تحدث التفاعلات الكيميائية بصورة طبيعية بين العديد من العناصر والمركبات مما يؤدي إلى نشوء أنواع مختلفة من الطاقة ومن ضمنها الطاقة الكهربائية التي يمكن استخدامها في العديد من المجالات المختلفة ضمن حياتنا اليومية.
مقدمة حول الطاقة وتأثير التغيرات الكيميائية
في الطبيعة تتواجد العديد من العناصر التي يُعرف كل منها باسم مميز يميزه عن غيره وقد حرص العلماء على وضع هذه الأسماء للتسهيل من دراستها إذ أنه لا يمكن أن يحمل عنصران الاسم نفسه.
فعلى سبيل المثال يُرمز إلى الأكسجين كيميائيًا بـ O2 بينما يُعطى غاز النيتروجين الرمز N ويتم تحديد هذه الرموز وفقًا لـ الجدول الدوري الذي يجمع جميع العناصر الكيميائية التي تم اكتشافها حتى الآن.
أما في المعادلات الكيميائية فتتفاعل العناصر مع بعضها البعض مكونة مركبات جديدة وينبعث منها طاقة تأخذ شكل حرارة حيث تساعد هذه المعادلات في توضيح عدد الإلكترونات والذرات فهي تبيّن كيف أن كل ذرة تشغل مساحة محددة ولا يمكن أن تشترك ذرتان في المساحة نفسها.
التغيرات الكيميائية الناتجة عن التفاعلات الكيميائية
- عند الحديث عن العلاقة بين الطاقة والتغيرات الكيميائية فإن الأمر يعتمد بشكل أساسي على كيفية تفاعل المواد والعناصر مع بعضها البعض حيث يؤدي هذا التفاعل إلى كسر الروابط الموجودة بين المواد الداخلة في التفاعل مما يُنتج عناصر أو مركبات جديدة ويترتب على ذلك انبعاث طاقة حرارية قد تجعل التفاعل طاردًا للحرارة أو ماصًا لها.
- من الأمثلة الواضحة على ذلك الشمس التي تمدنا بالطاقة الضوئية والحرارية ولكن عند التعمق في طبيعة هذا الضوء نجد أنه ناتج عن عدد هائل من التفاعلات الكيميائية التي تحدث داخل الشمس بين ذرات العناصر التي تحتوي عليها.
- من الأمور التي يجب الانتباه لها أن العناصر التي تبدأ التفاعل الكيميائي ليست بالضرورة أن تكون نفسها التي نحصل عليها بعد انتهاء التفاعل.
- غالبًا ما يتشكل عنصر جديد نتيجة اتحاد المواد المشاركة في التفاعل وهذا العنصر الجديد الناتج عن اتحاد العناصر الكيميائية قد يكتسب أهمية تفوق العناصر التي دخلت في التفاعل منذ البداية.
- وكما أن لكل عنصر ذراته الخاصة فإنه يتكون أيضًا من البروتونات والإلكترونات حيث يمكن لإلكترونات العناصر الداخلة في التفاعل الاندماج مع بعضها البعض خلال عملية التفاعل الكيميائي.
- لكن ليس من الضروري أن تتحد جميع الإلكترونات في عنصر معين مع إلكترونات عنصر آخر.
- يمكن لبعض الإلكترونات من ذرة معينة أن تتفاعل مع بعض الإلكترونات من ذرة أخرى مما يؤدي إلى تكوين عنصر جديد يختلف تمامًا عن العناصر الأصلية الداخلة في التفاعل.
- ما يجعل العنصر الجديد ذا أهمية كبيرة هو أن بعض العناصر أو المركبات لا يمكن العثور عليها في الطبيعة إلا كنتيجة مباشرة للتفاعلات الكيميائية التي تحدث بين المركبات والعناصر المختلفة.
أمثلة على التغيرات الكيميائية التي تحدث في العناصر
- عند اتحاد غاز الميثان مع الأكسجين يحدث تفاعل كيميائي وينتج عن هذا التفاعل مادة جديدة مختلفة تمامًا عن المواد الأصلية وهي غاز ثاني أكسيد الكربون هذه المادة الناتجة تمتلك خصائص مغايرة تمامًا للميثان والأكسجين.
- لكن الذرات المكونة لها تظل مماثلة لتلك التي دخلت في التفاعل لتحديد عدد الذرات المتفاعلة نستخدم كميات دقيقة من المواد الداخلة في التفاعل الكيميائي وعند كتابة هذا التفاعل بطريقة كيميائية صحيحة لا بد من تمثيله بصيغة معادلة بحيث تكتب المواد المتفاعلة على الجانب الأيسر من السهم والمواد الناتجة على الجانب الأيمن.
- بمعنى آخر نقوم بكتابة غاز الميثان + غاز الأكسجين ثم نضع السهم الذي يدل على حدوث التفاعل وبعد ذلك نكتب نواتج التفاعل وهي غاز ثاني أكسيد الكربون + الماء تكمن أهمية المعادلات الكيميائية في تسهيل فهم التفاعلات الكيميائية ومساعدة الطلاب والباحثين على استيعاب العمليات بشكل أوضح.
- كما يمكن أن تتضمن المعادلة ذكر العوامل الحفازة التي تدخل ضمن التفاعل الكيميائي ويتم كتابتها في منتصف السهم إضافة إلى ذلك فإن المعادلة الكيميائية تعطي معلومات حول ما إذا كان التفاعل مصحوبًا بانبعاث حرارة أو امتصاص حرارة إلى جانب تقديم تصور واضح عن مقدار الطاقة الحرارية المتولدة أثناء التفاعل.
