تجـارب فـي الكيـمـيـــــاء في
اإلصدار األول نشر في نونبر /تشرين الثاني 2013
توزيع أو إعادة نسخ هذا الكتاب من دون موافقة Fourier Systemsممنوع مناع باثا. كافة الحقوق محفوظة لـ ©Fourier Systems ||1
فهرس المحتويات فهرس المحتويات
2
التجارب حسب ال ِمجسّات
3
الحامض -معايرة األساس :تفاعل هيدروكسيد الصوديوم NaOHمع حمض الهيدروكلوريك HCl
5
التفاعالت الطاردة للحرارة :انحالل هيدروكسيد الصوديوم NaOHفي المياه
9
محرك مغناطيسي
9
تفاعالت األكسدة واالختزال :كلوريد النحاس مع األلومنيوم
13
التفاعالت الماصّ ة للحرارة :انحالل نترات األمونيوم في المياه
17
التفاعالت الماصّ ة للحرارة :خلط بلّورات من هيدروكسيد الباريوم مع إيزوثيوسيانات األمونيوم
20
التفاعالت الماصّ ة للحرارة :تفاعل محلول حمض الستريك مع بيكربونات الصودا
24
التحفيز الكيميائي :تَحلُّل H2O2في وجود MnO2
27
آثار التغيرات على ضغط الهواء في درجة الحرارة الجوية :قانون الجمع بين الغازات
31
قانون هس :حفظ الطاقة في الكيمياء
34
حرارة االحتراق
38
موصلية المياه المالحة
41
استكشاف لهب
44
تجميد وإسالة الماء
46
نظرة أخرى على درجة حرارة التج ّمد
49
محتوى طاقة األطعمة
52
محتوى طاقة الوقود
56
||2
ِجسات التجارب حسب الم ّ الموصلية 41
.11موصلية المياه المالحة
األس الهيدروجيني pH ّ .1الحامض -معايرة األساس :تفاعل هيدروكسيد الصوديوم NaOHمع حمض الهيدروكلوريك HCl
14
.2التفاعالت الطاردة للحرارة :انحالل هيدروكسيد الصوديوم NaOHفي المياه
18
الضغط ( 1150 - 150ميلبار) .7التحفيز الكيميائي:تَحلُّل H2O2في وجود MnO2
27
C:\Users\ketty\AppData\Local\Microsoft\Windows\Temporary Internet .8Files\Content.Outlook\S4HWEGSC\_Chemical_Catalysis:_Decompositionآثار التغيرات على ضغط الهواء في
درجة الحرارة الجوية :قانون الجمع بين الغازات
31
.16محتوى طاقة الوقود
65
درجة الحرارة ( ºc40-إلى )ºc140 .1الحامض -معايرة األساس :تفاعل هيدروكسيد الصوديوم NaOHمع حمض الهيدروكلوريك HCl
14
.2التفاعالت الطاردة للحرارة :انحالل هيدروكسيد الصوديوم NaOHفي المياه
18
.3تفاعالت األكسدة واالختزال :كلوريد النحاس مع األلومنيوم
22
.4التفاعالت الماصّة للحرارة :انحالل نترات األمونيوم في المياه
17
C:\Users\ketty\AppData\Local\Microsoft\Windows\Temporary Internet .5Files\Content.Outlook\S4HWEGSC\_Endothermic_Reactions:_Dissolutionالتفاعالت الماصّة للحرارة :خلط 28 بلّورات من هيدروكسيد الباريوم مع إيزوثيوسيانات األمونيوم
.6التفاعالت الماصّة للحرارة :تفاعل محلول حمض الستريك مع بيكربونات الصودا
24
.8آثار التغيرات على ضغط الهواء في درجة الحرارة الجوية :قانون الجمع بين الغازات
31
.9قانون هس :حفظ الطاقة في الكيمياء
34
||3
.10حرارة االحتراق
38
.13تجميد وإسالة الماء
55
.14نظرة أخرى على درجة حرارة التج ّمد
58
.15محتوى طاقة األطعمة
61
درجة الحرارة ( ºc0إلى )ºc1250 44
.12استكشاف لهب
||4
الفصل
الحامض -معايرة األساس: مع حمض تفاعل هيدروكسيد الصوديوم الهيدروكلوريك 1N HCI
سحاحة
مجس األس الهيدروجيني مجس الحرارة
كوب قهوة من البوليسترين
محرك مغناطيسي
الشكل 1
مقدّمة في المحاليل المائية ،إضافة األساسات إلى الماء يؤدي إلى زيادة في األسّ الهيدروجيني pHللمحلول ،في حين أن إضافة األحماض يؤدي إلى انخفاض في األسّ الهيدروجيني .التغيرات في األسّ الهيدروجيني يمكن متابعتها باستخدام أصباغ محددة -تسمى المؤشرات -أو األسّ الهيدروجيني لِقُطب كهربي .األحماض واألساسات تقوم بتحييد ،أو عكس ،تأثير بعضها البعض .يمكن تحديد قيمة األساس عن طريق إضافة كمية معروفة من الحمض إلى محلول قاعدي حتى يحيد تماما .تسمى هذه العملية :الحامض -معايرة األساس .أثناء التحييد ،تتفاعل األحماض واألساسات مع بعضها البعض إلنتاج مواد أيّونية ُتدعى األمالح. في هذه التجربة ،التغيرات التي َتحْ دُث في األسّ الهيدروجيني وفي درجة الحرارة -بينما تتم إضافة حمض (حمض الهيدروكلوريك) إلى محلول أساس (هيدروكسيد الصوديوم) -يتم اتباعها باستخدام األسّ الهيدروجيني للقطب ومِجسّ درجة الحرارة.
ال ُمعدّات
جهاز لوحي einstein™Tabletمع MiLABأو جهاز لوحي أندرويد/إيوس مع MiLABو einstein™LabMate مِجسّ األس الهيدروجيني وال ُقطب الكهربي
مِجسّ درجة الحرارة ( C°40-إلى )C°140
||5
| الحامض -معايرة األساس :تفاعل هيدروكسيد الصوديوم NaOHمع حمض الهيدروكلوريك | HCl
كوب قهوة من البوليسترين
سحاحة ماصة 50مل
ِقمْع زجاجي
50مل من N0,5هيدروكسيد الصوديوم ( NaOHتقريبا)
100مل من محلول حمض الهيدروكلوريك N1 HCl نظارات و ُقفازات السالمة
محرك مغناطيسي وقضيب تحريك
ُمعدّات إعداد العملية .1 .2 .3 .4 .5
). قم بتشغيل ( ™MiLAB قم بوصل قُطب األسّ الهيدروجيني إلى أحد المنافذ على الجهاز اللوحي einstein™Tabletأو .einstein™LabMate قم بوصل ِمجسّ الحرارة إلى أحد المنافذ على الجهاز اللوحي einstein™Tabletأو .einstein™LabMate قم بتحديد ِمجسّات األُسّ الهيدروجيني ودرجة الحرارة. قم بتجميع المعدّات كما هو موضح في الشكل .1
سجل البيانات إعداد ُم ِّ قم ببرمجة المِجسّات لتسجيل البيانات وفقا لإلعداد التالية: س الهيدروجيني pH األ ُ ّ درجة الحرارة ( C°40-إلى )C°140 المعدَّل:
كل 1ثانية
المدّة:
2000ثانية
عملية تجريبية قُم دائما بارتداء نظارات السالمة. .1قم بإعداد غطاء البوليسترين لكوب القهوة من البوليسترين .يجب أن يكون الغطاء ُمسطّحا وأكبر من محيط كوب القهوة (انظر الشكل .)1 .2قُم بعمل ثالثة ثقوب في الغطاء :واحد لقطب األُسّ الهيدروجيني ،واحد ل ِمجسّ الحرارة ،وواحد للقِ ْمع الزجاجي. .3ضع قضيب التحريك المغناطيسي في كوب القهوة. ضف 50مل من N0,5محلول هيدروكسيد الصوديوم إلى كوب القهوة. .4أ َ ِ .5ضع كوب القهوة على المحرك المغناطيسي. .6ضع غطاء على الكوب. .7اِبدأ تحريك محلول هيدروكسيد الصوديوم في كوب القهوة. .8
انقر (Run
.9 .10 .11 .12
اِنتظر حتى تصبح القراءات من ال ِمجسّات مستقرة. أضف قطرة تلو قطرة ،من N1محلول حمض الهيدروكلوريك من السحاحة إلى الكوب ،عبر القِمع الزجاجي. تابع التغيرات في األُسّ الهيدروجيني ودرجة الحرارة في نافذة الرسم البياني لـ .MultiLab ما أن يبدأ األُسّ الهيدروجيني في التغيّر ،أوقف التنقيط من حمض الهيدروكلوريك والحظ حجم حمض الهيدروكلوريك ال ُمضاف حتى تلك النقطة. جدِّد إضافة حمض الهيدروكلوريك قطرة تلو قطرة ،مع متابعة تغييرات األُسّ الهيدروجيني بعناية فائقة. أوقف تدفق حمض الهيدروكلوريك بمجرد ما يستقر مستوى الرقم الهيدروجيني.
.13 .14
) لبدء تسجيل البيانات.
.15قم بحفظ بياناتك عن طريق اختيار (Save
).
||6
| الحامض -معايرة األساس :تفاعل هيدروكسيد الصوديوم NaOHمع حمض الهيدروكلوريك | HCl
تحليـل البيانــات .1 .2 .3 .4 .5
على الرسم البياني ،حدّد قيمة األُسّ الهيدروجيني األولية من المحلول وقيمة األُسّ الهيدروجيني النهائية. ُ كيف تغيرت قيمة األُسّ الهيدروجيني أثناء عملية التحييد؟ كم كان حجم حمض الهيدروكلوريك عندما بدأ األسّ الهيدروجيني في التغيير؟ قم بمقارنته مع حجم حمض الهيدروكلوريك عندما تم تحييد هيدروكسيد الصوديوم تماما. على الرسم البياني ،حدّد الوقت الذي بدأ فيه األُسّ الهيدروجيني بالتغير ومن ثم حدّد نقطة التحييد .كم أخذت من الوقت؟ على الرسم البياني ،قم بتحديد درجة الحرارة األولية ودرجة الحرارة النهائية .كيف تغيرت درجة الحرارة؟ حساب حرارة تفاعل Q (1) Q mcT
حيث: = mكتلة الماء = Cpقدرة حرارة الماء عند ضغط ثابت = ΔTالتغير في درجة الحرارة مالحظة :قدرة حرارة الماء المع ّينة عند درجة حرارة C°25هي .)J/g*°C( 4,18 في األسفل يوجد مثال على الرسم البياني الذي تم الحصول عليه في هذه التجربة: ̶ 30
األُسّ الهيدروجيني pH
̶ 28 ̶ 26 درجة الحرارة
درجة الحرارة ()C0
األُسّ الهيدروجيني pH
̶ 24 ̶ 22 ̶ 20 ̶ 18 ̶ 16 ̶ 14
الشكل 2
أسئلـة .1 .2 .3 .4
هل الحظت التغيير السريع لألُسّ الهيدروجيني؟ اشرح الفرق في الفترة الزمنية القصيرة الالزمة إلنجاز تغييرات جذرية لألُسّ الهيدروجيني في عملية التحييد بأكملها. بن استنتاجاتك على التجربة التي قمت بها. هل تفاعل التحييد هو تفاعل طارد للحرارة أم تفاعل ماصّ للحرارة؟ اِ ِ حاول ت َوقُّع ما سيحدث إذا وضعت الحامض -معايرة األساس مع تركيزات مختلفة من هيدروكسيد الصوديوم في كوب القهوة .ماهو التغيير الذي يمكن أن يطرأ على األُسّ الهيدروجيني في كل حالة؟ ما مدى التغيير ال ذي يمكن أن يطرأ على درجة الحرارة؟ ماذا سيكون تأثير تفاعل األحماض األخرى (على سبيل المثال حامض الخليك) مع هيدروكسيد الصوديوم؟
||7
| الحامض -معايرة األساس :تفاعل هيدروكسيد الصوديوم NaOHمع حمض الهيدروكلوريك | HCl
المزيد من االقتراحات .1 .2
.3
استخدم تركيزات مختلفة من هيدروكسيد الصوديوم مع تركيز ثابت من حمض الهيدروكلوريك. قم بحساب التركيزات غير المعروفة من هيدروكسيد الصوديوم ال ُمعايَر (أو حمض الهيدروكلوريك) .يمكن القيام بذلك عن طريق وضع دفق الحامض (أو األساس) من السحاحة الماصّة بمعدل ثابت .استخ ِدم معدل الدّفق هذا جنبا إلى جنب مع وقت بيانات رسمك البياني من أجل حساب كمية المحلول ال ُمعايَر المضافة إلى المحلول. قم بإجراء ُمعايَرات حمض قاعدي مع أنواع مختلفة من األحماض و /أو األساسات :حمض ضعيف مع أساس قوي والعكس بالعكس.
