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

19الفلزات: تفاعلاتها مع الأحماض وتآكلها

في الميناء، يتخطط الهيكل الفولاذي لقارب صيد قديم بصدأ برتقالي. وعلى الرصيف بوابة مكسوة بالزنك وقفت تحت المطر ثلاثين سنة ولا تزال تلمع لمعانًا رماديًا باهتًا. وفي المتحف خاتم من الذهب دُفن ثلاثة آلاف سنة يبرق كيوم صُنع. فالفلزات لا تواجه العالم كلها بالطريقة نفسها: بعضها يهاجمه الماء والهواء والأحماض، وبعضها لا يكاد يتأثر.

ما تعرفه من قبل

الأيونات ذرات مشحونة؛ والفلزات تعطي كاتيونات مثل $\ce{Fe^{2+}}$ و $\ce{Zn^{2+}}$ و $\ce{Al^{3+}}$ ، يُتعرّف عليها باختبارات الترسيب (الفصل 17). والمحلول الحمضي يحوي أيونات $\ce{H+(aq)}$ كثيرة (الفصل 18). والهيدروجين يحترق بفرقعة حادة عند فوهة أنبوب الاختبار (الفصل 10).

19.1 الفلزات في حمض الهيدروكلوريك

في المختبر — ثلاثة فلزات في حمض

يُسقط المعلم قطعة صغيرة من الحديد، وأخرى من الزنك، وثالثة من النحاس في ثلاثة أنابيب اختبار فيها حمض الهيدروكلوريك المخفف. فتصعد الفقاعات من الحديد والزنك، ببطء من الحديد، وبنشاط من الزنك، ويختفي الفلزان شيئًا فشيئًا؛ ولا يحدث شيء للنحاس. والغاز، إذا جُمع في أنبوب صغير، يُحدث فرقعة حادة: إنه الهيدروجين. ومع هيدروكسيد الصوديوم يعطي سائل الأنبوب الأول راسبًا أخضر (أيونات $\ce{Fe^{2+}}$ )، وسائل الثاني راسبًا أبيض (أيونات $\ce{Zn^{2+}}$ ).

الحديد والزنك والنحاس في حمض الهيدروكلوريك المخفف: الحديد والزنك يطلقان الهيدروجين؛ والنحاس لا يتفاعل.

قضية 19.1 (فلز مع حمض)

كثير من الفلزات — الحديد، والزنك، والألومنيوم، والمغنيسيوم — يتفاعل مع أيونات $\ce{H+}$ في الحمض: فيختفي الفلز على هيئة أيونات فلزية تبقى ذائبة، وينطلق غاز الهيدروجين. أما النحاس والفضة والذهب فلا تتفاعل مع حمض الهيدروكلوريك.

19.2 كتابة المعادلة بالأيونات

تعريف 19.2 (الأيون المتفرج)

الأيون الموجود في المحلول في أثناء التفاعل دون أن يشارك فيه، والذي نجده في النهاية دون تغيير، هو أيون متفرج. ولا يُكتب في المعادلة.

مثال 19.3 (الحديد والزنك في حمض الهيدروكلوريك)

يحوي حمض الهيدروكلوريك أيونات $\ce{H+(aq)}$ و $\ce{Cl-(aq)}$ . ونجد أيونات الكلوريد في النهاية دون تغيير: فهي أيونات متفرجة. والمعادلتان هما

\ce{Fe(s) + 2H+(aq) -> Fe^{2+}(aq) + H2(g)}, \qquad \ce{Zn(s) + 2H+(aq) -> Zn^{2+}(aq) + H2(g)}.

وهما موزونتان في الذرات وفي الشحنات معًا: $+2$ في كل طرف.

طريقة 19.4 (كتابة معادلة تفاعل فلز مع حمض)

المتفاعلات: الفلز (s) وأيونات $\ce{H+(aq)}$ .
النواتج: أيون الفلز (aq)، بشحنته المعتادة، والهيدروجين $\ce{H2(g)}$ .
وازن الذرات، ثم تحقق من أن الشحنة الكلية واحدة في الطرفين.

