سرعة التفاعلات الكيميائية |
|
||||
| صدأ السيارة يحدث ببطء | |
| وبسبب تفاوت التفاعلات الكيميائية في سرعتها تبرز أهمية دراسة سرعة التفاعلات للحاجة في بعض الأحيان إلى تسريع بعضها للحصول على نواتج مفيدة في مدة زمنية معقولة، وفي بعض الأحيان إلى تقليل سرعة بعض التفاعلات الأخرى (كصدأ الحديد). فكيف يمكن القيام بذلك؟ وما العوامل التي تؤثر في سرعة التفاعل؟ | |
|
| ثانياً: العوامل التي تؤثر على سرعة التفاعل الكيميائي: تؤثر على سرعة التفاعل الكيميائي (إما بالزيادة أو النقصان) عدة عوامل هي: 1 ـ طبيعة المواد الداخلة في التفاعل. 2 ـ تركيز المواد الداخلة في التفاعل. 3 ـ التغير في درجة الحرارة. 4 ـ وجود العوامل الحفازة (المساعدة). |
| 1 ـ طبيعة المواد الداخلة في التفاعل: أ- عدد الروابط: عند مقارنة تفاعل الأكسجين مع أكسيد النيتريك والميثان كل على حدة عنده درجة الحرارة العادية، نجد أن أكسدة أكسيد النيتريك أسرع من أكسدة الميثان.
ولما كانت ظروف التفاعلين واحدة، فإن الفرق في السرعة بينهما راجع إلى اختلاف طبيعة المواد المتفاعلة. |
وعند مقارنة عدد الروابط في كلٍّ من n =o و ![]() نجدها في الميثان أكثر من أكسيد النيتريك، وبالتالي تكون سرعة التفاعلات التي يصاحبها تفكك عدد أقل من الروابط الكيميائية أسرع من التفاعلات التي ![]() يصاحبها تفكك عدد أكبر من الروابط الكيميائية. أي من المعادلتين التاليتين تتم بسرعة أكبر: |
|
|
|
|
نوع الروابط:
المركبات الأيونية سريعة في تفاعلاتها، لأن التفاعل يتم بين الأيونات وفقاً للمعادلة التالية:
|
أما المركبات التساهمية فهي عادة بطيئة في تفاعلاتها لأن التفاعل يتم بين الجزيئات.
|
مما سبق يتضح أن سرعة التفاعل تعتمد على تركيب المواد المتفاعلة وطبيعتها.
إن سرعة التفاعلات الكيميائية تختلف باختلاف طبيعة المواد الداخلة في التفاعل (نوعها وحالتها الفيزيائية). فعلى سبيل المثال إذا كان لدينا قطعتان إحداهما من فلز الصوديوم والأخرى من فلز المغنيسيوم ولهما نفس الحجم والشكل ووضعنا كل قطعة في الماء فإننا نلاحظ أن قطعة فلز الصوديوم تتفاعل بشدة أكثر من قطعة فلز المغنيسيوم وهذا دليل على أن سرعة التفاعل تعتمد على الصفات الكيميائية للمواد المتفاعلة حيث أن فلز الصوديوم أكثر نشاطاً كيميائياً من فلز المغنيسيوم.
كذلك تعتمد سرعة التفاعل على الحالة الفيزيائية للمواد المتفاعلة حيث نجد أن بعض المواد لا يمكن أن تتفاعل مع بعضها في الحالة الصلبة بينما محاليلها تتفاعل بسهولة , ومثال ذلك: عند خلط كمية صلبة وجافة من كبريتات البوتاسيوم k2so4 مع كمية صلبة وجافة من نترات الباريوم ba(no3)2 لا يحدث أي تفاعل بينهما, ولكن عند خلط محلولين منهما بتراكيز معينة فإنهما يتفاعلان بسرعة ويتكون راسب أبيض من كبريتات الباريوم كما توضح المعادلة التالية:
| ba++(aq) + so--4(aq) baso4(s) |
بالجملة فإن تفاعل الأيونات أسرع من تفاعل الذرات والجزيئات, وتفاعل الذرات أسرع من تفاعل الجزيئات, وتفاعل الجزيئات قليلة الروابط أسرع من تفاعل الجزيئات كثيرة الروابط, وتفاعل الأيونات البسيطة أسرع من تفاعل الأيونات الحاوية على روابط تساهمية يلزم تفكيكها, كما تقل سرعة التفاعل الكيميائي كلما زاد عدد الروابط اللازم تفكيكها.
|
2-تركيز المواد الداخلة في التفاعل:
في التفاعلات غير المتجانسة:
كتفاعل مادة صلبة مع مادة سائلة تعتمد سرعة التفاعل على مساحة منطقة تماس المواد المتفاعلة.
نلاحظ أن سرعة التفاعل في المادة المفتتة أ أسرع منها في المادة غير المفتتة ب.
| 2-تركيز المواد الداخلة في التفاعل: أما في التفاعلات المتجانسة فإن سرعة التفاعل تعتمد على درجة تركيز المواد الداخلة في التفاعل. ويعبر عن هذا التركيز بالمولارية (molarity) في حالة المحاليل السائلة، وبالضغط الجزئي في حالة المحاليل الغازية.
* مولارية المحلول في بأكبر بأربعة مرات من مولارية المحلول في أ
|
نستنتج مما سبق:
1 ـ تزداد سرعة التفاعلات بزيادة تركيز المواد المتفاعلة.
2 ـ تزداد سرعة التفاعلات غير المتجانسة بزيادة مساحة سطح التلامس بين المواد المتفاعلة نتيجة تفاعل
جزيئات أكثر في زمن معين، ويظهر ذلك في تفاعل المادة على شكل مسحوق، أما في حالة الكتلة الصلبة
المتماسكة فالتفاعل يحدث على السطح الخارجي.
|
3 ـ درجة حرارة التفاعل:
تطبيقات:
| الحرارة | التطبيق | |
| رفع |
في أواني الضغط (القدور الكاتمة) يزداد ضغط البخار داخلها، فيؤدي إلى ارتفاع درجة الغليان، فتزداد سرعة طهو الطعام. |
|
| رفع | يتم تحضير الأمونيا من النيتروجين والهيدروجين عند درجات الحرارة العالية لأجل زيادة سرعة التفاعل والحصول على كمية أكبر في فترة زمنية أقل. | |
| خفض |
ارتفاع درجة الحرارة يساعد على سرعة تحلل المواد الغذائية مما يؤدي إلى فسادها، لذلك تحفظ المواد الغذائية بالتبريد. |
3 ـ درجة حرارة التفاعل:
تجربة:
الهدف: دراسة تأثير التغير في درجة الحرارة على سرعة التفاعل.
الأدوات والمواد: * ثلاثة كؤوس زجاجية(250 مل).
* ثلاثة أنابيب اختبار.
* فينولفثالين.
* ثلج.
* ماء مقطر.
خطوات العمل:
املأ كل واحد من أنابيب الاختبار إلى نصفه بالماء المقطر، ثم أضف إلى كل أنبوب 3-4 قطرات من الفينولفثالين، ثم رقم الأنابيب بالأرقام 1 ، 2 ، 3 على التوالي.
* اغمس الأنبوب رقم 1 في كأس زجاجي يحتوي على ماء مغلي.
*اغمس الأنبوب رقم 2 في كأس زجاجي يحتوي على ماء عادي.
*اغمس الأنبوب رقم 3 في كأس زجاجي يحتوي على ماء وقطع من الثلج.
ثم ضع في كل أنبوب شريطاً من المغنسيوم ذي طول ثابت 1سم.
3 ـ درجة حرارة التفاعل:
تجربة:
|
الملاحظات:
* اللون الزهر الغامق يكون أكثر ظهوراً في أنبوب الاختبار رقم 1
* اللون الزهر الغامق يكون أقل ظهوراً في أنبوب الاختبار رقم 3.
النتيجة:
* الأنبوب الذي يجري فيه التفاعل بشكل أسرع هو الأنبوب رقم 1 وهو الأنبوب ذو درجة الحرارة الأعلى.
* الأنبوب الذي يجري فيه التفاعل بشكل أقل هو الأنبوب رقم 3 وهو الأنبوب ذو درجة الحرارة الأدنى.
| تزداد سرعة التفاعل الكيميائي بزيادة درجة الحرارة وتقل بانخفاضها، أي أن سرعة التفاعل تتناسب طردياً مع درجة الحرارة. |
| 4 ـ العوامل الحفازة: مادة تسبب تغيراً في سرعة التفاعل، ولكنها لا تتغير عند انتهاء التفاعل ويمكن استعادتها. أغلب العوامل الحفازة تزيد من سرعة التفاعل ويسمى حفزاً موجباً وبعضها يقلل من سرعة التفاعل ويسمى حفزاً سالباً، ولبيان أثر العوامل الحفازة على سرعة التفاعل:
|
|||||||
أمثلة على العوامل الحفازة وأهمية كل منها في المختبر والصناعة وفي جسم الإنسان:
وتجدر الإشارة هنا إلى وجود مواد تعوق عمل المواد الحافزة إذا وجدت في وسط التفاعل وتعرف هذه المواد بالسموم. فالكبريت مثلاً من شأنه أن يعيق عمل أكاسيد الحديد كمادة حافزة تساعد على زيادة سرعة تفاعل النيتروجين مع الهيدروجين في صناعة النشادر, كذلك وجود الرصاص في وقود السيارات يعيق عمل المادة الحافزة التي تزود بها بعض السيارات للتحكم بغازات العادم. لذا يجب استخدام الوقود الخالي من الرصاص في السيارات المزودة بهذا النوع من المحفزات المقاومة للتلوث. |
للعوامل الحفازة (المساعدة) بعض الخواص المشتركة مثل:
1) لا يتغير العامل الحفاز كيميائياً في نهاية التفاعل, وتكون كميته عند نهاية التفاعل هي نفسها عند بدء التفاعل. فالعامل الحفاز قد يشترك كيميائياً في إحدى خطوات التفاعل (تكوين مركبات وسطية أثناء التفاعل) ثم يسترجع في خطوة أخرى بطريقة كيميائية أيضاً. ولهذا فإنه لا يظهر بشكل مادة متفاعلة أو ناتجة في المعادلة الكيميائية الموزونة لأي تفاعل ويدلل على وجوده بكتابة اسمه أو صيغته الكيميائية فوق السهم كما في المعادلة التالية:
| 2h2o2 2h20 + o2 |
2) تكفي كمية صغيرة من العامل الحفاز في أغلب الأحيان لإتمام أكبر جزء من التفاعل.
3) العامل الحفاز لا يبدأ التفاعل ولكنه يعمل على إسراع التفاعل لو كان سائراً ببطء شديد, حيث يؤدي إلى الوصول بالجزيئات إلى حالة عالية من الطاقة يمكنها عندها من التفاعل لأنها لم يكن عندها الطاقة الكافية لتقوم بهذا التفاعل في غياب العامل الحفاز. فمثلاً عند تفكك كلورات البوتاسيوم kclo3 حرارياً يجب أن تسخن مادة كلورات البوتاسيوم لدرجات حرارة عالية من أجل أن تتفكك, ولكن عند استخدام ثاني أكسيد المنجنيز (mno2) كعامل حفاز يحدث التفاعل عند درجات حرارة منخفضة نسبياً كما يتضح من المعادلتين التاليتين.
| 2kclo3 2kcl + 3o2 |
| 2kclo3 2kcl + 3o2 |
4) لكل عامل حفاز تأثيره الخاص به ودرجة حرارة معينة يكون العامل الحفاز عندها له أكبر قدرة على الحفز.
5) العوامل الحفازة لها دور هام في خفض مقدار طاقة التنشيط اللازمة لحدوث التفاعل مما يؤدي إلى الإسراع في حدوثه إذ أنها تمهد طريقاً أسهل تسلكه المواد المتفاعلة لتعطي نواتج التفاعل بحيث تحتاج هذه الطريقة إلى كمية من الطاقة (طاقة التنشيط ea) تقل عن الطاقة المطلوبة في غياب المواد الحفازة كما يتضح من الشكل .
|
||
| سير التفاعل في وجود مادة حفازة | سير التفاعل بدون مادة حفازة | |
الشكل السابق يوضح تأثير العامل الحفاز على التفاعل التالي:
| a + b c + d |
وتُعرّف طاقة التنشيط activation energy بأنها «الحد الأدنى (أقل مقدار) من الطاقة الذي يجب أن تمتلكه الجزيئات المتفاعلة لكي تتفاعل» ويرمز لها بالرمز ea.
وتتوقف طاقة التنشيط على طبيعة المواد المتفاعلة، فبعض التفاعلات طاقة تنشيطها عالية وهذه التفاعلات بطيئة لأن نسبة تنشيطها صغيرة، وهذه تفاعلات سريعة لأن بها عدد أكبر من الدقائق المتفاعلة التي تمتلك طاقة حركية كافية لإحداث التفاعل بينها.
كما أن قيمة طاقة التنشيط لا تتغير مع ارتفاع درجة الحرارة وإنما يؤدي رفع درجة الحرارة إلى زيادة عدد الجزيئات التي تمتلك طاقة التنشيط ومن ثم زيادة عدد التصادمات التي تؤدي إلى تفاعل منتج وهذا من شأنه زيادة سرعة التفاعل.
|
رابعاً: نظرية التصادم:
لتفسير أسباب الاختلاف في سرعة التفاعلات الكيميائية وضعت نظرية تسمى نظرية التصادم وأهم فروضها: 1 ـ لا يحدث التفاعل الكيميائي إلا إذا تصادمت جزيئات المواد المتفاعلة.
3 ـ تزداد سرعة التفاعل الكيميائي بزيادة عدد التصادمات الفعالة. |
يتضح مما سبق أن التصادم الفعال هو "التصادم الذي يتوافر فيه طاقة كاقية للجزيئات المتفاعلة ويتم في الاتجاه المناسب وينتج منه مواد ناتجة" ونظرية التصادم تفسر - من الناحية الوصفية - بعض العوامل التي تؤثر على سرعة التفاعل الكيميائي كما يلي:
|
1 ـ طبيعة المواد المتفاعلة:
| تعتمد سرعة التفاعل الكيميائي على طبيعة المواد المتفاعلة لأن الطاقة المنشطة تختلف من تفاعل لآخر. |
2 ـ التركيز:
| كلما زاد تركيزالمواد المتفاعلة، يزداد عدد الجزيئات وبالتالي تزداد فرص اصطدام الجزيئات مع بعضها وهذا يؤدي إلى زيادة سرعة التفاعل. |
3 ـ درجة الحرارة:
| رفع درجة الحرارة يعمل على زيادة حركة الجزيئات وبالتالي زيادة عدد الصدمات الفعالة، وهذا ما يؤدي إلى زيادة سرعة التفاعل. |
4 ـ العوامل الحفازة:
| تزيد سرعة التفاعل في وجود العوامل الحفازة. فالعامل الحفاز يزيد من الاصطدامات الفعالة، حيث تتفاعل واحدة أو أكثر من المواد المتفاعلة مع العامل الحفاز وتنتج مادة وسيطة أو أكثر يكون تفاعلها أسرع من المادة الأصلية. |
| ظروف التفاعل: الحرارة ثابتة. عدد الجزيئات لايتغير. الحجم يتغير بين: 1- حجم أكبر. 2- متوسط. 3- حجم أصغر. |
|
|||
|
| ظروف التفاعل: الحرارة ثابتة. الضغط ثابت (الحجم لا يتغير). التركيز يتغير (عدد الجزيئات يتغير) بين: 1- منخفض. 2- متوسط. 3- مرتفع. |
التركيز
|
|||
| أ ـ إذا تفاعلت مادتان a زرقاء اللون و b حمراء اللون في حيز محدود، فإن جزيئات المادة (a) تصطدم مع جزيئات المادة (b) بعدد محدود من الصدمات في الثانية الواحدة.
ب ـ إذا ضاعفنا تركيز المادة (b) تزداد فرص الاصطدام إلى الضعف
ج ـ إذا أنقصنا تركيز المادة (a) إلى النصف تنخفض فرص الاصطدام إلى النصف وتنخفض سرعة
|
||||
|
| ظروف التفاعل: التركيز ثابت (عدد الجزيئات لايتغير). الضغط ثابت (الحجم لا يتغير). الحرارة تتغير بين: 1- منخفضة. 2- متوسطة. 3- مرتفعة. |
الحرارة
|
|||
| رفع درجة الحرارة يكسب الجزيئات قدراً من الطاقة فتزداد سرعتها، مما يؤدي إلى زيادة عدد الصدمات الفعالة، وهذا يؤدي إلى زيادة سرعة التفاعل. | ||||
نظرية الحالة الانتقالية
|
||||
|
إن إمكانية حصول تفاعل كيميائي نتيجة لتصادم مثمر تتطلب شرطين:
2- أن تتخذ الوحدات-الجزيئات أو الذرات أو الأيونات-أوضاعاً مناسبة لبعضها البعض من حيث المسافة والاتجاه.
|
||||||||||||
ثالثاً: ميكانيكية التفاعل:
| عدد خطوات التفاعل | مثال | |||||||||||||||||||
| خطوة |
|
|||||||||||||||||||
| خطوتان |
وجد بالتجربة العملية، أنه عند درجات الحرارة الأقل من 227°س يحدث هذا التفاعل في خطوتين كالتالي:
|
|||||||||||||||||||
| أكثر من خطوتين | تفاعل غاز الهيدروجين مع اليود لتكوين يوديد الهيدروجين كالتالي.
|
|
قانون سرعة التفاعل:
لكل تفاعل كيميائي قانون يحكم سرعته ويجب التأكيد على أنه لا يمكن التنبؤ بقانون سرعة التفاعل بمجرد النظر إلى المعادلة الكيميائية لأنها قد تكون محصلة لتفاعلات مرحلية مختلفة.
وليس جميع التفاعلات الكيميائية تتم في خطوة واحدة لذلك لابد من معرفة خطوات التفاعل المكونة للتفاعل الكلي وتختلف سرعة هذه الخطوات بعضها عن بعض وتعرف أبطأ هذه الخطوات بأنها
| الخطوة المحددة لسرعة التفـاعل |
.
ومن الأمثلة على التفاعلات التي تتم في عدة خطوات التفاعل التالي:
2h2 + 2no ![]() n2 + 2h2o |
حيث وجد بالتجربة أن قانون سرعة هذا التفاعل هو:
سرعة التفاعل = ثابت [h2] × [no]2
ونلاحظ أن هذا القانون لا يتفق مع المعادلة الرئيسية للتفاعل. مما يعني أن التفاعل لا يحدث في خطوة احدة, ولقد وجد أنه يحدث في خطوتين هما:
| بطيء | h2o | + | n2o | 2no | + | h2 | |
| سريع | h2o | + | n2 | n2o | + | h2 |
ومنه نجد أن قانون سرعة التفاعل يتفق مع الخطوة البطيئة وهي الخطوة المحددة لسرعة التفاعل.
ولفهم الخطوة المحددة لسرعة التفاعل الكيميائي دعنا ننظر إلى المثال التالي:
لنفرض أن هناك مجموعة من السيارات تسير على جسر يربط بين ضفتي نهر ويستوعب المسار الواحد
|
أربع سيارات في وقت واحد وفي جزء من هذا الجسر يوجد أعمال صيانة بحيث يضيق الجسر ولا يسمح إلا بمرور سيارة واحدة فقط ففي هذه الحالة الخطوة التي تحدد سرعة انتقال السيارات إلى الضفة الأخرى من النهر هي المنطقة التي يضيق فيها الطريق لأنها هي أبطأ خطوة يتم فيها تدفق السيارات.
العوامل التي تؤثر على سرعة التفاعل الكيميائي:
تؤثر على سرعة التفاعل الكيميائي (إما بالزيادة أو النقصان) عدة عوامل هي:
| العامل | تأثيره على سرعة التفاعل |
| 1 ـ طبيعة المواد الداخلة في التفاعل. أ- عدد الروابط. ب- نوع الروابط. جـ النشاط الكيميائي. د- الحالة الفيزيائية. |
أ- كلما قلت الروابط التي يلزم تفكيكها كلما كان التفاعل أسرع. ب- المركبات الأيونية أسرع تفككاً من المركبات التساهمية. جـ المادة ذات النشاط الكيميائي الأكبر تتفاعل بشكل أسرع. د- بعض المواد لا يمكن أن تتفاعل مع بعضها في الحالة الصلبة بينما محاليلها تتفاعل بسهولة. |
| 2 ـ تركيز المواد الداخلة في التفاعل. | 2 ـ تزداد سرعة التفاعل بزيادة تركيز المواد الداخلة في التفاعل، والعكس صحيح. |
| 3 ـ التغير في درجة الحرارة. | 3 ـ تزداد سرعة التفاعل برفع درجة الحرارة، والعكس صحيح. |
| 4 ـ وجود العوامل الحفازة. | 4 ـ أغلب العوامل الحفازة تزيد من سرعة التفاعل ويسمى حفزاً موجباً وبعضها يقلل من سرعة التفاعل ويسمى حفزاً سالباً. |
|
| تعريفات | |
| التفاعلات المتجانسة | تتم في وسط متجانس من حالة واحدة من حالات المادة (غازية، سائلة، أو صلبة) |
| التفاعلات غير المتجانسة | يمكن فيه تمييز أكثر من حالة واحدة من حالات المادة أو أكثر من طبقة واحدة في الحالة الواحدة. |
| طاقة التنشيط | الحد الأدنى (أقل مقدار) من الطاقة الذي يجب أن تمتلكه الجزئيات المتفاعلة لكي تتفاعل. |
| العامل الحفاز | مادة تسبب تغيراً في سرعة التفاعل، ولكنها لا تتغير عند انتهاء التفاعل ويمكن استعادتها. |
| ميكانيكية التفاعل | الخطوات المتسلسلة التي توضح التفاعل. |
| الخطوة الأولية | أحد خطوات التفاعل الذي يحدث بأكثر من خطوة. |
| المعادلة النهائية | المعادلة الناتجة عن جمع الخطوات الأولية. |
| المادة الوسيطة | المادة التي تظهر في خطوات التفاعل الأولية ولا تظهر في المعادلةالنهائية. |
| نظرية التصادم: لتفسير أسباب الاختلاف في سرعة التفاعلات الكيميائية وضعت نظرية تسمى نظرية التصادم وأهم فروضها: 1 ـ لا يحدث التفاعل الكيميائي إلا إذا تصادمت جزيئات المواد المتفاعلة. 2 ـ التصادمات بين الجزيئات إما أن تكون مثمرة أو غير مثمرة، والتصادمات المثمرة فقط هي التي تُحدث التفاعل الكيميائي. 3 ـ تزداد سرعة التفاعل الكيميائي بزيادة عدد التصادمات الفعالة. |
|
عرف ما يلي:
| ميكانيكية التفاعل | |
| الخطوة الأولية | |
| المعادلة النهائية | |
| المادة الوسيطة | |
| التصادم المثمر | |
|
عرف ما يلي:
| طاقة التنشيط | |
| العامل الحفاز | |
| التفاعلات المتجانسة | |
| التفاعلات غير المتجانسة | |
|
|
|
اختر التفاعل المثمر مما يلي:
|
|
|
|
اختر المناسب مما يلي:
|
اختر الإجابة الصحيحة لكل من العبارات التالية:
اختر التفاعل المثمر مما يلي:
|
|
|
اختر الإجابة الصحيحة لكل من العبارات التالية:
إحدى العبارات التالية صحيحة وهي:
تتوقف طاقة التنشيط على طبيعة المواد المتفاعلة. |
تتوقف طاقة التنشيط على طبيعة المواد الناتجة. |
تتغير قيمة طاقة التنشيط مع ارتفاع درجة الحرارة. |
تزداد طاقة التنشيط في وجود العامل الحفاز. |
اختر الإجابة الصحيحة لكل من العبارات التالية:
اكسدة أكسيد النيتريك _______ أكسدة الميثان.
أسرع من |
أبطأ من |
تساوي سرعة |
اختر الإجابة الصحيحة لكل من العبارات التالية:
تفاعل المادة على شكل مسحوق _____ تفاعلها في حالة الكتلة الصلبة المتماسكة.
أسرع من |
أبطأ من |
يساوي سرعة |
اختر الإجابة الصحيحة لكل من العبارات التالية:
تقاس سرعة التفاعل عملياً بحساب:
تركيز المواد المتفاعلة. |
تركيز المواد الناتجة من التفاعل. |
معدل إختفاء إحدى المواد المتفاعلة. |
اختر الإجابة الصحيحة لكل من العبارات التالية:
تفاعل محلول كلوريد الصوديوم مع محلول نيترات الفضة من التفاعلات الكيميائية السريعة بسبب:
تجانس المتفاعلات. |
تفكك المتفاعلات أيونياً. |
تساوي عدد المولات المتفاعلة. |
اختر الإجابة الصحيحة لكل من العبارات التالية:
التفاعلات التي يصاحبها تفكك عدد ______ من الروابط الكيميائية تكون أسرع.
أكبر |
أقل |
اختر الإجابة الصحيحة لكل من العبارات التالية:
سرعة تفاعل المركبات الأيونية ______ المركبات التساهمية.
أبطأ من |
أسرع من |

اختر الإجابة الصحيحة لكل من العبارات التالية:
على الرسم البياني الممثل:
| A + B C + D |
الخط الأخضر يمثل المواد المتفاعلة والخط الأحمر يمثل المواد الناتجة. |
الخط الأخضر يمثل المواد الناتجة والخط الأحمر يمثل المواد المتفاعلة. |
|
طبيعة حالة الاتزان |
|
||||
| تعريف الاتزان الكيميائي: إذا سخنَّا غاز ثاني أكسيد النيتروجين no2 ذا اللون البني الضارب إلى الحمرة مع غاز أول أكسيد الكربون co عديم اللون, فأن لون ثاني أكسيد النيتروجين يفتح نتيجة لتفاعل جزء منه بأول أكسيد الكربون لينتجا غازي ثاني أكسيد الكربون co2, وأول أكسيد النيتروجين no عديمي اللون كما رأينا في الشكل (1 - 4) وفقاً للمعادلة التالية:
(4-2)
وإذا مزجنا غازي ثاني أكسيد الكربون واول أكسيد النيتروجين عديمي اللون, فإن لوناً ضارباً إلى الحمرة يظهر نتيجة لتكون غاز ثاني أكسيج النيتروجين وفقا للمعادلة (5-2).
(5-2)
وطالما أن الأمرين ممكنان فإنه يمكننا كتابة ما حدث فيما على الصورة:
(6-2)
ويمكن الاستعاضة عن العلامة |
| وحقيقة ما يحدث عند مزج ثاني أكسيد النيتروجين مع أول أكسيد الكربون هي ان الغازين يتفاعلان وفقا للمعادلة (4 - 2), إلا أنه بمجرد تكون كمية مناسبة من غازي ثاني أكسيد الكربون وأول أكسيد النيتروجين فإن الغازين الأخيرين يتفاعلان وفقا للمعادلة (5-2). ويستمر الوضع في تغير إلى أن تصبح سرعة التفاعل (4-2) مساوية لسرعة التفاعل (5-2), وعندما يثبت لون المزيج ولا يعتريه أي تغير ملحوظة. ويصبح المزيج عندئذ في حالة اتزان. أي أنه يمكن تعريف حالة الاتزان الكيميائي بأنها الحالة التي تكون فيها سرعتا التفاعلين العكسيين متساوية, وعندها تظل تراكيز المواد المكونة للمجموعة الكيميائية ثابتة لا تتغير بمرور الوقت طالما لم تتغير الظروف الخارجية. |
|
| تغير سرعة التفاعل مع زمن التفاعل: بين الرسم البياني (الشكل 2-1) التغيرات التي تحصل في سرعة التفاعل كل من المواد المتفاعلة والمواد الناتجة مع الزمن, وكذلك يبين حالة الاتزان التي لا يحدث فيها أي تغيير في سرعة التفاعل مع مرور الوقت. ويبين الرسم البياني أن سرعة التفاعل بين co وno2 عند بدأ التفاعل تكون اكبر بكثير من سرعة التفاعل بين co2 وno. ومع مرور الزمن تنقص تراكيز co وno2 تدريجيا وبالتالي تقل سرعة تفاعلهما. وبالمقابل تزداد تراكيز co2 وno تدريجيا قتزداد سرعة التفاعل بينهما, حتى تصل إلى حالة تتساوى عندها سرعة التفاعل بين المواد المتفاعلة وبين المواد الناتجة (المعادلة 6-2). وعندما يكون التفاعل قد بلغ حالة الاتزان. وتجدر الملاحظة أنه بعد الوصول إلى حالة الاتزان, لا يحدث أي تغيير في تركيز المواد أيصاً. وسوف يتم في هذا الفصل بمشئة الله دراسة طبيعة حالة الاتزان والعوامل المؤثرة فيها. |
شكل (1-2) التغير في سرعة التفاعل مع مرور الزمن
|
| أولاً: الإتزان الطبيعي: يوجد كثير من الظواهر الطبيعية التي يتضح فيها مفهوم الإتزان مثل دورات الأكسجين، النيتروجين، الماء، والسكر في الدم، حيث تبقى نسبة كل منها ثابتة. فمثلاً في دورة السكر في الدم، نجد أنه كلما زادت كمية السكر في دم الإنسان السليم عن حد معين، يعمل الجسم على إنقاصها، بتخزين جزء منه على صورة جليكوجين، أما إذا نقصت كمية السكر في الدم عن الحد المناسب، يتحول جزء من الجليكوجين المختزن إلى سكر، وهكذا تظل نسبة السكر في الدم ثابتة. |
تسخين كمية من الماء في إناء مغلق
عند بداية التسخين تزداد سرعة التبخير وبالتالي تزداد كمية البخار الموجودة فوق سطح السائل تدريجياً، وفي الوقت نفسه تحدث عملية عكسية هي عملية التكثيف للبخار الموجود فوق سطح الماء، وحيث إن عملية التبخير هي السائدة عند بداية التسخين، فإن سرعة التبخير تكون أكبر من سرعة التكثيف، وبمرور الوقت تتزايد سرعة عملية التكثيف حتى تتساوى سرعة عمليتي التبخير والتكثيف مع ثبات درجة حرارة السائل، وحينئذٍ نصل إلى حالة الإتزان الديناميكي والتي يعبر عنها كالتالي:
والرسم البياني يوضح حالة الإتزان السابقة. |
| ثانياً: التفاعلات الانعاكسية وغير الانعكاسية: التفاعلات غير الانعكاسية تحدث في اتجاه واحد، حيث لا تتفاعل المواد الناتجة مع بعضها البعض لتعطي المواد المتفاعلة. غالباً ما يتصاعد غاز ويترك حيز التفاعل أو يتكون راسب لا يتفاعل مع النواتج الأخرى.
|
التفاعلات الإنعكاسية تحدث في اتجاهين:
المواد الناتجة من التفاعل، تتفاعل مع بعضها البعض لتكون المواد المتفاعلة، أي يوجد تفاعلان:
أحدهما أمامي في اتجاه تكون المواد الناتجة والآخر عكسي في اتجاه تكون المواد المتفاعلة.