||8
الفصل
التفاعالت الطاردة للحرارة: في المياه انحالل هيدروكسيد الصوديوم
إلكترود األس الهيدروجيني
مجس الحرارة
كوب قهوة من البوليسترين
مــاء
محرك مغناطيسي
الشكل 1
مقدّمة تقريبا جميع التفاعالت الكيميائية تشمل إما طرد الحرارة أو امتصاصها ،وتصنف هذه التفاعالت إما طاردة أو ماصّة للحرارة .عملية طرد للحرارة هي تفاعل كيميائي يتم بواسطته تحرير الحرارة المتولدة ،فعندما نقوم بإجراء تفاعل طارد للحرارة في قارورة ،مبدئيا فإنها تسخن. في وقت الحق ،حرارة القارورة تتدفق إلى الهواء المحيط حتى تتم إقامة توازن لدرجة الحرارة .المُسعّر هو جهاز يستخدم لقياس الحرارة الممتصة أو المتولدة أثناء تفاعل كيميائي. يمكن حساب حرارة التفاعل من المعادلة التالية: (1) q = Ct حيث: = Qكمية الحرارة المطرودة أو الممتصة. = mكتلة المادة. = Cقدرة حرارة المادة. = Tالتغير في درجة الحرارة. في هذه التجربة سنتابع التغيرات في درجات الحرارة التي تحدث خالل تحلل هيدروكسيد الصوديوم في الماء .سوف يستخدم كوب قهوة من البوليسترين بمثابة المُسعِّر.
||9
| التفاعالت الطاردة للحرارة :انحالل هيدروكسيد الصوديوم NaOHفي المياه |
ال ُمعدّات
جهاز لوحي einstein™Tabletمع MiLABأو جهاز لوحي أندرويد/إيوس مع MiLABو einstein™LabMate مِجسّ األُسّ الهيدروجيني
مِجسّ درجة الحرارة ( C° 40-إلى )C° 140
كوب قهوة من البوليسترين
10غ من هيدروكسيد الصوديوم
محرك مغناطيسي وقضيب تحريك
نظارات السالمة
ُمعدّات إعداد العملية .1 .2 .3
). قم بتشغيل ( ™MiLAB قم بوصل ِمجسّ األُسّ الهيدروجيني إلى أحد المنافذ على الجهاز اللوحي einstein™Tabletأو .einstein™LabMate ُ قم بوصل ِمجسّ الحرارة إلى أحد المنافذ على الجهاز اللوحي einstein™Tabletأو .einstein™LabMateقم بتحديد ِمجسّات األسّ الهيدروجيني ودرجة الحرارة.
سجل البيانات إعداد ُم ِّ قم ببرمجة المِجسّات لتسجيل البيانات وفقا لإلعداد التالية: س الهيدروجيني ()14-0 األ ُ ّ درجة الحرارة ( C°40-إلى )C°140 المعدَّل:
كل 1ثانية
المدّة:
5000ثانية
عملية تجريبية قُم دائما بارتداء نظارات السالمة. ّ .1قم بإعداد غطاء البوليسترين لكوب القهوة من البوليسترين .يجب أن يكون الغطاء ُمسطحا وأكبر من محيط كوب القهوة (انظر الشكل .)1 .2قُم بعمل ثقبين اثنين في الغطاء :واحد لقطب األُسّ الهيدروجيني ،واحد ل ِمجسّ الحرارة. .3 .4 .5 .6 .7 .8
ضع قضيب التحريك المغناطيسي في كوب القهوة. صبّ 100مل من ماء الصنبور في كوب القهوة. قم ب َ ضع كوب القهوة على المحرك المغناطيسي. ضع غطاء على الكأس ،ولكن اترك فتحة ضيقة بحيث يمكن أن يُضاف هيدروكسيد الصوديوم. اِبدأ تحريك الماء في كوب القهوة. انقر (Run
) لبدء تسجيل البيانات.
.9اِنتظر حتى تصبح القراءات من ال ِمجسّات مستقرة. .10اِبدأ تحريك الماء في كوب القهوة. .11قم بإضافة 2غ من هيدروكسيد الصوديوم البلوري إلى الكأس واضبط فورا الغطاء بحيث يتم إحكام غلق الكوب بأفضل شكل ممكن. .12تابع التغيرات في األس الهيدروجيني ودرجة الحرارة المسجلة ،حتى تستقر القراءات. .13اختر (Stop
) إليقاف تجميع البيانات.
.14قم بحفظ بياناتك عن طريق اختيار (Save
).
| | 10
| التفاعالت الطاردة للحرارة :انحالل هيدروكسيد الصوديوم NaOHفي المياه |
تحليـل البيانــات .1
.2 .3
كيف تغيرت قيمة األُسّ الهيدروجيني أثناء عملية االنحالل؟ ُ على الرسم البياني ،استخ ِدم المؤشرات لتحديد قيمة األُسّ الهيدروجيني األولية وبعد ذلك قيمة األسّ الهيدروجيني النهائية. أ .الحظ الفرق بين القيمتين. ُ ب .الحظ كم من الوقت تم استغراقه للوصول إلى قيمة األسّ الهيدروجيني النهائية. ت .الحظ الفرق بين قيمت َْي األُسّ الهيدروجيني. على الرسم البياني ،استخ ِدم المؤشرات لتحديد التغير في درجة الحرارة خالل هذه العملية. قم بحساب حرارة التفاعل باستخدام التغير في درجة الحرارة التي تُحددها أنت ( )Tوالمعادلة .1
مالحظة :قدرة حرارة الماء المع ّينة عند درجة حرارة C° 25هي .)J/g*°C( 4,18 في األسفل يوجد مثال على الرسم البياني الذي تم الحصول عليه في هذه التجربة: ̶ 14 ̶ 13
األُسّ الهيدروجيني pH
̶ 12 ̶ 11
درجة الحرارة
األُسّ الهيدروجيني pH
درجة الحرارة ()C0
̶ 10 ̶ 9 ̶ 8 ̶ 7 ̶ 6 ̶ 5
الشكل 2
أسئلـة .1 .2 .3 .4
هل تغير األُسّ الهيدروجيني بسرعة؟ قارن الفترة الزمنية لتغييرات األس الهيدروجيني مع تلك الخاصة بالتغيرات في درجات الحرارة. اشرح الفرق بين الفترة الزمنية الالزمة لتغيرات األس الهيدروجيني والتغيرات في درجات الحرارة. هل االنحالل هو تفاعل طارد للحرارة أم تفاعل ماصّ للحرارة؟ هل هو تفاعل قوي؟ ِاب ِن استنتاجاتك على مالحظات التجربة التي قمت بها. حاول تخمين نتائج التحلل التي ستقع في حالة إضافة كميات مختلفة من هيدروكسيد الصوديوم إلى الماء .ماهو التغيير الممكن لألُسّ الهيدروجيني في كل حالة؟ ما مدى التغيير الذي يمكن أن يطرأ على درجة الحرارة؟
| | 11
| التفاعالت الطاردة للحرارة :انحالل هيدروكسيد الصوديوم NaOHفي المياه |
المزيد من االقتراحات .1 .2 .3
قم بتذويب كميات مختلفة من هيدروكسيد الصوديوم في الماء .تابع التغيرات في األس الهيدروجيني ودرجة الحرارة في كل حالة .احسب حرارة التفاعل في كل حالة. قم بدراسة تأثير درجة األس الهيدروجيني للماء على ذوبان هيدروكسيد الصوديوم .تابع حرارة التفاعل في محلول منظم .بدال من ذلك، قم بتذويب KOHأو NH4OHفي الماء قبل تذويب هيدروكسيد الصوديوم. قم بإجراء تفاعل إضافي طارد للحرارة .قم بتذويب CuSO4الالمائية (بلورات بيضاء) في الماء .ذوبان كبريتات النحاس في الماء يُش ِّكل أيونات نحاسية مائية زرقاء.
| | 12
الفصل
تفاعالت األكسدة واالختزال :كلوريد النحاس مع األلومنيوم
مجس الحرارة
كوب قهوة من البوليسترين مــاء
محرك مغناطيسي
الشكل 1
مقدّمة تشمل تفاعالت األكسدة واالختزال نقل اإللكترونات بين الذرات .المُرَ َّكب الذي يفقد إلكترونا ً يقال بأنه تأكسد ،اآلخر الذي يكسب إلكترونا ً يقال بأنه اخ ُتزل. ُختزل ،في حين أن المُر َّكب الذي تم تخفيضه يشار إليه على أنه عامل مؤكسِ د. يشار إلى المُر َّكب الذي تأكسد كعامل م ِ رقم األكسدة هو رقم متطابق مع التكافؤ أو عدد الروابط التي يمكن أن ُتش ّكلها ذرّة ولكن مع إضافة عالمة زائد +لإلشارة إلى اإللكترونات المفقودة ،أو عالمة ناقص -لإلشارة إلى إلكترونات إضافية .وهكذا ،فإن رقم أكسدة الكلور في حمض الهيدروكلوريك هو ،-1في حين أنه هو +1في حامض الهيبوكلوروز .على نحو مماثل يمكن القول أن رقم أكسدة الكلور في حمض الكلور ( )HCIO3هو ،+5وحمض البيركلوريك ( )HCIO4هو .+7 في هذه التجربة سوف نقوم بمتابعة تغيرات درجات الحرارة التي تحدث أثناء تفاعل األكسدة واالختزال: 3+
0
0
2+
− )3Cu(aq) + 6CI(aq )+ 2Al(s) → 3Cu(s) + 2Al(aq) + 6Cl−(aq
األلومنيوم ،Al ،تمت أكسدته إلى ،Al3+بينما +Cu2تم اختزاله إلى .Cu يمكن حساب حرارة التفاعل من المعادلة التالية: q = Ct
)(2
| | 13
)(1
| تفاعالت األكسدة واالختزال :كلوريد النحاس مع األلومنيوم |
حيث: = Qكمية الحرارة المطرودة أو الممتصة. = mكتلة المادة. = Cقدرة حرارة المادة. = Tالتغير في درجة الحرارة.
ال ُمعدّات
جهاز لوحي einstein™Tabletمع MiLABأو جهاز لوحي أندرويد/إيوس مع MiLABو einstein™LabMate مِجسّ درجة الحرارة ( C° 40-إلى )C° 140 كوب قهوة من البوليسترين 5غ CuCl2 محرك مغناطيسي وقضيب تحريك رقائق األلومنيوم نظارات السالمة
مُعدّات إعداد العملية .1 .2 .3 .4
). قم بتشغيل ( ™MiLAB قم بوصل ِمجسّ الحرارة إلى أحد المنافذ على الجهاز اللوحي einstein™Tabletأو .einstein™LabMate تأكد من أنه تم تحديد ِمجسّ الحرارة فقط. قم بتجميع المعدّات كما هو موضح في الشكل .1
سجل البيانات إعداد ُم ِّ قم ببرمجة المِجسّات لتسجيل البيانات وفقا لإلعداد التالية: درجة الحرارة ( C°40-إلى )C°140 المعدَّل:
كل ثانية
عيّنة:
200عيّنة
عملية تجريبية قُم دائما بارتداء نظارات السالمة. .1قم بإعداد غطاء البوليسترين لكوب القهوة من البوليسترين .يجب أن يكون الغطاء ُمسطّحا وأكبر من محيط كوب القهوة. .2قم بإنشاء ثقب في الغطاء من أجل ِمجسّ الحرارة( .انظر الشكل )1 .3ضع قضيب التحريك المغناطيسي في كوب القهوة. ض ْع الشريط المغناطيسي في الكوب. و .4قم بصب 50مل من ماء الصنبور في كوب القهوة َ .5ضع كوب القهوة على المحرك المغناطيسي. .6ضع غطاء على الكأس ،ولكن اترك فتحة ضيقة بحيث يمكن أن يُضاف .CuCl2 .7اِبدأ تحريك الماء في كوب القهوة.
| | 14
| تفاعالت األكسدة واالختزال :كلوريد النحاس مع األلومنيوم |
.8
انقر (Run
) لبدء تسجيل البيانات .اِنتظر حتى تصبح القراءات من ال ِمجسّات مستقرة.
