قطعة من الألومنيوم كتلتها 100 g (c = 0,897 J/(g·°C)) عند 90 °C تُلقى في 100 g من الماء (c = 4,18 J/(g·°C)) عند 19 °C في كوب معزول. أوجد درجة الحرارة النهائية Tf.
استخدم إنثالبيات التكوين القياسية لإيجاد الحرارة q المنطلقة عند الاحتراق الكامل لـ 10 g من C3H8 (M = 44,1 g/mol): C3H8 + 5O₂ → 3CO₂ + 4H₂O(l). أعطِ q عددًا موجبًا.
الحسابات الكيميائية: المعادلة الموزونة تعدّ الجسيمات لا الغرامات. حوّل الكتلة إلى مولات بـ n = m/M، واستخدم معاملات المعادلة كنسبة مولية، ثم حوّل مجددًا بـ m = n·M. مع متفاعلين، المتفاعل المحدِّد هو الذي ينفد أولًا ويحدد كمية الناتج.
مولات كل متفاعل
n(Fe2O3) = 10/159,69 = 0,06262 mol
n(CO) = 64/28,01 = 2,285 mol
المتفاعل المحدِّد
0,06262/1 = 0,06262, 2,285/3 = 0,7616 → Fe2O3
كتلة الناتج
n(Fe) = 0,06262·2 = 0,1252 mol
m = 0,1252·55,85 = 6,995 g
الإجابة
m = 6,995 g
2.الحسابات الكيميائية
الإجابة: Y = 93,99 %
الحسابات الكيميائية: المعادلة الموزونة تعدّ الجسيمات لا الغرامات. حوّل الكتلة إلى مولات بـ n = m/M، واستخدم معاملات المعادلة كنسبة مولية، ثم حوّل مجددًا بـ m = n·M. مع متفاعلين، المتفاعل المحدِّد هو الذي ينفد أولًا ويحدد كمية الناتج.
المردود النظري
n(N2) = 24/28,02 = 0,8565 mol
m = 0,8565·2/1·17,03 = 29,17 g
المردود المئوي
Y = 27,42/29,17·100 = 93,99%
الإجابة
Y = 93,99%
3.المولارية والتخفيف
الإجابة: V1 = 53,33 mL
المولارية: التركيز c = n/V بوحدة mol/L، حيث n = m/M. يضيف التخفيف مذيبًا لا مذابًا، لذا يبقى عدد المولات ثابتًا: c₁·V₁ = c₂·V₂. وعند خلط محلولين للمذاب نفسه تُجمع المولات وتُجمع الحجوم أيضًا.
حجم المحلول الأصلي
V1 = c2·V2/c1 = 0,4·200/1,5 = 53,33 mL
الإجابة
V1 = 53,33 mL
4.المولارية والتخفيف
الإجابة: c = 0,7091 mol/L
المولارية: التركيز c = n/V بوحدة mol/L، حيث n = m/M. يضيف التخفيف مذيبًا لا مذابًا، لذا يبقى عدد المولات ثابتًا: c₁·V₁ = c₂·V₂. وعند خلط محلولين للمذاب نفسه تُجمع المولات وتُجمع الحجوم أيضًا.
الكمية الكلية
n = 1·150 + 0,6·400 = 390 mmol
تركيز المزيج
c = 390/550 = 0,7091 mol/L
الإجابة
c = 0,7091 mol/L
5.قانون الغاز المثالي
الإجابة: P = 1464 kPa
قانون الغاز المثالي: PV = nRT، مع n = m/M.
المولات
n = m/M = 490/16,04 = 30,55 mol
T = 15 + 273,15 = 288,1 K
الضغط
P = nRT/V = 30,55·8,314·288,1/0,05 = 1464 kPa
الإجابة
P = 1464 kPa
6.قانون الغاز المثالي
الإجابة: V2 = 8,79 L
قانون الغاز العام: لكمية ثابتة من غاز مثالي، P1V1/T1 = P2V2/T2.
درجات الحرارة المطلقة
T1 = 293,1 K, T2 = 483,1 K
قانون الغاز العام
V2 = V1·(P1/P2)·(T2/T1) = 10·(400/750)·(483,1/293,1) = 8,79 L
الإجابة
V2 = 8,79 L
7.قياس الحرارة (المسعرية) والإنثالبي
الإجابة: Tf = 31,54 °C
الحرارة والإنثالبي: تسخين مادة يتطلب q = m·c·ΔT. في المسعر، الحرارة التي يفقدها الجسم الساخن تساوي الحرارة التي يكتسبها الجسم البارد. ويُحسب تغيّر إنثالبي التفاعل من إنثالبيات التكوين: ΔH° = ΣΔH°f(النواتج) − ΣΔH°f(المتفاعلات)، كلٌّ مضروبًا في معامله.
