الكيمياء المدرسية — من الصف الأول إلى الصف الثاني عشر · Grades 1–12
12التفاعلات الكيميائية: المتفاعلات والنواتج
يتوهج الفحم في الشواية. وبعد ساعة لا يكاد يبقى شيء من الكتل السوداء — قليل من الرماد الرمادي، والحرارة التي أنضجت الطعام. فأين ذهب الكربون الأسود؟ لم يتلاشَ: بل التقى أكسجين الهواء وصار غازًا جديدًا لا يُرى. وبعد أن عرفنا الذرات والجزيئات نستطيع الآن أن نقول بدقة ماذا يحدث في مثل هذا التغير.
ما تعرفه من قبل
في التغير الكيميائي تظهر مواد جديدة ولا توجد طريق بسيطة للعودة (الفصل 6). وماء الجير يتعكّر بثنائي أكسيد الكربون، وكبريتات النحاس اللامائية تزرقّ بالماء (الفصل 10). وكل المادة مكوّنة من ذرات تتجمع في جزيئات؛ والصيغة مثل تذكر ذرات الجزيء (الفصل 11).
12.1 التحولات الفيزيائية والتحولات الكيميائية
تعريف 12.1 (التحول الفيزيائي)
التحول الفيزيائي يغيّر حالة المادة أو ترتيبها دون أن يغيّر الأنواع الكيميائية: الانصهار، والتجمد، والغليان، والذوبان، والخلط. فالأنواع نفسها موجودة قبله وبعده؛ ولم يتغير إلا شكلها أو ترتيبها.
مثال 12.2 (الماء بثلاث طرائق)
انصهار الجليد ماءً، وغليان الماء بخارًا، وذوبان الملح في الماء تحولات فيزيائية: فقبلها وبعدها توجد جزيئات الماء (والملح). وإذا كبّرنا الصورة وجدنا الجزيئات نفسها؛ ولم يتغير إلا ترتيبها وطريقة حركتها.
قضية 12.3 (التحول الكيميائي)
في التغير الكيميائي، ويسمى أيضًا التحول الكيميائي، تختفي بعض الأنواع الكيميائية وتظهر أنواع جديدة. ويُميَّز من التحول الفيزيائي بنواتجه: أنواع جديدة يمكن الكشف عنها باختبارات مميِّزة.
12.2 المتفاعلات والنواتج
تعريف 12.4 (التفاعل الكيميائي)
التفاعل الكيميائي هو النموذج الذي يستعمله الكيميائيون لوصف التحول الكيميائي: فهو يذكر الأنواع التي تُستهلك والأنواع التي تتكوّن.
تعريف 12.5 (المتفاعلات والنواتج)
الأنواع التي تُستهلك في التفاعل الكيميائي هي المتفاعلات؛ والأنواع التي تتكوّن هي النواتج.
مثال 12.6 (احتراق الكربون في الأكسجين)
حين يحترق الفحم تكون المتفاعلات هي الكربون (الفحم) والأكسجين (من الهواء). والناتج هو ثنائي أكسيد الكربون: فإذا رُجّ الغاز الباقي في المخبار مع ماء الجير عكّره.
في المختبر — الفحم في مخبار من الأكسجين
يسخّن المعلم قطعة صغيرة من الفحم على ملعقة احتراق حتى تتوهج، ثم يُنزلها في مخبار مملوء بالأكسجين. فيتوهج الفحم أشد بكثير مما في الهواء ويصغر حتى يختفي. ثم يُغطى المخبار، ويُصب فيه قليل من ماء الجير ويُرج: فيتعكّر. لقد استُهلك الكربون والأكسجين؛ وتكوّن ثنائي أكسيد الكربون.
مثال 12.7 (الصوف الفولاذي)
يمكن لوسادة من الصوف الفولاذي الدقيق، وهو في معظمه حديد، أن تحترق في الهواء مع وابل من الشرر. المتفاعلات هي الحديد والأكسجين؛ والناتج جسم صلب داكن هشّ، هو أكسيد للحديد.
12.3 المعادلة اللفظية
تعريف 12.8 (المعادلة اللفظية)
المعادلة اللفظية تكتب التفاعل الكيميائي بالكلمات: أسماء المتفاعلات على اليمين، يربط بينها ، ثم سهم، ثم أسماء النواتج على اليسار. ويُقرأ السهم «تتفاعل فتعطي».