.9قم بإضافة 5غ من CuCl2البلوري إلى الكوب واضبط فورا الغطاء بحيث يتم إحكام غلق الكوب بأفضل شكل ممكن. .10قم بإضافة رقائق األلمنيوم إلى الكوب واضبط فورا الغطاء بحيث يتم إحكام غلق الكوب بأفضل شكل ممكن. .11تابع التغيرات في درجات الحرارة المسجلة على الشاشة ،حتى ال تتبقى تغييرات مال َحظة في درجات الحرارة. .12اختر (Stop
) إليقاف تجميع البيانات.
.13قم بحفظ بياناتك عن طريق اختيار (Save
).
تحليـل البيانــات .1 .2
على الرسم البياني ،قم بتحديد درجات حرارة البداية والنهاية .ما هو الفرق بينهما؟ كيف تغيرت درجات الحرارة أثناء تفاعل األكسدة واإلختزال؟ كم استغرق التفاعل من الوقت للوصول إلى درجة الحرارة النهائية؟ قم بحساب حرارة التفاعل باستعمال المعادلة .2
مالحظة :قدرة حرارة الماء المع ّينة عند درجة حرارة C°25هي .)J/g*°C( 4,18 في األسفل يوجد مثال على الرسم البياني للحرارة مقابل المدة الزمنية الذي تم الحصول عليه في هذه التجربة:
درجة الحرارة ()C0
الشكل 2
أسئلـة .1 .2 .3
؟ ما هي التغييرات التي حدثت في لون رقائق األلومنيوم؟ اكتب التفاعالت التي حدثت واكتب معادالت التفاعالت الفردية لألكسدة واالختزال على النحاس واأللومنيوم. أي األنواع تم اختزالها وأي تمت أكسدتها؟
| | 15
| تفاعالت األكسدة واالختزال :كلوريد النحاس مع األلومنيوم |
المزيد من االقتراحات .1 .2
قم بإسقاط قطعة من الحديد في محلول كلوريد النحاس .اكتب التفاعل الذي يقع ،ومعادالت األكسدة واالختزال الفردية. قم بإسقاط قطعة من معدن الزنك في حمض الهيدروكلوريك المخفّف .يتم إطالق الهيدروجين (.)H2 اكتب معادلة التفاعل العامة ومعادالت األكسدة واالختزال الفردية لهذا التفاعل .أي األنواع تم اختزالها؟ أي األنواع تمت أكسدتها؟
| | 16
الفصل
صة للحرارة :انحالل نترات األمونيوم التفاعالت الما ّ في المياه
مجس الحرارة
كوب قهوة من البوليسترين مــاء
محرك مغناطيسي
الشكل 1
مقدّمة عملية امتصاص الحرارة هي تفاعل كيميائي يتم بواسطته امتصاص الحرارة .عندما نقوم بإجراء تفاعل ماصّ للحرارة في قارورة ،مبدئيا فإنها تبرد .في وقت الحق ،حرارة الهواء المحيط تتدفق إلى القارورة حتى تتم إقامة توازن لدرجة الحرارة. في هذه التجربة سنتابع تغيرات درجات الحرارة التي تحدث خالل تحلل نترات األمونيوم البلورية في الماء. يمكن حساب حرارة التفاعل من المعادلة التالية: (1) q = Ct حيث: = Qكمية الحرارة المطرودة أو الممتصة. = mكتلة المادة. = Cقدرة حرارة المادة. = Tالتغير في درجة الحرارة.
ال ُمعدّات
جهاز لوحي einstein™Tabletمع MiLABأو جهاز لوحي أندرويد/إيوس مع MiLABو einstein™LabMate مِجسّ درجة الحرارة ( C°40-إلى )°140 5غ NH4NO3 كوب قهوة من البوليسترين
| | 17
صة للحرارة :انحالل نترات األمونيوم في المياه | | التفاعالت الما ّ
محرك مغناطيسي وقضيب تحريك نظارات السالمة
ُمعدّات إعداد العملية .1 .2 .3 .4
). قم بتشغيل ( ™MiLAB قم بوصل ِمجسّ الحرارة إلى أحد المنافذ على الجهاز اللوحي einstein™Tabletأو .einstein™LabMate تأكد من أنه تم تحديد ِمجسّ الحرارة فقط. قم بتجميع المعدّات كما هو موضح في الشكل .1
سجل البيانات إعداد ُم ِّ قم ببرمجة المِجسّات لتسجيل البيانات وفقا لإلعداد التالية: درجة الحرارة ( C°40-إلى )C°140 المعدَّل:
كل 1ثانية
المدّة:
500ثانية
عملية تجريبية قُم دائما بارتداء نظارات السالمة. .1قم بإعداد غطاء البوليسترين لكوب القهوة من البوليسترين .يجب أن يكون الغطاء ُمسطّحا وأكبر من محيط كوب القهوة. .2قم بإنشاء ثقب في الغطاء ثم أدخل ِمجسّ الحرارة. .3ضع قضيب التحريك المغناطيسي في كوب القهوة. صبّ 50مل من ماء الصنبور في كوب القهوة. .4قم ب َ .5ضع كوب القهوة على المحرك المغناطيسي. .6ضع غطاء على الكأس ،ولكن اترك فتحة ضيقة بحيث يمكن أن يُضاف .NH4NO3 .7اِبدأ تحريك الماء في كوب القهوة. .8
انقر (Run
) لبدء تسجيل البيانات.
.9اِنتظر حتى تصبح القراءات من ال ِمجسّ مستقرة. .10قم بإضافة 5غ من NH4NO3إلى الكوب واضبط فورا الغطاء بحيث يتم إحكام غلق الكوب بأفضل شكل ممكن. .11تابع التغيرات في درجات الحرارة المسجلة على الشاشة ،حتى ال تتبقى تغييرات مال َحظة في درجات الحرارة. .12اختر (Stop
) إليقاف تجميع البيانات.
.13قم بحفظ بياناتك عن طريق اختيار (Save
).
تحليـل البيانــات .1 .2 .3 .4 .5
على الرسم البياني ،استخ ِدم المؤشرات لتحديد الحرارة األولية والحرارة النهائية. كيف تغيرت الحرارة أثناء تحلّل نترات األمونيوم البلورية في الماء؟ ما هو الفرق بين القيمتين؟ كم استغرق التفاعل من الوقت للوصول إلى درجة الحرارة النهائية؟ قم بحساب حرارة التفاعل باستعمال المعادلة .1
مالحظة :قدرة حرارة الماء المع ّينة عند درجة حرارة C° 25هي .)J/g*°C( 4,18 في األسفل يوجد مثال على الرسم البياني للحرارة مقابل المدة الزمنية الذي تم الحصول عليه في هذه التجربة:
| | 18
صة للحرارة :انحالل نترات األمونيوم في المياه | | التفاعالت الما ّ
درجة الحرارة ()C0
الشكل 2
أسئلـة .1 .2 .3
بن استنتاجاتك على مالحظاتك أثناء التجربة التي قمت بها. ما هو نوع التفاعل الكيميائي لتحلّل نترات األمونيوم في الماء؟ اِ ِ حاول توقع نتائج تحلّل كميات مختلفة من NH4NO3في الماء .كيف ستتم التغيرات في درجة الحرارة؟ ماذا سيكون تأثير تدفئة الماء قبل تحلّل ?NH4NO3؟ ماذا سيكون تأثير تبريد الماء؟
المزيد من االقتراحات .1 .2
قم بتذويب كميات مختلفة من NH4NO3في الماء .تابع تغيرات درجة الحرارة في كل حالة .احسب حرارة التفاعل في كل حالة. افحص تأثير زيادة وانخفاض درجة الحرارة األولية للماء على تحلّل .NH4NO3
| | 19
الفصل
الماصة للحرارة: التفاعالت ّ خلط بلّورات من هيدروكسيد الباريوم مع إيزوثيوسيانات األمونيوم
قضيب زجاجي مجس الحرارة
Ba(OH)2·8H2O
طبقــة رقيقـة من الماء
لــوحــــة
الشكل 1
مقدّمة عندما يتم خلط جيد الثنين من المواد البلورية Ba(OH)2 8HOو NH4SCNفي قارورة ،يُطوِّ ر امتصاص للحرارة أو تفاعل ماصّ للحرارة ما يلي: Ba(OH)2 ∙ 84H2 O+2NH4 SCN ⟶Ba(SCN)2+2NH3+10H2 O
)(1
مادة األمونيا الغازية ( ،)NH3التي تشكلت في هذا التفاعل ،يمكن كشفها بسهولة نظرا لرائحتها النفاذة. إذا تم وضع القارورة ،التي تعطي إحساسا باردا جدا عند الملمس ،على لوحة مغطاة بطبقة رقيقة من الماء ،فإن القارورة واللوحة يتجمدان معا. في هذه التجربة نتابع تغيرات درجات الحرارة التي تحدث أثناء خلط أوكتاهيدرات هيدروكسيد الباريوم البلورية وثيوسيانات األمونيوم وتجربة تفاعل القارورة وتجمُّد اللوحة معا. يمكن حساب حرارة التفاعل من المعادلة التالية: (2) q = Ct
حيث: = Qكمية الحرارة المطرودة أو الممتصة. = mكتلة المادة.
| | 20
| التفاعالت الماصّة للحرارة :خلط بلّورات من هيدروكسيد الباريوم مع إيزوثيوسيانات األمونيوم |
= Cقدرة حرارة المادة. = Tالتغير في درجة الحرارة.
ال ُمعدّات
جهاز لوحي einstein™Tabletمع MiLABأو جهاز لوحي أندرويد/إيوس مع MiLABو einstein™LabMate مِجسّ درجة الحرارة ( C° 40-إلى )° 140 2غ من Ba(OH)2 ·8H2O 4غ من NH4SCN لوحة خشبية أو بالستيكية ،حوالي 5سم × 5سم قارورة زجاجية 10مل قضيب زجاجي نظارات السالمة
ُمعدّات إعداد العملية .1 .2 .3 .4
). قم بتشغيل ( ™MiLAB قم بوصل ِمجسّ الحرارة إلى أحد المنافذ على الجهاز اللوحي einstein™Tabletأو .einstein™LabMate تأكد من أنه تم تحديد ِمجسّ الحرارة فقط. قم بتجميع المعدّات كما هو موضح في الشكل .1
سجل البيانات إعداد ُم ِّ قم ببرمجة المِجسّات لتسجيل البيانات وفقا لإلعداد التالية: درجة الحرارة ( C°40-إلى )C°140 المعدَّل:
كل 1ثانية
المدّة:
200ثانية
عملية تجريبية قُم دائما بارتداء نظارات السالمة. .1قم بصب الماء على لوحة حتى يتم تغطيتها بطبقة رقيقة من الماء. .2قم بوزن 2غرام من Ba(OH)2 8H2Oفي قارورة زجاجية 100مل. أدخل ِمجسّ درجة الحرارة في بلورات هيدروكسيد الباريوم داخل القارورة. .3 ِ .4قم بوزن 4غرام من ثيوسيانات األمونيوم. ) لبدء تسجيل البيانات.
.5
انقر (Run
.6 .7 .8
اِنتظر حتى تصبح القراءات من ِمجسّ الحرارة مستقرة. قم بإضافة NH4SCNالتي تم وزنها إلى القارورة التي تحتوي على .Ba(OH)2 8H2O ضع القارورة على اللوحة المغطاة بالمياه ،كما هو موضح في الشكل .a1
| | 21
| التفاعالت الماصّة للحرارة :خلط بلّورات من هيدروكسيد الباريوم مع إيزوثيوسيانات األمونيوم |
قضيب زجاجي مجس الحرارة
Ba(OH)2·8H2O طبقــة رقيقـة من الماء لــوحــــة
الشكل a1 .1 .2
امزج المواد بشكل دقيق في القارورة مستعمال قضيبا زجاجيا. تابع تغيرات درجات الحرارة بالقارورة ،حتى ال تتبقى تغييرات مال َحظة في درجات الحرارة.
