مدرستي
العلوم الفيزيائية🎓 هدف البكالوريا

المتابعة الزمنية لتحول كيميائي في وسط مائي تطور كميات المتفاعلات والنواتج خلال تحول كيميائي في محلول مائي

أنواع التحولات: السريع، البطيء و البطيء جدا

🔊 المعلّمة تقرأ لك
نسكب محلولا ملوّنا على آخر فيزول اللون قبل أن نُنهي السكب، وننسى قارورة على رفّ المخبر فلا نرى فيها شيئا قبل مرور أشهر. هل تستغرق كلّ التحوّلات الكيميائية نفس المدّة الزمنية ؟
🎓في نهاية هذا الدرس ستكون قادرا على:
  • أن تميّز تجريبيّا بين تحوّل سريع وتحوّل بطيء وتحوّل بطيء جدّا
  • أن تربط نوع التحوّل بالمدّة الزمنية التي يستغرقها، لا بحالته النهائية
  • أن تكتب معادلة تفاعل أكسدة إرجاع انطلاقا من نصفي المعادلة
  • أن تشرح معنى قولنا إنّ جملة كيميائية عاطلة حركيّا
🔑يفترض هذا الدرس أنّك تتقن:
  • الثنائية مرجع/مؤكسد ونصف معادلة الأكسدة الإرجاع
  • موازنة معادلة تفاعل: انحفاظ العناصر وانحفاظ الشحنة
  • التركيز المولي وكمّية المادة في محلول

❓إشكالية: التحوّل الكيميائي يقود جملة من حالة ابتدائية إلى حالة نهائية، لكن الانتقال بين الحالتين لا يتمّ دائما بنفس السرعة. ثلاث تجارب بسيطة تكفي للفصل في المسألة.

  1. ماذا نلاحظ في كلّ تجربة ؟
  2. هل المدّة الزمنية المستغرقة هي نفسها في كلّ هذه التحوّلات ؟
  3. كيف نرتّب هذه التفاعلات حسب زمن حدوثها ؟

نشاط 1: تحوّل ينتهي عند التلامس

📌التجربة:

  1. نحضّر في بيشر محلولا لكبريتات الحديد الثنائي.
  2. نأخذ في أنبوب اختبار محلول برمنغنات البوتاسيوم، وهو محلول بنفسجي اللون.
  3. نسكب تدريجيّا محلول البرمنغنات على محلول كبريتات الحديد الثنائي.
  4. نراقب لون الوسط التفاعلي أثناء السكب نفسه، لا بعده.

🔍الملاحظة: اللون البنفسجي يزول في اللحظة التي يلامس فيها المحلولان بعضهما: الخيط النازل من الأنبوب ملوّن، أمّا الوسط في البيشر فيبقى بلا أثر للبنفسجي. التحوّل انتهى قبل أن ننتهي من السكب.

زوال اللون آنيّ: التحوّل بلغ حالته النهائية عند التلامس.
التحوّل الحادث هنا سريع: تبلغ الجملة حالتها النهائية عند تلامس المتفاعلات، ولا يمكن متابعة تطوّرها بالعين المجرّدة.
المعادلة الحصيلة للتحوّل السريع
MnO₄−(aq) + 8H+(aq) + 5Fe2+(aq) → Mn2+(aq) + 4H₂O(l) + 5Fe3+(aq)

نشاط 2: تحوّل نتابعه بالعين

📌التجربة:

  1. نأخذ محلول يود البوتاسيوم، وهو محلول شفّاف عديم اللون.
  2. نأخذ محلول بيروكسوديكبريتات البوتاسيوم، وهو أيضا شفّاف عديم اللون.
  3. نمزج المحلولين في أنبوب اختبار ونرجّ المزيج.
  4. نصوّر الأنبوب عند اللحظات ⁦10 s⁩ ثمّ ⁦30 s⁩ ثمّ ⁦60 s⁩ ونقارن التدرّجات اللونية.

🔍الملاحظة: يظهر لون أصفر بعد الرجّ، ثمّ تزداد حدّته مع مرور الزمن: أصفر باهت عند ⁦10 s⁩، برتقالي بنّي عند ⁦30 s⁩، بنّي داكن جدّا عند ⁦60 s⁩. اللون يتطوّر أمام أعيننا خلال دقيقة واحدة.

