الدرس:1-15 الانتروبي

الانتروبي: دالة ثرموديناميكية تصف إلى أي مدى تصل درجة لا انتظام النظام أي أنها مقياس للعشوائية (لا انتظام النظام) يرمز لها بالرمز S.

ملاحظات

• وحدات الانتروبي هي J / K. mol
• تتناسب الانتروبي طردياً مع العشوائية وعكسياً مع الانتظام.
• تحدث الزيادة في انتروبي النظام نتيجة للزيادة في طاقة التشتت.

علل: لا يمكن أن تقاس القيمة المطلقة للانتروبي؟

• كونها دالة حالة تعتمد قيمتها على الحالة الابتدائية والحالة النهائية.
• التغير في الانتروبي Δs حسب العلاقة: Δ S = S_f - S_i
• تأخذ قيمة Δs إشارة موجبة عندما تحدث زيادة في انتروبي النظام (زيادة في العشوائية). Δ S > 0
• وتأخذ إشارة سالبة عندما يحدث نقصان في الانتروبي (نقصان في العشوائية) اي: Δ S < 0

الحالات التي يصاحبها زيادة في الانتروبي (زيادة في العشوائية):

1. ذوبان المواد الصلبة في السائل مثل ذوبان كلوريد الأمونيوم الصلب في الماء.
2. تبخر السائل مثل تبخر الماء السائل إلى بخار.
3. انصهار المادة الصلبة مثل انصهار الجليد.
4. عدد مولات الغازات الناتجة أكبر من عدد مولات الغازات المتفاعلة.

كيف تتغير انتروبي النظام للعمليات التالية؟

تكثيف بخار الماء.

عند التكثيف فإن جزيئات الماء تقترب من بعضها بنظام هيكلي أكثر انتظاماً مما يقلل من عشوائيتها لذا يحدث انتقال من اللا انتظام إلى الانتظام يصاحبه نقصان في الانتروبي .

تكوّن بلورات من السكر في محلول فوق مشبع.

عند التبلور فإن جزيئات السكر تقترب من بعضها بنظام هيكلي أكثر انتظاماً مما يقلل من عشوائيتها لذا يحدث انتقال من اللا انتظام إلى الانتظام يصاحبه نقصان في الانتروبي.

تسخين غاز الهيدروجين من 20C الى 80C.

التسخين يزيد من الحركات الانتقالية والدورانية للجزيئات مما يؤدي إلى زيادة عشوائيتها فتزداد الانتروبية.

تسامي اليود الصلب.

تسامي اليود أي تحوله من الطور الصلب إلى الطور الغازي يزيد من عشوائية النظام أي يحدث انتقال من الانتظام إلى اللا انتظام يصاحبه زيادة في الانتروبي.

تنبأ فيما إذا كان التغير في الانتروبي Δ S أكبر أو أقل من الصفر للعمليات الآتية:

تجمد كحول الاثيل.

Δ S < 0 لأن جزيئات الكحول في الحالة الصلبة تكون أكثر انتظاماً.

تبخر سائل البروم.

Δ S >0 لأن تحول البروم السائل إلى بخار يزيد من عشوائية الجزيئات فتزداد انتروبية النظام.

ذوبان الجلوكوز في الماء.

Δ S < 0 لأن انتشار جزيئات الجلوكوز تؤدي إلى زيادة العشوائية أي زيادة في الانتروبي.

تبريد غاز النتروجين من 80C الى 20C.

Δ S < 0 تبريد غاز النتروجين يقلل من عشوائية النظام فيؤدي إلى نقصان في الانتروبي.

التسخين يزيد الانتروبي؟

• زيادة الحركات الانتقالية للجزيئات.
• زيادة الحركات الدورانية والاهتزازية.
• ازدياد أنواع الطاقات المرتبطة جميعها بالحركة الجزيئية وعليه فإن التسخين يزيد من عشوائية النظام لذا تزداد الانتروبية.

تكون انتروبي الحالة الغازية أكبر من انتروبي الحالة السائلة والأخيرة أكبر من انتروبي الحالة الصلبة؟

وذلك لأن طاقة التشتت في الحالة الغازية أكبر مما عليه في الحالة السائلة وبالتالي فإن جزيئات الغاز تكون أقل انتظاماً مما عليه في الحالة السائلة، وكذلك يمكن القول أيضاً إن طاقة التشتت في الحالة السائلة أكبر مما عليه في الحالة الصلبة وبالتالي فإن جزيئات السائل تكون أقل انتظاماً مما عليه في الحالة الصلبة.

تقود عملية الانصهار إلى زيادة في الانتروبي؟

لأن الذرات أو الجزيئات عند الانصهار تبدأ بالحركة خارج الشبكة البلورية بعد أن كانت محصورة في مواقع ثابتة مما يزيد من عشوائيتها لذا يحدث انتقال في الطور من الانتظام إلى اللا انتظام يصاحبه زيادة في الانتروبي.