تصنيف التفاعلات الكيميائية وأنواعها
- عند الحديث عن الطاقة والتغيرات الكيميائية، نجد أن التفاعلات الكيميائية تشكل عنصرًا أساسيًا في حياة الإنسان فقد أكرمنا الله سبحانه وتعالى بالعديد من الموارد التي تزودنا بالطاقة مثل الكهرباء والرياح والشمس وهي مصادر نعتمد عليها بشكل يومي.
- بالإضافة إلى ذلك، هنالك موارد طاقة أخرى منحنا الله إياها مثل الفحم والبترول والغاز الطبيعي والوقود حيث تُصنَّف هذه الموارد إلى نوعين: مصادر متجددة وأخرى غير متجددة وجميعها تعتمد في تكوينها على العمليات الكيميائية الطبيعية.
- وظَّف الإنسان التفاعلات الكيميائية التي تحدث في الطبيعة في العديد من الصناعات التي ساهمت في تحسين جودة الحياة وتطويرها.
- بل إن العلماء قاموا بمحاكاة التفاعلات الطبيعية وإعادة إنتاجها داخل المختبرات باستخدام أساليب مختلفة ومن أبرز التفاعلات الكيميائية التي ينبغي التعرف عليها.
التزامر
يُعرف هذا النوع من التفاعلات بأنه يحدث فيه تغيير فقط في الشكل الخارجي للعنصر دون أن تتأثر الجزيئات والذرات المكونة له أي أن التركيب الداخلي للعناصر يظل كما هو دون أي تبديل.
التحليل الكيميائي
- في عملية التحليل، تتحلل المركبات إلى عناصرها الأساسية التي تكوّنت منها حيث تعود المواد إلى أصل تكوينها الأولي ويحدث ذلك عندما تتفكك الروابط بين الذرات المكونة للمركب.
- على سبيل المثال، عند تحليل جزيء الماء ينتج عن ذلك عنصران أساسيان هما الأكسجين والهيدروجين وهما المركبان الأساسيان للماء بطبيعته.
- لكن لكي يتم التحليل الكيميائي، لا بد من توافر شروط مناسبة مثل الحرارة والضغط التي تُساهم في فصل الذرات عن بعضها إذ إن التحلل لا يحدث تلقائيًا دون وجود عوامل تحفيزية تؤثر على المركبات.
تفاعل الاتحاد المباشر
- يمثل هذا التفاعل اندماج عنصرين أو أكثر لتكوين مركب جديد يختلف في خصائصه وصفاته عن المواد التي دخلت في التفاعل.
تفاعل الاحتراق
- يحدث هذا النوع من التفاعل عندما يتفاعل عنصران مع بعضهما ولكن يشترط أن يكون أحد هذه العناصر قابلًا للاشتعال بينما يكون العنصر الآخر عاملًا مؤكسدًا يعمل على تسهيل عملية الاشتعال.
مفهوم قانون حفظ الطاقة وأهميته
عند الحديث عن الطاقة والتفاعلات الكيميائية يظهر لنا بوضوح أن هناك العديد من القوانين التي تهتم بدراسة الطاقة وتحولاتها ويُعتبر قانون حفظ الطاقة أحد أهم هذه القوانين حيث ينص على أن الطاقة لا تفنى ولا تستحدث من العدم ولكنها تتحول من شكل إلى آخر كتحول الطاقة الحرارية إلى طاقة كهربائية أو العكس مما يجعل هذا القانون حجر الأساس في فهم العمليات الفيزيائية والكيميائية.
- تُعرف الطاقة بأنها القدرة على إنتاج الحرارة أو إنجاز الشغل ويمكن أن يكون مصدرها الطاقة الناتجة عن الروابط بين الذرات داخل العنصر أو المركب كما يمكن أن تكون ناتجة عن توزيع الذرات نفسها داخل المادة وهذه تُعرف باسم طاقة الوضع.
- هناك نوع آخر من الطاقة يُسمى طاقة الحركة والذي ينشأ نتيجة لحركة الجزيئات حيث يمكن أن يكون ذلك بسبب تأثر المادة بدرجة الحرارة المحيطة بها أو بسبب الحركة العشوائية التي تقوم بها الجزيئات داخل المركب أو المادة.
الحرارة المتولدة من التفاعلات الكيميائية
عند الحديث عن الطاقة والتغيرات الكيميائية فإن النقطة الأهم هنا هي طبيعة الحرارة المنبعثة خلال التفاعل حيث إن كمية الحرارة ونوعها يعتمدان بشكل كبير على طبيعة التفاعل ذاته وتنقسم التفاعلات الكيميائية إلى نوعين رئيسيين:
التفاعلات الكيميائية الطاردة للحرارة
هي التفاعلات التي تحدث بين المواد الكيميائية ويترتب عليها إطلاق كمية من الحرارة نتيجة لكون المحتوى الحراري للمواد المتفاعلة أعلى من المحتوى الحراري للمواد الناتجة بعد التفاعل مما يؤدي إلى انتقال الحرارة إلى الوسط المحيط وتتميز المركبات الناتجة من هذه التفاعلات بأنها لا تمتص الحرارة بل تساهم في زيادتها في البيئة المحيطة.
التفاعلات الكيميائية الماصة للحرارة
- المواد التي تدخل في التفاعل عادةً تكون مستقرة عند درجات الحرارة المعتادة.
- يرجع ذلك إلى أن المحتوى الحراري للنواتج يكون أكبر من المحتوى الحراري للمواد المتفاعلة مما يجعل هذه التفاعلات غير تلقائية وتحتاج إلى امتصاص طاقة لحدوثها.
- المحتوى الحراري يُمثل مقدار الطاقة أو الحرارة التي يكتسبها التفاعل أو يفقدها أثناء العملية الكيميائية.
