28الفئة p (2): الأكسجين والهالوجينات والغازات النبيلة

يُصنع حمض الكبريتيك بحمولة تفوق أي مادة كيميائية أخرى: فهو يذيب صخر الفوسفات من أجل الأسمدة، ويرشّح خامات النحاس واليورانيوم، ويكرّر النفط ويملأ بطاريات السيارات، وطوال قرن كان إنتاج حمض الكبريتيك مقياسًا تقريبيًا لصناعة البلد. ويأتي معظم كبريته اليوم من تنقية الغاز الطبيعي والنفط؛ وما زال بعضه يُحمل باليد من فوهات البراكين. ويقع الكبريت في الزمرة 16 تحت الأكسجين؛ وتُكمل هالوجينات الزمرة 17 والغازات النبيلة في الزمرة 18 الفئة p. يتتبع هذا الفصل الأكسجين والكبريت من العنصر إلى الحمض، ويرتّب الهالوجينات مؤكسداتٍ بجهودها المعيارية، وينتهي بالمركبات التي تكوّنها فعلًا الغازات النبيلة المفترض أنها خاملة.

ما تعرفه من قبل

بنى لويس، والثمانيات الموسَّعة وأشكال VSEPR (الفصل 3)؛ والجهود المعيارية (الفصل 13)؛ وعدم تناسب الكلور ومخطط الجهد–pH للكلور (الفصل 14)؛ والحفز (الفصل 9). وقد جمع المجلد المدرسي (الصف العاشر) الهالوجينات والغازات النبيلة في عائلات.

28.1 الأكسجين والأوزون وفوق الأكاسيد

تعريف 28.1 (الكالكوجينات)

الكالكوجينات هي عناصر الزمرة 16 (O، S، Se، Te، Po)، ولها ستة إلكترونات تكافؤ ns$^2$np$^4$. وتكوّن مركبات بأعداد أكسدة من $-$II (الأكاسيد، والكبريتيدات) إلى $+$VI (الكبريتات)، ولا تكون الأعداد العليا إلا للكبريت وما تحته.

يوجد الأكسجين على هيئة ثنائي الأكسجين $\ce{O2}$ وعلى هيئة الأوزون $\ce{O3}$، وهو جزيء منحنٍ له بنيتا رنين (الفصل 3). والأوزون مؤكسد أقوى من ثنائي الأكسجين: $E^\circ(\ce{O3}/\ce{O2}) = 2.07$ V مقابل 1.23 V للمزدوجة $\ce{O2}/\ce{H2O}$. وفي الطبقات العليا من الجو يمتص الأشعة فوق البنفسجية؛ وقرب الأرض هو ملوِّث. وفوق أكسيد الهيدروجين، ذو الرابطة $\ce{O-O}$ والأكسجين عند $-$I، مؤكسد ومختزل معًا ويخضع لعدم تناسب بطيء (التمرين 13.12).

مثال 28.2 (أعداد أكسدة الأكسجين)

الأكسجين، الذي لا يسبقه في الكهرسلبية إلا الفلور، يكون عند $-$II في كل مركباته تقريبًا: الماء، والأكاسيد، والهيدروكسيدات، والكبريتات. والاستثناءات تنبع من القاعدة التي تعطي الإلكترونات المشتركة للشريك الأكثر كهرسلبية وتقسمها بالتساوي بين الذرات المتماثلة. ففي فوق أكسيد الهيدروجين $\ce{H2O2}$، H–O–O–H، تأخذ كل ذرة أكسجين إلكتروني رابطتها $\ce{O-H}$ لكنها تتقاسم زوج $\ce{O-O}$: $-$I. وفي الأكسيد الفائق للبوتاسيوم $\ce{KO2}$، يحمل الأيون $\ce{O2-}$ شحنة واحدة لذرتين: $-\frac12$ في المتوسط. وفي ثنائي فلوريد الأكسجين $\ce{OF2}$، يكسب الفلور الرابطتين كلتيهما فيكون الأكسجين عند $+$II. وفي $\ce{O2}$ و$\ce{O3}$ يكون عند 0. ولا تكون إلا الحالة $-$II ثابتة تجاه الماء؛ أما فوق الأكاسيد والأكاسيد الفائقة فمؤكسدات، و$\ce{OF2}$ عامل فلورة.