.3
عندما تستقر درجة الحرارة ،اضغط (Stop
.4
قم بحفظ بياناتك عن طريق اختيار (Save
.5
حاول إزالة القاروة من فوق اللوح.
) لوقف تجميع البيانات. ).
تحليـل البيانــات .1 .2
على الرسم البياني ،حدِّد درجة الحرارة األولية ،ثم حدِّد درجة الحرارة النهائية .كيف تغيرت درجات الحرارة أثناء هذا التفاعل الكيميائي؟ ما هو الفرق بين القيمتين؟ كم استغرق التفاعل من الوقت للوصول إلى درجة الحرارة النهائية؟ احسب حرارة التفاعل.
مالحظة :قدرة حرارة الماء المع ّينة عند درجة حرارة C° 25هي .)J/g*°C( 4,18 .3
قم بوصف ما حدث عندما حاولت التقاط القارورة.
| | 22
| التفاعالت الماصّة للحرارة :خلط بلّورات من هيدروكسيد الباريوم مع إيزوثيوسيانات األمونيوم |
في األسفل يوجد مثال على الرسم البياني للحرارة مقابل المدة الزمنية الذي تم الحصول عليه في هذه التجربة:
درجة الحرارة ()C0
الشكل 2
أسئلـة .1 .2 .3
ما هي تغييرات درجات حرارة القارورة التي الحظتها؟ اشرح نتائجك. ما هو نوع التفاعل الكيميائي الذي حصل في القارورة؟ قم بوصف ما حدث عندما حاولت انتشال القارورة.
المزيد من االقتراحات .1 .2 .3
قم بتغيير المقادير النسبية لـ Ba(OH)2 8H2Oو ،NH4SCNثم تابع تغير درجة الحرارة في كل حالة. قم بإجراء تفاعل إضافي طارد للحرارة .تحلّل KNO3في الماء ( 25غرام في 50مل من الماء). تابع معدل إطالق األمونيوم في التفاعل وذلك باستخدام ِمجسّ الضغط .بهذه الطريقة يمكن قياس معدل التفاعل.
| | 23
الفصل
صة للحرارة :تفاعل محلول حمض التفاعالت الما ّ الستريك مع بيكربونات الصودا
مجس الحرارة
كوب قهوة من البوليسترين مــاء
محرك مغناطيسي
الشكل 1
مقدّمة عملية امتصاص الحرارة هي تفاعل كيميائي يتم بواسطته امتصاص الحرارة .عندما نقوم بإجراء تفاعل ماصّ للحرارة في قارورة ،مبدئيا فإنها تبرد .في وقت الحق ،حرارة الهواء المحيط تتدفق إلى القارورة حتى تتم إقامة توازن لدرجة الحرارة. في هذه التجربة نتابع تغيرات درجات الحرارة التي تحدث أثناء عملية التفاعل بين محلول حمض الستريك وبيكربونات الصودا. )(1) H3 C6 H5 O7 (aq) + 3NaHCO3 (s) ⟶ 3CO2(g) + 3H2 O + Na3 C6 H5 O7(aq يمكن حساب حرارة التفاعل من المعادلة التالية: )2( q = Ct حيث: = Qكمية الحرارة المطرودة أو الممتصة. = mكتلة المادة. = Cقدرة حرارة المادة. = Tالتغير في درجة الحرارة.
| | 24
التفاعالت الماصّة للحرارة :تفاعل محلول حمض الستريك مع بيكربونات الصودا |
ال ُمعدّات
جهاز لوحي einstein™Tabletمع MiLABأو جهاز لوحي أندرويد/إيوس مع MiLABو einstein™LabMate مِجسّ درجة الحرارة ( C° 40-إلى )° 140 25مل من محلول حمض الستريك ()H3C6H5O7 15غ بيكربونات الصودا ()NaHCO3 كوب قهوة من البوليسترين محرك مغناطيسي وقضيب تحريك نظارات السالمة
مُعدّات إعداد العملية .1 .2 .3 .4
). قم بتشغيل ( ™MiLAB قم بوصل ِمجسّ الحرارة إلى أحد المنافذ على الجهاز اللوحي einstein™Tabletأو .einstein™LabMate تأكد من أنه تم تحديد ِمجسّ الحرارة فقط. قم بتجميع المعدّات كما هو موضح في الشكل .1
سجل البيانات إعداد ُم ِّ قم ببرمجة المِجسّات لتسجيل البيانات وفقا لإلعداد التالية: درجة الحرارة ( C°40-إلى )C°140 المعدَّل:
كل 1ثانية
المدّة:
500ثانية
عملية تجريبية قُم دائما بارتداء نظارات السالمة. ّ .1قم بإعداد غطاء البوليسترين لكوب القهوة من البوليسترين .يجب أن يكون الغطاء ُمسطحا وأكبر من محيط كوب القهوة. .2 .3 .4 .5 .6 .7 .8
قم بإنشاء ثقب في الغطاء ثم أدخل ِمجسّ الحرارة. ضع قضيب التحريك المغناطيسي في كوب القهوة. صبّ 25مل من حمض الستريك في كوب القهوة. قم ب َ ضع كوب القهوة على المحرك المغناطيسي. ضع غطاء على الكأس ،ولكن اترك فتحة ضيقة بحيث يمكن أن تُضاف بيكربونات الصودا (.)NaHCO3 اِبدأ تحريك الماء في كوب القهوة. انقر (Run
) لبدء تسجيل البيانات .اِنتظر حتى تصبح القراءات من ال ِمجسّ مستقرة.
.9بعد 20ثانية أضف بيكربونات الصودا ( )NaHCO3إلى الكوب ،وأغلق على الفور الغطاء لضمان أن الكأس ُمحكمة اإلغالق. .10تابع التغيرات في درجات الحرارة المسجلة على الشاشة ،حتى ال تتبقى تغييرات مال َحظة في درجات الحرارة. .11اختر (Stop
) إليقاف تجميع البيانات.
.12قم بحفظ بياناتك عن طريق اختيار (Save
).
| | 25
التفاعالت الماصّة للحرارة :تفاعل محلول حمض الستريك مع بيكربونات الصودا |
تحليـل البيانــات .1 .2
على الرسم البياني ،حدِّد درجة الحرارة األولية ،ثم حدِّد درجة الحرارة النهائية .كيف تغيرت درجات الحرارة أثناء هذا التفاعل الكيميائي؟ ماذا كان الفرق بين القيمتين؟ كم استغرق التفاعل من الوقت للوصول إلى درجة الحرارة النهائية؟ احسب حرارة التفاعل.
في األسفل يوجد مثال على الرسم البياني للحرارة مقابل المدة الزمنية الذي تم الحصول عليه في هذه التجربة:
درجة الحرارة ()C0
الشكل 2
أسئلـة .1 .2
بن استنتاجاتك على مالحظاتك للتجربة التي ما هو نوع التفاعل الكيميائي الذي يحدث عند خلط محلول حمض الستريك وبيكربونات الصودا؟ اِ ِ قمت بها. حاول توقع نتائج خلط كميات مختلفة من بيكربونات الصودا في محلول حامض الستريك .ما مدى التغير الذي سيكون في درجة الحرارة؟
المزيد من االقتراحات .1 .2
قم بتغيير المقادير النسبية لحمض الستريك وبيكربونات الصودا .تابع تغيرات درجة الحرارة في كل حالة .احسب حرارة التفاعل في كل حالة. تابع معدل إطالق CO2في التفاعل وذلك باستخدام ِمجسّ .CO2
| | 26
الفصل
التحفيز الكيميائيَ :تحلُّل
في وجود
مجس الضغط محقنة
سـدادة فلينـيــة
الشكل 1
مقدّمة المُح ِّفز هو مادة كيميائية تزيد من معدل التفاعل ،وتسمى هذه العملية بالتحفيز الكيميائي .المُح ِّفز يشارك في تفاعل لكنه ال يُستهلك من طرف التفاعل .المُح ِّفز يدخل التفاعل في خطوة واحدة ويتم إعادة توليده في خطوة أخرى. +2 محلول نقي من H2O2هو مستقر .ولكن عندما تتم إضافة مُح ِّفز ،مثل ،MnO2معدن البالتين أو أيونات ،Feفإنه يتحلل بسرعة إلى ماء وجزيئات األوكسجين. MnO2 2H2O + O2
H2OO2
في هذه التجربة نتابع طرد جزيئات األكسجين الناتجة عن تحلل H2O2في وجود ،MnO2وذلك باستخدام مِجسّات الضغط.
| | 27
)(1
| التحفيز الكيميائيَ :تحلُّل H2O2في وجود | MnO2
ال ُمعدّات
جهاز لوحي einstein™Tabletمع MiLABأو جهاز لوحي أندرويد/إيوس مع MiLABو einstein™LabMate اثنان من مِجسّات الضغط ( 150 - 150ميلبار) اثنان من الصّمامات الثالثية قارورتان زجاجيتان 10مل سدادتان فلينيتان اثنتان ،واحدة لكل قارورة محقنة بالستيكية واحدة سعة 2مل ثالث إبر للمحقنة عيار 20 ثالثة أنابيب مطاطية قصيرة ٪3محلول H2O2 عدد قليل من بلورات MnO2 نظارات السالمة
ُمعدّات إعداد العملية .1 .2 .3 .4 .5 .6 .7 .8 .9
). قم بتشغيل ( ™MiLAB قم بوصل ِمجسّات الضغط إلى المنافذ على الجهاز اللوحي einstein™Tabletأو .LabMate قم بتحديد ِمجسّات الضغط. قم بتجميع المعدّات كما هو موضح في الشكل .1 يتم إدخال إبرة محقنة (عيار )20من خالل الفلين ،حتى ينبثق طرفها خارجا قليال. في الطرف اآلخر من إبرة المحقنة ،وأنت تدفع خارجا الجانب العلوي من الفلين ،قم بربط الصمام الثالثي ب ِمجسّ الضغط. أدر الصمام حتى تصبح فتحته متوجهة عموديا .في هذه الوضعية ،يمكن للهواء أن يتدفق من خالل الصمام. أدخل إبرة إضافية في واحدة من الفلينات .محقنة مليئة بـ ٪3محلول H2O2سيتم ربطها إلى هذه اإلبرة الحقا. في هذه التجربة يجب غلق القوارير بإحكام .لمزيد من المعلومات راجع :إحكام الغلق
سجل البيانات إعداد ُم ِّ قم ببرمجة المِجسّات لتسجيل البيانات وفقا لإلعدادات التالية: الضغط ( 1150 - 150ميلبار) المعدَّل:
كل 1ثانية
المدّة:
500ثانية
عملية تجريبية قُم دائما بارتداء نظارات السالمة. .1أ ِّشر على القوارير بالتسميات 1و .2 .2امأل المحقنة البالستيكية بـ 2مل من محلول .H2O2 ٪3 .3أضف 8مل ماء و 2مل من محلول H2O2 ٪3إلى القارورة .1 .4أضف 8مل ماء و بعض بلورات MnO2إلى القارورة .2قم بخلط المحلول بلُطف. .5أح ِكم بإغالق القارورات بالسدادات الفلينية. .6اربط المحقنة المملوءة بمحلول H2O2مع القارورة 2من خالل اإلبرة اإلضافية التي تم إدخالها عبر الفلين. ) لبدء تسجيل البيانات.
.7
انقر (Run
.8
تابع مستوى الضغط المسجَّل على شاشة الكمبيوتر.
| | 28
| التحفيز الكيميائيَ :تحلُّل H2O2في وجود | MnO2
.9تأكد من أن الهواء في القوارير هو في ضغط جوي (حوالي 1000مليبار). .10قم بحقن محلول H2O2في القارورة ،2وعلى الفور أَ ِدر صمامات القارورتين االثنتين لوقف تدفق الهواء من خاللهما. .11تابع تغيرات الضغط المسجلة على شاشة الكمبيوتر أثناء التجربة. .12اختر (Stop
) إليقاف تجميع البيانات.
.13قم بحفظ بياناتك عن طريق اختيار (Save
).
