf{\Delta H_2 = -283 \text{ kJ}}$)
$\mathbf{\text{واکنش کل: } C(s) + O_2(g) \rightarrow CO_2(g)} \quad \mathbf{\Delta H_{\text{کل}} = -393.5 \text{ kJ}}$]
الف) شواهد نشان می‌دهد که $\mathbf{\Delta H}$ واکنش تولید $\mathbf{CO(g)}$ را نمی‌توان به روش $\mathbf{\text{تجربی}}$ تعیین کرد. درباره علت آن گفت‌وگو کنید.
ب) $\mathbf{\Delta H}$ واکنش تولید $\mathbf{CO(g)}$ را از $\mathbf{\text{گرافیت و گاز اکسیژن}}$ حساب کنید.
پاسخ و توضیح تمرین 3 خود را بیازمایید صفحه 76 شیمی یازدهم
این تمرین مجدداً از $\mathbf{\text{قانون هس}}$ استفاده می‌کند، اما این بار برای محاسبه‌ی $\mathbf{\text{آنتالپی یک واکنش ناخواسته}}$ (تولید $\mathbf{CO}$) که اندازه‌گیری مستقیم آن دشوار است. 📝
---
## الف) دلیل عدم امکان تعیین تجربی $\mathbf{\Delta H}$ تولید $\mathbf{CO}$
**پاسخ:** تعیین $\mathbf{\Delta H}$ واکنش $\mathbf{C(s) + \frac{1}{2} O_2(g) \rightarrow CO(g)}$ به طور تجربی $\mathbf{\text{دشوار (ناممکن)}}$ است.
* **سوختن ناقص و کامل:** هنگام سوختن $\mathbf{\text{گرافیت در اکسیژن}}$، $\mathbf{\text{همزمان دو فرآورده}}$ ($athbf{CO_2}$ و $\mathbf{CO}$) تولید می‌شود.
* **عدم خلوص فرآورده:** $\mathbf{\text{هیچ راهی وجود ندارد}}$ که واکنش سوختن را به طور کامل $\mathbf{\text{فقط در مرحله تولید } CO}$ متوقف کنیم. همیشه مقداری $\mathbf{CO}$ تولید شده، $\mathbf{\text{فورا به } CO_2 \text{ تبدیل می‌شود}}$ (سوختن کامل).
* **نتیجه:** چون نمی‌توانیم $\mathbf{\text{فقط یک مول } CO}$ خالص را به عنوان فرآورده نهایی داشته باشیم، نمی‌توانیم $\mathbf{\text{گرمای آزاد شده اختصاصی}}$ برای تشکیل $\mathbf{CO}$ را به طور مستقیم و دقیق اندازه‌گیری کنیم. بنابراین، $\mathbf{\Delta H}$ آن باید به صورت $\mathbf{\text{غیر مستقیم}}$ (با قانون هس) محاسبه شود.
---
## ب) محاسبه‌ی آنتالپی واکنش تولید $\mathbf{CO(g)}$
**واکنش هدف:** $\mathbf{C(s) + \frac{1}{2} O_2(g) \rightarrow CO(g)} \quad \mathbf{\Delta H_1 = ?}$
**واکنش کل:** $\mathbf{C(s) + O_2(g) \rightarrow CO_2(g)} \quad \mathbf{\Delta H_{\text{کل}} = -393.5 \text{ kJ}}$
**واکنش میانی:** $\mathbf{CO(g) + \frac{1}{2} O_2(g) \rightarrow CO_2(g)} \quad \mathbf{\Delta H_2 = -283 \text{ kJ}}$
### 1. تنظیم واکنش‌ها (قانون هس)
$$\mathbf{\Delta H_{\text{کل}} = \Delta H_1 + \Delta H_2}$$
$$\mathbf{\Delta H_1 = \Delta H_{\text{کل}} - \Delta H_2}$$
### 2. جایگذاری مقادیر
$$\mathbf{\Delta H_1 = (-393.5 \text{ kJ}) - (-283 \text{ kJ})}$$
$$\mathbf{\Delta H_1 = -393.5 + 283 = \mathbf{-110.5 \text{ kJ}}}$$
**نتیجه:** آنتالپی واکنش تولید کربن مونوکسید از گرافیت و اکسیژن $\mathbf{-110.5 \text{ kJ}}$ است. (یک واکنش $\mathbf{\text{گرماده}}$). 📉
تمرین خود را بیازمایید شیمی یازدهم صفحه 76
4. شواهد تجربی نشان می‌دهند که تهیه‌ی آمونیاک به روش $\mathbf{\text{هابر}}$ از گازهای $\mathbf{\text{نیتروژن و هیدروژن}}$ مطابق نمودار زیر یک واکنش $\mathbf{\text{دو مرحله‌ای}}$ است.
