الكيمياء المدرسية — من الصف الأول إلى الصف الثاني عشر · Grades 1–12

17الأيونات والمحاليل الأيونية

على مقعد في القاعة الرياضية مشروبان رائقان: قارورة مشروب رياضي يُباع «لكهارله»، وكأس من الماء المحلّى بالسكر. وفي المختبر تُغمس في كل منهما بالتناوب صفيحتان فلزيتان موصولتان ببطارية ومصباح صغير. في المشروب الرياضي يضيء المصباح؛ وفي الماء المحلّى يبقى مطفأً. فثمة شيء في السائل الأول يحمل شحنة كهربائية، والسكر لا يحملها. وهذا الشيء هو الأيونات.

ما تعرفه من قبل

في الذرة نواة فيها $Z$ بروتونًا، شحنة كل منها $+e$ ، وحولها $Z$ إلكترونًا، شحنة كل منها $-e$ : فالذرة متعادلة (الفصل 16). والمذاب الذائب في الماء يعطي محلولًا مائيًا (الفصل 9). والاختبار المميِّز يكشف عن نوع كيميائي بنتيجة مرئية (الفصل 10).

مشروب رياضي وكأس ماء: المشروب يحوي أيونات ذائبة.

17.1 ذرات تكتسب إلكترونات أو تفقدها

تعريف 17.1 (الأيون والكاتيون والأنيون)

الأيون ذرة، أو مجموعة من الذرات، فقدت إلكترونًا أو أكثر أو اكتسبته، فصارت تحمل شحنة كهربائية. والأيون ذو الشحنة الموجبة، الذي فقد إلكترونات، هو الكاتيون؛ والأيون ذو الشحنة السالبة، الذي اكتسب إلكترونات، هو الأنيون. وتُكتب الشحنة في أعلى يمين الصيغة: $\ce{Na+}$ ، $\ce{Cu^{2+}}$ ، $\ce{Cl-}$ .

مثال 17.2 (الصوديوم والكلور)

ذرة الصوديوم، وفيها 11 بروتونًا و11 إلكترونًا، تفقد إلكترونًا واحدًا: فتصير أيون الصوديوم $\ce{Na+}$ ، وفيه 11 بروتونًا و10 إلكترونات، وشحنته $+1$ :

\ce{Na -> Na+ + e-}.

وذرة الكلور، وفيها 17 بروتونًا و17 إلكترونًا، تكتسب إلكترونًا واحدًا: فتصير أيون الكلوريد $\ce{Cl-}$ ، وفيه 17 بروتونًا و18 إلكترونًا:

\ce{Cl + e- -> Cl-}.

تصير ذرة الصوديوم أيون صوديوم بفقدها إلكترونًا؛ وتصير ذرة الكلور أيون كلوريد باكتسابها إلكترونًا. ولا تتغير البروتونات.

قضية 17.3 (بعض الأيونات الشائعة)

الأيونات الأحادية الذرة تتكوّن من ذرة واحدة؛ والأيونات المتعددة الذرات من مجموعة من الذرات تبقى متحدة:

الكاتيونات		الأنيونات
الصوديوم	$\ce{Na+}$	الكلوريد	$\ce{Cl-}$
البوتاسيوم	$\ce{K+}$	الهيدروكسيد	$\ce{OH-}$
الكالسيوم	$\ce{Ca^{2+}}$	النترات	$\ce{NO3-}$
المغنيسيوم	$\ce{Mg^{2+}}$	الكربونات	$\ce{CO3^{2-}}$
النحاس (II)	$\ce{Cu^{2+}}$	الكبريتات	$\ce{SO4^{2-}}$
الحديد (II)، الحديد (III)	$\ce{Fe^{2+}}$ ، $\ce{Fe^{3+}}$
الزنك	$\ce{Zn^{2+}}$
الألومنيوم	$\ce{Al^{3+}}$
الأمونيوم	$\ce{NH4+}$

17.2 المركبات الأيونية وصيغها

تعريف 17.4 (المركب الأيوني)

المركب الأيوني مكوّن من كاتيونات وأنيونات بأعداد تجعل المجموع غير مشحون. وتعطي صيغته نسبة الأيونات، دون شحناتها: $\ce{NaCl}$ لكلوريد الصوديوم، أي $\ce{Na+}$ واحد لكل $\ce{Cl-}$ ؛ و $\ce{CaCl2}$ لكلوريد الكالسيوم، أي اثنان من $\ce{Cl-}$ لكل $\ce{Ca^{2+}}$ .

