بنك أسئلة الكيمياء 12 علمي – الصف الثاني عشر علمي

اضغط «إظهار الإجابة» تحت كل سؤال للتحقق من إجابتك، ثم جرّب «اختبر نفسك» في النهاية.

الوحدة الأولى: الغازات – الفصل الأول: سلوك الغازات

الدرسان 1-1 و 2-1 · صفحات 12–21

مدخل الوحدة الأولى: الغازات

ما فصول الوحدة الأولى؟

إظهار الإجابة

الفصل الأول: سلوك الغازات · الفصل الثاني: قوانين الغازات.

عدّد أهداف الوحدة الأولى.

إظهار الإجابة

١) يتعرّف ويستخدم النظرية الحركية ليتعرف تأثير تغير عدد الجسيمات والكتلة والحرارة والضغط والحجم في الغازات · ٢) يعدّد فرضيات النظرية الحركية للغازات، ويحدد معنى الغاز المثالي والغاز الحقيقي · ٣) يصف الشروط التي تسمح للغاز الحقيقي بالحيود عن سلوك الغاز المثالي · ٤) يتعرّف المخاليط الغازية الجزيئية وقانون دالتون للضغوط الجزئية الذي يحدد العلاقة بين الضغوط الجزئية للغازات وضغط المخاليط · ٥) يتعرّف العلاقة بين عدد مولات الغازات في الخليط ومجموع مولات الخليط عندما يكون الحجم والحرارة ثابتين.

اذكر معالم الوحدة.

إظهار الإجابة

اكتشف بنفسك: ملاحظة التغيّرات الحجمية · الكيمياء الرياضية: حلّ المعادلات · ارتباط الكيمياء بالفيزياء: الكريوستات (ترموس) · ارتباط الكيمياء بالرياضة: الغازات والغوص تحت الماء.

كيف يرتبط علم الأرصاد الجوية بالغازات؟

إظهار الإجابة

يدرس أحوال الطقس ويتوقعها بتحليل التغيرات وأهمها الضغط الجوي والحرارة وسرعة الرياح واتجاهها ودرجة الرطوبة. ولأن الهواء الساخن أقل كثافة من البارد ترتفع كتل الهواء الساخن فوق كتل البارد، فيكثر الهواء في مناطق الضغط الجوي المرتفع عنه في المنخفض، وحركة الهواء في الغلاف الجوي حرة فينتقل الهواء من مناطق الضغط المرتفع إلى المنخفض.

اكتشف بنفسك: ملاحظة التغيّرات الحجمية

ما الذي تلاحظه عن حجمي البالون عند درجتي الحرارة؟ وما العلاقة بين الحرارة والحجم عند ثبات الضغط؟

إظهار الإجابة

حجم البالون في الشمس (حرارة أعلى) أكبر من حجمه بعد الثلاجة؛ فالحجم يزداد بزيادة درجة الحرارة عند ثبات الضغط (يُتأكد منها لاحقًا بقانون تشارلز).

مدخل الفصل الأول: سلوك الغازات

ما دروس الفصل الأول؟

إظهار الإجابة

الدرس الأول: خواص الغازات · الدرس الثاني: العوامل التي تؤثر في ضغط الغاز.

اذكر استخدامات للغازات.

إظهار الإجابة

عملية التنفس (الهواء خليط من الأكسجين والنيتروجين وثاني أكسيد الكربون) · البناء الضوئي (تستخدم النباتات ثاني أكسيد الكربون وتعطي الأكسجين) · صناعة الوقود المستخدم في المحركات · الغاز المستخدم لنفخ المناطيد · أجهزة التبريد والتكييف.

الدرس 1-1: خواص الغازات

ما أهداف الدرس 1-1؟

إظهار الإجابة

١) يصف فرضيات الجسيمات الغازية · ٢) يشرح كيفية ارتباط الطاقة الحركية للجسيمات الغازية بدرجة الحرارة المطلقة (كلفن).

لماذا يهبط البالون المملوء بالهيليوم ويرتخي (شكل 1)؟

إظهار الإجابة

يتسرّب غاز الهيليوم أحيانًا بسبب وجود ثقب في البالون، مما يؤدي إلى هبوطه وارتخائه وتشوه شكله، وتفسّر النظرية الحركية ذلك.

1. النظرية الحركية

علّل: تبدو أكياس البطاطا الجاهزة منتفخة عند وضعها في أماكن تصلها أشعة الشمس.

إظهار الإجابة

لأن الضغط الذي يمارسه الهواء في داخلها على الكيس يزداد كلما زادت درجة الحرارة.

علّل: يسهل ضغط الغاز.

إظهار الإجابة

لأن جسيماته متباعدة بعضها عن بعض بدرجة كبيرة، فيوجد فراغ بين جزيئاته (الفرضية الثانية).

كيف تُستغل قابلية الغازات للانضغاط (شكل 2)؟

إظهار الإجابة

في عمل الوسائد الهوائية في السيارات لحماية السائقين والركاب عند الاصطدامات، وفي تصميم أجهزة أمان أخرى؛ لأنها تمتص الطاقة الناتجة عن التصادم عندما تضطر جسيمات الغاز إلى الاقتراب بعضها من بعض.

2. المتغيّرات التي تصف غازًا ما

فيمَ تفيد قوانين الغازات؟

إظهار الإجابة

في توقّع سلوك الغاز عند ظروف معينة، وفهم التطبيقات اليومية مثل الوسائد الهوائية وأدوات الغوص تحت الماء وبالونات الهواء الساخن في علم الأرصاد.

مراجعة الدرس 1-1

(١) اذكر الفرضيات الأساسية للنظرية الحركية المتعلقة بجسيمات الغاز.

إظهار الإجابة

جسيمات كروية · حجمها مهمل بالنسبة للمسافات بينها · لا قوى تجاذب أو تنافر بينها · تتحرك بسرعة حركة عشوائية ثابتة في خطوط مستقيمة وتصادماتها مرنة · تُحدث ضغطًا على جدار الوعاء بتصادماتها معه.

(٢) صِف ما يحدث للطاقة الحركية أثناء تصادمات جسيمات الغاز بفعل زيادة درجة الحرارة المطلقة.

إظهار الإجابة

تبقى الطاقة الحركية الكلية ثابتة أثناء التصادمات (مرنة تمامًا)، ويزداد متوسط الطاقة الحركية بزيادة درجة الحرارة المطلقة لأنه يتناسب معها طرديًا.

(٣) كيف تفسّر النظرية الحركية قابلية الغازات للانضغاط؟

إظهار الإجابة

جسيمات الغاز صغيرة جدًا ومتباعدة بدرجة كبيرة، فيوجد بينها فراغ يسمح بتقريبها.

(٤) ما المتغيرات التي تُستخدم لوصف غاز ما، وما وحداتها؟

إظهار الإجابة

الضغط P (kPa) · الحجم V (L) · درجة الحرارة T (K) · عدد المولات n (mol).

الدرس 2-1: العوامل التي تؤثر في ضغط الغاز

ما أهداف الدرس 2-1؟

إظهار الإجابة

١) يشرح تأثير كمية الغاز وحجم الوعاء الذي يحتويه ودرجة الحرارة في ضغط الغاز · ٢) يوضح تأثير التغيرات في الضغط الذي يبذله الغاز على الوعاء الذي يحتويه.

علّل: ينثني القارب المطاطي ويلتوي فوق المياه المزبدة (شكل 4).

إظهار الإجابة

ليمتص بعضًا من طاقة الضربات العنيفة المتكررة الناتجة عن حركة مياه النهر القوية؛ فمتانة القارب ومرونته (المرتبطتان بضغط الغاز داخله) لهما تأثير بالغ عند هذه الظروف.

1. كمية الغاز

لماذا يزداد ضغط الغاز داخل إطار الدراجة عند نفخه (شكل 5)؟

إظهار الإجابة

لأنك تضيف مزيدًا من الغاز أي تزيد عدد الجسيمات، فتزيد اصطداماتها بالجدران الداخلية للإطار.

ماذا يحدث عند إضافة مزيد من الغاز إلى وعاء قوي حتى يتجاوز الضغط قوة احتماله؟

إظهار الإجابة

يتهشم الوعاء (شكل 6-3).

ما آلية عمل عبوات الرذاذ (شكل 8)؟

إظهار الإجابة

تحتوي عبوة رذاذ الدهان على غاز تحت ضغط عالٍ يعمل كدافع؛ والهواء خارجها تحت ضغط أقل، فعند الضغط على الزر تُحدث فتحة فيندفع الغاز الدفعي إلى المنطقة الخارجية ذات الضغط الأقل حاملًا معه المادة المستخدمة. وكلما قلّ الغاز الدفعي قلّ الضغط داخل العبوة. (عبوات كريم الحلاقة، مثبتات الشعر، سائل الرش في الدهان والطلاء.)

كيف يكون الضغط داخل العبوة عندما لا تتمكن المادة من الخروج منها؟

إظهار الإجابة

يقل الضغط داخلها حتى يتساوى تقريبًا مع الضغط الخارجي، فلا يبقى فرق ضغط يدفع المادة.

2. الحجم

علّل: مضاعفة الحجم تُنقص الضغط إلى النصف.

إظهار الإجابة

لأن عدد جسيمات الغاز نفسه يشغل في هذه الحالة ضعف الحجم الأصلي، فتقل تصادماتها بالجدار.

3. درجة الحرارة

كيف يزيد رفع درجة الحرارة ضغط الغاز المحبوس (شكل 10)؟

إظهار الإجابة

يزداد متوسط سرعة حركة الجسيمات وطاقتها كلما امتصت طاقة حرارية، فتصطدم بالجدران بطاقة أكبر وتمارس ضغطًا أكبر. وإذا تضاعفت درجة الحرارة المطلقة (300K ← 600K) عند ثبات الحجم يتضاعف متوسط الطاقة الحركية ويتضاعف الضغط (100kPa ← 200kPa)، وقد يسبب ذلك انفجار الوعاء.

علّل: يجب عدم إحراق علب الرذاذ حتى لو كانت فارغة (شكل 11).

إظهار الإجابة

لأنها تحتوي على غازات تحت ضغط عالٍ قابلة للانفجار تحت تأثير الحرارة، وقد تؤدي إلى أضرار جسيمة (حروق وإصابات).

ماذا يحدث إذا انخفضت درجة حرارة الغاز المحبوس؟

إظهار الإجابة

تتحرك جسيماته ببطء ويقل متوسط طاقتها الحركية فتصطدم بالجدران بقوة أقل؛ وانخفاض درجة الحرارة المطلقة إلى النصف في وعاء صلب يخفض الضغط إلى النصف.

مراجعة الدرس 2-1

(١) اشرح كيف يؤثر تغير كمية الغاز وحجم الوعاء في ضغط الغاز عند ثبات درجة الحرارة.

إظهار الإجابة

زيادة كمية الغاز (عدد الجسيمات) تزيد الضغط طرديًا · وتقليل الحجم يزيد الضغط (العلاقة عكسية): نصف الحجم = ضعف الضغط.

(٢) ما تأثير تغير درجة الحرارة في ضغط الغاز المحبوس في وعاء صلب؟

إظهار الإجابة

يتناسب الضغط طرديًا مع درجة الحرارة المطلقة؛ رفعها يزيد الضغط وخفضها يقلله.

(٣) مع الحفاظ على درجة حرارة ثابتة، كيف يمكنك زيادة الضغط في وعاء ما عشر مرات؟

إظهار الإجابة

بزيادة عدد جسيمات الغاز عشر مرات (عند ثبات الحجم)، أو بتقليص الحجم إلى عُشر قيمته (عند ثبات كمية الغاز).

(٤) عبوات جديدة حجمها 150mL تحتوي على ضعف كمية الغاز في العبوات الحالية. كيف تقارن ضغط الغاز فيها بالعبوة الأصلية؟

إظهار الإجابة

عند الحجم ودرجة الحرارة نفسيهما يكون الضغط في العبوة الجديدة ضعف الضغط في العبوة الأصلية.

الفصل الثاني: قوانين الغازات – الدرس 1-2: قوانين الغازات

الوحدة الأولى · صفحات 22–36

مدخل الفصل الثاني

ما دروس الفصل الثاني؟

إظهار الإجابة

١) قوانين الغازات · ٢) الغازات المثالية · ٣) الجسيمات الغازية: مخاليطها وحركتها.

علّل: التعبير «1L من الهواء» يعني القليل إلا إذا عُرف الضغط والحرارة.

إظهار الإجابة

لأنه يمكن أن يُضغط 1L من الهواء إلى عدة ملليترات، كما يمكن أن يتمدد ليشغل حجم غرفة الفصل؛ فلوصف حالة غاز نحتاج كميات تُقاس: الضغط والحجم والحرارة وعدد المولات (أو كمية الجسيمات).

ما العلاقات الرياضية التي يتعلمها الفصل؟

إظهار الإجابة

الحجم والضغط عند درجة حرارة ثابتة · الحجم ودرجة الحرارة عند ضغط ثابت · الضغط ودرجة الحرارة عند حجم ثابت · العلاقة بين الضغط والحجم ودرجة الحرارة وعدد المولات. وعند تحديد ثلاثة متغيرات يمكن حساب الرابع، لكن الكمية المحسوبة غير دقيقة لمعظم الغازات عند مدى واسع من الظروف.

أهداف الدرس 1-2

ما أهداف درس قوانين الغازات؟

إظهار الإجابة

١) يُعرّف نص قانون بويل وقانون تشارلز وقانون جاي–لوساك والقانون الموحد للغازات · ٢) يطبّق قوانين الغازات على المسائل التي تشمل درجة الحرارة والحجم وضغط الغاز المحبوس.

علّل: يقوم ربّان المنطاد بتسخين الهواء داخله ليرتفع (شكل 12).

إظهار الإجابة

لأن الهواء الدافئ أقل كثافة من الهواء البارد؛ وليهبط يسرّب الهواء الساخن من فتحة في أعلى المنطاد. (رفع درجة حرارة الغاز تحت ضغط ثابت يزيد حجمه – قانون تشارلز.)

1. قانون بويل: العلاقة بين الضغط والحجم

من هو روبرت بويل؟ وماذا اكتشف (شكل 13)؟

إظهار الإجابة

روبرت بويل (1627–1691) عالم وفيلسوف ومخترع إيرلندي، برع في الكيمياء والفيزياء، أول من وضّح العلاقة بين حجم غاز ما وضغطه عند درجة حرارة ثابتة؛ قام بتجارب رائدة بيّن من خلالها خواص الهواء الفيزيائية وضرورة الهواء للاحتراق والتنفس وانتقال الصوت، وأهم مؤلفاته «تجارب جديدة في الفيزياء والميكانيك، ونشاط الهواء وآثاره» الصادر عام 1660. اكتشف أن حجم الغاز يتقلص إلى النصف عند مضاعفة ضغطه عند ثبات الحرارة، ويتضاعف عند تناقص الضغط إلى النصف.

مثال (1): المنطاد

منطاد فيه 30L من الهيليوم عند 103kPa. ما حجم الهيليوم عندما يصعد إلى ارتفاع يصل الضغط فيه إلى 25kPa (الحرارة ثابتة)؟

إظهار الإجابة

V₂ = V₁ × P₁ / P₂ = 30 × 103 / 25 = 123.6L. وتتوافق النتيجة مع النظرية الحركية: النقص في الضغط عند ثبات الحرارة يقابله زيادة نسبية في الحجم.

أسئلة تطبيقية وحلها (بويل)

(١) يتغير ضغط 2.5L من غاز التخدير من 105kPa إلى 40.5kPa. احسب الحجم الجديد (حرارة ثابتة).

إظهار الإجابة

6.48L.

(٢) سُمح لغاز حجمه 4L عند 205kPa بالتمدد ليصبح 12L. احسب الضغط الجديد (حرارة ثابتة).

إظهار الإجابة

68.3kPa.

فقرة إثرائية: الكيمياء الرياضية – حل المعادلات

كيف تحلّ معادلة لإيجاد أحد متغيراتها؟

إظهار الإجابة

تفصل هذا المتغير في أحد طرفي المعادلة بإشارته المتكافئة (سالب أو موجب)، وتكون المتغيرات والأرقام الأخرى في الطرف الآخر؛ وتستخدم الجمع والطرح والضرب والقسمة لعزله، مع تذكر أن أي عملية تجرى على أحد الطرفين يجب أن تجرى على الطرف الآخر.

مثال 1: حلّ A = bh للمتغير b · مثال 2: حلّ P₁V₁ = P₂V₂ للمتغير P₁.

إظهار الإجابة

نقسم الطرفين على h ونشطب المتماثلات: b = A/h · نقسم الطرفين على V₁: P₁ = P₂V₂/V₁.

تمارين: حلّ (1) P₁V₁ = P₂V₂ لـ V₂ (2) V₁/T₁ = V₂/T₂ لـ T₂ (3) P_T = P₁ + P₂ + P₃ لـ P₂ (4) P₁V₁/T₁ = P₂V₂/T₂ لـ T₁ (5) PV = nRT لـ T.

إظهار الإجابة

(1) V₂ = P₁V₁/P₂ · (2) T₂ = V₂T₁/V₁ · (3) P₂ = P_T − P₁ − P₃ · (4) T₁ = P₁V₁T₂/(P₂V₂) · (5) T = PV/(nR).

2. قانون تشارلز: العلاقة بين درجة الحرارة والحجم

ماذا برهن جاك تشارلز عام 1787 (شكل 16)؟

إظهار الإجابة

العلاقة الكمية بين درجة الحرارة وحجم كمية معينة من الغاز عند ضغط ثابت: يزداد الحجم بزيادة الحرارة ويتقلص بانخفاضها. (جاك ألكسندر سيزار تشارلز (1746–1823) كيميائي وفيزيائي وطيار فرنسي، قام بأول رحلة على متن منطاد هيدروجين في 1 ديسمبر 1783 برفقة ماري–نويل روبرت، انتُخب لعضوية الأكاديمية الفرنسية للعلوم، ونُشرت أعماله عام 1820.)

علّل: يمكن قياس العلاقة بين الحرارة والحجم لأي غاز في مدى محدود فقط.

إظهار الإجابة

لأن الغازات تتكثف عند درجات الحرارة المنخفضة لتكوّن سوائل.

ما الشيء المميز في منحنيات الحجم – الحرارة لثلاثة غازات مختلفة (شكل 17)؟

إظهار الإجابة

تعطي خطوطًا مستقيمة عند ثبات الضغط، وتتقاطع كلها (بامتدادها) عند النقطة نفسها: T = −273.15°C ، V = 0L.

ملاحظة: بأي مقياس تُكتب درجة الحرارة في تمارين قوانين الغازات؟

إظهار الإجابة

دائمًا بمقياس كلفن (درجة الحرارة المطلقة).

مثال (2): البالون الساخن

بالون حجمه 4L عند 24°C سُخّن إلى 58°C. ما حجمه الجديد (ضغط ثابت)؟

إظهار الإجابة

T₁ = 297K ، T₂ = 331K ⇐ V₂ = V₁T₂/T₁ = 4 × 331/297 = 4.46L ؛ ازداد الحجم بزيادة الحرارة كما تتوقع النظرية الحركية.

أسئلة تطبيقية وحلها (تشارلز)

(١) عينة غاز 6.8L عند 325°C. ما حجمها عند 25°C (ضغط ثابت)؟

إظهار الإجابة

3.39L.

(٢) عينة هواء 5L عند −50°C. ما حجمها عند 100°C (ضغط ثابت)؟

إظهار الإجابة

8.36L.

3. قانون جاي–لوساك: العلاقة بين درجة الحرارة والضغط

من هو جاي–لوساك (شكل 20)؟

إظهار الإجابة

جوزيف لويس جاي–لوساك (1778–1850) كيميائي وفيزيائي فرنسي، اكتشف في العام 1802 العلاقة بين الحرارة والضغط، ونشر القانون الأساسي الجديد للفيزياء وعمره 24 عامًا، وفي العام 1808 نشر قانون النسب الحجمية للغازات، وكان أول من عزل عنصر البورون بالتعاون مع تينار وديفي، ودرس عناصر معزولة حديثًا مثل الصوديوم والبوتاسيوم واليود.

علّل: يزداد الضغط في إطار السيارات في أيام الصيف الحارة.

إظهار الإجابة

لأن ضغط كمية معينة من الغاز يتناسب طرديًا مع درجة حرارته المطلقة عند ثبات الحجم (قانون جاي–لوساك).

مثال (3): عبوة الرذاذ في النار

ضغط الغاز المتبقي في عبوة رذاذ 103kPa عند 25°C. احسب ضغطه إذا أُلقيت في النار عند 928°C. ولماذا تحمل العبوات تحذير «لا تُحرق أو تُخزن فوق درجة حرارة معينة»؟

إظهار الإجابة

T₁ = 298K ، T₂ = 1201K ⇐ P₂ = P₁T₂/T₁ = 103 × 1201/298 = 415.11kPa · لأن ضغط الغاز المحبوس يرتفع عند تسخينه، وإذا زاد عن الحد المحتمل ينفجر الوعاء ويسبب أضرارًا جسيمة.

أسئلة تطبيقية وحلها (جاي–لوساك)

(١) ضغط غاز 2.58kPa عند 539K، فكم يبلغ عند 211K (حجم ثابت)؟

إظهار الإجابة

1kPa.

(٢) ضغط الهواء في إطار سيارة 198kPa عند 27°C، وارتفع إلى 225kPa في نهاية رحلة. ما درجة حرارة الهواء داخل الإطار (حجم ثابت)؟

إظهار الإجابة

341K أو 68°C.

4. القانون الموحد للغازات

كيف تُستنبط القوانين الثلاثة من القانون الموحد؟

إظهار الإجابة

بجعل أحد المتغيرات ثابتًا: T₁ = T₂ ⇐ P₁V₁ = P₂V₂ (بويل) · P₁ = P₂ ⇐ قانون تشارلز · V₁ = V₂ ⇐ قانون جاي–لوساك. ويساعد كذلك في إجراء حسابات في ظل عدم ثبات أي من المتغيرات.

مثال (4): البالون عند STP

بالون حجمه 30L عند 40°C وضغط 153kPa. ما حجمه عند STP؟

إظهار الإجابة

T₁ = 313K ⇐ V₂ = V₁P₁T₂/(P₂T₁) = 30 × 153 × 273/(313 × 101.3) = 39.5L · تقلصت الحرارة (نسبة أصغر من واحد) وارتفع الضغط (نسبة أكبر من واحد): V₂ = 30 × (153/101.3) × (273/313) = 39.5L.

