Physical Sciences🎓 baccalaureate goal

المتابعة الزمنية لتحول كيميائي تطور كميات المتفاعلات و النواتج خلال تحول كيميائي في محلول مائي

أنواع التحولات: السريع، البطيء و البطيء جدا

🔊 The teacher reads for you

في المخبر نمزج محلولين فيتغيّر اللون في اللحظة نفسها، ونترك قارورة ثالثة على الرفّ فلا يتغيّر ما فيها إلّا بعد عدّة أشهر. هل تستغرق كلّ التحوّلات الكيميائية المدّة الزمنية نفسها ؟

🎓في نهاية هذا الدرس ستكون قادرا على:

أن تصنّف تحوّلا كيميائيا إلى سريع أو بطيء أو بطيء جدّا انطلاقا من مدّته
أن تربط بين ما تراه العين في التجربة والمدّة التي يستغرقها التحوّل
أن تكتب معادلة تفاعل أكسدة-إرجاع انطلاقا من نصفي معادلتيه
أن تشرح معنى قولنا إنّ جملة كيميائية عاطلة حركيّا

🔑يفترض هذا الدرس أنّك تتقن:

الثنائية مؤكسد/مرجع وكتابة نصف معادلة أكسدة أو إرجاع
التعرّف على الأفراد الكيميائية الموجودة في محلول شاردي

❓إشكالية: ننجز ثلاث تجارب، ويحدث في كلّ واحدة منها تحوّل كيميائي. سنقارن بينها لا بما يحدث فيها، بل بالمدّة التي يستغرقها الحدوث.

📌تجربة 1: صبّ محلول برمنغنات البوتاسيوم على محلول كبريتات الحديد الثنائي

📌التجربة:

نضع في بيشر محلولا لكبريتات الحديد الثنائي، لونه أصفر باهت.
نملأ أنبوب اختبار بمحلول برمنغنات البوتاسيوم، لونه بنفسجي.
نميل الأنبوب فوق البيشر ونسكب المحلول البنفسجي تدريجيّا.
نراقب لون سائل البيشر أثناء الصبّ نفسه، لا بعده.

🔍الملاحظة: يزول اللون البنفسجي في اللحظة التي يتلامس فيها المحلولان. الخيط النازل من الأنبوب ملوّن بالبنفسجي، أمّا سائل البيشر فيبقى أصفر باهتا دون أيّ أثر له.

خيط بنفسجي ينزل من الأنبوب بينما يبقى سائل البيشر أصفر باهتا — اللون يزول في لحظة التلامس: التحوّل انتهى قبل أن ينتهي الصبّ.

التحوّلات السريعة هي التي يصل فيها تطوّر الجملة إلى حالته النهائية عند تلامس المتفاعلات. مدّتها قصيرة جدّا، ولا يمكن متابعتها بالعين المجرّدة.

📌تجربة 2: مزج محلول يود البوتاسيوم مع محلول بيروكسوديكبريتات البوتاسيوم

📌التجربة:

نحضّر محلول يود البوتاسيوم، وهو شفّاف عديم اللون.
نحضّر محلول بيروكسوديكبريتات البوتاسيوم، وهو شفّاف عديم اللون كذلك.
نمزج المحلولين في أنبوب اختبار ثمّ نرجّ الأنبوب.
نصوّر الأنبوب بعد ⁦10 s⁩ ثمّ بعد ⁦30 s⁩ ثمّ بعد ⁦60 s⁩، ونقارن الألوان الثلاثة.

🔍الملاحظة: يظهر لون أصفر يزداد حدّة مع مرور الزمن حتّى يصير أسمر داكنا: باهت بعد ⁦10 s⁩، برتقالي أسمر بعد ⁦30 s⁩، أسمر داكن بعد ⁦60 s⁩. اللون الظاهر هو لون ثنائي اليود المتشكّل.

ثلاثة أنابيب من المزيج نفسه في ثلاث لحظات: اللون يشتدّ من الأصفر إلى الأسمر — التحوّل يجري تحت أعيننا: اللون هو ساعتنا هنا.

التحوّلات البطيئة هي التي يدوم فيها تطوّر الجملة من عدّة ثوان إلى عدّة دقائق أو ساعات. يمكن متابعتها بالعين المجرّدة، وهذا ما يجعلها قابلة للدراسة.

📌تجربة 3: قارورة محلول برمنغنات البوتاسيوم تُترك عدّة أشهر

📌التجربة:

نحضّر قارورتين متماثلتين من محلول برمنغنات البوتاسيوم البنفسجي.
نستعمل الأولى في حينها، ونترك الثانية على الرفّ عدّة أشهر.
نقارن بعد ذلك محتوى القارورتين، ونتفحّص جدارهما من الداخل.