اللون يشتدّ مع الزمن: تشكّل ثنائي اليود تدريجي، وهذا ما يجعل المتابعة ممكنة.
التحوّل الحادث هنا بطيء: يدوم تطوّر الجملة عدّة ثوان إلى عدّة دقائق، وهي مدّة تكفي لمتابعته بالعين المجرّدة.
المعادلة الحصيلة للتحوّل البطيء
S₂O₈2−(aq) + 2I−(aq) → 2SO₄2−(aq) + I₂(aq)

نشاط 3: تحوّل لا نراه إلّا بعد أشهر

📌التجربة:

  1. نحضّر قارورتين متماثلتين من محلول برمنغنات البوتاسيوم البنفسجي.
  2. نغلق الأولى ونحتفظ بها للمقارنة، ونترك الثانية على رفّ المخبر.
  3. نعود إلى القارورة المتروكة بعد مرور عدّة أشهر.
  4. نقارن مظهر السائلين ونفحص جدار القارورة المتروكة.

🔍الملاحظة: القارورة ⁦(a)⁩ بقيت محلولا بنفسجيّا داكنا صافيا، أمّا القارورة ⁦(b)⁩ فصار سائلها بنّيّا صدئا عكرا، ويكسو جدارها راسب. لم يكن ممكنا ملاحظة أيّ تغيّر خلال ساعة أو يوم.

بعد أشهر فقط يصير الفرق مرئيّا: التحوّل كان يجري طوال الوقت.
التحوّل الحادث هنا بطيء جدّا: يدوم تطوّر الجملة عدّة أيّام إلى عدّة أشهر إلى عدّة سنوات. نقول عندئذ إنّ الجملة عاطلة حركيّا.
المعادلة الحصيلة للتحوّل البطيء جدّا
4MnO₄−(aq) + 4H+(aq) → 4MnO₂(s) + 2H₂O(l) + 3O₂(g)

أنواع التحوّلات الكيميائية

التجارب الثلاث لم تختلف في طبيعة ما حدث، بل في المدّة التي استغرقها. وعلى هذه المدّة وحدها يقوم التصنيف.

تعريف: التحوّل السريع هو التحوّل الذي تبلغ فيه الجملة حالتها النهائية عند تلامس المتفاعلات، في مدّة قصيرة جدّا لا تُتابع بالعين المجرّدة.
تعريف: التحوّل البطيء هو التحوّل الذي يدوم فيه تطوّر الجملة من عدّة ثوان إلى عدّة دقائق إلى عدّة ساعات، فتكون متابعته بالعين المجرّدة ممكنة.
تعريف: التحوّل البطيء جدّا هو التحوّل الذي يدوم فيه تطوّر الجملة عدّة أيّام أو أشهر أو سنوات. نقول عندئذ إنّ الجملة عاطلة حركيّا.
✅النّتيجة: ترتيب التفاعلات الثلاثة حسب زمن حدوثها
التجربةما نلاحظهرتبة قدر المدّةنوع التحوّل
برمنغنات البوتاسيوم على كبريتات الحديد الثنائيزوال اللون البنفسجي عند التلامسأقلّ من الثانيةسريع
يود البوتاسيوم مع بيروكسوديكبريتات البوتاسيوملون أصفر يشتدّ حتّى يصير بنّيّابضع ثوان إلى بضع دقائقبطيء
برمنغنات البوتاسيوم متروكة على الرفّسائل بنّي عكر وراسب على الجدارعدّة أشهربطيء جدّا
نفس النوع من التحوّل — أكسدة إرجاع — وثلاث رتب زمنية مختلفة تماما.
« عاطلة حركيّا » لا تعني أنّ التفاعل لا يحدث: التفاعل يجري فعلا، لكنّه بطيء إلى حدّ يجعل الجملة تبدو ساكنة على سلّم زمن التجربة. الحكم على المدّة، لا على وقوع التحوّل.
قبل أن تصنّف تحوّلا، اسأل نفسك عن أداة القياس المناسبة: العين المجرّدة تكفي للتحوّل البطيء، أمّا التحوّل السريع فيحتاج إلى أجهزة تصوير سريعة، والتحوّل البطيء جدّا يحتاج إلى الصبر أو إلى عامل يسرّعه.
مثال 1: كتابة معادلة التحوّل السريع

في التجربة الأولى تتدخّل الثنائيتان مؤكسد/مرجع التاليتان: شوارد البرمنغنات مع شوارد المنغنيز الثنائي من جهة، وشوارد الحديد الثلاثي مع شوارد الحديد الثنائي من جهة أخرى. الوسط حمضي.