تحليـل البيانــات .1 .2 .3 .4
على رسم بياني ،حدِّد الضغط األولي والضغط النهائي .افعل نفس الشيء للرسم البياني الثاني. كيف تغير الضغط في كل قارورة؟ أوجد الفرق بين مجموعتي القيم. نشئ رسم بياني تفاضلي عن طريق طرح الرسم البياني لضغط قارورة التحكم من ذلك الذي بالقارورة احسب معدل تفاعل تحلل .H2O2أَ ِ التجريبية: .aاستخ ِدم المؤشر لتحديد نقاط بداية ونهاية خط الرسم البياني من القارورة التي تم إضافة MnO2إليها. .b
قم بتحديد (Function
.c
من القائمة المنسدلة لـ Functionsقم بتحديد زر (Setup
.d
من القائمة المنسدلة لـ G1قم بتحديد ( Pressureمن القارورة التي بها .)MnO2من القائمة المنسدلة لـ G2قم بتحديد ( Pressureمن قارورة التحكم). حدد الخط الجديد للرسم البياني قم بتحديد Function حدد Linear Fitانطالقا من قائمة Function انحدار خط التناسب هو معدل التفاعل الصافي.
.e .f .g .h
).
| | 29
) قرب ..Subtract equation
| التحفيز الكيميائيَ :تحلُّل H2O2في وجود | MnO2
في األسفل يوجد مثال على الرسم البياني الذي تم الحصول عليه في هذه التجربة:
الضغط (ميلبار)
الشكل 3
أسئلـة .1 .2 .3 .4 .5 .6 .7
كيف يتأثر الضغط بتحلل H2O2؟ قارن التغيرات في الضغط بالقارورتين االثنتين .هل الحظت تغييرا في القارورة 1؟ في القارورة 2؟ اشرح الفروقات. أي من القارورتين هي بمثابة المتح ِّكمة؟ اشرح. لماذا نحتاج إلى نظام تحكم في التجربة؟ ما هو تأثير إضافة بلورات MnO2إلى القوارير؟ ماذا سيكون تأثير إضافة كميات متزايدة من MnO2على معدل التفاعل؟ ّ ماذا سيكون تأثير ارتفاع درجة الحرارة في القوراير أثناء التجربة على معدل تفاعل تَحوُّ ل ال ُمركب إلى عنصرين H2O2؟
المزيد من االقتراحات .1 .2 .3 .4 .5
وتابع التفاعالت. أضف كميات متزايدة من MnO2إلى خليط التفاعل ِ احسب معدل التفاعل ال ُمحصَّل عليه في كل تجربة. قارن تأثير أنواع مختلفة من المحفزات الكيميائية ،HBr ،HI :أيونات ،Fe+2معدن البالتين. غيِّر تركيز H2O2ال ُمضاف إلى خليط التفاعل ،وقارن تأثير التركيزات المتفاعلة على معدل التفاعل مع تأثير المحفز. تابع التغيرات في درجات الحرارة التي تحدث أثناء عملية التفاعل ،ثم قم بتقييم تأثير درجة الحرارة على معدل تحلل .H2O2
| | 30
الفصل
آثار التغيرات على ضغط الهواء في درجة الحرارة الجوية :قانون الجمع بين الغازات
مجس الحرارة مجس الضغط
قارورة زجاجية مــاء
محرك مغناطيسي
الشكل 1
مقدّمة حجم الغازات ،V ،يتأثر بدرجة حرارتها .T ،كما جاء في قانون تشارلز ،عيّنة من الغاز على ضغط ثابت تتزايد خطيا في الحجم مع درجة الحرارة: ()1 V∝T ()2 V/T=constant
يمكن التعبير عن قانون تشارلز جنبا إلى جنب مع قانون بويل بعبارة واحدة :قانون الغاز المشترَك. ينص هذا القانون على أن الحجم الذي َتشغله كمية معينة من الغاز يتناسب مع درجة الحرارة المطلقة ،مقسوما على الضغط:P ، PV/T=constant
()3
في هذه التجربة نقوم بدراسة العالقة بين الضغط ودرجة الحرارة ،وتأثيرهما على سلوك الغاز ،من خالل قياس تسخين حجم ثابت من الهواء -المحبوس في قارورة مغلقة -على الضغط الخاص به.
| | 31
| آثار التغيرات على ضغط الهواء في درجة الحرارة الجوية :قانون الجمع بين الغازات |
ال ُمعدّات
جهاز لوحي einstein™Tabletمع MiLABأو جهاز لوحي أندرويد/إيوس مع MiLABو einstein™LabMate قارورة زجاجية 50مل سدادة فلينية إبرتان اثنتان للمحقنة ،عيار 20 ثالثة أنابيب مطاطية قصيرة صمام ثالثي مِجسّ درجة الحرارة ( C°40-إلى )C°140 مِجسّ الضغط ( 1150 - 150ميلبار) حامل محرك مغناطيسي نظارات السالمة
ُمعدّات إعداد العملية .1 .2 .3 .4 .5 .6 .7 .8 .9
). قم بتشغيل ( ™MiLAB قم بوصل ِمجسّ الضغط إلى أحد المنافذ على .einstein™LabMate قم بوصل ِمجسّ الحرارة إلى أحد المنافذ على .einstein™LabMate قم بتجميع المعدّات كما هو موضح في الشكل 2أسفله. يتم إدخال إبرة محقنة (عيار )20من خالل الفلين ،حتى ينبثق طرفها قليال خارج الفلين (الشكل .)1 في الطرف اآلخر من إبرة المحقنة ،وأنت تدفع خارجا الجانب العلوي من الفلين ،قم بربط صمام ثالثي ،ثم قم بإرفاق ِمجّس الضغط على الطرف اآلخر من الصمام. في الطرف اآلخر من إبرة المحقنة ،وأنت تدفع خارجا الجانب العلوي من الفلين ،قم بربط صمام ثالثي ،ثم قم بإرفاق ِمجّس الضغط على الطرف اآلخر من الصمام. أدر الصمام حتى تصبح فتحته متوجهة أفقيا .في هذه الوضعية ،يمكن للهواء أن يتدفق عبر الصمام من القارورة إلى المناطق المحيطة . في هذه التجربة يجب غلق القوارير بإحكام .لمزيد من المعلومات راجع :إحكام الغلق.
سجل البيانات إعداد ُم ِّ قم ببرمجة المِجسّات لتسجيل البيانات وفقا لإلعداد التالية: الضغط ( 1150 - 150ميلبار) المعدَّل:
كل 1ثانية
المدّة:
500ثانية
درجة الحرارة ( C°40-إلى )C°140 المعدَّل:
كل 1ثانية
المدّة:
500ثانية
عملية تجريبية قُم دائما بارتداء نظارات السالمة. .1قم بتجميع المعدّات كما هو موضح في الشكل 1في األعلى. .2قم بإحداث ثقب في الفلين ،يكون كبيرا بما يكفي إلدخال رأس ِمجسّ الحرارة. بشكل آخر ،قم بإحداث شق ضيق على الجانب من الفلين. .3ضع قضيب التحريك المغناطيسي في القارورة. .4اِمأل القارورة الزجاجية بالماء .اترك كمية صغيرة من الهواء في القارورة ،لمنع المياه من الوصول إلى اإلبر. | | 32
| آثار التغيرات على ضغط الهواء في درجة الحرارة الجوية :قانون الجمع بين الغازات |
.5 .6 .7 .8
أَدخل ِمجسّ الحرارة في الثقب أو الفتحة المحدثة بالفلين. أغلق القارورة بالفلينة وابدأ في التحريك. تأكد من أن الضغط في القارورة يساوي الضغط الجوي (حوالي 1000مليبار) ثم أ ِدر الصمام لمنع الهواء من دخول القارورة. انقر (Run
) لبدء تسجيل البيانات.
.9تابع تغيرات الضغط المسجلة على الشاشة. .10ابدأ تسخين القارورة .أدر زر التسخين بالمحرك مغناطيسي ناحية الوسط ،وتابع التغيرات في الضغط لمدة تناهز 5دقائق. ) إليقاف تجميع البيانات.
.11اختر (Stop
.12قم بحفظ بياناتك عن طريق اختيار (Save
).
تحليـل البيانــات قارن بين نمط التغيرات في الضغط مع ذلك الخاص بدرجة الحرارة :هل وجدت أي تشابه بين االثنين؟ في األسفل يوجد مثال على الرسم البياني الذي تم الحصول عليه في هذه التجربة:
̶ 1350 ̶ 1300 ̶ 1250
الضغط (ميلبار)
̶ 1200 ̶ 1150 ̶ 1100 ̶ 1000 ̶ 950 ̶ 900 ̶ 850 ̶ 800
الشكل 3
أسئلـة .1 .2 .3 .4
التغيرات في درجة الحرارة وفي الضغط أظهرت شك َل ُمنحنى غير خ ِّ طي .لماذا؟ كيف سيكون شكل المنحنيات إذا تم تسخين القارورة في حمام؟ ماذا سيكون تأثير تبريد القارورة على الضغط؟ لنفترض أنه تم تخفيض حجم المياه في القارورة .ماذا سيكون تأثير تسخين القارورة مقارنة مع النتائج في التجربة الحالية؟
المزيد من االقتراحات .1 .2
قم بتسخين القارورة لمدة زمنية وجيز ،بعد ذلك ،أوقف عملية تسخين القارورة .بينما تبدأ درجة حرارة القارورة في االستقرار ،ابدأ تبريد القارورة ثم تابع تغيرات الضغط التي تم قياسها بالقارورة. قارن تأثير التسخين أو التبريد على الضغط في كل حالة. قم بإجراء التجربة مع أحجام مختلفة للماء في القارورةِ .
| | 33
الفصل
قانون هس :حفظ الطاقة في الكيمياء
مجس الحرارة
كوب قهوة من البوليسترين مــاء
محرك مغناطيسي
الشكل 1
مقدّمة وفقا لقانون هس ،إذا كان ممكنا إجراء تفاعل في سلسلة من الخطوات ،فإن مجموع اإلنثالبيات (الطاقة الكلية) للخطوات الفردية يجب أن يساوي إنثالبية التفاعل الكلي .التفاعالت التي سنستخدم في هذه التجربة هي: .1هيدروكسيد الصوديوم الصلب الذائب في الماء لتكوين محلول مائي من األيونات. )NaOH(s (Na+(aq) + OH-(aq) )1 .2هيدروكسيد الصوديوم الصلب يتفاعل مع حمض الهيدروكلوريك المائي لتكوين الماء ومحلول مائي من كلوريد الصوديوم. )NaOH(s) + H+(aq) + Cl-(aq (H2O(l) + Na(aq) + Cl-(aq) )2 .3محاليل هيدروكسيد الصوديوم المائي وحمض الهيدروكلوريك تتفاعل لتشكيل كلوريد صوديوم مائي بأيّونات مائية. )Na+(aq) + OH- (aq) + H+(aq) + Cl-(aq
(H2O(l) + Na+(aq) + Cl-(aq))3 يمكن حساب حرارة التفاعل باستعمال المعادلة التالية: )4( Q = mC∆T حيث: = Qكمية الحرارة المطرودة أو الممتصة. = mكتلة المادة. = Cقدرة حرارة المادة. = Tالتغير في درجة الحرارة.
| | 34
| قانون هس :حفظ الطاقة في الكيمياء |
ال ُمعدّات جهاز لوحي einstein™Tabletمع MiLABأو جهاز لوحي أندرويد/إيوس مع MiLABو einstein™LabMate مِجسّ درجة الحرارة ( C° 40-إلى )° 140 دورق 250مل كوب قهوة من البوليسترين محرك مغناطيسي وقضيب تحريك 50 مل من هيدروكسيد الصوديوم M1.0 50 مل من حمض الهيدروكلوريك M1.0 100 مل من حمض الهيدروكلوريك M0.5 100 مل من الماء 4 غ من هيدروكسيد الصوديوم الصلب نظارات و ُقفازات السالمة
ُمعدّات إعداد العملية .1 .2 .3 .4
). قم بتشغيل ( ™MiLAB قم بوصل ِمجسّ الحرارة إلى أحد المنافذ على الجهاز اللوحي einstein™Tabletأو .einstein™LabMate تأكد من أنه تم تحديد ِمجسّ الحرارة فقط. قم بتجميع المعدّات كما هو موضح في الشكل .1
سجل البيانات إعداد ُم ِّ قم ببرمجة المِجسّات لتسجيل البيانات وفقا لإلعداد التالية: درجة الحرارة ( C°40-إلى )C°140 المعدَّل:
كل 1ثانية
المدّة:
500ثانية
عملية تجريبية قُم دائما بارتداء نظارات السالمة. .1قم بإعداد غطاء البوليسترين لكوب القهوة من البوليسترين .يجب أن يكون الغطاء ُمسطّحا وأكبر من محيط كوب القهوة. .2قم بإنشاء ثقب في الغطاء ثم أدخل ِمجسّ الحرارة. .3ضع قضيب التحريك المغناطيسي في كوب القهوة. صبّ 100مل من ماء الصنبور في كوب القهوة. .4قم ب َ .5ضع كوب القهوة على المحرك المغناطيسي. .6ضع غطاء على الكأس ،ولكن اترك فتحة ضيقة بحيث يمكن أن يُضاف هيدروكسيد الصوديوم. .7اِبدأ تحريك الماء في كوب القهوة. .8
انقر (Run
) لبدء تسجيل البيانات.
