أسئلة الكيمياء توجيهي: مع الحل

س: قارن بين تعريف كل من أرهينيوس، وبرونستد-لوري، ولويس للحمض والقاعدة من حيث آلية التفاعل.

ج: أرهينيوس: الحمض مادة تزيد من تركيز H+ في الماء، والقاعدة تزيد من تركيز OH-. برونستد-لوري: الحمض مانح للبروتون (H+)، والقاعدة مستقبل له. لويس: الحمض مستقبل لزوج من الإلكترونات، والقاعدة مانح لزوج من الإلكترونات.

س: لماذا يُعتبر مفهوم لويس للحموض والقواعد أكثر شمولاً من مفهوم أرهينيوس؟

ج: لأن مفهوم أرهينيوس يقتصر على المحاليل المائية ويشترط وجود أيونات H+ أو OH-، بينما مفهوم لويس يفسر السلوك الحمضي والقاعدي بناءً على انتقال أزواج الإلكترونات، مما يسمح بتفسير تفاعلات لا تتضمن بروتونات أو محاليل مائية.

س: صنف المواد التالية وفق مفهوم برونستد-لوري (مانح/مستقبل بروتون): HCl, NH3.

ج: HCl: مانح للبروتون (حمض). NH3: مستقبل للبروتون (قاعدة).

س: فسر علمياً: لماذا يُعد الماء النقي موصلاً ضعيفاً جداً للتيار الكهربائي؟

ج: لأن الماء النقي يتأين ذاتياً بنسبة ضئيلة جداً، مما يؤدي إلى وجود عدد قليل جداً من الأيونات (أيونات الهيدرونيوم وأيونات الهيدروكسيد) المسؤولة عن توصيل التيار الكهربائي.

س: اكتب معادلة التأين الذاتي للماء كما وردت في الكتاب المدرسي.

ج: H2O(l) + H2O(l) ightleftharpoons OH^-(aq) + H3O^+(aq)

س: ما المقصود بظاهرة التأين الذاتي للماء؟

ج: هي قيام بعض جزيئات الماء بمنح بروتونات، تستقبلها جزيئات ماء أخرى.

س: قارن بين الحموض القوية والحموض الضعيفة من حيث درجة التأين في الماء وتركيز أيونات الهيدرونيوم [H3O+] الناتج عن كل منهما بالنسبة للتركيز الأصلي للحمض.

ج: الحموض القوية تتأين كلياً في الماء، ويكون تركيز [H3O+] مساوياً تقريباً لتركيز الحمض الأصلي. أما الحموض الضعيفة فتتأين جزئياً، ويكون تركيز [H3O+] أقل بكثير من تركيز الحمض الأصلي قبل التأين.

س: اكتب تعبير ثابت تأين الحمض (Ka) للحمض الضعيف HA، ووضح دلالة هذا الثابت في تحديد قوة الحمض.

ج: استخراج القانون من ص.68 والربط بين القيمة الكيميائية والخاصية الفيزيائية (القوة).

س: بالاعتماد على جدول (2-3)، رتب الحموض التالية تصاعدياً حسب قوتها: حمض الهيدروسيانيك (HCN)، حمض الهيبوكلوروز (HClO)، حمض الإيثانويك (CH3COOH).

ج: الترتيب التصاعدي (من الأضعف إلى الأقوى): HCN < HClO < CH3COOH. (قيم Ka: HCN=10^-10×4.2، HClO=10^-8×2.9، CH3COOH=10^-5×1.8).

س: وضح العلاقة بين قوة الحمض وقوة قاعدته الملازمة وفقاً لما ورد في الكتاب.

ج: يكون الحمض الملازم لقاعدة قوية حمضاً ضعيفاً، وتكون القاعدة الملازمة لحمض قوي قاعدة ضعيفة.

س: بناءً على مبدأ انحياز الاتزان، نحو أي طرف ينحاز التفاعل الكيميائي دائماً؟

ج: تنحاز حالة الاتزان في التفاعلات الكيميائية بين الحموض والقواعد نحو الطرف الذي تكون فيه الحموض والقواعد الأضعف.

