العلوم الفيزيائية والتكنولوجيا

المادة وتحولاتها (ب): التحولات الكيميائية في المحاليل الشاردية التفاعلات الكيميائية في المحاليل الشاردية

انحفاظ المادة والشحنة — المعادلة الكيميائية وكتابتها

🔊 المعلّمة تقرأ لك

نضع قطعة طباشير وقليلا من الخلّ في دورق زجاجي، ونسدّ عنقه ببالون مطاطي، ونضع الجملة كلّها على ميزان. تنطلق فقاعات وينتفخ البالون: شيء جديد قد وُلد داخل الدورق. هل تزيد كتلة ما في الدورق أم تنقص أم تبقى كما هي؟

🎓في نهاية هذا الدرس ستكون قادرا على:

التعبير عن قانون لافوازي وتطبيقه على تحوّل يحدث في وسط مغلق
شرح معنى انحفاظ المادة بأنّه انحفاظ الذرّات عددا ونوعا
التعبير عن انحفاظ الشحنة الكهربائية بين المتفاعلات والنواتج
استعمال رموز الحالة الفيزيائية في كتابة المعادلة الكيميائية
موازنة معادلة كيميائية بطريقة المحاولة والخطأ دون تغيير الصيغ

🔑يفترض هذا الدرس أنّك تتقن:

قراءة صيغة كيميائية ومعرفة عدد ذرّات كلّ عنصر فيها
أنّ بعض الغازات توجد على شكل جزيئات ثنائية الذرّة
أنّ الشاردة تحمل شحنة كهربائية موجبة أو سالبة

📌التجربة: وزن جملة قبل التفاعل وبعده

🧭الهدف: معرفة ما يحدث لكتلة جملة كيميائية أثناء تحوّل يجري في وسط مغلق.

🧰الأدوات:

ميزان إلكتروني
دورق زجاجي
بالون مطاطي
قطعة طباشير
خلّ

📌التجربة:

نضع الخلّ في الدورق الزجاجي، ونضع قطعة الطباشير داخل البالون المطاطي.
نركّب البالون على عنق الدورق ونثنيه على الجانب حتى لا تسقط الطباشير.
نضع الجملة كلّها على الميزان ونسجّل ما تعرضه الشاشة قبل التفاعل.
نرفع البالون لتسقط قطعة الطباشير في الخلّ، ونترك التفاعل يتمّ.
نقرأ ما تعرضه الشاشة بعد التفاعل، والجملة ما تزال على الميزان.

🔍الملاحظة: تصعد فقاعات في السائل وينتفخ البالون بالغاز المنطلق، وهو ثنائي أكسيد الكربون. أمّا شاشة الميزان فتعرض العدد نفسه قبل التفاعل وبعده.

ميزانان يحملان نفس التركيب قبل التفاعل وبعده، وشاشتاهما تظهران العدد نفسه — البالون يحبس الغاز داخل الجملة: لا شيء يخرج، فلا شيء ينقص من الشاشة

خلال تفاعل كيميائي يحدث في وسط مغلق — وسط يكون فيه التبادل مع الوسط الخارجي مستحيلا — تكون كتلة المتفاعلات مساوية لكتلة النواتج.

قانون لافوازي

قانون لافوازي: «لا شيء يستحدث ولا شيء يضيع، كلّ ما يحدث هو تحوّل أو إعادة ترتيب».

لو تركنا الدورق مفتوحا لخرج الغاز إلى الهواء، ولقرأنا على الشاشة عددا أصغر. لا تستنتج من ذلك أنّ المادّة ضاعت: هي خرجت من الجملة التي نزنها فقط. لهذا شرط الوسط المغلق ليس تفصيلا في التجربة، بل هو التجربة نفسها.

