أسئلة الكيمياء توجيهي: مع الحل

س: عرّف نظرية الحركة الجزيئية.

ج: نموذج يفسر سلوك المادة بحركة جسيماتها؛ للغاز: جسيمات متباعدة، تصادمات مرنة، قوى تجاذب معدومة في الغاز المثالي.

س: عرّف الغاز المثالي.

ج: غاز افتراضي حجم جسيماته صفر وقوى التجاذب بينها معدومة؛ الغازات الحقيقية تقترب منه عند ضغط منخفض وحرارة مرتفعة.

س: عرّف الظروف المعيارية STP.

ج: 0°C (273 K) وضغط 1 atm؛ حجم المول من أي غاز ≈ 22.4 L.

س: عرّف التبخر.

ج: انتقال جزيئات من سطح السائل إلى الغاز عند أي درجة حرارة؛ يحتاج طاقة كافية للتغلب على قوى التجاذب.

س: عرّف التكاثف.

ج: عودة بخار السائل إلى الحالة السائلة عند سطحه أو في الفراغ فوقه.

س: عرّف الضغط البخاري.

ج: ضغط بخار السائل في توازن مع سائله عند حرارة معينة في وعاء مغلق.

س: عرّف البلورة.

ج: ترتيب جزيئات/أيونات في نمط هندسي منتظم ثلاثي الأبعاد.

س: عرّف غير البلورية.

ج: صلبة لكن بدون ترتيب طويل المدى (مثل الزجاج).

س: عرّف شبكية تساهمية.

ج: ذرات مرتبطة بروابط تساهمية في شبكة مستمرة؛ صلابة عالية وانصهار مرتفع.

س: صنّف المادة تبعا لتركيبها، ثم عرّف المخلوط واذكر لماذا قد تختلف تراكيب المخاليط.

ج: تصنف المادة تبعا لتركيبها إلى مواد نقية ومخاليط. المواد النقية تتكون من نوع واحد من الجسيمات ولها تركيب ثابت ومنتظم، مثل العناصر والمركبات. أما المخلوط فهو مزيج من مادتين نقيتين أو أكثر، تبقى كل مادة فيه محتفظة بخصائصها الكيميائية. يختلف تركيب المخلوط تبعا لاختلاف نسب المواد المكونة له وكيفية توزيعها.

س: قارن بين المخلوط المتجانس والمخلوط غير المتجانس، ثم أعط مثالا على كل منهما من الدرس.

ج: المخلوط المتجانس تمتزج مكوناته امتزاجا منتظما ولا يحدث بينها تفاعل كيميائي، ويسمى محلولا، مثل محلول ملح الطعام أو السكر في الماء. أما المخلوط غير المتجانس فلا تمتزج مكوناته امتزاجا تاما وتبقى متمايزة، مثل مخلوط التراب والماء أو الزيت والماء. يشمل غير المتجانس المخاليط المعلقة والمخاليط الغروية.

س: قارن بين المحلول والمخلوط المعلق والمخلوط الغروي من حيث حجم الجسيمات، الترشيح، الترسب، ومرور الضوء.

ج: المحلول مخلوط متجانس تكون جسيمات المذاب فيه صغيرة جدا، بقطر يقارب 0.1-1nm، فلا ترى بالعين ولا تفصل بالترشيح ولا يظهر أثر تندال بوضوح. المخلوط المعلق غير متجانس، جسيماته كبيرة يزيد قطرها على 1000nm، يمكن فصلها بالترشيح وتترسب بفعل الجاذبية إذا تركت. المخلوط الغروي جسيماته بين 1-1000nm، لا تفصل بالترشيح ولا تترسب بسهولة، وتشتت الضوء فيما يعرف بظاهرة تندال، كما تتحرك جسيماته حركة براونية.

س: وضّح العلاقة بين انخفاض الضغط البخاري للمحلول وارتفاع درجة غليانه مقارنة بالمذيب النقي.

ج: عند إضافة مذاب غير متطاير، تقل جسيمات المذيب الحرة عند السطح وتصبح عملية التبخر أصعب، لذلك ينخفض الضغط البخاري للمحلول مقارنة بالمذيب النقي. ولأن الغليان يحدث عندما يصبح الضغط البخاري مساويا للضغط الخارجي، يحتاج المحلول إلى درجة حرارة أعلى ليصل إلى هذه القيمة؛ لذلك ترتفع درجة غليانه. قانون راؤول: Psolution=XsolventP0solvent.

س: عرّف الأسموزية والضغط الأسموزي، واكتب العلاقة المستخدمة لحساب الضغط الأسموزي مع معنى الرموز.

ج: الأسموزية انتقال جسيمات المذيب عبر غشاء شبه منفذ من المحلول الأقل تركيزا إلى المحلول الأعلى تركيزا. الضغط الأسموزي هو الضغط اللازم لمنع هذا الانتقال. يحسب بالعلاقة =iMRT، حيث i عامل فان هوف، وM المولارية، وR ثابت الغازات، وT درجة الحرارة المطلقة.