أسئلة تطبيقية وحلها (القانون الموحد)

(١) غاز عند 155kPa و25°C في وعاء حجمه 1L، ازداد ضغطه إلى 605kPa بارتفاع الحرارة إلى 125°C. احسب الحجم الجديد.

إظهار الإجابة

3.42 × 10⁻¹L.

(٢) عينة هواء 5L عند −50°C و107kPa. احسب الضغط الجديد عند 102°C وتمدد الحجم إلى 7L.

إظهار الإجابة

128.52kPa.

مراجعة الدرس 1-2

(١) اذكر نص قانون بويل وقانون تشارلز وقانون جاي–لوساك.

إظهار الإجابة

بويل: يتناسب حجم كمية معينة من الغاز عكسيًا مع ضغطه عند ثبات الحرارة · تشارلز: يتناسب حجم كمية معينة من الغاز طرديًا مع درجة حرارته المطلقة عند ثبات الضغط · جاي–لوساك: يتناسب ضغط كمية معينة من الغاز طرديًا مع درجة حرارته المطلقة عند ثبات الحجم.

(٢) اشرح باختصار كيف يمكن استخلاص القوانين الثلاثة من القانون الموحد.

إظهار الإجابة

بتثبيت متغير واحد وحذفه من طرفي P₁V₁/T₁ = P₂V₂/T₂: ثبات T يعطي بويل، وثبات P يعطي تشارلز، وثبات V يعطي جاي–لوساك.

(٣) اكتب المعادلة الرياضية لقانون بويل واشرح رموزها. ما الشرط المتعلق بالحرارة؟

إظهار الإجابة

P₁ × V₁ = P₂ × V₂ ؛ P₁ و V₁ الضغط والحجم الابتدائيان، P₂ و V₂ النهائيان · والشرط: ثبات درجة الحرارة (وكمية الغاز).

(٤) كتلة هواء حجمها 6L عند 101kPa. كيف سيتغير حجمها إذا انخفض الضغط إلى 25kPa مع ثبات الحرارة؟

إظهار الإجابة

يزداد: V₂ = 6 × 101/25 = 24.24L.

الدرس 2-2: الغازات المثالية

الوحدة الأولى · الفصل الثاني · صفحات 37–44

الأهداف العامة والمدخل

ما أهداف درس الغازات المثالية؟

إظهار الإجابة

١) يحسب كمية الغاز عند أي ظروف معينة من الضغط والحجم ودرجة الحرارة · ٢) يميّز بين الغاز المثالي والغاز الحقيقي.

ما الثلج الجاف (شكل 22)؟

إظهار الإجابة

ثاني أكسيد الكربون في الحالة الصلبة؛ سُمي كذلك لأن مادته تتبخر مباشرة من دون أن تنصهر (تتسامى عند الضغط الجوي العادي). تصل درجة حرارته إلى −74°C، ويحرق الجلد إذا لامسه مباشرة.

هل قوانين الغازات صحيحة تمامًا؟

إظهار الإجابة

الكلام بأنها غير صحيحة صحيح إلى حدّ ما؛ فقوانين الغازات تفترض أن سلوك الغازات مثالي ويتبع فرضيات النظرية الحركية، ولكن في الواقع لا تسلك الغازات تمامًا مثل هذا السلوك.

1. قانون الغاز المثالي

كيف يُدخل عدد المولات n في القانون الموحد للغازات؟ ولماذا؟

إظهار الإجابة

الحجم الذي يشغله الغاز عند حرارة وضغط معينين يرتبط بعدد جسيماته، وعدد المولات يتناسب طرديًا مع عدد الجسيمات ومع الحجم؛ فنقسم كل طرف على n: P₁V₁/(T₁n₁) = P₂V₂/(T₂n₂) ، أي أن PV/(Tn) مقدار ثابت.

مثال (1): أسطوانة النيتروجين

أسطوانة حجمها 20L مُلئت بالنيتروجين حتى أصبح ضغطه 2 × 10⁴kPa عند 28°C. كم عدد مولات N₂ فيها (غاز مثالي)؟

إظهار الإجابة

T = 301K ⇐ n = PV/(RT) = (2 × 10⁴ × 20)/(8.31 × 301) = 160mol N₂ · معقول: الحجم ليس كبيرًا لكن الضغط مرتفع، فيوجد عدد كبير من المولات مضغوط في هذا الحجم.

أسئلة تطبيقية وحلها

(١) كرة مجوفة مثبتة فيها 685L من الهيليوم عند 621K و1.89 × 10³kPa. ما عدد مولات الهيليوم؟

إظهار الإجابة

250.8mol.

(٢) ما الضغط الذي يمارسه 0.45mol من غاز مثالي في دورق حجمه 0.65L عند 25°C؟

إظهار الإجابة

1.71 × 10³kPa.

مثال (2): بئر الميثان

بئر تحت الأرض فيها 2.24 × 10⁶L من الميثان CH₄ عند 1.5 × 10³kPa و42°C. احسب كتلة الميثان (M.wt = 16g/mol) (شكل منصة الحفر).

إظهار الإجابة

T = 315K ⇐ n = PV/(RT) = (1.5 × 10³ × 2.24 × 10⁶)/(315 × 8.31) = 1.28 × 10⁶mol ⇐ m = n × M.wt = 1.28 × 10⁶ × 16 = 2.05 × 10⁷g = 2.05 × 10⁴kg · معقول لأن الحجم والضغط كبيران جدًا.

أسئلة تطبيقية وحلها

(١) سعة رئة طفل 2.18L. ما كتلة الهواء في رئته عند 102kPa ودرجة حرارة الجسم 37°C (الكتلة المولية المتوسطة للهواء 29g/mol)؟

إظهار الإجابة

2.5g هواء.

(٢) ما الحجم الذي يشغله 12g من O₂ عند 25°C و52.7kPa (M.wt = 32g/mol)؟

إظهار الإجابة

17.6L من O₂.

2. قانون الغاز المثالي والنظرية الحركية

ما صفات الغاز المثالي الفعلي؟ وهل يوجد؟

إظهار الإجابة

هو الغاز الذي يتبع قوانين الغازات عند جميع ظروف الضغط والحرارة، ويخضع بدقة لفرضيات النظرية الحركية: جسيماته بدون حجم ولا تتجاذب على الإطلاق. ولا يوجد غاز له هذه الخواص، أي لا وجود للغاز المثالي؛ لكن عند ظروف متعددة تسلك الغازات الحقيقية سلوك الغاز المثالي إلى حد كبير.

3. الحيود عن قانون الغاز المثالي

كيف يُحلل مدى حيود الغاز عن السلوك المثالي (شكل 23)؟

إظهار الإجابة

بالنسبة PV/(nRT) التي تساوي الواحد الصحيح للغاز المثالي؛ برسمها بدلالة الضغط يعطي الغاز المثالي خطًا أفقيًا مستقيمًا موازيًا لمحور الضغط. أما الغازات الحقيقية فتحيد عنه عند الضغوط العالية فتصبح النسبة أكبر أو أصغر من الواحد (حيود موجب فوق الخط أو سالب تحته).

ما العاملان اللذان يفسران الحيود عن الحالة المثالية؟

إظهار الإجابة

التجاذب بين جسيمات الغاز، وحجم هذه الجسيمات؛ فالغازات الحقيقية تتكون من جسيمات فيزيائية حقيقية لها حجم (شكل 24)، ولو انعدم التجاذب بينها لما أمكن إسالتها.

قارن منحنيي CH₄ عند 0°C و200°C.

إظهار الإجابة

عند 0°C تتحرك جسيمات الميثان ببطء نسبيًا ويكون التجاذب قويًا، فيقع المنحنى أسفل الحالة المثالية عند انخفاض الضغط، وعند ارتفاع الضغط تقل المسافة ويصبح الحجم الحقيقي مهمًا فيصعد المنحنى أعلى الحالة المثالية · عند 200°C يرتفع متوسط الطاقة الحركية بدرجة كافية للتغلب على التجاذب الضعيف فتساوي النسبة الواحد تقريبًا عند الضغط الأقل، وتكون أكبر من الواحد فقط عندما يزيد حجم كل جسيم كما يحصل عند ارتفاع الضغط. فدرجة الحرارة تحدد أي التأثيرين هو المسيطر.

لماذا يجب أخذ الحجم الفعلي لجسيمات الغاز الحقيقي في الاعتبار كلما زاد الضغط (شكل 24)؟

إظهار الإجابة

لأن الغاز المثالي يفترض الجسيمات نقاطًا متناهية الأبعاد بلا حجم، أما الحقيقي فلجسيماته حجم؛ فيصبح من الصعب ضغطه بعد درجة أو نقطة معينة مهما كانت قيمة الضغط الواقع عليه.

فقرة إثرائية: ارتباط الكيمياء بالفيزياء – الكريوستات (ترموس)

ما الكريوستات؟ ولماذا تُخزّن الغازات سائلة؟

إظهار الإجابة

أوعية تُستخدم في تخزين الغازات المسالة ونقلها، تمنع انتقال الحرارة من الوسط المحيط إلى السائل البارد جدًا داخلها. أكثرها استخدامًا قوارير ديوار (Dewar Flasks) نسبة إلى العالم الإسكتلندي جيمس ديوار الذي صممها عام 1892، وهي أوعية لها جداران يفصل بينهما فراغ، وتشبه الترموس. أوزانها خفيفة جدًا مقارنة بأسطوانات الغاز المضغوطة، وحجم المادة في الحالة السائلة أصغر بكثير منه في الحالة الغازية حتى لو كان ضغط الغاز مرتفعًا؛ لذلك يُخزن كثير من الغازات وتُنقل سائلة.

مراجعة الدرس 2-2

(١) كيف يمكن حساب كمية غاز مثالي في عينة ما عند ظروف معينة من الحرارة والضغط والحجم؟

إظهار الإجابة

بقانون الغاز المثالي: n = PV/(RT) مع R = 8.31kPa.L/mol.K والحرارة بالكلفن.

(٢) ما الفرق بين الغاز المثالي والغاز الحقيقي؟

إظهار الإجابة

المثالي: يتبع قوانين الغازات عند جميع الظروف، جسيماته بلا حجم ولا تتجاذب، لا يمكن إسالته، ولا وجود له · الحقيقي: لجسيماته حجم وبينها تجاذب، يمكن إسالته وتحويله إلى صلب بالتبريد والضغط، ويحيد عن السلوك المثالي خاصة عند الضغوط العالية والحرارة المنخفضة.

(٣) فسّر: «لا يسلك أي غاز السلوك المثالي عند جميع درجات الحرارة والضغوط». عند أي ظروف تسلك الغازات الحقيقية سلوك المثالية؟ ولماذا؟

إظهار الإجابة

لأن جسيمات الغاز الحقيقي لها حجم وبينها تجاذب · تقترب من المثالية عند الضغط المنخفض والحرارة المرتفعة؛ لأن الجسيمات تكون متباعدة فيصبح حجمها مهملًا، وطاقتها الحركية كبيرة تتغلب على التجاذب.

(٤) حدّد الحجم الذي يشغله 0.582mol من غاز مثالي عند 10°C و81.8kPa.

إظهار الإجابة

V = nRT/P = 0.582 × 8.31 × 283/81.8 ≈ 16.7L.

(٥) 28g من الميثان CH₄ في مخبار مفرغ سعته 2L عند 35°C. احسب الضغط داخله (M.wt = 16g/mol).

إظهار الإجابة

n = 28/16 = 1.75mol ⇐ P = nRT/V = 1.75 × 8.31 × 308/2 ≈ 2240kPa (≈ 2.24 × 10³kPa).

الدرس 3-2: الجسيمات الغازية: مخاليطها وحركتها

الوحدة الأولى · الفصل الثاني · صفحات 45–52

الأهداف العامة والمدخل

ما أهداف الدرس 3-2؟

إظهار الإجابة

١) يذكر فرضية أفوجادرو، وقانون دالتون للضغوط الجزئية · ٢) يحسب عدد مولات وكتل وحجوم غازات عند درجة الحرارة والضغط القياسيين · ٣) يحسب الضغوط الجزئية.

لماذا يحتاج المتسلق إلى قمة إفرست إلى أنابيب أكسجين (شكل 25)؟

إظهار الإجابة

يفوق ارتفاع قمة إفرست 29000 قدم (حوالى 8840 مترًا) فوق سطح البحر، والإنسان يحتاج إلى ضغط جزئي من الأكسجين لا يقل عن 10.67kPa ليبقى حيًا؛ فإذا تعرّض باستمرار لضغط أقل يموت. والضغط الجزئي للأكسجين يتناقص كلما زاد الارتفاع.

1. فرضية أفوجادرو

ماذا افترض العلماء الأوائل عن حجوم الغازات؟

إظهار الإجابة

جزيئات الكلور Cl₂ تحتوي عددًا كبيرًا من الإلكترونات والبروتونات والنيوترونات فهي أكبر وتشغل حجمًا أكبر من جزيئات الهيدروجين H₂، فافترضوا أن مجموعات الجزيئات الأكبر يجب أن تكون أكبر حجمًا من المجموعات ذات العدد نفسه من الجزيئات الصغيرة.

علّل: يمكن ملء غرفتين لهما الحجم نفسه بالعدد نفسه من الجسيمات بصرف النظر عن حجمها (شكل 26).

إظهار الإجابة

لأن جسيمات الغاز تكون متباعدة ولا يفصل بينها سوى الفراغ، فمجموعة الجسيمات الكبيرة نسبيًا لا تتطلب فراغًا أكبر بالمقارنة مع العدد نفسه من الصغيرة؛ ولا يكون الحجم مهمًا إلا عندما تكون الجسيمات متراصة بإحكام.

مثال (1)

احسب الحجم (باللتر) الذي يشغله 0.202mol من غاز عند STP.

إظهار الإجابة

V = 0.202 × 22.4 = 4.52L ؛ و 0.202mol حوالى ⅕ مول، فالحجم حوالى ⅕ من 22.4 أي نحو 4.5L.

مثال (2)

ما عدد جزيئات الأكسجين في 3.36L منه عند STP؟

إظهار الإجابة

الحجم ← عدد المولات ← عدد الجزيئات: N = (3.36/22.4) × 6 × 10²³ = 9 × 10²² جزيء (حوالى 1/7 مول).

أسئلة تطبيقية وحلها

(١) ما الحجم الذي يشغله 0.742mol من الأرجون عند STP؟

إظهار الإجابة

16.6L.

(٢) ما عدد جزيئات النيتروجين في 5.12L منه عند STP؟

إظهار الإجابة

1.38 × 10²³ جزيء نيتروجين.

(٣) ما الحجم الذي يشغله 4.02 × 10²² جزيء من الهيليوم عند STP؟

إظهار الإجابة

1.5L.

2. قانون دالتون للضغوط الجزئية

ماذا نستنتج من قانون الغاز المثالي P = n(RT/V) عند ثبات الحجم والحرارة؟

إظهار الإجابة

P = ثابت × n ، أي أن ضغط الغاز في الوعاء يتناسب مع عدد مولاته. وعند خلط غازات لا تتفاعل في الوعاء نفسه ينتشر كل غاز ليملأ الوعاء كله، ويكون لكل غاز ضغط يمثل جزءًا من الضغط الكلي يعتمد على عدد مولاته.

علامَ يعتمد ضغط الغاز في المخلوط؟ وهل لنوع الجسيمات أهمية؟

إظهار الإجابة

جسيمات غازات الهواء عند الحرارة نفسها تملك متوسط الطاقة الحركية نفسه، ويرتبط ضغط الغاز بعدد جسيماته في حجم معين وبمتوسط طاقتها الحركية؛ أما نوع الجسيمات فغير مهم لأن لكل جسيم القدر نفسه من المساهمة في الضغط.

مُزجت الغازات في الأوعية A (200kPa) و B (400kPa) و C (500kPa) في الوعاء D المتساوي الحجم (شكل 28). ما الضغط الكلي؟

إظهار الإجابة

1100kPa = 200 + 400 + 500 ؛ لأن كل غاز يمارس ضغطًا خاصًا به مستقلًا عن الضغط الذي تمارسه الغازات الأخرى (بافتراض ثبات الحرارة).

ما أهمية الضغوط الجزئية في الطيران وتسلق الجبال؟

إظهار الإجابة

المساهمة الجزئية لكل غاز لا تتغير بتغير الحرارة أو الضغط أو الحجم؛ فعلى قمة إفرست يتناقص الضغط الجوي الكلي إلى 33.73kPa (حوالى ⅓ قيمته عند سطح البحر)، ويتناقص الضغط الجزئي للأكسجين بالنسبة نفسها ليبلغ حوالى 7.06kPa فقط (⅓ الضغط الجزئي عند سطح البحر)، وهذا غير كافٍ للتنفس لأن الإنسان يحتاج إلى ضغط جزئي للأكسجين لا يقل عن 10.67kPa؛ لذا يحمل متسلقو الجبال والطيارون الذين يبلغون ارتفاعات عالية إمدادات أكسجين إضافية (شكل 29).

مثال (3)

ما الضغط الجزئي للأكسجين P_O₂ عند ضغط كلي 101.3kPa، علمًا أن الضغوط الجزئية للنيتروجين وثاني أكسيد الكربون والغازات الأخرى 79.1 و0.04 و0.94kPa؟

إظهار الإجابة

P_O₂ = P_T − (P_N₂ + P_CO₂ + P_others) = 101.30 − (79.10 + 0.04 + 0.94) = 21.22kPa ، وهي قيمة معقولة: أقل من الضغط الجزئي للنيتروجين.

أسئلة تطبيقية وحلها

(١) احسب الضغط الكلي لخليط فيه P_He = 26.7kPa و P_N₂ = 46.7kPa و P_O₂ = 20kPa.

إظهار الإجابة

P_T = 93.4kPa.

(٢) خليط من أكسجين ونيتروجين وثاني أكسيد الكربون ضغطه الكلي 32.9kPa، P_O₂ = 6.6kPa و P_N₂ = 23kPa. احسب P_CO₂.

إظهار الإجابة

P_CO₂ = 3.3kPa.

فقرة إثرائية: ارتباط الكيمياء بالرياضة – الغازات والغوص تحت الماء

كيف يتنفس الغطاسون في الأعماق؟ ولماذا يستخدمون خليطًا خاصًا من الغازات؟

إظهار الإجابة

يقوم غطاسون متمرسون بأعمال تحت سطح المحيطات (إصلاح السفن، بناء القواعد المائية لاستخراج النفط) ويحافظون على سلامتهم بأدوات خاصة بالتنفس وخليط من الغازات المضغوطة لتعديل تأثير الضغوط العالية. يتنفسون عبر أنابيب غاز تتصل بالمنظّم، وهو جهاز يضبط آليًا الهواء الخارج والداخل للرئتين ويعادل الضغط داخلهما وخارجهما؛ لأن كمية الغاز التي يتنفسها الغطاس تذوب في دمه بشكل أكبر تحت الضغوط العالية. والهواء يتكون أساسًا من النيتروجين N₂، وذوبان كمية كبيرة منه في الدم تحت الضغط العالي يؤدي إلى تخدّر الغطاس، كما يؤثر سلبًا عند صعوده إلى السطح فيسبب التحنّي الذي قد يؤدي إلى الوفاة؛ لذلك يحتاط الغطاسون ويستخدمون خليطًا خاصًا من الغازات بدلًا من الهواء المضغوط.

مراجعة الدرس 3-2

(١) اكتب باختصار وبأسلوبك نص فرضية أفوجادرو وقانون دالتون للضغوط الجزئية.

إظهار الإجابة

أفوجادرو: الحجوم المتساوية من الغازات المختلفة عند الحرارة والضغط نفسيهما تحتوي أعدادًا متساوية من الجسيمات · دالتون: الضغط الكلي لخليط غازات لا تتفاعل (عند ثبات الحجم والحرارة) يساوي مجموع ضغوطها الجزئية.

(٢) كيف تستخرج عدد مولات وكتل وحجوم الغاز من بعضها عند STP؟

إظهار الإجابة

n = V/22.4 و V = n × 22.4 · m = n × M.wt و n = m/M.wt · عدد الجسيمات = n × 6 × 10²³.

(٣) احسب عدد اللترات التي يشغلها عند STP: (أ) 1.7mol من H₂ (ب) 1.5 × 10⁻²mol من N₂ (ج) 250mol من O₂.

إظهار الإجابة

(أ) 1.7 × 22.4 = 38.08L · (ب) 1.5 × 10⁻² × 22.4 = 0.336L · (ج) 250 × 22.4 = 5600L.

(٤) كيف يُحسب الضغط الجزئي لغاز في خليط؟

إظهار الإجابة

بطرح مجموع الضغوط الجزئية للغازات الأخرى من الضغط الكلي (قانون دالتون): P₁ = P_T − (P₂ + P₃ + …).

(٥) ما أهمية الحجم الذي قدّره أفوجادرو بـ 22.4L؟

إظهار الإجابة

هو الحجم المولي: حجم 1mol من أي غاز عند STP، فيسمح بالتحويل بين حجم الغاز وعدد مولاته (ومن ثم كتلته وعدد جسيماته) دون معرفة نوع الغاز.

م١

مراجعة الوحدة الأولى وأسئلة مراجعتها

الغازات · صفحات 53–59

خريطة مفاهيم الوحدة

نظّم: فرضية أفوجادرو، قانون بويل، القانون الموحد، الحجم المولي، قانون الغاز المثالي، جاي–لوساك، تشارلز، درجة الحرارة والضغط القياسيان، النظرية الحركية، الغاز المثالي، ثابت الغاز المثالي، الغاز الحقيقي، مقياس درجة الحرارة المطلقة، الضغط الجزئي، قانون دالتون.

إظهار الإجابة

النظرية الحركية ← تصف الغاز المثالي (ويحيد عنه الغاز الحقيقي) · قوانين الغاز المثالي (بالحرارة على مقياس درجة الحرارة المطلقة): بويل (P و V)، تشارلز (V و T)، جاي–لوساك (P و T) ← يجمعها القانون الموحد ← بإضافة n يصبح قانون الغاز المثالي PV = nRT مع ثابت الغاز المثالي R · فرضية أفوجادرو ← الحجم المولي 22.4L عند درجة الحرارة والضغط القياسيين · مخاليط الغازات ← الضغط الجزئي ← قانون دالتون.

تحقق من فهمك

(١) عند تسخين غاز في وعاء مغلق ذي حجم ثابت يزداد ضغطه. لماذا؟

إظهار الإجابة

لأن متوسط الطاقة الحركية لجسيماته يزداد فتتحرك أسرع وتصطدم بجدران الوعاء بطاقة أكبر (قانون جاي–لوساك).

