طاقة جبس الحرة – متى يصبح التفاعل تلقائيًا

ماذا تعرض

تعتمد تلقائية التفاعل عند ثبوت درجة الحرارة والضغط على إشارة ΔG = ΔH − TΔS، وتحدد درجة الحرارة أيّ الحدين يغلب: حد المحتوى الحراري أم حد الإنتروبي. تبني شاشة «الحالات المجهرية» الإنتروبي من العلاقة S = k ln W لغاز ينتشر ولتغير الحالة ولامتزاج غازين. وتستخدم شاشة «ΔS° من البيانات» الإنتروبيات القياسية والمحتوى الحراري القياسي للتكوين لإيجاد ΔS° وΔH° وΔG° ودرجة الحرارة التي يصبح عندها التفاعل تلقائيًا. وتربط شاشة «ΔG° و K» العلاقة ΔG° = −RT ln K بقيمة Q وبخليط الاتزان، ويُظهر تحول الألماس إلى جرافيت تغيرًا مفضّلًا لكنه أبطأ بكثير من أن يُلاحظ.

طريقة الاستخدام

في الشاشة الأولى اختر «التفاعل» واسحب منزلق «درجة الحرارة» أو النقطة على الرسم البياني؛ وتقارن الأعمدة بين ΔH و−TΔS. استخدم «الشاشة» للتبديل. في «الحالات المجهرية» اضغط «توقّع ΔS > 0» أو «توقّع ΔS < 0»، ثم «أزل الحاجز» أو غيّر الحالة. في «ΔS° من البيانات» فعّل «الطلاب يحسبون (إخفاء الإجابة)». في «ΔG° و K» اضبط ΔG° و«نسبة B»، ثم اضغط «دعه يتفاعل».

المعاملات القابلة للتغيير

• التفاعل CaCO₃ → CaO + CO₂ (تكليس الحجر الجيري), N₂ + 3H₂ → 2NH₃, NH₄NO₃(s) → NH₄⁺ + NO₃⁻ (ذوبان), 2H₂ + O₂ → 2H₂O(l), الألماس ← الجرافيت
• درجة الحرارة 200–1600 K
• الشاشة ΔG = ΔH − TΔS, الحالات المجهرية (S = k ln W), ΔS° من البيانات, ΔG° و K
• الحالات المجهرية: التغير انتشار غاز في الفراغ, تغير الحالة, امتزاج غازين
• الحالات المجهرية: عدد الجسيمات N 2–24
• ΔS° من البيانات: التفاعل CaCO₃ → CaO + CO₂, N₂ + 3H₂ → 2NH₃, 2H₂ + O₂ → 2H₂O(l), الألماس ← الجرافيت, H₂O(l) → H₂O(g) (الغليان), 2Mg + O₂ → 2MgO, CH₄ + 2O₂ → CO₂ + 2H₂O(l), N₂O₄ → 2NO₂, 2SO₂ + O₂ → 2SO₃, NaCl(s) → Na⁺(aq) + Cl⁻(aq) (الذوبان)
• الطلاب يحسبون (إخفاء الإجابة)
• ΔG° (A ⇌ B) -40–40 kJ/mol
• نسبة B في البداية 0.01–0.99

أسئلة للاستكشاف

1. كيف يمكن أن يكون ذوبان NH₄NO₃ تلقائيًا عند درجة حرارة الغرفة مع أنه ماص للحرارة؟
2. ما إشارة ΔS للتفاعل N₂ + 3H₂ → 2NH₃، ولماذا يكون التفاعل مفضّلًا عند درجات الحرارة المنخفضة؟
3. فوق أي درجة حرارة تقريبًا يصبح تفكك CaCO₃ تلقائيًا؟