س: اشرح كيف يستخدم عامل فان هوف i أو المولالية الفعالة في حسابات الخصائص الجامعة، ثم قارن NaCl وCaCl_2 وMgCl_2.

ج: المولالية الفعالة هي المولالية بعد أخذ عدد الجسيمات الناتجة من تفكك المذاب في الحسبان، أي meffective=i× m. يعطي NaCl جسيمين تقريبا، بينما يعطي CaCl_2 وMgCl_2 ثلاثة أيونات تقريبا لكل وحدة صيغة. لذلك عند المولالية الأصلية نفسها يكون أثر CaCl_2 أو MgCl_2 أكبر من NaCl في رفع درجة الغليان وخفض درجة التجمد.

س: عرّف الاتزان الكيميائي، ثم وضح لماذا يوصف بأنه ديناميكي وليس توقفا للتفاعل.

ج: الاتزان الكيميائي حالة في تفاعل منعكس داخل وعاء مغلق تصبح فيها سرعة التفاعل الأمامي مساوية لسرعة التفاعل العكسي. يوصف بأنه ديناميكي لأن التفاعل يستمر في الاتجاهين بالسرعة نفسها، بينما تثبت تراكيز المواد المتفاعلة والناتجة والخواص المرتبطة بها مثل اللون والضغط والحجم ودرجة الحرارة.

س: قارن بين التفاعل غير المنعكس والتفاعل المنعكس مستخدما مثال احتراق المغنيسيوم ومثال تكوين الأمونيا.

ج: في التفاعل غير المنعكس مثل احتراق شريط المغنيسيوم في الأكسجين يتكون أكسيد المغنيسيوم وينتهي التفاعل باستهلاك المغنيسيوم ولا يعاد تكوين المتفاعلات أثناء التفاعل. أما في التفاعل المنعكس مثل تكوين الأمونيا من N_2 وH_2 في وعاء مغلق، فيحدث تفاعل أمامي يكوّن NH_3 وتفاعل عكسي يفكك NH_3 إلى N_2 وH_2 حتى يصل النظام إلى الاتزان.

س: في تفكك N_2O_4(g) عديم اللون إلى NO_2(g) البني المحمر، صف تغير تركيز N_2O_4 وتركيز NO_2 وسرعتي التفاعل قبل الوصول إلى الاتزان.

ج: أ: يبدأ تركيز N_2O_4 عاليا ثم يتناقص، فتتناقص سرعة التفاعل الأمامي تدريجيا. ب: يبدأ تركيز NO_2 صفرا تقريبا ثم يزداد، فتزداد سرعة التفاعل العكسي تدريجيا. ج: يصل التفاعل إلى الاتزان عندما تصبح سرعة التفاعل الأمامي مساوية لسرعة التفاعل العكسي وتثبت تراكيز المواد.

س: عرّف قانون فعل الكتلة وثابت الاتزان، ثم اكتب تعبير ثابت الاتزان للتفاعل العام aA+bB cC+dD.

ج: ينص قانون فعل الكتلة على أنه عند درجة حرارة معينة يصل التفاعل إلى حالة تكون عندها نسبة تراكيز المواد الناتجة إلى تراكيز المواد المتفاعلة، مرفوعا كل تركيز إلى قوة تساوي معامله في المعادلة الموزونة، قيمة ثابتة تسمى ثابت الاتزان. للتفاعل العام: Keq=([C]c[D]d)/([A]a[B]b).

س: للتفاعل N_2(g)+3H_2(g) 2NH_3(g) اكتب K_c وK_p، ثم فسّر دلالة K>1 وK<1.

ج: K_c=([NH_3]2)/([N_2][H_2]3)، وK_p=(PNH_3)2(PN_2)(PH_2)3. إذا كانت قيمة ثابت الاتزان أكبر من واحد يكون موضع الاتزان مزاحا نحو النواتج ويكون مردود التفاعل أكبر. إذا كانت أقل من واحد يكون موضع الاتزان مزاحا نحو المتفاعلات ويكون مردود التفاعل قليلا.

س: فرّق بين الاتزان المتجانس وغير المتجانس، وفسّر لماذا لا تكتب المواد الصلبة والسوائل النقية والماء المذيب في تعبير ثابت الاتزان.

ج: الاتزان المتجانس تكون فيه المواد المتفاعلة والناتجة جميعها في الحالة الفيزيائية نفسها، مثل أن تكون كلها غازات أو كلها في محلول. أما الاتزان غير المتجانس فتختلف فيه الحالة الفيزيائية للمواد. لا تكتب المواد الصلبة والسوائل النقية، ولا الماء عندما يكون سائلا نقيا أو مذبا، في تعبير ثابت الاتزان لأن تراكيزها تمثل كثافتها وتبقى ثابتة تقريبا فتدمج في قيمة ثابت الاتزان.

س: عرّف حمض أرهينيوس.