انحفاظ المادة يعني انحفاظ الذرّات

إذا لم تضع أيّ مادّة، فما الذي بقي بالضبط؟ بقيت الذرّات: نجد في النواتج نفس الذرّات الموجودة في المتفاعلات، بنفس العدد ونفس النوع. لم يتغيّر إلّا ترتيبها. خذ مثالا احتراق غاز الميثان:

احتراق الميثان في ثنائي الأكسجين

CH₄ + 2O₂ → CO₂ + 2H₂O

ميزان بكفّتين متوازنتين، على كلّ كفّة نماذج جزيئية — نفس الذرّات في الكفّتين: ذرّة رمادية واحدة، أربع بيضاء وأربع حمراء — ترتيبها وحده تغيّر

عُدّ بنفسك: ذرّة كربون واحدة في الطرفين، وأربع ذرّات هيدروجين في الطرفين، وأربع ذرّات أكسجين في الطرفين. هذا هو انحفاظ المادّة، مقروءا ذرّة ذرّة.

انحفاظ الشحنة الكهربائية

وفي المحاليل الشاردية يُضاف إلى انحفاظ المادّة انحفاظ آخر: خلال التفاعل الكيميائي تبقى الشحنة محفوظة، أي أنّ مجموع الشحنات الكهربائية قبل التفاعل يساوي مجموع الشحنات الكهربائية بعده.

انحفاظ الشحنة في تفاعل الحديد مع شوارد النحاس الثنائي

ذرّة الحديد متعادلة وشاردة النحاس تحمل شحنتين موجبتين قبل التفاعل، وشاردة الحديد تحمل شحنتين موجبتين وذرّة النحاس متعادلة بعده.

0 + (+2) = (+2) + 0

للتحقّق من معادلة في محلول شاردي، أجرِ دائما عدّتين لا واحدة: عدّ الذرّات أوّلا، ثمّ اجمع الشحنات في كلّ طرف. معادلة تنجح في الأولى وتفشل في الثانية تبقى خاطئة.

المعادلة الكيميائية

تعتبر المعادلة الكيميائية طريقة مثالية لوصف التفاعل الكيميائي بالرموز، ووصف الظروف التي تمّ فيها التفاعل، ووصف الحالة الفيزيائية للمتفاعلات والنواتج.

وتُكتب الحالة الفيزيائية بين قوسين، في أسفل يمين الصيغة:

رموز الحالة الفيزيائية

الحالة الفيزيائية	رمزها
غاز	⁦(g)⁩
سائل	⁦(l)⁩
صلب	⁦(s)⁩
محلول مائي	⁦(aq)⁩

أربعة رموز تخدمك في كلّ معادلات هذا الباب

كيف نكتب معادلة كيميائية بصورة صحيحة؟

🎯تعليمات

معرفة المواد المتفاعلة والمواد الناتجة.
معرفة الرموز الصحيحة للعناصر والصيغ الكيميائية للمركّبات المتفاعلة والناتجة.
معرفة رموز الحالة الفيزيائية.
مراعاة قانون حفظ المادّة عند موازنة المعادلة.

شاردة ألومنيوم موجبة بثلاث شحنات وشاردة أكسجين سالبة بشحنتين، وسهمان متقاطعان يعطيان الصيغة Al₂O₃. — في أكسيد الألومنيوم شاردتا ألومنيوم وثلاث شوارد أكسجين: ستّ شحنات موجبة وستّ سالبة

مثال 1: معادلة تفاعل الألومنيوم مع غاز الأكسجين

يتفاعل معدن الألومنيوم مع غاز الأكسجين فينتج أكسيد الألومنيوم الصلب. فالمتفاعلان: الألومنيوم وغاز الأكسجين، والناتج: أكسيد الألومنيوم.

🎯المطلوب: اكتب معادلة موزونة تمثّل هذا التفاعل، مع رموز الحالة الفيزيائية.

🔹الخطوة 1: كتابة المعادلة بالرموز

الألومنيوم معدن فيُكتب بذرّات مستقلّة بلا أرقام، والأكسجين يوجد على شكل جزيئات ثنائية الذرّة. وفي أكسيد الألومنيوم تتقاطع الشحنتان: ثلاث موجبة للألومنيوم واثنتان سالبة للأكسجين.