🔍الملاحظة: القارورة الأولى ما تزال بنفسجية صافية، أمّا الثانية فصار سائلها أسمر مائلا إلى الصدئ وعكرا، مع راسب يغطّي الجدار من الداخل.

قارورتان: الأولى بنفسجية صافية، والثانية سمراء عكرة براسب على الجدار — بعد أشهر فقط يظهر الفرق: الجملة كانت تتطوّر طوال هذه المدّة.

التحوّلات البطيئة جدّا هي التي يدوم فيها تطوّر الجملة أيّاما أو أشهرا أو سنوات. ونقول عندئذ إنّ الجملة عاطلة حركيّا: التحوّل يحدث فعلا، لكنّه من البطء بحيث لا نلاحظه.

كيف نكتب معادلة تفاعل أكسدة-إرجاع ؟

في التجارب الثلاث ينتقل الإلكترون من مرجع إلى مؤكسد. ولكتابة المعادلة الحصيلة نتّبع الخطوات نفسها في كلّ مرّة:

🎯تعليمات

نكتب نصف معادلة إرجاع المؤكسد، ونصف معادلة أكسدة المرجع.
نضرب كلّ نصف معادلة في عدد يجعل الإلكترونات المكتسبة تساوي الإلكترونات المفقودة.
نجمع النصفين ونحذف الإلكترونات، ثمّ نختزل ما تكرّر في الطرفين.

مثال 1: معادلة التفاعل بين شوارد البرمنغنات وشوارد الحديد الثنائي

التحوّل الحادث في التجربة 1 يجمع الثنائيتين: شوارد البرمنغنات مع شوارد المنغنيز الثنائي من جهة، وشوارد الحديد الثلاثي مع شوارد الحديد الثنائي من جهة أخرى.

🎯المطلوب: اكتب معادلة التفاعل المنمذج للتحوّل الحادث في التجربة 1

🔹الخطوة 1: نصف معادلة إرجاع المؤكسد

لأنّ شوارد البرمنغنات هي المؤكسد: تكتسب الإلكترونات في وسط حمضي، فتوازَن بالبروتونات ثمّ بالماء

MnO₄⁻(aq) + 8H⁺(aq) + 5e⁻ = Mn²⁺(aq) + 4H₂O(l)

🔹الخطوة 2: نصف معادلة أكسدة المرجع

لأنّ شوارد الحديد الثنائي هي المرجع: تفقد إلكترونا واحدا فتصير شوارد حديد ثلاثي

Fe²⁺(aq) = Fe³⁺(aq) + e⁻

🔹الخطوة 3: نساوي عدد الإلكترونات

لأنّ المؤكسد يكتسب 5 إلكترونات بينما يفقد المرجع إلكترونا واحدا: نضرب نصف معادلة الأكسدة في 5 ليتساوى العددان

(Fe²⁺(aq) = Fe³⁺(aq) + e⁻) × 5

✅النّتيجة

لأنّ الإلكترونات لا تظهر في المعادلة الحصيلة: نجمع النصفين ونحذفها. وهذه المعادلة هي التي تفسّر زوال اللون: شوارد البرمنغنات البنفسجية تصير شوارد منغنيز ثنائي شبه عديمة اللون

MnO₄⁻(aq) + 8H⁺(aq) + 5Fe²⁺(aq) = Mn²⁺(aq) + 4H₂O(l) + 5Fe³⁺(aq)

تحقّق من الشحنة قبل أن تعتمد معادلتك: مجموع الشحنات في الطرف الأيسر يجب أن يساوي مجموعها في الطرف الأيمن. هنا ⁦17+⁩ في الطرفين.

مثال 2: معادلة التفاعل بين شوارد البيروكسوديكبريتات وشوارد اليود

🎯المطلوب: اكتب معادلة التفاعل المنمذج للتحوّل الحادث في التجربة 2

🔹الخطوة 1: نصف معادلة إرجاع المؤكسد

لأنّ شوارد البيروكسوديكبريتات هي المؤكسد: تكتسب إلكترونين وتعطي شاردتي كبريتات

S₂O₈²⁻(aq) + 2e⁻ = 2SO₄²⁻(aq)

🔹الخطوة 2: نصف معادلة أكسدة المرجع

لأنّ شوارد اليود هي المرجع: تفقد إلكترونين وتعطي ثنائي اليود، وهو الفرد الملوّن الذي رأيناه يظهر

2I⁻(aq) = I₂(aq) + 2e⁻

✅النّتيجة

لأنّ عدد الإلكترونات متساو في النصفين — إلكترونان في كلّ منهما — فلا حاجة إلى الضرب: نجمع مباشرة ونحذف الإلكترونات

S₂O₈²⁻(aq) + 2I⁻(aq) = 2SO₄²⁻(aq) + I₂(aq)

اِبدأ دائما بمقارنة عدد الإلكترونات في النصفين قبل أن تضرب: في المثال الأوّل احتجنا إلى الضرب في 5، وهنا لم نحتج إلى شيء. الضرب وسيلة، لا خطوة إجبارية.