ج: مادة تتأين في الماء وتنتج أيون الهيدروجين (H^+).

س: عرّف قاعدة برونستد-لوري.

ج: مادة قادرة على استقبال بروتون (H^+) من مادة أخرى في أثناء التفاعل.

س: عرّف أيون الهيدرونيوم.

ج: أيون (H_3O^+) ينتج من ارتباط أيون الهيدروجين بجزيء ماء برابطة تناسقية.

س: عرّف الرقم الهيدروجيني pH والرقم الهيدروكسيلي pOH، واكتب العلاقة بينهما عند 25^ C.

ج: pH هو اللوغاريتم السالب لتركيز أيونات الهيدرونيوم في المحلول للأساس 10: pH=-[H_3O^+]. وpOH هو اللوغاريتم السالب لتركيز أيونات الهيدروكسيد: pOH=-[OH^-]. عند 25^ C: pH+pOH=14.

س: صنّف المحاليل الآتية إلى حمضية أو قاعدية أو متعادلة: pH=3، و[H_3O^+]=10^-9M، وpOH=4، و[OH^-]=10^-11M، وpH=7.

ج: pH=3 حمضي لأنه أقل من 7. إذا كان [H_3O^+]=10^-9M فهو أقل من 10^-7M، إذن المحلول قاعدي. إذا كان pOH=4 فpH=10، إذن المحلول قاعدي. إذا كان [OH^-]=10^-11M فهو أقل من 10^-7M، ويكون [H_3O^+]=10^-3M، إذن المحلول حمضي. أما pH=7 فمتعادل.

س: عرّف المعايرة، المحلول القياسي، نقطة التعادل، نقطة النهاية، والكاشف.

ج: المعايرة هي إضافة محلول معلوم التركيز تدريجيا، نقطة بعد نقطة، إلى محلول مجهول التركيز لتعيين تركيزه. المحلول القياسي هو محلول معلوم التركيز يحضر بحجم محدد من حمض أو قاعدة. نقطة التعادل هي النقطة التي تتعادل عندها تماما أيونات H_3O^+ مع أيونات OH^-، وفي معايرة حمض قوي وقاعدة قوية تكون pH=7. نقطة النهاية هي النقطة التي يتغير عندها لون الكاشف وتحدد انتهاء المعايرة. الكاشف مادة كيميائية يتغير لونها حسب الرقم الهيدروجيني للوسط.

س: عرّف ثابت تأين الحمض.

ج: مقياس كمي لقدرة الحمض الضعيف على التأين في الماء، ويرمز له بالرمز K_a.

س: عرّف ثابت تأين القاعدة.

ج: مقياس كمي لقدرة القاعدة الضعيفة على التأين في الماء، ويرمز له بالرمز K_b.

س: عرّف التأين الجزئي.

ج: عملية تفاعل الحمض أو القاعدة مع الماء للوصول إلى حالة اتزان، حيث تبقى معظم الجزيئات غير متأينة.

س: عرّف الملح والتميه، ثم فرّق بين الذوبان والتميه كما ورد في الدرس.

ج: الملح مركب أيوني ينتج بوجه عام من تفاعل محلول حمض مع محلول قاعدة، ويتفكك عند إذابته في الماء إلى أيونات موجبة وسالبة. الذوبان يعني تفكك الملح وانتشار أيوناته بين جزيئات الماء دون أن تتفاعل معها. أما التميه فهو تفاعل بعض أيونات الملح مع الماء، فيتغير تركيز H_3O^+ أو OH^- ومن ثم يتغير الرقم الهيدروجيني للمحلول.

س: صنّف أملاح NaBr وNH_4Cl وKNO_2 حسب طبيعة محاليلها، واكتب معادلة التميه للأيون المؤثر في كل من الملحين الحمضي والقاعدي.

ج: NaBr ملح متعادل لأنه ناتج من حمض قوي HBr وقاعدة قوية NaOH، ولا تتميه أيوناته بصورة مؤثرة. NH_4Cl ملح حمضي؛ إذ إن Cl^- من حمض قوي فلا يتميه، بينما NH_4^+ حمض مرافق لقاعدة ضعيفة ويتفاعل مع الماء: NH_4^+ + H_2O NH_3 + H_3O^+. KNO_2 ملح قاعدي؛ إذ إن K^+ من قاعدة قوية فلا يتميه، بينما NO_2^- قاعدة مرافقة لحمض ضعيف ويتفاعل مع الماء: NO_2^-+H_2O HNO_2+OH^-.

س: حدد مصدر الأيونات، ثم صنّف المحلول لKNO_3 وCH_3NH_3Br وC_6H_5COONa وLiF.