س: قارن بين الأيونين CH3COO⁻ و ClO⁻ من حيث القوة كقاعدة.

ج: الأيون CH3COO⁻ أضعف من الأيون ClO⁻ كقاعدة.

س: احسب الرقم الهيدروجيني (pH) لمحلول حمض الهيدروفلوريك (HF) تركيزه 0.3 مول/لتر، علماً أن ثابت تأين الحمض (Ka) يساوي 6.8 × 10^-4. ثم احسب النسبة المئوية لتأين الحمض.

ج: تم استخدام قانون ثابت التأين مع فرضية إهمال س في المقام لضعف الحمض، ثم حساب pH والنسبة المئوية بناءً على المعطيات.

س: احسب قيمة ثابت التأين (Kb) للقاعدة الضعيفة B إذا كان تركيزها 0.04 مول/لتر وقيمة pH للمحلول تساوي 10.

ج: بما أن pH = 10، فإن pOH = 4، أي أن [OH-] = 1 × 10^-4 مول/لتر. Kb = [BH+][OH-] / [B] = (1 × 10^-4)2 / 0.04 = 10^-8 / 0.04 = 2.5 × 10^-7.

س: متى يُسمح علمياً بتجاهل قيمة 'س' في مقام معادلة ثابت التأين (Ka أو Kb)؟

ج: يتم تجاهل قيمة س في المقام عندما يكون: (التركيز الابتدائي للحمض / Ka) > 400.

س: عرف قاعدة لوتشاتيلييه كما وردت في الكتاب المدرسي.

ج: قاعدة لوتشاتيلييه: إذا تعرض نظام متزن إلى مؤثر خارجي أحدث فيه اضطراباً، فإن النظام يعدل من حالته إلى أن يصل إلى حالة اتزان جديدة للتخفيف من أثر ذلك المؤثر.

س: فسر أثر إضافة ملح كلوريد الأمونيوم (NH4Cl) إلى محلول القاعدة الضعيفة (NH3) على قيمة الرقم الهيدروجيني (pH) للمحلول.

ج: تؤدي إضافة الملح إلى زيادة تركيز الأيون المشترك (NH4+)، مما يزيح الاتزان وفق قاعدة لوتشاتيلييه لتقليل تركيز أيونات الهيدروكسيد (OH-)، وبالتالي تقل قيمة pH للمحلول.

س: سؤال مركب: لديك محلول حمض HF تركيزه 0.4 مول/لتر، (Ka = 6.8 × 10^-4). أ) احسب الرقم الهيدروجيني (pH) للمحلول. ب) احسب التغير في قيمة pH إذا أذيب في 1 لتر من هذا المحلول 0.2 مول من ملح KF.

ج: تطبيق رياضي على قانون الاتزان للحموض الضعيفة وتأثير الأيون المشترك.

س: عرّف الديناميكا الحرارية كما ورد في الكتاب، وما هو المبدأ الأساسي الذي تقوم عليه فيما يخص الطاقة في الكون؟

ج: الديناميكا الحرارية هي إحدى فروع علم الكيمياء الفيزيائية، وتعنى بدراسة التغيرات في الطاقة الحرارية المرافقة للتغيرات الكيميائية والفيزيائية المتنوعة. تقوم على مجموعة من القوانين تصف العلاقة بين الطاقة الحرارية والأشكال الأخرى من الطاقة، وتؤكد أن مقدار الطاقة الكلي في الكون ثابت.

س: قارن بين العمليات التلقائية وغير التلقائية من حيث الحاجة إلى مؤثر خارجي، مع ذكر مثال لكل منهما.

ج: العمليات التلقائية: هي تغيرات فيزيائية أو كيميائية تتم من تلقاء نفسها دون مؤثر خارجي (مثل ذوبان السكر في الماء الساخن). العمليات غير التلقائية: هي تغيرات لا تتم إلا بتأثير خارجي (مثل استعادة السكر من محلوله أو تحويل بخار الماء وثاني أكسيد الكربون إلى بنزين).

س: حلل الحقائق الثلاث التي تم التوصل إليها حول العمليات التلقائية.