28.2 الكبريت وحمض الكبريتيك

يكوّن الكبريت، بخلاف الأكسجين، حلقات وسلاسل من الروابط الأحادية $\ce{S-S}$: فالكبريت العادي مكوّن من حلقات $\ce{S8}$. ويحترق فيعطي ثنائي أكسيد الكبريت، وهو جزيء منحنٍ (الزاوية O–S–O تساوي $119.5{}^{\circ}$)، يمكن أن يتأكسد أكثر إلى ثلاثي أكسيد الكبريت، المثلثي المستوي. وكلاهما أكسيد حمضي: $\ce{SO2}$ يعطي حمض الكبريتوز ($\mathrm{p}K_a$ تساوي 1.77 و7.22)، و$\ce{SO3}$ حمض الكبريتيك.

قضية 28.3 (خطوات طريقة التلامس)

يُصنع حمض الكبريتيك من الكبريت في أربع خطوات: (1) $\ce{S + O2 -> SO2}$؛ (2) $\ce{2SO2 + O2 <=> 2SO3}$، على حفّاز من أكسيد الفاناديوم(V)؛ (3) $\ce{SO3 + H2SO4 -> H2S2O7}$ (الأوليوم)، إذ يُمتص ثلاثي الأكسيد في حمض مركّز؛ (4) $\ce{H2S2O7 + H2O -> 2H2SO4}$. وإجمالًا، $\ce{2S + 3O2 + 2H2O -> 2H2SO4}$.

قضية 28.4 (قوة حمض الكبريتيك)

في الماء، تكون الحمضية الأولى لحمض الكبريتيك قوية (تامة)، والثانية ضعيفة: $\mathrm{p}K_a(\ce{HSO4-}/\ce{SO4^2-}) = 1.99$. فمحلول تركيزه $0.010\,\mathrm{mol}/\mathrm{L}$ لا يكون إذن عند pH يساوي 1.70 (بروتونان) ولا عند 2.00 (بروتون واحد)، بل بينهما.

وحمض الكبريتيك المركّز عامل نزع ماء قوي أيضًا (فهو يفحّم السكر، آخذًا منه عناصر الماء)، وهو، ساخنًا، مؤكسد. وتخفيفه يطلق حرارة كبيرة: فيُصب الحمض دائمًا في الماء، لا العكس أبدًا. ومعظم كبريت العالم، نحو 84 مليون طن سنة 2025، يُسترجع من كبريتيد الهيدروجين في الغاز الطبيعي وتيارات المصافي، وينتهي معظمه حمضَ كبريتيك.

طريقة 28.5 (حصيلة الكتلة عبر طريقة التلامس)

1. استعمل المعادلة الإجمالية: جزيء $\ce{H2SO4}$ واحد لكل ذرة S.
2. صحّح بنسبة التحول في الخطوة 2 (كسر $\ce{SO2}$ المؤكسد) وبالخسائر في الامتصاص.
3. ومن أجل الهواء: احسب $\ce{O2}$ اللازم (ثلاثة أنصاف لكل S) واقسمه على كسره في الهواء.

مثال 28.6 (مصنع يحرق ألف طن من الكبريت يوميًا)

يحرق مصنع $1000\,\mathrm{t}$ من الكبريت يوميًا، ويحوّل $99.0\,\%$ من $\ce{SO2}$ ويمتص $99.9\,\%$ من $\ce{SO3}$. عندئذ $n(\ce{S}) = 1000 \times 10^{6}/32.1 = 3.12 \times 10^{7}\,\mathrm{mol}$ و$n(\ce{H2SO4}) = 3.12 \times 10^{7} \times 0.990 \times 0.999 = 3.08 \times 10^{7}\,\mathrm{mol}$، أي $3.08 \times 10^{7} \times 98.1\,\mathrm{g} = 3020\,\mathrm{t}$ من الحمض يوميًا. والنسبة غير المحوَّلة $1.0\,\%$ تغادر على هيئة $\ce{SO2}$: $3.1 \times 10^{5}\,\mathrm{mol}$، أي $20\,\mathrm{t}$ يوميًا، يجب إزالتها من غاز الذيل. وثنائي الأكسجين اللازم $1.5 \times 3.12 \times 10^{7} = 4.67 \times 10^{7}\,\mathrm{mol}$؛ والهواء، الذي فيه $21\,\%$ من $\ce{O2}$، يساوي $2.23 \times 10^{8}\,\mathrm{mol}$، أي $V = nRT/p = 5.5 \times 10^{6}\,\mathrm{m}^{3}$ يوميًا عند $25\,{}^{\circ}\mathrm{C}$ و$1\,\mathrm{bar}$، قبل الفائض الذي ينفخه المصنع فعلًا.

