Skip to content · ⁨דלג לתוכן⁩

Chemical energetics · ⁨אנרגטיקה כימית⁩

A-Level Chemistry · ⁨כימיה A-Level⁩ · Topic 5 · ⁨נושא 5⁩

Video lesson for this topic · ⁨שיעור וידאו לנושא זה⁩ Open the video page · ⁨פתח את עמוד הוידאו⁩
8:21

אנרגטיקה כימית

מצת בונסן מתחמם מספיק כדי לרכך זכוכית. חבילת קרה מיידי, שנלחצה פעם אחת, יורדת כמעט לנקודת הקפיאה. שניהם רק תגובות כימיות — אחת ב…

English narration · English + 中文 subtitles burned in · ⁨קריאת קול באנגלית · תרגום אנגלי + סינית שרוף בתוך הסרטון⁩

5.1

Enthalpy change, ΔH · ⁨שינוי אנתלפיה, ΔH⁩

Syllabus · ⁨סיילבוס⁩
English
  1. understand that chemical reactions are accompanied by enthalpy changes and these changes can be exothermic ($\Delta H$ is negative) or endothermic ($\Delta H$ is positive)
  2. construct and interpret a reaction pathway diagram, in terms of the enthalpy change of the reaction and of the activation energy
  3. define and use the terms: (a) standard conditions (this syllabus assumes that these are $298\text{ K}$ and $101\text{ kPa}$) shown by $^{\ominus}$. (b) enthalpy change with particular reference to: reaction, $\Delta H_r$, formation, $\Delta H_f$, combustion, $\Delta H_c$, neutralisation, $\Delta H_{\text{neut}}$
  4. understand that energy transfers occur during chemical reactions because of the breaking and making of chemical bonds
  5. use bond energies ($\Delta H$ positive, i.e. bond breaking) to calculate enthalpy change of reaction, $\Delta H_r$
  6. understand that some bond energies are exact and some bond energies are averages
  7. calculate enthalpy changes from appropriate experimental results, including the use of the relationships $q = mc\Delta T$ and $\Delta H = -mc\Delta T/n$
עברית
  1. הבן כי תגובות כימיות ליוות בשינויי אנثالפיה, ושינויים אלו יכולים להיות אקסותרמיים ($\Delta H$ שלילי) או אנדותרמיים ($\Delta H$ חיובי)
  2. בנה ופרש דיאגרמת מסלול תגובה, בהתייחס לשינוי האנתלפיה של התגובה ולאנרגיית השפעול
  3. הגדר ושתמש במונחים: (א) תנאים סטנדרטיים (סילבוס זה מניח שהם $298\text{ K}$ ו$101\text{ kPa}$), המוצגים על ידי $^{\ominus}$. (ב) שינוי אנثالפיה בהתייחסות ספציפית לתגובה, $\Delta H_r$, יצירה, $\Delta H_f$, בעירה, $\Delta H_c$, ניטרול, $\Delta H_{\text{neut}}$
  4. הבן כי העברת אנרגיה מתרחשת במהלך תגובות כימיות בשל שבירת ויצירת קשרים כימיים
  5. השתמש באנרגיות קישור ($\Delta H$ חיובי, כלומר שבירת קשר) לחישוב שינוי האנתלפיה בתגובה, $\Delta H_r$
  6. הבן שמספר מאפיינים של אנרגיות קישור הם מדויקים ואחרים הם ממוצעים
  7. חשב שינויי אנثالפיה מתוצאות ניסוי מתאימות, כולל השימוש בקשרים $q = mc\Delta T$ ו$\Delta H = -mc\Delta T/n$

Source: Cambridge International syllabus · ⁨מקור: הסיילבוס הבינלאומי של קמבריד'ג'⁩

English
Reaction profile: activation energy and ΔH

Every chemical reaction takes in or gives out energy. This energy change, measured at constant pressure, is the enthalpy change 焓变, with symbol $\Delta H$.

  • in an exothermic 放热 reaction the system gives out heat, so the products have less energy than the reactants and $\Delta H$ is negative.
  • in an endothermic 吸热 reaction the system takes in heat, so the products have more energy than the reactants and $\Delta H$ is positive.

Reaction pathway diagrams

A reaction pathway diagram 反应路径图 shows the energy of the reactants and products, and the energy "hill" between them. The height of the hill is the activation energy 活化能 — the least energy the particles need before they can react.