ج: 1. إذا كانت العملية تلقائية، فإن العملية المعاكسة لها تكون غير تلقائية في الظروف العادية دون مؤثر خارجي. 2. قد تحدث العملية التلقائية بسرعة، وقد تحدث ببطء شديد. 3. تستمر العملية تلقائياً في النظام غير المتزن للوصول إلى الاتزان.

س: عرف 'التصادمات الفعالة' واذكر الشرطين الأساسيين لحدوثها كما ورد في الكتاب.

ج: التصادمات الفعالة هي عدد قليل من مجموع التصادمات الكلية التي تعد تصادماً منتجاً ومثمراً. يشترط لحدوثها: 1. أن تملك الجزيئات المتصادمة حداً أدنى من الطاقة يسمى طاقة التنشيط. 2. أن تكون الجزيئات المتصادمة ذات اتجاه مناسب لتكوين النواتج.

س: فسر العلاقة بين تركيز المواد المتفاعلة وسرعة التفاعل الكيميائي بناءً على نظرية التصادم.

ج: تتناسب سرعة التفاعل طردياً مع عدد التصادمات الكلية التي تحدث في وحدة الحجوم في الثانية الواحدة، وبزيادة تركيز المواد المتفاعلة يزداد عدد التصادمات، وبالتالي تزداد سرعة التفاعل.

س: سؤال مركب حول قانون سرعة التفاعل:

ج: تطبيق مباشر على الصيغة الرياضية الواردة في ص.101.

س: بناءً على البيانات الواردة في السؤال الثاني، حدد رتبة التفاعل للتفاعل A(g) → B(g).

ج: رتبة التفاعل هي الرتبة الأولى (1).

س: احسب قيمة ثابت السرعة (k) للتفاعل المذكور في السؤال الثاني.

ج: k = 0.05 ث^-1.

س: ما مقدار سرعة التفاعل عندما يكون تركيز A = 0.24 مول/لتر؟

ج: السرعة = 0.012 مول/لتر.ث.

س: قام طالب برسم العلاقة بين لو [A] مع الزمن بوحدة الدقيقة، فحصل على خط مستقيم، ميله يساوي -0.105 وتقاطعه مع المحور الصادي يساوي 0.1 عند بدء التفاعل. اكتب قانون سرعة التفاعل، ثم احسب مقدار التركيز الابتدائي للمادة A، وقيمة ثابت سرعة التفاعل، وقيمة عمر النصف للتفاعل.

ج: تطبيق مباشر لقوانين الرتبة الأولى في الحركية الكيميائية بناءً على معطيات الرسم البياني الخطي.

س: فسر لماذا لا يتحلل الماء إلى عناصره الأولية في الظروف العادية.

ج: لأن التفاعل غير تلقائي في الظروف القياسية، حيث تكون قيمة طاقة جبس الحرة (Δ G) موجبة، مما يعني أن النظام يحتاج إلى طاقة خارجية لحدوث التفاعل.

س: علل: تؤدي عملية الانصهار إلى زيادة في العشوائية.

ج: لأن المادة تنتقل من الحالة الصلبة (حيث الجسيمات مقيدة في شبكة بلورية) إلى الحالة السائلة (حيث تتحرك الجسيمات بحرية أكبر)، مما يزيد من عدد الحالات المتاحة للجزيئات.

س: عرف الكحولات واذكر صيغتها العامة كما ورد في الكتاب المدرسي.

ج: الكحولات هي مركبات عضوية تحوي على مجموعة هيدروكسيل واحدة أو أكثر، وصيغتها العامة R-OH.

س: بناءً على ما درست، ما هو الأساس العلمي الذي يتم الاعتماد عليه في تصنيف الكحولات إلى أولية، ثانوية، أو ثالثية؟

ج: تصنف الكحولات بناءً على عدد مجموعات الألكيل (R) المتصلة بذرة الكربون المرتبطة بشكل مباشر مع مجموعة الهيدروكسيل (-OH).

س: قارن بين كحول الميثيل والكحول الأولي من حيث البنية الجزيئية.

ج: كحول الميثيل يحتوي على ذرة كربون مرتبطة بثلاث ذرات هيدروجين ومجموعة هيدروكسيل، بينما الكحول الأولي يحتوي على ذرة كربون مرتبطة بمجموعة ألكيل واحدة على الأقل وذرتي هيدروجين ومجموعة هيدروكسيل.