Al + O₂ → Al₂O₃

🔹الخطوة 2: عدّ ذرّات الألومنيوم

نعدّ ذرّات الألومنيوم في الطرفين: واحدة على اليسار مقابل اثنتين على اليمين.

Al : 1 ≠ 2

🔹الخطوة 3: عدّ ذرّات الأكسجين

ثمّ ذرّات الأكسجين: اثنتان مقابل ثلاث.

O : 2 ≠ 3

🔹الخطوة 4: وضع المعاملات

نوازن بوضع معاملات على يسار الصيغ. أصغر مضاعف مشترك لعدد ذرّات الأكسجين هو ستّة، فنأخذ ثلاثة جزيئات أكسجين ووحدتين من الأكسيد — فأكسيد الألومنيوم شارديّ لا جزيئات فيه — ثمّ نصلح الألومنيوم بأربع ذرّات.

4Al + 3O₂ → 2Al₂O₃

🔹الخطوة 5: التحقّق من الألومنيوم

نتحقّق من الألومنيوم: أربع ذرّات على اليسار، ووحدتان من الأكسيد في كلٍّ منهما ذرّتان.

4 = 2 × 2

🔹الخطوة 6: التحقّق من الأكسجين

ثمّ من الأكسجين: ثلاثة جزيئات ثنائية الذرّة، ووحدتان من الأكسيد في كلٍّ منهما ثلاث ذرّات.

3 × 2 = 2 × 3

✅النّتيجة

نضيف أخيرا رموز الحالة الفيزيائية.

4Al(s) + 3O₂(g) → 2Al₂O₃(s)

أثناء الموازنة لا يجوز تغيير الصيغ الكيميائية للمواد أبدا. المعامل يوضع على يسار الصيغة، ولا يُلمس أيّ رقم داخلها: تغيير الصيغة يعني تغيير المادّة نفسها.

أربع أراجيح: اثنتان مائلتان قبل الموازنة واثنتان أفقيّتان بعدها — الموازنة ليست زينة: قبلها الكفّتان لا تتساويان، وبعدها يستقيم العدّ في الطرفين

تسمّى الموازنة بهذه الطريقة — نجرّب معاملا، فيختلّ عنصر آخر، فنعود ونصلحه — طريقة المحاولة والخطأ. وأنت الآن تعرف سبب هذه التسمية.

مثال 2: موازنة تفاعل المغنيزيوم مع غاز الأكسجين

يحترق شريط المغنيزيوم في غاز الأكسجين فينتج أكسيد المغنيزيوم.

🎯المطلوب: اكتب المعادلة الموزونة، ثمّ تحقّق من عدد الذرّات في الطرفين.

🔹الخطوة 1: كتابة المعادلة بالرموز

المغنيزيوم معدن يُكتب بذرّات مستقلّة، والأكسجين جزيء ثنائي الذرّة، وفي الأكسيد ذرّة مقابل ذرّة.

Mg + O₂ → MgO

🔹الخطوة 2: عدّ ذرّات الأكسجين

جزيء الأكسجين يحمل ذرّتين، والأكسيد ذرّة واحدة: العدّ لا يستقيم.

O : 2 ≠ 1

✅النّتيجة

نضاعف الأكسيد فيصير فيه ذرّتا أكسجين، فيختلّ المغنيزيوم، فنضاعفه بدوره. ونتحقّق من العنصرين معا: ذرّتا مغنيزيوم وذرّتا أكسجين في كلّ طرف — العدّ يستقيم.

2Mg + O₂ → 2MgO

جرد الذرّات قبل التفاعل وبعده: كريتان برتقاليتان وكريتان زرقاوان في الحالتين — العدّ حبّة حبّة يثبت الموازنة أحسن من أيّ حساب

مثال 3: كتابة حصيلة تفاعل بثلاث صيغ

نغمس صفيحة من الحديد في محلول كبريتات النحاس، فتترسّب عليها ذرّات النحاس وتظهر في المحلول شوارد الحديد الثنائي.