  • exothermic: products sit lower than reactants ($\Delta H < 0$).
  • endothermic: products sit higher than reactants ($\Delta H > 0$).

Standard conditions and types of enthalpy change

Energy values are compared under standard conditions 标准条件: $298\ \text{K}$ and $101\ \text{kPa}$, shown by the symbol $^{\ominus}$. Each substance is in its normal physical state at those conditions.

Symbol Name Definition (per mole, under standard conditions)
$\Delta H_r^{\ominus}$ enthalpy change of reaction 反应焓变 for the amounts shown in the equation
$\Delta H_f^{\ominus}$ enthalpy change of formation 生成焓变 one mole of a compound forms from its elements
$\Delta H_c^{\ominus}$ enthalpy change of combustion 燃烧焓变 one mole of a substance burns completely in oxygen
$\Delta H_{\text{neut}}^{\ominus}$ enthalpy change of neutralisation 中和焓变 one mole of water forms from an acid and an alkali

Energy from breaking and making bonds

During a reaction, old bonds break and new bonds form. Breaking a bond needs energy (endothermic); making a bond releases energy (exothermic). The enthalpy change of the reaction is the difference between the two:

$$\Delta H_r = \sum (\text{bond energies broken}) - \sum (\text{bond energies made})$$

The bond energy 键能 is the energy needed to break one mole of a particular bond in the gas state, so it is always positive. Some bond energies are exact (for one specific molecule); others are averages taken over many different molecules, so calculations using them are only approximate.

Worked example. Use bond energies to find $\Delta H$ for $\text{H}_2 + \text{Cl}_2 \rightarrow 2\text{HCl}$. Bond energies (kJ mol⁻¹): H–H $= 436$, Cl–Cl $= 242$, H–Cl $= 431$.

$$\Delta H = \sum(\text{broken}) - \sum(\text{made}) = (436 + 242) - (2 \times 431) = 678 - 862 = -184\ \text{kJ mol}^{-1}.$$

Measuring enthalpy change in the lab

When a reaction heats up (or cools down) a known mass of water or solution, the heat transferred is:

$$q = mc\Delta T$$

where $m$ is the mass, $c$ is the specific heat capacity 比热容 (how much energy raises 1 g by 1 K), and $\Delta T$ is the temperature change. The enthalpy change per mole is then:

$$\Delta H = -\frac{mc\Delta T}{n}$$

The minus sign makes $\Delta H$ negative when the temperature rises (an exothermic reaction).

Worked example. Burning $0.50\ \text{g}$ of methanol ($M_r = 32$) raises the temperature of $100\ \text{g}$ of water by $18\ ^{\circ}\text{C}$. Find the enthalpy change of combustion per mole. ($c = 4.18\ \text{J g}^{-1}\,\text{K}^{-1}$.)

The heat released is $q = mc\Delta T = 100 \times 4.18 \times 18 = 7520\ \text{J}$. The amount burnt is $n = 0.50/32 = 0.0156\ \text{mol}$, so

$$\Delta H_c = -\frac{q}{n} = -\frac{7520}{0.0156} \approx -480\ \text{kJ mol}^{-1}.$$
עברית
פרופיל תגובה: אנרגיית השפעול ו-ΔH
להבת גלאזר כחולה
שריפת דלק היא תהליך אקסותרמי, המשחרר אנרגיה לסביבה.
חבילת קירור מיידית
חבילת קירור מיידית משתמשת בתגובה אנדותרמית שסופחת חום.

כל תגובה כימית סופחת או משחררת אנרגיה. שינוי האנרגיה הזה, שנמדד בלחץ קבוע, נקרא שינוי אנתלפיה, עם הסימון $\Delta H$.

  • בתגובה אקסותרמית המערכת משחררת חום, ולכן למוצרים יש פחות אנרגיה מאשר למגיבים והערך של $\Delta H$ הוא שלילי.
  • בתגובה אנדותרמית המערכת סופחת חום, ולכן למוצרים יש יותר אנרגיה מאשר למגיבים והערך של $\Delta H$ הוא חיובי.

דיאגרמות מסלול תגובה

דיאגרמת מסלול תגובה מציגה את אנרגיית המגיבים והמוצרים, ואת "הגבעת" האנרגטית ביניהם. גובה הגבעה הוא אנרגיית השפעול — הכמות המינימלית של אנרגיה שהחלקיקים זקוקים כדי שתגובה תתרחש.