.9اِنتظر حتى تصبح القراءات من ال ِمجسّ مستقرة. .10تفاعل رقم :1 أ .قم بإضافة 2غ من هيدروكسيد الصوديوم البلوري إلى الكأس وأعد وضع الغطاء فورا مع التأكد أنه مغلق. ب .تابع تغيرات الحرارة حتى تستقر درجة الحرارة.
| | 35
| قانون هس :حفظ الطاقة في الكيمياء |
ت .اختر (Stop
) إليقاف تجميع البيانات.
ث .قم بحفظ بياناتك عن طريق اختيار (Save
).
.11تفاعل رقم :2 كرِّ ر تفاعل الذوبان (الخطوات )9-1باستخدام 100مل من حمض الهيدروكلوريك M0.5بدال من الماء. تنبيه :تعامل مع حمض الهيدروكلوريك وهيدروكسيد الصوديوم بعناية كبيرة. .12تفاعل رقم :3 كرر الخطوات من ،9-1في البداية بقياس 50مل من حمض الهيدروكلوريك M1.0في الدورق. في الخطوة ،9بدال من هيدروكسيد الصوديوم الصلب ،أضف 50مل من هيدروكسيد الصوديوم .M1.0
تحليـل البيانــات .1 .2 .3 .4 .5 .6 .7 .8
لكل تفاعل ،استخدم المؤشرات لتحديد درجات الحرارة األولية والنهائية. اعثر على التغير في درجة الحرارة ( )Tلكل تفاعل. حدِّد كتلة 100مل من المحلول لكل تفاعل (اِفترض أن كثافة كل محلول هي 1غرام/مل). احسب الحرارة الصادرة عن كل تفاعل :استخدم المعادلة 4والحرارة النوعية للماء ( )Cp = 4.18 J/g ˚Cلحساب الحرارة .Q جد التغييرات في اإلنثالبي )H (H = - Q احسب جزيئات هيدروكسيد الصوديوم المستخدمة في كل تفاعل. حدِّد ( mol NaOH/Hجزيئة هيدروكسيد الصوديوم) لكل من التفاعالت الثالثة. اِدمج بين حرارات التفاعل ( )mol/Hمن الخطوتين 1و .3
في األسفل يوجد مثال على الرسم البياني الذي تم الحصول عليه في هذه التجربة:
الشكل 2
| | 36
| قانون هس :حفظ الطاقة في الكيمياء |
أسئلـة .1 .2
وفقا لبياناتك ،هل حرارة كل التفاعالت مساوية لمجموع حرارة التفاعالت الفردية؟ اعثر على نسبة خطأ التجربة.
المزيد من االقتراحات قم بتذويب كميات مختلفة من هيدروكسيد الصوديوم .تابع التغير في درجة الحرارة. .1تابع تغيرات األس الهيدروجيني في كل تفاعل. .2قم بتذويب CuSO4المائي في المياه و ) CuSO4 x 5H2O(sفي الماء واحسب قانون هس لـ: CuSO4(s) + 5H2O (CuSO4 x 5H2O )1
| | 37
الفصل
حرارة االحتراق
مجس الحرارة
كوب قهوة من البوليسترين مــاء
محرك مغناطيسي
الشكل 1
مقدّمة وفقا لقانون هس ،إذا كان ممكنا إجراء تفاعل في سلسلة من الخطوات ،فإن مجموع اإلنثالبيات (الطاقة الكلية) للخطوات الفردية يجب أن يساوي تغير إنثالبية التفاعل الكلي .في هذه التجربة سوف نستخدم قانون هس لتحليل تفاعل سيكون من الصعب فهمه ،وذلك فقط عن طريق القياس المباشر .سندرس حرارة االحتراق لشريط المغنيسيوم: Mg + O ½ MgO )(1 (s) 2 )(g )(s يمكن الحصول على المعادلة عن طريق دمج: )MgO(s) + 2HCl (aq MgCl2(aq) + H2O )(2 )Mg(s) + 2HCl(aq )MgCl2(aq) + H2(g ()3 )H2(g) +2O ½ (g )H2O(l ()4 يمكن حساب حرارة التفاعل باستعمال المعادلة التالية: )(3 حيث: = Qكمية الحرارة المطرودة أو الممتصة. = mكتلة المادة. = Cقدرة حرارة المادة. = Tالتغير في درجة الحرارة.
Q = mC∆T
| | 38
()5
| حرارة االحتراق |
ال ُمعدّات جهاز لوحي einstein™Tabletمع MiLABأو جهاز لوحي أندرويد/إيوس مع MiLABو einstein™LabMate مِجسّ درجة الحرارة ( C°40-إلى (°140 دورق 250مل كوب قهوة من البوليسترين - Mg(s) شريط المغنزيوم 0,5غ 1 غ MgO 500 مل من حمض الهيدروكلوريك 1 محرك مغناطيسي وقضيب تحريك نظارات السالمة
ُمعدّات إعداد العملية .1 .2 .3 .4
). قم بتشغيل ( ™MiLAB قم بوصل ِمجسّ الحرارة إلى أحد المنافذ على الجهاز اللوحي einstein™Tabletأو .einstein™LabMate تأكد من أنه تم تحديد ِمجسّ الحرارة فقط. قم بتجميع المعدّات كما هو موضح في الشكل .1
سجل البيانات إعداد ُم ِّ قم ببرمجة المِجسّات لتسجيل البيانات وفقا لإلعداد التالية: درجة الحرارة ( C°40-إلى )C°140 المعدَّل:
كل 1ثانية
المدّة:
500ثانية
عملية تجريبية قُم دائما بارتداء نظارات السالمة ّ .1قم بإعداد غطاء البوليسترين لكوب القهوة من البوليسترين .يجب أن يكون الغطاء ُمسطحا وأكبر من محيط كوب القهوة. .2 .3 .4 .5 .6 .7 .8
قم بإنشاء ثقب في الغطاء من أجل ِمجسّ الحرارة. ضع قضيب التحريك المغناطيسي في كوب القهوة. صبّ 100مل من حمض الهيدروكلوريك M1.0في كوب القهوة. قم ب َ ضع كوب القهوة على المحرك المغناطيسي. ضع غطاء على الكوب ،ولكن اترك فتحة ضيقة بحيث يمكن أن يُضاف .MgO اِبدأ تحريك حمض الهيدروكلوريك في كوب القهوة. انقر ( Run
) لبدء تسجيل البيانات.
.9اِنتظر حتى تصبح القراءات من ال ِمجسّات مستقرة. .10تفاعل رقم :1 أ .قم بإضافة 1غ من أوكسيد المغنسيوم البلوري إلى الكأس واضبط فورا الغطاء بحيث يتم إحكام غلق الكوب. ب .تابع تغيرات درجة الحرارة المسجلة على الشاشة ،حتى ال تتبقى أي تغييرات مال َحظة. ت .اختر (Stop
) إليقاف تجميع البيانات.
ث .قم بحفظ بياناتك عن طريق اختيار (Save
).
.11تفاعل رقم :2 كرِّ ر التفاعل (الخطوات )9-3باستخدام 0,5غ من شريط المغنيسيوم بدال من مسحوق أوكسيد المغنيسيوم.
| | 39
| حرارة االحتراق |
تحليـل البيانــات .1 .2 .1 .2 .5 .6 .7
لكل تفاعل ،استخدم المؤشرات لتحديد درجات الحرارة األولية والنهائية. اعثر على التغير في درجة الحرارة ( )Tلكل تفاعل. استخدم المعادلة 5والحرارة النوعية للماء ( )Cp = 4.18 J/g ˚Cلحساب حرارة ( Qافترض أن كثافة محلول حمض الهيدروكلوريك هي 1غ/مل). جد التغييرات في اإلنثالبية )H (H = - Q قم بتحويل الجول إلى الكيلوجول في إجابتك النهائية. حدد جزيئات أوكسيد المغنيسيوم والمغنيسيوم المستخدمة. احسب mol/ΔHألوكسيد المغنيسيوم وللمغنيسيوم.
في األسفل يوجد مثال على الرسم البياني الذي تم الحصول عليه في هذه التجربة:
الشكل 2
أسئلـة .1حدّد mol/Hالمغنيسيوم للتفاعل: )Mg(s) +2O ½ (g )MgO(s )(H for H2(g) +2O ½ (g )H2O(l) = -285.8 kJ .2حدّد نسبة الخطأ للجواب الذي حصلت عليه من اللسؤال رقم .1القيمة المقبولة هي 602كيلوجول.
المزيد من االقتراحات حدّد حرارة التفاعل التي يمكن أن تنتج عن المعادلة التالية: )CuSO4 x 5H2O(s
+ 5H2O
| | 40
))1(CuSO4(s
)(1 )(2
الفصل
موصلية المياه المالحة
موصلية
مــاء
وعاء زجاجي
محرك مغناطيسي
الشكل 1
مقدّمة تذويب كلوريد الصوديوم الصلب في الماء يُطلق أيونات وفقا للمعادلة التالية: + Na )(3 )(aq) + Cl (aq في هذه التجربة سوف ندرس تأثير زيادة تركيز كلوريد الصوديوم على الموصلية. سوف نقوم بقياس الموصلية بحكم أن تركيز أيون المحلول الذي يجري رصده ،يزداد تدريجيا بإضافة قطرات مركزة من كلوريد الصوديوم. )NaCl(s
ال ُمعدّات
جهاز لوحي einstein™Tabletمع MiLABأو جهاز لوحي أندرويد/إيوس مع MiLABو einstein™LabMate
مِجسّ الموصلية ()mS 20-0 200مل ماء م ّ ُقطر
قارورة زجاجية 50مل
50مل محلول كلوريد الصوديوم
محرك مغناطيسي وقضيب تحريك
نظارات السالمة
| | 41
| موصلية المياه المالحة |
ُمعدّات إعداد العملية .1 .2 .3 .4
). قم بتشغيل ( ™MiLAB قم بوصل ِمجسّ الموصلية إلى أحد المنافذ على الجهاز اللوحي einstein™Tabletأو .einstein™LabMate تأكد من أنه تم تحديد ِمجسّ الموصلية فقط. قم بتجميع المعدّات كما هو موضح في الشكل .1
سجل البيانات إعداد ُم ِّ قم ببرمجة المِجسّات لتسجيل البيانات وفقا لإلعداد التالية: الموصلية المعدَّل:
/ 25ثانية
المدّة:
1ثانية
عملية تجريبية قُم دائما بارتداء نظارات السالمة. .1ضع قضيب التحريك المغناطيسي في القارورة. .2قم بصب 40مل من الماء المقطر في قارورة وضعه على محرك مغناطيسي. .3أدرج قطب الموصلية في القارورة. .4اِبدأ تحريك الماء في القارورة. .5
انقر لتُفعِّل (Run
.6
) في كل مرة تريد تسجيل نموذح بيانات. قم بتجميع البيانات يدويا :انقر (Run ًّ ّ أضف قطرة واحدة من محلول كلوريد الصوديوم إلى الماء المقطر .قم بالتحريك لضمان خلط دقيق.
.7 .8
انقر (Run
)تسجيل موصلية المحلول في القارورة.
) لقياس موصلية المحلول في القارورة.