ج: KNO_3: K^+ من قاعدة قوية وNO_3^- من حمض قوي، فالمحلول متعادل. CH_3NH_3Br: CH_3NH_3^+ حمض مرافق للقاعدة الضعيفة CH_3NH_2 وBr^- من حمض قوي، فالمحلول حمضي. C_6H_5COONa: Na^+ من قاعدة قوية وC_6H_5COO^- قاعدة مرافقة لحمض البنزويك الضعيف، فالمحلول قاعدي. LiF: Li^+ من قاعدة قوية وF^- قاعدة مرافقة لحمض ضعيف HF، فالمحلول قاعدي.

س: عرّف سرعة التفاعل الكيميائي.

ج: مقياس للتغير في كميات المواد المتفاعلة أو الناتجة خلال وحدة الزمن.

س: عرّف التفاعل الكيميائي.

ج: عملية تتضمن تكسير روابط في المواد المتفاعلة وتكوين روابط جديدة في المواد الناتجة، مما يؤدي إلى ظهور صفات جديدة.

س: ما وظيفة محقن الغاز في تجربة تفاعل كربونات الكالسيوم مع حمض الهيدروكلوريك؟

ج: يستخدم محقن الغاز لجمع غاز ثاني أكسيد الكربون الناتج من التفاعل وقياس حجمه مع الزمن، وبذلك يمكن تتبع تغير كمية الناتج خلال فترات زمنية منتظمة.

س: عرّف سرعة التفاعل الكيميائي، واذكر ثلاث كميات يمكن بوساطتها قياس تغير مادة متفاعلة أو ناتجة.

ج: سرعة التفاعل الكيميائي هي التغير في كمية مادة متفاعلة أو مادة ناتجة خلال مدة زمنية محددة. يمكن التعبير عن كمية المادة بدلالة التغير في الكتلة أو الحجم أو التركيز المولاري، وغالبا تحسب مسائل الدرس بدلالة التغير في التركيز المولاري مع الزمن.

س: اكتب قانون حساب سرعة استهلاك مادة متفاعلة A وقانون حساب سرعة تكوين مادة ناتجة C، وفسر سبب الإشارة السالبة في قانون المتفاعل.

ج: للمتفاعل A: R=-(Δ[A])/(Δ t)=-([A]_2-[A]_1)/(t_2-t_1). وللناتج C: R=(Δ[C])/(Δ t)=([C]_2-[C]_1)/(t_2-t_1). توضع الإشارة السالبة مع المتفاعل لأن تركيزه ينقص بمرور الزمن، فيكون Δ[A] سالبا، والسرعة يجب أن تكون قيمة موجبة.

س: للتفاعل العام aA+bB→ cC+dD، اكتب العلاقة العامة بين سرعة استهلاك المتفاعلات وسرعة تكوين النواتج بدلالة التغير في التركيز والزمن.

ج: العلاقة العامة هي: -(1)/(a)(Δ[A])/(Δ t)=-(1)/(b)(Δ[B])/(Δ t)=(1)/(c)(Δ[C])/(Δ t)=(1)/(d)(Δ[D])/(Δ t). توضع الإشارة السالبة للمتفاعلات لأنها تستهلك، وتقسم سرعة كل مادة على معاملها في المعادلة الموزونة.

س: عرّف قانون سرعة التفاعل، ثم اكتب القانون العام لتفاعل A+B→ C+D موضحا معنى الرموز k,x,y.

ج: يصف قانون سرعة التفاعل العلاقة بين سرعة التفاعل وتراكيز المواد المتفاعلة عند درجة حرارة ثابتة. للتفاعل A+B→ C+D يكتب القانون العام: R=k[A]x[B]y. الرمز k ثابت سرعة التفاعل، وx رتبة التفاعل للمادة A، وy رتبة التفاعل للمادة B. تحدد قيم x,y عمليا بالتجربة ولا تؤخذ مباشرة من معاملات المعادلة الموزونة.

س: ما المقصود برتبة التفاعل لمادة متفاعلة؟ وما المقصود بالرتبة الكلية للتفاعل؟ طبّق ذلك على القانون R=k[NO]2[H_2].

ج: رتبة التفاعل لمادة متفاعلة هي الأس المرفوع إليه تركيز هذه المادة في قانون السرعة، وتبين أثر تغير تركيزها في سرعة التفاعل. الرتبة الكلية هي مجموع رتب المواد المتفاعلة في قانون السرعة. في القانون R=k[NO]2[H_2] تكون رتبة NO=2، ورتبة H_2=1، والرتبة الكلية 2+1=3.

س: استنتج وحدة ثابت السرعة k لكل من: تفاعل من الرتبة الصفرية، تفاعل من الرتبة الأولى، وتفاعل كلي من الرتبة الثالثة، علما أن وحدة السرعة M.s^-1.

ج: في الرتبة الصفرية R=k لذلك وحدة k هي M.s^-1. في الرتبة الأولى R=k[A] لذلك k=R/[A] ووحدته s^-1. في الرتبة الثالثة R=k[A]3 أو مجموع الأسس 3، لذلك k وحدته M^-2.s^-1.

س: فسّر حدوث التفاعل الكيميائي وفق نظرية التصادم، ثم اذكر شرطي التصادم الفعال ونتيجة غياب كل شرط.