  • אקסותרמית: המוצרים נמצאים מתחת למגיבים ($\Delta H < 0$).
  • אנדותרמית: המוצרים נמצאים מעל המגיבים ($\Delta H > 0$).
שתי דיאגרמות מסלול תגובה זה לצד זה: אחת אקסותרמית עם מוצרים מתחת למגיבים, ואחת אנדותרמית עם מוצרים מעל
תגובות אקסותרמיות נסתיימות נמוכה מהתחלתן ($\Delta H<0$); תגובות אנדותרמיות נסתיימות גבוה יותר ($\Delta H>0$)

תנאי תקן וסוגים של שינוי אנתלפיה

ערכי אנרגיה משווים תחת תנאים סטנדרטיים: $298\ \text{K}$ ו$101\ \text{kPa}$, מסומנים על ידי הסמל $^{\ominus}$. כל חומר נמצא במצב הפיזיקלי הרגיל שלו בתנאים אלו.

סימון שם הגדרה (למול, בתנאי תקן)
$\Delta H_r^{\ominus}$ שינוי אנתלפיה של תגובה לכמויות המוצגות במשוואה
$\Delta H_f^{\ominus}$ שינוי אנטלפיה של יצירה מול אחד של תרכובת נוצר מהמרכיבים האלמנטריים שלו
$\Delta H_c^{\ominus}$ שינוי אנטלפיה של בעירה מול אחד של חומר נשרף במלואו בחמצן
$\Delta H_{\text{neut}}^{\ominus}$ שינוי אנטלפיה של ניטרול מול אחד של מים נוצר מחומצה ובסיס
שני תהליכים: יצירה הופכת ממרכיבים אל מול אחד של תרכובת; בעירה הופכת מול אחד של חומר פלוס חמצן לפחמן דו-חמצני ומים
אל תבלבשו ביניהם: יצירה בונה 1 מול של תרכובת מהמרכיבים האלמנטריים שלה; בעירה שורפת 1 מול של חומר בחמצן

אנרגיה משבירת ויצירת קשרים

בתוך תגובה, קשרים ישנים נשברים וקשרים חדשים נוצרים. שבירה של קשר דורשת אנרגיה (אנדותרמית); יצירה של קשר משחררת אנרגיה (אקסותרמית). שינוי האנטלפיה בתגובה הוא ההפרש בין השניים:

$$\Delta H_r = \sum (\text{bond energies broken}) - \sum (\text{bond energies made})$$

אנרגיית הקשר היא האנרגיה הנדרשת לשבור מול אחד של קשר מסוים במצב גזי, ולכן היא תמיד חיובית. חלק מאנרגיות הקשר מדויקות (עבור מולקולה ספציפית אחת); אחרות הן ממוצעים שנלקחו מעל מספר רב של מולקולות שונות, ולכן חישובים המשתמשים בהן הם רק מקריבים.

דוגמה מפורטת. השתמש באנרגיות קשר כדי למצוא $\Delta H$ עבור $\text{H}_2 + \text{Cl}_2 \rightarrow 2\text{HCl}$. אנרגיות קשר (kJ mol⁻¹): H–H $= 436$, Cl–Cl $= 242$, H–Cl $= 431$.

$$\Delta H = \sum(\text{broken}) - \sum(\text{made}) = (436 + 242) - (2 \times 431) = 678 - 862 = -184\ \text{kJ mol}^{-1}.$$
תרשים אנרגיה מדרגתי: התגובה עולה לאלומינים גזיים בודדים כאשר קשרים נשברים, ולאחר מכן יורד למוצרים כאשר קשרים נוצרים
שבירת קשרים לוקחת אנרגיה לתוך המערכת; יצירת קשרים נותנת אנרגיה החוצה. $\Delta H$ הוא ההפרש בין השניים

מדידת שינוי אנטלפיה במעבדה

כאשר תגובה מחממת (או מקרה) מסה ידועה של מים או תמיסה, החום המועבר הוא:

$$q = mc\Delta T$$

כאשר $m$ היא המסה, $c$ היא קיבולת החום הסגולית (כמות האנרגיה שמעלה 1 גרם ב-1 K), ו$\Delta T$ הוא השינוי בטמפרטורה. שינוי האנטלפיה למול הוא אז:

$$\Delta H = -\frac{mc\Delta T}{n}$$

הסימן השלילי גורם ל$\Delta H$ להיות שלילי כאשר הטמפרטורה עולה (תגובה אקסותרמית).