28.3 الهالوجينات

تعريف 28.7 (الهالوجينات)

الهالوجينات هي عناصر الزمرة 17 (F، Cl، Br، I، At)، ولها سبعة إلكترونات تكافؤ ns$^2$np$^5$. وتوجد على هيئة جزيئات ثنائية الذرة $\ce{X2}$ وتكوّن أيونات هاليد $\ce{X-}$.

قضية 28.8 (القدرة المؤكسدة للهالوجينات)

الهالوجينات مؤكسدات تتناقص قوتها نزولًا في الزمرة: $E^\circ(\ce{F2}/\ce{F-}) = 2.89$ V، $\ce{Cl2}/\ce{Cl-}$ 1.36 V، $\ce{Br2}/\ce{Br-}$ 1.08 V، $\ce{I2}/\ce{I-}$ 0.53 V. وكل هالوجين يؤكسد أيونات الهاليد التي تحته في الزمرة.

هاليدات الهيدروجين كلها أحماض في الماء، لكن $\ce{HF}$ ضعيف ($\mathrm{p}K_a$ يساوي 3.16) بينما $\ce{HCl}$ و$\ce{HBr}$ و$\ce{HI}$ قوية: فالرابطة $\ce{H-F}$ قوية جدًا وأيون الفلوريد الصغير مرتبط بروابط هيدروجينية قوية. والفلور أكثر العناصر كهرسلبية وأقوى مؤكسد في الجدول؛ ولا يُحصل عليه إلا بالتحليل الكهربائي. وأحماض الكلور الأكسجينية — تحت الكلوروز $\ce{HClO}$، والكلوريك $\ce{HClO3}$، والبيركلوريك $\ce{HClO4}$ — تزداد قوة بعدد ذرات الأكسجين غير الحاملة للهيدروجين، كما في كل الأحماض الأكسجينية (التعريف 27.1)؛ وقد رُسمت علاقاتها مع الكلوريد والكلور في الفصل 14.

تعريف 28.9 (المركبات بين الهالوجينية)

المركب بين الهالوجيني مركب من هالوجينين مختلفين: $\ce{ICl}$، $\ce{BrF3}$، $\ce{ClF3}$، $\ce{IF7}$. والهالوجين الأكبر والأقل كهرسلبية هو الذرة المركزية، بثمانية موسَّعة في $\ce{ClF3}$ وما بعده.

في المختبر — تداول الهالوجينات

الكلور سام ولا يُحضَّر إلا بكميات صغيرة في خزانة غازات؛ والبروم يحرق الجلد ويهاجم بخاره الرئتين، ولا يُستعمل إلا مخففًا، في خزانة غازات، مع القفازات والنظارات، ومحلول ثيوكبريتات الصوديوم في متناول اليد لهدم ما ينسكب ($\ce{4Br2 + S2O3^2- + 5H2O -> 8Br- + 2SO4^2- + 10H+}$). واليود أخف الثلاثة، لكنه يبقّع ويتسامى؛ ويُحفظ في قارورة مغلقة.

28.4 الغازات النبيلة ومركباتها

للغازات النبيلة (He، Ne، Ar، Kr، Xe، Rn) طبقات تكافؤ ممتلئة وأعلى طاقات تأين في دوراتها (الفصل 2). وقد ظُن طويلًا أنها خاملة، لكن الأثقل منها، التي إلكتروناتها الخارجية أقل ارتباطًا، تتفاعل فعلًا مع أكثر العناصر كهرسلبية: فالزينون يعطي $\ce{XeF2}$ و$\ce{XeF4}$ و$\ce{XeF6}$ وأكاسيد. وأشكالها تتبع قواعد VSEPR مع أزواج حرة على الزينون.

