37طاقة التفاعلات: الاحتراق وطاقات الروابط

حل التمرين 37.1.

احتراق الخشب: ناشر للحرارة. انصهار الجليد: ماص للحرارة (فهو يأخذ الحرارة من محيطه، وإن لم يكن تفاعلًا كيميائيًا). كيس التبريد: ماص للحرارة. مدفأة اليد: ناشرة للحرارة. صنع السكر في ضوء الشمس: ماص للحرارة (فالطاقة تأتي من الضوء).

حل التمرين 37.2.

$Q = 3.0 \times 890.7 = 2.7 \times 10^{3}\,\mathrm{kJ}$، أي نحو $2.7\,\mathrm{MJ}$.

حل التمرين 37.3.

المتفاعلات. ويُطلق الفرق إلى المحيط، غالبًا على هيئة حرارة.

حل التمرين 37.4.

$n = 100 / 46.0 = 2.17\,\mathrm{mol}$؛ $Q = 2.17 \times 1367.6 = 2.97 \times 10^{3}\,\mathrm{kJ}$، أي نحو $3.0\,\mathrm{MJ}$.

حل التمرين 37.5.

الطاقة اللازمة لكسر مول واحد من هذه الروابط، والجزيئات والذرات غازية. فالزوج المشترك يمسك الذرتين معًا: وفصلهما يعاكس هذا التجاذب، وهذا يتطلب طاقة.

حل التمرين 37.6.

المكسورة: $2 \times 436 + 498 = 1370\,\mathrm{kJ}$؛ المتكوّنة: $4 \times 464 = 1856\,\mathrm{kJ}$؛ $E_r \approx 1370 - 1856 = -486\,\mathrm{kJ}$: ناشر للحرارة.

حل التمرين 37.7.

للإيثانول $\ce{CH3-CH2-O-H}$ خمس روابط $\ce{C-H}$، ورابطة $\ce{C-C}$ واحدة، ورابطة $\ce{C-O}$ واحدة، ورابطة $\ce{O-H}$ واحدة. المكسورة: $5 \times 415 + 345 + 350 + 464 + 3 \times 498 = 4728\,\mathrm{kJ}$. المتكوّنة: $4 \times 741 + 6 \times 464 = 5748\,\mathrm{kJ}$. $E_r \approx -1020\,\mathrm{kJ}$، أي أصغر بالقيمة المطلقة بنحو الربع من القيمة المقيسة $1367.6\,\mathrm{kJ}$.

حل التمرين 37.8.

البروبان: $2219.2 / 0.0440 = 5.04 \times 10^{4}\,\mathrm{kJ}/\mathrm{kg} = 50.4\,\mathrm{MJ}/\mathrm{kg}$. الميثان: $890.7 / 0.0160 = 55.7\,\mathrm{MJ}/\mathrm{kg}$. والقيمتان كما في المخطط.

حل التمرين 37.9.

$Q = 1500 \times 4.18 \times 85 = 5.33 \times 10^{5}\,\mathrm{J} = 533\,\mathrm{kJ}$؛ $n = 533 / 890.7 = 0.598\,\mathrm{mol}$، أي $0.598 \times 16.0 = 9.6\,\mathrm{g}$ من الميثان؛ وإذا ضاع نصف الطاقة، $19\,\mathrm{g}$.

حل التمرين 37.10.

الترتيب تنازليًا: الهيدروجين، فالميثان، فالبروبان، فالأوكتان، فالإيثانول. $48.0 / 142.9 = 0.34\,\mathrm{kg}$ من الهيدروجين.

حل التمرين 37.11.

المكسورة: $946 + 3 \times 436 = 2254\,\mathrm{kJ}$؛ المتكوّنة: $6 \times 390 = 2340\,\mathrm{kJ}$؛ $E_r \approx -86\,\mathrm{kJ}$: ناشر للحرارة قليلًا.

حل التمرين 37.12.

الماء: $250 \times 4.18 \times 20 = 2.09 \times 10^{4}\,\mathrm{J} = 20.9\,\mathrm{kJ}$. الإيثانول: $1.20 / 46.0 = 0.0261\,\mathrm{mol}$، يستطيع إطلاق $0.0261 \times 1367.6 = 35.7\,\mathrm{kJ}$. المردود $20.9 / 35.7 \approx 59\,\%$. الضياع: حرارة يحملها الهواء، وحرارة تسخّن العلبة والحامل، واحتراق غير تام (سُخام)، وبعض الإيثانول يتبخر دون أن يحترق.

حل التمرين 37.13.

$\ce{2C8H18 + 25O2 -> 16CO2 + 18H2O}$: 8 مولات من ثنائي أكسيد الكربون، $352\,\mathrm{g}$، لكل $5470\,\mathrm{kJ}$، إذن $352 / 5.470 = 64.4\,\mathrm{g}$ لكل ميغاجول. $\ce{C3H8 + 5O2 -> 3CO2 + 4H2O}$: $132\,\mathrm{g}$ لكل $2219.2\,\mathrm{kJ}$، إذن $59.5\,\mathrm{g}$ لكل ميغاجول. والميثان، بمقدار $49.4\,\mathrm{g}$، يطلق أقل قدر.

حل التمرين 37.14.

يعطي الجدول طاقات روابط متوسطة، في حين أن روابط $\ce{C=O}$ في ثنائي أكسيد الكربون أقوى من المتوسط؛ والقيم المقيسة تخص الماء السائل، الذي يطلق تكاثفه طاقة أكثر من تفاعل الغازات؛ والطريقة تعامل كل رابطة كأنها مستقلة عن جاراتها. ويبقى التقدير مفيدًا: فهو يعطي الإشارة الصحيحة (ناشر للحرارة) ورتبة المقدار الصحيحة دون أي قياس.

حل التمرين 37.15.

المكسورة: $4 \times 464 = 1856\,\mathrm{kJ}$؛ المتكوّنة: $2 \times 436 + 498 = 1370\,\mathrm{kJ}$؛ $E_r \approx +486\,\mathrm{kJ}$: ماص للحرارة، فيجب إمداد الطاقة. وحرق الهيدروجين لاحقًا يعيد هذه الطاقة: فالهيدروجين يخزّن طاقة أُنتجت في مكان آخر، ولا يخلق شيئًا منها.