وللألومنيوم: $\ce{2Al(s) + 6H+(aq) -> 2Al^{3+}(aq) + 3H2(g)}$ ؛ والشحنة $+6$ في كل طرف.

السلامة

الهيدروجين المنطلق شديد القابلية للاشتعال. ويُجري المعلم التفاعل في أنابيب اختبار صغيرة، بعيدًا عن أي لهب ما عدا اللهب المستعمل في اختبار الفرقعة.

19.3 التآكل

تعريف 19.5 (التآكل والصدأ)

التآكل هجوم بطيء على فلز من المواد المحيطة به — الأكسجين، والماء، والأحماض، والأملاح — يحوّل الفلز إلى أيونات أو إلى مركبات مثل الأكاسيد. وتآكل الحديد والفولاذ يُنتج الصدأ، وهو أكسيد حديد مميّه بني هشّ، يتقشر فيسمح للهجوم بأن يمضي إلى الأعمق.

قضية 19.6 (ما يحتاجه الحديد ليصدأ)

لا يصدأ الحديد إلا إذا وصل إليه الأكسجين والماء معًا. والملح الذائب في الماء، كما على الطرق المملّحة في الشتاء أو عند البحر، يسرّع الصدأ.

في المختبر — ثلاثة مسامير، أسبوع واحد

توضع ثلاثة مسامير حديد نظيفة في ثلاثة أنابيب اختبار: الأول مع هواء جاف ومادة مجففة تزيل بخار الماء؛ والثاني في ماء مغلي لإزالة الهواء الذائب فيه، تغطيه طبقة من الزيت؛ والثالث نصفه في ماء الصنبور ونصفه في الهواء. وبعد أسبوع لا يكون صدئًا إلا المسمار الثالث.

تجربة المسامير الثلاثة: لا يصدأ الحديد إلا حيث يصل إليه الماء والأكسجين معًا، وهنا عند سطح الماء.

مثال 19.7 (الألومنيوم والنحاس يحميان نفسيهما)

يهاجم أكسجين الهواء الألومنيوم في الحال، لكن طبقة الأكسيد الرقيقة المتكوّنة تلتصق بالفلز وتعزله عن الهواء: فأطر النوافذ الألومنيوم تدوم عقودًا. والنحاس، الذي يهاجمه الهواء والماء وثنائي أكسيد الكربون ببطء، يتغطى بقشرة خضراء، هي الزنجار، تلتصق هي أيضًا وتحمي الفلز تحتها. أما الصدأ فيتقشر على العكس.

تمثال الحرية: جلده النحاسي مغطى بزنجار أخضر. تصوير: Elcobbola، ملك عام.

19.4 حماية الفلزات

تعريف 19.8 (الغلفنة)

الغلفنة كسو الفولاذ بطبقة من الزنك، بغمسه في الزنك المنصهر. فالهواء والماء يهاجمان الزنك بدلًا من الفولاذ الذي تحته: وحتى حيث يُخدش الغلاف يتآكل الزنك المجاور أولًا ويسلم الفولاذ.

قضية 19.9 (طرائق حماية الحديد والفولاذ)

إبعاد الماء والهواء: الطلاء، والزيت، والشحم، والغلاف البلاستيكي؛
الغلفنة: طبقة من الزنك تتآكل بدلًا من الفولاذ؛
استعمال الفولاذ المقاوم للصدأ، وهو سبيكة من الحديد والكروم تحمي نفسها بطبقة أكسيد رقيقة عازلة؛
تثبيت كتل من الزنك على هياكل السفن: فيتآكل الزنك ببطء بدلًا من الفولاذ، ويُستبدل من حين إلى آخر (ويُشرح كيف يحدث ذلك في أحد كتب المرحلة الجامعية).

19.5 تمارين

تمرين 19.1 ★

أي غاز ينطلق حين يتفاعل الزنك مع حمض الهيدروكلوريك؟ وكيف يُتعرّف عليه؟

حل

حل التمرين 19.1.