مثال 28.10 (لماذا الزينون، لا الأرغون)

تنخفض طاقات التأين الأولى للغازات النبيلة نزولًا في الزمرة: He 24.59، Ne 21.56، Ar 15.76، Kr 14.00، Xe 12.13، Rn 10.75 eV. وطاقة تأين ثنائي الأكسجين، $\ce{O2 -> O2+ + e-}$، تساوي 12.07 eV، أي تكاد تساوي طاقة تأين الزينون. فالمؤكسد القوي بما يكفي لانتزاع إلكترون من $\ce{O2}$، فيعطي كاتيون ثنائي الأكسجينيل $\ce{O2+}$، ينبغي إذن أن يؤكسد الزينون أيضًا، لا الأرغون، الذي يتمسك بإلكترونه بقوة تزيد بمقدار 3.7 eV. ويتفاعل الزينون فعلًا مع المؤكسد البالغ القوة سداسي فلوريد البلاتين $\ce{PtF6}$، فيعطي صلبًا تركيبه الإجمالي $\ce{XePtF6}$، ومع الفلور نفسه، الذي يعطي فلوريدات الزينون في الجدول أدناه. أما الرادون، الأسهل تأينًا، فهو شديد الإشعاع إلى حد لا يسمح بإجراء كثير من الكيمياء عليه.

الجزيء	الأزواج الإلكترونية حول الذرة المركزية	الشكل	الزاوية المقيسة
$\ce{SO2}$	مجالان رابطان + زوج حر واحد	منحنٍ	$119.5{}^{\circ}$
$\ce{SF6}$	6 أزواج رابطة	ثماني الأوجه	$90{}^{\circ}$
$\ce{ClF3}$	3 أزواج رابطة + زوجان حران	على شكل T	$87.5{}^{\circ}$
$\ce{XeF2}$	زوجان رابطان + 3 أزواج حرة	خطي	$180{}^{\circ}$
$\ce{XeF4}$	4 أزواج رابطة + زوجان حران	مربع مستوٍ	$90{}^{\circ}$

الأرغون، الذي يشكّل نحو واحد بالمئة من الهواء، يحمي المواد النشطة في المختبرات واللحام؛ والهيليوم، المستخرج من الغاز الطبيعي، يبرّد المغانط فائقة الموصلية، مثل مغانط مطيافات الرنين المغناطيسي النووي (الفصل 17).

28.5 تمارين

تمرين 28.1 ★

أعطِ عدد أكسدة الكبريت في $\ce{H2S}$، و$\ce{S8}$، و$\ce{SO2}$، و$\ce{SO3^2-}$، و$\ce{SO4^2-}$، و$\ce{S2O3^2-}$ (في المتوسط) و$\ce{H2S2O7}$.

حل

حل التمرين 28.1.

$\ce{H2S}$ $-$II؛ $\ce{S8}$ 0؛ $\ce{SO2}$ $+$IV؛ $\ce{SO3^2-}$ $+$IV؛ $\ce{SO4^2-}$ $+$VI؛ $\ce{S2O3^2-}$ $+$II في المتوسط؛ $\ce{H2S2O7}$ $+$VI.

تمرين 28.2 ★

أي هذه التفاعلات يحدث: الكلور مع يوديد البوتاسيوم؛ واليود مع بروميد الصوديوم؛ والبروم مع كلوريد الصوديوم؛ والكلور مع بروميد الصوديوم؟ اكتب التفاعلات التي تحدث.

حل

حل التمرين 28.2.

الهالوجين يؤكسد الهاليدات التي تحته: $\ce{Cl2 + 2I- -> 2Cl- + I2}$ و$\ce{Cl2 + 2Br- -> 2Cl- + Br2}$ يحدثان؛ أما اليود مع البروميد والبروم مع الكلوريد فلا.

تمرين 28.3 ★

ارسم بنى لويس للجزيئات $\ce{SO2}$ و$\ce{SO3}$ و$\ce{O3}$، مع بنى الرنين لها، وأعطِ أشكالها.

حل

حل التمرين 28.3.