يعبر عن التفاعل بمعادلة واحدة تحوي سهمين :
| h2(g) + br2(g) |
|
2hbr(g) |
| ch3cooc2h5 + h2o |
|
ch3cooh + c2h5oh |
وتقسم التفاعلات الإنعكاسية إلى:
(أ) تفاعلات إنعكاسية متجانسة homogeneous reversible reactions
ومن أمثلتها:
(1) تفاعل حمض الإيثانويك مع الميثانول (الكحول الميثيلي) لتكوين إيثانوات الميثيل والماء.
| ch3cooch3(l) + h2o(l) | ch3cooh(l) + ch3oh(l) |
(2) تأين الأحماض الضعيفة والقواعد الضعيفة:
| ch3cooh(aq) ch3coo-(aq) + h+(aq) |
| nh4oh(aq) nh+4(aq) + oh-(aq) |
(3) تفاعل ثاني أكسيد الكبريت مع الأكسجين لتكوين ثالث أكسيد الكبريت (في إناء مغلق).
| 2so2(g) + o(g) 2so3(g) |
وتسمى هذه التفاعلات, تفاعلات إنعكاسية متجانسة, وتكون فيها جميع المواد الداخلة في التفاعل والناتجة من التفاعل في حالة واحدة من حالات المادة كما في الأمثلة السابقة.
(ب) تفاعلات إنعكاسية غير متجانسة heterogeneous reversible reactions
وفيها توجد المواد المتفاعلة والناتجة من التفاعل في أكثر من حالة واحدة من حالات المادة وتتم في حيز مغلق مثل:
(1) انحلال كربونات الكالسيوم بالحرارة وتكون أكسيد الكالسيوم وثاني أكسيد الكربون.
| caco3(s) cao(s) + co2(g) |
(2) إمرار بخار الماء على الحديد المسخن لدرجة الإحمرار لتكوين أكسيد الحديد المغناطيسي والهيدروجين.
| 4h2o(g) + 3fe(s) fe3o4(s) + 4h2 (g) |
(3) تسخين كربونات الصوديوم الهيدروجينية لتكوين كربونات الصوديوم والماء وثاني أكسيد الكربون.
| 2nahco3(s) na2co3(s)+ h2o(g) + co2(g) |
|
ثالثاً: الاتزان الكيميائي الديناميكي:
إذا نظرنا إلى إنسان يصعد على سلم كهربائي يتحرك إلى أسفل (الشكل) نلاحظ أحد الاحتمالات التالية:
| أ ـ إذا كانت سرعة صعود الإنسان أكبر من سرعة نزول السلم فإنه يصعد لأعلى. | ب ـ إذا كانت سرعة الإنسان أقل من سرعة السلم فإنه يهبط إلى أسفل. | ج ـ إذا كانت سرعة الإنسان تساوي سرعة السلم يظهر كأنه ثابت في مكانه، وهذا يمثل حالة الاتزان في التفاعلات الإنعكاسية. |
|
|
|
الاتزان الكيميائي الديناميكي:
أ ـ العلاقة بين سرعة التفاعل والزمن في التفاعلات الإنعكاسية.
في بداية التفاعل تكون سرعة التفاعل الأمامي بين بخار الماء وأول أكسيد الكربون أكبر ما يمكن وسرعة التفاعل العكسي صفراً.
وبمرور الوقت تقل سرعة التفاعل الأمامي وتزداد سرعة التفاعل العكسي |
ب ـ في حالة العلاقة بين تركيز المواد والزمن، ندرس التفاعل التالي:
أن تركيز المواد المتفاعلة (النيتروجين والهيدروجين) يقل بمرور الزمن، ويزداد تركيز المواد الناتجة (الأمونيا) إلى أن تثبت تراكيز المواد في النظام عند حالة الإتزان. |
طبيعة حالة الاتزان:
لقد درسنا حالة الاتزان عند دراسة تغير حالات المادة فإذا أضفنا قليلاً من ملح برمنجنات البوتاسيوم إلى كمية من الماء، نجد أن الملح يذوب مضيفاً على الجزء المحيط من الماء لوناً أرجوانياً.
وكلما أضفنا مزيداً من برمنجنات البوتاسيوم. يزداد اللون الأرجواني في المحلول وضوحاً. إلى أن يصل المحلول حد لا يستطيع بعده أن يذيب مزيداً من ملح برمنجنات البوتاسيوم الصلب وعند هذا الحد فإن أعيد إضافة المزيد من الملح تجعله يرسب إلى قاع الإناء وهنا يكون المزيج إتزان وهي الحالة التي تكون عندها الخواص المنظورة والملموسة للمزيج ثابت.
ـ الواقع أن وحدات (جزئيات أو أيونات) المواد عند حالة الاتزان تظل في تغيير مستمر، فوحدات برمنجنات البوتاسيوم الصلبة ـ حتى عند حالة الاتزان، تذوب في الماء ويقابل هذا الذوبان ترسب بعض الوحدات الذائبة في المحلول لتكون برمنجنات البوتاسيوم الصلبة وهاتان العمليتان المتضادتان الذوبان و الترسيب تحدثان بسرعة واحدة عند حالة الاتزان قد يبدو للناظر كأن شيئاً لم يتغيّر.
| وتعرف حالة الاتزان في هذا المثال بأنّها "حالة اتزان نشطة" "dynamic equilibriom" لأن التفاعل لا يتوقف عند حالة الاتزان بل يستمر في الإتجاهين المتعاكسين بالسرعة نفسها. |
| رابعاً: قانون فعل الكتلة وثابت الإتزان: توصل العالمان جولدبرج guldberg , وفاج waage عام 1864م إلى علاقة تربط بين سرعة التفاعل الكيميائي وبين الكتلة الفعالة (تركيز المواد المتفاعلة) وقد سميت هذه العلاقة بقانون فعل الكتلة وينص على:
مثال:
حيث a وb وc وd تمثل أعداد مولات المواد a وb وc وd على الترتيب.
|
|
من العلاقة السابقة يتضح أن ثابت اتزان التفاعل هو:
|
وفي التفاعلات الغازية, يتم التعبير عن تركيز الغازات بدلالة الضغوط الجزئية, وفي هذه الحالة يستخدم الرمز kp بدلاً من kc للدلالة على ثابت الاتزان, وفي هذه الحالة يكون:
|
العلاقة بين kp و kc:
r = ثابت الغاز = 0.082 ضغط جوي لتر/مول.
t = درجة الحرارة المطلقة بالكالفن
| n2 - n1 | = n
|
| (c+d) - (a+b) | = |
| مجموع عدد مولات المتفاعلة - مجموع عدد مولات النواتج | = |
| تنبيه: لا يحسب ضمن عدد المولات n1 , n2 إلا المواد التي تظهر في قانون ثابت الاتزان. |
| استنتاج ثابت الاتزان باستخدام التفاعل رغم أن الاتزان هو حقيقة أثبتتها التجارب, إلا أنه بوسعنا أيصاَ استنتاجه من قانون سرعة التفاعل. فإذا أخذنا التفاعل العكسي (8-2) فإننا نجد أنه يتكون من التفاعل:
(2-8أ)
(2-8ب)
وإذا فرضنا ان كلاً من هذين التفاعلين يتم في خطوة واحدة, فإننا نستطيع أن نكتب قانون سرعة التفاعل لكل منها على النحو الآتي:
ويلاحظ أن ثابت الاتزان يعتمد على ثابتي سرعتي التفاعيل اللذين يعتمدان بدورهما على طبيعة المواد الداخلة في التفاعيل والمواد الناتجة منه على التولي, وعل درجة الحرارة. |
||||||||||||||||||||||||||
طرق التعبير عن ثابت الاتزان
تجدر الإشارة هنا إلى أن تركيز المواد في المحاليل السائلة يعبر عنه عادة بالملارية, ويتم التعبير عنها بوضع المادرة بين قوسين مربعين, فتركيز أيونات الحديد (iii) في محلول مائي مثلا يرمز إليه [fe+++] وهكذا.. أما إذا كانت المواد, بعضها أو كلها, الداخلة في التفاعل أو الناتجة منه في الحالة الغازية, فإن التعبير عن تركيزها يتم عادة باستخدام ضغطها الجزئي.
ففي التفاعل h2(g) + i2(g) = 2hi(g)
يعير عن ثابت الاتزان بالرمز kp للدلالة على أن تركيز المواد معبر عنه بالضغط الجزئي: 
كما يمكن أن نعبر عن ثابت الاتزان بالرمز kc لنفس التفاعل للدلالة على أن تركيز المواد معبر عنه بالمولارية: 
ويلاحظ أننا في التعبير عن ثابت الاتزان لتفاعل يحوي مادة صلبة أو أكثر لا نكتب تركيز المواد الصلبة, ففي حالة تفاعل ذوبان كلوريد الفضة:
| agci | (s) | ag | + | (aq) | + | ci | - | (aq) |
وليس 
| والسبب في ذلك هو اننا نعتبر المواد النقية الصلبة ذات تركيز ثابت مهما اختلف كميتها, وبالتالي فإن تركيزها داخل في قيمة ثابت الاتزان (kc). فلو كانت كمية كلوريد الفضة (المادة الصلبة) 5 جم أو 100 جم, لن يؤثر هذا الاختلاف على تركيز أيونات الفضة أو الكلوريد في المحلول (الشكل 2-6). كذلك نعتبر تركيز الماء أو المذيب بوجه عام ثابتاً, لأن قيمته لا تتغير بدرجة ملموسة أثناء التفاعل. |
![]() شكل (2-6): إن تركيز المادة الصلبة كلوريد الفضة ثابت في الحاليتن, بالرغم من اختلاف كميته |
|
كيف نميز ثابت الاتزان ؟
1) يميز ثابت الاتزان (kc) بالمول/لتر إلى مرفوع أس يساوي عدد مولات المواد الناتجة مطروحاً منه عدد مولات المواد المتفاعلة.
مثال:
| n2(g) + 3h2(g) 2nh3(g) |
| = kc | [nh3]2 (مول/لتر)2 | = (مول/لتر)-2 |
| [n2][h2]3 (مول/لتر)3 (مول/لتر) |
2) نميز ثابت الاتزان kp بالضغط الجوي مرفوع إلى أس يساوي مجموع عدد مولات المواد الناتجة مطروحاً منه عدد مولات المواد المتفاعلة.
| = kp | p2nh3 (ضغط جوي)2 | = (ضغط جوي)-2 |
| pn2p3h2 (ضغط جوي)3 (ضغط جوي) |
3) في الحالات التي يتساوى فيها مجموع عدد مولات المواد المتفاعلة الغازية مع مجموع عدد مولات المواد
الناتجة الغازية فإن قيمة ثابت الاتزان kc (أوkp) لا تعتمد على الوحدات المستخدمة أي أنه لا يميز كما
في المعادلة:
| h2(g) + i2(g) 2hi(g) |
مما سبق يتضح لنا أن ثابت الاتزان يساوي النسبة بين حاصل ضرب تركيز المواد الناتجة إلى حاصل ضرب تركيز المواد المتفاعلة كل مرفوع إلى أس يساوي عدد مولاته في المعادلة الكيميائية الموزونة.
وهناك عدة طرق لقياس ثابت الاتزان منها طريقة القياس المباشر لتركيز جميع المواد عند حدوث حالة الاتزان , ثم التعويض في القانون السابق.
دلالة قيمة الإتزان:
1- إذا كان كبيراً (k>1)
إذا كانت قيمة ثابت الاتزان للتفاعل الافتراضي التالي تساوي (2) عند درجة حرارة معينة.
a ![]() b |
|||
|
فهذا يعني أن تركيز b أكبر من تركيز a بمقدار الضعف.
مثال: تفاعل غاز الكلور مع الهيدروجين عند 25°س
| h2(g) + cl2(g) 2hcl(g) |
إذ وجد أن ثابت الاتزان kc لهذا التفاعل = 4.4 × 3210.
| = kc | [hcl]2 | = 4.4 × 3210 |
| [h2][cl2] |
وهذه القيمة الكبيرة تدل على أن هذا التفاعل قد وصل إلى درجة كبيرة من اكتماله, حيث يكون تركيز ما تبقى من المواد المتفاعلة قليلاً جداً مما يدل على أن التفاعل الطردي هو السائد. فمثلاً إذا تفاعل مول واحد من الهيدروجين مع مول واحد من الكلور, فإن كمية قليلة جداً من الهيدروجين والكلور تتبقى بدون تفاعل عند الاتزان.
2- إذا كان صغيراً (k 1)
وإذا كانت قيمة ثابت الاتزان في التفاعل الافتراضي التالي تساوي (0.1).
c ![]() d |
|||
|
فإن تركيز d أقل من c بعشر مرات عند الاتزان.
مثال: انحلال بخار الماء إلى غازي الهيدروجين والأكسجين عند درجة حرارة الغرفة:
إذ وجد أن ثابت الاتزان kc لهذا التفاعل = 1.1 × 81-10مول/لتر. وهذه القيمة الصغيرة جداً لثابت الاتزان تعني أنه عند الاتزان تكون كمية المواد الناتجة ضئيلة جداً مما يدل على أن التفاعل العكسي هو السائد. لذا فإنه يمكن اعتبار أن مثل هذا التفاعل يكاد لا يحدث من الناحية العملية.
| 2H2O(g) 2H2(g) + O2(g) |
|||
| = Kc | [H2]2[O2] | = 1.1 × 81-10 مول/لتر. | [H2O]2 |
| قاعدة عامة: إذا كانت القيمة العددية لثابت الاتزان كبيرة (1 < Kc) فإن موضع الاتزان يقع باتجاه تكوين المواد الناتجة, أما إذا كانت القيمة العددية لثابت الاتزان صغيرة (1 > Kc) فإن موضع الاتزان يقع باتجاه تكوين المواد المتفاعلة |
مثال:
|
نستنتج من ذلك أن قيمة ثابت الاتزان تشير إلى المدى الذي تتحول فيه المواد المتفاعلة إلى نواتج.
|
فإذا كانت قيمة kc أكبر من واحد صحيح (1 < kc) فإن موضع الاتزان يكون إلى جهة المواد الناتجة.
إذا كانت قيمة kc أقل من واحد صحيح (1 > kc) فإن موضع الاتزان يكون إلى جهة المواد المتفاعلة.
التعبير عن ثابت الاتزان (kc) (kp) في التفاعلات الإنعكاسية غير المتجانسة:
علمت سابقاً أن التفاعلات الإنعكاسية غير المتجانسة هي التي توجد فيها المواد المتفاعلة والناتجة في أكثر من حالة واحدة من حالات المادة. وللتعبير عن ثابت الاتزان في مثل هذه التفاعلات, دعنا ندرس تفكك كربونات الصوديوم الهيدروجينية الصلبة حسب الاتزان التالي:
| 2nahco3(s) na2co3(s) + h2o(g) + co2(g) (في حيز مغلق) |
فإن التعبير عن ثابت الاتزان لهذا التفاعل:
| [na2co3] [co2] [h2o] | kc = |
| [nahco3]2 |
وقد اتفق دولياً على اعتبار أن تركيز المواد الصلبة في الأنظمة المتزنة مقدار ثابت وقيمته الوحدة, ولذلك يمكن التعبير عن ثابت الاتزان للنظام المتزن السابق كما يلي:
| kc = [co2] [h2o] |
وبناء على ماتقدم فإن التعبير عن ثابت الاتزان kc للتفاعلات غير المتجانسة لا يشتمل على تركيز المواد الصلبة النقية.
وبنفس الطريقة, فإنه في التفاعلات التي تكون فيها المواد المتفاعلة أو المواد الناتجة في حالة سائلة نقية, فإن تركيز تلك المواد السائلة النقية (كمذيب) يكون ثابتاً ولا تظهر في التعبير عن ثابت الاتزان.
مثال:
في التفاعل المتزن التالي:
| no-2(aq) + h2o(l) hno2(aq) + oh-(aq) |
ويكون التعبير عن ثابت الاتزان كالتالي:
| [hno2][oh-] | kc = |
| [no2-] |
وفي النظام الغازي الذي يشتمل على مواد صلبة أو سائلة, فإن ضغط هذه المواد يعتبر مقداراً ثابتاً وقد اتفق على أن تكون قيمة هذا الثابت الوحدة, ولذلك فلا تدخل في حساب ثابت الاتزان kp.
ففي حالة تفكك كربونات الكالسيوم الصلبة يكون التعبير عن ثابت الاتزان kp كما يلي:
| caco3(s) cao(s) + co2(g) |
[co2] = kc مول/لتر
pco2 = kp ض.جـ
بعد ان درست الاتزان تذكر الخطوات والقواعد التي تتبعها لكتابة تعبير ثابت الاتزان وهي:
(1) تبدأ بكتابة معادلة موزونة تمثل التفاعل المقصود.
(2) تظهر المواد الناتجة التي تكتب على الجانب الأيمن من المعادلة (في البسط) أما المواد المتفاعلة التي تظهر
على اليسار فنضعها في المقام.
(3) تستخدم الأقواس المربعة (الحاصرات)[ ] للدلالة على التركيز.
(4) يرفع كل تركيز إلى أس, يؤخذ من معامل المادة في المعادلة الموزونة.
(5) لا يظهر في تعبير ثابت الاتزان الا المواد الغازية والتي توجد ذائبة في المحلول, ووحدة التركيز في الحالتين
هي مول/لتر, ولا تكتب تركيزات المواد السائلة التي تستخدم كمذيبات أو الصلبة النقية في تعبير ثابت
الاتزان, لأن تركيز السائل المذيب أو الصلب النقي ثابت في درجة حرارة معينة, فعدد مولات سائل أو صلب
في لتر منه. هو ثابت مهما كانت كمية السائل أو الصلب الموجود في محيط التفاعل.
ومن هذه القواعد يتبين لنا ان من الضروري أن تشتمل معادلة التفاعل على ما يدل على حالة كل من المواد التي تشترك في التفاعل. وإذا لم تحتوِ المعادلة على حالة كل مادة فليس في وسعنا ان نستخدمها في كتابة تعبير ثابت الاتزان.
(6) إذا كانت لديك هذه المعادلة:
| n2(g) + 3h2(g) 2nh3(g) |
| فإن kc لهذه المعادلة = | [nh3]2 |
| [n2][h2]3 |
وإذا عكست المعادلة :
| 2nh3(g) n2(g) + 3h2(g) |
| فإن k'c لهذه المعادلة = | [n2][h2]3 |
| [nh3]2 |
| = kc | 1 | وهذا القانون ينطبق على نظام وصل لحالة الاتزان. |
| k'c |
وهي قـاعدة عامة تصلح لأي تفاعل إذا كانت درجة الحرارة واحدة في الحالتين.
| خامساً: العوامل التي تؤثر على موضع الاتزان: عندما يصل النظام إلى حالة الاتزان فإن موضعه يتأثر بعدة عوامل منها التركيز والضغط ودرجة الحرارة. وقد صاغ العالم لوشاتيليه قاعدة تنظم العلاقة بين موضع الاتزان والعوامل المؤثرة عليه وتنص على أن:
وبتطبيق هذا المبدأ على نظام متزن يمكن التنبؤ بموضع الاتزان عند تأثر هذا النظام بأحد العوامل التالية: |
أ ـ تغيير التركيز:
| زيادة سرعة التفاعل الأمامي | زيادة سرعة التفاعل العكسي |
| 1- زيادة تركيز المواد المتفاعلة *. 2- انقاص تركيز المواد الناتجة**. |
1- زيادة تركيز المواد الناتجة*. 2- انقاص تركيز المواد المتفاعلة***. |
*(بإضافتها أو إضافة محاليل تحتوي على أيوناتها إلى التفاعل)
**(بإضافة محاليل تحتوي على أيونات تتفاعل معها بدون أن تعطي المواد المتفاعلة.)
***(بإضافة محاليل تحتوي على أيونات تتفاعل معها بدون أن تعطي المواد الناتجة.)
| نشاط |
| طرق التعبير عن ثابت الاتزان تجدر الإشارة هنا غلى أن تركيز المواد في المحاليل السائلة يعبر عنه عادة بالمولارية, ويتم التعبير عنها بوضع المادة بين قوسين مربعين, فتركيز أيونات الحديد (iii) في محلول مائي مثلا يرمز إليه بـ[fe+++] وهكذا.. أما إذا كانت المواد, بعضها أو كلها, الداخلة في التفاعل أو الناتجة منه في الحالة الغازية, فإن التعبير عن تركيزها يتم عادة باستخدام ضغطها الجزئي. ففي التفاعل h2(g) + i2(g) = 2hi(g) يعبر عن ثابت الاتزان بالرمز kp للدلالة على أن
كما يمكن أن نعبر عن ثابت الاتزان بالرمز kc لنفس التفاعل
ويلاحظ أننا في التعبير عن ثابت الاتزان لتفاعل يحوي مادة صلبة أو أكثر لا نكتب تركيز المواد الصلبة, ففي حالة تفاعل ذوبان كلوريد الفضة: agci(s)
|
| دلالة ثابت الاتزان ثابت الاتزان من المعايير الهامة في علم الكيمياء, إذ خاصية مميزة للتفاعل, ويوضح إلى أي حد تتحول المواد المتفاعلة إلى نواتج التفاعل عند حالة الاتزان. 1- إذا كان كبيراً (1 < k): دل على أن معظم المواد الداخلة في التفاعل تتحول إلى نواتج عند حالة الاتزان, ومثال ذلك تفاعل النحاس مع أيونات الفضة (2-10) عند درجة حرارة 25° م
(2-10)
إن ثابت الاتزان لهذا التفاعل عند درجة حرارة 25 درجة مئوية هو:
2- إذا كان ثابت الاتزان صغيراً (1 > k):
(2 - 11)
حيث إن ثابت اتزانه عند درجة حرارة 25° م هو: 10-10 x 1,7 = [ag+] x [ci-] = k
وهي قيمة صغيرةً جداً مما يدل على عدم قابلية كلوريد الفضة للذوبان في الماء. ولهذا فإن معرفة ثابت الاتزان لتفاعل ما أمر ضروري جداً للمساعدة على التنبؤ عن إمكانية تحضير مواد معينة بموجبه. |
ب ـ تغيير الضغط:
|
| إذا كان النظام المتزن | ||||||
| الحالات الضغط |
مصحوباً بنقص في الحجم1
|
مصحوباً بزيادة في الحجم2
|
غير مصحوب بتغيير في الحجم
|
|||
| زيادة | يزاح موضع الاتزان في اتجاه تكوين النواتج (الأمونيا). | يزاح موضع الاتزان في اتجاه تكوين المواد المتفاعلة (so3). | يبقى موضع الاتزان بدون تغيير. | |||
| نقص | يزاح موضع الاتزان في اتجاه تكوين المواد المتفاعلة. | يزاح موضع الاتزان في اتجاه تكوين النواتج. | يبقى موضع الاتزان بدون تغيير. | |||
| 1ـ (عدد مولات النواتج أقل من عدد مولات المتفاعلات): حجم جزيئات غاز الأمونيا (حجم 2 مول) أقل من مجموع حجوم جزيئات الهيدروجين والنيتروجين (حجم 4 مول).
2ـ (عدد مولات النواتج أكبر من عدد مولات المتفاعلات): مجموع حجوم جزيئات الأكسجين وثاني أكسيد
|
|
ج- تغيير الحرارة:
تنقسم التفاعلات من حيث التغيرات الحرارية المصاحبة لها إلى:
أ- التفاعلات الماصة للحرارة (endothermic): لقد وجد أنه في التفاعلات الماصة للحرارة والتي تكون حرارة التفاعل فيها (h
) موجبة, تزداد قيمة ثابت الاتزان بارتفاع درجة الحرارة.
فالتفاعل التالي مثلاً ماص للحرارة:
n2o4(g) = 2no2(g) ![]() h = +14 kcal |
له ثابت اتزان قيمته 0.113 عند درجة حرارة 25°م و 12.6 عند درجة 100°م.
ويمكن تفسير تأثير الحرارة على ثابت الاتزان بموجب (مبدأ لوشاتلييه), باعتبار الحرارة وكأنها "مادة" متفاعلة كما يتبين عند إدخال كلمة حرارة في طريقة كتابة التفاعل بحيث نكتب التفاعل كالآتي:
| = 2no2(g) | حرارة |
![]() n2o4(g) + |
وبالتالي فإن رفع درجة حرارة التفاعل يمكن تفسيره بأنه إضافة مادة متفاعلة. ورد الفعل الطبيعي لهذا الإخلال بالاتزان هو استهلاك جزء من المواد المتفاعلة لمحاولة التخلص من الحرارة. وينتج عند ذلك بالطبع تكون المزيد من ناتج التفاعل وبالتالي زيادة في تركيزه. وحين تتزن المجموعة عند درجة الحرارة المرتفعة الجديدة ,فإن تركيز الناتج يكون أكبر نسبياً من تركيزه عند درجة الحرارة المنخفضة, كما أن تركيز المواد الداخلة في التفاعل عند حالة الاتزان الجديدة يكون أقل نسبياً من تركيزها عند حالة الاتزان الأولى عند درجة الحرارة المنخفضة. وإذا درسنا أثر هذه التغييرات على النسبة المستعملة لإيجاد ثابت الاتزان نجد أن ثابت الاتزان الجديد عند درجة الحرارة المرتفعة أكبر من ثابت الاتزان عند درجة الحرارة المنخفضة, أي إن ارتفاع درجة الحرارة ينتج عنه ارتفاع في ثابت الاتزان, وهذا ما تم إثباته عملياً.
|
ويبين الشكل المجاور أثر تغيير درجة الحرارة على غاز ثاني أكسيد النتروجين في دورق ما. فلنعتبر أن محتويات الدورق الموجود في الوسط في حمام مائي درجة حرارته حوالي
25°م تتكون من خليط من no2 و n2o4 في حالة اتزان. وإذا أخذنا بعين الاعتبار أن غاز n2o4 عديم اللون بينما غاز no2 بني ضارب إلى الحمرة, فإنه بإمكاننا بعد التمعن في الشكل تبيان أثر تغيير درجة الحرارة على التفاعل في حالة الاتزان. فازدياد اللون وضوحاً في حمام مائي يغلي, يعني أن التفاعل اتجه لإنتاج المزيد من no2, بينما اختفاء اللون تقريباً في الحمام الثلجي يعني أن التفاعل اتجه لإنتاج المزيد من n2o4 واستهلاك no2.
| 4- أثر إضافة المواد الحافزة على حالة الاتزان: لقد رأينا في الفصل السابق كيف أن المواد الحافزة تزيد من سرعة التفاعل, بأن توفر للمواد المتفاعلة ساراً سهلاً تنتقل عبره إلى نواتج التفاعل. إلا أنه يتضح لنا من الشكل (1-16) أن المادة الحافزة التي تزيد في سرعة التفاعل في اتجاه معين, تزيد أيضاً من سرعته في الاتجاه المعاكس, لان المركب المنشَّط عامل مشترك بين أي تفاعل وعسكه, ولهذا فإن المواد الحافزة لا تؤثر في الاتزان, ولا في قيمة ثابت الاتزان. ويمكن إدراك أهمية عوامل الضغط (او التركيز) والحرارة على كفاءة عملية التفاعل بدراسة صناعة النشادر من الهيدروجين والنيتروجين حسب المعادلة التالية:
(2-15)
|
| كيف يمكننا أن نتنبأ باحسن الظروف اللازمة لإجراء هذا التفاعل؟. علينا أن ننتذكر أولاً أن المطلوب هو زياذة مدى القدرة على إنتاج النشادر. فالتفاعل (2-15) طارد للحرارة, ولذ فإنه - حسب مبدأ لوشاتلييه - لابد أن نخفّض درجة الحرارة كي نحصل على ثابت اتزان مرتفع. لكن انخفاض درجة الحرارة - كما رأينا في الفصل السابق - ينتج عنه انخفاض في سرعة التفاعل وهذا غير مرغوب فيه, لأنه يقلل من سرعة إنتاج النشادر. ومن ثم فقد تم حل وسط للتوفيق ما امكن بين السرعة المناسبة للتفاعل وقيمة مقبولة لثابت اتزانه. وهذا الحل هو جعل درجة الحرارة 500° م, ومن الأفضل أيضاً استعمال مادة حافزة لزيادة سرعة الوصل إلى الاتزان. ويظهر من التفاعل أن تكوّن النشادر ينتج عنه انخفاض في مجمل الضغط في وعاء التفاعل وبموجب مبدأ لوشائلييه, فإن زيادة الضغط تساعد في زيادة كمية النشادر المنتجة. وقد وجد ان الضغط المناسب - اقتصادياً - هو حوالي 100 - 200 ضغطاً جوياً, باعتبار أن المعدات التي توفر ضغوطاً عالية جداً باهظة الثمن. |
| خواص الاتزان الكيميائي: قبل البدء في دراسة بعض الطرق اللازمة لإجراء حسابات على الاتزان, يمكننا تلخيص المبادئ والخواص المتعلقة بالاتزان الكيميائية فيما يلي:
|
ب- التفاعلات الطاردة للحرارة (exothermic): أي التي تكون حرارة التفاعل فيها (h
) سالبة, تنخفض قيمة ثابت الاتزان بارتفاع درجة الحرارة. فالتفاعل التالي مثلاً طارد للحرارة:
o2(g) = so3(g) ![]() h = -23 kcal |
1 | so2(g) + |
| 2 |
له ثابت اتزان عند درجة حرارة 25°م هو 1.74 × 1210 وعند درجة حرارة 327°م هو 13.17 × 310 ويمكن تفسير تأثير الحرارة في ثابت الاتزان بموجب (مبدأ لوشاتلييه), بإعتبار الحرارة وكأنها "مادة" ناتجة. كما يتبين عند إدخال كلمة (حرارة) في طريقة كتابة التفاعل بحيث نكتب التفاعل كالآتي:
| حرارة | o2(g) = so3(g) + | 1 | so2(g) + |
| 2 |
ورفع درجة حرارة التفاعل يعني إضافة أحد نواتج التفاعل. ورد الفعل الطبيعي هو التخلص من الحرارة باستهلاك جزء من نواتج التفاعل, وبالتالي زيادة كمية (أو زيادة تركيز) كل من المواد الداخلة في التفاعل, وينتج عن ذلك أنه عند حالة الاتزان الجديدة يكون تركيز نواتج التفاعل قد نقص عما كان عليه عند حالة الاتزان الأولى عند درجة الحرارة المنخفضة, في الوقت الذي يزداد فيه تركيز المواد الداخلة في التفاعل, وبالتالي فإن ثابت الاتزان الجديد سوف تقل قيمته عن ثابت الاتزان الأول عند درجة الحرارة المنخفضة, أي إن ارتفاع درجة الحرارة في هذه الحالة ينتج عنه انخفاض في ثابت الاتزان, وهو ما وجد عملياً.
ج- أما في التفاعلات التي لا يصاحبها انبعاث أو امتصاص للحرارة (h
= صفراً) فإن ثابت الاتزان لا يتأثر بتغيير درجة الحرارة.
|
|
|
![]() لاحظنا أنه إذا أضيف محلول الثيوسيانات إلى وسط التفاعل بعد الاتزان. ازداد الأيون fescn وضوحاً. ويمكن تفسير ما حدث بطريقتين: إما حسب مبدأ لوشاتلييه, أو حسب قانون الاتزان. مبدأ لوشاتلييه: إن التغير الذي طرأ على المجموعة المتزنة هو إضافة محلول الثيوسيانات, أي زيادة تركيز إحدى المواد الداخلة في التفاعل. ورد الفعل الطبيعي لهذا الفعل, هو استهلاك ما يمكن استهلاكه من الثيوسيانات المضافة, ويتم ذلك بأن تتفاعل هذه مع بعض أيونات الحديد الثلاثي (iii) الموجودة في المحلول لتكون أيونات fescn التي يزداد لونها وضوحاً. قانون الاتزان: إن ثابت الاتزان للتفاعل هو:
وإضافة أيونات scn- بعد الاتزان زادت من قيمة المقام. وللمحافظة على قيمة ثابت الاتزان كما هو يجب زيادة قيمة البسط, ولا يتم ذلك إلا بتكون مزيد من أيونات fescn++ بتفاعل الثيوسيانات مع أيونات الحديد الثلاثي (iii). |
رائز التفاعل q:
هو قيمة افتراضية لثابت الاتزان تحسب في لحظة ما خلال التفاعل للتنبؤ بوصوله إلى حالة الاتزان. أي أنه يستخدم للتوقع باتجاه التفاعل في لحظة ما أثناء التفاعل, أو بمعنى آخر لمعرفة هل التفاعل في حالة اتزان أم لا في تلك اللحظة, (ويرمز له بالرمز q) , ويمكن مقارنته بثابت الاتزان k فإذا كانت:
1) k = q فإن هذا يعني أن التفاعل في حالة اتزان كيميائي عند هذه اللحظة.