س: ما هي المجموعة الوظيفية التي تميز كلاً من الألدهيدات والكيتونات؟ وكيف تختلف الصيغة العامة للألدهيدات عن الميثانال؟

ج: المجموعة الوظيفية هي مجموعة الكربونيل (C=O). الصيغة العامة للألدهيدات هي R-CHO، حيث يتم استبدال ذرة هيدروجين في الميثانال (HCOH) بمجموعة ألكيل (R).

س: قارن بين موقع مجموعة الكربونيل في الألدهيدات والكيتونات بناءً على الصيغ العامة.

ج: في الألدهيدات، تكون مجموعة الكربونيل (C=O) دائماً في طرف السلسلة الكربونية، بينما في الكيتونات تتوسط السلسلة الكربونية.

س: وضح كيف يتم اشتقاق الألدهيدات من الميثانال.

ج: يتم اشتقاق الألدهيدات عن طريق استبدال ذرة هيدروجين واحدة في الميثانال (HCOH) بمجموعة ألكيل (R).

س: فسر سبب استقطاب الرابطة الثنائية في مجموعة الكربونيل في الألدهيدات والكيتونات.

ج: تكون الرابطة الثنائية في مجموعة الكربونيل مستقطبة جزئياً بسبب الفرق في الكهروسالبية بين ذرتي الأكسجين والكربون.

س: قارن بين الصيغة العامة للألدهيدات والكيتونات من حيث ارتباط مجموعة الكربونيل.

ج: في الكيتونات، ترتبط مجموعة الكربونيل بمجموعتي ألكيل (R و R') متماثلتين أو غير متماثلتين، بينما في الألدهيدات ترتبط بذرة هيدروجين ومجموعة ألكيل (أو ذرة هيدروجين في حالة الميثانال).

س: اكتب الصيغة البنائية لكل من: أ) الإيثانال، ب) البروبانون.

ج: تطبيق مباشر على الصيغ البنائية الواردة في مثال (10) ص. 128.

س: ما المكونات الكيميائية التي يتألف منها محلول فهلنج (Fehling's solution)؟

ج: يتكون محلول فهلنج A من كبريتات النحاس المائية (CuSO₄·5H₂O)، ومحلول فهلنج B من محلول ملح روشل (ترترات الصوديوم والبوتاسيوم المائية) وهيدروكسيد الصوديوم.

س: فسّر التغير اللوني الذي يحدث عند تفاعل الألدهيد مع محلول فهلنج.

ج: يتغير لون المحلول من الأزرق (لون أيون النحاس II) إلى راسب بني محمر (أكسيد النحاس I)، نتيجة اختزال أيونات النحاس.

س: ما هو العامل المؤكسد الفعال في محلول تولن (Tollen's solution)؟ وكيف يتم الكشف عن حدوث التفاعل؟

ج: العامل المؤكسد الفعال هو أيون الفضة (Ag⁺). يتم الكشف عن التفاعل من خلال ترسب معدن الفضة على جدران وعاء التفاعل مكوناً مرآة فضية.

س: عرف الحموض الكربوكسيلية واذكر صيغتها العامة ومكونات مجموعتها الوظيفية كما ورد في الكتاب.

ج: هي مركبات تتميز بوجود مجموعة الكربوكسيل (COOH-)، وصيغتها العامة هي RCOOH. تتكون مجموعة الكربوكسيل من مجموعتي الهيدروكسيل (OH-) والكربونيل (C=O).

س: فسر سبب تناقص ذوبانية الحموض الكربوكسيلية في الماء مع ازدياد طول السلسلة الكربونية (R).

ج: يعود ذلك إلى تناقص تأثير الجزء القطبي (COOH-) وزيادة فعالية الجزء غير القطبي (R) في جزيء الحمض عند زيادة طول السلسلة.

س: قارن بين الحموض الكربوكسيلية والإسترات من حيث الصيغة العامة والاشتقاق البنائي.

ج: مقارنة بنيوية تعتمد على تعريفات ص.132 وص.134.