مثال 12.9 (ثلاث معادلات لفظية)
| كربون أكسجين ثنائي أكسيد الكربون |
| ميثان أكسجين ثنائي أكسيد الكربون ماء |
| حديد أكسجين أكسيد الحديد |
طريقة 12.10 (كتابة المعادلة اللفظية)
- جد المتفاعلات: الأنواع التي تختفي.
- جد النواتج: الأنواع الجديدة التي تُعرف بالاختبارات.
- اكتب المتفاعلات على اليمين والنواتج على اليسار، وبينها سهم؛ ولا تكتب أبدًا علامة التساوي.
والنوع الموجود الذي لا يشارك في التفاعل — مثل نيتروجين الهواء المحيط باللهب — لا يُكتب.
12.4 التفاعل إعادة ترتيب للذرات
قضية 12.11 (يُعاد ترتيب الذرات)
في التفاعل الكيميائي تتفكك جزيئات المتفاعلات، وتتحد ذراتها على نحو مختلف لتبني جزيئات النواتج. والذرات نفسها لا تُخلق ولا تفنى: فالذرات نفسها، بالأعداد نفسها، موجودة قبل التفاعل وبعده.
مثال 12.12 (احتراق الميثان جزيئًا جزيئًا)
حين يحترق ميثان موقد الغاز يلتقي جزيء ميثان واحد بجزيئي أكسجين . فيُعاد ترتيب ذراتها في جزيء واحد من ثنائي أكسيد الكربون وجزيئي ماء . قبل: ذرة كربون واحدة، و4 ذرات هيدروجين، و4 ذرات أكسجين. وبعد: ذرة كربون واحدة، و4 ذرات هيدروجين، و ذرات أكسجين. فلا يضيع شيء، ولا يظهر شيء من العدم.
ملاحظة 12.13 (عدّ الجزيئات)
لا تقول المعادلة اللفظية كم جزيئًا يتفاعل: ولهذا تُكتب المعادلة بالصيغ وبأعداد أمامها. وكتابة مثل هذه المعادلات، وإيجاد الأعداد الصحيحة، موضوع فصل لاحق.
12.5 تمارين
تمرين 12.1 ★
تحول فيزيائي أم كيميائي؟ انصهار الجليد، واحتراق عود ثقاب، وذوبان السكر، وتحميص الخبز، وصدأ مسمار.
تمرين 12.2 ★
ما المتفاعلات وما النواتج في تفاعل كيميائي؟
تمرين 12.3 ★
اكتب المعادلة اللفظية لاحتراق الكربون في الأكسجين.
حل
حل التمرين 12.3.
كربون أكسجين ثنائي أكسيد الكربون.
تمرين 12.4 ★
في المعادلة اللفظية «حديد أكسجين أكسيد الحديد»، سمِّ المتفاعلات والناتج.
تمرين 12.5 ★★
حين يحترق الميثان تتغشى كأس باردة ممسوكة فوق اللهب، والغاز المجموع يعكّر ماء الجير. أي النواتج يبيّنها هذان الاختباران؟
حل
حل التمرين 12.5.
الغشاوة تبيّن الماء؛ وتعكّر ماء الجير يبيّن ثنائي أكسيد الكربون.
تمرين 12.6 ★★
يتفاعل الزنك مع حمض الهيدروكلوريك: يختفي الزنك، وتنطلق فقاعات الهيدروجين، ويبقى كلوريد الزنك في المحلول. اكتب المعادلة اللفظية.
حل
حل التمرين 12.6.
زنك حمض الهيدروكلوريك كلوريد الزنك هيدروجين.
تمرين 12.7 ★★
انظر إلى شكل النماذج لاحتراق الميثان. عُدّ ذرات الهيدروجين قبل التفاعل وبعده.
تمرين 12.8 ★★
لماذا لا يُعدّ ذوبان الملح في الماء تفاعلًا كيميائيًا، مع أن الملح يختفي عن العين؟
حل
حل التمرين 12.8.
لا يظهر أي نوع جديد: فالملح لا يزال موجودًا، منتشرًا في الماء، ونسترجعه بتبخير الماء. إنه تحول فيزيائي.
تمرين 12.9 ★★
تحترق حطبة حتى لا يبقى منها إلا كومة صغيرة من الرماد. اشرح، مستعملًا كلمة «النواتج»، لماذا يكون الرماد أخف بكثير من الحطبة.