🎯المطلوب: اكتب المعادلة الحصيلة للتفاعل الحادث بين شوارد البرمنغنات وشوارد الحديد الثنائي في وسط حمضي

🔹الخطوة 1: نصف معادلة إرجاع شوارد البرمنغنات

لأنّ كلّ ثنائية تُكتب أوّلا في نصف معادلة تُوازَن فيها العناصر ثمّ الشحنة بإضافة الإلكترونات: هنا يكتسب المؤكسد خمسة إلكترونات

MnO₄− + 8H+ + 5e− → Mn2+ + 4H₂O
🔹الخطوة 2: نصف معادلة أكسدة شوارد الحديد الثنائي

لأنّ شاردة الحديد الثنائي تفقد إلكترونا واحدا فقط، فعدد الإلكترونات المتبادلة ليس هو نفسه في نصفي المعادلة

Fe2+ → Fe3+ + e−
🔹الخطوة 3: مساواة عدد الإلكترونات المتبادلة

لأنّ عدد الإلكترونات المكتسبة يجب أن يساوي عدد الإلكترونات المفقودة: نضرب نصف معادلة الأكسدة في خمسة

5Fe2+ → 5Fe3+ + 5e−
🔹الخطوة 4: التحقّق من انحفاظ الشحنة

لأنّ الجمع يحذف الإلكترونات من الطرفين، فلا يبقى إلّا التأكّد من أنّ الشحنة الكلّية لم تتغيّر: هي نفسها في الطرفين

(−1) + (+8) + 5 × (+2)=+17=(+2) + 5 × (+3)
✅النّتيجة

لأنّ المعادلة الحصيلة لا تحتفظ إلّا بالأفراد الكيميائية التي توجد فعلا في البيشر: الإلكترون لا يظهر فيها أبدا

MnO₄−(aq) + 8H+(aq) + 5Fe2+(aq) → Mn2+(aq) + 4H₂O(l) + 5Fe3+(aq)
موازنة العناصر وحدها لا تكشف خطأ في عدد الإلكترونات المتبادلة: اجعل التحقّق من الشحنة خطوة ثابتة في كلّ معادلة أكسدة إرجاع تكتبها.
مثال 2: كتابة معادلة التحوّل البطيء جدّا

في التجربة الثالثة تتفكّك شوارد البرمنغنات ببطء شديد في وسط حمضي. الثنائيتان المتدخّلتان هما شوارد البرمنغنات مع ثنائي أكسيد المنغنيز من جهة، وثنائي الأكسجين مع الماء من جهة أخرى: هنا الماء نفسه هو المرجع.

🎯المطلوب: اكتب المعادلة الحصيلة لتفكّك شوارد البرمنغنات في وسط حمضي

🔹الخطوة 1: نصف معادلة إرجاع شوارد البرمنغنات

لأنّ نصف معادلة الإرجاع تُوازَن أوّلا في العناصر ثمّ في الشحنة: هنا يكتسب المؤكسد ثلاثة إلكترونات، لا خمسة كما في المثال السابق

MnO₄− + 4H+ + 3e− → MnO₂ + 2H₂O
🔹الخطوة 2: نصف معادلة أكسدة الماء

لأنّ الماء هو الذي يتأكسد هنا ليعطي ثنائي الأكسجين: هو المرجع، ويفقد أربعة إلكترونات

2H₂O → O₂ + 4H+ + 4e−
🔹الخطوة 3: مضاعفة نصف معادلة الإرجاع

لأنّ عددي الإلكترونات مختلفان — ثلاثة وأربعة — فلا يكفي ضرب نصف واحد كما في المثال السابق: نأخذ مضاعفهما المشترك الأصغر وهو 12، فنضرب نصف معادلة الإرجاع في 4

4MnO₄− + 16H+ + 12e− → 4MnO₂ + 8H₂O
🔹الخطوة 4: مضاعفة نصف معادلة الأكسدة

لأنّ نفس المضاعف يفرض ضرب نصف معادلة الأكسدة في 3، حتّى يتبادل النصفان اثني عشر إلكترونا بالضبط

6H₂O → 3O₂ + 12H+ + 12e−
🔹الخطوة 5: الجمع قبل الاختزال

لأنّ الجمع يحذف الإلكترونات وحدها، أمّا الماء وشوارد الهيدروجين فيظهران في الطرفين معا — وهو ما لم يحدث في المثال السابق