(٢) ماذا يحدث لجسيمات الغاز عندما يُضغط؟

إظهار الإجابة

تقترب بعضها من بعض فيقل الفراغ بينها وتزداد اصطداماتها بجدران الوعاء فيزداد الضغط.

(٣) أنبوب فيه 1mol نيتروجين عند الظروف القياسية. ما التغير في الضغط إذا أُضيف مول آخر عند ثبات الحرارة والحجم؟

إظهار الإجابة

يتضاعف الضغط (من 101.3kPa إلى 202.6kPa) لأن عدد الجسيمات تضاعف.

(٤) إذا ضُغط غاز من 4L إلى 1L مع ثبات الحرارة، ما التغير في الضغط؟

إظهار الإجابة

يزداد أربع مرات (قانون بويل).

(٥) لماذا تُستخدم درجات الحرارة بالكلفن في حسابات الغازات؟

إظهار الإجابة

لأن الحجم والضغط يتناسبان طرديًا مع درجة الحرارة المطلقة؛ فعند 0K يكون متوسط الطاقة الحركية صفرًا، ولا توجد قيم سالبة.

(٦) صِف ما يحدث لحجم بالون عند إخراجه في طقس بارد. فسّر.

إظهار الإجابة

يتقلص؛ لأن انخفاض درجة الحرارة يقلل متوسط الطاقة الحركية للجسيمات فيقل الضغط داخله، وعند ثبات الضغط يتناسب الحجم طرديًا مع الحرارة (تشارلز).

(٧) ضغط غاز في وعاء مغلق 300kPa عند 30°C. احسب الضغط إذا انخفضت الحرارة إلى −172°C.

إظهار الإجابة

T₁ = 303K ، T₂ = 101K ⇐ P₂ = 300 × 101/303 = 100kPa.

(٨) احسب حجم الغاز (باللتر) عند 100kPa إذا كان حجمه 1.5 × 10³mL عند 130kPa.

إظهار الإجابة

V₂ = 1.5 × 130/100 = 1.95L.

(٩) يتمدد غاز حجمه 4L عند 90kPa حتى ينخفض ضغطه إلى 20kPa. احسب الحجم الجديد (حرارة ثابتة).

إظهار الإجابة

V₂ = 4 × 90/20 = 18L.

(١٠) سُخّن غاز حجمه 300mL عند 150°C حتى أصبح 600mL. احسب الحرارة الجديدة (ضغط ثابت).

إظهار الإجابة

T₁ = 423K ⇐ T₂ = 423 × 600/300 = 846K = 573°C.

(١١) لماذا تحمل عبوات الرذاذ شعارات تحذّر من حرقها بعد الاستعمال؟

إظهار الإجابة

لأنها تحتوي على غاز تحت ضغط عالٍ، والتسخين يرفع الضغط (جاي–لوساك) فقد تنفجر وتسبب حروقًا وإصابات.

(١٢) اذكر العلاقة الرياضية للقانون الموحد للغازات.

إظهار الإجابة

P₁ × V₁ / T₁ = P₂ × V₂ / T₂.

(١٣) أنبوب محكم فيه نيتروجين عند 1 × 10³kPa و20°C، تُرك للشمس فارتفعت حرارته إلى 50°C. احسب الضغط الجديد.

إظهار الإجابة

P₂ = 1000 × 323/293 ≈ 1102kPa (≈ 1.10 × 10³kPa).

(١٤) وضّح كيف يمكنك استنباط قانون تشارلز من القانون الموحد.

إظهار الإجابة

بجعل الضغط ثابتًا P₁ = P₂ فيُحذف من الطرفين: V₁/T₁ = V₂/T₂.

(١٥) لا وجود لغاز مثالي. علّل.

إظهار الإجابة

لأن جسيمات كل الغازات لها حجم وبينها قوى تجاذب، ويمكن إسالتها، فلا يوجد غاز يتبع قوانين الغازات عند جميع الظروف.

(١٦) صِف الغاز المثالي.

إظهار الإجابة

غاز يتبع قوانين الغازات عند جميع ظروف الضغط والحرارة، ويخضع بدقة لفرضيات النظرية الحركية: جسيماته بلا حجم ولا تتجاذب على الإطلاق، و PV/(nRT) = 1 دائمًا.

(١٧) اشرح أسباب حيود الغازات الحقيقية عن سلوك الغاز المثالي.

إظهار الإجابة

قوى التجاذب بين جسيماتها (تجعل PV/nRT أصغر من الواحد)، وحجم جسيماتها (يجعلها أكبر من الواحد خاصة عند الضغوط العالية).

(١٨) أُدخل 4.5g من الميثان CH₄ إلى وعاء مفرغ حجمه 2L عند 35°C. ما الضغط (M.wt = 16g/mol)؟

إظهار الإجابة

n = 4.5/16 = 0.281mol ⇐ P = nRT/V = 0.281 × 8.31 × 308/2 ≈ 360kPa.

(١٩) احسب الحجم باللتر عند STP لكل من: (أ) 2.5mol N₂ (ب) 0.6g H₂ (ج) 0.35mol O₂.

إظهار الإجابة

(أ) 2.5 × 22.4 = 56L · (ب) 0.6/2 = 0.3mol ⇐ 6.72L · (ج) 0.35 × 22.4 = 7.84L.

(٢٠) كيف يمكن مقارنة عدد جسيمات غازين إذا تساوى الضغط الجزئي لكل منهما في وعاء ما؟

إظهار الإجابة

عددا جسيماتهما (مولاتهما) متساويان؛ لأن الضغط الجزئي يتناسب مع عدد المولات عند الحجم والحرارة نفسيهما، ونوع الجسيم غير مهم.

اختبر مهاراتك

(١) ما الذي تستنتجه عن العلاقة بين متغيرين حصيلة القسمة بينهما مقدار ثابت؟

إظهار الإجابة

علاقة تناسب طردي (مثل V/T = k في قانون تشارلز).

(٢) تتمدد عينة غاز 3.5L عند 20°C و86.7kPa إلى 8L ويبلغ ضغطها 56.7kPa. احسب درجة الحرارة النهائية بالدرجات المئوية.

إظهار الإجابة

T₂ = P₂V₂T₁/(P₁V₁) = 56.7 × 8 × 293/(86.7 × 3.5) ≈ 438K ≈ 165°C.

(٣) اختر الكلمة بحيث تحاكي العلاقة الثانية الأولى: (أ) غاز مثالي: غاز حقيقي = خيال: ؟ (ب) قانون تشارلز: درجة الحرارة = قانون بويل: ؟ (ج) حجم: قانون تشارلز = ضغط: ؟ (د) علاقة عكسية: قانون بويل = علاقة طردية: ؟ (هـ) درجات كلفن: درجات مئوية = كيلوباسكال: ؟

إظهار الإجابة

(أ) حقيقة · (ب) ضغط · (ج) قانون جاي–لوساك · (د) قانون تشارلز · (هـ) وحدة الضغط الجوي.

(٤) تتمدد الغازات لتملأ فراغًا. لماذا لا تتسرب غازات الجو حول الأرض إلى الفراغ الفضائي القريب منها؟

إظهار الإجابة

لأن جاذبية الأرض تشد جسيمات الغلاف الجوي وتبقيها حولها (معلومة عامة ليست في نص الكتاب).

(٥) كيف يمنع الفراغ في زجاجات الترموس انتقال الحرارة؟

إظهار الإجابة

للترموس (كقوارير ديوار) جداران يفصل بينهما فراغ، ولا توجد فيه جسيمات تنقل الحرارة من الوسط المحيط إلى الداخل أو العكس.

(٦) أي غاز حقيقي يملك خواص قريبة من خواص الغاز المثالي؟ ولماذا؟

إظهار الإجابة

الغاز ذو الجسيمات الصغيرة والتجاذب الضعيف بينها مثل الهيدروجين أو الأكسجين أو النيتروجين (حجومها المولية قريبة جدًا من 22.4L – جدول 1)، خاصة عند الحرارة المرتفعة والضغط المنخفض حيث يُهمل حجم الجسيمات وتتغلب طاقتها الحركية على التجاذب.

(٧) التفاعل 4NH₃ + 5O₂ ⟶ 4NO + 6H₂O يحدث (كله غازات) في وعاء 40L عند 120°C، بتفاعل 34g من NH₃ مع 96g من O₂. (أ) احسب الضغط الجزئي لـ NO (ب) احسب الضغط الكلي.

إظهار الإجابة

n_NH₃ = 34/17 = 2mol ، n_O₂ = 96/32 = 3mol ؛ يحتاج 2mol NH₃ إلى 2.5mol O₂ فـ NH₃ هو المحدد ويتبقى 0.5mol O₂ · ينتج 2mol NO و3mol H₂O · T = 393K: (أ) P_NO = 2 × 8.31 × 393/40 ≈ 163kPa · (ب) n_T = 2 + 3 + 0.5 = 5.5mol ⇐ P_T ≈ 449kPa.

(٨) وعاء حجمه 0.1L فيه 3 × 10²⁰ جزيء H₂ عند 100kPa و0°C. ما النسبة المئوية للحجم الذي تشغله الجزيئات إذا كان حجم جزيء الهيدروجين 6.7 × 10⁻²⁴mL؟

إظهار الإجابة

حجم الجزيئات = 3 × 10²⁰ × 6.7 × 10⁻²⁴ = 2.01 × 10⁻³mL ⇐ النسبة = 2.01 × 10⁻³/100 × 100% ≈ 2 × 10⁻³% (مهملة، تأكيدًا للفرضية الثانية).

(٩) الحجوم المولية لـ CH₄ و CO₂ و NH₃ عند الظروف القياسية 22.37 و22.26 و22.06L على التوالي. اشرح أسباب هذا الحيود.

إظهار الإجابة

الحجوم أقل من 22.4L لأن قوى التجاذب بين جزيئاتها أقوى فتقل المسافات بينها ويشغل الغاز حجمًا أقل، ولجسيماتها حجم؛ ويزداد الحيود كلما زاد التجاذب (أكبره في NH₃).

(١٠) طابق كل وصف مع الشكل: (أ) غاز النيتروجين (ب) غاز الميثان (ج) خليط غازات (د) بخار الماء.

إظهار الإجابة

(أ) الشكل (3): جزيئات ثنائية الذرة · (ب) الشكل (2): جزيئات خماسية الذرات · (ج) الشكل (1): جسيمات مختلفة الأحجام والأنواع · (د) الشكل (4): جزيئات ثلاثية الذرات.

(١١) صِل الرسوم البيانية بالوصف: (أ) تناسب طردي (ب) ميل الخط المستقيم صفر (ج) تناسب عكسي (د) ميل الخط المستقيم قيمة ثابتة.

إظهار الإجابة

(أ) الرسم (1) · (ب) الرسم (2) · (ج) الرسم (3) · (د) الرسمان (1) و(2).

(١٢) سُخّنت عبوة معدنية مفتوحة وفارغة لمشروب غازي دقيقة على لهب، ثم أُزيحت بسرعة وغُطّست مقلوبة في ماء مثلج. صِف ما يحدث وفسّره بالنظرية الحركية.

إظهار الإجابة

تنبعج (تنسحق) العبوة؛ لأن التبريد السريع يقلل متوسط الطاقة الحركية لجسيمات الغاز داخلها فتقل تصادماتها بالجدران وينخفض الضغط داخلها كثيرًا، فيصبح الضغط الخارجي أكبر فيسحقها.

مشاريع الوحدة

ما مشاريع الوحدة الأولى؟

إظهار الإجابة

(١) لوحة جدارية توضح قوانين الغازات، تشرح كل قانون ومعادلته مع مثال توضيحي أو أكثر عن تطبيقه في الحياة العملية · (٢) تجربة المشروبات الغازية: ضع بالونًا كبيرًا على فوهة زجاجة مشروب غازي فور فتحها لتكتشف كمية CO₂ المذاب، ورجّ الزجاجة 5 ثوانٍ على الأقل، وجرّب أنواعًا أخرى، واستنتج حجم الغاز بحساب حجم البالون، واستخدم قوانين الغاز لتحديد عدد مولات CO₂، وناقش مصادر الخطأ الممكنة.

الوحدة الثانية: سرعة التفاعل الكيميائي والاتزان الكيميائي – الدرس 1-1: سرعة التفاعل

الفصل الأول · صفحات 60–68

مدخل الوحدة الثانية

ما فصول الوحدة الثانية؟

إظهار الإجابة

الفصل الأول: سرعة التفاعل الكيميائي والاتزان الكيميائي · الفصل الثاني: الإنتروبي.

عدّد أهداف الوحدة الثانية.

إظهار الإجابة

١) يفسّر مفهوم سرعة التفاعل الكيميائي · ٢) يتعرّف العوامل التي تؤثر في سرعات التفاعلات الكيميائية وربطها بنظرية التصادم · ٣) يتعرّف التفاعلات الكيميائية العكسية ويميز بينها وبين التفاعلات الأخرى · ٤) يناقش العوامل التي تسبب تغيرات في الاتزان ويحسب قيمة ثابت الاتزان · ٥) يتعرّف العلاقة بين التغير في الإنثالبي والإنتروبي وفي ميل التفاعل الكيميائي إلى الحدوث.

اذكر معالم الوحدة.

إظهار الإجابة

اكتشف بنفسك: درجة الحرارة وسرعة التفاعلات · علاقة الكيمياء بالجيولوجيا: تآكل الصخور بفعل العوامل الجوية.

ما الذي دفع الكيميائيين إلى الاهتمام بسرعة التفاعلات؟

إظهار الإجابة

أمثلة مثل الوقت الذي تستغرقه التفاحة لتنضج، والاحتراق السريع للفحم، والاشتعال الأسرع لمواد متفجرة مثل TNT، وظهور فقاقيع عند فتح زجاجة مشروب غازي؛ فاهتموا بسرعة وبطء التفاعلات وبالطرق التي تساعدهم في السيطرة عليها لما لها من تأثيرات في المنتج وثمنه والطاقة اللازمة لإنتاجه. ولا يقتصر الاهتمام على التفاعلات في اتجاه واحد بل يشمل التفاعلات العكسية التي تحدث في اتجاهين في أنظمة مغلقة حيث تتساوى سرعتا التفاعل العكسي والطردي، ومن أهمها في الصناعة طريقة هابر لإنتاج غاز الأمونيا.

اكتشف بنفسك: درجة الحرارة وسرعة التفاعلات

(٦) هل تفاعلات الأقراص أسرع عند درجات الحرارة الأعلى؟ علّل.

إظهار الإجابة

نعم؛ لأن ارتفاع درجة الحرارة يزيد سرعة حركة الجسيمات واحتمال تصادمها وعدد الجسيمات التي تملك طاقة كافية لتخطي حاجز طاقة التنشيط (يُفسّر في هذا الدرس).

مدخل الفصل الأول

ما دروس الفصل الأول؟

إظهار الإجابة

الدرس الأول: سرعة التفاعل · الدرس الثاني: التفاعلات العكسوسة والاتزان الكيميائي.

قارن بين تفاعل المغنيسيوم مع الأكسجين، والصدأ، وما يحدث في قارورة مشروب غازي مغلقة.

إظهار الإجابة

الصدأ والبناء الضوئي والاحتراق والتعفن أمثلة على تفاعلات يومية لكل منها نواتجه وشروطه وسرعته · تفاعل المغنيسيوم مع الأكسجين ليكوّن أكسيد المغنيسيوم (مادة بيضاء) مع نور ساطع وحرارة طاردة: سريع مقارنة بالصدأ الذي يظهر على المسامير الحديدية، ويحدث باتجاه النواتج فحسب · قارورة المشروبات الغازية المغلقة: مثال على حالة اتزان حيث المتفاعلات والنواتج متواجدة معًا في النظام نفسه، وهي التفاعلات العكسية.

أهداف الدرس 1-1 ومدخله

ما أهداف درس سرعة التفاعل؟

إظهار الإجابة

١) يفسّر مفهوم سرعة التفاعل الكيميائي · ٢) يفسّر باستخدام نظرية التصادم كيف أن سرعة التفاعل الكيميائي تتأثر بظروف التفاعل.

ما التفاعل المستخدم في أعمال اللحام (شكل 30)؟ ولماذا؟

إظهار الإجابة

تفاعل غاز الإيثاين مع غاز الأكسجين النقي، إذ تصل درجة حرارة اللهب إلى أكثر من 3000°C، وهي كافية للحام الفلزات بعضها ببعض وفي بعض الأحيان لقطع فلز ما.

ما دور غاز الإيثاين لدى المزارعين؟ ولماذا لا يمكن جعل كرسي صدئ جديدًا؟

إظهار الإجابة

يحفّز درجة النضوج من خلال سلسلة تفاعلات تسرّعها طبيعته الغازية وصغر حجمه · يصدأ الحديد عندما يتعرض للهواء الرطب، لكن عكس هذه العملية لا يتم بسهولة.

1. سرعة التفاعل الكيميائي

علامَ يرتبط الوقت اللازم لحدوث التفاعل؟ مثّل.

إظهار الإجابة

يختلف بشكل ملحوظ بين تفاعل وآخر ويرتبط بطبيعة التفاعل نفسه؛ فعود الثقاب يشتعل في اللحظة نفسها التي تحكّه فيها، بينما يتكوّن الفحم طبيعيًا من النباتات المتحللة تحت تأثير الحرارة والضغط لعدة ملايين من السنين.

ماذا تقيس السرعات؟ مثّل (شكل 31).

إظهار الإجابة

سرعة أي تغير يحدث في خلال فترة زمنية معينة؛ فالعدّاء السريع يجتاز 100m في حوالى 11.5s (سرعته 8.7m/s)، والأقل سرعة في 15s (6.67m/s)، وسرعة العدّاء هي التغير في المسافة مقسومًا على الوقت (m/s).

رتّب العمليات الأربع في شكل (32) وفقًا لسرعة حدوثها: (أ) احتراق (ب) صدأ (ج) التقدم في السن (د) نضج الفاكهة.

إظهار الإجابة

من الأسرع إلى الأبطأ: الاحتراق ← نضج الفاكهة ← الصدأ ← التقدم في السن.

2. نظرية التصادم

بمَ ترتبط التغيرات المرئية الناتجة من التفاعلات الكيميائية؟ مثّل.

إظهار الإجابة

بالتغيرات في خواص الذرات والأيونات والجزيئات المنفردة؛ ففلز الصوديوم المميز بلونه الفضي الساطع يتفاعل مع جزيئات الكلور ذات اللون الأصفر الباهت ليعطي بلورات كلوريد الصوديوم عديمة اللون، وتختلف خواص ذرات الصوديوم وجزيئات الكلور عن خواص كاتيونات الصوديوم وأنيونات الكلور في كلوريد الصوديوم.

ماذا يحدث للروابط عند تزويدها بطاقة كافية؟

إظهار الإجابة

يمكن أن تتفكك إلى مواد أبسط، أو تعيد ترتيب نفسها لتكوّن مواد جديدة.

علّل: سرعة تفاعل الكربون مع الأكسجين عند درجة حرارة الغرفة تساوي صفرًا.

إظهار الإجابة

لأن هذا التفاعل يملك طاقة تنشيط كبيرة، وعند درجة حرارة الغرفة لا تكون تصادمات جزيئات الأكسجين والكربون فعّالة ونشطة بدرجة كافية لكسر روابط O–O و C–C ؛ فنظرية التصادم تفسر أن بعض التفاعلات الطبيعية تحدث ببطء شديد ويتعذر قياسها عند درجة حرارة الغرفة.

3. العوامل التي تؤثر في سرعة التفاعل الكيميائي

هل يمكن تغيير سرعة أي تفاعل؟ وما الذي يفسّر ذلك؟

إظهار الإجابة

لا تحدث التفاعلات بالسرعة نفسها (بعضها سريع بطبيعته وبعضها بطيء) ولكل تفاعل سرعة خاصة به، إلا أنه يمكن تغيير سرعة أي تفاعل تقريبًا بتغيير ظروف التفاعل. وتفسر نظرية التصادم ارتباط التغيرات بدرجة الحرارة والتركيز وحجم الجسيمات.

1.3 درجة الحرارة

كيف يؤثر ارتفاع درجة الحرارة في سرعة التفاعل؟

إظهار الإجابة

يؤدي في معظم التفاعلات تقريبًا إلى زيادة سرعتها؛ فحركة الجسيمات أسرع عند الحرارة الأعلى فيكون احتمال تصادمها أكبر. والتأثير الرئيسي هو زيادة عدد الجسيمات ذات الطاقة الحركية الكافية لتخطي حاجز طاقة التنشيط عند اصطدامها.

علّل: يستمر احتراق الفحم النباتي بعد إزالة اللهب.

إظهار الإجابة

عندما يلامس اللهب الفحم تتصادم ذرات الكربون والأكسجين بطاقة أعلى وتواتر أكبر كافيين لتكوين CO₂، والحرارة المنطلقة من التفاعل تمد كلًا من الكربون والأكسجين بطاقة كافية لتخطي حاجز طاقة التنشيط دون الحاجة إلى لهب أو مصدر طاقة خارجي.

2.3 التركيز

كيف يؤثر التركيز في سرعة التفاعل (شكل 36)؟

إظهار الإجابة

زيادة عدد الجسيمات في حجم محدد تزيد تركيز المتفاعلات وعدد التصادمات فتزيد سرعة التفاعل؛ فرقاقة الخشب تتوهج في الهواء (20% أكسجين) بينما يزداد توهجها بشدة وتتحول في الحال إلى لهب في زجاجة مملوءة بالأكسجين النقي.

علّل: يُمنع التدخين في المناطق التي تستخدم فيها الأنابيب المعبأة بالأكسجين.

إظهار الإجابة

لأن زيادة تركيز الأكسجين يزيد تفاعل الاحتراق.

3.3 حجم الجسيمات

كيف يؤثر حجم الجسيمات في سرعة التفاعل؟

إظهار الإجابة

كلما صغر حجم الجسيمات زادت مساحة السطح الإجمالي للمادة المتفاعلة الصلبة أو السائلة، فتزداد كمية المادة المعرضة للتفاعل ويزداد معدل التصادمات فتزداد سرعة التفاعل. ومن طرق زيادة مساحة السطح: إذابة المادة الصلبة لتنفصل جسيماتها، أو طحنها إلى مسحوق ناعم.

علّل: غبار الفحم المعلّق في الهواء أخطر من كتل الفحم الكبيرة على عمال المناجم.

إظهار الإجابة

لأنه نشط للغاية وقابل للانفجار، لصغر حجم جسيماته وكبر مساحة سطحها المعرض للتفاعل.