.9كرر هذه العملية 9مرات حتى تقوم بإضافة ما مجموعه 10قطرات من الماء. .10قم بتغيير معدل التحريك خالل التجربة وتابع تأثيرها على معدل التغيير في التوصيل الكهربي. .11قم بحفظ بياناتك عن طريق اختيار (Save
).
تحليـل البيانــات .1 .2
احسب معدل التغيير في التوصيل الكهربي المحصل عليه في هذه العملية: حدد خط الرسم البياني.
.3
قم بتحديد (Function
.4 .5
حدد Linear fitانطالقا من قائمة .Function انحدار خط التناسب هو معدل التغيير في التوصيل الكهربي. في األسفل يوجد مثال على الرسم البياني للموصلية والتوصيل الكهربي الذي تم الحصول عليه في هذه التجربة :الخط المستقيم هو التناسب الخطي.
).
| | 42
| موصلية المياه المالحة |
الموصلية ()mS
الشكل 2
أسئلـة .1 .2
صف التغيير في الموصلية أثناء زيادة تركيز محلول كلوريد الصوديوم. ِ أي نوع من العالقة الرياضية يبدو أنه متواجد هناك بين الموصلية والتركيز؟
المزيد من االقتراحات .1 .2
أضف محلول ( CaCl2مع نفس التركيز) بدال من كلوريد الصوديوم. حاول هذه التجربة مرة أخرى ولكن غيِّر معدل التحريك .ما هو التأثير على الموصلية؟ اشرح هذه الظاهرة.
| | 43
الفصل
استكشاف لهب
الشكل 1
مقدّمة ال يتوفر اللهب على درجة حرارة مُوحّ دة ،حيث يمكن تعيين االختالفات في درجة الحرارة داخل لهب مع المزدوجة الحرارية (مِجسّ عالي الحساسية ،وذو استجابة سريعة الستشعار درجة الحرارة يتراوح بين 0درجة مئوية إلى 1250درجة مئوية) .في التجربة التالية ،سوف نستكشف لهب شمعة في ثالثة مجاالت مميزة نصنفها تحت رقم 2 ،1و 3في الشكل .1
ال ُمعدّات
جهاز لوحي einstein™Tabletمع MiLABأو جهاز لوحي أندرويد/إيوس مع MiLABو einstein™LabMate
شمعة
أعواد ثقاب
مزدوجة حرارية نوع 0( Kدرجة مئوية إلى 1250درجة مئوية)
ُمعدّات إعداد العملية .1 .2 .3
). قم بتشغيل ( ™MiLAB قم بوصل ِمجسّ المزدوجة الحرارية إلى أحد المنافذ على الجهاز اللوحي einstein™Tabletأو .einstein™LabMate تأكد من أنه تم تحديد ِمجسّ المزدوجة الحرارية فقط.
| | 44
| استكشاف لهب |
سجل البيانات إعداد ُم ِّ قم ببرمجة المِجسّ لتسجيل البيانات وفقا لإلعداد التالية: درجة الحرارة ( C°0إلى )C°1250 المعدَّل:
/ 10ثانية
المدّة:
100ثانية
عملية تجريبية .1 .2 .3
شعل شمعة واتركها تحترق لمدة دقيقتين تقريبا قبل بدء التجربة. أَ ِ انقر (Run
) لبدء تسجيل البيانات.
قم بتسجيل درجة حرارة الغرفة قبل أن تجلب المِجسّ إلى اللهب (الحظ أن المزدوجة الحرارية هي حساسة جدا وتستجيب بسرعة). قم برصد درجات الحرارة في ثالث مناطق مختلفة من اللهب (انظر الشكل :)1 أ .الجزء العلوي من المنطقة السوداء حول الفتيل .3 ب .وسط المنطقة الصفراء. ت .أعلى المنطقة الصفراء .1 ) إليقاف تجميع البيانات.
.4
اختر (Stop
.5
قم بحفظ بياناتك عن طريق اختيار (Save
).
تحليـل البيانــات تخطيط درجة الحرارة مقابل الوقت يبين لنا أن اللهب هو أكثر سخونة في الجزء العلوي ويبدأ في البرودة كلما غمست المِجسّ في األسفل:
2 3
1 درجة الحرارة ()C0
الشكل 2
أسئلـة .1 .2
ما هي درجات الحرارة في كل منطقة من مناطق اللهب؟ ( 2 ،1و .)3 حاول تفسير االختالفات في درجات الحرارة داخل اللهب.
| | 45
الفصل
تجميد وإسالة الماء
مجس الحرارة
أنبوب اختبار به 5 مل ماء
دورق 250مل به 150 مل من الماء المثلج
الشكل 1
مقدّمة التجميد هو عملية تحويل الشيء من الحالة السائلة إلى الحالة الصلبة ،أما اإلسالة فهي عملية تحول المواد الصلبة إلى الحالة السائلة .يحدث هذا في ما يسمى بدرجة حرارة التجمد أو اإلسالة على التوالي .في هذه التجربة ،س ُنح ّقق في تجميد وذوبان درجة حرارة الماء.
ال ُمعدّات
جهاز لوحي einstein™Tabletمع MiLABأو جهاز لوحي أندرويد/إيوس مع MiLABو einstein™LabMate
مِجسّ درجة الحرارة ( C°40-إلى )°140
حامل مع ملقاط مساعد
مخبار مدرج
دورق ( 250مل)
أنبوب اختبار
قضيب من الزجاج للتحريك
ماء
قطع ثلجية
ملح
نظارات السالمة
| | 46
| تجميد وإسالة الماء |
ُمعدّات إعداد العملية .1 .2 .3
). قم بتشغيل ( ™MiLAB قم بوصل ِمجسّ الحرارة إلى أحد المنافذ على الجهاز اللوحي einstein™Tabletأو .einstein™LabMate تأكد من أنه تم تحديد ِمجسّ الحرارة فقط. قم بتجميع المعدّات كما هو موضح في الشكل .1
سجل البيانات إعداد ُم ِّ قم ببرمجة المِجسّات لتسجيل البيانات وفقا لإلعداد التالية: درجة الحرارة ( C°40-إلى )C°140 المعدَّل:
كل 10ثانية
المدّة:
2000ثانية
عملية تجريبية (الجزء ،Iالتجميد) قُم دائما بارتداء نظارات السالمة. .1قم بصب 150مل على األقل من مكعبات الثلج والماء البارد في دورق 250مل. .2ضع 1مل من الماء في أنبوب اختبار 5مل وألصقه مع الحامل باستعمال الملقاط .يجب عليك ضبط أنبوب االختبار بحيث تكون العينة تحت مستوى الماء المثلج. .3ضع ِمجسّ درجة الحرارة في الماء داخل أنبوب االختبار. ) لبدء تسجيل البيانات.
.4
انقر (Run
.5
أضف حوالي خمس مالعق من الملح إلى الدورق وحرِّك بواسطة القضيب الزجاجي. ) إليقاف التسجيل مع الحفاظ على أنبوب االختبار في حمام الماء المثلج.
.6
بعد حوالي 15دقيقة انقر (Stop
.7
قم بحفظ بياناتك عن طريق اختيار (Save
).
عملية تجريبية (الجزء ،IIاإلسالة) .1
انقر (Run
) لبدء تسجيل البيانات مرة أخرى ،ارفع أنبوب االختبار واجعله في وضعية يكون فيها فوق حمام الماء المثلج .تخلص
من الماء المثلج وأضف 150مل من ماء الصنبور الدافئ إلى الدورق. قم بخفض أنبوب االختبار في الماء الدافئ. ) على شريط األدوات العلوي إليقاف تسجيل البيانات.
.2
بعد 15دقيقة أخرى انقر (Stop
.3
قم بحفظ بياناتك عن طريق اختيار (Save
).
| | 47
| تجميد وإسالة الماء |
تحليـل البيانــات في األسفل توجد أمثلة على الرسومات البيانية التي تم الحصول عليها في هذه التجارب:
درجة الحرارة ()C0
.5
درجة الحرارة ()C0
الجزء :Iتجميد الماء .1 .2 .3 .4
الجزء :IIإسالة الماء ال ُمج َّمد
ماذا حدث لدرجة حرارة الماء خالل مرحلة التجمد وخالل مرحلة اإلسالة؟ ما هي نقطة التجمد وما هي نقطة اإلسالة للماء؟ ماذا تفعل نقطة تجمد الماء مقارنة مع نقطة اإلسالة؟ ما هو سلوك الطاقة الحركية للماء داخل أنبوب االختبار؟ هل يزداد ،ينقص أم يبقى على حاله ،عندما: أ .تتغير درجة الحرارة في بداية ونهاية الجزء .I ب .تبقى درجة الحرارة ثابتة في الجزء .I ت .تتغير درجة الحرارة في بداية ونهاية الجزء .II ث .تبقى درجة الحرارة ثابتة في الجزء .II هل تزداد الطاقة الكامنة أم تنقص في تلك األجزاء من السؤال ،4أين تظل الطاقة الحركية ثابتة؟
| | 48
الفصل
نظرة أخرى على درجة حرارة التج ّمد مجس الحرارة
دورق سعة 1لتر أنبوب اختبار مع 2غ من ساليسيالت الفينيل
حمض البنزويك
الشكل 1
مقدّمة في التجربة :15تجميد وإسالة الماء ،رأينا أن درجة حرارة المياه النقية تبقى ثابتة عند درجة حرارة تجمدها أثناء عملية التجميد واإلسالة. اآلن سوف نقوم بمراقبة عملية تجميد ساليسالت الفينيل ،عالوة على ذلك ،فإننا سوف نالحظ التأثير على نقطة التجمد ،عندما تذوب كمية صغيرة من مادة أخرى (مثل حمض البنزويك) في ساليسيالت الفينيل.
ال ُمعدّات
جهاز لوحي einstein™Tabletمع MiLABأو جهاز لوحي أندرويد/إيوس مع MiLABو einstein™LabMate
3مِجسّات درجة الحرارة ( C°40-إلى )°140
دورق سعة 1لتر (أو أكبر)
أنبوب اختبار مع 2غ من ساليسيالت الفينيل
أنبوب اختبار مع 2غ من ساليسيالت الفينيل وبضع ملغرامات من حمض البنزويك
قضيب من الزجاج للتحريك
نظارات السالمة
| | 49
| نظرة أخرى على درجة حرارة التجمّد |
ُمعدّات إعداد العملية .1 .2 .3 .4
). قم بتشغيل ( ™MiLAB قم بوصل ِمجسّات الحرارة إلى المنافذ على الجهاز اللوحي einstein™Tabletأو .LabMate تأكد من أنه تم تحديد ِمجسّات الحرارة فقط. قم بتجميع المعدّات كما هو موضح في الشكل .1
سجل البيانات إعداد ُم ِّ قم ببرمجة المِجسّات لتسجيل البيانات وفقا لإلعداد التالية: درجة الحرارة ( C°40-إلى )C°140 المعدَّل:
كل 1ثانية
المدّة:
1000ثانية
عملية تجريبية قُم دائما بارتداء نظارات السالمة. .1قم بصب حوالي 1لتر من الماء في الدورق .يجب أن يكون الماء في حوالي .C°30أدرج أحد ِمجسّات درجة الحرارة في هذا الدورق لمراقبة درجة حرارة الماء. .2إلذابة العينات الخاصة بك ،قم بإعداد دورق ثاني به ماء ساخن ( 80-60درجة مئوية). .3ضع اثنين من أنابيب اختبار العينة في الماء الساخن حتى تشاهد سائال واضحا في كل من أنبوبي االختبار. .4ضع ِمجسّ درجة الحرارة في ِكال أنبوبي اختبار العينة وانقلهما بسرعة إلى دورق يحتوي على مياه بحرارة .C°30 ) لبدء تسجيل البيانات.
.5
انقر (Run
.6 .7
قم بتحريك عيّناتك قليال طالما هي ذائبة. قم بإيالء االهتمام ألنابيب االختبار -ألن السائل الواضح سيحتوي قريبا على كميات متزايدة من الرواسب البيضاء -حتى يصبح السائل متجمدا تماما.
.8
قم بحفظ بياناتك عن طريق اختيار (Save
).