$\ce{SO2}$: الكبريت بزوج حر، ورابطة S=O ورابطة $\ce{S+-O-}$ في كل من بنيتي الرنين (أو رابطتان S=O مع ثمانية موسَّعة): منحنٍ. $\ce{SO3}$: مثلثي مستوٍ، بثلاث روابط S–O متكافئة. $\ce{O3}$: ذرة O مركزية بزوج حر، ورابطة O=O ورابطة O–O$^-$، وبنيتا رنين: منحنٍ.

تمرين 28.4 ★

اكتب تفاعلات $\ce{SO2}$ و$\ce{SO3}$ مع الماء ومع هيدروكسيد الصوديوم.

حل

حل التمرين 28.4.

$\ce{SO2 + H2O <=> H2SO3}$؛ $\ce{SO2 + 2NaOH -> Na2SO3 + H2O}$؛ $\ce{SO3 + H2O -> H2SO4}$؛ $\ce{SO3 + 2NaOH -> Na2SO4 + H2O}$.

تمرين 28.5 ★★

احسب pH لمحلول حمض الهيدروفلوريك تركيزه $0.10\,\mathrm{mol}/\mathrm{L}$ وقارنه بحمض الهيدروكلوريك بالتركيز نفسه. وفسّر الفرق.

حل

حل التمرين 28.5.

HF: $x^2/(0.10 - x) = 10^{-3.16}$، $x = 8.0 \times 10^{-3}\,\mathrm{mol}/\mathrm{L}$، أي pH يساوي 2.10. HCl: pH يساوي 1.00. فالرابطة H–F قوية وأيون الفلوريد مرتبط بقوة بروابط هيدروجينية: فيكون HF حمضًا ضعيفًا.

تمرين 28.6 ★★

توقّع بنموذج VSEPR أشكال $\ce{BrF5}$، و$\ce{IF7}$ (سبعة أزواج رابطة، ثنائي هرم خماسي)، و$\ce{ICl4-}$ و$\ce{XeO3}$.

حل

حل التمرين 28.6.

$\ce{BrF5}$: خمس روابط وزوج حر واحد، هرمي مربع القاعدة. $\ce{IF7}$: ثنائي هرم خماسي. $\ce{ICl4-}$: أربع روابط وزوجان حران، مربع مستوٍ. $\ce{XeO3}$: ثلاث روابط وزوج حر واحد، هرمي مثلثي.

تمرين 28.7 ★★

احسب ثابت التفاعل $\ce{Cl2 + 2I- -> 2Cl- + I2}$ وبيّن لماذا يحوّل ماء الكلور ورق النشا–اليوديد إلى الأزرق.

حل

حل التمرين 28.7.

$\log K = 2(1.36 - 0.53)/0.059 = 28$. ويكوّن اليود المحرَّر المعقد الأزرق الداكن مع النشا.

تمرين 28.8 ★★

بيّن أن الأوزون يستطيع أكسدة أيونات اليوديد إلى اليود واكتب التفاعل في الوسط الحمضي. ولماذا يُستعمل هذا لقياس الأوزون؟

حل

حل التمرين 28.8.

$E^\circ(\ce{O3}/\ce{O2}) = 2.07 > 0.53$ V: $\ce{O3 + 2I- + 2H+ -> O2 + I2 + H2O}$. ويُعاير اليود المتكوّن بالثيوكبريتات (التمرين 13.7): جزيء $\ce{I2}$ واحد لكل $\ce{O3}$.

تمرين 28.9 ★★

يفحّم حمض الكبريتيك المركّز السكروز، $\ce{C12H22O11}$. اكتب نزع الماء إلى الكربون واحسب كتلة الكربون من $10.0\,\mathrm{g}$ من السكر.

حل

حل التمرين 28.9.

$\ce{C12H22O11 -> 12C + 11H2O}$؛ $M = 342.0\,\mathrm{g}/\mathrm{mol}$، $10.0/342.0 = 0.0292\,\mathrm{mol}$، والكربون $0.0292 \times 12 \times 12.0 = 4.21\,\mathrm{g}$.

تمرين 28.10 ★★★

احسب pH لمحلول حمض الكبريتيك تركيزه $0.10\,\mathrm{mol}/\mathrm{L}$، آخذًا الحمضية الثانية في الحسبان ($\mathrm{p}K_a = 1.99$). وكم تضيف الحمضية الثانية؟

حل

حل التمرين 28.10.