4.3 المواد المحفّزة

علّل: يكون الانخفاض في حاجز طاقة التنشيط أكثر في حالة التفاعل المحفّز.

إظهار الإجابة

لأن المادة المحفزة توجد آلية بديلة للتفاعل ذات طاقة تنشيط أقل من الطاقة المطلوبة عادة، مما يعني زيادة كمية النواتج في فترة زمنية معينة.

اذكر مثالًا على المادة المحفزة. وكيف تُكتب في المعادلة؟

إظهار الإجابة

تفاعل الهيدروجين والأكسجين عند درجة حرارة الغرفة بطيء ومحدود للغاية في غياب المادة المحفزة، ويصبح سريعًا عند إضافة كمية صغيرة من البلاتين: 2H₂ + O₂ ⟶(Pt) 2H₂O · ولأنها لا تُستهلك لا تظهر كإحدى المتفاعلات أو النواتج، بل يُكتب اسمها أو صيغتها فوق السهم.

ما أهمية الأنزيمات؟

إظهار الإجابة

درجة حرارة جسم الإنسان 37°C فقط ولا يمكن رفعها بدرجة واضحة دون خطر، وتقل التفاعلات ذات السرعة الكافية عند هذه الحرارة دون محفزات؛ فالأنزيمات مواد محفزة حيوية تزيد سرعات التفاعلات البيولوجية، كهضم البروتينات مثلًا.

مراجعة الدرس 1-1

(١) ما المقصود بسرعة التفاعل الكيميائي؟

إظهار الإجابة

كمية المتفاعلات التي يحدث لها تغير في خلال وحدة الزمن.

(٢) هل يؤدي كل تصادم بين الجسيمات المتفاعلة إلى تكوين نواتج؟

إظهار الإجابة

لا؛ فقط التصادمات التي تملك فيها الجسيمات طاقة حركية كافية (تساوي طاقة التنشيط أو تزيد) وتتوجه في الاتجاه الصحيح.

(٣) كيف يؤثر كل من: (أ) درجة الحرارة (ب) التركيز (ج) حجم الجسيمات (د) إضافة مادة مانعة، في سرعة التفاعل؟

إظهار الإجابة

(أ) ارتفاعها يزيد السرعة · (ب) زيادته تزيد السرعة · (ج) صغره (زيادة مساحة السطح) يزيد السرعة · (د) تُبطئ التفاعل أو تعدمه.

(٤) شريحة خارصين فيها 0.2mol تحوّلت بالكامل في الهواء إلى ZnO خلال شهر واحد. كيف تعبّر عن سرعة التفاعل؟

إظهار الإجابة

سرعة التفاعل = 0.2mol Zn/شهر (التغير في عدد المولات في وحدة الزمن).

(٥) يظل الطعام المحفوظ في الثلاجة طازجًا لمدة طويلة، بينما يفسد بسرعة عند درجة حرارة الغرفة. ما السبب؟

إظهار الإجابة

انخفاض درجة الحرارة يبطئ التفاعلات المسببة للفساد؛ إذ يقل عدد الجسيمات التي تملك طاقة كافية لتخطي حاجز طاقة التنشيط.

الدرس 2-1: التفاعلات العكوسة والاتزان الكيميائي

الوحدة الثانية · الفصل الأول · صفحات 69–81

الأهداف العامة والمدخل

ما أهداف الدرس 2-1؟

إظهار الإجابة

١) يتوقع التغيرات في الاتزان الكيميائي نتيجة تغير التركيز ودرجة الحرارة والضغط · ٢) يحسب قيمة ثابت الاتزان لتفاعل ما من نتائج تجارب مخبرية.

ما الذي نجح فيه هابر وبوش (شكل 38)؟ وإلامَ يُعزى نجاحهما؟

إظهار الإجابة

حاول العلماء سنين عديدة إنتاج مركبات نيتروجينية مفيدة كالأسمدة الزراعية بكميات تكفي للاستهلاك التجاري دون نجاح، وفي مطلع القرن العشرين نجح العالمان الألمانيان فريتز هابر وكارل بوش في إدخال تعديلات على طريقة تصنيع الأمونيا لاستخدامها كسماد. ويُعزى النجاح إلى معرفة المادة المحفزة للتفاعل الذي ينتج الأمونيا، والتحكم في درجة الحرارة والضغط.

1. التفاعلات غير العكوسة والتفاعلات العكوسة

إلامَ تنقسم التفاعلات الكيميائية بحسب اكتمالها أو عدم اكتمالها؟

إظهار الإجابة

نوعين: التفاعلات غير العكوسة، والتفاعلات العكوسة.

1.1 التفاعلات غير العكوسة

ماذا يحدث عند إضافة محلول AgNO₃ إلى محلول NaCl بعدد المولات نفسه؟

إظهار الإجابة

يحدث تفاعل تام ويتكون راسب أبيض من AgCl ويبقى NaNO₃ على شكل أيونات في المحلول: AgNO₃(aq) + NaCl(aq) ⟶ AgCl(s)↓ + NaNO₃(aq) · وإذا تُرك الراسب مع محلول NaNO₃ لن يحدث تفاعل بينهما، أي لا يتفاعل الناتجان لتكوين المتفاعلات فلا ينعكس التفاعل.

2.1 التفاعلات العكوسة

اذكر مثالًا على التفاعل العكسي، وكيف يُعبّر عنه (شكل 39)؟

إظهار الإجابة

تفاعل SO₂ مع O₂ لتكوين SO₃: 2SO₂ + O₂ ⟶ 2SO₃ ، وعند درجة الحرارة نفسها يتفكك SO₃: 2SO₃ ⟶ O₂ + 2SO₂ ؛ فيحدث التفاعلان أحدهما في اتجاه تكوين SO₃ والآخر في الاتجاه المعاكس، ويُعبّر عنهما بمعادلة واحدة بسهمين: أحدهما يدل على التفاعل الطردي (Forward Reaction) والآخر على التفاعل العكسي (Backward Reaction): 2SO₂ + O₂ ⇌ 2SO₃ ، فتكون المواد (SO₃ و SO₂ و O₂) موجودة في وسط التفاعل.

صِف تطوّر سرعتي التفاعل الطردي والعكسي في تفاعل SO₂ و O₂.

إظهار الإجابة

لعدم وجود SO₃ في البداية يكون معدل التفاعل العكسي صفرًا ويبدأ الطردي في تكوين SO₃ ، وكلما ازداد تركيزه تفكك قليل منه ببطء وأُعيد تكوين SO₂ و O₂ ؛ ومع تزايد تركيز SO₃ تزداد سرعة التفاعل العكسي، ونظرًا لنقص كميتي SO₂ و O₂ تقل سرعة التفاعل الطردي.

4.1 الاتزان الكيميائي الديناميكي

هل ثبات التركيزات عند الاتزان يعني توقف التفاعل (شكل 40)؟

إظهار الإجابة

لا؛ فالاتزان الكيميائي ديناميكي: التفاعلان العكسي والطردي يستمران بمعدل السرعة نفسه. تصل التركيزات إلى قيمة ثابتة بعد فترة، وهذه القيمة تدل على أكثر كمية يمكن أن تنتج من التفاعل عند ظروف معينة. (أ) في بداية 2SO₂ + O₂ ⇌ 2SO₃ يكون تركيز SO₂ ضعف تركيز O₂ مع غياب SO₃ ، وعند الاتزان يتكون خليط الغازات الثلاثة · (ب) في التفاعل العكسي لا يظهر في البداية سوى SO₃ ، وعند الاتزان نجد تركيزات SO₃ و SO₂ و O₂ هي نفسها الموضحة في (أ).

هل يتساوى تركيز المتفاعلات والنواتج عند الاتزان؟ وضّح بالسلالم الكهربائية (شكل 41).

إظهار الإجابة

لا يكون بالضرورة متساويًا وقد يكونان مختلفين للغاية؛ فعدد الأشخاص على السلم الصاعد يجب أن يساوي عدد الأشخاص على السلم الهابط ليظل عدد الأشخاص ثابتًا في كل طابق، رغم عدم ضرورة تساوي عدد المتسوقين في الطابقين.

5.1 موضع الاتزان

في التفاعل A ⇌ B ، متى يكون تكوين B مفضلًا ومتى يكون تكوين A مفضلًا؟

إظهار الإجابة

إذا احتوى خليط الاتزان 1% فقط من A و99% من B يُقال إن تكوين B مفضّل · وإذا احتوى 99% من A و1% من B يكون تكوين A هو المفضّل.

متى يُقال إن التفاعل تامّ (غير عكسي)؟

إظهار الإجابة

معظم التفاعلات عكوسة إلى حد ما في ظل الظروف الصحيحة، وغالبًا ما تكون مجموعة واحدة من المتفاعلات أو النواتج مفضّلة إلى حد كبير؛ فإذا تحوّلت مجموعة واحدة من المتفاعلات بالكامل إلى نواتج يمكن القول إن هذا التفاعل تامّ واكتمل حتى نهايته، أو إنه تفاعل غير عكسي.

علّل: المادة المحفزة لا تؤثر في كمية المواد الناتجة عند الاتزان.

إظهار الإجابة

لأنها تسرّع التفاعل الطردي والتفاعل العكسي بدرجة متساوية (فالعكسي هو التفاعل المضاد تمامًا للطردي)، فتقلل الطاقة اللازمة للتفاعل بالكمية نفسها في كلا الاتجاهين، أي أنها ببساطة تقلل الفترة الزمنية للوصول إلى الاتزان.

6.1 ثابت الاتزان

علامَ تدل قيمة K_eq؟

إظهار الإجابة

ترتبط بدرجة الحرارة أي تتغير بتغيرها، وتحدد أيًا من التفاعلات الطردية أو العكسية سيكون مفضّلًا عند الاتزان: K_eq > 1 يكون تكوّن المواد الناتجة مفضّلًا (موضع الاتزان مُزاح باتجاه الطردي) · K_eq < 1 يكون تكوّن المواد المتفاعلة مفضّلًا (موضع الاتزان مُزاح باتجاه العكسي).

مثال (1): N₂O₄ ⇌ 2NO₂

دورق محكم سعته 1L فيه عند الاتزان 0.0045mol N₂O₄ (عديم اللون) و0.03mol NO₂ (بني اللون) عند 10°C. اكتب علاقة K_eq واحسب قيمته.

إظهار الإجابة

K_eq = [NO₂]²/[N₂O₄] = 0.03²/0.0045 = 0.2 ؛ الأُس 2 لأن معامل NO₂ في المعادلة الموزونة 2، ومعامل N₂O₄ واحد · ولوحظ أن موضع الاتزان أُزيح باتجاه تكوين N₂O₄ حيث K_eq < 1.

أسئلة تطبيقية وحلها

(١) خليط اتزان في دورق 1L: 0.15mol هيدروجين، 0.25mol نيتروجين، 0.1mol أمونيا. احسب K_eq للتفاعل N₂ + 3H₂ ⇌ 2NH₃.

إظهار الإجابة

K_eq = 11.85.

(٢) (أ) احسب K_eq للتفاعل 2NH₃ ⇌ 3H₂ + N₂ للخليط نفسه (ب) ما العلاقة بين قيمتي ثابت الاتزان للتفاعلين؟

إظهار الإجابة

(أ) K_eq = 8.4 × 10⁻² أو 0.084 · (ب) أحدهما مقلوب الآخر.

مثال (2): H₂ + I₂ ⇌ 2HI

تفاعل 1mol H₂ مع 1mol بخار يود في دورق 1L عند 45°C، وعند الاتزان وُجد 1.56mol HI. احسب K_eq.

إظهار الإجابة

لتكوين 2mol HI يلزم 1mol H₂ و1mol I₂، فلتكوين 1.56mol يلزم 0.78mol من كل منهما · n_H₂ = n_I₂ = 1 − 0.78 = 0.22mol · K_eq = (1.56)²/(0.22 × 0.22) = 50.3 ؛ موضع الاتزان أُزيح باتجاه تكوين HI لأن K_eq > 1.

2. العوامل التي تؤثر في الاتزان الكيميائي: مبدأ لوشاتليه

ما العوامل التي يشملها مبدأ لوشاتليه؟ وعلامَ يُطبّق؟

إظهار الإجابة

التغيرات في تركيز المواد المتفاعلة أو المواد الناتجة، والتغيرات في درجة الحرارة والضغط. ويُطبّق على جميع التفاعلات العكوسة، لذلك تؤدي المواد الناتجة من التفاعل الطردي دور المواد المتفاعلة في العكسي والعكس صحيح، وفي جميع الحالات تكون إزاحة موضع الاتزان تعويضًا عن الاختلال الذي سببه التغير.

1.2 التركيز

وضّح أثر إضافة CO₂ أو إزالته على الاتزان H₂CO₃(aq) ⇌ CO₂(g) + H₂O(l) (H₂CO₃ أقل من 1% ، والنواتج أكثر من 99%).

إظهار الإجابة

إضافة CO₂ تختل الاتزان: تتغير نسبة CO₂ : H₂CO₃ لحظة الإضافة، فيتفاعل CO₂ مع الماء ليكوّن المزيد من H₂CO₃ ، فيُزاح موضع الاتزان إلى اليسار ليستهلك بعضًا من CO₂ المضاف، فتقل حدة الاختلال وتعود النسبة إلى قيمتها الأصلية · إزالة CO₂ تُزيح الاتزان إلى اليمين.

2.2 درجة الحرارة

كيف يؤثر تغيير درجة الحرارة في التفاعل الطارد للحرارة 2SO₂ + O₂ ⇌ 2SO₃ + حرارة؟

إظهار الإجابة

يُعتبر الحرارة إحدى المواد الناتجة؛ فالتسخين يُزيح موضع الاتزان باتجاه اليسار (تكوين المتفاعلات) فتقل النواتج، والتبريد يُزيحه باتجاه اليمين فتزداد كمية المواد الناتجة. ويُسبب ارتفاع درجة الحرارة إزاحة موضع الاتزان في اتجاه التفاعل الذي يحدث فيه امتصاص للحرارة.

وفي التفاعل الماص للحرارة N₂ + O₂ + حرارة ⇌ 2NO؟

إظهار الإجابة

تُعتبر الحرارة إحدى المواد المتفاعلة؛ فالتسخين يُزيح الاتزان في اتجاه تكوين المواد الناتجة، والتبريد في اتجاه تكوين المواد المتفاعلة.

3.2 الضغط

متى يؤثر الضغط في موضع الاتزان؟ وضّح بتفاعل الأمونيا (شكل 42).

إظهار الإجابة

يقتصر تأثيره على التفاعلات التي لا يتساوى فيها عدد مولات المواد المتفاعلة والناتجة على جانبي المعادلة، على أن تكون في حالتها الغازية. في N₂ + 3H₂ ⇌ 2NH₃ زيادة الضغط (في وجود مادة محفزة) تجعل التفاعل يخفف الضغط الزائد بتقليل عدد جزيئات الغاز، بتكوين جزيئات NH₃ (اتجاه النواتج)، فيتواجد عدد أقل من الجزيئات ويقل الضغط وإن استحال أن يصل إلى قيمته الأصلية · (أ) نظام في حالة اتزان (ب) اختلال الاتزان بزيادة الضغط (ج) ظروف اتزان جديدة يتفاعل فيها مزيد من الهيدروجين والنيتروجين.

ماذا يحدث لموضع الاتزان إذا انخفض الضغط (بزيادة الحجم بجذب يد المكبس إلى الأعلى)؟

إظهار الإجابة

ينخفض الضغط فيحتاج النظام إلى مزيد من جزيئات الغاز لاستعادة الضغط الأصلي، فتتفكك بعض جزيئات الأمونيا ليكوّن جزيئا الأمونيا أربعة جزيئات (ثلاثة هيدروجين وواحد نيتروجين)؛ أي نقص الضغط يؤدي إلى إزاحة موضع الاتزان باتجاه تكوين المواد المتفاعلة.

مثال (3): PCl₅ + حرارة ⇌ PCl₃ + Cl₂

ما تأثير: (أ) إضافة Cl₂ (ب) زيادة الضغط (ج) خفض الحرارة (د) إزالة PCl₃ كلما تكوّن، في موضع الاتزان؟

إظهار الإجابة

(أ) Cl₂ إحدى النواتج فيُزاح الاتزان إلى اليسار وتتكون كمية أكبر من PCl₅ · (ب) 2mol من النواتج الغازية مقابل 1mol من المتفاعلة، فيقلل النظام الضغط بإزاحة الاتزان إلى اليسار · (ج) يُزاح إلى اليسار لأن التفاعل العكسي يولد حرارة · (د) يُزاح إلى اليمين لتكوين كمية أكبر منه. وينطبق مبدأ لوشاتليه: إذا اختل نظام في حالة اتزان ديناميكي يعدّل نفسه ليصل إلى اتزان جديد.

أسئلة تطبيقية وحلها

كيف يتأثر موضع اتزان C(s) + H₂O(g) + حرارة ⇌ CO(g) + H₂(g) بـ: (أ) انخفاض الحرارة (ب) زيادة الضغط (ج) إزالة H₂ (د) إضافة H₂؟

إظهار الإجابة

(أ) باتجاه المواد المتفاعلة (اليسار) · (ب) باتجاه المواد المتفاعلة (اليسار) · (ج) باتجاه المواد الناتجة (اليمين) · (د) باتجاه المواد المتفاعلة (اليسار).

مراجعة الدرس 2-1

(١) كيف يمكن توقع تغيرات موضع الاتزان بناءً على معرفة التغيرات في التركيز والحرارة والضغط؟

إظهار الإجابة

بمبدأ لوشاتليه: يُزاح الاتزان في الاتجاه الذي يقلل تأثير التغير؛ إضافة مادة تُزيحه نحو استهلاكها وإزالتها نحو تكوينها · رفع الحرارة نحو الاتجاه الماص للحرارة · زيادة الضغط نحو الجانب الأقل عددًا من مولات الغاز.

(٢) علامَ يدل السهم المزدوج في المعادلة؟

إظهار الإجابة

على أن التفاعل عكسي: سهم للتفاعل الطردي وآخر للتفاعل العكسي يحدثان في الوقت نفسه.

(٣) كيف تُستخدم المعادلة الموزونة والنتائج التجريبية في كتابة علاقة K_eq وحساب قيمته؟

إظهار الإجابة

من المعادلة الموزونة نكتب K_eq = تركيزات النواتج ÷ تركيزات المتفاعلات كلٌّ مرفوع لمعامله (مع حذف المواد الصلبة والماء السائل)، ثم نعوّض بالتركيزات المولارية المقيسة تجريبيًا عند الاتزان.

(٤) كيف تتغير كميات المواد المتفاعلة والناتجة عند وصول التفاعل إلى حالة الاتزان؟

إظهار الإجابة

لا تتغير؛ تثبت تركيزاتها (دون أن تتساوى بالضرورة) لأن سرعة التفاعل الطردي تساوي سرعة العكسي.

(٥) هل يؤدي التغير في الضغط إلى إزاحة موضع الاتزان في كل تفاعل عكسي؟ فسّر.

إظهار الإجابة

لا؛ يقتصر تأثيره على التفاعلات التي فيها مواد غازية ولا يتساوى فيها عدد مولات الغاز على جانبي المعادلة.

(٦) أي من التفاعلات ذات الثوابت التالية يكون تكوّن المواد المتفاعلة فيها مفضلًا؟ ولماذا؟ (أ) 1 × 10² (ب) 0.3 (ج) 3.5 (د) 6 × 10⁻⁴

إظهار الإجابة

(ب) و(د)؛ لأن K_eq < 1.

الفصل الثاني: الإنتروبي – الدرس 1-2: تحديد إمكانية حدوث تفاعل ما

الوحدة الثانية · صفحات 82–89

مدخل الفصل الثاني: الإنتروبي

ما الذي يساعد على توقّع إن كان التفاعل تلقائيًا أو غير تلقائي؟

إظهار الإجابة

دراسة مراحل التفاعلات ومعرفة احتمال أن يكون التفاعل طاردًا أو ماصًا للحرارة دفعتنا إلى نبذ الاعتقاد بأن تحديد تفاعل ما من خلال الدلائل كافٍ لفهم خواصه؛ فمعرفة التغيرات في الطاقة هي أحد العوامل التي يُستعان بها، إلى جانب التغير في درجة الفوضى (الإنتروبي).

إلامَ تعود سهولة إذابة كلوريد الصوديوم الصلب إلى Na⁺(aq) و Cl⁻(aq)؟

إظهار الإجابة

إلى توجّه عملية الإذابة نحو نظام أكثر فوضوية، وهي حالة تفضيلية في التغيرات الكيميائية والفيزيائية، ويُشار إليها بالإنتروبي.

أهداف الدرس 1-2 ومدخله

ما أهداف الدرس؟

إظهار الإجابة

١) يتعرّف مفهوم الإنتروبي، والتفاعلات التلقائية أو غير التلقائية · ٢) يصف كيف أن التغير الحراري ΔH وتغير الإنتروبي ΔS يحدّدان تلقائية تفاعل ما.

كيف تحدث الحرائق في المنازل والمخازن (شكل 43)؟

إظهار الإجابة

تبدو وكأنها مفتعلة لكنها تحدث في الواقع بواسطة احتراق تلقائي؛ تتولد حرارة داخل أكوام الأقمشة الملوثة بالزيت أو حزم الحطب التي لم تجف تمامًا، وإذا لم تسمح ظروف التخزين للحرارة المتولدة في داخلها بالتسرب إلى الخارج يمكن أن تكون سببًا لاشتعال المواد وحدوث حريق.

1. التفاعلات التلقائية

هل كتابة معادلة موزونة يعني أن التفاعل يحدث؟

إظهار الإجابة

لا؛ فمعادلة تفكك CO₂(g) ⟶ C(s) + O₂(g) (التفاعل العكسي للاحتراق) موزونة، لكن التجربة توضح أنه لا يحدث عمليًا بالضرورة: الكربون والأكسجين يحترقان لتكوين CO₂ ، ولكن لا يحدث التفاعل العكسي.

ناقش تفكك حمض الكربونيك H₂CO₃(aq) ⇌ CO₂(g) + H₂O(l).

إظهار الإجابة

H₂CO₃ هو المادة المتفاعلة في التفاعل الطردي؛ إذا وُضع حمض كربونيك نقي في الماء ووصل النظام إلى الاتزان فإن أكثر من 99% منه يتحول إلى CO₂ والماء، فيكون التفاعل الطردي تلقائيًا والميل الطبيعي للتفاعل العكسي ضعيفًا (اتحاد CO₂ والماء لتكوين حمض الكربونيك تفاعل غير تلقائي).