تحليـل البيانــات .1 .2
ما كانت نقطة تجمد ساليسيالت الفينيل الخالصة وفقا لبياناتك؟ ما كانت نقطة تجمد خليط حمض البنزويك-فينيل الساليسيالت؟ في األسفل يوجد مثال على الرسم البياني الذي تم الحصول عليه في هذه التجربة:
| | 50
| نظرة أخرى على درجة حرارة التجمّد |
درجة حرارة تجمد فينيل الساليسيالت الخالصة درجة الحرارة ()C0
درجة حرارة تجمد خليط حمض البنزويك-فينيل الساليسيالت
الشكل 2
أسئلـة .1 .2 .3
بناء على هذه التجربة ونتائجها ،ما الطريقة التي يمكن أن يستخدمها الكيميائي للتحقق ما إذا كان سائل مجهول نقيا؟ لماذا تتغير نقطة التجمد عن طريق إذابة مكون آخر في حمض فينيل الساليسيليك؟ هل تعتمد طبيعة هذا التغيير على نقطة تجمد المر َّكب المنحل؟
| | 51
الفصل
محتوى طاقة األطعمة مجس الحرارة
دورق به 50مل ماء
علبة طعام مع عينة
الشكل 1
مقدّمة كل األنشطة البشرية تتطلب حرق السعرات الحرارية لتوليد الطاقة الالزمة .في هذه التجربة ،سوف نقوم بتحديد الطاقة المنطلقة (في كج/غ) من خالل ثالث عينات من الطعام ُّ (الذرة الصفراء ،حلوى الخطمي والفول السوداني) عن طريق حرقهم .الطاقة المنطلقة ُتسخن كمية معروفة من الماء ،ويمكن حسابها انطالقا من المعادلة .1يمكنك الحصول على محتوى الطاقة من خالل تقسيم الحرارة المُحصّل عليها ،على كتلة الطعام المحترق (المعادلة :)2 Q = mCp ∆T
)(2
حيث: = Qكمية الحرارة المطرودة أو الممتصة. = mكتلة الماء = Cpقدرة حرارة الماء عند ضغط ثابت. = Tتغير درجة حرارة الماء. ) Efood = Q / (mfood حيث: = Efoodمحتوى طاقة الطعام = mfoodكتلة الطعام المحروق
| | 52
()2
| محتوى طاقة األطعمة |
ال ُمعدّات
جهاز لوحي einstein™Tabletمع MiLABأو جهاز لوحي أندرويد/إيوس مع MiLABو einstein™LabMate
مِجسّ درجة الحرارة ( C°40-إلى )°140
حامل مع حلقة الحامل
غطاء أو علبة صغيرة ( 50 مل) الستيعاب الطعام
علبة صغيرة ( 200 - 100مل) الستيعاب الماء ثالثة عينات من الطعامُّ : الذرة الصفراء ،حلوى الخطمي والفول السوداني
مقياس
قضبان اثنان للتحريك
مخبار مدرج
ماء بارد
أعواد ثقاب
نظارات السالمة
ُمعدّات إعداد العملية .1 .2 .3 .4
). قم بتشغيل ( ™MiLAB قم بوصل ِمجسّ الحرارة إلى أحد المنافذ على الجهاز اللوحي einstein™Tabletأو .einstein™LabMate تأكد من أنه تم تحديد ِمجسّ الحرارة فقط. قم بتجميع المعدّات كما هو موضح في الشكل .1
سجل البيانات إعداد ُم ِّ قم ببرمجة المِجسّات لتسجيل البيانات وفقا لإلعداد التالية: درجة الحرارة ( C°40-إلى )C°140 المعدَّل:
كل 1ثانية
المدّة:
200ثانية
عملية تجريبية قُم دائما بارتداء نظارات السالمة. .1قم بتحديد كتلة العينة الغذائية التي ستقوم بقياسها عن طريق وزنها. .2أضف 50مل من الماء البارد إلى علبة المياه وحدِّد كتلته الدقيقة عن طريق وزنها. .3ضع العينة الغذائية األولى في علبة الغذاء .الحظ أن العينات سوف تشتعل بسهولة أكثر إذا كانت مطحونة؛ وخاصة الفول السوداني. .4ضع علبة الطعام مع العينة مباشرة تحت علبة الماء. .5أدرج ِمجسّ درجة الحرارة في الماء (يجب أن ال يلمس القاع). .6اِبدأ تحريك عينة الماء في علبة الماء. .7
انقر (Run
.8 .9
انتظر حوالي دقيقة واحدة قبل أن تشعل عينة الغذاء باستخدام عود ثقاب. واصل تحريك عينة المياه حتى يتوقف ارتفاع درجة الحرارة.
.10اختر (Stop
) لبدء تسجيل البيانات.
) إليقاف تجميع البيانات.
.11قم بحفظ بياناتك عن طريق اختيار (Save
).
ِّنتي الطعام االثنتين األخريتين. .12كرر اإلجراءات 12-1ل َعي ْ
| | 53
| محتوى طاقة األطعمة |
في األسفل توجد أمثلة على الرسومات البيانية التي تم الحصول عليها في هذه التجربة:
درجة الحرارة ()C0
الشكل :2احتراق 4,4غ من الفول السوداني
درجة الحرارة ()C0
الشكل :3احتراق 0,5غ من الذرة الصفراء
| | 54
| محتوى طاقة األطعمة |
درجة الحرارة ()C0
الشكل :4احتراق 3,6غ من حلوى الخطمي
تحليـل البيانــات .1
.2
حدِّد درجة حرارة الماء في بداية التجربة ،ثم تحديد أعلى درجة حرارة سجلت. أ .ما كان تغير درجة حرارة المياه ( )Tلكل عينة طعام؟ ب .احسب الحرارة ( )Qالممتصَّة من المياه وفقا للمعادلة األولى. ت .قم بوزن ما تبقى من العينات الغذائية لتحديد كتلة ما تبقى منها. اطرح هذا من الوزن األصلي للطعام حتى تصل إلى : mfoodكتلة الطعام الذي احترق.
مالحظة :قدرة حرارة الماء المع ّينة عند درجة حرارة C°25هي .)J/g°i( 4,18
أسئلـة .1 .2 .3
ما هو الطعام الذي ض ّم أعلى محتوى من الطاقة (في كج/غ)؟ يُعبَّر عن الطاقة الغذائية بوحدة تسمى السعرات الحرارية ( 4,18كج) .كم عدد السعرات الحرارية التي سيحتوي عليها كيس 50غ من الفول السوداني ؟ الفول السوداني يحتوي على نسبة عالية من الدهون ،أما حلوى الخطمي والذرة الصفراء يحتويان على محتوى عالي من الكربوهيدرات. ما التعميم الذي يمكنك أن تُقدِّمه انطالقا من نتائج بحثك في محتوى الطاقة النسبية للدهون والكربوهيدرات؟
| | 55
الفصل
محتوى طاقة الوقود مجس الحرارة
دورق به 100مل من الماء
شمعة
الشكل 1
مقدّمة في هذه التجربة ،سوف تجد وتقارن الحرارة المتولدة من قبل نوعين اثنين مختلفين من الوقود :شمع البارافين والميثانول؛ البارافين هو عضو في مجموعة من المُر َّكبات تسمى األلكانات .األلكانات الهامة المستخدمة كوقود هي البنزين وزيت الديزل. يستخدم الميثانول واإليثانول كإضافات بنزين وبدائل بنزين. في هذه التجربة ،سوف نقوم بمقارنة محتوى الطاقة من البارافين والميثانول عن طريق قياس حرارة احتراقهما. لتحديد حرارة االحتراق ،نقوم أوال بحرق البارافين ثم الميثانول ،ونحسب الحرارة المتولدة من هذين النوعين االثنين من الوقود عن طريق قياس الحرارة الممتصَّة بواسطة كمية معروفة من الماء: Q = mCp ∆T حيث: = Qكمية الحرارة المطرودة أو الممتصة. = mكتلة الماء. = Cpقدرة حرارة الماء عند ضغط ثابت. = Tالتغير في درجة الحرارة.
| | 56
)(1
| محتوى طاقة الوقود |
ال ُمعدّات
جهاز لوحي einstein™Tabletمع MiLABأو جهاز لوحي أندرويد/إيوس مع MiLABو einstein™LabMate
مِجسّ درجة الحرارة ( C°40-إلى )°140
حامل مع حلقة الحامل
دورق أو علبة صغيرة ( 250مل)
مقياس
مخبار مدرج
ماء بارد
قضيب تحريك
شمعة
موقد الميثانول (على سبيل المثال موقد من مجموعة مواقد فوندو)
أعواد ثقاب
نظارات السالمة
ُمعدّات إعداد العملية .1 .2 .3 .4
). قم بتشغيل ( ™MiLAB قم بوصل ِمجسّ الحرارة إلى أحد المنافذ على الجهاز اللوحي einstein™Tabletأو .einstein™LabMate تأكد من أنه تم تحديد ِمجسّ الحرارة فقط. قم بتجميع المعدّات كما هو موضح في الشكل .1
سجل البيانات إعداد ُم ِّ قم ببرمجة المِجسّات لتسجيل البيانات وفقا لإلعداد التالية: درجة الحرارة ( C°40-إلى )C°140 المعدَّل:
كل 1ثانية
المدّة:
200ثانية
عملية تجريبية قم بارتداء نظارات السالمة وحدِّد كتلة وعاء الماء الفارغ. .1قم بصب 100مل من الماء البارد في الدورق وقم بوزنه لتحديد كتلته بالضبط. .2قم بوزن الشمعة لتحديد كتلتها. .3استخدم الحامل لتلتقط الكأس فوق الشمعة. .4أدرج ِمجسّ درجة الحرارة في الماء (يجب أن ال يلمس القاع). .5اِبدأ تحريك عينة الماء في علبة الماء ) لبدء تسجيل البيانات.
.6
انقر (Run
.7 .8 .9
انتظر حوالي 30ثانية قبل إشعال الشمعة. واصل تحريك عينة الماء بينما يواصل ارتفاع حرارته. أخ ِمد اللهب عندما تصل درجة حرارة الماء إلى .C°40
.10بعد توقف ارتفاع درجات الحرارة انقر (Stop .11قم بحفظ بياناتك عن طريق اختيار (Save
) إليقاف تسجيل البيانات. ).
.12قم بوزن كل ما تبقى من الشمعة (بما في ذلك قطرات الشمع المتساقطة) لتحديد كتلة الشمعة.
| | 57
| محتوى طاقة الوقود |
.13 .14 .15 .16
قم بوزن موقد الميثانول لتحديد كتلته. استبدل الشمعة بموقد الميثانول وكرِّ ر التجربة مع 200مل من الماء. قم بتغطية الموقد بقطعة من المعدن بعد إطفائه و َد ْعه يبرد حتى يصل إلى درجة حرارة الغرفة. قم بوزنه لتحديد كتلة موقد الميثانول والوقود المتبقي.
تحليـل البيانــات في األسفل توجد أمثلة على الرسومات البيانية التي تم الحصول عليها في هذه التجربة:
درجة الحرارة ()C0
.1 .2 .3 .4 .5 .6
قم بتحديد درجة الحرارة البداية وأعلى درجة حرارة تم الوصول إليها لكل من الرسمين البيانيين. حدد كتلة الماء الذي تم تسخينه. كم هو مقدار تغير درجة حرارة الماء ()T؟ احسب الحرارة ( )Qالممتصَّة من المياه وفقا للمعادلة ال ُمعطاة. قم بتحديد كتلة البارافين المحترق والميثانول. قم بحساب نسبة الكفاءة لكال التجربتين .قم بتقسيم قيمتك التجريبية [كج/غ] على القيمة األدبية المناسبة ،ثم قم بضرب حاصل الجواب في .100القيم األدبية هي 41,5كج/غ (البارافين) و 30,0كج/غ (اإليثانول).
أسئلـة .1 .2 .3
سد ،بينما ما هو الوقود الذي ينتج المزيد من الطاقة في كل غرام أُحرق؟ أعط تفسيرا للفرق (تلميح :الميثانول CH3OHهو جزيء مؤك َ البارافين C25H52ال يحتوي على األكسجين). اقترح بعض مزايا استخدام اإليثانول (أو البارافين) كوقود. ناقش عوامل فقدان الحرارة التي تسهم في عدم كفاءة التجربة.
| | 58
درجة الحرارة ()C0
الشكل 2