[نمودار سطح انرژی (آنتالپی) که واکنش تولید آمونیاک ($athbf{2NH_3}$) از $\mathbf{N_2}$ و $\mathbf{3H_2}$ را در دو مسیر مختلف نشان می‌دهد: یکی مستقیم و دیگری از طریق تشکیل واسطه‌ی $\mathbf{N_2H_4}$.]
الف) در شرایط یکسان، $\mathbf{\text{هیدرازین}}$ پایدارتر است یا $\mathbf{\text{آمونیاک}}$؟ چرا؟
ب) $\mathbf{\text{آنتالپی واکنش تولید هیدرازین}}$ را حساب کنید.
پاسخ و توضیح تمرین 4 خود را بیازمایید صفحه 76 شیمی یازدهم
این تمرین از $\mathbf{\text{نمودار سطح انرژی}}$ برای مقایسه‌ی $\mathbf{\text{پایداری نسبی}}$ مواد و $\mathbf{\text{محاسبه‌ی آنتالپی}}$ استفاده می‌کند. سطح آنتالپی، معیار $\mathbf{\text{انرژی درونی}}$ و در نتیجه $\mathbf{\text{پایداری}}$ ماده است. 📉
---
## الف) مقایسه‌ی پایداری هیدرازین ($athbf{N_2H_4}$) و آمونیاک ($athbf{NH_3}$)
**پاسخ:** $\mathbf{\text{آمونیاک } (NH_3)}$ پایدارتر است.
**چرا؟** $\mathbf{\text{پایداری}}$ یک ماده به $\mathbf{\text{انرژی شیمیایی ذخیره شده}}$ (آنتالپی) در آن بستگی دارد: $\mathbf{\text{هرچه آنتالپی کمتر باشد، پایداری بیشتر است.}}$
1. **بررسی نمودار:**
* $\mathbf{\text{واکنش‌دهنده کل (N_2 + 3H_2)}}$ در $\mathbf{\text{سطح آنتالپی بالاتر}}$ از هر دو فرآورده است.
* $\mathbf{\text{واسطه‌ی هیدرازین } (N_2H_4 + H_2)}$ در $\mathbf{\text{سطح آنتالپی بالاتری}}$ نسبت به $\mathbf{\text{آمونیاک } (2NH_3)}$ قرار دارد.
2. **مقایسه:** از آنجایی که $\mathbf{\text{سطح انرژی آمونیاک در پایین‌ترین}}$ نقطه نمودار قرار دارد، این مولکول $\mathbf{\text{پایدارترین}}$ گونه در این مقایسه است. $\mathbf{\text{هیدرازین}}$ در سطح بالاتری قرار دارد و بنابراین $\mathbf{\text{انرژی بیشتری}}$ داشته و $\mathbf{\text{کم‌پایدارتر}}$ است.
---
## ب) محاسبه‌ی آنتالپی واکنش تولید هیدرازین
**واکنش هدف (مسیر مستقیم):** $\mathbf{N_2(g) + 2H_2(g) \rightarrow N_2H_4(g)} \quad \mathbf{\Delta H_{\text{هدف}} = ?}$
**داده‌های نمودار (قانون هس):**
* $\mathbf{\text{واکنش (کل)}}: \mathbf{N_2(g) + 3H_2(g) \rightarrow 2NH_3(g)} \quad \mathbf{\Delta H_{\text{کل}} = -92 \text{ kJ}}$ (از تصویر $\mathbf{\text{تمرین } 1 \text{ صفحه } 64}$)
* $\mathbf{\text{واکنش (مرحله دوم)}}: \mathbf{N_2H_4(g) + H_2(g) \rightarrow 2NH_3(g)} \quad \mathbf{\Delta H_2 = -183 \text{ kJ}}$
**روند حل:** واکنش هدف را به صورت $\mathbf{\text{واکنش کل} - \text{واکنش دوم}}$ می‌نویسیم:
1. **واکنش کل:** $\mathbf{N_2(g) + 3H_2(g) \rightarrow 2NH_3(g)} \quad \mathbf{\Delta H_{\text{کل}} = -92 \text{ kJ}}$
2. **معکوس کردن واکنش 2:** $\mathbf{2NH_3(g) \rightarrow N_2H_4(g) + H_2(g)} \quad \mathbf{-\Delta H_2 = +183 \text{ kJ}}$
**جمع زدن:** (پس از کسر $\mathbf{2NH_3}$ و $\mathbf{1H_2}$ از طرفین)
$$\mathbf{N_2(g) + 2H_2(g) \rightarrow N_2H_4(g)}$$
$$\mathbf{\Delta H_{\text{تولید هیدرازین}} = -92 \text{ kJ} + 183 \text{ kJ} = \mathbf{+91 \text{ kJ}}}$$
**نتیجه:** آنتالپی تولید هیدرازین از عناصر سازنده $\mathbf{+91 \text{ kJ}}$ است. (واکنش $\mathbf{\text{گرماگیر}}$). 🔺