الهيدروجين: عود مشتعل عند فوهة الأنبوب يُحدث فرقعة حادة.

تمرين 19.2 ★

أي هذه الفلزات يتفاعل مع حمض الهيدروكلوريك المخفف: الحديد، والنحاس، والزنك، والذهب، والألومنيوم؟

حل

حل التمرين 19.2.

الحديد والزنك والألومنيوم تتفاعل؛ أما النحاس والذهب فلا.

تمرين 19.3 ★

ماذا يحتاج الحديد ليصدأ؟

حل

حل التمرين 19.3.

الأكسجين والماء معًا.

تمرين 19.4 ★

ما الأيون المتفرج؟ سمِّ الأيون المتفرج حين يتفاعل الحديد مع حمض الهيدروكلوريك.

حل

حل التمرين 19.4.

أيون موجود في أثناء التفاعل لا يشارك فيه. ومع حمض الهيدروكلوريك: أيون الكلوريد $\ce{Cl-}$ .

تمرين 19.5 ★★

اكتب معادلة تفاعل المغنيسيوم مع أيونات $\ce{H+}$ في حمض (أيون المغنيسيوم هو $\ce{Mg^{2+}}$ ). وتحقق من الشحنات.

حل

حل التمرين 19.5.

$\ce{Mg(s) + 2H+(aq) -> Mg^{2+}(aq) + H2(g)}$ ؛ والشحنة $+2$ في كل طرف.

تمرين 19.6 ★★

بعد أن يتفاعل الحديد مع حمض الهيدروكلوريك، كيف تبيّن أن المحلول يحوي أيونات الحديد (II)؟

حل

حل التمرين 19.6.

أضف هيدروكسيد الصوديوم: فراسب أخضر من $\ce{Fe(OH)2}$ يبيّن أيونات الحديد (II).

تمرين 19.7 ★★

انظر إلى شكل المسامير الثلاثة. لماذا يُغلى ماء الأنبوب الثاني ويُغطى بالزيت؟

حل

حل التمرين 19.7.

الغليان يزيل الهواء الذائب في الماء، والزيت يمنع الهواء من أن يذوب فيه من جديد: فيكون للمسمار ماء بلا أكسجين.

تمرين 19.8 ★★

لماذا تصدأ السيارة أسرع في مدينة تُملَّح طرقها في الشتاء؟

حل

حل التمرين 19.8.

الملح الذائب في الماء الذي يتناثر على السيارة يسرّع الصدأ.

تمرين 19.9 ★★

لماذا لا تتآكل أطر النوافذ الألومنيوم بالصدأ، مع أن الألومنيوم يتفاعل مع أكسجين الهواء؟

حل

حل التمرين 19.9.

طبقة الأكسيد المتكوّنة تلتصق بالفلز وتعزله عن الهواء: فيتوقف الهجوم عند السطح.

تمرين 19.10 ★★

أعطِ ثلاث طرائق لحماية هيكل دراجة من الفولاذ من الصدأ.

حل

حل التمرين 19.10.

اطلِه، أو زيّته أو شحّمه، أو غلفنه (أو اصنعه من الفولاذ المقاوم للصدأ).

تمرين 19.11 ★★★

اكتب معادلة تفاعل الألومنيوم مع أيونات $\ce{H+}$ في حمض وتحقق منها. وكم جزيء هيدروجين يتكوّن لكل 200 ذرة ألومنيوم؟

حل

حل التمرين 19.11.

$\ce{2Al(s) + 6H+(aq) -> 2Al^{3+}(aq) + 3H2(g)}$ : 2 Al و6 H في كل طرف، والشحنة $+6$ في كل طرف. ولكل 200 ذرة Al: $200 \times \frac{3}{2} = 300$ جزيء هيدروجين.

تمرين 19.12 ★★★

دلو من الفولاذ المغلفن خُدش حتى ظهر الفولاذ. اشرح لماذا لا يصدأ الفولاذ في قعر الخدش مدة طويلة.