حل
حل التمرين 12.9.
معظم الخشب تفاعل مع الأكسجين فأعطى نواتج غازية، هي ثنائي أكسيد الكربون وبخار الماء، تذهب في الهواء. ولا يبقى إلا الرماد.
تمرين 12.10 ★★
يحترق الهيدروجين في الأكسجين فلا يعطي إلا الماء. اكتب المعادلة اللفظية، وقل أي اختبار يتعرف على الناتج.
تمرين 12.11 ★★★
يتفاعل جزيئا هيدروجين مع جزيء أكسجين واحد فيعطيان جزيئي ماء . عُدّ الذرات من كل نوع قبل التفاعل وبعده، وبيّن أنه لم تُخلق أي ذرة ولم تفنَ.
تمرين 12.12 ★★★
يرسم تلميذ احتراق الكربون هكذا: ذرة كربون واحدة جزيء أكسجين واحد جزيء واحد من ثنائي أكسيد الكربون وتبقى ذرة أكسجين زائدة. ما الخطأ في هذا الرسم؟ اكتب الرسم الصحيح بالكلمات.
12.6 مسألة: داخل لهب موقد الغاز
مسألة 12.1
مسألة نهاية الأسبوع — ما الذي يحترق في لهب موقد الغاز، وماذا يصنع، وكم جزيئًا يشارك
غاز موقد المطبخ معظمه ميثان، . وفي لهبه الأزرق يتفاعل الميثان مع أكسجين الهواء. وفي المختبر يمسك المعلم كأسًا باردة جافة مقلوبة فوق مثل هذا اللهب بضع ثوانٍ، ثم يعدلها، ويصب فيها قليلًا من ماء الجير ويرجّها.
الجزء الأول — المتفاعلات والنواتج.
- سمِّ متفاعلَي هذا التفاعل.
- تظهر قطيرات داخل الكأس الباردة؛ وقطرة منها تُزرّق كبريتات النحاس اللامائية. أي ناتج يبيّنه هذا؟
- يتعكّر ماء الجير. أي ناتج آخر يبيّنه هذا؟
- يحوي الهواء أيضًا النيتروجين، الذي يمر عبر اللهب دون أن يتغير. هل النيتروجين متفاعل؟ وهل يجب أن يظهر في المعادلة اللفظية؟
الجزء الثاني — المعادلة اللفظية.
- اكتب المعادلة اللفظية للتفاعل.
- هل احتراق الميثان تحول فيزيائي أم كيميائي؟ أعطِ سببين.
- اكتب صيغ الأنواع الأربعة في التفاعل.
الجزء الثالث — عدّ الجزيئات. كل جزيء ميثان يحترق يتفاعل مع جزيئي أكسجين، ويعطي جزيئًا واحدًا من ثنائي أكسيد الكربون وجزيئي ماء.
- عُدّ ذرات الكربون والهيدروجين والأكسجين في جزيء ميثان واحد وجزيئي أكسجين، معًا.
- عُدّها في جزيء واحد من ثنائي أكسيد الكربون وجزيئي ماء، معًا. ماذا تلاحظ؟
- يحرق اللهب 10 جزيئات ميثان. كم جزيء أكسجين يستهلك؟
- كم جزيئًا من ثنائي أكسيد الكربون يصنع؟
- كم جزيء ماء يصنع؟
حل
حل المسألة 12.1.
1. الميثان والأكسجين.
2. الماء.
3. ثنائي أكسيد الكربون.
4. لا: فهو لا يُستهلك، ولا يُكتب في المعادلة اللفظية.
5. ميثان أكسجين ثنائي أكسيد الكربون ماء.
6. كيميائي: يختفي نوعان (الميثان، والأكسجين)، ويظهر نوعان جديدان تكشف عنهما الاختبارات؛ وتنطلق حرارة وضوء.
7. ، ، ، .
8. كربون واحد، و4 هيدروجين، و أكسجين.
9. كربون واحد؛ و هيدروجين؛ و أكسجين. الذرات نفسها بالأعداد نفسها: لم يحدث لها إلا إعادة ترتيب.
10. جزيء أكسجين.
11. 10 جزيئات من ثنائي أكسيد الكربون.
12. جزيء ماء.