طريقة 17.5 (كتابة صيغة المركب الأيوني)

اكتب الأيونين بشحنتيهما، الكاتيون أولًا.
جد أصغر عدد من كل منهما يجعل الشحنة الكلية صفرًا.
اكتب هذين العددين أدلةً سفلية؛ والأيون المتعدد الذرات الذي يحتاج إلى دليل سفلي يوضع بين قوسين.

أكسيد الألومنيوم: $\ce{Al^{3+}}$ و $\ce{O^{2-}}$ ؛ $2 \times (+3) + 3 \times (-2) = 0$ ، إذن $\ce{Al2O3}$ . هيدروكسيد الحديد (III): $\ce{Fe^{3+}}$ وثلاثة $\ce{OH-}$ : $\ce{Fe(OH)3}$ .

قضية 17.6 (الجسم الصلب الأيوني رصّ من الأيونات)

في بلورة الملح تتناوب أيونات الصوديوم وأيونات الكلوريد في رصّ منتظم ثلاثي الأبعاد، وكل أيون محاط بأيونات ذات شحنة معاكسة تثبته في مكانه. وحبة ملح الطعام الواحدة تحوي مليارات المليارات منها؛ وشكلها المكعب يعكس الرصّ المكعب.

طبقة واحدة من بلورة ملح: أيونات الصوديوم (بنفسجية، أصغر) وأيونات الكلوريد (خضراء) تتناوب.

17.3 المحاليل الأيونية توصل الكهرباء

ترميز 17.7 (رمز الحالة (aq))

يُميَّز الأيون أو الجزيء الذائب في الماء بالرمز (aq)، أي مائي: $\ce{Na+(aq)}$ ، $\ce{Cl-(aq)}$ .

قضية 17.8 (المحاليل الأيونية توصل الكهرباء)

حين يذوب مركب أيوني في الماء تنفصل أيوناته وتتحرك بحرية في المحلول: فالماء المالح يحوي $\ce{Na+(aq)}$ و $\ce{Cl-(aq)}$ . والأيونات المتحركة تحمل الشحنة الكهربائية، ولذلك يوصل المحلول الأيوني الكهرباء. أما محلول السكر، الذي لا تحمل جزيئاته شحنة، فلا يوصلها؛ ولا يوصلها الماء البالغ النقاء.

في المختبر — أي السوائل يوصل الكهرباء؟

يصل المعلم في دارة صفيحتين فلزيتين وبطارية منخفضة التوتر ومصباحًا صغيرًا؛ ثم تُغمس الصفيحتان بالتناوب في الماء المقطر، والماء المحلّى، والماء المالح، ومحلول كبريتات النحاس، وتُشطفان بين كل غمسة وأخرى. ولا يضيء المصباح إلا مع المحلولين الأيونيين.

اختبار التوصيل: مع الماء المالح تحمل الأيونات التيار فيضيء المصباح؛ والماء المحلّى لا يحوي أيونات فيبقى المصباح مطفأً.

17.4 اختبارات الترسيب للتعرف على الأيونات

تعريف 17.9 (الراسب)

حين يُخلط محلولان، قد يكوّن كاتيون من أحدهما وأنيون من الآخر مركبًا أيونيًا لا يذوب. فيظهر جسمًا صلبًا دقيقًا يعكّر السائل ثم يترسب: وهو الراسب. ويسمى التفاعل تفاعل ترسيب.