اذكر مثالًا آخر على تفاعل تلقائي (شكل 44).

إظهار الإجابة

تفاعل المحلول المائي لنترات الكادميوم مع المحلول المائي لكبريتيد الصوديوم لتكوين محلول مائي لنترات الصوديوم وراسب أصفر من كبريتيد الكادميوم، وهو مفضّل إلى حد كبير عند الاتزان: Cd(NO₃)₂(aq) + Na₂S(aq) ⇌ CdS(s) + 2NaNO₃(aq) ، أما تفاعل CdS و NaNO₃ لتكوين نترات الكادميوم وكبريتيد الصوديوم فغير تلقائي.

هل يشير مصطلحا تلقائي وغير تلقائي إلى سرعة التفاعل؟

إظهار الإجابة

لا؛ فبعض التفاعلات التلقائية بطيئة وتبدو كأنها غير تلقائية، مثل تفاعل السكر والأكسجين لتكوين CO₂ والماء: لن تلاحظ حدوث شيء إذا وضعت وعاء سكر على المنضدة، فالتفاعل مفضّل عند الاتزان لكنه بطيء للغاية عند حرارة الغرفة لحد أنه يستغرق آلاف السنين لبلوغ الاتزان، وعندما يُمد بطاقة على شكل حرارة يصبح سريعًا ويستمر حتى نفاد كمية السكر. ومن التفاعلات التلقائية السريعة الألعاب النارية (شكل 45).

هل يمكن أن يكون التفاعل غير التلقائي تلقائيًا؟

إظهار الإجابة

نعم، قد تكون بعض التفاعلات غير تلقائية عند ظروف معينة وتلقائية عند ظروف أخرى؛ فالتفاعل العكسي لأكسدة الجلوكوز غير تلقائي عادة ولكن يصبح تلقائيًا في النباتات أثناء عملية البناء الضوئي بفضل طاقة الشمس: C₆H₁₂O₆(s) + 6O₂(g) ⇌ 6CO₂(g) + 6H₂O(l).

2. الإنتروبي (مقياس درجة الفوضى)

هل تقتصر التغيرات التلقائية على التفاعلات الطاردة للحرارة؟

إظهار الإجابة

لا؛ فبعض التغيرات الماصة للحرارة تلقائية أيضًا، مثل انصهار الثلج: يمتص كل مول من الثلج عند 25°C حوالى 6kJ من الحرارة: H₂O(s) + 6kJ/mol ⟶ H₂O(l). فالماء الناتج يحتوي على كمية حرارة تفوق الثلج، وهذا يعارض قانون العمليات التلقائية، ورغم ذلك يتم الانصهار تلقائيًا، فهناك عوامل أخرى إلى جانب التغير الحراري.

وضّح قانون الفوضى بغرفة نومك (شكل 46).

إظهار الإجابة

تكون نظيفة ومنظمة في بداية الأسبوع، وإذا لم تواظب على تنظيفها ربما تصبح غير مرتبة؛ فقيمة الإنتروبي منخفضة للغرفة المرتبة التي تم تنظيفها حديثًا، لكن الغرفة تصبح غير مرتبة مع مرور الوقت فتميل قيمة الإنتروبي إلى الارتفاع. ويعمل قانون الفوضى أيضًا على مستوى الذرات والجزيئات.

1.2 خواص الإنتروبي

ما الذي يحدث لإنتروبي أيونات الصوديوم والكلوريد عندما يتبخر المحلول الملحي؟

إظهار الإجابة

ينخفض؛ لأن الأيونات تعود فتقترب بعضها من بعض وتتبلور في ترتيب منظم.

3. الإنثالبي والإنتروبي

لماذا احتراق الكربون تلقائي وتكوين الكربون والأكسجين من CO₂ غير تلقائي؟

إظهار الإجابة

احتراق الكربون C(s, graphite) + O₂(g) ⇌ CO₂(g) + 393.5kJ تفاعل طارد للحرارة مصحوب بزيادة الإنتروبي، فهو تلقائي بالتأكيد إذ يتوافر فيه العاملان · أما العكسي فغير تلقائي إذ لا يتوافر فيه تغير الإنثالبي ولا تغير الإنتروبي.

لماذا ينصهر الثلج تلقائيًا فوق 0°C رغم أنه عملية ماصة للحرارة؟

إظهار الإجابة

يكون التفاعل تلقائيًا أيضًا إذا قابل النقص في الإنتروبي انطلاق كمية كبيرة من الحرارة، وبالمبدأ عينه يكون التفاعل الماص للحرارة تلقائيًا إذا عادل امتصاص الحرارة زيادة الإنتروبي؛ فعند انصهار الثلج يعمل العاملان في اتجاهين متقابلين، ويعوّض امتصاص قدر كبير من الحرارة تغير الإنتروبي المفضل الذي تفوق قيمته قيمة تغير الإنثالبي.

لماذا تكون عملية تجمد الماء إلى ثلج غير تلقائية عند 10°C؟

إظهار الإجابة

لأن التجمد يخفض الإنتروبي (يصبح الترتيب أكثر انتظامًا)، وعند 10°C لا يعوّض الانخفاض في الإنثالبي هذا النقص في الإنتروبي، فتكون العملية العكسية (الانصهار) هي المفضلة.

فقرة إثرائية: علاقة الكيمياء بالجيولوجيا – تآكل الصخور بفعل العوامل الجوية

ما الذي يحدث في تآكل الصخور؟ ولماذا يصبح تلقائيًا فوق 850°C؟

إظهار الإجابة

يحدث تآكل الصخور عادة ببطء شديد فلا يظهر أثره إلا بعد أزمنة طويلة، ورغم صغر معدله فإن شكلها حدّد وما زال يحدّد شكل سطح الأرض؛ فجبال روكي الحديثة عالية وكثيرة التضاريس نسبيًا على عكس جبال الأبلاشيان في شمال شرق الولايات المتحدة بسبب الفرق الزمني بين الجبلين الذي يبلغ 245 مليون سنة. ويرتفع الإنتروبي في هذا التفاعل لأن إحدى المواد الناتجة غاز (CO₂) تكوّن من متفاعل صلب (كربونات الكالسيوم)، وليست الزيادة كبيرة إلى حد حدوث التفاعل تلقائيًا عند درجات الحرارة العادية لأنه ماص للحرارة (إنثالبي المتفاعلات أقل منه للنواتج)، لكن يزداد تأثير الزيادة في الإنتروبي بزيادة درجة الحرارة، وعندما تفوق 850°C سيفوق T × ΔS° (تغير الإنتروبي × درجة الحرارة) المفضل ΔH° غير المفضل ويصبح التفاعل تلقائيًا.

مراجعة الدرس 1-2

(١) اشرح المقصود بـ: (أ) الإنتروبي (ب) تفاعل تلقائي (ج) تفاعل غير تلقائي.

إظهار الإجابة

(أ) مقياس كمي لدرجة الفوضى لنظام ما (S بوحدة J/K) · (ب) تفاعل يحدث في الطبيعة ويفضّل تكوين نواتج عند ظروف معينة · (ج) تفاعل لا يفضّل تكوين مواد ناتجة عند ظروف معينة.

(٢) اذكر العاملين اللذين يحددان ما إذا كان التفاعل تلقائيًا أو غير تلقائي.

إظهار الإجابة

التغير في الإنثالبي ΔH (التغير الحراري)، والتغير في الإنتروبي ΔS.

(٣) كيف يمكنك تغيير تفاعل ما من تلقائي إلى غير تلقائي؟

إظهار الإجابة

بتغيير ظروفه، خاصة درجة الحرارة، في التفاعلات التي يكون فيها أحد العاملين فقط مفضلًا (ΔH و ΔS بالإشارة نفسها)؛ فيتغير أيهما المسيطر (مثل الانصهار والتجمد عند درجات مختلفة).

(٤) توقّع ما إذا كان التفاعل C(s) + O₂(g) ⟶ CO₂(g) تلقائيًا أو غير تلقائي، علمًا أن ΔS° = +3.1 kJ/(mol.K) و ΔH° = −393kJ/mol.

إظهار الإجابة

تلقائي؛ لأنه طارد للحرارة (ΔH سالبة) والإنتروبي يرتفع (ΔS موجبة)، فالعاملان مفضلان.

م٢

مراجعة الوحدة الثانية وأسئلة مراجعتها

سرعة التفاعل والاتزان والإنتروبي · صفحات 90–94

خريطة مفاهيم الوحدة

نظّم: نظرية التصادم، اتزان كيميائي، إنتروبي، ثابت الاتزان، تفاعل غير عكسي، تفاعل طردي، مبدأ لوشاتليه، مادة محفزة، موضع الاتزان، مادة مانعة، تفاعل عكسي، تفاعل تلقائي، تفاعل غير تلقائي، طاقة التنشيط، قانون الفوضى، سرعة التفاعل الكيميائي.

إظهار الإجابة

سرعة التفاعل الكيميائي ← تفسرها نظرية التصادم وطاقة التنشيط ← تزيدها المادة المحفزة وتبطئها المادة المانعة · التفاعلات: غير عكسي، وعكسي (طردي + عكسي) ← اتزان كيميائي ← موضع الاتزان وثابت الاتزان ← يتأثر بمبدأ لوشاتليه · قانون الفوضى ← الإنتروبي ← مع الإنثالبي يحددان: تفاعل تلقائي أو غير تلقائي.

تحقق من فهمك

(١) اشرح نظرية التصادم في التفاعلات.

إظهار الإجابة

الذرات والأيونات والجزيئات تتفاعل وتكوّن نواتج عندما يصطدم بعضها ببعض بطاقة حركية كافية وفي الاتجاه الصحيح، وإلا ترتد دون تفاعل.

(٢) عرّف طاقة التنشيط في تفاعل ما.

إظهار الإجابة

أقل كمية من الطاقة تحتاج إليها الجسيمات لتتفاعل، وهي حاجز يجب أن تعبره المتفاعلات لتتحول إلى نواتج.

(٣) أين تُكتب صيغة المادة المحفزة في المعادلة؟ ولماذا؟

إظهار الإجابة

فوق السهم الذي يشير إلى النواتج؛ لأنها لا تُستهلك أثناء التفاعل فلا تظهر كمتفاعل أو ناتج.

(٤) كيف تتأثر سرعة التفاعل بالمادة المحفزة؟ وكيف تؤثر فيه؟

إظهار الإجابة

تزداد السرعة؛ إذ توجد آلية بديلة للتفاعل ذات طاقة تنشيط أقل.

(٥) أي العبارات صحيح؟ (أ) يمكن زيادة سرعة جميع التفاعلات بزيادة درجة الحرارة (ب) تحتاج الجسيمات المتفاعلة ما إن يبدأ التفاعل إلى أن تصطدم ببعضها لتكوين نواتج (ج) الأنزيمات مواد محفزة بيولوجية.

إظهار الإجابة

(ب) و(ج) صحيحتان · (أ) غير دقيقة: الكتاب يقول إن ارتفاع الحرارة يزيد السرعة في «معظم التفاعلات تقريبًا» لا جميعها.

(٦) عرّف بأسلوبك التفاعلات العكسية.

إظهار الإجابة

تفاعلات لا تكتمل في اتجاه واحد؛ تتحد نواتجها لتعطي المتفاعلات مرة أخرى تحت الظروف نفسها، فيحدث تفاعلان طردي وعكسي في آن معًا.

(٧) وصل التفاعل العكسي إلى حالة الاتزان الديناميكي، ماذا تستنتج؟

إظهار الإجابة

أن سرعة التفاعل الطردي تساوي سرعة العكسي، وأن تركيزات المتفاعلات والنواتج ثابتة، وأن التفاعل لم يتوقف.

(٨) كيف تقارن بين سرعتي التفاعل الطردي والعكسي عند الاتزان؟

إظهار الإجابة

متساويتان.

(٩) اذكر ما تعرفه عن مبدأ لوشاتليه. كيف تفسّر به فساد عبوات المشروبات الغازية عند تركها مفتوحة؟

إظهار الإجابة

إذا تغير أحد العوامل المؤثرة في نظام متزن يعدّل النظام نفسه إلى اتزان جديد يقلل التغير · عند فتح العبوة يخرج CO₂ (إزالة ناتج) من الاتزان H₂CO₃ ⇌ CO₂ + H₂O ، فيُزاح الاتزان باتجاه تكوين المزيد من CO₂ الذي يتسرب باستمرار فيفقد المشروب غازه.

(١٠) اكتب علاقة ثابت الاتزان لتكوين الأمونيا N₂ + 3H₂ ⇌ 2NH₃.

إظهار الإجابة

K_eq = [NH₃]²/([N₂][H₂]³).

(١١) اكتب علاقة K_eq لكل من: (أ) 4H₂ + CS₂ ⇌ CH₄ + 2H₂S (ب) PCl₅ ⇌ PCl₃ + Cl₂ (ج) 2NO + O₂ ⇌ 2NO₂ (د) CO + H₂O ⇌ H₂ + CO₂ (كلها غازات).

إظهار الإجابة

(أ) [CH₄][H₂S]²/([H₂]⁴[CS₂]) · (ب) [PCl₃][Cl₂]/[PCl₅] · (ج) [NO₂]²/([NO]²[O₂]) · (د) [H₂][CO₂]/([CO][H₂O]).

(١٢) علّق على تفضيل تكوين النواتج: (أ) H₂ + F₂ ⇌ 2HF ؛ K_eq = 1 × 10¹³ (ب) SO₂ + NO₂ ⇌ NO + SO₃ ؛ K_eq = 1 × 10².

إظهار الإجابة

في الحالتين K_eq > 1 فتكوين النواتج مفضّل، وهو مفضل بدرجة أكبر بكثير في (أ) لأن ثابتها أكبر بكثير (يكاد يكون تامًّا).

(١٣) إذا كانت النواتج في عملية تلقائية أكثر انتظامًا من المتفاعلات، فهل تكون قيمة الإنتروبي موجبة أم سالبة؟

إظهار الإجابة

سالبة (ينخفض الإنتروبي)، ويكون التفاعل تلقائيًا لأنه طارد للحرارة بقدر كافٍ.

(١٤) عرّف الإنتروبي.

إظهار الإجابة

مقياس كمي لدرجة الفوضى لنظام ما، رمزه S ووحدته J/K.

(١٥) أي نظام يملك إنتروبي أدنى؟ (أ) أحجية الصورة المرتبة أو المفككة (ب) 50mL من الماء السائل أو 50mL من الثلج (ج) 10g من بلورات كلوريد الصوديوم أو محلول مائي يحتوي على 10g منه.

إظهار الإجابة

(أ) الأحجية المرتبة · (ب) الثلج · (ج) بلورات كلوريد الصوديوم.

(١٦) علّق على تغير الإنتروبي في: (أ) CaCO₃(s) ⟶ CaO(s) + CO₂(g) (ب) NH₃(g) + HCl(g) ⟶ NH₄Cl(s) (ج) 2NaHCO₃(s) ⟶ Na₂CO₃(s) + H₂O(g) + CO₂(g) (د) CaO(s) + CO₂(g) ⟶ CaCO₃(s).

إظهار الإجابة

(أ) يزداد (ينتج غاز من صلب) · (ب) يقل (غازان يكوّنان صلبًا) · (ج) يزداد (غازان من صلب، وعدد الجزيئات يزيد) · (د) يقل (غاز يتحول إلى صلب).

(١٧) هل صحيح أن كل العمليات التلقائية طاردة للحرارة؟ فسّر.

إظهار الإجابة

لا؛ فبعض العمليات الماصة للحرارة تلقائية إذا عادل امتصاص الحرارة زيادة كبيرة في الإنتروبي، مثل انصهار الثلج فوق 0°C.

(١٨) يتكثف بخار الماء إلى ماء سائل عند الضغط الجوي العادي رغم أن تغير الإنتروبي غير موجب. اشرح.

إظهار الإجابة

التكثف طارد للحرارة؛ فانطلاق كمية كبيرة من الحرارة يقابل النقص في الإنتروبي، فيكون التفاعل تلقائيًا عند الحرارة المناسبة (أقل من 100°C).

(١٩) هل تتوقع أن يرتفع الإنتروبي في: (أ) C(s) + O₂(g) ⟶ CO₂(g) (ب) Al₂O₃(s) ⟶ 2Al(s) + 3/2O₂(g) (ج) 2N(g) ⟶ N₂(g) (د) N₂(g) ⟶ 2N(g)؟

إظهار الإجابة

(أ) تقريبًا لا يتغير كثيرًا (مول غاز يعطي مول غاز، مع استهلاك صلب)، والكتاب يعطيه ΔS° = +3.1 موجبة · (ب) يرتفع (ينتج غاز من صلب) · (ج) لا، ينخفض (عدد الجزيئات يقل) · (د) يرتفع (عدد الجسيمات يزيد).

(٢٠) ما تأثير نقص حجم النظام (زيادة الضغط) في موضع الاتزان لكل من: (أ) 4HCl(g) + O₂(g) ⇌ 2Cl₂(g) + 2H₂O(g) (ب) CO₂(s) ⇌ CO₂(g) (ج) CaCO₃(s) ⇌ CaO(s) + CO₂(g)؟

إظهار الإجابة

(أ) يُزاح نحو اليمين (5 مولات غاز ← 4 مولات) · (ب) يُزاح نحو اليسار (تكوين الصلب) · (ج) يُزاح نحو اليسار (تكوين CaCO₃).

(٢١) توقّع ماذا يحدث إذا أُضيفت مادة محفزة إلى تفاعل عكسي بطيء. ماذا يحدث لموضع الاتزان؟

إظهار الإجابة

يصل التفاعل إلى الاتزان أسرع، ولا يتغير موضع الاتزان (ولا كمية النواتج) لأنها تسرّع التفاعلين الطردي والعكسي بالدرجة نفسها.

(٢٢) ترفع الزيادة في الحرارة طاقة التصادم، وترفع الزيادة في التركيز عدد التصادمات. ما تأثير المادة المحفزة في التصادم بين الجزيئات؟

إظهار الإجابة

تخفض حاجز طاقة التنشيط، فيصبح عدد أكبر من التصادمات فعّالًا ومؤديًا إلى نواتج.

اختبر مهاراتك

(١) اذكر العاملين اللذين يحددان معًا ما إذا كان التفاعل تلقائيًا أم لا.

إظهار الإجابة

التغير في الإنثالبي ΔH والتغير في الإنتروبي ΔS.

(٢) في التفاعل A + B ⇌ C طاقة التنشيط للطردي 5kJ والتغير الكلي في الطاقة −20kJ. احسب طاقة التنشيط للعكسي.

إظهار الإجابة

E_a(عكسي) = E_a(طردي) − ΔH = 5 − (−20) = 25kJ.

(٣) صندوق مقسوم بباب فيه كميتان متساويتان من غازين مختلفين (أ)، بدأ الاختلاط عند فتح الباب (ب). لماذا من غير الوارد أن تتطور (ب) إلى (ج) حيث ينفصل الغازان من جديد؟

إظهار الإجابة

لأن الاختلاط يزيد الفوضى (الإنتروبي)، وكل العمليات تسير في اتجاه زيادة الفوضى (قانون الفوضى)، فانفصال الغازين تلقائيًا يعني نقص الإنتروبي وهو غير مفضل.

(٤) خليط عند الاتزان و827°C فيه 0.552mol CO₂ و0.552mol H₂ و0.448mol CO و0.448mol H₂O (CO₂ + H₂ ⇌ CO + H₂O). احسب K_eq.

إظهار الإجابة

K_eq = (0.448 × 0.448)/(0.552 × 0.552) ≈ 0.66 (الحجم يُختصر لتساوي عدد المولات في الطرفين).

(٥) H₂O(l) ⇌ H₂O(s) عند 0°C. اشرح لماذا يسبب الضغط انصهار الثلج (كثافة الماء السائل 1g/cm³ والصلب 0.92g/cm³).

إظهار الإجابة

للماء السائل كثافة أكبر فهو يشغل حجمًا أقل من الثلج؛ زيادة الضغط تُزيح الاتزان (لوشاتليه) نحو الحالة الأقل حجمًا أي السائل، فينصهر الثلج.

(٦) التفاعل C(s, diamond) + O₂(g) ⟶ CO₂(g) تلقائي. ماذا تقول عن سرعته؟

إظهار الإجابة

بطيء جدًا عند الظروف العادية رغم تلقائيته؛ فالتلقائية لا تشير إلى السرعة، وطاقة تنشيطه كبيرة.

(٧) أكمل على نمط العلاقة الأولى: مادة محفزة: مادة مانعة = أشعة الشمس: ؟ (السحب – عملية البناء الضوئي – الرياح – الطاقة).

إظهار الإجابة

السحب (أشعة الشمس تساعد البناء الضوئي والسحب تمنعها، كما تعارض المادة المانعة المحفزة).

(٨) ذوبان مينا الأسنان: Ca₅(PO₄)₃OH(s) ⇌ 5Ca²⁺ + 3PO₄³⁻ + OH⁻. ينتج من تخمّر السكر كاتيون H⁺. ما تأثير زيادة تركيزه في مينا الأسنان؟

إظهار الإجابة

يتفاعل H⁺ مع OH⁻ فيزيله، فيُزاح الاتزان نحو اليمين (لوشاتليه) فيذوب المزيد من المينا وتتسوس الأسنان.

مشاريع الوحدة

ما مشاريع الوحدة الثانية؟

إظهار الإجابة

(١) أدرج في قائمة 5 نشاطات قمت بتنفيذها اليوم ونتج منها زيادة في الإنتروبي · (٢) صمّم تجربة لتبيان تأثير درجة الحرارة في سرعات التفاعل: تفاعل كيميائي بسيط يتصاعد منه غاز غير سام أو يكوّن راسبًا، اعرض التصميم على المعلم، وخطّط رسمًا بيانيًا يوضح علاقة سرعة التفاعل بدرجة الحرارة.

الوحدة الثالثة: الأحماض والقواعد – الدرس 1-1: وصف الأحماض والقواعد

الفصل الأول · صفحات 95–106

مدخل الوحدة الثالثة

ما فصل الوحدة الثالثة؟ وما أهدافها؟

إظهار الإجابة

الفصل الأول: الأحماض والقواعد · الأهداف: ١) يتعرّف نظريات أرهينيوس وبرونستد–لوري ولويس للأحماض والقواعد · ٢) يعرّف الأحماض والقواعد ويسميها عند إعطاء الصيغة الخاصة بكل منهما · ٣) يصنّف المحاليل إلى محلول متعادل أو محلول حمضي أو محلول قاعدي · ٤) يحوّل تركيزات كاتيون الهيدرونيوم إلى قيم الأس الهيدروجيني وتركيزات أنيون الهيدروكسيد إلى قيم الأس الهيدروكسيدي · ٥) يحسب ثابت تأيّن الحمض (K_a) من التركيز وقياسات الأس الهيدروجيني · ٦) يرتّب قوى الأحماض والقواعد بحسب ثابت تأينها.