حل

حل التمرين 19.12.

يتآكل الزنك المحيط بالخدش بدلًا من الفولاذ: فما دام في الجوار زنك يسلم الفولاذ.

19.6 مسألة: ما سُمك الزنك؟

مسألة 19.1

مسألة نهاية الأسبوع — إذابة غلاف الزنك عن صفيحة مغلفنة لمعرفة سُمكه

صفيحة من الفولاذ المغلفن، مربعة طول ضلعها $10.0\,\mathrm{cm}$ ، مكسوة بالزنك على وجهيها (وتُهمل الحواف). في المختبر يزنها المعلم، $125.6\,\mathrm{g}$ ، ثم يغمسها في حمض الهيدروكلوريك المضاف إليه مادة تمنع الحمض من مهاجمة الفولاذ. وحين يتوقف الفوران تُشطف الصفيحة وتُجفف وتوزن من جديد: $113.5\,\mathrm{g}$ . وكتلة $1\,\mathrm{cm}^{3}$ من الزنك $7.13\,\mathrm{g}$ .

الجزء الأول — التفاعل.

اكتب معادلة تفاعل الزنك مع أيونات $\ce{H+}$ في الحمض.
أي غاز يسبب الفوران؟ صف اختباره.
أي اختبار يبيّن أيونات الزنك في المحلول بعد ذلك؟
سمِّ الأيونات المتفرجة.

الجزء الثاني — الزنك.

ما كتلة الزنك التي ذابت؟
لماذا يكون الفوران علامة على أن الزنك لم يذب كله بعد؟
ماذا كان سيحدث للفولاذ لو لم يحوِ الحمض تلك المادة المضافة؟ وأي اختبار كان سيبيّن ذلك؟
لماذا يحمي الزنك فولاذ الصفيحة ما دام موجودًا؟

الجزء الثالث — السُّمك.

ما المساحة الكلية المكسوة من الصفيحة، بوحدة $\mathrm{cm}^{2}$ ؟
ما الحجم الذي كان يشغله الزنك؟
استنتج سُمك طبقة الزنك بالسنتيمتر.
عبّر عن هذا السُّمك بالميكرومتر ( $1\,\mathrm{cm}$ $= 10\,000\,\text{µ}\mathrm{m}$ ).

حل

حل المسألة 19.1.

1. $\ce{Zn(s) + 2H+(aq) -> Zn^{2+}(aq) + H2(g)}$ .

2. الهيدروجين: فرقعة حادة مع عود مشتعل.

3. هيدروكسيد الصوديوم يعطي راسبًا أبيض من $\ce{Zn(OH)2}$ .

4. أيونات الكلوريد $\ce{Cl-}$ .

5. $125.6 - 113.5 = 12.1\,\mathrm{g}$ .

6. ينطلق الهيدروجين ما دام الزنك يتفاعل مع الحمض؛ فإذا لم يبقَ زنك توقف الفوران.

7. كان حديد الفولاذ سيتفاعل هو أيضًا، فيعطي الهيدروجين وأيونات $\ce{Fe^{2+}}$ ؛ وكان هيدروكسيد الصوديوم سيعطي عندئذ راسبًا أخضر.

8. يُهاجَم الزنك بدلًا من الفولاذ، ويُبعد عنه الماء والهواء.

9. $2 \times 10.0 \times 10.0 = 200\,\mathrm{cm}^{2}$ .

10. $12.1 \div 7.13 \approx 1.70\,\mathrm{cm}^{3}$ .

11. $1.70 \div 200 = 0.0085\,\mathrm{cm}$ .

12. $0.0085 \times 10\,000 = 85\,\text{µ}\mathrm{m}$ : فكان سُمك طبقة الزنك نحو $85\,\text{µ}\mathrm{m}$ .

المصطلحات المعرَّفة في هذا الفصل

عرض كل المصطلحات (852) في المسرد