2) k < q فإن التفاعل ليس بحالة اتزان لذا سيتجه التفاعل إلى الأتجاه الذي يقلل من قيمة q أي نحو
المتفاعلات.
3) k > q فإن التفاعل ليس بحالة اتزان لذا سيتجه التفاعل إلى الأتجاه الذي يزيد من قيمة q أي نحو النواتج.
|
| مثال |
خواص الاتزان الكيميائي:
قبل البدء في دراسة بعض الطرق اللازمة لإجراء حسابات على الاتزان, يمكننا تلخيص المبادىء والخواص المتعلقة بالاتزان الكيميائي فيما يلي:
1) أن الاتزان هو حالة تكون عندها خواص المجموعة المتزنة المنظورة ثابتة مع الزمن.
2) الاتزان الكيميائي ذو طبيعة ديناميكية (نشط), إذ إنه على الرغم من أن تركيز المواد المتفاعلة ونواتج
التفاعل لا يتغير مع مرور الزمن عند حالة الاتزان, إلا أن التفاعل لا يتوقف, بل يسير في اتجاهين
متعاكسين وبسرعة واحدة.
3) إن التفاعلات الكيميائية تتجه تلقائياً نحو تحقيق الاتزان.
4) إن خواص المجموعة عند الاتزان ثابتة في الظروف المعينة, ولا تعتمد على المسار الذي سلكته المجموعة
لتصل إلى حالة الاتزان.
5) إذا اختل الاتزان بفعل مؤثر خارجي, فإن المجموعة تغير من خواصها بحيث تعاكس فعل المؤثر الخارجي,
وتقلل من أثره ما أمكن, وتعود إلى حالة الاتزان.
6) ثابت الاتزان هو طريقة لوصف المجموعة عند حالة الاتزان, ويعتمد على خواص المواد المتفاعلة ونواتج
التفاعل ودرجة الحرارة.
حسابات متعلقة بالاتزان الكيميائي:
أولاً: حسابات ثابت الاتزان لتفاعل ما بدلالة ثابت اتزان تفاعل آخر له علاقة به:
أ) إذا ضرب تفاعل معين بعامل ما, فإن ثابت اتزان لتفاعل يجب أن يرفع إلى أس يساوي المعامل المذكور.
فإن أخذنا التفاعل التالي:
| o2(g) = h2o(g) | 1 | h2(g) + |
| 2 |
نجد أن ثابت اتزانه هو:
| = k1 | p(h2o) |
| p(h2) × p(o2) |
واذا ضربنا التفاعل في 2 ليصبح:
| 2h2(g) + o2(g) = 2h2o(g) |
فإن ثابت الاتزان الجديد يكون:
| = k2 | 2p(h2o) |
| 2p(h2) × p(o2) |
ويلاحظ أن ثابت الاتزان الجديد يساوي مربع ثابت الاتزان الأول أي أن أس ثابت التفاعل الجديد يساوي 2.
| 2k1 = k2 |
ب) إذا عكس اتجاه تفاعل معين فإن ثابت الاتزان الجديد يساوي عكس ثابت الاتزان الأول:
ففي التفاعل التالي:
| o2(g) = co2(g) | 1 | co(g) + |
| 2 |
يكون ثابت اتزانه:
| = k1 | p(co2) |
| p(co) × p(o2) |
| إذا عكسنا التفاعل ليصبح: | o2(g) | 1 | co2(g) = co(g) + |
| 2 |
فإن ثابت اتزان التفاعل الجديد هو:
| = k2 | p(co) × p(o2) |
| p(co2) |
ومن الواضح في هذه الحالة أن:
| 1 | 1-k1 = k2 ![]() k2 = |
| k1 |
ويتبين من هذا أن عملية عكس اتجاه التفاعل تجعل ثابت الاتزان الجديد يساوي ثابت الاتزان الأول مرفوعاً إلى الأس (-1) أي مقلوب ثابت الاتزان الأول.
ج) إذا كان التفاعل مركباً من مجموعة تفاعلات فإن ثابت اتزان التفاعل الكلي يساوي حاصل ضرب ثوابت اتزان كل من التفاعلات المكونة له.
| o2(g) = co(g) |
|
c(s) + | ||
| o2(g) = co2(g) |
|
co(g) + | ||
|
|
||||
| o2(g) = co2(g) | c(s) + | |||
فإن ثابت اتزان المعادلة الأولى هو:
| = k1 | p(co) |
p(o2) |
وثابت اتزان التفاعل الثاني هو:
| = k2 | p(co2) |
| p(co) × p(o2) |
وثابت اتزان التفاعل الكلي هو:
| k2 × k1 = k3 |
وبتعويض قيمة k1 , k2 ثم الاختصار نحصل على:
| = k3 | p(co2) |
| p(o2) |
ثانياً: حساب تراكيز المواد أو بعضها عند الاتزان بدلالة ثابت الاتزان والتراكيز الإبتدائية للمواد.
في أحيان كثيرة نبدأ بإجراء تفاعل ما يوضح كمية معينة من مواد التفاعل في وعاء مغلق وعند درجة حرارة محددة فهل يمكن أن تتوقع قيمة تراكيز المواد المشمولة بالوعاء عندما يصل التفاعل إلى حالة الاتزان؟
إن ذلك مبني على توفر قيمة ثابت اتزان التفاعل عند الدرجة التي حصل عندها الاتزان، ومن المعلوم أن الكيميائيين قد حددوا قيمة ثابت اتزان كثير من التفاعلات عند درجات حرارة معينة ورصدت في جداول خاصة ومن ثم يمكن الاستعانة بها في ذلك.
والأمثلة العامة التالية تسهم في توضيح الطريقة المتبعة في حل هذا النوع من المسائل.
مثال:
عندما نضع مولاً من a مع مول من b في وعاء مغلق سعته لتر واحد عند درجة حرارة 25°م، فكم تراكيز المواد عند الاتزان إذا افترضنا أن ثابت اتزان التفاعل عند الدرجة نفسها 2 إذا كان التفاعل هو:
| c(g) | a(g) + b(g) |
| الحل |
الحل:
نحتاج إلى تصميم الجدول التالي ليسهل لنا معطيات الحل:
|
ملحوظات | ||||||||||||
| 0 | 1 | 1 | المولات الابتدائية | غالباً تعطي في السوائل أو نبدأ بها التفاعل |
|||||||||
| س | س | س | المولات المتفاعلة والناتجة | وهي عملية تحدث للمواد للوصول إلى حالة الاتزان |
|||||||||
| 0 + س | 1 - س | 1 - س | المولات عند الاتزان | وهي المولات المتبقية أو المتوفرة في الوعاء بعد وصول التفاعل إلى الاتزان |
|||||||||
|
|
|
التراكيز عند الاتزان |
|
|||||||||
من المعادلة الموزونة فإن:
| kc = | [c] |
| [b] [a] |
وبتعويض قيم تراكيز المواد عند الاتزان من الجدول في قانون kc نجد أن:
| ملحوظة: 1) نحصل على عدد مولات المواد المتفاعلة عند الاتزان بطرح المقدار المتفاعل منها من المقدار الأصلي إذ هو القدر المستهلك من المادة للوصول إلى الاتزان. 2) تحصل على عدد مولات المواد الناتجة عند الاتزان بجمع المقدار الناتج منها إلى المقدار الأصلي الذي بدأنا به التفاعل. 3) في حالات نادرة نحصل على كل من المولات في الملحوظتين (1)، (2) بعكس ما ذكر وهو أمر مبني على طبيعة السؤال. |
| = kc | س | ، ولكن 2 = kc |
| (1 ـ س) (1 ـ س) |
وبترتيب المعادلة:
| (1 ـ س)2 = | س |
| 2 | |
| س2 - 2س + 1 = | س |
| 2 |
| 2س2 - 4س + 2 = س |
| 2س2 - 5س + 2 = 0 |
وبحل المعادلة نجد أن:
| س = 2 (وهي قيمة مرفوضة) | |
| أو س = | 1 |
| 2 | |
| مثال (2):
ينحل غاز يوديد الهيدروجين جزئياً عند درجة 321°س كما في المعادلة التالية:
فإذا كان تركيز كلّ من i2، hi تساوي (1.68) مول/لتر، (0.2) مول/لتر على الترتيب عند الاتزان. أحسب قيمة ثابت الاتزان (kc) لهذا التفاعل.
|
| الحل: معادلة الاتزان توضح أن كل 2مول من يوديد الهيدروجين يعطي مولاً واحداً من كلّ من الهيدروجين واليود.
يمكن تحديد تمييز kc من خلال التعبير عن ثابت الاتزان.
|
| مثال (3):
في إحدى التجارب العملية وضع 4 مول من خامس كلوريد الفوسفور في إناء سعته 2 لتر، (في 520°م) وعند الاتزان بقي في الإناء 3.6 مول من خامس كلوريد الفوسفور تبعاً للمعادلة التالية:
احسب ثابت الاتزان (kc) لهذا التفاعل.
|
| مثال (4):
أدخل (1) مول من كلِّ من الهيدروجين واليود في وعاء سعته 0.5 لتر عند درجة حرارة معينة فإذا كان ثابت الاتزان لهذا التفاعل يساوي 49. احسب تركيز كل المواد في النظام عند الاتزان تبعاً للتفاعل التالي:
|
الحل:
| عدد المولات | i2 ![]() 2hi |
h2 + | |||||||
| عند بداية التفاعل | صفر 1 | 1 | |||||||
| التغير | +2س -س | -س | |||||||
| عند الاتزان | 2س 1- س | 1- س | |||||||
| التركيز عند الاتزان بالمول/لتر |
|
|
|||||||
| 4س 2(1- س) | 2(1- س) | ||||||||
بأخذ الجذر التربيعي للطرفين:
|
| مثال (5):
درجة التفكك للمركب n2o4 إلى no2 هي 20% عند درجة 27°س وضغط 1 جو.
|
الحل:
نفرض أن لدينا مولاً واحداً من غاز n2o4. ومن معادلة التفكك:
| n2o4(g) 2no2(g) |
| عدد المولات بفرض عدم التفكك | صفر | , 1 |
| التغير في عدد المولات | +4ر0 | , 1-2ر0 |
| عدد المولات عند الاتزان | 4ر0 | , 8ر0 |
| الكسر الجزيئي = [ | 4ر0 | ] = 33ر0 , [ | 8ر0 | ] = 67ر0 |
| 4ر0 + 8ر0 | 4ر0 + 8ر0 |
ضغط الجزئي 1 × 33ر0 = 33ر0 , 1 × 67ر0 = 67ر0 جو
حيث الضغط الجزئي = الضغط الكلي × الكسر الجزيئي
| = kp | 2(pno2) | = | (33ر0 جو)2 | = 17ر0 جو |
| (pn2o4) | (67ر0 جو) |
| مثال: ثابت الاتزان عند درجة حرارة 699°س مطلقة للتفاعل:
هو 3,55 فإذا تم مزج كمية من يوديد الهيدروجين ضغطها 0,7 ضغطاً جوياً مع كمية من غاز اليود والهيدروجين ضغط كل منهما 0,02 ضغطاً جوياً، هل يحدث أي تغير في كميات المواد الممزوجة أم لا ؟ وإذا كان الجواب بالإيجاب ففي أي إتجاه يحدث التغيير؟ |
| الحل:
علينا أن نوجد قيمة q عند الضغوط المعطاة ونقارنها بثابت الاتزان.
وهذا أكبر من ثابت الاتزان (3,55) أي أن المجموعة لحظة مزجها ليست في حالة اتزان ولهذا فإنها تتجه تلقائياً إلى الاتزان وليتم ذلك يجب أن تنقص قيم السكر لتصل إلى قيمة ثابت الاتزان أي أنه إما إن ينقص البسط أو أن يزيد المقام. ولكن هاتين العمليتين متلازمتان، فالنقص الحاصل في تركيز المادة الناتجة لابد وأن يصحبه زيادة في تراكيز المواد المتفاعلة. وبناءاً عليه فإن كمية يوديد الهيدروجين تقل لصالح الهيدروجين واليود، ويسير التفاعل الظاهر في اتجاه تفكك يوديد الهيدروجين. |
الحل:
علينا أن نوجد قيمة q عند الضغوط المعطاة ونقارنها بثابت الاتزان.
| q = | 2p(hi) | = | (0,7)2 | = 1225 |
| p(h2) × p(i2) | 0,02 × 0,02 |
وهذا أكبر من ثابت الاتزان (3,55) أي أن المجموعة لحظة مزجها ليست في حالة اتزان ولهذا فإنها تتجه تلقائياً إلى الاتزان وليتم ذلك يجب أن تنقص قيم السكر لتصل إلى قيمة ثابت الاتزان أي أنه إما إن ينقص البسط أو أن يزيد المقام. ولكن هاتين العمليتين متلازمتان، فالنقص الحاصل في تركيز المادة الناتجة لابد وأن يصحبه زيادة في تراكيز المواد المتفاعلة. وبناءاً عليه فإن كمية يوديد الهيدروجين تقل لصالح الهيدروجين واليود، ويسير التفاعل الظاهر في اتجاه تفكك يوديد الهيدروجين.
| التفاعلات انعاكسية وغير انعكاسية: التفاعلات غير الإنعكاسية: تحدث في اتجاه واحد، حيث لا تتفاعل المواد الناتجة مع بعضها البعض لتعطي المواد المتفاعلة. وغالباً ما يتصاعد غاز ويترك حيز التفاعل أو يتكون راسب لا يتفاعل مع النواتج الأخرى. التفاعلات الإنعكاسية: تحدث في اتجاهين، المواد الناتجة من التفاعل تتفاعل مع بعضها البعض لتكون المواد المتفاعلة، أي يوجد تفاعلان: أحدهما أمامي في اتجاه تكون المواد الناتجة والآخر عكسي في اتجاه تكون المواد المتفاعلة. يعبر عن التفاعل بمعادلة واحدة تحوي سهمين. وتقسم التفاعلات الإنعكاسية إلى: (أ) تفاعلات إنعكاسية متجانسة homogeneous reversible reactions وفيها توجد المواد المتفاعلة والناتجة من التفاعل في حالة واحدة من حالات المادة. (ب) تفاعلات إنعكاسية غير متجانسة heterogeneous reversible reactions وفيها توجد المواد المتفاعلة والناتجة من التفاعل في أكثر من حالة واحدة من حالات المادة وتتم في حيز مغلق. |
الاتزان الكيميائي الديناميكي:
| «حالة النظام عندما تثبت تركيزات المواد المتفاعلة والمواد الناتجة، وبالتالي تكون سرعة التفاعل الأمامي مساوية لسرعة التفاعل العكسي». |
ولكي يصل أي نظام للاتزان الكيميائي الديناميكي يشترط فيه ما يلي:
(1) وجود تفاعلين متعاكسين.
(2) عند حدوث الاتزان يظل التفاعلان الطردي والعكسي جاريين وبنفس السرعة.
(3) يؤدي أي تغيير في اتزان النظام, كالتغير في درجة الحرارة أو التركيز أو الضغط إلى الإخلال بالاتزان.
قانون فعل الكتلة وثابت الإتزان:
| «تتناسب سرعة التفاعل الكيميائي طردياً مع درجات تركيز المواد المتفاعلة» وتقاس درجات التركيز بالمول/لتر. |
ثابت اتزان التفاعل هو:
| «النسبة بين حاصل ضرب تركيز المواد الناتجة إلى حاصل ضرب تركيز المواد المتفاعلة كل مرفوع إلى أس يساوي عدد مولاته في التفاعل» ويرمز له بالرمز kc |
وفي التفاعلات الغازية, يتم التعبير عن تركيز الغازات بدلالة الضغوط الجزئية, وفي هذه الحالة يستخدم الرمز kp بدلاً من kc للدلالة على ثابت الاتزان.
العلاقة بين kp و kc:

r = ثابت الغاز = 0.082 ضغط جوي لتر/مول.
t = درجة الحرارة المطلقة بالكالفن
| n2 - n1 | =n![]() |
| n1 = عدد مولات المواد المتفاعلة. n2 = عدد مولات المواد الناتجة. | |
| قاعدة لوشاتيليه : «إذا حدث تغيير في أحد العوامل المؤثرة على نظام متزن مثل التركيز أو الضغط أو درجة الحرارة، فإن هذا النظام سيتجه لتعديل موضع إتزانه، بحيث يلغي تأثير هذا التغيير إلى أقصى حد ممكن». |
| العوامل المؤثرة | التغير | موضع الاتزان | ثابت الاتزان |
| التركيز | 1 ـ زيادة تركيز المتفاعلات | يزاح جهة النواتج | لا تتغير قيمته |
| 2 ـ زيادة تركيز النواتج | يزاح جهة المتفاعلات | ||
| 3 ـ نقصان تركيز المتفاعلات | يزاح جهة المتفاعلات | ||
| 4 ـ نقصان تركيز النواتج | يزاح جهة النواتج | ||
| الضغط | 5 ـ زيادة الضغط | يزاح نحو الاتجاه ذي عدد المولات الغازية الأقل وفي حالة التساوي لا يتأثر |
لا تتغير قيمته |
| 6 ـ انخفاض الضغط | يزاح نحو الاتجاه ذي عدد المولات الغازية الأعلى وفي حالة التساوي لا يتأثر |
تكملة جدول أثر العوامل المختلفة على موضع الاتزان وقيمة ثابت الاتزان.
|
| موضع الاتزان | ||
| إزاحة نحو النواتج | لا يتأثر | إزاحة نحو المواد المتفاعلة |
| 1- زيادة تركيز المتفاعلات. 2- نقصان تركيز النواتج. 3- زيادة الضغط إذا كان التفاعل مصحوباً بنقص في الحجم. 4- خفض الضغط إذا كان التفاعل مصحوباً بزيادة في الحجم. 5- زيادة درجة الحرارة في التفاعلات الماصة للحرارة. 6- خفض درجة الحرارة في التفاعلات الطاردة للحرارة. |
1- تغيير الضغط زيادة أو نقصاناً، إذا كان التفاعل غير مصحوب بتغير في الحجم.
|
1- نقصان تركيز المتفاعلات. 2- زيادة تركيز النواتج. 3- خفض الضغط إذا كان التفاعل مصحوباً بنقص في الحجم. 4- زيادة الضغط إذا كان التفاعل مصحوباً بزيادة في الحجم. 5- خفض درجة الحرارة في التفاعلات الماصة للحرارة. 6- زيادة درجة الحرارة في التفاعلات الطاردة للحرارة. |
| قيمة ثابت الاتزان | ||
| تزداد | لا تتأثر | تقل |
| 1- زيادة درجة الحرارة للتفاعلات الماصة للحرارة. 2- خفض درجة الحرارة للتفاعلات الطاردة للحرارة. |
1- تغير تركيز أي من المواد المتفاعلة أو الناتجة زيادة أو نقصاناً. 2- تغير الضغط زيادة أو نقصاناً. |
1- خفض درجة الحرارة للتفاعلات الماصة للحرارة. 2- زيادة درجة الحرارة للتفاعلات الطاردة للحرارة. |
في التفاعل المتزن التالي:
| 2NO2 2NO + O2 |
| إذا كان الضغط الجزيئي لغاز NO2 = |
|
جو | ||
| والضغط الجزيئي لغاز NO = |
|
جو | ||
| والضغط الجزيئي لغاز الاكسجين = |
|
جو |
وذلك في درجة حرارة مناسبة وضغط 75 سم فاحسب ثابت الاتزان Kp
| 0.2 جو | |
| 0.3 جو | |
| 0.4 جو |
|
اختر الإجابة الصحيحة التي تكمل كل عبارة مما يلي :
في التفاعل المتزن:
| A + B C + D |
إذا كانت قيمة ثابت الاتزان تساوي 1 × 410 فإن موضع الاتزان يقع في اتجاه تكوين ______.
|
|
النواتج |
المواد المتفاعلة
|
|
اختر الإجابة الصحيحة التي تكمل كل عبارة مما يلي :
في التفاعلات الانعكاسية الماصة للحرارة يزاح موضع الاتزان جهة تكوين النواتج في التفاعل عند _______ درجة الحرارة.
|
|
خفض |
زيادة
|
عدم تغيير |
|
اختر الإجابة الصحيحة التي تكمل كل عبارة مما يلي :
إذا كانت قيمة ثابت الاتزان لنظام متزن عند 500°س تساوي 2.2 × 10-5 وقيمته عند 200°س تساوي
4 × 10-12 فإن ذلك يدل على أن التفاعل من النوع _______ للحرارة
|
|
الماص |
الطارد
|
|
اختر الإجابة الصحيحة التي تكمل كل عبارة مما يلي :
اكتب تعبير ثابت الاتزان Kc :
| NH3(aq) + H2O(l) NH+4(aq) + OH-(aq) |
|
|||
|
|||
|
|||
| [NH3] |
|
اختر الإجابة الصحيحة التي تكمل كل عبارة مما يلي :
اكتب تعبير ثابت الاتزان Kc :
| CO2(g) + MgO(s) MgCO3(s) |
|
|||
|
|||
|
|||
| [CO2] |
|
|
|
|
|
اختر الإجابة الصحيحة مما يلي:
في التجربة الموضحة بالشكل يحدث التفاعل التالي:
| = 2NO2(g) | N2O4(g) |
غاز N2O4 عديم اللون.
غاز NO2 بني ضارب إلى الحمرة
درجة الحرارة في أ = 25° م
درجة الحرارة في ب = صفر° م
نستنتج مما سبق أن التفاعل:
ماص للحرارة. |
طارد للحرارة. |
|
اختر الإجابة الصحيحة لكل من العبارات التالية:
سخنت كمية من pcl5 في وعاء سعته 12 لتراً ووجد أن الوعاء الذي يحتوي عند الاتزان على 0.21 مول pcl3 0.32 ،pcl5 ، 0.32 مول من cl2. احسب ثابت الإتزان kc لعملية تفكك pcl5 عند درجة 250°س.
|
|||
|
|||
|
اختر الإجابة الصحيحة لكل من العبارات التالية:
عند وضع كميات مجهولة من pcl3 ، cl2 في حيز التفاعل وتسخينها إلى 230°س. وتحت ضغط 760 ملم زئبق ثم تحليل محتويات التفاعل عند الإتزان وجد أن :
| = [pcl3] | 0.15 مول /لتر |
| = [pcl5] | 0.1 مول/لتر |
احسب [cl2] إذا علمت أن
| = kc | 0.0204 مول /لتر |
|
|||
|
|||
|
اختر الإجابة الصحيحة لكل من العبارات التالية:
عند خلط مول واحد من الكحول (ايثانول) مع مول واحد من حمض الأسيتيك عند درجة حرارة الغرفة وجد أن المخلوط يحتوي على
| 2 |
| 3 |
مول من كل من الأستر والماء.
احسب ثابت الإتزان.
|
|||
|
|||
|
اختر الإجابة الصحيحة لكل من العبارات التالية:
احسب ثابن الاتزان للتفاعل التالي:
| H2 + I2 2HI |
إذا كان التركيز عند الاتزان وفي 400°س كما يلي :
| = [H2] | 1.2 × 10-3 مول /لتر |
| = [I2] | 1.2 × 10-3 مول /لتر |
| = [HI] | 1.6 × 10-3 مول /لتر |
2.22 |
|
0.75 |
|
1.33 |
اختر الإجابة الصحيحة لكل من العبارات التالية:
| 2SO2(g) + O2(g) 2SO3(g) |
اذا كان التركيز عند الاتزان وفي درجة 527°س كما يلي :
| = [SO3] | 4 مولات /لتر |
| = [O2] | 0.5 مول /لتر |
| = [SO2] | 0.2 مول /لتر |
| 40 مول/لتر | |
| 400 مول/لتر | |
| 800 مول/لتر |
اختر الإجابة الصحيحة لكل من العبارات التالية:
تتأثر قيمة ثابت الاتزان في التفاعلات الإنعكاسية بتغير:
الحرارة |
|
التركيز |
|
الضغط |
|
جميع العوامل السابقة |
اختر الإجابة الصحيحة لكل من العبارات التالية:
قيمة Kc التي تدل على تكوين المواد الناتجة بتركيز منخفض في نظام متزن هي:
| 1 × 10-3 | |
| 1 × 310 | |
| 1 × 110 | |
| 3 × 110 |
اختر الإجابة الصحيحة لكل من العبارات التالية:
التفاعل المتزن التالي:
| CaCO3(s) CaO(s) + CO2(g) |
| من التفاعلات الانعكاسية غير المتجانسة | |
| من التفاعلات الانعكاسية المتجانسة |
اختر الإجابة الصحيحة لكل من العبارات التالية:
في التفاعل المتزن:
| CO + 2H2 CH3OH |
عند إضافة الإيثانول إلى النظام, فإن موضع الاتزان يزاح في اتجاه تكوين ______.
| المواد المتفاعلة | |
| المواد الناتجة |
اختر الإجابة الصحيحة لكل من العبارات التالية:
في إحدى التجارب العملية أدخل (0.625) مول من غاز (N2O4) في وعاء سعته (5) لترات, وسمح له بالتفكك حتى وصل إلى حالة اتزان مع NO2 عند درجة معينة.
| N2O4 2NO2 |
ووجد عند الاتزان أن تركيز (N2O4) يساوي (0.075) مول/لتر. احسب قيمة ثابت الاتزان Kc لهذا التفاعل.
0.9 |
|
0.133 |
|
7.5 |
اختر الإجابة الصحيحة لكل من العبارات التالية:
أدخلت كمية من غاز النيتروجين وغاز الهيدروجين في وعاء سعته (10 لتر) وسمح لهما بالتفاعل عند 427°س فكونت النظام الغازي المتزن التالي:
| N2 + 3H2 2NH3 |
فإذا كانت عدد مولات كلاً من النيتروجين والهيدروجين والأمونيا عند الاتزان تساوي (27) مول و(2.5) مول
و(0.5) مول على الترتيب. احسب قيمة ثابت الاتزان Kc للنظام عند 427°س.
| 6 × 10-6 | |
| 6 × 10-4 | |
| 6 × 10-2 |
اختر الإجابة الصحيحة لكل من العبارات التالية:
اكتب تعبير ثابت الاتزان Kc :
| Cl2(g) + 2NO(g) 2NOCl(g) |
|
|||
|
|||
|
|||
|
اختر الإجابة الصحيحة لكل من العبارات التالية:
اكتب تعبير ثابت الاتزان Kc :
| 2IBr(g) I2(g) + Br2(g) |
|
|||
|
|||
|
|||
|
اختر الإجابة الصحيحة لكل من العبارات التالية:
اكتب تعبير ثابت الاتزان Kc :
| Zn(s) + 2AgNO3(aq) Zn(NO3)2(aq) + 2Ag(s) |
|
|||
|
|||
|
|||
|
|
|
المحاليل الموصلة للكهرباء
(الإليكتروليتات) |
|
||||
أنواع التوصيل الكهربائي:
| التوصيل | الإلكتروني | الأيوني |
| كيف؟ | يتم عن طريق حركة الالكترونات في المادة. | يتم عن طريق حركة الأيونات في المحلول. |
| الموصلات | إلكترونية وتشمل الفلزات، ومصاهيرها. | أيونية وتشمل مصاهير الإلكتروليتات ومحاليلها المائية.
|
المحاليل الموصلة للكهرباء
هل جميع المحاليل موصلة للكهرباء (ألكتروليتات) ؟ لمعرفة ذلك يمكن إجراء النشاط التالي
| التجربة | المشاهدة | الاستنتاج |
| ضع كمية مناسبة من ملح الطعام في وعاء به ماء وحركه |
اختفاء جزيئات الملح | ذوبان ملح الطعام في الماء |
| ضع كمية من السكر في وعاء به ماء وحركه |
اختفاء جزيئات السكر | ذوبان السكر في الماء |
| اختبر التوصيل الكهربائي لكل من المحلولين السابقين بعمل دائرة كهربائية. |
محلول الملح يضيء مصباح الدائرة الكهربائية، بينما محلول السكر لا يضيء مصباح الدائرة الكهربائية |
محلول ملح الطعام موصل جيد للكهرباء، بينما السكر غير موصل للكهرباء |
بعد اجراء النشاط السابق نستنتج أن السبب في إختلاف الخواص الكهربائية لمحلول ملح الطعام ومحلول السكر إلى أن ملح الطعام nacl عندما يذوب في الماء يتفكك إلى أيونات موجبة (cations) هي أيونات الصوديوم na+ وأيونات سالبة (anions) هي أيونات الكلوريد cl- وتسبح هذه الأيونات في الماء محاطة بجزيئات من الماء تساعد على ثباتها، إذ تقلل من قوة تجاذب الأيونات الموجبة (الكتيونات cations) والأيونات السالبة (الأنيونات anions) التي تسبح وكأنها مستقلة عن مجال تجاذب بعضها بعضاً، وخاصة إذا كان المحلول مخففاً.
وللتعبير عن ظاهرة أن ا لأيونات محاطة بعدد غير محدد من جزيئات الماء، نقوم بكتابة لفظ (مائي aqueous) أمام الأيون مختصراً بالحرفين (aq):
| na+(aq) + cl-(aq) | nacl(s) | |
ولما كان الملح الصلب متعادلاً كهربائياً فإن محلوله المائي متعادل كهربائياً أيضاً لأن عدد
الأيونات الموجبة (الكتيونات) مساوٍ لعدد الأيونات السالبة (الأنيونات)، ويتم توصيل الكهرباء نتيجة لحركة الأيونات في المحلول. أما في محلول السكر فإن جزيئات السكر تسبح في الماء دون أن تتفكك وبالتالي لا توجد أيونات تنقل التيار الكهربائي.
مما سبق يمكننا تقسيم المواد من حيث توصيلها للتيار الكهربائي إلى قسمين :
1- مواد غير موصلة للتيار الكهربائي (non-electolytes) :وهي المواد التي تعطي محلولاً لا يوصل
التيار الكهربائي بعد ذوبانها في الماء مثل : محلول السكر.