ج: تفسر نظرية التصادم حدوث التفاعل بأن جسيمات المواد المتفاعلة يجب أن تتصادم. ولا يكون التصادم فعالا إلا إذا امتلكت الجسيمات طاقة لا تقل عن طاقة التنشيط، وكان اتجاه التصادم مناسبا لإعادة ترتيب الذرات وتكسير روابط وتكوين روابط جديدة. إذا نقصت الطاقة ترتد الجسيمات ولا يتكون المعقد المنشط، وإذا كان الاتجاه غير صحيح لا يؤدي التصادم إلى إعادة ترتيب الذرات حتى لو امتلكت الجسيمات طاقة كبيرة.

س: في مثال NO(g)+O_3(g)→ NO_2(g)+O_2(g)، كيف تقرر أي اتجاه للتصادم فعال؟ علل إجابتك دون الاعتماد على شكل مرسوم.

ج: الاتجاه الفعال هو الذي يسمح بإعادة ترتيب الذرات لتكوين NO_2 وO_2. لا يكفي التلامس لأن التصادم قد يعيد الجزيئات كما كانت إذا لم تواجه الذرات بعضها بالترتيب المناسب. معيار الحكم هو أن يؤدي الاتجاه إلى نقل ذرة أكسجين من الأوزون إلى NO وتكوين NO_2 مع بقاء O_2، مع امتلاك طاقة كافية.

س: عرّف المعقد المنشط، وبيّن كيف يمثل في التفاعل العام 2AB→ A_2+B_2.

ج: المعقد المنشط حالة انتقالية غير مستقرة من تجمع الذرات، يبدأ فيها كسر الروابط القديمة وتكوين الروابط الجديدة، وتمتلك أعلى طاقة في مسار التفاعل. في 2AB→ A_2+B_2 تبدأ روابط A-B في الكسر، وتبدأ رابطتا A-A وB-B في التكون، لذلك يمثل بروابط جزئية أو متقطعة. لا يعد مادة مستقرة لأنه يوجد لحظة قصيرة ثم يتحول إلى نواتج أو يعود إلى متفاعلات.

س: علل: تزداد سرعة تلف الأطعمة عند تركها في درجة حرارة الغرفة مقارنة بحفظها في الثلاجة.

ج: تلف الأطعمة ناتج عن حدوث تفاعلات كيميائية، وهذه التفاعلات تزداد سرعتها بزيادة درجة الحرارة. لذا، تكون التفاعلات المسببة للتلف أسرع بكثير عند درجة حرارة الغرفة منها عند وضع الأطعمة في الثلاجة.

س: في تفاعل افتراضي وُجد أن مضاعفة تركيز A (مع ثبات B) لا يؤثر في السرعة، وأن مضاعفة تركيز B ثلاث مرات (مع ثبات A) ضاعفت السرعة تسع مرات. اكتب قانون سرعة التفاعل وحدّد الرتبة الكلية.

ج: الرتبة بالنسبة لـA = صفر (لا أثر)، والرتبة بالنسبة لـB: 3y=9→ y=2. إذن R=k[B]2، والرتبة الكلية = 2.

س: علّل: لا يمكن تحديد رتبة التفاعل من معاملات المعادلة الكيميائية الموزونة.

ج: لأن الرتبة كمية تجريبية تعتمد على آلية التفاعل الفعلية، وتُحدَّد عملياً بقياس أثر تغيّر التراكيز في السرعة، وقد تختلف عن المعاملات.

س: عرّف الكيمياء الكهربائية.

ج: فرع يدرس التحولات بين الطاقة الكيميائية والكهربائية الناتجة عن تفاعلات التأكسد والاختزال.

س: عرّف التأكسد والاختزال.

ج: عمليتان متلازمتان يتضمنان انتقال إلكترونات من مادة تتأكسد إلى مادة تُختزل.

س: عرّف الخلية الجلفانية.

ج: جهاز يحوّل طاقة تفاعل redox تلقائي إلى طاقة كهربائية.

س: عرّف التأكسد والاختزال وتفاعل التأكسد والاختزال وفق المفهوم الحديث، وفسّر لماذا العمليتان متلازمتان.

ج: التأكسد هو فقد المادة للإلكترونات خلال التفاعل الكيميائي، ويرافقه عادة زيادة في عدد التأكسد. والاختزال هو كسب المادة للإلكترونات خلال التفاعل الكيميائي، ويرافقه عادة نقصان في عدد التأكسد. تفاعل التأكسد والاختزال هو تفاعل تحدث فيه عمليتا التأكسد والاختزال معا. العمليتان متلازمتان لأن الإلكترونات التي تفقدها مادة لا تختفي؛ بل تكتسبها مادة أخرى، لذلك يساوي عدد الإلكترونات المفقودة عدد الإلكترونات المكتسبة.