اذكر معالم الوحدة الثالثة.

إظهار الإجابة

اكتشف بنفسك: تأثر الأطعمة بصودا الخبيز · ارتباط الكيمياء بالكتب: الكيمياء تنقذ الكتب المفتتة · علاقة الكيمياء بالحياة اليومية: كُن حذرًا عند استعمال المبيّض! · ارتباط الكيمياء بالصحة: تآكل الأسنان · الكيمياء في خدمة البيئة: المطر الحمضي.

كيف كانت المواد تُصنّف قديمًا؟ وما أهمية دراسة الصيغ التركيبية للأحماض والقواعد؟

إظهار الإجابة

كانت تُصنّف على أنها حمضية أو قاعدية بحسب طعمها: الحامضة كالليمون الحامض والخل حمضية، والمرّة كالثوم والكافيين قاعدية، وشدة المرارة أو الحموضة تحدد قوة الحمض أو القاعدة · ودراسة الصيغ التركيبية والجزيئية تساعد في تحديد المركبات الحمضية والقاعدية ومدى قوتها وتوقّع تفاعلاتها الكيميائية دون اللجوء إلى تذوقها، فالكثير منها يجب عدم تذوقها بل عدم لمسها لخطورتها.

اكتشف بنفسك: تأثر الأطعمة بصودا الخبيز

ما التفسير المتوقع لما يحدث للأطعمة الحمضية مع صودا الخبيز؟

إظهار الإجابة

تتفاعل الأحماض في الأطعمة اللاذعة (الليمون، البرتقال، الجريب فروت، الطماطم...) مع صودا الخبيز القاعدية فتظهر فقاقيع غاز CO₂ (H₂CO₃ يتفكك إلى CO₂ والماء)، بينما لا يحدث ذلك أو يكون ضعيفًا مع الأطعمة غير الحمضية.

مدخل الفصل الأول: الأحماض والقواعد

ما دروس الفصل؟

إظهار الإجابة

١) وصف الأحماض والقواعد · ٢) تسمية الأحماض والقواعد · ٣) كاتيونات الهيدروجين والحموضة · ٤) قوة الأحماض والقواعد.

اذكر أمثلة على الأحماض والقواعد في المأكولات والحياة اليومية.

إظهار الإجابة

أحماض: الخل وعصير الفواكه الحمضية (الليمون الحامض والعنب والتفاح)، تسوّس الأسنان الناتج عن تكاثر الجراثيم التي تنتج أحماضًا تؤثر في ذوبانية مينا الأسنان، هضم البروتينات في المعدة بعد أن تفرز مادة حمضية · قواعد: الحليب، القهوة التي تحتوي على الكافيين، صودا الخبيز (لارتفاع الحموضة في المعدة)، الصابون أكثر المواد القاعدية شيوعًا، والانزلاقية خاصية تتميز بها القواعد.

أهداف الدرس 1-1 ومدخله

ما أهداف الدرس 1-1؟

إظهار الإجابة

١) يعطي تعريفًا للأحماض والقواعد ويصفها · ٢) يقارن بين الأحماض والقواعد كما تمّ تعريفها في نظريات أرهينيوس وبرونستد–لوري ولويس · ٣) يعرّف زوج الحمض/القاعدة المرافق في تفاعلات الأحماض والقواعد.

هل الأحماض هي الأكثر شيوعًا في حياتنا؟ مثّل (شكل 51).

إظهار الإجابة

يعتقد البعض ذلك، لكنه غير صحيح؛ ففي تكساس كهف براكين يعيش فيه من 20 إلى 40 مليون خفاش ويُعتبر أكبر مستعمرة للفقاريات في العالم، ويجب على زوّاره ارتداء نظارات وأجهزة للتنفس لحمايتهم من غاز الأمونيا الخطير (قاعدة) الذي يتكون كناتج ثانوي من بول الخفاش.

1. الخواص العامة للأحماض والقواعد

ما أهمية الأحماض والقواعد؟

إظهار الإجابة

تؤدي دورًا رئيسيًا في معظم التفاعلات الكيميائية اليومية، وتستخدمها كثير من العمليات الصناعية مثل إعداد الخل والمشروبات الغازية والأقراص المضادة للحموضة وصناعة بطاريات السيارات ومواد التنظيف المنزلية، ويحتاج جسم الإنسان إليها ليقوم بوظائفه الحيوية على أكمل وجه.

اذكر استخدامات تحتوي على أحماض أو قواعد (شكل 52).

إظهار الإجابة

الطماطم تحتوي على حمض الأسكوربيك، والشاي على حمض التانيك، وهيدروكسيد الكالسيوم (قاعدة) أحد مكونات مواد البناء التي استُخدمت في بناء سور الصين العظيم، وتُستخدم مضادات الحموضة (أنواع مختلفة من القواعد) لتعادل زيادة حموضة المعدة.

2. أحماض وقواعد أرهينيوس

اذكر أمثلة على أحماض في الطبيعة (شكل 53).

إظهار الإجابة

(أ) تفرز الرخويات البحرية حمض H₂SO₄ ثنائي البروتون للدفاع عن نفسها · (ب) تنتج الطيور البحرية خليطًا حمضيًا من زيوت السمك نصف المهضومة ذات رائحة كريهة لإبعاد أعدائها · (ج) يُبنى حمض اللاكتيك في عضلات الجسم خلال التمرين الطويل.

علّل: لا تُعتبر كل المركبات التي تحتوي على الهيدروجين أحماضًا.

إظهار الإجابة

لأن ذرات الهيدروجين لا تتأين إلا إذا كانت تكوّن رابطة قطبية مع ذرة ذات سالبية كهربائية عالية؛ فعند ذوبان مثل هذا المركب ترتبط كاتيونات الهيدروجين بجزيئات الماء مكونة H₃O⁺ (مثل HCl: H^δ+–Cl^δ− + H₂O ⟶ H₃O⁺ + Cl⁻)، أما ذرات الهيدروجين الأربع في الميثان CH₄ فمرتبطة بذرة الكربون بروابط C–H قطبية ضعيفة فلا يُعتبر حمضًا.

علّل: يُعتبر حمض الأستيك CH₃COOH أحادي البروتون رغم احتوائه على أربع ذرات هيدروجين (شكل 54).

إظهار الإجابة

لأن ثلاث ذرات هيدروجين متصلة بذرة الكربون بروابط قطبية ضعيفة فهي غير قابلة للتأين، وذرة واحدة فقط متصلة بذرة الأكسجين ذات السالبية الكهربائية الكبيرة فهي قابلة للتأين.

كيف ينتج NaOH؟ ولماذا يُستخدم في المنتجات المنزلية؟ وماذا يحدث للأيونات عند ذوبانه؟

إظهار الإجابة

2Na(s) + 2H₂O(l) ⟶ 2NaOH(aq) + H₂(g) · ولفعالية بعض القواعد في إزالة الأوساخ يُستخدم في تحضير منتجات منزلية لإزالة سدد البالوعات وتنظيفها · NaOH و KOH مواد صلبة أيونية تتفكك في الماء: NaOH(s) ⟶(H₂O) Na⁺(aq) + OH⁻(aq).

كيف تكوّن عناصر المجموعة 1A محاليل قاعدية؟

إظهار الإجابة

الصوديوم والبوتاسيوم فلزات قلوية تتفاعل مع الماء: 2Na + 2H₂O ⟶ 2NaOH + H₂ ، وتتفاعل أكاسيد الفلزات أيضًا مع الماء: Na₂O(s) + H₂O(l) ⟶ 2NaOH(aq).

علّل: يجب غسل المحاليل القاعدية المركزة عن الجلد بالماء بسرعة.

إظهار الإجابة

لأنها تسبب ألمًا شديدًا وتآكلًا للجلد نظرًا لخواصها الكاوية، ولا يلتئم الجرح الذي تسببه بسرعة.

علّل: محاليل Ca(OH)₂ و Mg(OH)₂ تكون دائمًا مخففة جدًا.

إظهار الإجابة

لأن هيدروكسيدات فلزات المجموعة 2A لا تذوب بسهولة في الماء؛ فالمحلول المشبع يحتوي على 0.175g فقط من Ca(OH)₂ لكل 100g ماء، و0.0009g فقط من Mg(OH)₂ (الأقل ذوبانية) لكل 100g ماء، ويكون تركيز أنيون الهيدروكسيد منخفضًا.

فقرة إثرائية: ارتباط الكيمياء بالكتب – الكيمياء تنقذ الكتب المفتتة

لماذا تتحلل الكتب المطبوعة منذ منتصف القرن التاسع عشر؟ وكيف تُعالج؟

إظهار الإجابة

تتحلل ببطء على رفوف المكتبات ويصبح ورقها رقيقًا ويتفتت بسهولة، بسبب حمضية الورق الناجمة عن غمره في العصور الماضية في محلول الشبّ (كبريتات الألومنيوم) الذي استُخدم منذ 150 عامًا لمنع الحبر من الامتداد (البُقع). ومن الطرق التي توصل إليها الكيميائيون: وضع الكتب في حجرة مفرغة من الهواء وإزالة معظم الرطوبة، ثم إدخال غاز ثنائي إيثيل الخارصين الذي يتغلغل في الصفحات المغلقة للكتب ويعادل تمامًا أي حمض موجود فيها.

3. أحماض وقواعد برونستد – لوري

ما أوجه قصور نظرية أرهينيوس؟

إظهار الإجابة

• محصورة بالمحاليل المائية، فلم تعطِ أي تفسير لحالة المحاليل غير المائية · • بعض المركبات لا تحتوي على مجموعات الهيدروكسيد وعند ذوبانها في الماء تنتج محاليل قاعدية مثل الأمونيا NH₃ (شكل 55) · • بعض الأملاح لا تكوّن محاليل متعادلة عند إذابتها في الماء، مثل NH₄Cl لا يحتوي على H⁺ لكنه ينتج محلولًا حمضيًا: NH₄⁺ + H₂O ⇌ H₃O⁺ + NH₃ ، و CH₃COONa لا يحتوي على OH⁻ لكنه ينتج محلولًا قاعديًا: CH₃COO⁻ + H₂O ⇌ OH⁻ + CH₃COOH.

لماذا لا تُصنّف الأمونيا كقاعدة تبعًا لتعريف أرهينيوس (شكل 55)؟

إظهار الإجابة

لأنها لا تحتوي على OH⁻ ؛ تذوب في الماء ويعطي الماء كاتيون هيدروجين لجزيء الأمونيا: NH₃ + H₂O ⟶ NH₄⁺ + OH⁻.

بمَ تتميز نظرية برونستد–لوري عن أرهينيوس في التأين؟ (شكل 56)

إظهار الإجابة

أرهينيوس اعتمد على نظريته ليزيل أي احتمال لمشاركة المذيب (الماء) في عملية التفكك، أما برونستد–لوري فتؤكد مشاركة المذيب؛ فكاتيونات الهيدرونيوم تنتج عن التفاعل بين غاز كلوريد الهيدروجين والماء (حمض الهيدروكلوريك في المختبر هو في الحقيقة محلول مائي لكلوريد الهيدروجين يكوّن كاتيونات الهيدرونيوم).

حدّد الحمض والقاعدة والأزواج المرافقة في HCl(g) + H₂O(l) ⟶ H₃O⁺(aq) + Cl⁻(aq).

إظهار الإجابة

HCl حمض (فقد بروتونًا) · H₂O قاعدة (استقبلت بروتونًا) · H₃O⁺ حمض مرافق (يمكن أن يفقد بروتونًا) · Cl⁻ قاعدة مرافقة (يمكن أن تستقبل بروتونًا).

كيف تفسّر نظرية برونستد–لوري تفكك الماء؟

إظهار الإجابة

جزيئات الماء يتصرف بعضها كحمض والبعض الآخر كقاعدة، فيكون للماء سلوك متردد: H₂O(l) (حمض) + H₂O(l) (قاعدة) ⇌ OH⁻(aq) (قاعدة مرافقة) + H₃O⁺(aq) (حمض مرافق).

كيف تُعرّف الأمونيا كقاعدة دون احتوائها على OH⁻؟

إظهار الإجابة

الفرق الرئيسي بين أرهينيوس وبرونستد–لوري هو تعريف القاعدة؛ ففي NH₃(g) (قاعدة، استقبلت بروتونًا) + H₂O(l) (حمض، فقد بروتونًا) ⇌ NH₄⁺(aq) (حمض مرافق) + OH⁻(aq) (قاعدة مرافقة)، بينما أهملت نظرية أرهينيوس هذه المركبات.

4. أحماض وقواعد لويس

كيف تتفاعل قاعدة لويس مع حمض لويس؟ مثّل.

إظهار الإجابة

حمض + قاعدة ⟵ مركب معقد (متراكب) · مثال: ثلاثي فلوريد البورون BF₃ (حمض يستقبل زوجًا من الإلكترونات الحرة) + ثنائي إيثيل إيثر (C₂H₅)₂O (قاعدة تفقد زوجًا من الإلكترونات الحرة) ⟶ ثلاثي فلوريد البورون الإيثيري (مركب معقد بتكوين رابطة تساهمية بين المتفاعلات).

بمَ تمتاز نظرية لويس عن نظريتي أرهينيوس وبرونستد–لوري؟

إظهار الإجابة

استخدم لويس مفهومًا أكثر عمومية بالنسبة إلى الحمض: المادة القادرة على أن تستقبل الإلكترونات التي تعطيها القاعدة، واستخدم زوجًا من الإلكترونات الحرة بدلًا من البروتون لتكوين الرابطة التساهمية؛ لذلك أضاف تعريف لويس عددًا من المركبات الأخرى التي تُسمّى أحماض لويس. وتمتاز قواعد لويس كلها بامتلاك زوج أو أكثر من الإلكترونات الحرة، وأحماض لويس بقدرتها على استقبال زوج أو أكثر من الإلكترونات.

مثال (1): الأمونيا وثلاثي فلوريد البورون

عرّف حمض لويس وقاعدة لويس في التفاعل NH₃ + BF₃ ⟶ H₃N–BF₃.

إظهار الإجابة

تعطي الأمونيا زوجًا من الإلكترونات ويستقبله ثلاثي فلوريد البورون؛ فالأمونيا قاعدة لويس، و BF₃ حمض لويس.

أسئلة تطبيقية وحلها

(١) هل تتوقع أن يكون PCl₃ حمض لويس أم قاعدة لويس؟ علّل.

إظهار الإجابة

قاعدة لويس؛ لأن لها زوجًا من الإلكترونات الحرة يمكنها أن تعطيه.

(٢) عرّف حمض لويس وقاعدة لويس في: (أ) H⁺ + H₂O ⟶ H₃O⁺ (ب) AlCl₃ + Cl⁻ ⟶ AlCl₄⁻.

إظهار الإجابة

(أ) H⁺ حمض لويس، H₂O قاعدة لويس · (ب) AlCl₃ حمض لويس، Cl⁻ قاعدة لويس.

مراجعة الدرس 1-1

(١) (أ) عرّف الأحماض والقواعد وفقًا لبرونستد–لوري (ب) ما مزايا هذه النظرية؟ عدّد خواص بعض المركبات مثل الأمونيا (ج) قارن بين أرهينيوس وبرونستد–لوري ولويس.

إظهار الإجابة

(أ) الحمض معطي بروتون H⁺ ، والقاعدة مستقبل بروتون · (ب) تفسّر سلوك المحاليل غير المائية، وقاعدية الأمونيا التي لا تحتوي OH⁻ (تستقبل بروتونًا من الماء فتنتج NH₄⁺ و OH⁻)، والأملاح الحمضية والقاعدية كـ NH₄Cl و CH₃COONa، وتؤكد مشاركة المذيب · (ج) انظر جدول (7): أرهينيوس (ينتج H⁺ / تنتج OH⁻) · برونستد–لوري (يعطي H⁺ / تستقبل H⁺) · لويس (يستقبل زوج إلكترونات / تعطي زوج إلكترونات)؛ ولويس الأعم.

(٢) ما الزوج المرافق من الحمض والقاعدة؟

إظهار الإجابة

حمض وقاعدة يختلفان ببروتون واحد: عندما يفقد الحمض بروتونه يتحول إلى قاعدة مرافقة، وعندما تستقبل القاعدة البروتون تصبح حمضًا مرافقًا.

(٣) اكتب معادلات تأين HNO₃ في الماء وتفاعل CO₃²⁻ مع الماء، وعرّف معطي ومستقبل البروتون، ثم سمّ الأزواج المرافقة.

إظهار الإجابة

HNO₃ + H₂O ⟶ H₃O⁺ + NO₃⁻ : HNO₃ معطي بروتون (حمض) والماء مستقبل (قاعدة)، والزوجان: HNO₃/NO₃⁻ و H₃O⁺/H₂O · CO₃²⁻ + H₂O ⇌ HCO₃⁻ + OH⁻ : الماء معطي بروتون و CO₃²⁻ مستقبل، والزوجان: HCO₃⁻/CO₃²⁻ و H₂O/OH⁻.

(٤) صنّف كأحماض أحادية أو ثنائية أو ثلاثية البروتون: (أ) H₂CO₃ (ب) H₃PO₄ (ج) HCl (د) H₂SO₄.

إظهار الإجابة

(أ) ثنائي (ب) ثلاثي (ج) أحادي (د) ثنائي؛ حسب عدد ذرات الهيدروجين القابلة للتأين (المرتبطة بذرة ذات سالبية كهربائية عالية).

الدرس 2-1: تسمية الأحماض والقواعد

الوحدة الثالثة · صفحات 107–111

الأهداف العامة والمدخل

ما هدف الدرس 2-1؟

إظهار الإجابة

يسمّي الحمض أو القاعدة عند إعطائه صيغة كل منهما الجزيئية.

لماذا تسبب لدغة بعض أنواع النمل تقرّحًا (شكل 57)؟

إظهار الإجابة

يلدغ بعض أنواع النمل عندما يشعر بالتهديد أو الاضطراب ويفرز مادة تحتوي على حمض الفورميك (HCOOH) لتسبيب الألم أو لقتل أعدائها، ويهاجم الإنسان أيضًا، ولدغته ليست مميتة لكن الحمض يسبب تقرحًا في جلد الإنسان كحدّ أقصى.

2.1 تسمية الأحماض الأكسجينية من خلال تحديد عدد تأكسد ذرة اللافلز

ما الصيغة العامة للحمض الأكسجيني؟ وما العنصر X؟

إظهار الإجابة

HₐXᵦO꜀ ، حيث a و b و c عدد ذرات الهيدروجين والعنصر X والأكسجين على التوالي. X عادة عنصر لافلزي، لكن يمكن أن يكون في بعض الأحيان عنصرًا فلزيًا من الفلزات الانتقالية بعدد تأكسد مرتفع مثل Cr⁺⁶ و Mn⁺⁶ و Mn⁺⁷ ؛ ولتسمية هذه الأحماض يجب معرفة أعداد التأكسد للعنصر X.

مثال (1)

ما أسماء الأحماض: H₂SO₄ و H₂SO₃ و HClO₄؟

إظهار الإجابة

H₂SO₄: n = (2 × 4 − 2)/1 = +6 ⇐ حمض الكبريتيك · H₂SO₃: n = (2 × 3 − 2)/1 = +4 ⇐ حمض الكبريتوز · HClO₄: n = (2 × 4 − 1)/1 = +7 ⇐ حمض البيركلوريك · فكلما كان عدد تأكسد X قليلًا ينتهي اسم الحمض باللاحقة «وز»، وكلما زاد ينتهي باللاحقة «يك» ويبدأ بالسابقة «بير».

2. القواعد

ما اسم المركب القاعدي Ca(OH)₂؟

إظهار الإجابة

هيدروكسيد الكالسيوم.

أسئلة تطبيقية وحلها

(١) اذكر أسماء: (أ) HF (ب) HNO₃ (ج) KOH (د) H₂SO₄.

إظهار الإجابة

(أ) حمض الهيدروفلوريك (ب) حمض النيتريك (ج) هيدروكسيد البوتاسيوم (د) حمض الكبريتيك.

(٢) اكتب الصيغ الجزيئية: (أ) حمض البروميك (ب) هيدروكسيد الحديد (II) (ج) حمض الهيدرويوديك (د) هيدروكسيد الليثيوم.

إظهار الإجابة

(أ) HBrO₃ (ب) Fe(OH)₂ (ج) HI (د) LiOH.

فقرة إثرائية: علاقة الكيمياء بالحياة اليومية – كُن حذرًا عند استعمال المبيّض!

لماذا يجب عدم مزج المبيّض مع منظفات المراحيض الحمضية؟

إظهار الإجابة

معظم المنظفات المنزلية والمبيضات محاليل من هيبوكلوريت الصوديوم NaClO(aq) الناتج من تفاعل غاز الكلور والمحلول القاعدي هيدروكسيد الصوديوم: Cl₂ + 2OH⁻ ⇌ ClO⁻ + Cl⁻ + H₂O ، وهو تفاعل عكسي تتحرك فيه ذرات الكلور باستمرار بين Cl₂ و ClO⁻ ، ولا يكون المحلول قاعديًا إلا إذا كان معظم الكلور على شكل ClO⁻. وعند مزج المبيّض مع محاليل حمضية تحتوي أحماضًا مثل H₃PO₄ يتفاعل H⁺ مع OH⁻ ما يؤدي إلى تفضيل التفاعل العكسي الذي يفضّل إنتاج مستويات خطرة من غاز الكلور Cl₂.

مراجعة الدرس 2-1

(١) اكتب الصيغة الجزيئية: (أ) هيدروكسيد الباريوم (ب) حمض الهيدروبروميك (ج) هيدروكسيد الروبيديوم (د) حمض الهيدروسيلينك.

إظهار الإجابة

(أ) Ba(OH)₂ (ب) HBr (ج) RbOH (د) H₂Se.

(٢) اذكر أسماء: (أ) HF (ب) HClO₃ (ج) H₂CO₃ (د) Al(OH)₃.

إظهار الإجابة

(أ) حمض الهيدروفلوريك (ب) حمض الكلوريك (n = +5) (ج) حمض الكربونيك (د) هيدروكسيد الألومنيوم.