2- مواد موصلة للتيار الكهربائي (electrolytes) : هي المواد التي تتحول إلى أيونات بعد ذوبانها
في الماء، أما محلولها فيسمى بالمحلول الموصل للتيار الكهربائي، وتجدر الإشارة هنا إلى أن التوصيل
الكهربائي لا يتم بواسطة محلول المادة الموصلة فقط بل يمكن أن يتم أيضاً بواسطة مصهور المادة،
وأهم الأمثلة على المواد الموصلة الحموض والقواعد والأملاح، ويمكن أن تقسم إلى :
أ- جيدة التوصيل للتيار الكهربائي : وهي المواد التي عند ذوبانها في الماء تتأين (أو تتفكك) تأيناً تاماً تقريباً،
والأمثلة عليها كثيرة فمعظم الأملاح القابلة للذوبان في الماء محاليلها موصلة جيدة للكهرباء، وهي في
غالبها مواد صلبة أيونية كهاليدات الفلزات القلوية. وهناك مواد غير أيونية في حالتها النقية ولكنها إذا ما
أذيبت في الماء أعطت محاليل جيدة التوصيل للكهرباء، مثل محلول كلوريد الهيدروحين الذي يتحول كلياً
في الماء إلى أيونات الكلوريد والبروتون المائي h +(aq) وفق المعادلة :
| h+(aq) + cl-(aq) | hcl(g) | |
ب- مواد ضعيفة التوصيل للتيار الكهربائي : هي المواد التي عند ذوبانها في الماء تتحول جزيئاتها إلى أيونات
بقدر محدود، مثل حمض الخل الذي عند ذوبانه في الماء يعطي قدراً ضئيلاً من الأيونات حرة الحركة
في المحلول، بينما يبقى الجزء الأكبر من جزيئات حمض الخل في حالة غير أيونية (جزيئية) كما في
المعادلة التالية :
| h+(aq) + ch3coo-(aq) | ch3cooh(i) | |
وجدير بالذكر أن الماء النقي من المواد الضعيفة جداً لتوصيل الكهرباء، ولكن لو أننا استخدمنا جهازاً دقيقاً لغاية قياس مدى توصيل الماء النقي للكهرباء لوجدنا أنه يوصل الكهرباء إلى حد ما، مما يدل على وجود أيونات نتجت عن تأين بعض جزيئات الماء وهي في حالة اتزان مع الجزيئات الباقية :
| h +(aq) + oh -(aq) | = | h2o(i) |
ومن أهم الموصلات في علم الكيمياء تلك المواد التي يؤدي ذوبانها في الماء إلى ظهور الأيونات المكونة للماء، أي البروتونات المائية h +(aq) وأيونات الهيدروكسيد oh -(aq) وتعرف هذه المواد بالحموض والقواعد على التوالي. وسندرس في بقية هذا الفصل والفصل الذي يليه الحموض والقواعد بالتفصيل.
التفكك والتأين (ionization and dissociation) :
يمكن التمييز بين التأين والتفكك من استعراض المثالين التاليين :
| na+(aq) + cl-(aq) | nacl(s) | |
حيث أن كلوريد الصوديوم (ملح الطعام) مركب أيوني أصلاً وعند ذوبانه في الماء يعطي أيونات حرة الحركة في المحلول، ويطلق على هذا العمل التفكك.
| h+(aq) + cl-(aq) | hcl(g) | |
أما كلوريد الهيدروجين فهو مركب غير أيوني أصلاً (تساهمي) ولكنه يتفاعل مع الماء ليعطي أيونات حرة الحركة في المحلول ويطلق على هذه العملية بالتأين.
ويستعمل لفظ التفكك أحياناً ليشمل التأين، ويمكن التأكد من المعنى المقصود بمعرفة ما إذا كان المركب يتكون من أيونات في حالته النقية أو لا.
الأحماض والقواعد:
خواص الحموض:
4- إذا أضيف الخارصين إلى المحلول المائي لأي من هذه المواد، فإن تفاعلاً |
| الأحماض والقواعد: القواعد:
- خواص القواعد:
2- تذوب جميع هذه المواد في الماء، وتتفاعل مع البروتونات المائية وتزيلها ومحاليلها المائية توصل الكهرباء بدرجات متفاوتة.
غير أن أيونات الكربونات co3-- لا تلبث أن تتفاعل مع الماء لتعطي أيونات الهيدروكسيد المميزة للقواعد وفقاً للمعادلة التالية :
كما تتفاعل أيضاً مع البروتونات فتزيلها من المحلول الحمضي مكونة أيونات البيكربونات :
|
| المواد المترددة: المواد المترددة: هي المواد التي تحمل خواص الحمض والقاعدة معاً. مثل: الخارصين zn zn++(aq) + 2oh-(aq) =zn(oh)2(s) |
| التعادل والأدلة: رأينا أن خواص القواعد أنها لا تعطي أيونات الهيدروكسيد في الماء فحسب بل وتتفاعل مع البروتونات المائية (الحواص) لتسلبها صفتها الحمضية كما يلي:
(3-11)
ويتضح لنا من التفاعل (3-11) أنه باتحاد القاعدة مع الحمض تزول الصفة الحمضية من الحمض, وتتلاشي كذلك الخواص القاعدية للقاعدة. وتسمى هذه العملية بعملية التعادل (neutralization), أي معادلة الحمض بالقاعدة. فإذا أخذنا كمية معينة من حمض ذي تركيز معروف وعادلناها بكمية من القاعدة ذات تركيز محدد او العكس, فإن العملية تصبح عملية معايير (titration). ويعرف المحلول الناتج عن معادلة الحمض بالقاعدة والذي يخلو في هذه الحالة من صفات الحمض أو القاعدة بأنه محلول متعادل (neutral). فإذا تمت معادلة محلول حمض الكلور بمحلول هيدروكسد الصوديوم شكل (3-9) نتج عن تعادلها محلول متعادل هو محلول ملح الطعام الذي لا يحوي من أيونات الهيدروكسيد او البرتونات المائية إلا مقدار ما ينتج عن تحلل الماء النقي من هذه الأيونات.
(3-12)
ويلاحظ أن التفاعل (3-12) هو في الواقع التفاعل (3-11) لأن أيونات الصوديوم والكلوريد لا يطرأ عليها أي تغيير, ولا أهمية لمصادرها سواء كانت ناتجة من إذابة ملح الطعام في الماء أو من إضافة حمض الكلور إلى محلول هيدروكسيد الصوديوم. |
| الأملاح: إضافة إلى الأحماض والقواعد مثل حمض الكلور وهيدروكسيد الصوديوم وغيرها، عُرف نوع آخر من المواد الكيميائية مثل كلوريد الصوديوم الذي يمتاز بمثل ما تمتاز به الأحماض والقواعد من ناحية التفكك إلى أيونات إذا أذيبت في مذيب مناسب مثل الماء، وعلى الرغم من ذلك فهي لا تمتاز بما تتميز به الأحماض والقواعد من ناحية القدرة على منح أو إكتساب البروتون أو منح أو إكتساب الإلكترونات لتكوين رابطة نتيجة للذوبان، وهذا يعني عدم خضوعها لأي من تعاريف الأحماض والقواعد. ولقد وجد أن السبب الكامن من وراء تفككها إلى أيونات هو أنها في الأساس وقبل الذوبان عبارة عن مركبات متشكلة من ترابط أيونات بواسطة الرابطة الأيونية، وهذا يعني أن ما يؤدي إليه ذوبانها في المذيب هو تفكك الجزيء المركب إلى مكوناته الأيونية كما في المثال التالي:
|
وحيث أن هذه الشقوق السالبة والموجبة لهذه المواد - cl و+ na، وهي نفسها تعطي الحمض hcl والقاعدة naoh فإن هذا يعني أن تفاعل الحمض مع القاعدة يؤدي إلى إعطاء هذه المواد:
تسمى المواد التي تتصف بما سبق بالأملاح، ويعرف الملح بناء على ذلك أنه: المادة الناتجة من تفاعل حمض مع قاعدة.
ويجب التأكيد على أن الملح الذائب في الماء لا يوجد بعد الذوبان إلا على هيئة أيونات، ولا يمكن أن توجد منه جزيئات ذائبة متفككة ولذلك لا توجد هناك أملاح ضعيفة، ومن الأمثلة المختلفة على الأملاح ما يلي: بروميد الصوديوم nabr، كلوريد الأمونيوم nh4cl، خلات الصوديوم ch3coona، كلوريد الكالسيوم cacl2، خلات الأمونيوم ch3coonh4 وغيرها. |
| أولاً: نظريات الأحماض والقواعد: لافوازيه (1777 م): اقترح أن الأحماض تحتوي أكسجين. ديفي (1816 م): اكتشف أن حمض الهيدروكلوريك (hcl) لا يحتوي على الأكسجين، فهذا يعني قصور نظرية لافوازيه. واقترح ديفي أن الأحماض تحتوي على هيدروجين. ليبج (1838م): عرف الحمض بأنه المركب الكيميائي الذي يحتوي على الهيدروجين الذي يمكن أن يحل محله عنصر فلزي.
|
1 ـ نظرية أرهينيوس: عند إذابة غاز كلوريد الهيدروجين (hcl) في الماء، تتحرر أيونات الهيدروجين (كاتيونات +h) وأيونات الكلوريد (أنيونات -cl) كما في المعادلة:
(المحلول الناتج يسمى حمض الهيدروكلوريك).
|
ومن أمثلة الأحماض تبعاً لنظرية أرهينيوس أحماض: الهيدروكلوريك والكبريتيك، والنيتريك، والأسيتيك (حمض الخل)، وحمض السيتريك (حمض الموالح)، ومن أمثلة قواعد أرهينيوس: هيدروكسيد الصوديوم، وهيدروكسيد البوتاسيوم، وهيدروكسيد الكالسيوم (ماء الجير) وهيدروكسيد الأمونيوم. |
مزايا النظرية:
1- لقد أسهم تعريف أرهينيوس في تفسير الخواص الحمضية أو القاعدية لكثير من الحموض والقواعد نظراً لبساطتها،ولأن الماء هو الوسط الذي تجري فيه معظم التفاعلات الكيميائية.
2- تتميز هذه النظرية بأن قوة الحمض أو القاعدة تتوقف على مدى تفككها في المحلول المائي، فإذا كان تفكك الحمض أو القاعدة كاملاً كان الحمض أو القاعدة قوياً، وإذا كان التفكك جزئياً كان الحمض أقل قوة.
| قصور نظرية أرهينيوس: 1 ـ يقتصر تطبيق النظرية على المحاليل المائية للأحماض والقواعد، ولم تفسر تأينها في المحاليل غير المائية. 2 ـ لم تفسر حمضية بعض المواد التي لا تحتوي على أيونات الهيدروجين كما في: أ ـ الأكاسيد الحمضية: التي تذوب في الماء وتنتج محلولاً حمضياً مثل ثاني أكسيد الكربون الذي يذوب في الماء ليكِّون حمض الكربونيك الذي يتأين مكوناً أيون الهيدرونيوم الحمضي كما في المعادلتين:
|
ب ـ الأملاح ذات التأثير الحمضي: التي تذوب في الماء وتنتج محلولاً حمضياً يحتوي على كاتيونات الهيدرونيوم كما في حالة كلوريد الأمونيوم:
جـ ـ لم تفسر قاعدية بعض المركبات التي لا تحتوي على مجموعة الهيدروكسيد، ولكن عند إذابتها في الماء تنتج محاليل قاعدية مثل الأمونيا.
|
د - تشترط في الحمض أن يعطي عند تفككه في المحاليل المائية البروتون (h+) وهو جسيم صغير جدّاً من الصعب أن يظل سابحاً في المحلول دون أن يتحد أو ينجذب إلى الذرات أو الجزيئات الموجودة في المحلول ومعظمها في حالة المحاليل المائية جزيئات ماء (h2o)، ولقد حاولنا حتى الآن أن نلتزم بإحاطة البروتون بجزيئات الماء ليشكل البروتون المائي h+(aq)، ونكون بذلك قد ساوينا في المعاملة بينه وبين أي ذرة أو جزيء أو حتى أيون عادي مثل الكلوريد cl-(aq)، وهذا غير مقبول تماماً، إذ أنه من الصعب أن نتصور أن جزيئات الماء الكبيرة يمكنها أن تتكدس حول هذا الجسم الصغير( h+(aq)) دون أن تتنافر مع بعضها، أضف إلى ذلك أن التجارب دلت فعلاً على أن البروتون لا يتحرك في المحلول المائي مستقلاً بل يلتصق بجزئ من الماء مكوناً أيون الهيدرونيوم (h3o+(aq)) الذي يحاط بدوره بعدد من جزيئات الماء التي تكسبه ثباتاً، ولهذا يستعمل تركيز أيون الهيدرونيوم بدلاً من البروتون في كتابة المعادلات كما في المثال التالي :
|
| h3o+(aq) + cl-(aq) | = | hcl + h2o |
ويبدو من التفاعل أن البروتون ينتقل من الحمض إلى جزئ المذيب هو الماء ليكون الهيدرونيوم والذي يشبه في شكله أيون الأمونيوم nh+4(aq) مع اختلاف بسيط في مقدار الزاوية بين الروابط الكيميائية ويوضح الشكل أيون الهيدرونيوم. وعلى ضوء هذا القصور فقد تم تعديلها حيث أصبح تعريف الحمض والقاعدة حديثاً على النحو التالي :
| الحمض : هو المادة التي تزيد أيونات الهيدرونيومh3o+(aq) في المحاليل المائية. القاعدة : هي المادة التي تزيد من أيونات الهيدروكسيد oh -(aq) في المحاليل المائية، أو التي تتفاعل مع الحمض (أيون الهيدرونيوم) وتفقده خواصه. |
2 ـ نظرية برونشتد ـ لوري:
مثل hcl و hno3 و +h3o و +nh4
مثل nh3 و -oh و naoh وقد فسرت نظرية برونشتد ـ لوري سلوك المذيب كحمض أو قاعدة حسب المادة المذابة فيه، كما في المثالين التاليين: |
1 ـ ذوبان غاز كلوريد الهيدروجين في الماء يكون التفاعل كالتالي:
في هذا التفاعل يعتبر جزيء كلوريد الهيدروجين حمضاً، لأنه منح جزيء الماء بروتوناً وجزيء الماء قاعدة لأنه استقبل البروتون، فنتج أيون هيدرونيوم (+h3o) وأيون كلوريد.
|
2 ـ ذوبان غاز الأمونيا في الماء يحدث تفاعلاً كالتالي:
ويفسر هذا التفاعل تبعاً لنظرية برونشتد ـ لوري بأن الماء يمنح بروتوناً للأمونيا، ولذلك يعتبر الماء حمضاً والأمونيا قاعدة، والمحلول الناتج يسمى هيدروكسيد الأمونيوم وهي قاعدة ضعيفة. |
ويلاحظ عند تفاعل حمض مع قاعدة حسب نظرية برونشتد ـ لوري أن الحمض بعد منح البروتون يصبح قاعدة يطلق عليها القاعدة المرافقة للحمض، وبالمقابل فإن القاعدة بعد استقبال البروتون تصبح حمضاً يطلق عليه الحمض المرافق للقاعدة، ويتضح ذلك في المثالين التاليين: |
||||
والشكل التالي يوضح الأزواج المترافقة بوجه عام:
|
||||
| وهكذا, فإن أي تفاعل يشتمل على انتقال بروتون من حمض إلى قاعدة يتألف من زوجين مرافقين من حمض وقاعدة. ويبين الجدول التالي تفاعل عدد من الحموض أو القواعد مع الماء, املأ الفراغات فيه: |
|
الاسم | ||||||||||||||
|
الهيدروكلوريك | ||||||||||||||
|
النتريك | ||||||||||||||
|
أيون الكربونات الهيدروجينية | ||||||||||||||
|
الهيدروسيانيك | ||||||||||||||
|
كبريتيد الهيدروجين | ||||||||||||||
|
الأمونيا | ||||||||||||||
|
أيون الكربونات | ||||||||||||||
|
أيون الإيثانوات | ||||||||||||||
![]() |
![]() |
![]() |
![]() |
![]() |
![]() ![]()
|
| مثال (1): حدد القاعدة المرافقة لكل من :
الحل:
مثال (2):
الحل:
|
لقد امتد مفهوم الحمض والقاعدة عند برونشتد - لوري فشمل تفاعلات كثيرة لا يدخل فيها الماء بالإضافة إلى
المحاليل المائية بعد أن كان مفهوم الحمض والقاعدة مرتبطاً بالمحاليل المائية فقط عند أرهينيوس كما في التفاعل التالي :
|
||
| nh4+ + f - | nh3 + hf |
كذلك عندما يتفاعل جزيئان من الماء فينتج أيون الهيدرونيوم الموجب (حمض مرافق) وأيون الهيدروكسيل
السالب (قاعدة مرفقة).
| h3o+ + oh - | h2o + h2o | |
|
| مزايا النظرية: 1- إن مفهوم لاوري برونشتد أكثر شمولاً من مفهوم أرهينيوس لأنه لا يقيدنا في المحاليل المائية، ففي التفاعل الآتي من الواضح أنه تفاعل حمض وقاعدة حسب نظرية لاوري برونشتد حيث كلوريد الهيدروجين هو الحمض (الفاقد للبروتون) والنشادر nh3 هو القاعدة (المتقبل للبروتون) :
2- أنها تبين أن قوة الحمض لا تعتمد على قابلية الحمض منح البروتون أو فقده فحسب (كما في النظرية الأيونية)، بل وعلى قابلية القاعدة (أو المذيب) لتقبل هذا البروتون.
وهذه النظرية هي النظرية الشائعة الإستعمال في دراسة الحموض والقواعد في المحاليل المائية.
لذلك استمر العلماء في البحث عن نظرية جديدة أكثر شمولاً. |
3 ـ نظرية لويس:
وتعتبر تفاعلات أحماض وقواعد لويس تفاعلات إضافة بتكوين رابطة كيميائية بين الذرة المانحة والذرة المستقبلة، كما في المعادلة التالية:
|
ذكرنا أن نظريتي أرهينيوس وبرونشتيد ـ لوري لم توضحا حمضية ثاني أكسيد الكربون.
بينما نظرية لويس تفسر ذلك عن طريق إعطاء زوج من الإلكترونات من ذرة الأكسجين في جزيء h2o إلى ذرة الكربون في جزيء co2 ثم تحدث إزالة لزوج إلكترونات (c=o) ثم انتقال البروتون إلى ذرة الأكسجين التي تحمل الشحنة السالبة لتكوين حمض الكربونيك h2co3
وتبعاً لتعريف لويس فإن حمض لويس يمكن أن يكون
| جزيئاً متعادلاً | أيونا موجباً |
| أ- يحتوي على ذرة لم تصل إلى حالة الاستقرار الثمانية مثل: ثالث فلوريد البورون bf3، كلوريد الأمونيوم alcl3 حيث تستطيع كل ذرة من البورون والألومنيوم استقبال زوج من الإلكترونات. | أ- الأيونات الموجبة التي ليس لها تركيب إلكتروني يشبه الغازات الخاملة ويشمل هذا النوع معظم كاتيونات العناصر الانتقالية مثل : al3+ , zn2+ , cu2+ , ag+ حيث تستطيع هذه الأيونات الموجبة استقبال أكثر من زوج من الإلكترونات. |
| ب- جزيئات بها رابطة تساهمية مزدوجة أو أكثر بين ذرتين مختلفتين في السالبية الكهربائية، مثل ثاني أكسيد الكربون co2 ،وثالث أكسيد الكبريت so3 | ب- جميع الكاتيونات التي تحمل شحنة كهربائية ثلاثية (al+3 ) أو أكثر. |
| ج- جزيئات تحتوي على ذرة مركزية بها تحت مستوى (d) متاح يمكن أن يتسع لمزيد من الإلكترونات. مثال كلوريد القصدير ( sncl4(vi، ورابع فلوريد السليكون sif4 ففي ذرة القصدير sn يوجد تحت المستوى 5d متاح، أما في ذرة السليكون فهناك تحت المستوى 3d متاح، ويستطيع تحت المستوى هذا من اكتساب خمسة أزواج من الإلكترونات حتى يمتليء. | ج- تزداد قوة حمض لويس كلما زادت كثافة الشحنة على الكاتيون وذلك لزيادة قدرته على استقبال أزواج الإلكترونات. وبناءً عليه تعتبر الكاتيونات (+li و be+2 و mg+2) أحماض لويس لكبر كثافة الشحنة على هذه الكاتيونات. |
أما قاعدة لويس فيمكن أن تكون:
| جزيئاً متعادلاً | أيونا سالباً |
| أ- الجزيئات التي تحتوي على ذرة بها زوج أو أكثر من الإلكترونات غير المشتركة مثل الأمونيا (nh3) والماء (h2o) والإيثانول (ch3ch2oh) والإيثر (ch3_o_ch3) حيث تستطيع كل من ذرة النيتروجين والأكسجين منح زوج الإلكترونات لمادة أخرى. |
أ- تعتبر جميع الأيونات السالبة قواعد لويس، وكلما زادت الشحنة السالبة على الأيون زادت قدرته على إعطاء زوج من الإلكترونات ، ويتفاعل بقوة أكبر مع أحماض لويس. مثال: so42-, o2-, oh-, cn-, nh-2, .... إلخ. |
| ب- المركبات العضوية التي تحتوي على رابطة مزدوجة بين ذرتي كربون قواعد لويس: مثال غاز الإيثين ch2=ch2 ، و البنزين c6h6 |
|
ويمكن المقارنة بين النظريات الثلاث في الجدول التالي:
|
| ثانياً: تصنيف الأحماض: معظم الأحماض - في الحالة النقية- سوائل أو غازات في درجات الحرارة العادية. فمثلاً كلوريد الهيدروجين، وبروميد الهيدروجين وكبريتيد الهيدروجين غازات، في حين حمض الكبريتيك، والأورثو فوسفوريك سوائل. وهناك عدد من الأحماض الصلبة مثل البنزويك والستريك. وتنقسم الأحماض حسب طبيعتها إلى قسمين: أ ـ الأحماض العضوية. ب ـ الأحماض المعدنية (غير العضوية). |
الأحماض العضوية:
يتكون جزيء هذه الأحماض من عناصر الهيدروجين والكربون والأكسجين، ويمكن تقسيم هذه الأحماض حسب عدد مجموعات الكربوكسيل في الصيغة الكيميائية إلى الأقسام التالية:
| النوع | تعريف | الأمثلة |
| أحادية الكربوكسيل | الأحماض التي تحتوي في صيغتها الكيميائية على مجموعة كربوكسيل واحدة. وعندما تذوب في الماء تعطي بروتوناً واحداً. | ![]() حمض الفورميك h-cooh |

حمض البنزويك
c6h5cooh

حمض الأسيتيك
ch3cooh


حمض الترتريك
c4h6o6

حمض الفيثاليك
c8h6o4

ب ـالأحماض المعدنية (غير العضوية):
وتقسم هذه الأحماض بدورها حسب عدد أيونات الهيدروجين التي تعطيها الصيغة الكيميائية للحمض في أي مذيب مناسب كالماء مثلاً إلى:
| النوع | تعريف | الأمثلة |
| أحادية البروتون |
الأحماض التي تعطي بروتوناً واحداً عند تأينها في الماء ويرمز لها بالرمز (ha) وهي تتأين على مرحلة واحدة. | حمض الهيدروكلوريك hcl حمض الهيدروسيانيك hcn حمض البيركلوريك hclo4 |
| ثنائية البروتون |
الأحماض التي تعطي بروتونين عند تأينها في الماء ويرمز لها بالصيغة العامة (h2a) وهي تتأين على مرحلتين متتاليتين. | حمض الكبريتيك h2so4 حمض الكبريتوز h2so3 حمض السلينيك h2seo4 |
| عديدة البروتون |
الأحماض التي تعطي ثلاث بروتونات أو أكثر عند تأينها في الماء ويرمز لها بالصيغة العامة (hna) حيث 3 ![]() n وهي تتأين على عدة مراحل متتالية وذلك حسب قيمة n |
حمض الأورثوفوسفوريك h3po4 حمض الزرنخيك h3aso4 حمض البيروفوسفوريك h4p2o7 |
|
معادلات تأين الأحماض المعدنية في الماء
1 ـ الأحماض أحادية البروتون:
المول الواحد من الحمض يُنتج مولاً واحداً من كاتيونات الهيدرونيوم.
ملاحظة: قد يسلك هذا النوع من الأحماض سلوك الأحماض أحادية البروتون كما في المعادلة التالية:
|
3 ـ أما حمض الفوسفوريك فهو مثال لأحماض ثلاثية البروتون، لاحظ المعادلة:
h3po4 + 3h2o ![]() 3h3o+ + po3-4 |
- قد تسلك الأحماض ثلاثية البروتون سلوك الأحماض أحادية أو ثنائية البروتون كما هو موضح:
| (1) | h3o+ + h2po-4 |
|
h3po4 + h2o |
| (2) | 2h3o+ + hpo2-4 |
|
h3po4 + 2h2o |
1- يمكن المقارنة بين النظريات الثلاث لتعريف الأحماض والقواعد في الجدول التالي:
|
| 5- الخواص العامة للأحماض والقواعد: أ- معظم الأحماض تذوب في الماء وتكوَّن محاليل مخففة، ولها طعم حامض. ب- بعض الأحماض خصوصاً المركزة مثل حمض الكبريتيك تأثيرها متلف وحارق لجلد الإنسان والملابس. جـ تؤثر محاليل الأحماض والقواعد على بعض الصبغات فتغير من ألوانها، فمثلاً تؤثر الأحماض في صبغة تباع الشمس فتغير لونه إلى اللون الأحمر وكذلك تؤثر القواعد في صبغة تباع الشمس فتغير لونه إلى الأزرق. د ـ تتفاعل الأحماض المخففة مع الفلزات التي تسبق الهيدروجين في السلسلة الكهروكيميائية وينتج ملح الحمض ويتصاعد غاز الهيدروجين. هـ تتفاعل الأحماض مع القواعد وينتج ملح الحمض والماء غالباً. و- تتفاعل الأحماض مع أملاح الكربونات والكربونات الهيدروجينية وينتج ملح الحمض وماء وغاز ثاني أكسيد الكربون ز- تتفاعل محاليل القواعد القلوية مع أملاح الأمونيوم وينتج ملح وماء وغاز الأمونيا ذو الرائحة المميزة، وهذا يستخدم للكشف عن أملاح الأمونيوم. حـ - تتفاعل بعض القواعد مع الأملاح وينتج هيدروكسيد الفلز وملح. ط - تتميز هيدروكسيدات بعض الفلزات بصفة التردد حيث يمكنها التفاعل مع الأحماض كقواعد ومع القواعد كأحماض منتجة ملحاً وماء. مثل هيدروكسيد الخارصين وهيدروكسيد الألومنيوم. |
اختر الإجابة الصحيحة مما يلي:
إذا غمست ورقة من كاشف تباع الشمس في محلول حمضي فإن لونها يتحول إلى اللون:
| الأحمر | |
| الأصفر | |
الأخضر
|
|
| الأزرق |
|
اختر الإجابة الصحيحة مما يلي:
إذا غمست ورقة من كاشف تباع الشمس في محلول قاعدي فإن لونها يتحول إلى اللون:
| الأحمر | |
| الأصفر | |
الأخضر
|
|
| الأزرق |
|
|
|
اختر الإجابة الصحيحة مما يلي:
احد المواد التالية يعتبر حسب مفهوم لويس من الأحماض:
| NH3 | |
| CN- | |
![]() H2O |
|
| AlCl3 |
|
اختر الإجابة الصحيحة مما يلي:
احد الأنواع التالية يسلك كحمض لويس:
| O-2 | |
| OH- | |
![]() Ca2+ |
|
| NH3 |
|
اختر الإجابة الصحيحة لكل من العبارات التالية:
المادة التي لها القدرة على منح بروتون إلى مادة أخرى هي:
حمض لويس |
قاعدة برونشتد - لوري |
قاعدة لويس |
حمض برونشتد - لوري |
اختر الإجابة الصحيحة لكل من العبارات التالية:
أي مما يأتي لا يعد من قواعد لويس؟
nh4+ |
bf3 |
h2o |
cn- |
اختر الإجابة الصحيحة لكل من العبارات التالية:
المادة التي لها القدرة على استقبال بروتون من مادة أخرى هي تعريف لـ:
حمض لويس |
حمض برونشتد - لوري |
قاعدة لويس |
قاعدة برونشتد - لوري |
اختر الإجابة الصحيحة لكل من العبارات التالية:
تفاعل كلوريد الهيدروجين مع الماء هو:
| HCl + H2O = Cl2 + H3O+ |
| HCl + H2O = ClO- + H3O+ |
| HCl + H2O = Cl- + H3O+ |
اختر الإجابة الصحيحة لكل من العبارات التالية:
استعمل تعريف لاوري وبرونشتد لتميز أي من المواد المتفاعلة هي حمض أو قاعدة.
| KOH + HBr --> KBr + H2O |
{حمض}=KOH ; {قاعدة}=HBr |
{قاعدة}=KOH ; {حمض}=HBr |
{حمض}=KOH ; {حمض}=HBr |
|
حسابات متعلقة بالحموض والقواعد |
تمهيد:
لدراسة الحسابات المتعلقة بمحاليل الأحماض والقواعد لا بد من التعرف على أهميّتها في حياتنا. تلعب الأحماض والقواعد دوراً مهماً في حياتنا فتوجد داخل أجسامنا بعض الأنزيمات الهاضمة التي تعمل على تسريع الهضم، فبعضها تعمل في وسط حمضي والأخرى لا تعمل إلاّ في وسط قاعدي .
ـ أنزيم أمبليز اللعاب الذي يفرز مع اللعاب في الفم يقوم بوظيفة هضم الكربوهيدرات في الوسط القاعدي.
ـ أنزيم البيبسين الذي يفرز في المعدة يقوم بهضم البروتينات في الوسط الحمضي.
ـ أما في مجال الطب فتدخل الأحماض والقواعد في تركيب بعض الأدوية مثل الأسبرين.
ـ وفي مجال الصناعة يستخدم حمض الكبريت في بطاريات السيارات لتوليد الطاقة الكهربائية.