تقود عملية التبخر إلى زيادة في الانتروبي؟

لأنه عند عملية التبخر فإن الذرات أو الجزيئات تتحرك خارج النظام الهيكلي للسائل مما يزيد من عشوائيتها فيحدث انتقال من الانتظام إلى اللا انتظام فيصاحبه زيادة في الانتروبي.

إن الانتروبي في عملية التبخر أكبر من تلك التي في عملية الانصهار؟

لأن الذرات أو الجزيئات في الطور الغازي تنتشر بشكل عشوائي لمليء فراغات جميع الحيز الذي تتواجد فيه.

تقود العمليات التي تجري في المحلول دائماً إلى زيادة في الانتروبي؟

عند ذوبان المادة الصلبة (السكر مثلاً) في الماء ينكسر النظام الهيكلي المنتظم لها المذاب (وكذلك جزء من الانتظام الهيكلي للماء) المذيب وعليه سيكون للمحلول لا انتظام أكثر مما للمذيب النقي والمذاب النقي معاً.

عند إذابة مادة صلبة أيونية فالزيادة في الانتروبي تحصل نتيجة عاملين هما:

• عملية تكوين المحلول خليط المذاب مع المذيب.
• تفكك المركب الصلب إلى أيونات.

كيف تتغير انتروبي النظام في عملية ذوبان الغاز في السائل؟

يحدث انتقال من اللا انتظام إلى الانتظام ويصاحبه نقصان في الانتروبي، والسبب يعود إلى أنه قبل عملية الذوبان تكون دقائق الغاز أكثر لا انتظاماً (أكثر عشوائية) وعند ذوبانها تقترب من بعضها بنظام هيكلي أكثر انتظاماً مما يقلل من عشوائيتها.

رتب التغير في الانتروبي: Δ S_(S) Δ S_(g) , Δ S_(l)

Δ S_(g) > Δ S_(l) > Δ S_(S)

حساب الانتروبي القياسية للتفاعلات الكيميائية.

يمكن قياس الانتروبي المطلقة S لجميع العناصر والمركبات والتي من خلالها يمكن قياس التغير في الانتروبي Δ S باستخدام العلاقة التالية:

Δ S_r = Σ n S ° _(Productes) - Σn S ° _(ReactantS)

احسب التغير في الانتروبي ΔS_r للتفاعل الآتي في الظروف القياسية 25C , 1 atm للتفاعل: CO₂ + O₂$\to$2CO₂ علماً أن:

s_CO = 198KJ / mol

s_CO2 = 214kJ / mol.k

s_O2 = 205kJ / mol.k

$\mathrm{\Delta }{S}_{\mathbf{r}}^{\circ }=\mathrm{\Sigma }n{S}^{\circ }\text{ (Productes }-\mathrm{\Sigma }n{S}_{\text{(Reactant }}$

$\begin{array}{r}\mathrm{\Delta }{S}_{\mathrm{r}}^{\circ }=\left[\right(\left.\left.2\times S^{\circ }{\mathrm{co}}_2\right)\mathrm{kJ}/\mathrm{mol}\cdot \mathrm{k}\right]-\left[\left(1\times S^{\circ }{\mathrm{o}}_2\right)\mathrm{kJ}/\mathrm{mol}\cdot \mathrm{k}\right]+\left[\left(2{\mathrm{S}}_{\mathrm{Co}}\right)\right]\mathrm{KJ}/\mathrm{kmol}\\ \mathrm{\Delta }{S}_{\mathrm{r}}^{\circ }=-173\mathrm{kJ}/\mathrm{kmol}\end{array}$

احسب التغير في الانتروبي Δ S_r للتفاعل الآتي في الظروف القياسية 25C, 1 atm للتفاعل: 4Fe+ O₂$\to$2Fe₂O₃ علمًا أن:

s_Fe = 27KJ / mol

s_O2 = 205kJ / mol.k

S _Fe2O3=87kJ / mol.k

$$\begin{gathered} 4\mathrm{Fe}s+3{\mathrm{O}}_2\mathrm{g}\to 2{\mathrm{Fe}}_2{\mathrm{O}}_3\mathrm{s} \\ 4\times 273\times 2052\times 87 \\ \mathrm{\Delta }{\mathbf{S}}_{\mathbf{r}}^{\circ }=\mathrm{\Sigma }{\mathbf{nS}}^{\circ }\text{ (Productes }-\mathrm{\Sigma }{\mathbf{nS}}^{\circ }\text{ (Reactants) } \\ \begin{array}{r}\mathrm{\Delta }{S_{\mathrm{r}}}^0=\left[\right(2\times 87)\mathrm{j}/\mathrm{k}\cdot \mathrm{mol}]-[4\times 27)\mathrm{J}/\mathrm{k}\cdot \mathrm{mol}+(3\times 205)\mathrm{J}/\mathrm{k}\cdot \mathrm{mol}]\\ \\ \mathrm{\Delta }{S}^{\circ }=-549\mathrm{J}/\mathrm{k}\cdot \mathrm{mol}\end{array} \end{gathered}$$