س: في التجربة الاستهلالية، تتفاعل بعض الفلزات مع HCl وينتج غاز الهيدروجين. اكتب ما تتوقع ملاحظته، ثم فسّر تغير شحنة الفلز في تفاعل عام M+2HCl→ MCl_2+H_2.

ج: الدليل العملي على حدوث التفاعل هو تصاعد غاز H_2 بدرجات مختلفة حسب نشاط الفلز، وقد لا يتفاعل النحاس بوضوح مقارنة بالمغنيسيوم أو الخارصين أو الألمنيوم. في التفاعل العام ينتقل الفلز من عدد تأكسد 0 في الحالة الحرة إلى +2 في MCl_2؛ لذلك يتأكسد لأنه فقد إلكترونات. أما الهيدروجين في الحمض فينتقل من +1 إلى 0 في H_2؛ لذلك يختزل. إذن التفاعل تأكسد واختزال.

س: في التفاعل Fe(s)+CuSO_4(aq)→ Cu(s)+FeSO_4(aq)، اكتب المعادلة الأيونية، وحدد ما تأكسد وما اختزل، واكتب نصفي التفاعل.

ج: المعادلة الأيونية: Fe(s)+Cu^2+(aq)→ Cu(s)+Fe^2+(aq). الحديد يتأكسد لأنه ينتقل من 0 إلى +2 ويفقد إلكترونين: Fe(s)→ Fe^2+(aq)+2e^-. وأيون النحاس يختزل لأنه ينتقل من +2 إلى 0 ويكسب إلكترونين: Cu^2+(aq)+2e^-→ Cu(s). لذلك Fe عامل مختزل لأنه تأكسد، وCu^2+ عامل مؤكسد لأنه اختزل.

س: عرّف الخلايا الكهروكيميائية والخلايا الجلفانية، وبيّن التحول في الطاقة داخل الخلية الجلفانية.

ج: الخلايا الكهروكيميائية خلايا تحدث فيها تفاعلات تأكسد واختزال منتجة للطاقة الكهربائية أو مستهلكة لها. أما الخلية الجلفانية فهي خلية كهروكيميائية يحدث فيها تفاعل تأكسد واختزال تلقائي يولد تيارا كهربائيا؛ لذلك تتحول فيها الطاقة الكيميائية إلى طاقة كهربائية.

س: اذكر مكونات خلية Zn/Cu الجلفانية، واشرح وظيفة القنطرة الملحية واتجاه حركة أيوناتها في أثناء عمل الخلية.

ج: تتكون الخلية من نصف خلية خارصين: صفيحة Zn في محلول يحوي Zn^2+، ونصف خلية نحاس: صفيحة Cu في محلول يحوي Cu^2+، وتوصل الأقطاب بسلك خارجي وفولتميتر وتوصل المحاليل بقنطرة ملحية مثل KCl. القنطرة الملحية تعادل الشحنات في نصفي الخلية وتحافظ على استمرار التيار دون خلط مباشر للمحلولين. في خلية Zn/Cu تتجه أيونات Cl^- نحو نصف خلية الخارصين لمعادلة زيادة Zn^2+، وتتجه أيونات K^+ نحو نصف خلية النحاس لمعادلة زيادة الأيونات السالبة بعد اختزال Cu^2+.

س: قارن بين المصعد والمهبط في الخلية الجلفانية من حيث نوع التفاعل، إشارة القطب، اتجاه الإلكترونات، والتغير المتوقع في الكتلة.

ج: المصعد هو القطب الذي يحدث عنده التأكسد، وشحنته سالبة في الخلية الجلفانية؛ لأنه مصدر الإلكترونات، فتتحرك الإلكترونات منه عبر السلك الخارجي نحو المهبط، وتقل كتلته غالبا إذا كان فلزا يتأكسد إلى أيونات. المهبط هو القطب الذي يحدث عنده الاختزال، وشحنته موجبة في الخلية الجلفانية؛ إذ تتحرك الإلكترونات نحوه، وتزداد كتلته غالبا بترسب الفلز الناتج من اختزال أيوناته.

س: وضح مبدأ عمل خلية التحليل الكهربائي، وبيّن لماذا يحتاج تفاعلها إلى مصدر خارجي للطاقة.

ج: خلية التحليل الكهربائي تمرر تيارا كهربائيا في مصهور أو محلول مادة كهرلية لإحداث تفاعل تأكسد واختزال غير تلقائي. لذلك تزود الخلية بطاقة كهربائية من مصدر خارجي، ويجب أن يكون جهد البطارية المستخدم أكبر من مقدار جهد الخلية المعياري السالب حتى يحدث التفاعل.

س: في خلية التحليل الكهربائي لمصهور مادة أيونية: ما المهبط وما المصعد؟ وما اتجاه حركة الأيونات؟

ج: المهبط هو القطب المتصل بالقطب السالب للبطارية، وتتحرك إليه الأيونات الموجبة وتختزل عنده. المصعد هو القطب المتصل بالقطب الموجب للبطارية، وتتحرك إليه الأيونات السالبة وتتأكسد عنده. لذلك يحدث الاختزال عند المهبط والتأكسد عند المصعد.