ـ إن كثير من التفاعالات لا يتم إلاّ عند درجة معينة من الحموضة كما أن كثيراً من المواد تكون ثابتة التركيب في المحاليل المائية في درجات معينة من حموضة هذه المحاليل بينما تتحلل وتفسد إذا تغيرت درجة حموضة المحلول. لذا من الضروري أن نتمكن من قياس حموضة المحاليل المختلفة وحسابها.
| قياس درجة حموضة المحاليل تقاس درجة حموضة المحلول ما بقياس تركيز أيون الهيدرونيوم h3o+ فيه. وتتناسب قوة الحمض طردياً مع مقدار ما ينتج عنه في المحلول المائي, ولكن قبل أن نبدأ في دراسة طرق حساب تركيز أيون الهيدرونيوم في المحاليل المختلفة يجب أن نعرف أن الماء النقي له قدرة ضئيلة على توصيل التيار الكهربائي, أي أن الماء يتأين بدرجة ضئيلة كما في المعادلة التالية:
(4-1)
وعندما يحدث اتزان ي المحاليل المائية بين جزيئات الماء غير المتفككة من جهة وبين أيونات الهيدروكسيد والهيدرونيوم من جهة اخرى كما في المعادلة (4-1) فإن ثابت تفكك الماء يصبح
وبالتعويض نجد أن:
وبأخذ الجذر التربيعي للطرفين نجد أن:
ومعنى هذا انه في أية عملية لإيجاد تركيز أيونات الهيدرونيوم يتم إيجاد تركيز أيوانت الهيدروكسيد تلقائياً من معرفة قيمة ثابتى تفكك الماء, وأنه في المحلول المتعادل عند درجة 25° م يكون:
|
| مدرج الحموضة بدلالة [h3o+] كلما زاد تركيز الهيدرونيوم مقارنة بتركيز الهيدروكسيد في المحاليل المائية زادت درجة حموضة المحلول وبناءً على ذلك فيمكن رسم مدرج الحموضة على النحول التالي:
|
| الأس (الرقم) الهيدروجيني ph والأس الهيدروكسيدي poh: ونظراً لأن تركيز أيونات الهيدرونيوم والهيدروكسيد في المحاليل المائية قليل نسبياً ويعبر عنه بأرقام صغيرة فقد اقترح العالم السويدي سورنسن عام 1327هـ (1909م) مقياساً أسهل يعبر بموجبه عن تركيز أيونات الهيدرونيوم بأرقام بسيطة ويطلق على هذا المقياس اسم الأس الهيدروجيني ph أو الرقم الهيدروجيني وهو عيارة عن اللوغاريتم السالب لتركيز أيون الهيدرونيوم للأساس عشرة ويعبر عنه رياضياً كالآتي:
وبهذة الطريقة يمكن التعبير عن درجة حموضة المحاليل بأرقام موجبة من الصفر إلى 14
حيث تكون قيمة الأس الهيدروكسيدي في المحلول المتعادل poh = - لو 7 = 7-10 x 1 |
الحسابات المتعلقة بالحموض والقواعد1- حسابات متعلقة بمحاليل الحموض القوية
(4-2)
|
|
||||
| أولاً: نظرية أرهينيوس وقوة الأحماض والقواعد : وضع العالم أرهينيوس نظرية لتفسير توصيل محاليل الألكتروليتات للكهرباء تساعد في توضيح قوة الأحماض والقواعد من ضمن فروضها أنه عند إذابة إلكتروليت (ab) في الماء تتفكك جزيئاته بدرجة معينة إلى أيونات موجبة (كاتيونات)، وأيونات سالبة (أيونات) وعملية التفكك (التأين) عكسية، وتوجد حالة إتزان بين الجزيئات المتفككة والأيونات الناتجة عن التفكك، ويمكن التمثيل بالمعادلة التالية :
لقد استخدم أرهينيوس محاليل الأحماض والقواعد كمواد الكتروليتية، واختبر قدرتها على توصيل الكهرباء.
|
| واستنتج أرهينيوس أن الأحماض تختلف في درجة تأينها في الماء , فهناك أحماض تامة التأين تعرف بالأحماض القوية مثل الهيدروكلوريك , والكبريت , والنيتريك , وأحماض تتأين بدرجة قليلة تعرف بالأحماض الضعيفة ويمثلها معظم الأحماض مثل حمض الأسيتيك (الخل) , وجميع الأحماض العضوية وحمض الفوسفوريك والكبريتوز وغيرها . وبالمثل توصل أرهينيوس إلى أن هناك قواعد قوية تتأين تأيناً تاماً في الماء مثل هيدروكسيد الصوديوم , وهيدروكسيد البوتاسيوم , وقواعد ضعيفة مثل هيدروكسيد الأمونيوم التي تتأين بدرجة منخفضة . وقد أظهرت التجارب العملية أن حوالي 1% من جزيئات حمض الأسيتيك الذي تركيزه 0.1 مول /ليتر هي نسبة التأين في الماء , بينما النسبة المئوية لتأين حمض الهيدروفلوريك له نفس التركيز = 3% أما حمض الهيدروكلوريك فهو تام التأين تقريباً . |

ثانياً: نظرية برونشتد - لوري وقوة الأحماض والقواعد:
تقاس قوة الحمض حسب تعريف برونشتد - لوري بمقدار ميله لمنح البروتون , أما القاعدة فتقاس قوتها بمقدار ميلها لتقبل البروتون والإحتفاظ به . فما العلاقة بين قوة الحمض وقاعدته المرافقة ؟
ذكرنا أن حمض hcl هو حمض قوي يتفكك كلياً في الماء . وينتج من ذلك القاعدة المرافقة cl- . وفي الوقت نفسه , يسلك كقاعدة لأنه يستقبل البروتون , وينتج من ذلك الحمض المرافق h3o+:
| hcl(aq) + h2o(l) h3o+(aq) + cl-(aq) |
ومن الناحية العلمية لاتجد في محلول الحمض جزيئلت hcl. وهذا يعني أنه في حالة الحمض القوي , يكون الحمض والقاعدة في الجانب الأيسر لمعادلة التفاعل [h2o , hcl] أقوى من الحمض المرافق والقاعدة المرافقة في الجانب الأيمن [cl- , h3o+] . وعند مقارنة القاعدتين cl- , h2o يكون الماء هو القاعدة الأقوى , لأنه أكثر ميلاً لاستقبال البروتون , وعند مقارنة الحمضين hcl , و h3o+ يكون hcl هو الحمض الأقوى لأنه أكثر ميلاً لمنح البروتون من h3o+. لهذا وضع السهم (![]()
) باتجاه واحد ليشير إلى الجهة التي يرجحها التفاعل.
هل تستطيع الآن أن تتبين العلاقة بين قوة كل من الحمض وقاعدته المرافقة , وكذلك القاعدة وحمضها المرافق ؟
من المناقشة السابقة يتضح أنه كلما كان الحمض أقوى (hcl مثلاً) تكون قاعدته المرافقة (cl-) أضعف , وكلما كانت القاعدة أقوى (h2o مثلاً) يكون حمضها المرافق (h3o+) أضعف:
إن حمض الإثانويك ch3cooh مثلاً حمض ضعيف يتأين جزئياً في الماء , ويكون الإتزان منحازاً إلى جهة اليسار ka = 1.8 × 1-5
| ch3cooh(aq) + h2o(l) h3o+(aq) + ch3coo-(aq) |
فمزيج التفاعل يحتوي عند الإتزان على الحمضين ch3cooh , h3o+ والقاعدتين ch3coo- , h2o . ولما كان الإتزان منحازاً نحو اليسار فهذا يعني أن h3o+ هو الحمض الأقوى , وأيون الإيثانوات ch3coo- هو القاعدة الأقوى .
هل تستنتج علاقة بين الجهة التي يرجحها الإتزان وقوة كل من الحمض والقاعدة الناتجين ؟ لعلك توصلت إلى أن الإتزان يرجح الجهة التي يوجد فيها الحمض الأضعف:
| تميل التفاعلات التي تتضمن انتقال البروتونات إلى تكوين الحمض الأضعف والقاعدة الأضعف بكميات سائدة في المحلول . |
مثال:
اكتب معادلة موزونة تمثل التفاعل الذي يحدث في الوسط المائي بين حمض الإيثانويك وسيانيد الصوديوم . وبيِّن أي الإتجاهين يرجح الإتزان ؟
الحل:
سيانيد الصوديوم nacn مادة تتفكك في الماء إلى أيونات cn- , na+ . وأيون cn- قاعدة حمضها المرافق hcn .وبذلك يتم التفاعل بين الحمض ch3cooh والقاعدة cn- وينتج القاعدة المرافقة للحمض ch3coo- والحمض المرافق للقاعدة hcn كما يأتي :
ولتقرير الإتجاه الذي يرجحه الإتزان , نقارن بين قوة الحمضين (أو القاعدتين) في التفاعل.
يتبين أن hcn حمض أضعف من ch3cooh , ولذلك فإن ch3coo- قاعدة أضعف من cn-.
ولما كان الإتزان يرجح الجهة التي يوجد فيها الحمض والقاعدة الضعيفان فهذا يعني أن الإتزان يتجه نحو اليمين .
والجدول يوضح القوة النسبية لبعض أزواج الأحماض والقواعد
1- أحماض قوية تتأين بنسبة 100 % تقريباً في المحاليل المائية. |
| نستنتج من التجربة أن محاليل الإلكتروليتات (محاليل الأحماض والقواعد) تتفاوت في درجة توصيلها للتيار الكهربائي , فمنها ماهو جيد التوصيل وذلك لتوفر الأيونات بدرجة كبيرة ومنها ما هو قليل التوصيل للتيار الكهربائي وذلك لقلة عدد الأيونات , ويعتمد عدد الأيونات الناتجة عن الحمض أو القاعدة على درجة التفكك (التأين) وأن درجة التفكك (التأين) يقصد بها النسبة بين عدد المولات التي تفككت من الألكتروليت إلى عدد المولات الأصلية قبل التفكك . |
| ثالثاً: العلاقة بين قوة الأحماض وبنيتها الجزيئية:
1 ـ الأحماض ثنائية العنصر (الأحماض الهيدروجينية):
|
وُجد أن حجم ذرة الهالوجين هو المحدد لقوة الحمض فكلما كبر حجم هذه الذرة، أصبحت إلكتروناتها (شحنتها السالبة) موزعة على حجم أكبر، وبذلك تقل قوة جذبها للبروتون (+h) مما يؤدي إلى سهولة فصله وبالتالي زيادة قوة الحمض والمعادلة توضح فصل البروتون من الحمض:
نعلم أن الحجم الذري للعناصر الهالوجينية يزداد بإزدياد العدد الذري للهالوجين، أي ذرة الفلور هي الأصغر حجماً وذرة اليود هي الأكبر. بناء على ذلك تزداد قوة الحمض الهالوجيني في الاتجاه من أعلى إلى أسفل، أي أن حمض الهيدروفلوريك هو أضعف هذه الأحماض وحمض الهيدرويوديك هو أقواها. |
تأمل الجدول التالي , لاحظ قيمة الرابطة لحمض hf , وهذا يقلل من قدرة (+h) على الانفصال وبالعكس في حالة hi .
| الحمض | قوة الرابطة h-x بالكيلو جول/مول | قوة الحمض في الماء |
| h-f | 565 | ضعيف |
| h-cl | 427 | قوي |
| h-br | 363 | قوي |
| h-i | 295 | قوي جداً |
2 ـ الأحماض ثلاثية العنصر:
تشتق الأحماض ثلاثية العنصر (الأحماض الأكسجينية) من البنية
| ( أ ) | ( ب ) | |||
| x | ـــــ | o | ـــــ | h |
حيث x = ذرة لافلز في الأحماض، وذرة فلز في القواعد الهيدروكسيدية (القلويات).
| أ = الرابطة بين (x) والأكسجين. ب = الرابطة بين الأكسجين والهيدروجين. |
| يتوقف نوع المركب وقوته على الذرة (x) التي تسمى الذرة المركزية فعندما تكون (x) ذرة فلزية (ذات سالبية كهربائية منخفضة) يصبح الزوج الإلكتروني في الرابطة ( أ ) عائداً لذرة الأكسجين (الأقرب لها)، ويكون المركب في هذه الحالة هيدروكسيد مثل (+ho- ، na ) أي قاعدي قلوي.
وعندما تكون (x) ذرة لافلزية (سالبية كهربائية مرتفعة) تصبح الرابطة ( أ ) رابطة تساهمية، والذرة (x) في هذه الحالة تقلل الكثافة الإلكترونية حول ذرة الأكسجين التي تسحب بدورها إلكترونات الرابطة ( ب ) تجاهها مما يساعد على انفصال البروتون، لذلك يعتبر المركب حمضاً، كما في حمض الهيدروكلورز |
| مثال: لاحظ الصيغ التالية:
تعلم أن السالبية الكهربائية cl السالبية الكهربائية br السالبية الكهربائية i، وبالتالي يكون حمض الهيبوكلوروز أقوى من حمض الهيبوبروميك والأضعف هو حمض الهيبويوديك. hoi hobr hocl
|
وهناك عامل آخر يؤثر في قوة الحمض ففي بعض الجزيئات ترتبط الذرة المركزية (x) مع ذرات أكسجين إضافية، كما في الصيغ الافتراضية التالية والأمثلة:
| عدد ذرات الأكسجين المرتبطة بالذرة المركزية (x) وغير مرتبطة بالهيدروجين: في العمود الأول: في العمود الثاني : في العمود الثالث: |
|
|
| نلاحظ من الأمثلة السابقة: 1- وجود ذرة أكسجين أو أكثر. 2- مرتبطة بالذرة المركزية (x). 3- غير مرتبطة بالهيدروجين. ووجود هذه الذرة من الأكسجين تعمل على سحب الإلكترونات من الذرة المركزية مما يزيد من مقدرتها على سحب الإلكترونات من ذرة الأكسجين المرتبطة بالهيدروجين، وبذلك تصبح إلكترونات الرابطة (h-o) مشدودة بدرجة أكبر وبعيدة عن الهيدروجين مما يسهل انفصال البروتون وزيادة قوة الحمض. وكلما زاد عدد ذرات الأكسجين المرتبطة بالذرة المركزية وغير المرتبطة بالهيدروجين تزداد قوة الحمض، ولذلك فإن:
وحمض الكبريتيك h2so4 أقوى من حمض الكبريتوز h2so3. |
| رابعاً: حساب تركيز أيونات الأحماض والقواعد في المحاليل المائية:
عرفت أن قوة الحمض في المحاليل المائية تتوقف على قدرته في إعطاء البروتون وتكوين أيون الهيدرونيوم، ويدل تركيز هذا الأيون على درجة تأين الحمض، وبالطريقة نفسها يدل تركيز أيون الهيدروكسيد على درجة تأين القاعدة. ولقد ثبت بالتجربة العملية أن جزيئات الماء المقطر تتأين بدرجة قليلة جداً إلى أيونات الهيدرونيوم وأيونات الهيدروكسيد. |
| 1 ـ الحاصل الأيوني للماء: ionic product of water
تفسر المعادلة التالية وجود الأيونات في الماء مما يفسر توصيل الماء النقي للكهرباء ولو بدرجة ضعيفة جداً، حيث يمنح جزيء ماء بروتوناً إلى جزيء آخر في عملية تعرف بالتأين الذاتي:
وبتطبيق قانون فعل الكتلة على حالة الإتزان في المعادلة المبسطة التالية:
|
قد وجد من تجارب التوصيل الكهربائي ان تركيز الماء كأنه ثابت، وتبعاً لذلك يمكن التعبير عن ثابت الإتزان على النحو التالي:
(ثابت) oh-][h+] = kw]
وقد وجد عملياً أن قيمة
عند درجة (25°س). |
ولما كان الماء النقي متعادلاً كهربائياً فلابد أن يكون تركيز كل من الأيونات الموجبة (+h) مساوياً لتركيز الأيونات السالبة (-oh) أي:
وبالتالي:
|
| وإذا انتقلنا من الماء النقي إلى محاليل الأحماض والقواعد في الماء، نجد أن العلاقة: [+oh-][h]= 01-41 تبقى ثابتة، بحيث إذا زاد [+h] يقل [-oh] ليظل حاصل ضربهما يساوي 10-14، في محاليل الأحماض يزيد تركيز [+h] ويصبح أكبر من 10-7 (أي 10-6 أو 10-5 ![]() 10-1) ويقل تركيز [-oh] ويصبح أقل من 10-7 (أي 10-8 ، 10-9 ![]() 10-13)، وبالعكس في حالة محاليل القواعد يقل تركيز [+h] عن 10-7 ويزيد تركيز [-oh] عن 10-7. وفي جميع الأحوال سواء أكان المحلول حمضياً أم قاعدياً أو متعادلاً يكون حاصل ضرب تركيز [oh-] × [h+]
= 01-41 فإذا كان:
والأمثلة التالية توضح ذلك: |
| 1 ـ حساب [-oh] بمعلومية [+h] مثال (1): محلول مائي فيه = 10-4
[h+]
مول/لتر، ما نوع الوسط (حمضي أم متعادل أم قاعدي)؟ ثم احسب [-oh]
في المحلول. |
| الحل |
| الحل:
حيث أن 01-7
[h+]
فإن المحلول حمضي. 14-10 =
[oh-] [h+]
[10-4] 14-10 = [oh-]
|
| 2 ـ حساب [+h] و[-oh] بمعلومية تركيز محلول حمض قوي مثال (2): احسب كلاً من [oh-]
، [h+]
في محلول حمض الهيدروكلوريك تركيزه 0.1 مول/لتر.
|
| الحل: حمض الهيدروكلوريك يتأين كلياً (حمض قوي) في المحلول تبعاً للمعادلة:
أي أن جميع جزيئات الحمض تتأين إلى كاتيونات هيدروجين (هيدرونيوم) وأنيونات هيدروكسيد، وبالتالي يكون التركيز الأصلي للحمض هو (0.1) مساوياً لتركيز كل من أيون (+h) وأيون (-cl).
|
| 3 ـ حساب [+h] بمعلومية [-oh]. مثال (3): احسب [+h] في محلول هيدروكسيد صوديوم تركيز أيون الهيدروكسيد فيه |
| الحل |
الحل:
|
| 3 ـ الإتزان في محاليل الأحماض الضعيفة أحادية البروتون: الصيغة (ha) تمثل حمضاً أحادي البرتون، فإذا كان الحمض قوياً اعتبر تأينه في الماء كاملاً، ونعبر عنه بالمعادلة العامة:
وعرفت أمثلة للأحماض القوية منها أحماض الهيدروكلوريك والنيتريك والبيركلوريك، واعتبرنا أن تركيز أيون الهيدرونيوم أو [+h] في المحلول المائي يكون مساوٍ لتركيز الحمض. أما في حالة الأحماض الضعيفة والتي تمثل معظم الأحماض المعروفة فإنها تتأين جزئياً في الماء كما في المعادلة:
|
سوف نأخذ حمض الخل كمثال على الحموض الضعيفة حيث يتفكك في الماء حسب المعادلة التالية:
| ch3coo- + h3o+ | ch3cooh + h2o(l) |
إن ثابت التفكك لهذا التفاعل هو:
| = ka | [h3o] + [ch3coo- ] | = 1,8 × 10-5 |
| [ch3cooh] |
من المعادلة الموزونة لتفكك الحمض فإن مقدار ما ينتج من أيونات الخلات ch3coo-
يساوي مقدار ما ينتج من أيونات الهيدرونيوم h3o+ أي أن:
| [h3o+ ] = [ch3coo- ] |
ومنه فإن قيمة ثابت الاتزان ka تصبح على النحو التالي:
| = ka | 2[h3o+] |
| [ch3cooh] |
ونظراً لأن الحمض ضعيف فإن ما يتفكك منه مقدار ضئيل يمكن إهماله ومنه فإن:
| ca = الأصلي [ch3cooh] = عند الاتزان [ch3cooh] |
وبالتعويض في قانون ثابت الاتزان:
| = ka | 2[h3o+] | ![]() |
2[h3o+] = ka × ca |
| ca |
وبأخذ الجذر التربيعي للطرفين فإن:
| والمعادلة تشير أن التفاعل إنعكاسي وتصل إلى حالة إتزان بين الأيونات الناتجة والجزيئات غير المتأينة. والشكلين التاليين يوضحان تأين الأحماض القوية والضعيفة في الماء.
ومن أمثلة الأحماض الضعيفة أحماض: |
ثابت تأين الحمض الضعيف (ka):
| = ka | [a- ] [h3o+] |
| [ha] |
(باعتبار أن [h2o] ثابت) وللتبسيط تستخدم [+h] بدلاً من [+h3o] وتعتبر قيمة ثابت تأين الحمض (ka) مهمة كيميائياً لأنها:
1 ـ قيمة مميزة لكل حمض.
2 ـ مقياس لقوة الحمض، فكلما زادت القيمة العددية لثابت تأين الحمض زادت قوته والعكس صحيح.
الجدول يبين ثوابت التأين (ka) لبعض الأحماض:
| الحمض | الصيغة الكيميائية |
التفاعل | ka |
| حمض الأسيتيك | ch3cooh | ch3cooh + h2o ![]() ch3coo- + h3o+ |
1.8 × 10-5 |
| حمض الفورميك | hcooh | hcooh + h2o ![]() hcoo- + h3o+ |
4.5 × 10-4 |
| حمض الهيدروفلوريك | hf | hf + h2o ![]() f- + h3o+ |
7.2 × 10-4 |
| حمض الهيدروسيانيك | hcn | hcn + h2o ![]() cn- + h3o+ |
6.2 × 10-10 |
| حمض النيتروز | hno2 | hno2 + h2o ![]() no2- + h3o+ |
4 × 10-4 |
4 ـ الإتزان في محاليل القواعد الضعيفة أحادية الهيدروكسيد:
عرفت أن القواعد القوية تتأين في الماء تأيناً يكاد يكون تاماً، ومن أمثلة هذه القواعد:
هيدروكسيد الصوديوم، وهيدروكسيد البوتاسيوم، ويكون تركيز أيون الهيدروكسيد مساوياً لتركيز القاعدة.
أما القواعد الضعيفة فإنها تتأين في الماء تأيناً جزئياً، ومن أمثلتها محلول الأمونيا، ومحلول الهيدروكسيد أمين
(nh2oh).
فإذا افترضنا الصيغة (b) تمثل قاعدة ضعيفة، فيكون معادلة تأينها في الماء كالتالي:
| فيكون kb = | [bh+][oh-] | (باعتبار أن [h2o] ثابت) |
| [b] |
وقيمة kb تسمى ثابت تأين القاعدة، وكلما زادت قيمة kb زادت قوة القاعدة والعكس صحيح.
الجدول يبين ثوابت التأين (kb) لبعض القواعد:
| القاعدة | الصيغة | التفاعل | kb |
| الأمونيا | nh3 | nh3 + h2o ![]() nh4+ + oh- |
1.8 × 10-5 |
| هيدروكسيل أمين | nh2oh | nh2oh + h2o ![]() nh3+oh + oh- |
6.6 × 10-9 |
| الأنيلين | c6h5nh2 | c6h5nh2 + h2o ![]() c6h5nh3+ + oh- |
3.8 × 10-10 |
من الأمثلة على القواعد الضعيفة النشادر (الأمونيا) nh3 حيث يمكن حساب تركيز أيون الهيدروكسيد [ oh-] لمحلول مائي لقاعدة ضعيفة بالطريقة نفسها التي استخدمت في حساب تركيز أيون الهيدرونيوم لحمض ضعيف فإذا فرضنا أن المطلوب هو حساب تركيز أيون الهيدروكسيد [ oh-] لمحلول مائي من النشادر فإن المعادلة التالية تبين تفكك النشادر في الماء:
| nh4+(aq) + oh -(aq) |
|
nh3(aq) + h2o |
وبذلك فإن ثابت الاتزان لهذا التفاعل هو:
| = kb | [oh - ] [nh4+] | = 1,8 × 10-5 |
| [nh3] |
ومن الواضح أن معادلة التفكك للنشادر تبين تكون مول واحد من أيونات +nh4 لكل مول من - oh ومن ذلك نستنتج أن [ nh4+] = [oh -] وبالتعويض في معادلة ثابت الاتزان نجد أن:
| = kb | 2[oh - ] |
| [nh3] |
نظراً إلى أن القاعدة ضعيفة أي أن قيمة ثابت تفكك النشادر صغيرة فإن جزئاً بسيطاً جداً من النشادر يتفكك وأن معظم النشادر الموجود في المحلول يبقى على شكل جزيئات غير متفككة ولذلك فإن تركيز النشادر غير المتفكك عند الاتزان يساوي تقريباً التركيز الأصلي للقاعدة cb أي أن:
| cb = الأصلي [nh3] = عند الاتزان [nh3] |
وبالتعويض في قانون ثابت الاتزان:
| 2[oh - ] | kb = | ![]() |
cb × kb = 2[oh - ] |
| cb |
وبأخذ الجذر التربيعي للطرفين نجد أن:
5 ـ حساب الرقم الهيدروجيني للأحماض والقواعد الضعيفة:
|
| مثال:
احسب قيمة ph لمحلول هيدروكسيد الأمونيوم تركيزه (0.18) مول/لتر، وأن kb = 1.8 × 10-5.
|
الحل:
| كيف تحسب ثابت تأين حمض ضعيف ka عملياً؟
1 ـ نحضر محلول معلوم التركيز من الحمض، وليكن (0.1) مول/لتر. |
| مثال: محلول حمض بنزويك تركيزه (0.01) مول/لتر و ph له = 3.1 احسب ثابت التأين هذا الحمض؟
|
الحل:
|
| ملاحظة: تستخدم القوانين السابقة لاستنتاج [ + h] و[ - oh] في حالة المحاليل المائية المخففة جداً لأحماض والقواعد الضعيفة. مقارنة بين الحامض الضعيف والقاعدة الضعيفة في الجدول.
ويلاحظ إختفاء [h2o] في المعادلتين السابقتين وتفسير ذلك أن كمية الماء [h2o] التي تتحول إلى [+h3o] هي كمية قليلة جداً بحيث يمكن القول أن كمية الماء لم تتغير وبالتالي فإن:
|
حسابات متعلقة بمحاليل الأملاح:
إضافة إلى الأحماض والقواعد عُرف نوع آخر من المواد الكيميائية يمتاز بما تمتاز به الأحماض والقواعد من ناحية التفكك إلى أيونات موجبة وَأخرى سالبة متى أذيبت في الماء وتدعى الأملاح، وتنتج عادة عن تفاعل الأحماض والقواعد، وفي بعض الحالات التي يذوب فيها الملح في الماء تتفاعل بعض الأيونات الناتجة من الملح مع الماء لتنتج كميات ضئيلة من أيونات الهيدرونيوم أو أيونات الهيدروكسيد لتكسب المحلول صفة حمضية أو قاعدية وهذا ما يسمى بالتميؤ (hydrolysis).
والملح الذائب في الماء لا يوجد بعد الذوبان إلا على هيئة أيونات ولا يمكن أن توجد منه جزيئات غير متفككة لذلك لا يوجد هناك أملاح ضعيفة.
وفي محاليل هذه الأملاح تعتمد قيمة ph على نوع الملح المذاب فبعض الأملاح تعطي محلولاً مائياً قيمة ph قريبة من 7 (أي أن تأثير المحلول سيكون متعادلاً)، بينما بعضها الآخر يعطي محلولاً مائياً قيمة ph فيه أقل من 7 (حمضي التأثير) أو أكبر من 7 (قاعدي التأثير) وقد وجد أن الصفة القاعدية والحمضية لمحلول الملح تعتمد على نوع الحمض والقاعدة المشتق منهما الملح والجدول التالي يبين قيمة ph الناتجة عن إذابة ملح في الماء:
| نوع الملح | مثال على نوع الملح | قيمة ph للمحلول المائي للملح |
| ملح مشتق من حمض قوي وقاعدة قوية. | ملح كلوريد الصوديوم nacl | 7 |
| ملح مشتق من حمض ضعيف وقاعدة قوية. | خلات الصوديوم ch3coona | أكبر من 7 |
| ملح مشتق من حمض قوي وقاعدة ضعيفة. | كلوريد الأمونيوم nh4cl | أقل من 7 |
| ملح مشتق من حمض ضعيف وقاعدة ضعيفة. | خلات الأمونيوم ch3coonh4 | تعتمد على قوة الحمض والقاعدة المشتق منهما الملح |
النوع الأول: تميؤ ملح مشتق من حمض قوي وقاعدة قوية:
عند إذابة ملح مشتق من حمض قوي وقاعدة قوية في الماء فإنه يتفكك إلى أيوناته الموجبة والسالبة ولا يحدث تميؤ لهذا الملح أي لا تتفاعل هذه الأيونات مع الملح فعلى سبيل المثال ملح كلوريد الصوديوم يتفكك في الماء ليعطي أيونات الصوديوم +na وأيونات الكلوريد - cl.
| na+(aq) + cl -(aq) | nacl(aq) |
ولا تتفاعل تلك الأيونات مع الماء لذا يبقى محلول هذا الملح والأملاح الأخرى التابعة لهذا النوع من الأملاح ذات أثر متعادل أي ph = 7
النوع الثاني: تميؤ ملح مشتق من حمض ضعيف وقاعدة قوية:
عند إذابة ملح مشتق من حمض ضعيف وقاعدة قوية فإنه يتفكك في الماء إلى أيوناته الموجبة والسالبة ويحدث تميؤ للأيون المشتق من الحمض الضعيف منتجاً أيونات الهيدروكسيد التي تكسب المحلول الصفة القاعدية.
مثال:
ملح خلات الصوديوم ملح ينتج عن تفاعل حمض الخل (حمض ضعيف) وهيدروكسيد الصوديوم (قاعدة قوية) وعند إذابة هذا الملح في الماء فإنه يتفكك إلى أيوناته الموجبة (+na) والسالبة (ch3coo-) حسب المعادلة التالية:
| ch3coo-(aq) + na+(aq) | ch3coona(s) |
ولا يحدث تميؤ للأيون المشتق من قاعدة قوية وهو +na أما بالنسبة للأيون المشتق من حمض ضعيف وهو - ch3coo فإنه يحدث له تميؤ في الماء حسب المعادلة التالية:
| ch3cooh(aq) + oh -(aq) | ch3coo-(aq) + h2o(l) |
حيث تتفاعل أيونات الخلات مع الماء مولدة أيونات الهيدروكسيد لذا يصبح المحلول قاعدي ويمكن معاملة هذا التفاعل كمياً كما نعامل محلول قاعدة ضعيفة ويكون ثابت الاتزان له كما يلي:
| ملحوظة: (1) kh هي ثابت التميؤ للملح حيث h اختصار كلمة (تميؤ hydrolysis). (2) cs تعني التركيز الأصلي لمحلول الملح حيث: s اختصار كلمة salt (ملح). |
| = kh | [oh - ] [ch3cooh] |
| [ch3coo-] |
حيث يسمى kh ثابت التميؤ h اختصار كلمة تميؤ
(hydrolysis) وبطريقة رياضية يمكن استنتاج أن:
|
كما وجد أن ثابت التميؤ للملح المشتق من حمض ضعيف وقاعدة قوية يساوي حاصل قسمة ثابت تفكك الماء على ثابت تفكك الحمض الضعيف أي أن:
| = kh | kw |
| ka |
ويمكن إثبات ذلك كما يلي:
من المعلوم أن ثابت تفكك حمض الخل ka هو:
| = ka | [h3o] + [ch3coo- ] |
| [ch3cooh] |
وثابت تفكك الماء النقي هو:
| [oh - ] [h3o+] = kw |
وبقسمة ثابت تفكك الماء النقي على ثابت تفكك حمض الخل:
| kw | = | [oh - ] × [ch3cooh] × [h3o+] | kh = |
| ka | [h3o+] × [ch3coo-] |
| kw | = | [ch3cooh] × [oh - ] | kh = |
| ka | [ch3coo-] |
| إذاً | kw | = | kh |
| ka |
أي أنه في حالة حمض الخل عند درجة حرارة 25°م.
| = kh | kw | = | 1 × 10-14 | = 5,6 × 10-10 |
| ka | 1,8 × 10-5 |
النوع الثالث: تميؤ ملح مشتق من حمض قوي وقاعدة ضعيفة:
عند إذابة ملح مشتق من حمض قوي وقاعدة ضعيفة فإنه يتفكك في الماء إلى أيوناته الموجبة والسالبة ويحدث تميؤ للأيون المشتق من القاعدة الضعيفة منتجاً أيونات الهيدرونيوم التي تكسب المحلول الصفة الحامضية.
النوع الرابع: تميؤ ملح مشتق من حمض ضعيف وقاعدة ضعيفة:
عند إذابة ملح مشتق من حمض ضعيف وقاعدة ضعيفة فإنه يتفكك في الماء إلى أيوناته الموجبة والسالبة ويمكن لهذه الأيونات أن يحدث لها تميؤ في الماء لأن كلاً منهما مشتق من أصل ضعيف حيث تتفاعل الأيونات الموجبة مع الماء مولدة أيون الهيدرونيوم وفي نفس الوقت تتفاعل الأيونات السالبة مع الماء مولدة أيونات الهيدروكسيد لذا يمكن أن تكون محاليل هذا النوع من الأملاح حمضية أو متعادلة أو قاعدية وهذا يتوقف على قوة الحمض الضعيف والقاعدة الضعيفة اللذين اشتق منهما الملح.