דוגמה מפורטת. שריפת $0.50\ \text{g}$ של מתנול ($M_r = 32$) מעלה את טמפרטורת ה-$100\ \text{g}$ של מים ב-$18\ ^{\circ}\text{C}$. מצא את שינוי האנטלפיה של הבעירה למול. ($c = 4.18\ \text{J g}^{-1}\,\text{K}^{-1}$.)

החום המשתחרר הוא $q = mc\Delta T = 100 \times 4.18 \times 18 = 7520\ \text{J}$. כמות השריפה היא $n = 0.50/32 = 0.0156\ \text{mol}$, ולכן

$$\Delta H_c = -\frac{q}{n} = -\frac{7520}{0.0156} \approx -480\ \text{kJ mol}^{-1}.$$
כוס מבודדת עם תמיסה, מכסה ומדחום הצוללת לתוכה, המשמשת למדידת השינוי בטמפרטורה
כוס מבודדת ומדחום מודדים את השינוי בטמפרטורה של מסה ידועה של תמיסה
Explore · ⁨חקור⁩

Exothermic and endothermic reactions · ⁨תגובות אקסותרמיות ואנדותרמיות⁩

Drag ΔH. An exothermic reaction releases energy (products lower); an endothermic one takes it in (products higher). · ⁨גרור את ΔH. תגובה אקסותרמית משחררת אנרגיה (מוצרים נמוכים יותר); תגובה אנדרותרמית סופחת אותה (מוצרים גבוהים יותר).⁩

Vocabulary · ⁨מילון מונחים⁩ Train · ⁨אימון⁩
English עברית
enthalpy change/enˈθælpi tʃeɪndʒ/ שינוי אנטלפיה
exothermic/eɡzəˈðɜːmɪk/ אקסותרמי
endothermic/ˌendəʊˈθɜːmɪk/ אנדותרמי
reaction pathway diagram/rɪˈækʃn ˈpæθweɪ ˈdaɪəɡræm/ תרשים מסלול תגובה
activation energy/ˌæktɪˈveɪʃn ˈenədʒi/ אנרגיית השפעול
standard conditions/ˈstændəd kənˈdɪʃnz/ תנאים סטנדרטיים
enthalpy change of reaction/enˈθælpi tʃeɪndʒ ɒv rɪˈækʃn/ שינוי אנתלפיה בתגובה
enthalpy change of formation/enˈθælpi tʃeɪndʒ ɒv fɔːˈmeɪʃn/ שינוי אנתלפיה של יצירה
enthalpy change of combustion/enˈθælpi tʃeɪndʒ ɒv kəmˈbʌstʃn/ שינוי אנתלפיה של בעירה
enthalpy change of neutralisation/enˈθælpi tʃeɪndʒ ɒv ˌnjuːtrəlaɪˈzeɪʃn/ שינוי אנתלפיה של ניטרול
bond energy/bɒnd ˈenədʒi/ אנרגיית קשר
specific heat capacity/spəˈsɪfɪk hiːt kəˈpæsɪti/ קיבוע חום ספציפי
Hess's law/ˈhesɪz lɔː/ חוק הесс
energy cycle/ˈenədʒi ˈsaɪkl/ מחזור אנרגיה
5.2

Hess's law · ⁨חוק היס⁩

Syllabus · ⁨סיילבוס⁩
English
  1. apply Hess’s law to construct simple energy cycles
  2. carry out calculations using cycles and relevant energy terms, including: (a) determining enthalpy changes that cannot be found by direct experiment (b) use of bond energy data
עברית
  1. יישם את חוק הייס לבניית מחזורי אנרגיה פשוטים
  2. בצע חישובים באמצעות מחזורים ומונחי אנרגיה רלוונטיים, כולל: (א) קביעת שינויי אנثالפיה שאינם ניתנים למדידה ישירה בניסוי; (ב) שימוש בנתוני אנרגיות קישור

Source: Cambridge International syllabus · ⁨מקור: הסיילבוס הבינלאומי של קמבריד'ג'⁩

English

Hess's law 盖斯定律 says that the total enthalpy change for a reaction is the same, no matter which route you take from reactants to products. This is because energy is conserved.