١٠

الدرس 3-1: كاتيونات الهيدروجين والحموضة

الوحدة الثالثة · صفحات 112–123

الأهداف العامة والمدخل

ما هدف الدرس 3-1؟

إظهار الإجابة

يصنّف المحاليل إلى محلول متعادل أو محلول حمضي أو محلول قاعدي بحسب تركيز كاتيون الهيدروجين أو تركيز أنيون الهيدروكسيد (K_w و pH و pOH).

لماذا يُقاس pH دم مريض فاقد الوعي (شكل 58)؟ وما أهمية هذا النوع من الاختبارات؟

إظهار الإجابة

عند إحضار مريض فاقد الوعي تنبعث منه رائحة الفاكهة أثناء تنفّسه، يشك الأطباء أن فقدان الوعي ناتج عن مرض السكري، وللتأكد يجب إجراء اختبارات عديدة من بينها قياس حمضية دم المريض، ويُعبّر عن نتيجته بوحدات الأس الهيدروجيني pH وليس التركيز المولاري. وهو شائع جدًا في الأبحاث البيئية؛ يعتمد العلماء على معرفة pH لعيّنة من الماء مأخوذة من مجرى مائي أو مياه جوفية أو بحيرات أو مستنقعات أو مياه أمطار لتحديد درجة صلاحية الماء أو تلوّثه.

1. كاتيونات الهيدروجين من الماء

كيف ينتقل كاتيون الهيدروجين بين جزيئات الماء (شكل 59)؟

إظهار الإجابة

جزيئات الماء عالية القطبية وفي حركة مستمرة حتى عند درجة حرارة الغرفة، وتكون التصادمات في بعض الأحيان نشطة بين جزيئات الماء وذات طاقة تكفي لنقل كاتيون الهيدروجين من جزيء ماء إلى آخر؛ فجزيء الماء الذي يفقد H⁺ يصبح أنيون هيدروكسيد OH⁻ ، والذي يستقبله يصبح كاتيون هيدرونيوم H₃O⁺.

ماذا يُسمّي الكيميائيون أيونات الهيدروجين في المحلول المائي؟

إظهار الإجابة

في الماء أو في المحلول المائي ترتبط كاتيونات الهيدروجين دائمًا بجزيئات الماء على شكل كاتيونات هيدرونيوم، ويسميها الكيميائيون: أيونات الهيدروجين أو بروتونات أو كاتيونات هيدروجين أو كاتيونات هيدرونيوم.

ماذا يحدث عند زيادة تركيز أحد الأيونين؟ ولماذا؟

إظهار الإجابة

كلما ازداد تركيز H₃O⁺ في أي محلول مائي تناقص تركيز OH⁻ ، إذ يُطبّق مبدأ لوشاتليه: إذا أُضيفت أيونات (H₃O⁺ أو OH⁻) إلى المحلول تحدث إزاحة لموقع الاتزان ويقل تركيز النوع الآخر من الأيونات، فتتكون كمية أكبر من جزيئات الماء: H₃O⁺ + OH⁻ ⇌ 2H₂O.

فيمَ يختلف حمض الهيدروكلوريك عن غاز كلوريد الهيدروجين؟

إظهار الإجابة

ليست جميع المحاليل متعادلة؛ عند إذابة غاز كلوريد الهيدروجين في الماء تنطلق كاتيونات الهيدرونيوم ويتكون حمض الهيدروكلوريك: HCl(g) + H₂O(l) ⟶ H₃O⁺(aq) + Cl⁻(aq) أو HCl(g) ⟶(H₂O) H⁺(aq) + Cl⁻(aq) ، فيفوق تركيز H₃O⁺ تركيز OH⁻ الناتج من التأين الذاتي للماء.

اذكر أسماء الأحماض والقواعد الموضحة في الشكل (61).

إظهار الإجابة

(أ) HCl (حمض، يزيد تركيز H₃O⁺ عند إضافته إلى الماء) و NH₄OH (قاعدة، يزيد تركيز OH⁻) · (ب) يُستخدم حمض الهيدروكلوريك غير النقي المعروف بحمض المورياتيك لتنظيف المباني وأحواض السباحة · (ج) يُستخدم هيدروكسيد الصوديوم كمنظف للبالوعات.

مثال (1)

تركيز H₃O⁺ في محلول 1 × 10⁻⁵M عند 25°C. هل المحلول حمضي أم قاعدي أم متعادل؟ وما [OH⁻]؟

إظهار الإجابة

1 × 10⁻⁵ أكبر من 1 × 10⁻⁷ فالمحلول حمضي · [OH⁻] = K_w/[H₃O⁺] = 1 × 10⁻¹⁴/1 × 10⁻⁵ = 1 × 10⁻⁹M ، وهو أصغر من 1 × 10⁻⁷ كما هو متوقع.

أسئلة تطبيقية وحلها

(١) [OH⁻] لمحلول عند 25°C يساوي 1 × 10⁻³M. ما [H₃O⁺]؟ وهل المحلول حمضي أم قاعدي أم متعادل؟

إظهار الإجابة

[H₃O⁺] = 1 × 10⁻¹¹M ، قاعدي.

(٢) صنّف عند 25°C: (أ) [H₃O⁺] = 6 × 10⁻¹⁰M (ب) [OH⁻] = 3 × 10⁻²M (ج) [H₃O⁺] = 2 × 10⁻⁷M (د) [OH⁻] = 1 × 10⁻⁷M.

إظهار الإجابة

(أ) قاعدي (ب) قاعدي (ج) حمضي (د) متعادل.

2. مفهوم الأس الهيدروجيني pH

من اقترح مقياس pH؟ وما مداه؟

إظهار الإجابة

اقترحه العالم الدنماركي سورين سورنسن (1868–1939) عام 1909، ويُستخدم بدلًا من التركيز المولاري للتعبير عن تركيز كاتيون الهيدرونيوم. يتراوح بين 0 و14 عند 25°C؛ pH المحاليل المتعادلة 7، وتساوي صفرًا للمحاليل الحمضية القوية جدًا، و14 للمحاليل القاعدية القوية جدًا.

كيف تُعرف pH من تركيز H₃O⁺ بسهولة؟ وهل pH عدد صحيح دائمًا؟

إظهار الإجابة

إذا كُتب التركيز بتدوين علمي وكان المعامل يساوي الواحد الصحيح، يكون pH مساويًا للأس مع تغيير الإشارة من السالب إلى الموجب (1 × 10⁻²M ⇐ pH = 2) · ملاحظة: قد لا يكون pH عددًا صحيحًا؛ فـ pH لحليب المغنيسيا يساوي 10.5.

مثال (2)

ما تركيز H₃O⁺ لمحلول pH له 6؟

إظهار الإجابة

[H₃O⁺] = 10⁻ᵖᴴ = 10⁻⁶M (أو: −log[H₃O⁺] = 6 ⇐ log[H₃O⁺] = −6 ⇐ [H₃O⁺] = 10⁻⁶M).

أسئلة تطبيقية وحلها

(١) جد pH: (أ) [H₃O⁺] = 1 × 10⁻⁴M (ب) [H₃O⁺] = 0.0010M (ج) [H₃O⁺] = 1 × 10⁻⁹M.

إظهار الإجابة

(أ) 4 (ب) 3 (ج) 9.

(٢) ما [H₃O⁺] للمحاليل ذات pH: (أ) 4 (ب) 11 (ج) 8؟

إظهار الإجابة

(أ) 1 × 10⁻⁴M (ب) 1 × 10⁻¹¹M (ج) 1 × 10⁻⁸M.

مثال (3)

احسب pH عند 25°C لمحلول [OH⁻] فيه 4 × 10⁻¹¹M.

إظهار الإجابة

[H₃O⁺] = 1 × 10⁻¹⁴/4 × 10⁻¹¹ = 2.5 × 10⁻⁴M ⇐ pH = −log(2.5 × 10⁻⁴) = −log 2.5 − log 10⁻⁴ = −0.4 + 4 = 3.6 · معقول: [OH⁻] أقل من 1 × 10⁻⁷ فالمحلول حمضي، و pOH بين 10 و11 فـ pH أقل من 4 وأكبر من 3.

أسئلة تطبيقية وحلها

احسب pH: (أ) [H₃O⁺] = 5 × 10⁻⁶M (ب) [H₃O⁺] = 8.3 × 10⁻¹⁰M (ج) [OH⁻] = 4.3 × 10⁻⁵M (د) [OH⁻] = 2 × 10⁻⁵M.

إظهار الإجابة

(أ) 5.3 (ب) 9.08 (ج) 9.63 (د) 9.3.

مثال (4)

احسب تركيز H₃O⁺ لمحلول pH له 3.7.

إظهار الإجابة

[H₃O⁺] = 10⁻³·⁷ ؛ يصعب إيجاد لوغاريتم لقيمة سالبة وغير صحيحة فنستخدم الآلة الحاسبة (yˣ مع y = 10 و x = −3.7): 1.995 × 10⁻⁴ ، وبالتقريب 2 × 10⁻⁴M · معقول: يقع بين 1 × 10⁻³M (pH = 3) و 1 × 10⁻⁴M (pH = 4).

3. قياس الأس الهيدروجيني pH

ما وسائل قياس pH؟

إظهار الإجابة

للمحاليل ذات الحجوم الصغيرة: أدلة التعادل أو أشرطة قياس الأس الهيدروجيني أو جهاز قياس الأس الهيدروجيني.

(أ) كيف تعمل الأدلة الحمضية؟

اشرح عمل الدليل الحمضي HIn.

إظهار الإجابة

يتأين في الماء: HIn(aq) + H₂O(l) ⇌ H₃O⁺(aq) + In⁻(aq) ، تفاعل غير تام وعكسي يصل لحالة اتزان، K_HIn = [H₃O⁺][In⁻]/[HIn] · في الوسط الحمضي يزداد H₃O⁺ فيُزاح الاتزان في الاتجاه العكسي ويقل In⁻ ويزداد HIn فيظهر لون الحالة الحمضية (الجزيئات) · في الوسط القاعدي يزداد OH⁻ فيتحد مع H₃O⁺ مكونًا الماء فيقل H₃O⁺ ويُزاح الاتزان في الاتجاه الطردي فيقل HIn ويزداد In⁻ فيظهر لون الحالة القاعدية (الأيونات) (شكل 62).

صِف استجابة الأدلة في الشكل (62).

إظهار الإجابة

(أ) البروموثيمول الأزرق يتغير من الأصفر إلى الأزرق عند pH = 7 · (ب) الفينولفثالين يتغير من عديم اللون إلى الأرجواني عند pH = 9 · (ج) الميثيل الأحمر يتغير من الأحمر إلى الأصفر عند pH = 6.

(ب) مدى الدليل الحمضي

ما مدى دليل حمضي K_HIn = 1 × 10⁻⁵؟ وعلامَ يعتمد اختيار الدليل في المعايرة؟

إظهار الإجابة

pK_HIn = 5 ⇐ المدى من 4 إلى 6 · يعتمد على معرفة قيمة الأس الهيدروجيني عند نقطة التكافؤ.

ما دليل التعادل الذي تختاره لتتأكد من أن pH لمحلول التفاعل بين 3 و4؟

إظهار الإجابة

الميثيل البرتقالي (مداه 3.1 – 4.4).

مراجعة الدرس 3-1

(١) احسب pH: (أ) [H₃O⁺] = 1 × 10⁻⁶M (ب) [H₃O⁺] = 0.00010M (ج) [OH⁻] = 1 × 10⁻²M (د) [OH⁻] = 1 × 10⁻¹¹M.

إظهار الإجابة

(أ) 6 (ب) 4 (ج) pOH = 2 ⇐ pH = 12 (د) pOH = 11 ⇐ pH = 3.

(٢) ما [OH⁻] للمحاليل ذات pH: (أ) 6 (ب) 9 (ج) 12؟

إظهار الإجابة

(أ) pOH = 8 ⇐ 1 × 10⁻⁸M (ب) pOH = 5 ⇐ 1 × 10⁻⁵M (ج) pOH = 2 ⇐ 1 × 10⁻²M.

١١

الدرس 4-1: قوة الأحماض والقواعد

الوحدة الثالثة · صفحات 124–132

الأهداف العامة والمدخل

ما أهداف الدرس 4-1؟

إظهار الإجابة

١) يحسب ثابت تأين الحمض K_a من التركيز المولاري لكاتيون الهيدرونيوم وقياسات الأس الهيدروجيني · ٢) يرتّب قوى الأحماض تبعًا لثابت تأينها K_a · ٣) يرتّب قوى القواعد تبعًا لثابت تأينها K_b.

لماذا طعم الليمون والجريب فروت حامض (شكل 65)؟ ولماذا يحتاج التعامل مع بعض الأحماض إلى احتياطات؟

إظهار الإجابة

لاحتواء هذه الفواكه على حمض الستريك، ولا تضع النظارة الواقية أو ترتدي الملابس الواقية عند تحضير عصيرها مع أنك تتعامل مع أحماض، لكن هذا التصرف لا ينمّ عن قاعدة سلوكية؛ فبعض الأحماض تحتاج إلى احتياطات وتحذيرات معينة، مثل حمض الكبريتيك وهو مادة كيميائية صناعية تُستخدم بكثرة وتسبب حروقًا شديدة إذا تعرّض لها جلد الإنسان.

1. الأحماض والقواعد القوية والضعيفة

ما المعادلة العامة لتأين حمض في الماء؟ وما مؤشر قوته؟

إظهار الإجابة

HA(aq) + H₂O(l) ⟶ H₃O⁺(aq) + A⁻(aq) ، حيث HA الصيغة العامة للحمض و A⁻ الأنيون الناتج · ويُعتبر موضع الاتزان مؤشرًا لقوة الحمض: في الحمض القوي HCl يسري التفاعل عمليًا حتى النهاية، وفي الحمض الضعيف CH₃COOH يكون التفاعل في حالة اتزان لكن الاتجاه الغالب للاتزان باتجاه المواد المتفاعلة.

ما أضعف حمض في الجدول (13)؟ وما أضعف قاعدة؟

إظهار الإجابة

أضعف حمض: حمض البوريك H₃BO₃ (الأقرب إلى المحاليل المتعادلة) · أضعف قاعدة: الهيدرازين N₂H₄.

1.1 ثابت التأين للحمض K_a

استنتج تعبير K_a لحمض الأستيك.

إظهار الإجابة

CH₃COOH + H₂O ⇌ CH₃COO⁻ + H₃O⁺ ؛ K_eq = [H₃O⁺][CH₃COO⁻]/([H₂O][CH₃COOH]) · ويُعتبر تركيز الماء في المحاليل المخففة ثابتًا، فنضربه في K_eq: K_eq × [H₂O] = K_a = [H₃O⁺][CH₃COO⁻]/[CH₃COOH].

قارن تأين الأحماض القوية والضعيفة والضعيفة جدًا (شكل 66).

إظهار الإجابة

الحمض القوي يتأين بالكامل في الماء ويكون [H₃O⁺] عاليًا ويساوي التركيز الابتدائي لـ HA · الحمض الضعيف تأين متوسط، يظل HA غير متأين بكمية كبيرة و [H₃O⁺] منخفض · الحمض الضعيف جدًا تأين ضعيف. (مثال: قوي HCl ، ضعيف CH₃COOH ، ضعيف جدًا HCN أو H₃BO₃.)

أيهما أقوى: حمض النيتروز أم حمض الأستيك؟ ولماذا؟

إظهار الإجابة

K_a لحمض النيتروز 4.4 × 10⁻⁴ ولحمض الأستيك 1.8 × 10⁻⁵ ، فحمض النيتروز أكثر تأينًا في المحلول فهو أقوى.

كيف تتأين الأحماض ثنائية وثلاثية البروتون؟

إظهار الإجابة

تفقد ذرات الهيدروجين واحدة تلو الأخرى، ولا يتم تأين ذرات الهيدروجين بها في تفاعل واحد؛ لكل ذرة تفاعل منفصل عن الأخرى وثابت تأين خاص بها، فلحمض الفوسفوريك H₃PO₄ ثلاثة ثوابت تأين. ملاحظة: يكون الحمض في مرحلة التأين الأولى أقوى، وثابت تأين المرحلة الأولى أكبر.

ما قيمة ثابت التأين الثاني لحمض الفوسفوريك (من الجدول 14)؟

إظهار الإجابة

K_a2 = 6.2 × 10⁻⁸.

2.1 ثابت التأين للقاعدة K_b

صِف تأين الأمونيا في الماء.

إظهار الإجابة

NH₃(aq) + H₂O(l) ⇌ NH₄⁺(aq) + OH⁻(aq) ؛ يرجّح الاتزان حدوث التفاعل العكسي بشدة، وحوالى 1% فقط من الأمونيا تتواجد في صورة NH₄⁺ (الحمض المرافق للأمونيا)، وتكون تركيزات NH₄⁺ و OH⁻ منخفضة ومتساوية. ولا يمكن فصل مركب NH₄OH عن محاليل الأمونيا المائية، ويُشار إلى زجاجات المحلول المائي للأمونيا في المعامل بـ NH₄OH علمًا أن هذا المركب في حالة اتزان مع الأمونيا.

ما قيمة K_b للأمونيا؟ وماذا تعني القيم الصغيرة؟

إظهار الإجابة

1.8 × 10⁻⁵ (كما في نص الدرس)؛ والقواعد الضعيفة كالأمونيا قيم K_b لها صغيرة، وكلما قلّ مقدار K_b كانت القاعدة أضعف.

لماذا ليس للقواعد القوية ثابت تأين؟ وماذا عن Ca(OH)₂ و Mg(OH)₂؟

إظهار الإجابة

لأنها تتأين بالكامل إلى كاتيونات فلزية وأنيونات هيدروكسيد في محاليلها المائية · وبعض القواعد القوية مثل هيدروكسيد الكالسيوم وهيدروكسيد المغنيسيوم شحيحة الذوبان في الماء، لكن الكميات الصغيرة التي تذوب منها تتأين تمامًا.

فقرة إثرائية: ارتباط الكيمياء بالصحة – تآكل الأسنان

ما سبب تآكل الأسنان؟

إظهار الإجابة

يعود السبب الرئيس إلى حمض ضعيف يُعرف بحمض اللاكتيك C₃H₆O₃ ثابت تأينه K_a = 1.4 × 10⁻⁴ ، يتكوّن في الفم بتأثير نوع خاص من البكتيريا مثل الأستربتوكوكس ميوتنس على السكريات الموجودة في الطبقة اللاصقة على سطوح الأسنان. عند الظروف العادية يحفظ اللعاب تلك الطبقة عند pH = 6.8 ، وإذا وصل pH إلى 6 أو أعلى لا يتسبب ذلك بأي مشاكل، ولكن عندما يقلل حمض اللاكتيك pH تبدأ الطبقة الرقيقة على سطوح الأسنان بالتآكل وتنشأ بها الفراغات ويحدث النخر فيها، وقد يصل التآكل إلى عاج الأسنان ولبّ الأسنان الذي يحتوي على الأوعية الدموية والأعصاب، ما يؤدي إلى آلام في الأسنان.

3.1 التركيز والقوة

هل عصارة المعدة حمض قوي؟ وهل يمكن أن يكون محلول الأمونيا قاعدة قوية؟

إظهار الإجابة

حمض الهيدروكلوريك قوي لأنه يتأين بكامله، أما عصارة المعدة فهي محلول مخفف من حمض الهيدروكلوريك: هناك عدد قليل من جزيئات HCl في حجم معين لكن جميعها متأين؛ فإذا أُضيفت عينة من حمض قوي إلى حجم كبير من الماء فسوف تعطي محلولًا مخففًا ولكنه يبقى حمضًا قويًا · ويمكن تخفيف محاليل الأمونيا أو زيادة تركيزها، وبصفة عامة سوف تكون الأمونيا قاعدة ضعيفة سواء أكان محلولها مركزًا أم مخففًا لأن درجة تأينها صغيرة.

فقرة إثرائية: الكيمياء في خدمة البيئة – المطر الحمضي

ما المطر الحمضي؟ وما أضراره ومصادره؟

إظهار الإجابة

تتعرض مساحات شاسعة من الغابات للأذى، وتتعرض الأحجار المنقوشة القديمة لعوامل التعرية والتآكل ما أدى إلى اختفاء التفاصيل المنقوشة عليها، ويُعتبر المطر الحمضي السبب الوحيد لهذا الدمار. إن المطر حمضي بطبيعته ولا تسبب حموضته العادية أي مشاكل لأنها معتدلة نسبيًا والحيوانات والنباتات متأقلمة معها، لكن إذا قلّ pH للمطر المتساقط عن 5.6 تبدأ تأثيراته السلبية بالظهور؛ يسبب دمارًا شديدًا للمباني والدهانات والفلزات، ويزيل المواد الغذائية من التربة، وقد يهدد مباشرة صحة الإنسان. ينتج عندما تتصاعد غازات أكاسيد الكبريت SOₓ وأكاسيد النيتروجين NOₓ إلى الهواء الجوي؛ ورغم وجود مصادر طبيعية لهذه الملوثات مثل البراكين، تتولد معظمها من مصادر أساسها الإنسان مثل محطات توليد الكهرباء باستخدام الطاقة الحرارية المتولدة من الفحم وزيت البترول. تتحول غازات أكاسيد الكبريت في الجو إلى H₂SO₄ ، وأكاسيد النيتروجين إلى HNO₃ ، وفي النهاية تسقط تلك الأحماض على سطح الأرض مع قطرات مياه الأمطار أو مع رقائق الثلوج.

مثال (1)

يتأين CH₃COOH جزئيًا في محلول 0.1M ، وعند الاتزان [H₃O⁺] = [CH₃COO⁻] = 1.34 × 10⁻³M. احسب K_a.

إظهار الإجابة

كل جزيء يتأين يعطي H₃O⁺ وأنيون أسيتات، و [CH₃COOH] عند الاتزان = 0.1 − 1.34 × 10⁻³ = 0.0987M ⇐ K_a = (1.34 × 10⁻³)²/0.0987 = 1.82 × 10⁻⁵ ، تتلاءم مع القيمة لحمض ضعيف.

أسئلة تطبيقية وحلها

(١) احسب K_a لحمض الميثانويك HCOOH إذا كان [H₃O⁺] في محلول 0.1M يساوي 4.2 × 10⁻³M.

إظهار الإجابة

K_a = 1.84 × 10⁻⁴.

(٢) محلول حمض ضعيف أحادي البروتون 0.2M و [H₃O⁺] = 9.86 × 10⁻⁴M. (أ) ما pH؟ (ب) ما K_a؟

إظهار الإجابة

(أ) pH = 3 · (ب) K_a = 4.80 × 10⁻⁶.