$x(0.10 + x)/(0.10 - x) = 10^{-1.99}$: $x = 8.6 \times 10^{-3}\,\mathrm{mol}/\mathrm{L}$، $[\ce{H3O+}] = 0.1086$، $\mathrm{pH} = 0.96$ بدل 1.00: فالحمضية الثانية تضيف نحو $9\,\%$ إلى $[\ce{H3O+}]$.

تمرين 28.11 ★★★

مستعينًا بالجهود، فسّر لماذا لا يمكن تحضير الفلور بأكسدة الفلوريد بأي مؤكسد كيميائي في الماء، ولماذا يجب صنعه بالتحليل الكهربائي لفلوريد منصهر، لا لمحلول مائي.

حل

حل التمرين 28.11.

تقع المزدوجة $\ce{F2}/\ce{F-}$ (2.89 V) فوق كل المزدوجات الأخرى: فلا يستطيع أي مؤكسد أن يأخذ الإلكترون من الفلوريد. وفي التحليل الكهربائي المائي، يتفاعل الماء بدلًا منه، إذ يتأكسد عند جهد أدنى بكثير ($\ce{O2}/\ce{H2O}$، 1.23 V)؛ أما الفلوريد المنصهر فلا ماء فيه.

تمرين 28.12 ★★★

اليود قليل الذوبان في الماء لكنه يذوب في محلول يوديد البوتاسيوم على هيئة أيون ثلاثي اليوديد $\ce{I3-}$. مستعملًا طاقات جيبس للتكوّن لكل من $\ce{I2(aq)}$ ($\Delta_f G^\circ = 16.40\,\mathrm{kJ}/\mathrm{mol}$)، و$\ce{I-}$ ($-51.57$) و$\ce{I3-}$ ($-51.4$)، احسب ثابت التفاعل $\ce{I2 + I- <=> I3-}$.

حل

حل التمرين 28.12.

$\Delta_r G^\circ = -51.4 - (16.40 - 51.57) = -16.2\,\mathrm{kJ}/\mathrm{mol}$، $\log K = 16.2/5.708 = 2.84$، $K = 7 \times 10^2$.

28.6 مسألة: طن واحد من الكبريت

مسألة 28.1

مسألة نهاية الأسبوع — حرق الكبريت، والأكسدة الحفزية لثنائي أكسيد الكبريت، والامتصاص والأوليوم، والحمضية الثانية لحمض الكبريتيك، وكتلة الحمض المصنوع من طن واحد من الكبريت

يحرق مصنع لحمض الكبريتيك كبريتًا مسترجعًا من الغاز الطبيعي. الكتل المولية ($\mathrm{g}/\mathrm{mol}$): S 32.1، $\ce{O2}$ 32.0، $\ce{SO2}$ 64.1، $\ce{SO3}$ 80.1، $\ce{H2SO4}$ 98.1، $\ce{H2O}$ 18.0؛ ويحتوي الهواء $21\,\%$ من $\ce{O2}$ حجميًا؛ $\mathrm{p}K_a(\ce{HSO4-}) = 1.99$؛ $R = 8.314\,\mathrm{J}/(\mathrm{K}\,\mathrm{mol})$.

الجزء الأول — حرق الكبريت.

1. أعطِ عدد أكسدة S في S و$\ce{SO2}$ و$\ce{SO3}$ و$\ce{H2SO4}$.
2. اكتب احتراق الكبريت.
3. ارسم بنية لويس للجزيء $\ce{SO2}$ وتوقّع شكله.
4. احسب كمية الكبريت في طن واحد.
5. احسب حجم الهواء ($25\,{}^{\circ}\mathrm{C}$، $1\,\mathrm{bar}$) اللازم للاحتراق وحده.
6. لماذا يُبرَّد الغاز الخارج من الحارق قبل المحوِّل؟

الجزء الثاني — الأكسدة الحفزية.

7. اكتب أكسدة $\ce{SO2}$ إلى $\ce{SO3}$.
8. ثابتها عند $25\,{}^{\circ}\mathrm{C}$ نحو $10^{24.8}$. فلماذا يلزم حفّاز مع ذلك؟
9. ما دور أكسيد الفاناديوم(V)، بلغة الفصل 9؟
10. ارسم شكل $\ce{SO3}$.
11. لماذا يُستعمل فائض من الهواء؟
12. ما كسر $\ce{SO2}$ المفقود إذا كانت نسبة التحول $99.7\,\%$؟

الجزء الثالث — الامتصاص.