موازنة الحرارة
100·0,897·(90 − Tf) = 100·4,18·(Tf − 19)
احسب درجة الحرارة النهائية
Tf = (89,7·90 + 418·19)/(89,7 + 418) = 31,54 °C
الإجابة
Tf = 31,54 °C
8.قياس الحرارة (المسعرية) والإنثالبي
الإجابة: q = 503,4 kJ
الحرارة والإنثالبي: تسخين مادة يتطلب q = m·c·ΔT. في المسعر، الحرارة التي يفقدها الجسم الساخن تساوي الحرارة التي يكتسبها الجسم البارد. ويُحسب تغيّر إنثالبي التفاعل من إنثالبيات التكوين: ΔH° = ΣΔH°f(النواتج) − ΣΔH°f(المتفاعلات)، كلٌّ مضروبًا في معامله.
الاتزان الكيميائي: للتفاعل aA + bB ⇌ cC + dD، ثابت الاتزان هو Kc = [C]c[D]d/([A]a[B]b)، باستخدام التراكيز عند الاتزان. يربط جدول ICE (ابتدائي، تغيّر، اتزان) الكميات الابتدائية بكميات الاتزان من خلال مجهول واحد x مضروبًا في المعاملات.
عبارة الاتزان
64 = (2x)²/(0,8 − x)²
خذ الجذر التربيعي
8 = 2x/(0,8 − x) → x = 0,8·8/(2 + 8) = 0,64 mol/L
تركيز الاتزان
[HI] = 2x = 1,28 mol/L
الإجابة
[HI] = 1,28 mol/L
10.الاتزان الكيميائي
الإجابة: [PCl5] = 0,3699 mol/L
الاتزان الكيميائي: للتفاعل aA + bB ⇌ cC + dD، ثابت الاتزان هو Kc = [C]c[D]d/([A]a[B]b)، باستخدام التراكيز عند الاتزان. يربط جدول ICE (ابتدائي، تغيّر، اتزان) الكميات الابتدائية بكميات الاتزان من خلال مجهول واحد x مضروبًا في المعاملات.
عبارة الاتزان
0,5 = x²/(0,8 − x) → x² + 0,5·x − 0,4 = 0
حُلّ المعادلة التربيعية
x = (−0,5 + √(0,5² + 4·0,4))/2 = 0,4301 mol/L
تركيز الاتزان
[PCl₅] = 0,8 − 0,4301 = 0,3699 mol/L
الإجابة
[PCl5] = 0,3699 mol/L
11.pH والمحاليل المنظمة
الإجابة: pH = 2,102
pH: pH = −log₁₀[H₃O⁺] و pOH = −log₁₀[OH⁻]، مع pH + pOH = 14 عند 25 °C. تتأين الأحماض والقواعد القوية تأينًا كاملًا. أما الحمض الضعيف فجزئيًا فقط: Ka = x²/(c − x)، حيث x = [H₃O⁺]. المحلول المنظم من حمض ضعيف وقاعدته المرافقة يتبع معادلة هندرسون–هاسلباخ: pH = pKa + log([A⁻]/[HA]).
الاتزان
HA ⇌ H⁺ + A⁻: يتأين x mol/L من الحمض.
Ka = x²/(0,1 − x) → x = 0,007913 mol/L
pH
pH = −log(0,007913) = 2,102
الإجابة
pH = 2,102
12.pH والمحاليل المنظمة
الإجابة: pH = 3,862
pH: pH = −log₁₀[H₃O⁺] و pOH = −log₁₀[OH⁻]، مع pH + pOH = 14 عند 25 °C. تتأين الأحماض والقواعد القوية تأينًا كاملًا. أما الحمض الضعيف فجزئيًا فقط: Ka = x²/(c − x)، حيث x = [H₃O⁺]. المحلول المنظم من حمض ضعيف وقاعدته المرافقة يتبع معادلة هندرسون–هاسلباخ: pH = pKa + log([A⁻]/[HA]).
التعادل
n(HA) = 0,25 − 0,01 = 0,24 mol
n(A⁻) = 0,1 + 0,01 = 0,11 mol
هندرسون–هاسلباخ
pH = 4,201 + log(0,11/0,24) = 3,862
الإجابة
pH = 3,862
13.حركية التفاعلات
الإجابة: t = 2,31 min
سرعات التفاعل: لتفاعل من الرتبة الأولى −dC/dt = kC، لذا C = C₀·e−kt وعمر النصف ln 2/k لا يعتمد على التركيز. لتفاعل من الرتبة الثانية 1/C = 1/C₀ + kt. يزداد ثابت السرعة مع درجة الحرارة وفق أرينيوس: k = A·e−Ea/(RT).
التحوّل والتركيز
C/C0 = 1 − X = 0,5
حلّ لإيجاد الزمن
t = −ln(1 − X)/k = −ln(0,5)/0,3 = 2,31 min
الإجابة
t = 2,31 min
14.حركية التفاعلات
الإجابة: A = 2,418 × 10⁶ s⁻¹
Reaction rates: for a first-order reaction −dC/dt = kC, so C = C₀·e−kt and the half-life ln 2/k does not depend on concentration. For a second-order reaction 1/C = 1/C₀ + kt. The rate constant rises with temperature following Arrhenius: k = A·e−Ea/(RT).