مثال:
ملح كلوريد الأمونيوم ينتج عن تفاعل حمض الكلور (حمض قوي) والنشادر (قاعدة ضعيفة) وعند إذابة هذا الملح فإنه يتفكك إلى أيوناته الموجبة (+nh4) والسالبة ( - cl) حسب المعادلة التالية:
| nh4+ + cl - | nh4cl |
ولا يحدث تميؤ للأيون - cl أما بالنسبة للأيون nh4+ فإنه يحدث له تميؤ في الماء حسب المعادلة التالية:
| nh3 + h3o+ | nh4+ + h2o |
حيث تتفاعل أيونات الأمونيوم مع الماء مولدة أيونات الهيدرونيوم لذا يصبح المحلول حمضي ويمكن معاملة هذا التفاعل كمياً كما نعامل محلول حمض ضعيف ويكون ثابت الاتزان له كما يلي:
| = kh | [nh3] [h3o+] |
| [nh4+] |
حيث يسمى kh ثابت التميؤ
كذلك نجد أن
مثال:
تفاعل حمض الخل (حمض ضعيف) مع النشادر (قاعدة ضعيفة) ينتج ملح خلات الأمونيوم ch3coonh4 وعند إذابة هذا الملح في الماء فإنه يتفكك إلى أيوناته الموجبة (+nh4) والسالبة (-ch3coo) ويمكن لهذه الأيونات أن يحدث لها تميؤ في الماء حيث تتفاعل أيونات الأمونيوم مع الماء مولدة أيونات الهيدرونيوم وفي نفس الوقت تتفاعل أيونات الخلات مع الماء مولدة أيونات الهيدروكسيد، ويتوقف نوع محلول الملح (حمضي ـ قاعدي ـ متعادل) على قوة الحمض الضعيف والقاعدة الضعيفة.
ولن ندخل في تفصيلات هذا النوع من الأملاح نظراً لأنه سيبحث عند التخصص في الجامعة إن شاء اللّه.
المحاليل المنظمة (buffer solutions):
ما هو المحلول المنظم؟
يعرف المحلول المنظم بأنه المحلول الذي يقاوم التغيرات المفاجئة في تركيز الهيدرونيوم [h3o+] (أو الأس الهيدروجيني ph)، ويتكون المحلول المنظم من خليط لحمض ضعيف وأحد أملاحه أو خليط لقاعدة ضعيفة وأحد أملاحها.
مثال :
مزيج من محلول حمض الخل وخلات الصوديوم هو محلول منظم فعند إضافة كمية بسيطة من حمض قوي لهذا المحلول تتحد أيونات الهيدرونيوم مع أيونات الخلات ذات الصفة القاعدية لتكون حمض الخل كما يلي :
| ch3cooh + h2o | ch3coo- + h3o+ | |
أما عند إضافة كمية بسيطة من محلول قاعدي للمحلول المنظم السابق فتتحد أيونات
الهيدروكسيد مع حمض الخل لتكون أيونات الخلات كما يلي :
| ch3coo - + h3o | ch3coo + oh - | |
المعايرة (titration):
|
تعد المعايرة من أهم طرق التحاليل الكيميائية فهي تستخدم لقياس تركيز المواد الذائبة في المحاليل مثل محاليل الأحماض والقواعد حيث يستخدم محلول قياسي (معلوم التركيز) لقياس تركيز المادة الأخرى في المحلول الآخر. فعلى سبيل المثال لو كان لدينا محلول لحمض النيتروجين hno3 مجهول التركيز فإنه يمكن معرفة تركيزه بمعايرته بمحلول قاعدة معلومة التركيز مثل محلول هيدروكسيد الصوديوم naoh حيث يتم ذلك بوضع الحمض المجهول التركيز في سحاحة بينما يوضع حجم محدد من محلول هيدروكسيد الصوديوم في دورق مخروطي كما في الشكل.
ويتم اختيار دليل مناسب ثم تبدأ عملية المعايرة بإضافة المحلول من السحاحة إلى الدورق المخروطي إلى أن نصل إلى نقطة التكافؤ حيث أنه عند هذه النقطة نحصل على محلول متعادل وبقياس حجم الحمض اللازم للتفاعل مع كامل الكمية من القاعدة المعلومة التركيز نستطيع معرفة تركيز الحمض.
| تجربة المعايرة |
1- تقاس قوة الحمض حسب تعريف برونشتد - لوري بمقدار ميله لمنح البروتون , أما القاعدة فتقاس
قوتها بمقدار ميلها لتقبل البروتون والإحتفاظ به.
2- العلاقة بين قوة كل من الحمض وقاعدته المرافقة , وكذلك القاعدة وحمضها المرافق
3- جدول يوضح القوة النسبية لبعض أزواج الأحماض والقواعد.
1- أحماض قوية تتأين بنسبة 100 % تقريباً في المحاليل المائية. |
| 7- الرقم (الأس) الهيدروجيني ph value: يعرف الرقم الهيدروجيني (ph) بأنه «سالب لوغاريتم (للأساس 10) لتركيز كاتيون الهيدروجين». الرقم الهيدروجيني ph = - لو [+h]
8- الرقم الهيدروكسيلي poh:
9- العلاقة بين ph وَ poh:
|
10- مقارنة بين الحمض الضعيف والقاعدة الضعيفة:
| حامض ضعيف | قاعدة ضعيفة | |||||||
| معادلة التأين |
|
|
||||||
| ثابت التأين |
|
|
||||||
| دلالة ثابت التأين | كلما كان تأين الحمض كثيراً زاد [ + h3o] و[ - a]، وصار المحلول أقوى حامضية، وقيمة (ka) تكون أكبر. |
كلما كان تأين القاعدة كثيراً زاد [ - oh] و[ + bh]، وصار المحلول أقوى قاعدية، وقيمة (kb) تكون أكبر. |
11- عندما يكون التركيز الأصلي للحمض co كبيراً جداً بالنسبة لقيمة ثابت التفكك ka فإن حساب [+h3o]
يتم بموجب المعادلة التقريبية التالية:
12- عندما يكون التركيز الأصلي للقاعدة co كبيراً جداً بالنسبة لقيمة ثابت التفكك kb فإن حساب [-oh] يتم
بموجب المعادلة التقريبية التالية:
13- إن ثابت التميؤ للقاعدة المقترنة للحمض الضعيف يساوي حاصل قسمة ثابت تفكك الماء على ثابت
تفكك الحمض الضعيف. أي إن:
| kh = | kw |
| ka |
14- إن ثابت التميؤ للحمض المقترن لقاعدة ضعيفة يساوي حاصل قسمة ثابت تفكك الماء على ثابت
تفكك القاعدة الضعيفة.
| kh = | kw |
| kb |
املأ الفراغ بالجواب المناسب:
احسب قيمة الأس الهيدروجيني (pH) لكل محلول من المحاليل التالية واالتي يكون فيها تركيز كاتيون الهيدروجين مساوياً: ملاحظة: رقم واحد بعد الفاصلة.
1) 2.6 × 10-3 مول/لتر.
2) 0.3 × 10-9 مول/لتر.
3) 2 × 10-4 مول/لتر.
|
املأ الفراغ بالجواب المناسب:
احسب قيمة الأس الهيدروجيني (pH) لكل من المحاليل المائية التالية على اعتبار تمام التأين:
ملاحظة: رقم واحد بعد الفاصلة.
1) محلول تركيزه 1,5 × 10-3 مول/لتر من حمض HCl.
2) محلول تركيزه 5 × 10-2 مول/لتر من حمض HClO4.
3) محلول تركيزه 0,04 مول/لتر من حمض HNO3
|
املأ الفراغ بالجواب المناسب:
احسب قيمة الأس الهيدروجيني (pH) لكل محلول من المحاليل المائية التالية على فرض تمام التأين:
ملاحظة: رقم واحد بعد الفاصلة.
1) محلول تركيزه 0.001 مول/لتر من حمض KOH.
2) محلول تركيزه 5 × 10-5 مول/لتر من حمض Ca(OH)2.
3) محلول تركيزه 0.15 مول/لتر من حمض NaOH
|
رتب مجموعات الأحماض التالية تصاعدياً تبعاً لقوتها:
|
|
|
|
|
|
![]() ![]()
|
رتب مجموعات الأحماض التالية تصاعدياً تبعاً لقوتها:
|
|
|
|
|
|
|
||||
|
|
|
|
![]() ![]()
|
|
اختر الإجابة الصحيحة لكل من العبارات التالية:
أقوى الأحماض التالية هو حمض:
|
||||
|
||||
|
||||
|
اختر الإجابة الصحيحة لكل من العبارات التالية:
اختر تركيز أيونات الهيدروكسيد الصحيح الذي تم تحضيره في محلول عبر إذابة 0.75 مول من خلات الصوديوم في كمية من الماء تكفي لعمل نصف لتر من المحلول عند درجة حرارة 25°م :
(علماً بأن Kh للخلات = 5.6 × 10-10 عند درجة حرارة 25°م)
مولار 7-10 × 0.75 = [OH-] |
مولار 5-10× 0.9 = [OH-] |
مولار 11-10× 0.1 = [OH-] |
اختر الجواب الصحيح لترتيب الحموض الآتية ترتيباً تصاعدياً حسب ازدياد قوتها:
- حمض النيتروز 4-10 × 5.1 = Ka (HNO2)
- حمض الكبريتوز 2-10 × 1.7 = Ka (H2SO3)
- حمض الفوسفور 3-10 × 7.1 = Ka (H3PO4)
H3PO4، H2SO3، HNO2 |
HNO2، H3PO4، H2SO3 |
H2SO3، H3PO4، HNO2 |
اختر الأس الهيدروجين الصحيح لمحلول حمض HCl، إذا كان تركيز
(-Cl) من خلال المعايرة هو 0.01 مولار:
1 = pH |
2 = pH |
3 = pH |
|
ضع الإجابة الصحيحة في الفراغ:
احسب قيمة تركيز أيون الهيدروكسيد والأس الهيدروجيني 11.13 لمحلول تركيزه 0.15 مول/لتر من الأمونيا , علماً بأن Kb للأمونيا = 1.8 × 10-5.
| تركيز أيون الهيدروكسيد = × 10-3 مول/لتر. |
ملاحظة: الجواب رقمين بعد الفاصلة
ضع الإجابة الصحيحة في الفراغ:
محلول مائي تركيزه 0.1 مول/لتر من حمض أحادي البروتون ضعيف , له قيمة أس هيدروجيني تساوي -4 احسب ثابت التأين لهذا الحمض.
| Ka = -7 |
ملاحظة: الجواب رقم بعد الفاصلة
ضع الإجابة الصحيحة في الفراغ:
احسب قيمة (pH) لمحلول تركيزه 15ر0 مول/لتر من قاعدة ضعيفة أحادية الحمضية لها ثابت تأين Kb = 4 × 10-10
| pH = |
ملاحظة: الجواب رقم واحد بعد الفاصلة
ضع الإجابة الصحيحة في الفراغ:
احسب قيمة الأس الهيدروجيني لمحلول مائي تركيزه 1 مول/لتر من حمض الأسيتيك علماً بأن
(Ka) لهذا الحمض = 1,8 × 10-5
| pH = |
ملاحظة: الجواب رقم واحد بعد الفاصلة
|
|
الأكسدة والاختـزال
|
|
||||
مقدمة:
تمثل تفاعلات الأكسدة والاختزال نوعاً مهماً من العمليات الكيميائية التي تحدث في حياتنا اليومية، فالطعام الذي نأكله يتأكسد في أجسامنا ليمدنا بالطاقة اللازمة للحركة والعمل، والسيارة والطائرة تتحركان بالطاقة الناتجة عن أكسدة الوقود، وكذلك نحصل على التيار الكهربائي من البطاريات بعمليات الأكسدة والاختزال والحديد يصدأ نتيجة تعرضه لعملية أكسدة.
|
|
تفاعلات الأكسدة والاختزال oxidation - reduction reactions:
|
|||||||||||||||||||||||||||
|
وتعرف بالشكل التالي:
والتعريف الأحدث:
|
|
ملاحظة:
|
|
عدد التأكسد:
قواعد حساب أعداد التأكسد:
|
|
3 - المجموع الجبري لأعداد التأكسد للذرات المكونة للجزيء المتعادل يساوي صفراً.
4 - المجموع الجبري لأعداد التأكسد للذرات المكونة للأيون يساوي شحنة الأيون مقداراً وإشارة.
ملاحظة: من الممكن أن يكون لبعض العناصر أكثر من عدد أكسدة. |
| نصفا التفاعل في معادلات الاكسدة والاختزال: سبق أن عرفنا انه لا تحدث عملية الأكسدة إلا بمرافقة عملية الاختزال, أي انهما عمليتان متزامنتان, ومن ثم فمن الناحية النظرية ولأغراض التبسيط فإنه يمكننا ان نقسيم كل تفاعل من هذا النوع إلى قسمين (اصطلح على تسمية كل منهما: نصف تفاعل), حيث يمثل كل واحد منهما إحدى العمليتين الحادثتين في التفاعل الكلي. ولتوضيح ذلك دعنا نعود ثانيةً إلى التفاعل (5-3):
(5-3)
ولنحدد الآن أعداد أكسدة الذرات والأيونات المشمولة في التفاعل لمعرفة المادة التي تتأكسد والمادة التي تُختزل:
إن علينا هنا أن نقسم هذا التفاعل إلى نصفين يمثلان العمليتين اللتين حدئتا فيما (الأكسدة والاختزال) وذلك بربط كل مادة وناتج التغير الذي حدث لها (أكسدة أو اختزال) ووضعها في نصف تفاعل, وبتأمل التفاعل نجد أن عنصر الخارصين يتأكسد إلى أيوناته الثنائية, ويمكن كتابة المادة وناتج أكسدتها في نصف تفاعل كما يلي:
(5-3 أ)
ولكن هذا التفاعل لا يعكس التغير في الإلكترونات التي تفقدها ذرة الخارصين للتحول إلى أيونات, ولذا لا بد من إعادة كتابته على الصورة التالية:
(5-3 ب)
ونلحظ هنا ان الشحنات الكهربائية في طرفي التفاعل متوازنة.
(5-3 ج)
ونلحظ أيضاً هنا أن المعادلة لا تظهر التغير الفعلي في الإلكترونات التي تكتسبها أيونات النحاس الثنائية ولذا فإن المعادلة يجب أن تُعدَّل إلى الصورة التالية:
(5-3 د)
نسمي المعادلة (5-3 ب): نصف تفاعل الأكسدة, والمعادلة (5-3 د): نصف تفاعل الاختزال. |
والجدول يوضح أعداد التأكسد لبعض العناصر في مركباتها.
|
|||||||||||||||||||||||||||
|
أمثلة:
وللكروم في الجزيء k2cr2o7
:
|
|
في حالة الجزيء
عدد التأكسد للأكسجين= -2
= |
|
|
تطبيق:
|
ملاحظة: ادخل أعداداً فقط.
(كل عدد -ما عدا (0) الصفر -مع إشارته).
|
| عرفت أن عملية الأكسدة يتم فيها فقد الإلكترونات، وعملية الاختزال يتم فيها اكتساب الإلكترونات فماذا يحدث لعدد التأكسد؟ لاحظ المعادلة التالية: ![]() تجد أن أكسيد الحديد iii حدثت له عملية اختزال، صاحبها نقص في عدد تأكسد الحديد من (+3 إلى صفر)، كما أن أول أكسيد الكربون حدثت له عملية أكسدة، وصاحب ذلك زيادة في عدد تأكسد الكربون من (+2 إلى +4). |
الخلاصة:
|
![]() ![]()
|
مما سبق يمكننا التوصل إلى أن:
وفيما يلي أمثلة لبعض العوامل المؤكسدة الشهيرة ، وبعض العوامل المختزلة الشهيرة . |
أولاً: العوامل المؤكسدة: oxidising agents
|
ثانياً: العوامل المختزلة reducing agents:
|
| وزن معادلات الأكسدة والاختزال: شروط المعادلة الكيميائية الموزونة هي: 1 - أن تتفق والحقائق العلمية. |
أولاً: وزن معادلات الأكسدة والاختزال في الوسط الحمضي:
مثال (1):
زن المعادلة الأيونية التالية التي تمثل تفاعل ثاني كرومات البوتاسيوم مع محلول كبريتات الحديد ii، علماً بأن التفاعل يتم في الوسط الحمضي:
cr2
+ fe2+ -> cr3+ + fe3+ |
|
الخطوات
|
| ثانياً: وزن معادلات الأكسدة والاختزال في الوسط القاعدي: مثال (2): زن المعادلة الأيونية التالية التي تمثل تفاعل الخارصين مع نيترات الصوديوم، علماً بأن التفاعل يحدث في الوسط القاعدي:
|
|
الخطوات
|
| مثال (3): زن المعادلة الأيونية التالية التي تمثل تفاعل محلول برمنجنات البوتاسيوم مع محلول كبريتات الحديد ii علماً بأن التفاعل يحدث في الوسط القاعدي:
أ - زن المعادلة السابقة وكأنها تحدث في الوسط الحمضي.
|
| ب - تستكمل الخطوات الباقية للوزن في الوسط القاعدي وهي: 1 - يضاف إلى كل طرف من المعادلة السابقة عدد من أنيونات الهيدروكسيد، لمعادلة كاتيونات الهيدروجين:
2 - تجمع كاتيونات الهيدروجين وأنيونات الهيدروكسيد في الطرف الأيسر لتكوين الماء:
3 - تحذف جزيئات الماء الزائدة من الطرف الأيمن، وما يعادلها في الطرف الأيسر، لتصبح المعادلة في صورتها النهائية:
|
|
تطبيقات عمليات الأكسدة والاختزال:
معظم التفاعلات الكيميائية التي لها تطبيقات هامة في الحياة تعتمد على تفاعلات الأكسدة والاختزال، مثل الحصول على الفلزات من خاماتها لاستخداماتها الصناعية المختلفة، وصناعة البطاريات التي تعطينا التيار الكهربائي، ووقود الصواريخ، ومساحيق قصر الألوان وغيرها.
|
ومن العوامل المؤكسدة الشهيرة برمنجنات البوتاسيوم التي تستخدم لقتل الميكروبات (مادة مطهرة) وكلورات البوتاسيوم التي تستخدم في صناعة المفرقعات.
أما فوق أكسيد الهيدروجين فيستخدم محلوله المخفف مطهراً للفم (غرغرة)، والمركز في بعض صبغات الشعر، إلا أنه يجب الحرص عند استخدامه في صبغات الشعر، لأنه يؤدي إلى تقصف الشعر، وتقرحات في جلد الرأس.
| وزن معادلات الأكسدة والاختزال بطريقة نصف التفاعل (طريقة الأيون - إِلكترون): تمر عملية الوزن باستخدام هذه الطريقة بعدة خطوات تتضمن قسم التفاعل إلى نصفين (نصف الأكسدة ونصف الاختزال) ثم الوصول بعد ذلك إلى التفاعل الموزون. ولفهم ذلك سنعرض للخطوات التي تساعدنا على وزن المعادلات ضمن شرح عملية وزن المعادلة التالية على افتراض أنها تتم في الوسط الحامضي:
(5-6)
|
| الخلايا الكهروكيميائية عرفنا ان بعض التفاعلات الكيميائية يصحبها إنتقال في الإلكترونات وهي تفاعلات الأكسدة والاختزال, ومن المعلوم أن التيار الكهربائي ما هو إلا سيل من الإلكترونات يتحرك بانتظام, ومن هنا توصل الكيميائيون إلى أن هناك علاقة بين هذا النوع من التفاعلات والتيار الكهربائي. ومن خلال التجريب والمشاهدة والبحث توصل العلماء إلى أن تفاعلات الأكسدة والاختزال منها ما يتولد عن حدوثه تيار كهربائي, ومنها تفاعلات آخرى لا تتم إلا عند إمدادها بالتيار الكهربائي. |
| الجهد القياسي للخلية (القوة المحركة الكهربائية) e°cell: من خلال النشاط (5-3) لاحظنا أن مؤشر الفولتميتر يعطي دلالة على حدوث تيار كهربائي, وفرق الجهد بين قطبي الخلية التي أنتجته يُعطى بالقراءة المسجلة عليه, أي أن لكل خلية جلفانية فرق جهد نتج بسبب حدوث التفاعل في الخلية. إن فرق الجهد هذا يعتمد على نوع مادة كل قطبي الخلية حيث تختلف قابلية مواد الأقطاب لعملية التأكسد أو الاختزال, سميت هذه القابلية بـ: جهد القطب, واتفق على أن يكون هذا المقياس محدداً لقابلية مادة القطب لعملية الاختزال. وحين يقاس جهد القطب عند ظروف معيارية (لمحاليل تركيزها 1 مولار, وغازات ضغطها 1 ضغط جوي, ودرجة حرارة مقدارها 25° م) فإن الجهد يسمى حينئذٍ: جهداً قياسياً ويرمز له بالرمز e°. |
| العوامل المؤثرة على جهد الخلية: من خلال التجرية وجد الكيميائيون أن جهد الخلية يعتمد على عدد من العوامل تتغير قيمته بتغير أي منها, وهذه العوامل أهمها: أ- نوع مادة قطبي الخلية: من خلال مراجعتنا لجهود الأقطاب المختلفة نجد اختلافاً بين قيمها, وحيث يتم حساب جهة الخلية من قيم جهود أقطابها فاننا نتوقع أن يتاثر جهد الخلية بنوع مادة كل من القطبين المكونين لها. فعند توحيد كافة الظروف (ولتكن الظروف قياسية) فإن خلية شكلت بقطبين أحدهما النحاس والآخر الخارصين ستنتج تياراً فرق جهده = 1,1 فولت, بينما لو شكلت خلية آخرى عند الظروف نفسها باستخدام قطبين أحدهما النحاس والآخر الفضة ستنتج تياراً فرق جهده = 0,46 فولت. ب- تراكيز المحاليل: أعد النظر إلى أي معادلة تمثل خليةً ما, خذ المثال العام التالية:
عندما تكون الخلية جلفانية فإن التفاعل يتم بصورة تلقائية (أي كما هو مكتوب) وينتج عنه تيار كهربائي له فرق جهد قدره e (أي قيمة كانت), وعليه يمكن إعادة كتابة المعادلة لسابقة على النحو التالي:
أي أن جهد الخلية يمكن أن يتعامل معه كما لو كان مادة ناتجة, وبتطبيق مبدأ لوشائليه فإننا يمكننا القول بأن زيادة تركيز مادة متفاعلة من شأن أن يزيد سرعة التفاعل الأملامي مما يعني زيادة في نواتج التفاعل, ومن ثم يزيد الجهد الناتج عن تلك الخلية. |
ورقة عمل الأكسدة والاختزال |
|
| لكل من المعادلات أدناه : أ - قم بوزن المعادلة مع تحديد التغير في عدد الإلكترونات. ب - قم بتحديد ما يلي: 1- الذرة التي تأكسدت. 2- الذرة التي اختزلت. 3- العامل المؤكسِد. 4- العامل المختزِل. 5- نصف تفاعل الأكسدة. 6- نصف تفاعل الاختزال. |
|
| 1 | mg + hcl -> mgcl2 + h2 |
| 2 | fe + v2o3 -> fe2o3 + vo |
| 3 | kmno4 + kno2 + h2so4 -> mnso4 + h2o + kno3 + k2so4 |
| 4 | k2cr2o7 + sncl2 + hcl -> crcl3 + sncl4 + kcl + h2o |
| 5 | kmno4 + nacl + h2so4 -> cl2 + k2so4 + mnso4 + h2o + na2so4 |
| 6 | k2cr2o7 + h2o + s -> so2 + koh + cr2o3 |
| 7 | kclo3 + c12h22o11 -> kcl + h2o + co2 |
| 8 | h2c2o4 + k2mno4 -> co2 + k2o + mn2o3 + h2o |
| 9 | mn(no3) 2 + nabio3 + hno3 -> hmno4 + bi(no3) 3 + nano3 + h2o |
| 10 | h2c2o4 + kmno4 -> co2 + k2o + mn2o3 + h2o |
| الأجابة |
أ- إجابات ورقة عمل الأكسدة والاختزال |
|
| 1 | 0 -1 +2 -1 +1 0 |
| mg + 2hcl -> mgcl2 + h2 | |
| 2 | 2+ 2- 3+ 2- 3+ 2- 0 |
| 2fe + 3v2o3 -> fe2o3 + 6vo | |
| 3 | 1+7+2- 1+3+2- 1+6+2- 2+6+2- 1+2- 1+5+2- 1+6+2- |
| 2kmno4+5kno2 + 3h2so4 -> 2mnso4+3h2o +5kno3 + k2so4 | |
| 4 | 1+6+2- 2+1- 1+1- 3+1- 4+1- 1+1- 1+2- |
| k2cr2o7 + 3sncl2 + 14hcl -> 2crcl3 + 3sncl4 + 2kcl + 7h2o | |
| 5 | 1+7+2- 1+1- 1+6+2- 0 1+6+2- 2+6+2- 1+2- 1+6+2- |
| 2kmno4+10nacl+8h2so4 -> 5cl2+k2so4+2mnso4+8h2o+5na 2so4 | |
| 6 | 1+6+2- 1+2- 0 4+2- 1+2-1+ 3+2- |
| 2k2cr2o7 + 2h2o + 3s -> 3so2 + 4koh + 2cr2o3 | |
| 7 | 1+5+2- 0+1+2- 1+1- 1+2- 4+2- |
| 8kclo3 + c12h22o11 -> 8kcl + 11h2o + 12co2 | |
| 8 | 1+3+2- 1+6+2- 4+2- 1+2- 3+2- 1+2- |
| 3h2c2o4 + 2k2mno4 -> 6co2 + 2k2o + mn2o3 + 3h2o | |
| 9 | 2+5+2- 1+5+2- 1+5+2- 1+7+2- 3+5+2- 1+5+2- 1+2- |
| 2mn(no3)2+5nabio3+16hno3 -> 2hmno4+5bi(no3)3+5nano3+7h 2o | |
| 10 | 1+3+2- +1+7 -2 4+2- 1+2- 3+2- 1+2- |
| 4h2c2o4 + 2kmno4 -> 8co2 + k2o + mn2o3 + 4h2o | |
ب- إجابات ورقة عمل الأكسدة والاختزال |
||||||
| 1 | 2 | 3 | 4 | 5 | 6 | |
| الذرة التي تأكسدت | الذرة التي اختزلت | العامل المؤكسِد | العامل المختزِل |
نصف تفاعل |
||
| الأكسدة | الاختزال | |||||
| 1 | mg | h | hcl | mg | mg0-2e- => mg+2 | h+1+1e- => h0 |
| 2 | fe | v | v2o3 | fe | fe0-3e- => fe+3 | v+3+1e- => v+2 |
| 3 | n | mn | kmno4 | kno2 | n+3-2e- => n+5 | mn+7+5e- => mn+2 |
| 4 | sn | cr | k2cr2o7 | sncl2 | sn+2-2e- => sn+4 | cr+6+3e- => cr+3 |
| 5 | cl | mn | kmno4 | nacl | cl-1-1e- => cl0 | mn+7+5e- => mn+2 |
| 6 | s | cr | k2cr2o7 | s | s0-4e- => s-4 | cr+6+3e- => cr+3 |
| 7 | c | cl | kclo3 | c12h22o11 | c0-4e- => c+4 | cl+5+6e- => cl-1 |
| 8 | c | mn | k2mno4 | h2c2o4 | c+3-1e- => c+4 | mn+6+3e- => mn+3 |
| 9 | mn | bi | nabio3 | mn(no3) 2 | mn+2-5e- => mn+7 | bi+5+2e- => bi+3 |
| 10 | c | mn | kmno4 | h2c2o4 | c+3-1e- => c+4 | mn+7+4e-=> mn+3 |
| 1 - تفاعلات الأكسدة والاختزال يتم فيها فقد أو كتساب إلكترونات وتغير في عدد التأكسد.
2 - عملية الأكسدة يتم فيها فقد الإلكترونات وزيادة عدد التأكسد، بينما عملية الاختزال يتم فيها اكتساب 3 - عدد التأكسد هو مقدار الشحنة الكهربائية الموجبة أو السالبة التي تبدو على ذرة في مركب سواء كان 4 - عمليتا الأكسدة والاختزال عمليتان متلازمتان. 5 - العامل المؤكسد هو المادة التي تكتسب إلكتروناً أو أكثر، وينقص فيها عدد التأكسد. |
| 6 - العامل المختزل هو المادة التي تكتسب إلكتروناً أو أكثر، وينقص فيها عدد التأكسد.
7 - المجموع الجبري لأعداد التأكسد للذرات المكونة للجزيء = صفراً. 8 - المجموع الجبري لأعداد التأكسد للذرات المكونة للأيون = الشحنة بإشارتها. 9 - المعادلة الكيميائية موزونة كتلياً وكهربائياً. 10 - يتم وزن معادلات الأكسدة والاختزال بعدة طرق، منها طريقة المعادلات النصفية، سواء في الوسط 11 - لتفاعلات الأكسدة والاختزال تطبيقات هامة في الحياة، مثل الحصول على الفلزات وعمل البطاريات. |
ضع بعض المصطلحات العلمية التالية في الفراغات المناسبة:
|
عامل مختزل
|
عامل مؤكسد
|
عدد التأكسد
|
إختزال
|
أكسدة
|
أكسدة واختزال
|
1- تفاعلات كيميائية يصحبها تغير في التركيب الالكتروني للذرات (أو بعضها) المشتركة في التفاعل الكيميائي.
(
)
2- عملية كيميائية ينتج عنها فقد للالكترونات, وزيادة في عدد التأكسد.
(
)
3- عملية كيميائية ينتج عنها اكتساب للالكترونات ونقص في عدد التأكسد.
(
)
![]() ![]()
|
ضع بعض المصطلحات العلمية التالية في الفراغات المناسبة:
|
عامل مختزل
|
عامل مؤكسد
|
عدد التأكسد
|
إختزال
|
أكسدة
|
أكسدة وإختزال
|
4- عدد يمثل الشحنة الكهربائية (موجبة أو سالبة) التي تبدو على ذرة في مركب سواء كان أيونيا أو تساهميا.
(
)
5- النوع الذي يحتوي على عنصر (أو عناصر) يستطيع فقد الالكترونات ويزداد عدد التأكسد له (أو لها) أثناء
التفاعل الكيميائي.(
)
6- النوع الذي يحتوي عنصرا (أو عناصر) يستطيع اكتساب الالكترونات ويقل عدد التأكسد له (أو لها) أثناء
التفاعل الكيميائي.(
)
![]() ![]()
|
ضع كلمة
|
صح
|
بين القوسين المقابلين للجملة الصحيحة, وكلمة
|
خطأ
|
بين القوسين المقابلين للجملة الخطأ في كل من الجمل التالية:
1- عدد التأكسد للهيدروجين في هيدريد الكالسيوم CaH2 يساوي +1 ( يعتبر الفوسفور عاملاً مختزلاً.
) 
2- عدد التأكسد للأكسجين في المركب OF2 يساوي +2 (
) 
3- عدد التأكسد للنيتروجين في أيون الأمونيوم +NH4 يساوي -3 (
) 
4- أعدد التأكسد (كأعداد التكافؤ) لا تأخذ الا القيم الصحيحة الموجبة, ولا تأخذ قيمة الصفر أو القيم السالبة.