13. اكتب امتصاص $\ce{SO3}$ في حمض الكبريتيك.
14. لماذا لا يُمتص $\ce{SO3}$ مباشرة في الماء؟
15. اكتب تخفيف الأوليوم.
16. اكتب المعادلة الإجمالية للطريقة.
17. احسب كتلة الماء المستهلكة لكل طن من الكبريت.
18. لماذا يجب صب الحمض في الماء وليس العكس أبدًا؟

الجزء الرابع — الحمض.

19. احسب pH لمحلول حمض الكبريتيك تركيزه $0.050\,\mathrm{mol}/\mathrm{L}$ مع أخذ الحمضية الثانية في الحسبان.
20. احسب كتلة حمض الكبريتيك لمردود إجمالي قدره $99.5\,\%$.
21. أنتج العالم نحو $84\,\mathrm{Mt}$ من الكبريت سنة 2025. فما كتلة حمض الكبريتيك التي كان سيعطيها لو حُوّل كله؟
22. اذكر كتلة حمض الكبريتيك الممكن الحصول عليها من طن واحد من الكبريت (تحول تام).

حل

حل المسألة 28.1.

1. 0، $+$IV، $+$VI، $+$VI. 2. $\ce{S + O2 -> SO2}$. 3. الكبريت بمجالين رابطين وزوج حر: منحنٍ، بزاوية نحو $120{}^{\circ}$. 4. $10^6/32.1 = 3.12 \times 10^{4}\,\mathrm{mol}$. 5. $3.115 \times 10^{4}\,\mathrm{mol}$ من $\ce{O2}$: $V = 3.115 \times 10^4 \times 8.314 \times 298.15/10^5 = 772\,\mathrm{m}^{3}$، والهواء $772/0.21 = 3.7 \times 10^{3}\,\mathrm{m}^{3}$. 6. الاحتراق ناشر للحرارة جدًا؛ والحفّاز يعمل في مجال محدود من درجات الحرارة، وأكسدة $\ce{SO2}$، الناشرة للحرارة أيضًا، تكون أقل اكتمالًا على الساخن. 7. $\ce{2SO2 + O2 <=> 2SO3}$. 8. ثابت التوازن الكبير لا يقول شيئًا عن السرعة: فعند درجة حرارة الغرفة لا يجري التفاعل. 9. يوفّر مسارًا بطاقة تنشيط أدنى ويُستعاد: فهو حفّاز غير متجانس. 10. مثلثي مستوٍ. 11. مزيد من الأكسجين يُبقي حاصل التفاعل $Q = p_{\ce{SO3}}^2/(p_{\ce{SO2}}^2 p_{\ce{O2}})$ أدنى: فيمضي تحول $\ce{SO2}$ أبعد. 12. $0.3\,\%$. 13. $\ce{SO3 + H2SO4 -> H2S2O7}$. 14. يكوّن ضبابًا من قطيرات الحمض الدقيقة يمر عبر جهاز الامتصاص. 15. $\ce{H2S2O7 + H2O -> 2H2SO4}$. 16. $\ce{2S + 3O2 + 2H2O -> 2H2SO4}$. 17. جزيء ماء واحد لكل ذرة كبريت: $3.115 \times 10^{4} \times 18.0 = 561\,\mathrm{kg}$. 18. يطلق التخفيف حرارة كبيرة؛ والماء المصبوب على الحمض يغلي فورًا ويرشّ الحمض. 19. $x(0.050 + x)/(0.050 - x) = 10^{-1.99}$: $x = 7.5 \times 10^{-3}\,\mathrm{mol}/\mathrm{L}$، $[\ce{H3O+}] = 0.0575\,\mathrm{mol}/\mathrm{L}$، $\mathrm{pH} = 1.24$. 20. $3.12 \times 10^4 \times 0.995 \times 98.1 = 3.04\,\mathrm{t}$. 21. $84 \times 98.1/32.1 = 257\,\mathrm{Mt}$. 22. $98.1/32.1 =$ $3.06\,\mathrm{t}$ من حمض الكبريتيك لكل طن من الكبريت.