4MnO₄− + 16H+ + 6H₂O → 4MnO₂ + 8H₂O + 3O₂ + 12H+
✅النّتيجة

لأنّ ما يظهر في الطرفين يُختزل: يبقى أربع شوارد هيدروجين على اليسار وجزيئتا ماء على اليمين

4MnO₄−(aq) + 4H+(aq) → 4MnO₂(s) + 2H₂O(l) + 3O₂(g)
لا تختزل قبل الجمع: الاختزال داخل نصف معادلة على حدة يُخلّ بعدد الإلكترونات المتبادلة. الترتيب ثابت — وازِن، ثمّ ساوِ الإلكترونات، ثمّ اجمع، ثمّ اختزل.
مثال 3: المقارنة بين رتبتي قدر زمنيتين

نأخذ من التجارب السابقة المدّتين التاليتين: التحوّل البطيء بلغ لونه الداكن بعد دقيقة واحدة، والتحوّل البطيء جدّا لم يظهر أثره إلّا بعد خمسة أشهر. نعتبر الشهر ثلاثين يوما.

🎯المطلوب: احسب كم مرّة تكون مدّة التحوّل البطيء جدّا أطول من مدّة التحوّل البطيء

📌المعطى: مدّة التحوّل البطيء كما قرأناها على التجربة
t1 = 60 s
🔹الخطوة 1: تحويل المدّة الثانية إلى ثوان

لأنّ المقارنة بين مقدارين لا تصحّ إلّا إذا عُبّر عنهما بنفس الوحدة: نحوّل الأشهر إلى ثوان قبل أيّ عملية

t2=5 × 30 × 24 × 3600=1,296 × 107 s
🔹الخطوة 2: حساب النسبة بين المدّتين

لأنّ حاصل قسمة المدّتين هو ما يقيس الفرق في رتبة القدر بينهما، وليس فرقهما

t2t1 = 1,296 ×10760
✅النّتيجة

لأنّ هذا العدد هو الذي يبرّر التصنيف: بين النوعين أكثر من مائتي ألف ضعف، لا فرق بسيط في السرعة

t2t1 = 2,16 × 105
لا تبحث عن حدّ فاصل بالثانية بين البطيء والبطيء جدّا: التصنيف يقوم على رتبة القدر، أي على المعيار العملي « هل أستطيع متابعة التحوّل أثناء الحصّة ؟ ».
في البكالوريا يأتي هذا الدرس في مطلع تمرين المتابعة الزمنية: «صنّف هذا التحوّل (سريع، بطيء، بطيء جدّا) مع التعليل»، و«اكتب معادلة تفاعل الأكسدة الإرجاعية انطلاقا من نصفي المعادلة». جهّز ثلاثة عناصر: ① معيار التصنيف هو المدّة وحدها: سريع إذا بلغت الجملة حالتها النهائية عند تلامس المتفاعلات، وبطيء إذا دام تطوّرها ثواني أو دقائق أو ساعات، وبطيء جدّا إذا دام أيّاما أو أشهرا ؛ ② كتابة المعادلة: نصف معادلة الإرجاع ونصف معادلة الأكسدة، كلّ منهما موازن في العناصر ثمّ في الشحنة، ثمّ الضرب لتساوي عدد الإلكترونات المتبادلة، ثمّ الجمع ؛ ③ التعليل بالملاحظة: زوال اللون عند السكب، أو تطوّره أمام العين، أو عدم ظهور أيّ تغيّر قبل أشهر. ⚠️ الخطأ الشائع: فهم «عاطلة حركيّا» على أنّ التفاعل لا يحدث ؛ التفاعل يجري فعلا، لكنّه بطيء إلى حدّ يجعل الجملة تبدو ساكنة على سلّم زمن التجربة. ⚠️ وخطأ ثانٍ: التصنيف بالحالة النهائية بدل المدّة.
خلاصة: التحوّلات الكيميائية لا تستغرق كلّها نفس المدّة. نسمّي التحوّل سريعا إذا بلغت الجملة حالتها النهائية عند تلامس المتفاعلات، وبطيئا إذا دام تطوّرها ثوانيَ أو دقائق أو ساعات، وبطيئا جدّا إذا دام أيّاما أو أشهرا — وعندئذ نقول إنّ الجملة عاطلة حركيّا. والتصنيف يخصّ المدّة وحدها، لا الحالة النهائية.

الصفحة 1/8

© مدرستي — هذا الدرس من تأليف مدرستي · madrassati.net