س: أجب عن تحقق مصهور CaBr_2: اكتب نصف تفاعل الاختزال ونصف تفاعل التأكسد، واستنتج نواتج التحليل الكهربائي للمصهور.

ج: في مصهور CaBr_2 توجد أيونات Ca^2+ وBr^- فقط ولا توجد منافسة من الماء. عند المهبط تختزل أيونات الكالسيوم: Ca^2+(l)+2e^-→ Ca(l). وعند المصعد تتأكسد أيونات البروميد: 2Br^-(l)→ Br_2(l)+2e^-. إذن النواتج هي فلز الكالسيوم عند المهبط والبروم عند المصعد.

س: علل: يُعد التخلص من البطاريات التالفة برميها في النفايات العادية ممارسة خطرة بيئياً.

ج: لأن البطاريات تحتوي على مواد كيميائية سامة وفلزات ثقيلة، ويؤدي تراكمها ودفنها إلى تلوث المياه والتربة.

س: عرّف التأكسد والاختزال بدلالة انتقال الإلكترونات، ووضّح العلاقة بين العامل المؤكسد وما يحدث له.

ج: التأكسد فقدُ إلكترونات (يزداد عدد التأكسد)، والاختزال اكتسابها (يقلّ عدد التأكسد). العامل المؤكسد يُختزل (يكسب إلكترونات) فيؤكسد غيره.

س: قارن بين الخلية الجلفانية وخلية التحليل الكهربائي من حيث: تلقائية التفاعل، إشارة الجهد E°، وموقع التأكسد.

ج: الجلفانية: تفاعل تلقائي، E°>0، تنتج كهرباء. التحليل الكهربائي: تفاعل غير تلقائي، تستهلك كهرباء. وفي كلتيهما يحدث التأكسد عند المصعد (الأنود) والاختزال عند المهبط (الكاثود)، لكن إشارة القطبين تنعكس بين الخليتين.

س: عرّف الكيمياء العضوية.

ج: كيمياء مركبات الكربون ومعظمها تحتوي مجموعات وظيفية.

س: لماذا تُصنّف تفاعلات المركبات العضوية إلى أنواع مثل الإضافة والحذف والاستبدال والتأكسد والاختزال؟

ج: لأن تفاعلات المركبات العضوية كثيرة جدا؛ لذلك يساعد تصنيفها في تسهيل دراستها ومعرفة طرائق حدوثها والظروف التي تحدث فيها وتوقع نواتجها وتوظيفها في تحضير مركبات جديدة.

س: عرّف تفاعل الإضافة.

ج: كسر π وتكوين روابط σ جديدة.

س: عرّف تفاعل الإضافة، وفسّر لماذا تعد الألكينات والألكاينات نشطة في هذا النوع من التفاعلات.

ج: تفاعل الإضافة هو تفاعل بين جزيئين يحتوي أحدهما على رابطة ثنائية أو ثلاثية لتكوين جزيء واحد جديد. الألكينات والألكاينات نشطة لأن الرابطة المتعددة تحتوي رابطة أضعف من رابطة ؛ فتُكسر رابطة وتضاف ذرات أو مجموعات إلى ذرتي الكربون.

س: ميّز بين الإلكتروفيل والنيوكليوفيل كما ورد في الدرس، ثم اربط كلا منهما بمثال من إضافة الألكينات أو مركبات الكربونيل.

ج: الإلكتروفيل طرف محب للإلكترونات مثل H^+؛ ينجذب إلى منطقة الكثافة الإلكترونية العالية في رابطة C=C ويبدأ الإضافة الإلكتروفيلية. النيوكليوفيل طرف غني بالإلكترونات مثل Br^- أو مجموعة R^Δ- في مركب غرينارد؛ ينجذب إلى طرف موجب مثل الأيون الكربوني أو كربون مجموعة الكربونيل.

س: قارن بين الألكين المتماثل وغير المتماثل، وبيّن لماذا نحتاج قاعدة ماركوفينيكوف في الألكينات غير المتماثلة.

ج: الألكين المتماثل تكون الذرات أو المجموعات المرتبطة بذرتي كربون الرابطة الثنائية متماثلة، مثل الإيثين. أما الألكين غير المتماثل فتختلف المجموعات على ذرتي كربون الرابطة الثنائية، مثل البروبين أو 1-بيوتين. لذلك عند إضافة HX إلى ألكين غير متماثل قد توجد احتمالات للناتج، فنستخدم قاعدة ماركوفينيكوف لتحديد الناتج الرئيس.

س: عرّف تفاعل الاستبدال، واذكر أربع فئات من المركبات العضوية التي ذكرها الدرس أنها تتفاعل بالاستبدال.