This lets you draw an energy cycle 能量循环: link the reactants and products by a direct step and by an indirect route, then add the steps so that both routes give the same total.

Hess's law is useful in two ways:

  • it lets you find an enthalpy change that you cannot measure directly (for example, the formation of a compound that forms slowly or with side reactions).
  • it lets you calculate $\Delta H_r$ from bond energy data, or from formation or combustion data given in the question.
עברית

חוק הייז קובע ששינוי האנתלפיה הכולל בתגובה הוא זהה, ללא תלות בדרך הנקטת מן המגיבים למוצרים. הדבר נובע מכך שהאנרגיה שמורה.

דבר מאפשר לך לצייר מחזור אנרגטי: לקשר בין המגיבים והמוצרים דרך שלב ישיר ודרכו עקיפה, ולאחר מכן לחבר את השלבים כך שתרחישים שני התבוננות יובילו לאותו סכום כולל.

מחזור הייז משולש המקשר בין מגיבים למוצרים ישירות ובאמצעות ביניים, עם שלושה שינויי אנתלפיה מסומנים
הדרך הישירה שווה לדרך העקיפה, ולכן $\Delta H_r = \Delta H_1 + \Delta H_2$

חוק הייז בעל שימושיות בשתי דרכים:

  • הוא מאפשר למצוא שינוי אנתלפיה שאין ניתן למדוד ישירות (למשל, יצירת תרכובת שנוצרת באיט או עם תגבות לוואי).
  • הוא מאפשר לחשב $\Delta H_r$ מתוך נתוני אנרגיית קשר, או מתוך נתוני יצירה או בעירה הנתונים בשאלה.
Explore · ⁨חקור⁩

Hess's law cycle · ⁨מחזור חוק הס⁩

Enthalpy change is the same whichever route you take — so an unknown ΔH can be found by an alternative path. · ⁨שינוי האנתלפיה זהה לא משנה באילו מסלול תלכו — כך ש-ΔH לא ידוע ניתן למצוא דרך מסלול חלופי.⁩

5.2

Exam tips · ⁨טיפים לבחינות⁩

English
  • Define each enthalpy change with its exact standard conditions (e.g. combustion = one mole burned completely in excess oxygen).
  • Use $\Delta H = \sum(\text{bonds broken}) - \sum(\text{bonds made})$; breaking is endothermic ($+$), making is exothermic ($-$) — getting the sign the wrong way round is the classic error.
  • In $q = mc\Delta T$ use the mass of the water/solution, then divide by moles and add the minus sign for an exothermic reaction.
  • Draw Hess cycles with arrows the same way round, follow the alternative route, and always give $\Delta H$ a sign and units ($\text{kJ mol}^{-1}$).
עברית
  • הגדר כל שינוי אנתלפיה עם תנאי הסטנדרט המדויקים שלו (למשל, בעירה = מול אחד שנשרף במלואו בחמצן עודף).
  • השתמש ב$\Delta H = \sum(\text{bonds broken}) - \sum(\text{bonds made})$; שבירה היא אנדותרמית ($+$), יצירה היא אקסותרמית ($-$) — טעות נפוצה היא להפוך את הסימן.
  • ב$q = mc\Delta T$ השתמש במסת המים/פתרון, חלק לפי המולים והוסף את הסימן השלילי עבור תגובה אקסותרמית.
  • ציירו מחזורי היס עם חצים באותה כיוון, עקבו אחר הדרך החלופית, ותמיד תנו ל$\Delta H$ סימן ויחידות ($\text{kJ mol}^{-1}$).

Interactive lessons on this topic · ⁨שיעורים אינטראקטיביים בנושא זה⁩

Work through it step by step, with instant-check exercises. · ⁨לעבור על הדברים צעד אחר צעד, עם תרגילים לבדיקה מיידית.⁩

Past Papers · ⁨מבחני עבר⁩

More topics in A-Level Chemistry · ⁨כימיה A-Level⁩ · ⁨נושאים נוספים בA-Level Chemistry · ⁨כימיה A-Level⁩⁩

Log in or create account · ⁨היכנס או צור חשבון⁩

IGCSE, A-Level & AP