(
) 
5- في التفاعل
2P + 3Cl2 -> 2PCl3
(
)
![]() ![]()
|
|
|
|
|
ضع نوع التغير :
|
أكسدة
|
أو
|
اختزال
|
في كل مما يلي:
أ- تحول MnO2 إلى MnO4- .

ب- تحول -ClO إلىClO3- .

ج- تحول N2O4 إلى N2O.

![]() ![]()
|
المركب الذي يكون فيه عدد التأكسد للمنجنيز يساوي (+4) هو:
mn2o3 |
k2mno4 |
mno2 |
kmno4 |
عدد التأكسد لليورانيوم في المركب uo2(no3)2 يساوي:
-2 |
+2 |
+6 |
+4 |
المركب الذي يكون فيه عدد التأكسد للكربون يساوي صفراً, هو:
co2 |
c6h12o6 |
h2c2o4 |
c2h4 |
إحدى التفاعلات التالية تمثل تفاعل اكسدة واختزال وهي:
| caco3 + 2hcl --> cacl2 + h2o + co2 | |
| cuo + h2so4 -> cuso4 + h2o | |
| cr2o72- + s2- -> cr3+ + s | |
| nacl + agno3 -> agcl + nano3 |
التفاعل الذي لا يمثل تفاعل اكسدة واختزال:
| zn + 2hcl -> zncl2 + h2 | |
| mg + cuso4 -> mgso4 + cu | |
| naoh + hno3 -> nano3 + h2o | |
| p4 + 6h2o + 10hclo -> 4h3po4 + 10hcl |
إحدى التغيرات التالية تعتبر مثالاً على عملية التأكسد وهي:
| cr2o72- -> cro42- | |
| mno42- --> mno4- | |
| mn2o7 --> mno4- | |
| fe(cn)63- --> fe(cn)64- |
إحدى التفاعلات التالية يعمل فيها فوق أكسيد الهيدروجين h2o2 عاملاً مختزلاً وهي:
| 4h2o2 + pbs -> pbso4 + 4h2o | |
| h2o2 + so2 --> h2so4 | |
| h2o2 + 2h+ + 2i- -> i2 + 2h2o | |
| h2o2 + 2h+ + mno2 --> mn2+ + 2h2o + o2 |
في معادلة التفاعل التالية وهي موزونة:
| 2mno + 5pbo2 + 10hno3 --> 2hmno4 + 5pb(no3)2 + 4h2o |
العامل المختزل هو:
hno3 |
pbo2 |
mno |
في التفاعل التالي:
| 2kmno4 + kclo2 + h2o -> 2mno2 + kclo4 + 2koh |
العامل المؤكسد هو:
kmno4 |
h2o |
kclo2 |
koh |
التغير الكلي في عدد تأكسد الزرنيخ في التفاعل التالي الذي تمثله المعادلة غير الموزونة:
| as4o6 + cl2 + h2o -> h3aso4 + hcl |
2 |
-2 |
8 |
-8 |
المعادلة الجزئية التالية تمثل تفاعل حمض الستريك في وسط قلوي, عدد الالكترونات التي تفقدها صيغة واحدة من هذا الحمض في التغير التالي يساوي:
| C6H8O7 --> CO3-2 |
18 |
12 |
3 |
6 |
|
|
النيتروجين ومركباته
|
| |||||
المجموعة الخامسة: (مجموعة النيتروجين):
تشتمل هذه المجموعة على عناصر النيتروجين، والفوسفور، والزرنيخ، والأنتيمون والبزموث).
| (7n, 15p, 33as, 51sb, 83bi) |
|
وتتميز بأن خواص العناصر فيها تتدرج بانتظام بزيادة العدد الذري (من أعلى إلى أسفل).
خواص عناصر المجموعة:
* التوزيع الإلكتروني:
تحتوي ذرات جميع عناصر هذه المجموعة على خمس الكترونات في مستواها الخارجي موزعة (ns2 np3) أي زوج منها في الفلك (s) وثلاثة الكترونات منفردة في أفلاك (p) .. وبذلك يمكن لذرات جميع عناصر هذه المجموعة أن تكون ثلاث روابط تساهمية كما في الأمونيا (nh3). أو ثالث كلوريد الفوسفور pcl3.
ـ أما الفوسفور والعناصر التي تليه فيمكنها أن تكون أيضاً خمس روابط تساهمية عند انتقال أحد الكتروني تحت المستوى (s) إلى أحد أفلاك تحت المستوى (d) الفارغة وبذلك تنفرد خمسة الكترونات في المستوى الأخير كما في الشكل التالي الذي يوضح الكترونات المستوى الأخير لذرة الفوسفور في الحالتين:
(أ) في الحالة العادية: ثلاثة الكترونات مفردة وتكوّن ثلاث روابط.
(ب) في الحالة المثارة: خمسة الكترونات منفردة وتكون خمس روابط.
* الصفة الفلزية واللافلزية:
تزداد الصفة الفلزية في مجموعة النيتروجين بزيادة العدد الذري (من أعلى إلى أسفل) فالنيتروجين والفوسفور عناصر لافلزية والزرنيخ من أشباه الفلزات بينما الانتيمون والبزموث من العناصر الفلزية.
* الصفات الفيزيائية الأخرى مثل الكثافة ودرجة الإنصهار ودرجة الغليان تزداد بزيادة العدد الذري.
* توجد عناصر هذه المجموعة على شكل جزيئات ثنائية الذرية كما في النيتروجين (n2) أو رباعية الذرية كما
في أبخرة الفوسفور (p4) والزرنيخ (as4) والأنتيمون (sb4). أما البزموث فيكون بللورة فلزية في الحالة الصلبة.
والجدول التالي يوضح بعض خواص المجموعة الخامسة (va).
|
اختر الإجابة الصحيحة مما يلي:
يتم الكشف عن النشادر (بإحدى الطرق التالية):
تجربة الحلقة. |
تحول لون ورقة تباع الشمس الحمراء المبللة إلى اللون الأبيض.
|
رائحته النفاذة. |
|
رتب العناصر من الأصغر في السالبية الكهربية إلى الأكبر:
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
![]() ![]()
|
اختر الإجابة الصحيحة مما يلي:
يتم الكشف عن النترات بإحدى الطرق التالية:
تجربة الحلقة. |
تحول لون ورقة تباع الشمس الحمراء المبللة إلى اللون الأبيض.
|
رائحتها النفاذة. |
|
اختر الإجابة الصحيحة مما يلي:
نحصل على اليوريا من النشادر وفق المعادلة التالية:
| 2NH3(g)+H2SO4(aq) = (NH4)2 SO4(s) | |
![]() NH3(g)+HNO3(aq) = NH4 NO3(aq) |
|
| 2NH3+CO2 = NH2CONH2+H2O |
|
اختر الإجابة الصحيحة مما يلي:
أكمل المعادلة التالية:( التفكك الحراري لنتريت الأمونيوم)
| NH4NO2(s) |
| HNO3 + NH3 | |
![]() N2 + 2H2O |
|
| N2O + 2H2O |
|
اختر الإجابة الصحيحة مما يلي:
عدد الإلكترونات في ذرة النيتروجين:
أربعة |
خمسة |
ستة
|
سبعة |
|
اختر الإجابة الصحيحة مما يلي:
عدد إلكترونات المستوى الخارجي في ذرة النيتروجين:
أربعة |
خمسة |
ستة
|
سبعة |
|
اختر الإجابة الصحيحة مما يلي:
يشكل النيتروجين ....... روابط تساهمية:
ثلاث |
أربع |
خمس
|
ست |
|
اختر الإجابة الصحيحة مما يلي:
الغاز الذي يستخدم في المختبرات كغاز واق لمنع التأكسد هو:
الأكسجين |
النيتروجين
|
الأوزون |
|
| 147n |
nitrogen
| يوجد في الهواء بنسبة 78% حجماً كما يوجد في أجسام الكائنات الحية حيث يدخل في تركيب خلاياها ويعتبر النتروجين عنصراً أساسياً في البروتينات والتي عند تحللها ينتج غاز الأمونيا (nh3) في الهواء كما يوجد النتروجين في صورة مركبات غير عضوية في الطبيعة مثل نيترات الصوديوم (nano3). | |
|
|
التوزيع الإلكتروني للنتروجين: النتروجين هو العنصر الأول في المجموعة الخامسة ( va) وعدده الذري يساوي (7) ولذا يكون توزيعه الإلكتروني تبعاً للأفلاك كما يلي:
أي أنه يوجد زوج من الإلكترونات في تحت المستوى s2، وثلاثة الكترونات مفردة في تحت المستوى p2 ولذا يكون ثلاث روابط تساهمية كما في جزيء النتروجين n2 والأمونيا nh3.
|
|
تحضيره: (أ) في الصناعة: يحضر النتروجين في الصناعة بإسالة الهواء بالضغط والتبريد ثم تقطيره تقطيراً تجزيئياً فيتم بذلك فصل النتروجين عن مكونات الهواء الجوي.
|
(ب) في المختبر: يحضر النتروجين من المركبات التي تحتوي عليه مثل نيتريت الأمونيوم ( nh4no2) ولكن هذه المادة يصعب حفظها ولذا يستخدم بدلاً منها خليط من محلولي نيتريت الصوديوم وكلوريد الأمونيوم وعند تسخين هذا الخليط ينتج غاز النتروجين ويعبر عن التفاعل السابق بالمعادلتين التاليتين:
| nh4cl كلوريد أمونيوم |
+ | nano2 نيتريت صوديوم |
- | nacl كلوريد صوديوم |
+ | nh4no2 نيتريت أمونيوم |
|
|
|
|
| تحضير النيتروجين في المختبر | غاز النيتروجين عديم اللون والطعم والرائحة قليل الذوبان في الماء، كثافته 1.25 جم/لتر عند ضغط جوي واحد، لا يساعد على الاشتعال أو التنفس، وغير سام، ولا يؤثر في لون تباع الشمس, أما النيتروجين السائل فهو عديم اللون |
الخواص الكيميائية للنتروجين:
* النتروجين من أكثر الجزيئات ثنائية الذرية ثباتاً ولذلك فأنه يحتاج إلى كميات كبيرة من الطاقة حتى يتفكك إلى ذرات منفصلة فهو غاز خامل في درجات الحرارة العادية ولكنه يتفاعل مع كثير من المواد في درجات الحرارة المرتفعة كما في الأمثلة التالية:
1 ـ مع الهيدروجين:
يتحد النتروجين بالهيدروجين بفعل الشرارة الكهربائية أو في درجة حرارة 550°س في وجود عامل مساعد وتحت ضغط مرتفع مكوناً غاز الأمونيا.
| n2 + 3h2 | ![]() |
2nh3 + حرارة |
2 ـ مع الأكسجين:
يتحد النتروجين بالأكسجين في درجات حرارة عالية (شرارة كهربائية) مكوناً غاز أكسيد النيتريك (no) الذي لا يلبث أن يتأكسد إلى ثاني أكسيد النتروجين (no2) بمجرد ملامسته للهواء الجوي ويحدث ذلك في الطبيعة نتيجة التفريغ الكهربائي أثناء البرق.
أكسيد نيتريك |
| 2no + o2 -> 2no2 ثاني أكسيد النيتروجين |
3 ـ مع الفلزات:
يتحد النتروجين ببعض الفلزات مثل الليثيوم والماغنسيوم والكالسيوم في درجات الحرارة العالية مكوناً نيتريدات هذه الفلزات .
| n2 + 3mg mg3n2 نيتريد الماغنسيوم |
* نلاحظ من التفاعلات السابقة أن النيتروجين يتفاعل مع المواد الأخرى مكوناً مركبات تساهمية كما في غاز الأمونيا وأكاسيد النيتروجين أو مركبات أيونية كما في نيتريد الماغنسيوم mg3n2.
|
استخدامات النيتروجين وفوائده:
1 ـ في المختبرات كغاز واق لمنع التأكسد عند تداول المواد القابلة للاشتعال في الهواء نظراً لأنه غير نشط في درجة الحرارة العادية.
2 ـ يدخل في صناعة المصابيح الكهربائية.
3 ـ يدخل كعنصر أساسي في تكوين المواد البروتينية في أجسام الكائنات الحية.
| إلى المختبر |
4 ـ في صناعة النشادر nh3 وحمض النتريك hno3 اللذين يستخدمان في صناعة الأسمدة.
5 ـ يستخدم في صناعة الإلكترونيات، كوسط عازل عند صناعة الترانزستورات والصمامات الثنائية.
6 ـ يستخدم النيتروجين المسال في عملية استخراج النفط حيث يولد ضغطاً قوياً يدفع بالنفط إلى الخارج، إضافة إلى استخدامه في ناقلات النفط، حيث تعبأ الخزانات بالنيتروجين بعد تفريغ البترول منها لمنع الحرائق.
|
7 ـ حفظ الأطعمة الطازجة إذ تغلف الأطعمة والخضروات في جو من النيتروجين لمنع تلفها وتفاعلها مع الأكسجين.
8 ـ يستخدم النيتروجين السائل في عمليات التبريد السريع للأشياء إلى درجات حرارة منخفضة جداً قد تصل إلى -200 درجة مئوية، وقد استغلت هذه الإمكانية في عمليات التجميد السريع للأغذية كاللحوم والأسماك. وتجميد خلايا وأعضاء تؤخذ من كائنات حية والمحافظة عليها من التلف، ومن ثم نقلها من جسم إلى آخر. فما تسمعه عن أطفال الأنابيب وعمليات زرع القرنيات ما كانت لتتم لولا وجود النيتروجين السائل.
في المختبر:
يتم تحضير النيتروجين بصورة نقية جداً في المختبر بالتفكك الحراري لأحد الأملاح الحاوية له كثنائي كرومات الأمونيوم (nh4)2cr2o7.
| (nh4)2cr2o7 n2 + 4h2o + cr2o3 |
| نضيف كمية قليلة من سائل الأسيتون لكي يساعد على الاشتعال |
الخواص (الصفات) الفيزيائية للنيتروجين:
يتميز النيتروجين بعدد من الخواص منها:
غاز عديم اللون, والرائحة والطعم, وكثافته 1.25 جم/لتر عند ضغط جوي واحد, لا يساعد على الاشتعال أو التنفس, وغير سام, كما أنه قليل الذوبان في الماء, ولا بؤثر في لون تباع الشمس, أما النيتروجين السائل فهو عديم اللون.
الخواص الكيميائية للنتروجين:
* النتروجين من أكثر الجزيئات ثنائية الذرية ثباتاً ولذلك فأنه يحتاج إلى كميات كبيرة من الطاقة حتى يتفكك إلى ذرات منفصلة فهو غاز خامل في درجات الحرارة العادية ولكنه يتفاعل مع كثير من المواد في درجات الحرارة المرتفعة كما في الأمثلة التالية:
1 ـ مع الهيدروجين:
يتحد النتروجين بالهيدروجين بفعل الشرارة الكهربائية أو في درجة حرارة 550°س في وجود عامل مساعد وتحت ضغط مرتفع مكوناً غاز الأمونيا.
| n2 + 3h2 | ![]() |
2nh3 + حرارة |
مركبات النيتروجين
النشادر:nh3
|
النشادر أو الأمونيا nh3 من أهم مركبات النيتروجين قاطبة؛ إذ يشكل تحضيره الخطوة الأولى في عملية تثبيت النيتروجين صناعيا، أي تحويل النيتروجين الجوي إلى مركبات نافعة.
تحضير النشادر:
1- في المختبر: ويحضر النشادر في المختبر بتسخين كلوريد الأمونيوم مع الجير المطفي الجاف.
| 2nh4cl + ca(oh)2 cacl2 + 2nh3 + 2h2o |
|
2- أما في الصناعة فيصنع النشادر بكميات كبيرة إما بطريقة السياناميد أو بطريقة التفاعل المباشر بين النيتروجين والهيدروجين.
أ- طريقة السياناميد:
يمرر غاز النيتروجين فوق كربيد الكلس المسحوق cac2 والمسخن إلى 1100 °م بوساطة قضبان من الكربون المغموسة في براميل الكربيد والمتصلة بتيار كهربائي، فيتكون سياناميد الكلس cacn2
| cac2 + n2 cacn2 + c |
وبتسخين سياناميد الكالسيوم مع الماء تحت ضغط مرتفع، يتكون غاز النشادر وكربونات الكالسيوم
| cacn2 + 3h2 caco3 + 2nh3 |
|
ب- طريقة التفاعل المباشر:
إن التفاعل المباشر بين النيتروجين والهيدروجين يؤدي إلى تكون النشادر وفقاً للتفاعل . وقد تم اكتشاف هذه الطريقة
|
وطبقت على نطاق صناعي لأول مرة في أوائل القرن العشرين، وتعرف بطريقة (haber) .
| n2(g) + 3h2(g) = 2nh3(g) |
يتم التفاعل على أية حال عند درجات حرارة مرتفعة نسبياً
(حوالي 500°م) ، فضلاً عن استخدام المواد الحافزة لزيادة سرعة التفاعل.
|
ويتراوح الضغط في طريقة هابر بين 100 و 200 ضغط جوي، وتتم إزالة النشادر المتكون في كل دورة من دورات التفاعل بالتبريد ثم الإسالة تحت ضغط مرتفع، أو بإذابة النشادر في الماء. ولقد أدخلت تعديلات كثيرة على طريقة هابر منذ اكتشافها بقصد زيادة النسبة المئوية للنشادر عند الاتزان.
تحضير الأمونيا في الصناعة الحديثة
النشادر:nh3
خواص النشادر :
النشادر غاز عديم اللون، أخف من الهواء، وللنشادر رائحة نفاذة، وهو سريع الذوبان في الماء ويمكن توضيح شدة ذوبان غاز النشادر في الماء بتجربة النافورة.
ومحلول النشادر في الماء قاعدي يحوي أيونات الأمونيوم والهيدروكسيد ويذوب النشادر في الغول، إذ يذيب اللتر الواحد من الغول 130 جم من النشادر عند درجة صفر°م.
| تجربة النافورة حيث نملأ دورقاً كبيرا بالغاز (بتسخين بضعة مللترات من محلول هيدروكسيد الأمونيوم المركز)، ونسد الدورق بسدادة مطاط تنفذ منها أنبوبة زجاجية بفتحة ضيقة، ثم نقلب الدورق وندخل الطرف الخارجي للأنبوبة في وعاء آخر يحوي ماء مع بضعة قطرات من الفينولفثالين. فنلاحظ إندفاع الماء إلى الأعلى بصورة مستمرة حتى يذيب كل النشادر الموجود. |
ويمكن الكشف عن النشادر بالطرق التالية:
1- رائحته النّفاذة.
2- يتحول لون ورقة تباع الشمس الحمراء المبللة إلى اللون الأزرق عند تعريضها لغاز النشادر
3- عند تعريض قضيب زجاجي مبلل بحمض الكلور المركز لغاز النشادر أو أحد مركباته كهيدروكسيد
الأمونيوم مثلاً يتكون دخان أبيض من دقائق ملح كلوريد الأمونيوم الصلبة.
4- عند تعريض ورقة مبللة بمحلول نترات الزئبق (i) للغاز فإن لونها يغدو أسود.
استعمالات النشادر:
|
أهم استعمالات مركبات النشادر هي كسماد كيمياوي أو كمادة أولية في تحضير الأسمدة الكيميائية.
أُكسيد النيتروز:n2o
يعرف بالغاز المضحك يمكن تحضيره بتسخين نترات الأمونيوم تسخيناً بسيطاً.
| nh4no3 n2o + 2h2o |
غاز عديم اللون، كثافته 1.98 جم/لتر (أثقل من الهواء)، وله طعم حلو ورائحة حلوة، يذوب في الماء والغول، ومحلوله المائي متعادل، يتحول إلى سائل عند -90 درجة مئوية.
ويساعد غاز أكسيد النيتروز على الاشتعال أكثر من الهواء، لأنه يعطي عند تفككه غازاً يتكون ثلث حجمه من الأكسجين (الهواء يحوي خمس حجمه أكسجيناً). ولهذا السبب يستعمل في كثير من الأحيان في سيارات السباق حيث يساعد على احتراق الوقود بصورة أكبر من الهواء مما يزيد سرعة السيارة وتسارعها.
| 2n2o = 2n2 + o2 |
أول أُكسيد النيتروجين:no
يحضر غاز أول أكسيد النيتروجين بتسخين مزيج من حمض النيتروجين وكبريتات الحديد (ii) وحمض الكبريت المخفف.
| 6feso4 + 2hno3 + 3h2so4 = 3fe(so4)3 + 2no + 4h2o |
وغاز أول أكسيد النيتروجين عديم اللون، وكثافته 1.34 جم/لتر (أثقل قليلاً من الهواء)، وهو قليل الذوبان في الماء، وتتم إسالته عند درجة -151.7°م.
ثاني أُكسيد النيتروجين:no2
التحضير:
1- مزج أكسيد النيتروجين بالأكسجين، أو بغاز يحوي أكسجيناً.
| 2no+o2 2no2 |
2- تفاعل حمض النيتروجين (النيتريك) المركز مع النحاس أو البزموث كما في المعادلة التالية:
| cu + 4hno3 cu(no3)2 + 2no2 + 2h2o |
3- تسخين نترات الرصاص كما في المعادلة التالية:
| 2pb(no3)2 2pbo + 4no2 + o2 |
الخواص:
غاز ثاني أكسيد النيتروجين بني مائل للإحمرار، سهل الذوبان في الماء، يفقد لونه بالتبريد لتحوله إلى غاز ثاني أكسيد النيتروجين الرباعي كما في المعادلة:
| 2no2 n2o4 |
كما يتحول إلى اللون الأصلي عند تدفئته، وسبب فقد اللون بالتبريد تحول ثاني أكسيد النيتروجين ذي اللون البني المائل للإحمرار إلى رابع أكسيد النيتروجين الثنائي.
ويطلق على خليط هذين الغازين اسم فوق أكسيد النيتروجين، ويتحول هذا الغاز إلى سائل عند 22°م، وعند تبريده إلى 10°م يتحول إلى مادة صلبة لا لون لها لتكون رباعي الأكسيد n2o4 فقط.
يساعد ثاني أكسيد النيتروجين على الاشتعال، ويتفاعل مع الحديد الساخن ليحوله إلى الأكسيد، ويؤكسد القصدير والكربون، ويتفاعل مع الماء ليعطي حمض النيتروجين (حمض النيتريك).
حمض النيتروجين: hno3
يحضر حمض النيتروجين hno3 في المختبر بتقطير نترات الصوديوم أو البوتاسيوم مع حمض الكبريت المركز h2so4
| kno3 + h2so4 = khso4 + hno3 |
|
حمض النيتروجين: hno3
أما في الصناعة فيتم تحضيره :
بتمرير النشادر مع الهواء ببطء فوق بلاتين مسخن، فيتأكسد إلى أول أكسيد النيتروجين:
| 4nh3 + 5o2 = 4no + 6h2o |
الذي يتأكسد بدوره إلى ثاني أكسيد النيتروجين:
| 2no + o2 = 2no2 |
وعند تمرير الغازات في الماء يتفاعل ثاني أكسيد النيتروجين مع الماء،ليكون حمض النيتروجين.
| 3no2 + h2o = 2hno3+no |
خواص حمض النيتروجين hno3 وتفاعلاته
|
حمض النيتروجين سائل عديم اللون، كثافته 1.52 جم/مللتر عند 15°م، يغلي مع بعض الانحلال عند درجة 86°م، ويتجمد إلى مادة صلبة تشبه الجليد عند -41°م.
ويتفكك بخار حمض النيتروجين عند تعريضه للضوء، إلى ثاني أكسيد النيتروجين والأكسجين والماء:
| 4hno3 = 4no2 + o2 + 2h2o |
ويذوب فيه ثاني أكسيد النيتروجين المتكون ليكسبه لوناً أصفر. وحمض النيتروجين قوي، إذ يتفكك تماماً في الماء، ويتحد مع القواعد والفلزّات مكوناً أملاح النترات. كما أنه عامل أكسدة قوي جداً، إذ يؤكسد حمض النيتروجين المركز الساخن اليود إلى حمض اليود hio3، والفوسفور إلى حمض الفوسفور، والكبريت إلى حمض الكبريت.
ويتفاعل حمض النيتروجين مع أيونات الحديد (ii) في وسط حمضي مكوناً أول أكسيد النيتروجين الذي يذوب – دون تسخين – في الفائض من محلول الحديد (ii) ليكون محلولاً بني اللون، وإذا سخن فإنه يطلق أول أكسيد النيتروجين.
| 6feso4 + 2hno3 + 3h2so4 = 3fe2(so4)3 + 2no + 4h2o feso4 + no = fe(no)++ + so4-- |

ويتم استخدام هذا التفاعل في الكشف عن حمض النيتروجين وعن أملاحه، أي عن أيون النترات فيما يسمى "تجربة الحلقة" وتتلخص التجربة فيما يلي:
أضف بضعة مللترات من محلول مخفف لأيونات الحديد (ii) إلى محلول النترات في أنبوب اختبار، ثم أضف إلى المحلول حمض الكبريت المركز ببطء وعناية ليكوّن طبقة في أسفل الأنبوب.
لاحظ تكون حلقة ذات لون بني عند التقاء السائلين. وإذا حركت المزيج اختفت الحلقة، وتصاعدت فقاعات من أول أكسيد النيتروجين.
الأسمدة النيتروجينية:
|
إن عنصر النيتروجين أساسي في تكوين مادة البروتين التي تعد أهم مادة في بناء الأجسام الحية: النبات، والحيوان، والإنسان.تحتاج جميعها إلى النيتروجين لبناء خلاياها. ولقد كان المصدر الرئيس للنيتروجين هو الأسمدة الطبيعية، أو أملاح التربة الحاوية له.
إلا أن هذه المصادر الطبيعية لم تعد تكفي حاجة الإنسان من البروتين بعد تكاثر عدد السكان، ولهذا فإن اكتشاف الأسمدة الصناعية ، ومنها الأسمدة النيتروجينية، كانت له أهمية قصوى.
وتوفر أسمدة النيروجين النترات أو الأمونيوم للتربة ويعتبر النشادر المادةالأولية الرئيسية التي تصنع منها معظم الأسمدة النيتروجينة.
أهم هذه الأسمدة:
أولاً- النترات، كنترات الصوديوم والبوتاسيوم والأمونيوم وتحضر بالتفاعلات التالية:
| 12nh3 + 21o2 + 4nano3 = 8nano3 + 4no + 4co2 + 18h2o 12nh3 + 21o2 + 4k2co3 = 8kno3 + 4no + 4co2 + 18h2o |
- نترات الصوديوم : يحضر بتفاعل أكسدة النشادر مع كربونات الصوديوم كما التفاعل:
| 12nh3 + 21o2 + 4na2co3 = 8nano3 + 4no + 4co2 + 18h2o |
ثانياً- أملاح الأمونيوم: ويحضر بتفاعل النشادر مع الحمض المناسب. فكبريتات الأمونيوم مثلاً تحضر بتفاعل النشادر مع حمض الكبريت المركز.
| 2nh3(g) + h2so4(aq) = (nh4)2 so4(s) |
- نترات الأمونيوم: تحضر بتفاعل النشادر مع حمض النيتروجين:
| nh3(g) + hno3(aq) = nh4 no3(aq) |
ثالثاً- اليوريا و المواد المشتقة منها :وتعرف بثنائي أميد حمض الكربون nh2-co-nh2، وهي مادة بلورية بيضاء تذوب في الماء. تتسامى بسهولة تحت ضغط منخفض ودرجة حرارة أقل من درجة انصهارها البالغة 132.7°م، كما أنها مادة متميعة (hygroscopic) تمتص الماء حين تبلغ الرطوبة النسبية 72% أو أكثر، وتتفاعل اليوريا مع الماء النقي ببطء لكن تفاعلها يزداد سرعة بوجود البكتيريا أو الأنزيمات لتطلق النشادر وثاني أكسيد الكربون:
| co(nh2)2 + h2o 2nh3 + co2 |
وتصنع اليوريا بتفاعل غاز ثاني أكسيد الكربون مع النشادر ليكون كربامات الأمونيوم ثم اليوريا:
| 2nh3 + co2 = nh2conh2 + h2o |
وتعتبر اليوريا أغنى الأسمدة النيتروجينية بالنيتروجين. حيث يشكل الأخير 46.6% من وزنها. وهي سهلة الاستعمال والنقل. ولا تسبب تآكل الأجهزة التي تستعمل في جمعها أو رشها. وتعطي اليوريا عادة نيتروجيناً تزيد نسبته عن ضعفي ما تعطيه كبريتات الأمونيوم. وهذا بالطبع ينتج عنه وفر كبير في تكاليف الحمل والنقل والتخزين والرش.
تثبيت النيتروجين الجوي:
يوجد النيتروجين في التربة ضمن المواد العضوية. غير أن كمية النيتروجين في التربة تقل مع الزمن. إلا إذا تم تعويضها إما بإضافة الأسمدة النيتروجينية كما ذكرنا سابقاً. أو الأسمدة الطبيعية أو بتثبيت النيتروجين الجوي (nitrogen fixation) بفعل البكتيريا أو بفعل البرق.
يبدو أن كمية تثبيت النيتروجين واحدة لا تختلف باختلاف نوع البكتيريا التي تساعد على تثبيته.
وثمة نظريتان حول تثبيت النيتروجين بفعل البكتيريا:
إحداهما تقول: إن النيتروجين يُختزل إلى النشادر أولاً ومن ثم إلى الحموض الأمينية.
والثانية تقول: بأن النيتروجين يُختزل إلى الهيدروكسيل أمين nh2oh ومن ثم إلى الحموض الأمينية.
|
ويشكل ماء المطر مصدراً آخراً – قليل الأهمية – من مصادر نيتروجين التربة. إذ يذيب عند سقوطه النشادر والنترات والمواد العضوية النيتروجينية العالقة في الجو. ويوصلها للتربة. ويبين الشكل طريقتين لتثبيت النيتروجين الجوي طبيعيا:
إحداهما بفعل البرق والمطر. والأخرى بفعل البكتيريا. أما تثبيت النيتروجين صناعياً فقد أشير إليه سابقاً عند البحث في طريقة التفاعل المباشر بين النيتروجين والهيدروجين لتحضير النشادر.
|
تلخيص
النيتروجين ومركباته |
1 - تشتمل المجموعة الخامسة على عناصر النيتروجين، الفوسفور، الزرنيخ، الأنتيمون والبزموث).
| (7n, 15p, 33as, 51sb, 83bi) |
2 - تحتوي ذرات جميع عناصر هذه المجموعة على خمس الكترونات في مستواها الخارجي موزعة (ns2 np3) وبذلك يمكن لذرات جميع عناصر هذه المجموعة أن تكون ثلاث روابط تساهمية كما في الأمونيا (nh3) أما الفوسفور والعناصر التي تليه فيمكنها أن تكون أيضاً خمس روابط .
3 - تزداد الصفة الفلزية بزيادة العدد الذري (من أعلى إلى أسفل). الصفات الفيزيائية الأخرى مثل الكثافة ودرجة الإنصهار ودرجة الغليان تزداد بزيادة العدد الذري.
4 - يوجد النيتروجين في الهواء بنسبة 78% حجماً كما يوجد في أجسام الكائنات الحية.