قضية 17.10 (اختبارات الأيونات الشائعة)

بضع قطرات من محلول كاشف تكفي للتعرف على أيون بلون الراسب الذي يكوّنه:

الأيون المبحوث عنه	الكاشف	الراسب	اللون
النحاس (II) $\ce{Cu^{2+}}$	هيدروكسيد الصوديوم	$\ce{Cu(OH)2}$	أزرق
الحديد (II) $\ce{Fe^{2+}}$	هيدروكسيد الصوديوم	$\ce{Fe(OH)2}$	أخضر
الحديد (III) $\ce{Fe^{3+}}$	هيدروكسيد الصوديوم	$\ce{Fe(OH)3}$	برتقالي بني
الزنك $\ce{Zn^{2+}}$	هيدروكسيد الصوديوم	$\ce{Zn(OH)2}$	أبيض
الألومنيوم $\ce{Al^{3+}}$	هيدروكسيد الصوديوم	$\ce{Al(OH)3}$	أبيض
الكلوريد $\ce{Cl-}$	نترات الفضة	$\ce{AgCl}$	أبيض، يسودّ في الضوء

مثال 17.11 (كتابة تفاعل ترسيب)

لا تُكتب إلا الأيونات التي تكوّن الجسم الصلب؛ أما الأيونات الأخرى فتبقى ذائبة ولا تشارك في التفاعل:

\ce{Cu^{2+}(aq) + 2OH-(aq) -> Cu(OH)2(s)}, \qquad \ce{Ag+(aq) + Cl-(aq) -> AgCl(s)}.

رواسب تتكوّن مع هيدروكسيد الصوديوم (الأنابيب الخمسة الأولى) ومع نترات الفضة (الأنبوب الأخير).

السلامة

هيدروكسيد الصوديوم: يسبب حروقًا جلدية شديدة وتلفًا للعينين، وقد يكون أكّالًا للفلزات (GHS05)؛ ويهيّج الجلد والعينين وهو مخفف (GHS07). ونترات الفضة، كاشف الكلوريد، مؤكسد وأكّال وشديد السمية للأحياء المائية. نظارات واقية وقفازات؛ ويصرف المعلم الكواشف قطرة قطرة.

طريقة 17.12 (اختبار أيون)

صب قليلًا من المحلول المراد اختباره في أنبوب اختبار.
أضف الكاشف قطرة قطرة.
سجّل لون الراسب إن ظهر وقارنه بالجدول.
استنتج، وتذكّر أن الاختبار يتعرف على أيون لا على مركب: فمحلول كلوريد الحديد (III) يعطي اختبار $\ce{Fe^{3+}}$ واختبار $\ce{Cl-}$ كليهما.

17.5 تمارين

تمرين 17.1 ★

ما الأيون؟ وما الفرق بين الكاتيون والأنيون؟

حل

حل التمرين 17.1.

ذرة أو مجموعة من الذرات فقدت إلكترونات أو اكتسبتها فصارت تحمل شحنة. والكاتيون موجب (فقد إلكترونات)، والأنيون سالب (اكتسب إلكترونات).

تمرين 17.2 ★

ذرة مغنيسيوم (12 بروتونًا) تفقد إلكترونين. اكتب صيغة الأيون المتكوّن، وأعطِ عدد بروتوناته وإلكتروناته.

حل

حل التمرين 17.2.

$\ce{Mg^{2+}}$ : 12 بروتونًا، و10 إلكترونات.

تمرين 17.3 ★

اكتب صيغ كلوريد البوتاسيوم وكلوريد المغنيسيوم وأكسيد الكالسيوم (أيون الأكسيد: $\ce{O^{2-}}$ ).

حل

حل التمرين 17.3.

$\ce{KCl}$ ، $\ce{MgCl2}$ ، $\ce{CaO}$ .

تمرين 17.4 ★

لماذا يوصل الماء المالح الكهرباء بينما لا يوصلها الماء المحلّى؟

حل

حل التمرين 17.4.