🎯المطلوب: اكتب معادلة هذا التفاعل بالصيغة الجزيئية، ثمّ بالصيغة الشاردية، ثمّ اختصرها.

🔹الخطوة 1: بالصيغة الجزيئية

في الصيغة الجزيئية نكتب المركّبات كما تُسمّى، دون إظهار شواردها.

Fe(s) + CuSO₄(aq) → FeSO₄(aq) + Cu(s)

🔹الخطوة 2: بالصيغة الشاردية

وفي الصيغة الشاردية نُظهر الأفراد الموجودة فعلا في المحلول، وهي شوارد.

Fe(s) + (Cu²⁺ + SO₄²⁻)(aq) → (Fe²⁺ + SO₄²⁻)(aq) + Cu(s)

🔹الخطوة 3: تحديد الفرد المتفرّج

شاردة الكبريتات هي نفسها في الطرفين: لم تشارك في التفاعل، فيمكن الاستغناء عنها.

SO₄²⁻ → SO₄²⁻

✅النّتيجة

نحذفها من الطرفين فتبقى المعادلة المختصرة.

Fe(s) + Cu²⁺(aq) → Fe²⁺(aq) + Cu(s)

الصيغ الثلاث تصف التفاعل نفسه، ولا تتناقض. الجزيئية أقصر، والشاردية أصدق لأنّها تُظهر ما في المحلول، والمختصرة أوضح لأنّها لا تحتفظ إلّا بما تفاعل فعلا.

المصطلحات العلمية

العربية	français	english
انحفاظ الكتلة	Conservation de masse	Mass conservation
انحفاظ الشحنة الكهربائية	Conservation de la charge électrique	Electric charge conservation

بثلاث لغات، كما تَرِد في نهاية الباب

✅الخلاصة

في وسط مغلق، كتلة المتفاعلات تساوي كتلة النواتج.
انحفاظ المادّة هو انحفاظ الذرّات عددا ونوعا؛ الترتيب وحده يتغيّر.
مجموع الشحنات قبل التفاعل يساوي مجموعها بعده.
الموازنة توضع بمعاملات على يسار الصيغ، ولا تُغيَّر الصيغ أبدا.

🎓 نحو شهادة التّعليم المتوسّط. يأتي هذا الدرس في سؤال «وازن المعادلة الكيميائية»، أو «فسّر لماذا لم تتغيّر الكتلة»، أو «تحقّق من انحفاظ الشحنة في المعادلة». ثلاثة عناصر جاهزة: ① قانون لافوازي: في وسط مغلق تبقى كتلة المتفاعلات مساوية لكتلة النواتج، لأنّ الذرّات تنحفظ عددا ونوعا ② انحفاظ الشحنة: مجموع الشحنات في الطرفين واحد، مثل ⁦0 + (+2) = (+2) + 0⁩ ③ الكتابة الصحيحة: رموز الحالة الفيزيائية، والموازنة بالمعاملات أمام الصيغ: ⁦CH₄ + 2O₂ → CO₂ + 2H₂O⁩. ⛔ والخطأ الشائع: تغيير الصيغ أو إضافة أرقام داخلها للموازنة ؛ الموازنة بالمعاملات وحدها. وخطأ ثانٍ: الاستنتاج من نقص الكتلة في دورق مفتوح أنّ المادّة ضاعت ؛ الغاز خرج من الجملة التي نزنها فقط، ولهذا شرط الوسط المغلق جزء من التجربة نفسها.

الفكرة الواحدة التي تحمل الدرس كلّه: المعادلة الكيميائية ليست كتابة حرّة، بل جردٌ صارم. ما يدخل من ذرّات ومن شحنات يجب أن يخرج بعينه — وموازنة المعادلة ليست إلّا التحقّق من هذا الجرد.

الصفحة 1/10