5 - النتروجين هو العنصر الأول في المجموعة الخامسة (va) وعدده الذري يساوي (7) ولذا يكون توزيعه الإلكتروني تبعاً للأفلاك.
6 - تحضيره: (أ) في الصناعة: يحضر النتروجين في الصناعة بإسالة الهواء بالضغط والتبريد ثم تقطيره تقطيراً تجزيئياً . (ب) في المختبر: يحضر النتروجين من المركبات التي تحتوي عليه مثل نيتريت الأمونيوم
(nh4no2).
7 - غاز النيتروجين عديم اللون والطعم والرائحة قليل الذوبان في الماء.
8 - يتحد النتروجين بالهيدروجين بفعل الشرارة الكهربائية أو في درجة حرارة 550°س في وجود عامل مساعد وتحت ضغط مرتفع مكوناً غاز الأمونيا.
| n2 + 3h2 | ![]() |
2nh3 + حرارة |
9 - يتحد النتروجين بالأكسجين في درجات حرارة عالية (شرارة كهربائية) مكوناً غاز أكسيد النيتريك
(no) الذي لا يلبث أن يتأكسد إلى ثاني أكسيد النتروجين(no2) بمجرد ملامسته للهواء الجوي ويحدث ذلك في الطبيعة نتيجة التفريغ الكهربائي أثناء البرق.
|
|
|
10 - يتحد النتروجين ببعض الفلزات مثل الليثيوم والماغنسيوم والكالسيوم في درجات الحرارة العالية مكوناً نيتريدات هذه الفلزات.
|
11 - يستخدم النيتروجين في صناعة النشادر nh3 وحمض النتريك hno3 الذين يستخدمان في صناعة الأسمدة. وفي المختبرات كغاز واق لمنع التأكسد ويستخدم النتروجين المسال في التبريد ويدخل في صناعة المصابيح الكهربائية ويدخل كعنصر أساسي في تكوين المواد البروتينية في أجسام الكائنات الحية.
12- يحضر النشادر nh3 في المختبر بتسخين كلوريد الأمونيوم (nh4cl) مع الجير المطفي.
13- يحضر أكسيد النيتروز n2o بتسخين نترات الأمونيوم (nh4no3) تسخيناً بسيطاً.
14- يحضر أول أُكسيد النيتروجين no بتسخين مزيج من حمض النيتروجين وكبريتات الحديد(ii) وحمض الكبريت المخفف.
15- من أهم الأسمدة النيتروجينية اليوريا ونترات الصوديوم والبوتاسيوم والأمونيوم.
اختر الإجابة الصحيحة لكل من العبارات التالية:
يحضر النشادر في المختبر بتسخين كلوريد الأمونيوم مع الجير المطفى الجاف.
صح |
خطأ |
اختر الإجابة الصحيحة لكل من العبارات التالية:
يتفكك حمض النيتروجين عند تعريضه للتسخين.
صح |
خطأ |
اختر الإجابة الصحيحة لكل من العبارات التالية:
النشادر والمواد المشتقة منه، هو من أهم الأسمدة النيتروجينية.
صح |
خطأ |
اختر الإجابة الصحيحة لكل من العبارات التالية:
إن غاز أول أكسيد النيتروجين (no) هو غازٌ بنيٌ مائلٌ إلى الحمرة.
صح |
خطأ |
اختر الإجابة الصحيحة لكل من العبارات التالية:
اختر المعادلةالتي تبين كيفية تحضير:
نترات الصوديوم : nano3
| 12nh3 + 21o2 + 4na2co3 = 8nano3 + 4no + 4co2 + 18h2o |
| nh3 + 21o2 + 4na2co3 = 4nano3 + 2no + co2 + 6h2o |
| 8nh3 + 12o2 + 4na2co3 = 4nano3 + 2no + 2co2 + 16h2o |
اختر الإجابة الصحيحة لكل من العبارات التالية:
اختر المعادلة التي تبين كيفية تحضير:
كبريتات الأمونيوم:(nh4)2so4
| 2nh3(g) + 4h2so4 = 2(nh4)2s04 |
| nh3(g) + 4h2so4 = 2(nh4)2s04 |
| 2nh3(g) + h2so4 = (nh4)2s04 |
اختر الإجابة الصحيحة لكل من العبارات التالية:
اختر المعادلةالتي تبين كيفية تحضير:
ثنائي أميد حمض الكربون
| nh3(g) + co2 = nh2conh2 + h2o |
| 2nh3(g) + co2 = nh2conh2 + h2o |
| 2nh3(g) + co2 = nh2conh2 + 2h2o |
اختر الإجابة الصحيحة لكل من العبارات التالية:
معادلة تحضير ثاني أكسيد النيتروجين (no2) في المختبر:
| no + o2 ---> 2no2 |
| 2no + o2 ---> 2no2 |
| no + o2 ---> 2no2 |
اختر الإجابة الصحيحة لكل من العبارات التالية:
معادلة تحضير حمض النيتروجين(hno3) في المختبر:
| kno3 + h2so4 = khso4 + hno3 |
| 2kno3 + 2h2so4 = khso4 + hno3 |
| kno3 + h2so4 = 2khso4 + 2hno3 |
اختر الإجابة الصحيحة لكل من العبارات التالية:
معادلة تحضير نترات الأمونيوم nh4no3 في المختبر:
| 4nh3(g) + 2hno3(aq) = 4nh4no3(aq) |
| nh3(g) + hno3(aq) = nh4no3(aq) |
| 2nh3(g) + hno3(aq) = 2nh4no3(aq) |
اختر الإجابة الصحيحة لكل من العبارات التالية:
يحضر غاز النتروجين في المختبر بانحلال نيتريت الأمونيوم.
صح |
خطأ |
اختر الإجابة الصحيحة لكل من العبارات التالية:
النتروجين يكون خمس روابط تساهمية بينما الفوسفور لا يمكن أن يكون أكثر من ثلاث روابط تساهمية.
صح |
خطأ |
اختر الإجابة الصحيحة لكل من العبارات التالية:
جزيء النتروجين (n2) يتميز بالثبات والاستقرار.
صح |
خطأ |
اختر الإجابة الصحيحة لكل من العبارات التالية:
يدخل النيتروجين المسال في التبريد.
صح |
خطأ |
اختر الإجابة الصحيحة لكل من العبارات التالية:
المركب الكيميائي الذي ينتج من اتحاد الماغنسيوم مع النتروجين هو:
نيتريد الماغنسيوم mgn |
نيترات الماغنسيوم |
اختر الإجابة الصحيحة لكل من العبارات التالية:
الغاز الذي ينتج من اتحاد النتروجين بالهدروجين هو غاز:
الأكسجين |
الأمونيا |
الزرنيخ |
اختر الإجابة الصحيحة لكل من العبارات التالية:
| n2 + o2 ......... |
n2o2 |
no2 |
n2o |
اختر الإجابة الصحيحة لكل من العبارات التالية:
| N2 + 6Li .............. |
|
|
|
|
|
|
|
الهالوجينات
|
|
||||
|
| «مجموعة الهالوجينات Halogens» تتكون مجموعة الهالوجينات (المجموعة VIIA) من عناصر الفلور، والكلور، والبروم، واليود والاستاتين وجميعها موجودة في الطبيعة في صورة مركبات ما عدا الاستاتين فهو عنصر مشع يحضر صناعياً. ويعرف لكل من الكلور والبروم نظيران في الطبيعة، ولكل من الفلور واليود نظير واحد، سميت هذه المجموعة بالهالوجينات نسبة إلى الكلمة اليونانية (Hals) بمعنى ملح وكلمة (gens) بمعنى مكون، أي مكونات الأملاح. |
|
| وتنتشر أملاح الهالوجينات في صخور القشرة الأرضية ومياه البحار والمحيطات، فالفلور يوجد في صورة رواسب ملحية في القشرة الأرضية مثل الفلورايت (فلوريد الكالسيوم CaF2) والكلور على هيئة كلوريد صوديوم في مياه البحار والمحيطات والصخور الملحية (الهاليت) والبروم يوجد بتركيز ضئيل، في مياه البحار أما اليود فيوجد على شكل مركبات في النباتات البحرية. وتعد الهالوجينات مجموعة رئيسية نموذجية في الجدول الدوري من حيث تدرج خواص عناصرها بطريقة منتظمة من أعلى إلى أسفل (بزيادة العدد الذري) كما يوضح الجدول التالي: |
|
من الجدول أعلاه تلاحظ أنه بزيادة العدد الذري في المجموعة
| 1 ـ تقل السالبية الكهربائية. 2 ـ يزداد نصف القطر الذري. 3 ـ تزداد درجة الانصهار. |
|
|
|
|
|
* الخواص العامة للهالوجينات:
|
تتميز الهالوجينات بالخواص العامة التالية:
1 ـ تتدرج ألوانها وتزداد دكنة بزيادة العدد الذري، فالفلور أصفر باهت والكلور أصفر مخضر والبروم بني محمر واليود بنفسجي.
|
2 ـ في درجات الحرارة العادية توجد الهالوجينات في حالات فيزيائية مختلفة فالفلور والكلور غازات والبروم سائل واليود صلب، ويعود هذا التدرج إلى قوى التجاذب بين جزيئات هذه العناصر حيث تزداد قوة التجاذب كلما زاد العدد الذري للهالوجين.
3 ـ تزداد أنصاف أقطار ذراتها بزيادة العدد الذري وذلك لزيادة عدد مستويات الطاقة تدريجياً من الفلور إلى اليود.
4 ـ تتميز بسالبية كهربائية عالية ولذا فإنها تكتسب الكتروناً بسهولة من عناصر ذات سالبية كهربائية منخفضة عند اتحادها معها، والفلور أعلى العناصر في السالبية الكهربائية وأكثرها نشاطاً واليود أقلها سالبية كهربائية وبالتالي أقلها نشاطاً.
وبوجه عام فإن ذرات الهالوجينات يمكن أن تصل إلى حالة الاستقرار الثماني إما:
ـ باكتساب الكترون من عناصر فلزية لتكوين أنيون الهاليد المقابل مثل:
| Na | + | Cl | -> | Na + | + | Cl- | -> | NaCl |
| (2,8,1) | (2,8,7) | (2,8) | (2,8,8) |
ـ أو عن طريق مشاركة ذرة الهالوجين بالكترونها المفرد مع الكترون مفرد من ذرة أخرى مقاربة أو مساوية لها في السالبية الكهربائية مثل:
5 ـ توجد الهالوجينات في الحالة العنصرية في صورة جزيئات ثنائية الذرة.
I2 , Br2 , Cl2 , F2
|
6 ـ يحل العنصر الهالوجيني الأعلى في السالبية الكهربائية محل الهالوجين الأقل في السالبية في مركباته،ويمكن التحقق من ذلك عملياً بملاحظة تفاعل ماء الكلور مع يوديد البوتاسيوم إذ نجد أن ماء الكلور يطرد اليود من اليوديد ويظهر اللون الأصفر. وهكذا يطرد الهالوجين الأعلى الهالوجين الأدنى :
| Cl2 + 2K I -> 2KCl + I2 |
7 ـ أعداد الأكسدة لجميع الهالوجينات في معظم تفاعلاتها هو -1، إلا أن الهالوجينات (عدا الفلور) يمكن أن تتخذ أعداد أكسدة موجبة تتراوح بين +1 إلى +7 كما في الأمثلة التالية لبعض مركبات الكلور:
| الأكسيد | صيغته | عدد أكسدة الكلور | الجمض | صيغته |
| أول أكسيد الكلور | Cl2O | +1 | هيبوكلوروز | HClO |
| غير معروف | Cl2O3 | +3 | كلوروز | HClO2 |
| غير معروف | Cl2O5 | +5 | كلوريك | HClO2 |
| سابع أكسيد الكلور | Cl2O7 | +7 | بيركلوريك | HClO2 |
|
8 ـ ظاهرة قصر الألوان:
يذوب الكلور في الماء مكوناً محلولاً يميل للصفرة، يسمى ماء الكلور (Chlorine Water). ومن خواص هذا المحلول أنه عامل أكسدة قوي، وعامل قصر يزيل الألوان.
ويذوب البروم قليلاً في الماء مكوناً ماء البروم ويتحلل كل من ماء الكلور وماء البروم في الشمس إلى أكسجين وهاليد الهيدروجين كما في المعادلتين التاليتين:
| O + 2HCl H2O + Cl2 O2 + 4HBr 2H2O + 2Br2 |
ونلاحظ أن الأكسجين الناتج في حالة ماء الكلور أكسجين ذري نشط يقصر الألوان (يزيلها). بينما تلك الخاصية أقل منها في حالة ماء البروم.
أما اليود فهو قليل الذوبان في الماء جداً. لكنه يذوب في الكلوروفورم والبنزن ليعطي محلولاً بنياً، ويذوب في ثاني كبريتيد الكربون ليعطي محلولاً بنفسجياً، ويذوب في محلول يوديد البوتاسيوم المائي ليعطي محلولاً بنياً يحوي ثالث يوديد البوتاسيوم KI3 الذي يُكوِّن بإذابته في الغول ما يعرف بصبغة اليود. ويذوب البروم في الكلوروفورم والبنزين وثاني كبريتيد الكربون ليعطي محلولاً أحمر برتقالي، ولهذا فإن هذه المذيبات تستعمل لاستخلاص البروم من محلوله المائي.
الخواص الكيميائية للهالوجينات:
1 ـ الترتيب الإلكتروني لأي عنصر هالوجيني ينقص عن الترتيب الإلكتروني للعنصر الخامل إلكترونا واحداً لذلك تعتبر الهالوجينات أكثر العناصر قدرة على اكتساب إلكترون واحد لما يضفيه عليها من استقرار كما هو عليه حال الغاز الخامل, ويتم ذلك بطريقتين:
أ) اكتساب إلكترون واحد من الذرات التي يكون جذبها لإلكتروناتها الخارجية ضعيفاً مثل عناصر المجموعة الرئيسية الأولى والثانية حيث تكوِّن أيوناً سالباً وينتج عن ذلك مركَّبات أيونيَّة مثل كلوريد الصوديوم, وكلوريد الكالسيوم.... وغيرها.
ب) الإشتراك مع ذرَّة أخرى شبيهة أو غير شبيهة بحيث تُشبِع كل منهما حاجة الأخرى للإلكترون وينتج عن ذلك مركبات تساهميَّة مثل CCl4, Cl2.
2 ـ أعداد الأكسدة لجميع الهالوجينات في معظم تفاعلاتها هو -1 , إلا أن الهالوجينات (عدا الفلور) يمكن أن تتخذ أعداد أكسدة موجبة تتراوح بين +1 إلى +7 كما في الأمثلة التالية لبعض مركبات الكلور:
| صيغته | الحمض | عدد أكسدة الكلور | صيغته | الأكسيد |
| HClO | هيبو كلوروز | +1 | Cl2O | أول أكسيد الكلور |
| HClO2 | كلوروز | +3 | Cl2O3 | ( غير معروف) |
| HClO3 | كلوريك | +5 | Cl2O5 | ( غير معروف) |
| HClO4 | بير كلوريك | +7 | Cl2O7 | سابع أكسيد الكلور |
3 ـ الهالوجينات عناصر نشطة جداً, ويقل نشاطها كلما زاد عددها الذري ( أي كلما سرنا نزولاً في المجموعة), إذ نجد كلاً من الكلور والبروم يتفاعل بسرعة مباشرة مع الهيدروجين ومعظم الفلزات واللافلزات ما عدا النيتروجين والأكسجين والكربون.
4 ـ الهالوجينات عوامل أكسدة قويَّة, وتقل قوتها كعوامل أكسدة مع زيادة العدد الذري لذراتها (كلما نزلنا في المجموعة من F إلى l) ويظهر ذلك كما يلي:
أ) تدرج الأكسدة بين عناصر الهالوجينات :
- الفلور يؤكسد (يطرد) جميع الهالوجينات من هاليداتها, وهي لا تطرد الفلور من الفلوريدات (لا تستطيع أكسدته).
- الكلور يؤكسد البروم فيطرده من البروميدات, ويؤكسد اليود فيطرده من اليوديدات كما في الأمثلة التالية:
- البروم يؤكسد اليود فيطرده من اليوديدات:
- بينما لا يقوى اليود على أكسدة الكلور في الكلوريدات, ولا البروم في البروميدات.
|
Cl2 + 2I - = I 2 + 2Cl- | |
| Br2 + 2I - = I 2 + 2Br- |
ب) ظاهرة قصر الألوان:
يذوب الكلور في الماء إلى حدٍّ ما مكوناً محلولاً يميل للصفرة, يسمى ماء الكلور (Chlorine Water). ومن خواص هذا المحلول أنه عامل أكسدة قوي, وعامل قصر يزيل الألوان ( شكل 7-3 ). كما يذوب البروم إلى حد ما في الماء مكونا ماء البروم, ويتحلل كلٌّ من ماء الكلور وماء البروم في الشمس إلى أكسجين وهاليد الهيدروجين كما في المعادلتين التاليتين:
ونلاحظ أن الأكسجين الناتج في حالة ماء الكلور أكسجين ذري نشط يقصر الألوان (يزيلها). بينما تلك الخاصية أقل منها في حالة البروم.
أما اليود فهو قليل الذوبان في الماء جداً. لكنه يذوب في الكلوروفورم والبنزن ليعطي محلولاً بنيا, ويذوب في ثاني كبريتيد الكربون ليعطي محلولاً بنفسجياً, ويذوب في محلول يوديد البوتاسيوم المائي ليعطي محلولاً بنياً يحوي ثالث يوديد البوتاسيوم KI3الذي يكوَّن بإذابته في الغول ما يُعرف بصبغة اليود.
ويذويب البروم في الكلوروفورم والبنزن وثاني كبريتيد الكربون ليعطي محلولاً أحمر برتقالي, ولهذا فإن هذه المذيبات تُستَعمل لاستخلاص البروم من محلوله المائي.
|
|
الخواص الفيزيائية:
| العنصر | الفلور | الكلور | البروم | اليود |
| الخواص الفيزيائية | غاز أصفر باهت. | غاز أصفر ضارب إلى الخضرة. | سائل متطاير أحمر غامق يؤدي استنشاق أبخرته إلى تآكل الأغشية المخاطية. | مادة صلبة ذات لون داكن مائل إلى الرمادي، ومظهره فلزي، ويتسامى بأبخرة سامة ذات لون أرجواني (بنفسجي). |
وجود الهالوجينات في الطبيعة:
| العنصر | وجوده في الطبيعة | توضيح |
| الفلور | على شكل ملح الفلورسبار (فلوريد الكالسيوم) CaF2 ، والكريولايت Na3AlF6. |
|
| الكلور | يوجد بنسبة ضئيلة في بعض الصخور النارية، كما يوجد على هيئة NaCl (ملح الطعام) في مياه البحار، ويوجد على هيئة رواسب من الملح في الأماكن المجاورة لبعض البحار أو في قيعان البحيرات التي تبخرت مياهها ، وفي المملكة العربية السعودية يوجد على هيئة ترسبات ملحية بكميات وافرة في القريات والقصب والقصيم... وغيرها. |
|
| البروم | توجد مركباته بكميات صغيرة في مياه البحار والينابيع المالحة، كما يوجد بكميات متوسطة في الطبقات العليا لرواسب البوتاسيوم على هيئة KBr وَ MgBr2. | |
| اليود | يوجد اليود في الطبيعة على هيئة أملاح في مياه البحار بكميات قليلة، ولكنه يوجد بكميات متوسطة في بعض الأعشاب البحرية ، كما تحتوي رواسب النترات في شيلي على بعض يودات الصوديوم التي يمكن الحصول منها على كميات كبيرة من اليود. |
| العنصر | التحضير |
| الفلور | الفلور عامل أكسدة قوي جداً، لذلك يصعب أكسدته كيميائياً لاستخلاصه من أملاحه، ولهذا يستخرج من مركباته بالتحليل الكهربائي لمصهور أحد أملاحه خاصة فلوريد البوتاسيوم الحمضي KHF2. |
| العنصر | التحضير | |
| الكلور | في المختبر: تسخين ثاني أكسيد المنجنيز مع حمض الكلور المركز كما في التفاعل التالي:
ويغسل غاز الكلور الناتج بقليل من الماء لإزالة شائب كلوريد الهيدروجين منه، ويجمع بإزاحة الهواء إلى أعلى. |
| العنصر | التحضير | |
| الكلور | في الصناعة: يحضر غاز الكلور في الصناعة بعدة طرق سندرس منها طريقة ديكون (Deacon): ويتم فيها تحضير غاز الكلور بأكسدة غاز كلوريد الهيدروجين بأكسجين الهواء كما في المعادلة التالية:
ويتم التفاعل في وجود كلوريد النحاس الثنائي كعامل مساعد، ولزيادة المردود الاقتصادي لهذا التفاعل يتم استعمال أكاسيد النيتروجين كمحفزات، وإزالة الماء المتكون بواسطة حمض الكبريت المركز حيث ينزاح التفاعل نحو اليمين. |
| العنصر | التحضير | |
| البروم | في المختبر: بتسخين بروميد البوتاسيوم مع حمض الكبريت المركز وثاني أكسيد المنجنيز وفقاً للتفاعل التالي:
|
| العنصر | التحضير |
| البروم | في الصناعة: يحضر البروم في الصناعة بإمرار غاز الكلور وبخار الماء في محلول البروميد في برج مملوء بقطع الخزف، ويجمع البروم المتكون ويكثف بالتبريد . |
| العنصر | التحضير | |
| اليود | في المختبر: تسخين مزيج من يوديد البوتاسيوم مع حمض الكبريت (المركز) في وجود ثاني أكسيد المنجنيز كما في التفاعل التالي:
|
| العنصر | التحضير |
| اليود | في الصناعة: يحضر اليود صناعياً بالاختزال الكيميائي لليودات مثل يودات الصوديوم التي تختزل بعامل مختزل مناسب. |
الكشف عن الهالوجينات:
| الكلور | البروم | اليود | |
| اللون | أصفر باهت. |
أصفر ضارب إلى الخضرة. |
داكن مائل إلى الرمادي |
| التأثير على ورقة تباع الشمس المبللة بالماء | يزيل لونها | يزيل لونها ببطء | لا يغير لونها |
| التأثير على ورقة النشا المبللة بالماء | يغير لونها إلى اللون الأزرق | يكسبها لوناً أحمراً برتقالياً | يغير لونها إلى اللون الأزرق |
| العنصر | استخداماته |
| الفلور | يستعمل فلوريد الهيدروجين في خدش الزجاج، نظراً لنشاطه الكيميائي، كما يستعمل في تعقيم الحبوب ومنع تعفنها. |
| الكلور | يستعمل الكلور في التعقيم وخاصة مياه الشرب والمسابح، وفي القصر (إزالة الألوان)، كما تستعمل مركبات الكلور في أغراض صناعية كثيرة: فمحلول الهيبوكلورايت يستعمل في القصر والتنظيف وتعقيم مياه المسابح من البكتريا وغيرها. |
| البروم | يستخدم البروم كثيراً في مجال استخلاص الذهب ولا يزال يستخدم لذلك؛ وفي مجال الطب يُستخدم بروميد البوتاسيوم مهدئاً كما يستخدم في قياسات الأشعة تحت الحمراء، ويستخدم بروميد الفضة في التصوير الضوئي (الفوتوغرافي). |
| اليود | يستعمل اليود بكثرة في الأغراض الطبية مثل استعماله في صناعة صبغة اليود التي تستعمل كمطهر للجروح البسيطة إضافة إلى دخوله في بعض الأدوية المستخدمة في علاج الغدة الدرقية. |
لتحضير غاز الكلور بصورة نقية وجافة يستخدم الجهاز الموضح في الشكل التالي حيث أنه بعد التخلص من أبخرة HCl بإذابتها في الماء يتم تجفيف غاز الكلور من بخار الماء بإمراره في حمض الكبريت المركز.

ملحوظة:
يوضع عادة في الوعاء الأخير (إلى اليمين) محلول ثيوكبريتات الصوديوم Na2S2O3 للتخلص من أية زيادة من غاز الكلور منعاً لتلويث جو المختبر به.
طرق أخرى لتحضير غاز الكلور في الصناعة:
يمكن تحضير غاز الكلور في الصناعة بطريقتين أخريين هما:
أ) التحليل الكهربائي لمصهور كلوريد الصوديوم وتتم فيه التفاعلات التالية:
|
|
|
|
|
| ــــــــــــــــــــــــ | |
| 2Na+(l) + 2Cl-(l) = 2Na(l) + Cl2(g) |
أي أن غاز الكلور يتصاعد عند المصعد، بينما يتكون فلز الصوديوم عند المهبط .
ب) ـ التحليل الكهربائي لمحلول كلوريد الصوديوم (ملح الطعام) المائي، وفي هذه الطريقة يؤخذ الماء بعين الاعتبار، ويتصاعد الكلور عند المصعد، بينما يتصاعد غاز الهيدروجين عند المهبط ، وتتم التفاعلات التالية:
|
|
|
|
| ــــــــــــــــــــــــــــ | |
|
ونظراً لوجود أيونات الصوديوم في المحلول، فإن المحلول يتحول تدريجياً من محلول كلوريد الصوديوم إلى محلول هيدروكسيد الصوديوم فتكون تلك الطريقة مناسبة أيضاً لإنتاج هيدروكسيد الصوديوم.
|
تستخدم الهالوجينات في أغراض متعددة، فالكلور يستخدم في: 1 ـ صناعة المسحوق القاصر للألوان الذي يستخدم في تبييض الملابس المصنوعة من الأقمشة ذات الأصل النباتي وتبييض لب الخشب والورق. |
كلوريد الهيدروجين (HCl):
يحضر غاز كلوريد الهيدروجين بعدة طرق منها:
* في المختبر: يحضر بتسخين مزيج من حمض الكبريت المركز مع كلوريد الصوديوم كما في المعادلة:
| NaCl + H2SO4 HCl + NaHSO4 |
* في الصناعة: يحضر بالتفاعل المباشر بين غازي الهيدروجين والكلور حيث يمرر خليط الغازين فوق الفحم المنشط، ويعرض للضوء أو التسخين كما في المعادلة التالية:
| H2 + Cl2 2HCl |
|
| جهاز تحضير HCl في المختبر |
الخواص الفيزيائية لكلوريد الهيدروجين:
كلوريد الهيدروجين عند درجة الحرارة العادية غاز لا لون له، يغلي سائله عند درجة حرارة -85°م، له رائحة نفاذة تؤذي الأغشية المخاطية والحلق والأنف، لا يشتعل ولا يساعد على الاشتعال، شديد الذوبان في الماء، وتجارياً يباع محلول حمض الكلور المركز بتركيز يقارب 37% وزناً (حوالي 21 مولار).
الخواص الكيميائية لكلوريد الهيدروجين:
يؤثر غاز كلوريد الهيدروجين في وجود قليل من الرطوبة في أكاسيد الفلزات وهيدروكسيدات الفلزات معطياً كلوريد الفلز والماء، ويؤثر محلوله المائي (حمض الهيدروكلوريك) في معظم الفلزات (مثل الحديد والخارصين والقصدير وغيرها) التي تقع تحت الهيدروجين في السلسلة الكهروكيميائية مكوناً كلوريد الفلز وينطلق غاز الهيدروجين.
الكشف عن الهاليدات:
يمكن التمييز بين الهاليدات (الكلوريدات، البروميدات، واليوديدات) بواسطة إضافة محلول نترات الفضة إلى محلول الهاليد حيث تتكون رواسب مختلفة الألوان تعتمد على نوع الهاليد كما يلي:
|
* أول أكسيد الكلور Cl2O:
هذا الأكسيد له رائحة كريهة ولونه أصفر وله تأثير خطير على الجهاز التنفسي.
تحضيره: يحضر من تسخين أكسيد الزئبق (II) إلى ما بين 200 - 400°م، ثم وضعه في أنبوب مبرد، ويمرر فوقه تيار بطيء من الكلور الجاف كما في التفاعل التالي:
| 2Cl2 + HgO = HgCl2 + Cl2O |
ويكثف أكسيد الكلور في الحمام المائي المبرد ليعطي سائلاً برتقالي اللون، درجة غليانه 2°م.
3 - الحموض الأوكسيجينية للهالوجينات:
للهالوجينات عدة حموض أكسجينية من أهمها:
* حمض البيركلوريك HCIO4:
تحضيره: يحضر بتقطير خليط من بير كلورات البوتاسيوم مع حمض الكبريت المركز تحت ضغط مخلخل كما في التفاعل التالي:
| KCIO4 KHSO4 + HCIO4 |
خواصه: حمض البيركلوريك سائل لزج عديم اللون، أكثر أحماض الكلور الأكسجينية ثباتاً وواحداً من أقوى الحموض المعروفة، يغلي عند 93° م، ويتحد مع الماء بشدة، والحمض الساخن عامل مؤكسد يسبب اشتعال الورق والخشب، كما يسبب حروقاً للجلد، وقد ينفجر بشدة ولهذا يجب الاحتراس عند استخدامه.
تذكر أن:
كثيراً من الأحماض يُحضر وفق القاعدة:
| ملح الحمض1 + حمض2 ملح الحمض2 + حمض1 حيث الحمض1 أقوى من الحمض2. |
|
تلخيص الهالوجينات
|
1 - تتكون مجموعة الهالوجينات (المجموعة VIIA) من عناصر الفلور، الكلور،البروم، اليود والاستاتين.
2 - تنتشر أملاح الهالوجينات في صخور القشرة الأرضية ومياه البحار والمحيطات.
3 - بزيادة العدد الذري في المجموعة السابعة، تقل السالبية الكهربائية ويزداد نصف القطر الذري.
4 - تتميز عناصر المجموعة السابعة بوجود سبعة الكترونات في المستوى الخارجي موزعة على تحت المستويات
ns2 np5.
5 - تتدرج ألوانها وتزداد دكنة بزيادة العدد الذري.
6 - تزداد أنصاف أقطار ذراتها بزيادة العدد الذري.
7 - تتميز بسالبية كهربائية عالية.
8 - توجد الهالوجينات في الحالة العنصرية في صورة جزيئات ثنائية الذرية.
9 - يحل العنصر الهالوجيني الأعلى في السالبية الكهربائية محل الهالوجين الأقل في السالبية في مركباته.
10 - تستخدم الهالوجينات في صناعة المسحوق القاصر للألوان وصناعة غاز التبريد المعروف تجاريا
بالفريون CCl2F2 وصناعة المبيدات الحشرية ومبيدات الأعشاب الضارة وصناعة مطهر مياه
أحواض السباحة ومعقم مياه الشرب وصناعة بعض المطهرات الطبية ومواد التخدير كالكلوروفورم
ويستخدم الكلور في صناعة مبلمرات كلوريد الفنيل الذي يستخدم في صناعة البلاستيك المعروف
بالاسم التجاري (P.V.C) .
11 - أغلب الهالوجينات توجد في الطبيعة في مياه البحار.
12 - يمكن الكشف عن الهالوجينات بملاحظة ألوانها أو باستخدام ورقة تباع الشمس المبللة بالماء أو باستخدام
ورقة النشاء المبللة بالماء.
13 - في درجة حرارة الغرفة (25 درجة مئوية) يوجد كل من الفلور والكلور في الحالة الغازية ويوجد البروم
على شكل سائل متطاير أما اليود فيوجد في الحالة الصلبة.
14 -
| الهالوجين | طريقة التحضير |
| الفلور | التحليل الكهربائي لمصهور أحد أملاحه خاص |