مثال 3: معادلة التفاعل الذي يعطي الراسب البنّي

الراسب الذي يغطّي جدار القارورة في التجربة 3 هو ثنائي أكسيد المنغنيز الصلب. وقد تشكّل من تفاعل شوارد البرمنغنات مع الماء نفسه.

🎯المطلوب: اكتب معادلة التفاعل المنمذج للتحوّل الحادث في التجربة 3

🔹الخطوة 1: نصف معادلة إرجاع المؤكسد

لأنّ المؤكسد هنا هو شوارد البرمنغنات، ومرجعها المرافق هو ثنائي أكسيد المنغنيز الصلب: وهو الراسب البنّي الذي نراه على الجدار

MnO₄⁻(aq) + 4H⁺(aq) + 3e⁻ = MnO₂(s) + 2H₂O(l)

🔹الخطوة 2: نصف معادلة أكسدة المرجع

لأنّ المرجع هنا هو الماء نفسه: يفقد إلكترونات ويعطي ثنائي الأكسجين

2H₂O(l) = O₂(g) + 4H⁺(aq) + 4e⁻

🔹الخطوة 3: نضرب نصف معادلة الإرجاع في 4

لأنّ عدد الإلكترونات المتبادلة يجب أن يكون مضاعفا مشتركا للعددين 3 و 4، وأصغرها 12: نضرب نصف معادلة الإرجاع في 4

(MnO₄⁻ + 4H⁺ + 3e⁻ = MnO₂ + 2H₂O) × 4

🔹الخطوة 4: نضرب نصف معادلة الأكسدة في 3

ونضرب نصف معادلة الأكسدة في 3 حتّى يفقد الماء 12 إلكترونا أيضا، فيتساوى العددان

(2H₂O = O₂ + 4H⁺ + 4e⁻) × 3

✅النّتيجة

لأنّ الماء والبروتونات يظهران في الطرفين معا بعد الجمع: نحذف 12 بروتونا من 16، و6 جزيئات ماء من 8، فيبقى ما هو مكتوب

4MnO₄⁻(aq) + 4H⁺(aq) = 4MnO₂(s) + 2H₂O(l) + 3O₂(g)

حين يختلف عدد الإلكترونات في النصفين، اِبحث عن أصغر مضاعف مشترك للعددين واضرب كلّ نصف بما يوصله إليه. ثمّ لا تنسَ الاختزال: الماء والبروتونات يظهران غالبا في الطرفين معا.

✅النّتيجة: تصنيف التحوّلات الثلاثة حسب مدّتها

صنف التحوّل	المدّة الملاحَظة	التجربة الموافقة
تحوّل سريع	آنيّ، عند التلامس	برمنغنات البوتاسيوم مع كبريتات الحديد الثنائي
تحوّل بطيء	من ثوان إلى ساعات	يود البوتاسيوم مع بيروكسوديكبريتات البوتاسيوم
تحوّل بطيء جدّا	أيّام، أشهر، سنوات	برمنغنات البوتاسيوم متروكة على الرفّ

التصنيف يقوم على المدّة وحدها، لا على طبيعة الأفراد المتفاعلة.

لا تخلط بين « التحوّل بطيء » و « التحوّل لم يحدث »: الجملة العاطلة حركيّا تتطوّر فعلا، لكن ببطء شديد. البطء صفة للمدّة، لا للحالة النهائية التي تبلغها الجملة.

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: نصنّف التحوّلات الكيميائية حسب المدّة التي تستغرقها: سريعة تنتهي عند التلامس، بطيئة تدوم من ثوان إلى ساعات ويمكن متابعتها بالعين، وبطيئة جدّا تدوم أيّاما أو سنوات فنقول إنّ الجملة عاطلة حركيّا. وهذا التصنيف هو الذي يفتح السؤال الموالي: ما دام التحوّل البطيء يمنحنا الوقت، فكيف نتابعه لحظة بلحظة ؟

Page 1/8