الماء المالح يحوي أيونات، $\ce{Na+(aq)}$ و $\ce{Cl-(aq)}$ ، تتحرك وتحمل الشحنة. أما جزيئات السكر فلا تحمل شحنة.

تمرين 17.5 ★★

اكتب صيغ كبريتات النحاس (II) وكلوريد الألومنيوم وكربونات الصوديوم.

حل

حل التمرين 17.5.

$\ce{CuSO4}$ ، $\ce{AlCl3}$ ، $\ce{Na2CO3}$ .

تمرين 17.6 ★★

يعطي هيدروكسيد الصوديوم المضاف إلى محلول راسبًا برتقاليًا بنيًا. أي أيون يحوي المحلول؟ اكتب معادلة تفاعل الترسيب.

حل

حل التمرين 17.6.

الحديد (III)، $\ce{Fe^{3+}}$ : $\ce{Fe^{3+}(aq) + 3OH-(aq) -> Fe(OH)3(s)}$ .

تمرين 17.7 ★★

كم إلكترونًا يحمل أيون الكبريتات $\ce{SO4^{2-}}$ زيادة على عدد بروتوناته؟ وأيون النترات $\ce{NO3-}$ ؟

حل

حل التمرين 17.7.

الكبريتات: إلكترونان زائدان. النترات: إلكترون واحد.

تمرين 17.8 ★★

يعطي محلول راسبًا أبيض مع نترات الفضة وراسبًا أزرق مع هيدروكسيد الصوديوم. سمِّ المركب الأيوني الذائب واكتب صيغته.

حل

حل التمرين 17.8.

الأبيض مع نترات الفضة: $\ce{Cl-}$ . والأزرق مع هيدروكسيد الصوديوم: $\ce{Cu^{2+}}$ . إنه كلوريد النحاس (II)، $\ce{CuCl2}$ .

تمرين 17.9 ★★

انظر إلى شكل طبقة بلورة الملح. كم جارًا ذا شحنة معاكسة لأيون في وسط الطبقة داخل هذه الطبقة؟

حل

حل التمرين 17.9.

أربعة: واحد من كل جهة (يسارًا، ويمينًا، وأعلى، وأسفل).

تمرين 17.10 ★★

اكتب معادلة ترسيب هيدروكسيد الحديد (II) من أيونات $\ce{Fe^{2+}}$ و $\ce{OH-}$ .

حل

حل التمرين 17.10.

$\ce{Fe^{2+}(aq) + 2OH-(aq) -> Fe(OH)2(s)}$ .

تمرين 17.11 ★★★

مسحوق أبيض قد يكون كلوريد الزنك أو كلوريد الصوديوم. إذا أُذيب في الماء أعطى راسبًا أبيض مع هيدروكسيد الصوديوم. فأيهما هو؟ اكتب المعادلة.

حل

حل التمرين 17.11.

كلوريد الزنك: فأيونات الصوديوم لا تعطي راسبًا مع هيدروكسيد الصوديوم، أما أيونات الزنك فتعطي راسبًا أبيض: $\ce{Zn^{2+}(aq) + 2OH-(aq) -> Zn(OH)2(s)}$ .

تمرين 17.12 ★★★

في بلورة كلوريد الكالسيوم، كم أيون كلوريد يوجد لكل 1000 أيون كالسيوم؟ تحقق من أن البلورة متعادلة.

حل

حل التمرين 17.12.

$\ce{CaCl2}$ : 2000 أيون كلوريد. والشحنات: $1000 \times (+2) + 2000 \times (-1) = 0$ .