مراجعة الدرس 4-1

(١) عرّف الحمض القوي والحمض الضعيف. بناءً على الجدول (14) أي الأحماض أقوى؟ وأيها أضعف؟

إظهار الإجابة

القوي يتأين تمامًا في الماء، والضعيف يتأين جزئيًا ويشكل حالة اتزان · الأقوى: حمض أوكساليك (K_a1 = 5.6 × 10⁻² الأكبر) · الأضعف: حمض الكربونيك (K_a1 = 4.3 × 10⁻⁷ الأصغر).

(٢) pH لمحلول حمض الأستيك أحادي الكلور CH₂ClCOOH بتركيز 0.18M يساوي 1.8. احسب K_a.

إظهار الإجابة

[H₃O⁺] = 10⁻¹·⁸ ≈ 1.58 × 10⁻²M ⇐ [HA] = 0.18 − 0.0158 ≈ 0.164M ⇐ K_a = (1.58 × 10⁻²)²/0.164 ≈ 1.5 × 10⁻³.

(٣) لحمض HA قيمة K_a صغيرة جدًا. كيف تقارن الكميات النسبية لـ HA و H₃O⁺ عند الاتزان؟

إظهار الإجابة

كمية HA غير المتأين أكبر بكثير من كمية H₃O⁺ (تأين ضعيف جدًا).

(٤) اكتب معادلات التأين في الماء لـ: (أ) حمض النيتريك (ب) حمض الأستيك (ج) الأمونيا (د) هيدروكسيد المغنيسيوم.

إظهار الإجابة

(أ) HNO₃ + H₂O ⟶ H₃O⁺ + NO₃⁻ · (ب) CH₃COOH + H₂O ⇌ H₃O⁺ + CH₃COO⁻ · (ج) NH₃ + H₂O ⇌ NH₄⁺ + OH⁻ · (د) Mg(OH)₂(s) ⟶(H₂O) Mg²⁺ + 2OH⁻.

(٥) قارن بين زوجي المصطلحات قوي/ضعيف ومركّز/مخفّف.

إظهار الإجابة

قوي/ضعيف يصف مدى تأين الحمض أو القاعدة (عدد الجزيئات المتأينة) · مركّز/مخفّف يصف كمية الحمض أو القاعدة الذائبة في حجم معين من المحلول؛ فقد يكون الحمض قويًا ومخففًا (عصارة المعدة) أو ضعيفًا ومركزًا (حمض الأستيك المركز).

م٣

مراجعة الوحدة الثالثة وأسئلة مراجعتها

الأحماض والقواعد · صفحات 133–139

خريطة مفاهيم الوحدة

نظّم مفاهيم الوحدة في خريطة.

إظهار الإجابة

نظريات الأحماض والقواعد: أرهينيوس · برونستد–لوري (معطي البروتون / مستقبل البروتون ← زوج حمض/قاعدة مرافق: حمض مرافق وقاعدة مرافقة) · لويس (مستقبل / معطي زوج إلكترونات) · الأحماض: ثنائية وأكسجينية · أحادية وثنائية وثلاثية البروتون · قوية وضعيفة (ثابت تأين الحمض) · القواعد: قوية وضعيفة (ثابت تأين القاعدة) · التأين الذاتي للماء ← ثابت تأين الماء ← محلول حمضي / متعادل / قاعدي ← الأس الهيدروجيني والأس الهيدروكسيدي ← يُقاس بدليل التعادل أو جهاز قياس الأس الهيدروجيني، ويُستخدم في المعايرة.

تحقق من فهمك

(١) أي قيمة pH هي الأكثر توقعًا لعصير الليمون: 6.1 ، 2 ، 7.9 ، 11؟

إظهار الإجابة

pH = 2 (حمضي، والجدول 11 يعطي عصير الليمون 3 تقريبًا، فأقرب القيم الحمضية هي 2).

(٢) اكتب الصيغ: (أ) حمض النيتروز (ب) هيدروكسيد الألومنيوم (ج) حمض الفوسفوريك (د) حمض الأستيك.

إظهار الإجابة

(أ) HNO₂ (ب) Al(OH)₃ (ج) H₃PO₄ (د) CH₃COOH.

(٣) اكتب معادلة توضح تأين الماء.

إظهار الإجابة

2H₂O(l) ⇌ H₃O⁺(aq) + OH⁻(aq).

(٤) ما تركيز كل من H₃O⁺ و OH⁻ في الماء النقي عند 25°C؟

إظهار الإجابة

1 × 10⁻⁷M لكل منهما.

(٥) كيف يُحسب pH لمحلول ما؟

إظهار الإجابة

pH = −log[H₃O⁺].

(٦) لماذا تساوي قيمة pH للماء النقي 7 عند 25°C؟

إظهار الإجابة

لأن [H₃O⁺] = [OH⁻] = 1 × 10⁻⁷M ، و −log(1 × 10⁻⁷) = 7.

(٧) كيف وصفت نظرية أرهينيوس الأحماض والقواعد؟

إظهار الإجابة

الأحماض مركبات تحتوي على هيدروجين وتتأين لتعطي H⁺ في المحلول المائي، والقواعد مركبات تتأين لتعطي OH⁻ في المحلول المائي.

(٨) حدّد حمض أو قاعدة أرهينيوس: (أ) Ca(OH)₂ (ب) HNO₃ (ج) KOH (د) C₂H₅COOH (هـ) HBr (و) H₂SO₄.

إظهار الإجابة

قواعد: (أ) و(ج) · أحماض: (ب) و(د) و(هـ) و(و).

(٩) حدّد إن كان كل حمض في السؤال (8) أحادي أو ثنائي أو ثلاثي البروتون.

إظهار الإجابة

HNO₃ أحادي · C₂H₅COOH أحادي (ذرة هيدروجين واحدة متصلة بالأكسجين) · HBr أحادي · H₂SO₄ ثنائي.

(١٠) حدّد معطي الهيدروجين (حمض) ومستقبله (قاعدة): (أ) HNO₃ + H₂O ⟶ H₃O⁺ + NO₃⁻ (ب) CH₃COOH + H₂O ⇌ H₃O⁺ + CH₃COO⁻ (ج) NH₃ + H₂O ⇌ NH₄⁺ + OH⁻ (د) H₂O + CH₃COO⁻ ⇌ CH₃COOH + OH⁻.

إظهار الإجابة

(أ) HNO₃ حمض، H₂O قاعدة · (ب) CH₃COOH حمض، H₂O قاعدة · (ج) H₂O حمض، NH₃ قاعدة · (د) H₂O حمض، CH₃COO⁻ قاعدة.

(١١) سمّ أزواج الحمض/القاعدة في كل معادلة من السؤال (10).

إظهار الإجابة

(أ) HNO₃/NO₃⁻ و H₃O⁺/H₂O · (ب) CH₃COOH/CH₃COO⁻ و H₃O⁺/H₂O · (ج) NH₄⁺/NH₃ و H₂O/OH⁻ · (د) CH₃COOH/CH₃COO⁻ و H₂O/OH⁻.

(١٢) ما حمض لويس؟ وما قاعدة لويس؟ ولماذا تُعتبر نظرية لويس أكثر شمولية؟

إظهار الإجابة

حمض لويس: مادة تستقبل زوجًا أو أكثر من الإلكترونات الحرة لتكوين رابطة تساهمية · قاعدة لويس: تعطي زوجًا من الإلكترونات الحرة · أشمل لأنها تعتمد على زوج الإلكترونات بدلًا من البروتون فتضم مركبات لا تحتوي على هيدروجين (مثل BF₃ و AlCl₃) ولا تشترط وجود الماء.

(١٣) حدّد إن كان كل مركب حمضًا أو قاعدة قوية أو ضعيفة: (أ) NaOH (ب) HCl (ج) NH₃ (د) H₂SO₄.

إظهار الإجابة

(أ) قاعدة قوية (ب) حمض قوي (ج) قاعدة ضعيفة (د) حمض قوي.

(١٤) لماذا يُعتبر Mg(OH)₂ و Ca(OH)₂ قاعدتين قويتين رغم أن محاليلهما المشبعة قاعدية معتدلة؟

إظهار الإجابة

لأنهما شحيحتا الذوبان في الماء، لكن الكميات الصغيرة التي تذوب منهما تتأين تمامًا.

(١٥) هل يمكن الحصول على محلول مركّز بكاتيونات الهيدرونيوم من حمض ضعيف؟ فسّر.

إظهار الإجابة

لا بالقدر نفسه؛ فيمكن تحضير محلول مركّز من الحمض الضعيف نفسه، لكنه يتأين جزئيًا فقط فيبقى تركيز H₃O⁺ صغيرًا مقارنة بتركيز الحمض (القوة تتعلق بالتأين لا بالتركيز).

(١٦) إذا صُنّفت مادة كقاعدة حسب برونستد–لوري، هل هي قاعدة حسب أرهينيوس أيضًا؟

إظهار الإجابة

ليس بالضرورة؛ فالأمونيا NH₃ قاعدة برونستد–لوري (تستقبل بروتونًا) لكنها لا تحتوي على OH⁻ فلا تُعد قاعدة بتعريف أرهينيوس.

(١٧) هل المادة الناتجة بعد أن يعطي الحمض H⁺ قاعدية أم حمضية؟

إظهار الإجابة

قاعدية؛ هي القاعدة المرافقة للحمض (يمكنها أن تستقبل البروتون).

(١٨) HPO₄²⁻ من مكونات الدم التي تحافظ على ثبات pH. (أ) اكتب معادلتي سلوكه كحمض وكقاعدة (ب) هل يمكن تسميته مادة مترددة؟

إظهار الإجابة

(أ) كحمض: HPO₄²⁻ + H₂O ⇌ H₃O⁺ + PO₄³⁻ · كقاعدة: HPO₄²⁻ + H₂O ⇌ H₂PO₄⁻ + OH⁻ · (ب) نعم، لأنه يعطي البروتون ويستقبله (كالماء).

(١٩) تُضاف كميات من حمض الستريك في صناعة الصابون قبل وضعه في القوالب. هل المقصود زيادة pH أم إنقاصه؟

إظهار الإجابة

إنقاصه؛ لأن الصابون قاعدي وإضافة الحمض تقلل قاعديته.

(٢٠) اكتب معادلة تأين HCOOH في الماء وأشر إلى الأزواج المرافقة.

إظهار الإجابة

HCOOH + H₂O ⇌ H₃O⁺ + HCOO⁻ ؛ الزوجان: HCOOH/HCOO⁻ و H₃O⁺/H₂O.

(٢١) اكتب المعادلة التي تظهر أن HClO₃ حمض أرهينيوس في الماء.

إظهار الإجابة

HClO₃(aq) ⟶(H₂O) H⁺(aq) + ClO₃⁻(aq) (أو HClO₃ + H₂O ⟶ H₃O⁺ + ClO₃⁻).

(٢٢) إذابة 2mol HCl في 1L ماء أعطت 2mol H₃O⁺ و2mol Cl⁻. حدّد نوعه.

إظهار الإجابة

حمض قوي؛ لأنه تأين تمامًا (كل مول HCl أعطى مول H₃O⁺).

(٢٣) إذابة 1mol من X(OH)₃ في 1L ماء أعطت 3 × 10⁻¹¹mol OH⁻. حدّد نوعه.

إظهار الإجابة

[OH⁻] = 3 × 10⁻¹¹ < 1 × 10⁻⁷ فالمحلول حمضي: [H₃O⁺] = 1 × 10⁻¹⁴/3 × 10⁻¹¹ ≈ 3.3 × 10⁻⁴M ، وهو أقل بكثير من 1M ؛ فالجزيء حمض ضعيف (تأين جزئي).

اختبر مهاراتك

(١) احسب pH وحدّد حمض أم قاعدة: (أ) [H₃O⁺] = 1 × 10⁻²M (ب) [OH⁻] = 1 × 10⁻²M (ج) [OH⁻] = 1 × 10⁻⁸M (د) [H₃O⁺] = 1 × 10⁻⁶M.

إظهار الإجابة

(أ) 2 حمض (ب) 12 قاعدة (ج) 6 حمض (د) 6 حمض.

(٢) ما [OH⁻] للمحاليل ذات pH: (أ) 4 (ب) 8 (ج) 12؟

إظهار الإجابة

(أ) 1 × 10⁻¹⁰M (ب) 1 × 10⁻⁶M (ج) 1 × 10⁻²M.

(٣) احسب pH أو [H₃O⁺]: (أ) [H₃O⁺] = 2.4 × 10⁻⁶M (ب) [H₃O⁺] = 9.1 × 10⁻⁹M (ج) pH = 13.2 (د) pH = 6.7.

إظهار الإجابة

(أ) pH ≈ 5.62 (ب) pH ≈ 8.04 (ج) [H₃O⁺] ≈ 6.3 × 10⁻¹⁴M (د) [H₃O⁺] ≈ 2 × 10⁻⁷M.

(٤) مشروب غازي pH له 3.8. ما تركيز H₃O⁺ فيه؟

إظهار الإجابة

10⁻³·⁸ ≈ 1.6 × 10⁻⁴M.

(٥) اكتب معادلة تأين: (أ) هيدروكسيد البوتاسيوم (ب) هيدروكسيد المغنيسيوم.

إظهار الإجابة

(أ) KOH(s) ⟶(H₂O) K⁺(aq) + OH⁻(aq) · (ب) Mg(OH)₂(s) ⟶(H₂O) Mg²⁺(aq) + 2OH⁻(aq).

(٦) اكتب تعبير K_a (لذرة هيدروجين واحدة): (أ) HF (ب) H₂CO₃.

إظهار الإجابة

(أ) K_a = [H₃O⁺][F⁻]/[HF] · (ب) K_a = [H₃O⁺][HCO₃⁻]/[H₂CO₃].

(٧) محلول KHCrO₄ تركيزه 0.25M و pH له 3.5. ما ثابت تأين الحمض؟

إظهار الإجابة

[H₃O⁺] = 10⁻³·⁵ ≈ 3.16 × 10⁻⁴M ⇐ K_a ≈ (3.16 × 10⁻⁴)²/0.25 ≈ 4.0 × 10⁻⁷.

(٨) اكتب صيغة الحمض المرافق واسمه لكل قاعدة: (أ) ClO₂⁻ (ب) H₂O (ج) H₂PO₄⁻ (د) NH₃.

إظهار الإجابة

(أ) HClO₂ حمض الكلوروز (ب) H₃O⁺ كاتيون الهيدرونيوم (ج) H₃PO₄ حمض الفوسفوريك (د) NH₄⁺ كاتيون الأمونيوم.

(٩) يتأين 1.4% فقط من محلول 0.8M لحمض ضعيف. احسب K_a.

إظهار الإجابة

[H₃O⁺] = 0.8 × 0.014 = 0.0112M ، [HA] = 0.7888M ⇐ K_a = (0.0112)²/0.7888 ≈ 1.6 × 10⁻⁴.

(١٠) احسب [OH⁻] أو pH: (أ) pH = 4.6 (ب) pH = 9.30 (ج) [OH⁻] = 1.8 × 10⁻²M (د) [OH⁻] = 7.3 × 10⁻⁹M.

إظهار الإجابة

(أ) pOH = 9.4 ⇐ [OH⁻] ≈ 4.0 × 10⁻¹⁰M · (ب) pOH = 4.7 ⇐ [OH⁻] ≈ 2.0 × 10⁻⁵M · (ج) pH ≈ 12.26 · (د) pH ≈ 5.86.

(١١) اكتب المعادلات الثلاث لتأين ذرات الهيدروجين في حمض الفوسفوريك.

إظهار الإجابة

H₃PO₄ ⇌ H⁺ + H₂PO₄⁻ · H₂PO₄⁻ ⇌ H⁺ + HPO₄²⁻ · HPO₄²⁻ ⇌ H⁺ + PO₄³⁻.

(١٢) حدّد الحمض والقاعدة (برونستد–لوري): (أ) KOH + CH₃COOH ⟶ CH₃COOK + H₂O (ب) HClO + H₂O ⟶ ClO⁻ + H₃O⁺.

إظهار الإجابة

(أ) CH₃COOH حمض، KOH (أنيون OH⁻) قاعدة · (ب) HClO حمض، H₂O قاعدة.

(١٣) أثبت العلاقة pOH + pH = 14.

إظهار الإجابة

K_w = [H₃O⁺][OH⁻] = 1 × 10⁻¹⁴ ⇐ −log([H₃O⁺][OH⁻]) = −log 10⁻¹⁴ ⇐ (−log[H₃O⁺]) + (−log[OH⁻]) = 14 ⇐ pH + pOH = 14.

(١٤) يتغير K_w بتغير الحرارة: 0°C: 1.137 × 10⁻¹⁵ · 10°C: 2.917 × 10⁻¹⁵ · 20°C: 6.807 × 10⁻¹⁵ · 30°C: 1.469 × 10⁻¹⁴ · 40°C: 2.917 × 10⁻¹⁴ · 50°C: 5.470 × 10⁻¹⁴. (أ) احسب pH للماء لكل درجة وارسم العلاقة (ب) قدّر pH عند 15°C (ج) عند أي درجة يساوي pH للماء 6.85 تقريبًا؟

إظهار الإجابة

في الماء النقي [H₃O⁺] = √K_w: (أ) 0°C: 7.47 · 10°C: 7.27 · 20°C: 7.08 · 30°C: 6.92 · 40°C: 6.77 · 50°C: 6.63 (يتناقص pH بارتفاع الحرارة) · (ب) حوالى 7.17 · (ج) حوالى 35°C.

(١٥) حدّد الأحماض والقواعد وأرفقها بالمرافق: (أ) NH₃ + HF ⇌ NH₄⁺ + F⁻ (ب) CN⁻ + H₂O ⇌ HCN + OH⁻ (ج) H₂PO₄⁻ + CO₃²⁻ ⇌ HCO₃⁻ + HPO₄²⁻.

إظهار الإجابة

(أ) HF حمض ← F⁻ قاعدته المرافقة · NH₃ قاعدة ← NH₄⁺ حمضها المرافق · (ب) H₂O حمض ← OH⁻ · CN⁻ قاعدة ← HCN · (ج) H₂PO₄⁻ حمض ← HPO₄²⁻ · CO₃²⁻ قاعدة ← HCO₃⁻.

(١٦) احسب pH لمحلول HNO₃ تركيزه 0.08M.

إظهار الإجابة

حمض قوي: [H₃O⁺] = 0.08M ⇐ pH ≈ 1.1.

(١٧) احسب [H₃O⁺] في عصير pH له 4.2.

إظهار الإجابة

10⁻⁴·² ≈ 6.3 × 10⁻⁵M.

(١٨) احسب [H₃O⁺] في محلول [OH⁻] فيه 1.6 × 10⁻²M.

إظهار الإجابة

1 × 10⁻¹⁴/1.6 × 10⁻² = 6.25 × 10⁻¹³M.

(١٩) احسب [H₃O⁺] لمحلول HCl تركيزه 0.2M.

إظهار الإجابة

0.2M (حمض قوي يتأين تمامًا).

(٢٠) احسب pH لمحلول NaOH تركيزه 0.01M.

إظهار الإجابة

[OH⁻] = 0.01M ⇐ pOH = 2 ⇐ pH = 12.

(٢١) احسب pH و K_a لمحلول CH₃COOH تركيزه 0.01M و [H₃O⁺] عند الاتزان 4.2 × 10⁻⁴M.

إظهار الإجابة

pH ≈ 3.38 · K_a = (4.2 × 10⁻⁴)²/(0.01 − 0.00042) ≈ 1.84 × 10⁻⁵.

مشاريع الوحدة

ما مشاريع الوحدة الثالثة؟

إظهار الإجابة

(١) صمّم تجربة لتعيين pH لمنتجات التنظيف المنزلية المختلفة، وضّح في جدول المواد النشطة في كل منظف وتوقع إن كان حمضًا أو قاعدة، وبعد موافقة المعلم قِس pH لها لترى إن كانت توقعاتك صحيحة · (٢) تنشأ بعض الكهوف عندما تذوب ترسيبات الحجر الجيري تحت سطح الأرض وقد تجف ويصبح الكهف كبيرًا بعد سنين عديدة إذا كانت الصخور الفوقية ثابتة؛ أجرِ بحثًا لمعرفة أي حمض يمكن أن يذيب الحجر الجيري وما مصدر هذا الحمض.

★

ملاحق الكتاب: ثوابت التأين والجدول الدوري

صفحات 141–143

✎

اختبر نفسك

اختر الإجابة وسيظهر الصواب فورًا

النتيجة: 0 / 0

★ نصائح ليلة الاختبار

١) قوانين الغازات (والحرارة دائمًا بالكلفن T = °C + 273): بويل P₁V₁ = P₂V₂ · تشارلز V₁/T₁ = V₂/T₂ · جاي–لوساك P₁/T₁ = P₂/T₂ · الموحد P₁V₁/T₁ = P₂V₂/T₂ · الغاز المثالي PV = nRT مع R = 8.31kPa.L/mol.K · دالتون P_T = P₁ + P₂ + … · STP: 273K و101.3kPa والحجم المولي 22.4L.
٢) الاتزان: K_eq = [النواتج]^المعاملات ÷ [المتفاعلات]^المعاملات (دون المواد الصلبة والماء السائل) · K_eq > 1 النواتج مفضلة · لوشاتليه: يُزاح الاتزان بعكس التغير · K_eq تتغير بالحرارة فقط · المحفز لا يغير موضع الاتزان.
٣) التلقائية: ΔH سالبة وΔS موجبة ⇐ تلقائي دائمًا · ΔH موجبة وΔS سالبة ⇐ غير تلقائي دائمًا · غير ذلك يعتمد على الحرارة · الغاز > السائل > الصلب في الإنتروبي.
٤) الأحماض والقواعد: K_w = 1 × 10⁻¹⁴ · pH = −log[H₃O⁺] · pOH = −log[OH⁻] · pH + pOH = 14 · K_a = [H₃O⁺][A⁻]/[HA] · pK_a = −log K_a · مدى الدليل pK_HIn ± 1 · التسمية: هيبو…وز (+1) · …وز (+3/+4) · …يك (+5/+6) · بير…يك (+7) · n = (2c − a)/b.
٥) في «علّل» اربط بالنظرية: النظرية الحركية للغازات، ونظرية التصادم لسرعة التفاعل، ومبدأ لوشاتليه للاتزان، وقانون الفوضى للتلقائية، وفرّق دائمًا بين «قوي/ضعيف» (التأين) و«مركّز/مخفّف» (الكمية).