ج: تفاعل الاستبدال هو تفاعل تحل فيه ذرة أو مجموعة ذرات محل ذرة أو مجموعة ذرات أخرى في المركب العضوي. من المركبات التي تتفاعل بالاستبدال: الألكانات، وهاليدات الألكيل، والكحولات، والحموض الكربوكسيلية.

س: فسّر هلجنة الألكانات بوصفها تفاعل استبدال جذري، ثم أكمل معادلتي هلجنة الميثان والإيثان بالكلور أو البروم في خطوة واحدة.

ج: أ: الضوء أو التسخين يكسر الرابطة بين ذرتي الهالوجين فيتكون جذر حر مثل Cl× أو Br×، وهو شديد النشاط. ب: CH_4+Cl_2ضوءCH_3Cl+HCl. ج: CH_3CH_3+Br_2ضوءCH_3CH_2Br+HBr. في الحالتين تحل ذرة هالوجين محل ذرة هيدروجين في الألكان.

س: رتّب الهالوجينات حسب شدة تفاعلها مع الألكانات كما في الدرس، وبيّن لماذا ركّز الكتاب على الكلور والبروم.

ج: ترتيب شدة التفاعل هو: F_2>Cl_2>Br_2>I_2. الفلور نشط جدا ويحتاج إلى ظروف خاصة لضبطه، أما اليود فلا يتفاعل في الظروف نفسها؛ لذلك يكتفى في الدرس بدراسة تفاعل الألكانات مع الكلور والبروم.

س: وضّح المقصود بالتكسير الحراري، وفسّر لماذا يكون مجموع ذرات الكربون في نواتج تكسير المركب C12H26 مساويا لعدد ذرات الكربون في المتفاعل.

ج: التكسير الحراري هو تسخين خليط النفط إلى درجات حرارة عالية فتتكسر السلاسل الهيدروكربونية الطويلة إلى مركبات أصغر، وينتج غالبا خليط من الألكانات والألكينات. عند تكسير جزيء مثل C12H26 لا تختفي ذرات الكربون؛ بل يعاد توزيعها في جزيئات أصغر، لذلك يكون مجموع عدد ذرات الكربون في الألكان والألكين الناتجين مساويا لعدد ذرات الكربون في الجزيء الأصلي.

س: حضّر CH_3CH=CHCH_3 من CH_3CHBrCH_2CH_3، ثم اذكر نوع التفاعل والشرط اللازم.

ج: المعادلة: CH_3CHBrCH_2CH_3+KOHكحولي/تسخينCH_3CH=CHCH_3+H_2O+KBr. التفاعل حذف؛ إذ ينزع HBr من هاليد الألكيل. يشترط تسخين هاليد الألكيل الثانوي أو الثالثي مع محلول مركز من KOH أو NaOH في الإيثانول.

س: اكتب ثلاث طرائق لتحضير هاليد ألكيل مع مثال معادلة لكل طريقة من الدرس.

ج: من ألكان بالاستبدال في وجود الضوء: CH_4+Cl_2ضوءCH_3Cl+HCl. من ألكين بإضافة هاليد هيدروجين وفق قاعدة ماركوفنيكوف: CH_2=CHCH_3+HCl→ CH_3CHClCH_3. من كحول بالاستبدال مع حمض مركز: CH_3CH_2OH+HClمركزCH_3CH_2Cl+H_2O.

س: فسّر الأهمية الصناعية لحمض الفورميك (حمض الميثانويك) واذكر طريقتين لتحضيره.

ج: الأهمية: يُستخدم في صناعة المنسوجات، الأدوية، المواد الكيميائية الغذائية، الجلود والدباغة، ومادة حافظة ومضادة للجراثيم في أعلاف الماشية، ومصدر لوقود الهيدروجين. طرق التحضير: 1. التحلل المائي لميثانوات الميثيل (الناتجة من تفاعل أول أكسيد الكربون مع الميثانول). 2. أكسدة الكتلة الحيوية (Biomass) بوجود عوامل مؤكسدة مثل H2O2 و O2.

س: وضّح طريقتين لتحضير حمض الفورميك، مبيّناً المواد الأولية في كل منهما.

ج: (1) التحلل المائي لميثانوات الميثيل: يتفاعل أول أكسيد الكربون CO مع الميثانول بوجود عامل مساعد لتكوين ميثانوات الميثيل التي تتحلل مائياً إلى حمض الميثانويك وميثانول. (2) من الكتلة الحيوية: تُؤكسد المخلفات العضوية (قشّ القمح، نشارة الخشب، مخلفات الدواجن) بوجود H₂O₂ وO₂ فتتحول إلى حمض الفورميك.

س: علّل: يُعدّ تحضير حمض الفورميك من الكتلة الحيوية خياراً مستداماً واقتصادياً.

ج: لأن الكتلة الحيوية مخلفات عضوية وفيرة ومنخفضة التكلفة، وتحويلها إلى حمض الفورميك يقلّل النفايات ويوفّر مادة كيميائية ذات قيمة عبر تفاعل أكسدة.