17.6 مسألة: البئر الصدئة

مسألة 17.1

مسألة نهاية الأسبوع — بقع برتقالية في مغسلة بيت ريفي، واختباران، وعدد أيونات الحديد في لتر من ماء البئر

يترك ماء بئر بيت ريفي بقعًا برتقالية في المغسلة. فيتلقى مختبر عيّنة منه. والماء المسحوب حديثًا رائق؛ ومع هيدروكسيد الصوديوم يعطي راسبًا أخضر، يصير برتقاليًا بنيًا في أقل من ساعة عند السطح، حيث يلامس الهواء. ويقيس المختبر $0.30\,\mathrm{mg}$ من الحديد، على شكل أيونات حديد، في اللتر. خذ كتلة النوكليون $1.67 \times 10^{-27}\,\mathrm{kg}$ ، و56 نوكليونًا لذرة الحديد.

الجزء الأول — الاختبارات.

أي أيون يبيّنه الراسب الأخضر؟ أعطِ صيغة الراسب.
أي أيون يبيّنه الراسب البرتقالي البني؟ أعطِ صيغته.
يختلف أيون الحديد (II) وأيون الحديد (III) بإلكترون واحد. أيهما فيه إلكترونات أكثر؟ وكم إلكترونًا في كل منهما (الحديد: $Z = 26$ )؟
اكتب معادلة ترسيب هيدروكسيد الحديد (III).

الجزء الثاني — البقع.

في المغسلة يتعكّر الماء الرائق ببطء ويصير برتقاليًا. أي أيون يحمل الماء حين يخرج من البئر، وأي أيون ينتهي إلى حمله؟
اكتب صيغة المركب الأيوني الذي تكوّنه أيونات الحديد (III) وأيونات الهيدروكسيد، وتحقق من أنه متعادل.
هل يمكن إزالة حديد الماء بترشيح الماء لحظة خروجه من البئر؟ وبعد أن يصير برتقاليًا؟ علّل.
هل الماء الذي يحوي أيونات الحديد مادة نقية؟ وهل هو خليط متجانس؟

الجزء الثالث — عدّ الأيونات.

احسب كتلة ذرة الحديد بالكيلوغرام.
حوّل $0.30\,\mathrm{mg}$ إلى الكيلوغرام.
لماذا يجوز أن نعدّ كتلة أيون الحديد مساوية لكتلة ذرة الحديد؟
احسب عدد أيونات الحديد في لتر من ماء البئر.

حل

حل المسألة 17.1.

1. الحديد (II)، $\ce{Fe^{2+}}$ : $\ce{Fe(OH)2}$ .

2. الحديد (III)، $\ce{Fe^{3+}}$ : $\ce{Fe(OH)3}$ .

3. في $\ce{Fe^{2+}}$ إلكترون زائد: $26 - 2 = 24$ إلكترونًا، مقابل $26 - 3 = 23$ في $\ce{Fe^{3+}}$ .

4. $\ce{Fe^{3+}(aq) + 3OH-(aq) -> Fe(OH)3(s)}$ .

5. يخرج حاملًا أيونات الحديد (II)؛ وبملامسة الهواء تصير أيونات حديد (III)، تكوّن الجسم الصلب البرتقالي.

6. $\ce{Fe(OH)3}$ : $(+3) + 3 \times (-1) = 0$ .

7. ليس لحظة خروجه: فأيونات الحديد ذائبة وتمر عبر المرشِّح. أما بعد تكوّن الجسم الصلب البرتقالي فنعم: فهو راسب يحجزه المرشِّح.

8. لا: إنه خليط (ماء وأيونات ذائبة). وهو مسحوبًا حديثًا ورائقًا خليط متجانس.

9. $56 \times 1.67 \times 10^{-27} = 9.35 \times 10^{-26}\,\mathrm{kg}$ .

10. $0.30\,\mathrm{mg} = 0.30 \times 10^{-6}\,\mathrm{kg} = 3.0 \times 10^{-7}\,\mathrm{kg}$ .

11. يختلف الأيون عن الذرة بإلكترونين أو ثلاثة، كتلتها مهملة إلى جانب النواة.

12. $3.0 \times 10^{-7} / 9.35 \times 10^{-26} \approx 3.2 \times 10^{18}$ أيون حديد في اللتر.

المصطلحات المعرَّفة في هذا الفصل

عرض كل المصطلحات (852) في المسرد