في هذا الشارح، سوف نتعلَّم كيف نُحوِّل المعادلات الجزيئية إلى المعادلات الأيونية الصافية، عن طريق تحديد الشحنات وحالات الأنواع الأيونية.
عند كتابة صيغة كيميائية أو معادلة كيميائية، يمكننا الإشارة إلى مركب أيوني مائي مثل كلوريد الصوديوم بطريقتين مختلفتين. إذ يمكننا كتابته في صورة مركب، ، أو في صورة مجموعة من الأيونات، . يمثل كلا هذين التعبيرين نفسَ المادة: محلول مائي من كلوريد الصوديوم مكوَّن من أيونات صوديوم وأيونات كلوريد.
لكن هذه الصيغة ليست مكتوبة بدلالة أيوناتها المفردة. فليس من الدقة أن نعبِّر عنها في صورة أيونات منفصلة؛ نظرًا لأن الأيونات مرتبطة معًا في صورة مركب صلب. وينطبق الأمر نفسه على المواد في الحالتين السائلة والغازية. فالمواد التي تُكوِّن أيونات عند إذابتها في المحاليل المائية هي فقط التي يمكن تمثيلها بأيونات مفردة في المعادلة الكيميائية.
مثال ١: تحويل كبريتات النحاس المائية من الصيغة الكيميائية إلى الصيغة الأيونية
ما الصيغة الأيونية للتعبير الكيميائي ؟
الحل
في هذا السؤال، لدينا الصيغة الكيميائية لكبريتات النحاس. لتحليل هذا التعبير الكيميائي إلى أيوناته المفردة، علينا معرفة شحنة الأيونات. يمكننا عادةً استخدام مجموعة العنصر في الجدول الدوري لتحديد شحنته، لكن لا يمكننا فِعل ذلك مع الفلز الانتقالي والأيون المتعدد الذرات في هذا السؤال. بدلًا من ذلك، علينا أن نتذكر الأيونات التي يُكَوِّنها هذان النوعان.
يمكن أن يكون لأيونات النحاس شحنة أو ، بينما يكون لأيونات الكبريتات شحنة . وبما أن المركب المتعادل يحتوي على أيون واحد من كل نوع، فلا بد أن تُلغي شحنات هذه الأيونات بعضها بعضًا. لكي يحدث هذا، يجب أن يكون لدينا أيون نحاس شحنته وأيون كبريتات شحنته . يمكننا كتابة الإجابة النهائية على النحو الآتي:
لاستكشاف ترميز الأيونات في معادلة كيميائية، دعونا نتناول التفاعل الذي يتضمن كلوريد الصوديوم ونيترات الفضة:
أعطى الكيميائيون أسماءً مختلفة لأنواع المعادلات الكيميائية، بناءً على كيفية تمثيل الأيونات المتضمَّنة في هذه المعادلات. فالتفاعل السابق هو معادلة جزيئية. وفيها تُمثَّل المواد المائية في صورة جزيئات.
تعريف: المعادلة الجزيئية
المعادلة الجزيئية هي معادلة كيميائية تُكتَب فيها صيغ المركبات كما لو أن جميع المواد موجودة في صورة جزيئات.
هناك نوع آخر من المعادلات الكيميائية، وهو المعادلة الأيونية، التي تفكك المواد الموجودة في محاليل مائية إلى أيوناتها المفردة كما يأتي:
تعريف: المعادلة الأيونية
المعادلة الأيونية هي معادلة كيميائية تُكتَب فيها صِيَغ المحاليل المائية المذابة في صورة أيونات مفردة.
وعلى الرغم من أن هذه الصيغة تمثِّل خليط الأيونات الموجود في المحلول بصورة أدق، فإن وجود عدد كبير من الأيونات المفردة قد يجعل من الصعب تحديدَ ما يحدث في التفاعل. نلاحظ أنه في المعادلة الأيونية السابقة، المركب مادة صلبة ومِن ثَمَّ لا يُكتَب في صورة أيونات مفردة.
لكي نفهم بشكلٍ أفضلَ التغيُّرات التي تحدُث بين الأيونات المائية خلال التفاعل الكيميائي، يمكننا أيضًا كتابة المعادلة الأيونية الصافية. بالنسبة إلى التفاعل الذي تناولناه، تكون معادلته الأيونية الصافية كما يأتي:
لا تحتوي المعادلات الأيونية الصافية إلا على الأيونات التي تتغير خلال التفاعل. في التفاعل المذكور سابقًا، تتحد أيونات الكلوريد وأيونات الفضة لتكوِّن كلوريد الفضة الصلب. من المهم عند كتابة معادلة أيونية صافية التأكدُّ من أن عدد الذرات والشحنة الكلية موزونان في طرفَي المعادلة.
ما المستبعَد من هذه المعادلة؟ إذا نظرنا مرة أخرى إلى المعادلة الأيونية الكاملة، فسنلاحظ أن أيونات الصوديوم والنيترات لا تتغير في المتفاعلات والنواتج. وبما أن هذه الأيونات موجودة لكنها لا تدخل في التفاعل، فإننا نسميها أيونات متفرجة. توجد هذه الأيونات المتفرجة في المعادلات الأيونية، بينما لا توجد في المعادلات الأيونية الصافية.
تعريف: الأيون المتفرج
الأيون المتفرج هو أيون يوجد في المعادلة الأيونية باعتباره متفاعلًا وناتجًا للتفاعل، ولكنه لا يشترك في التفاعل الكيميائي.
مثال ٢: تحديد الأيونات المتفرجة في المعادلة الكيميائية لتفاعل المغنيسيوم مع كبريتات النحاس
توضِّح المعادلة أحد تفاعلات الأكسدة والاختزال:
حدِّد الأيون المُتفرِّج في هذا التفاعل، مُتضمِّنًا رمز الحالة.
الحل
يوجد ثلاثة أنواع من الأيونات في هذه المعادلة: أيونات المغنيسيوم، وأيونات النحاس، وأيونات الكبريتات. الأيون المتفرج هو الأيون الذي لا يطرأ عليه تغيير أثناء التفاعل.
يمكننا كتابة المعادلة الأيونية لهذا التفاعل كما يأتي:
يمكننا ملاحظة الآتي من هذه المعادلة الأيونية:
- يبدأ المغنيسيوم في صورة مادة صلبة وينتهي في صورة أيون.
- يبدأ النحاس في صورة أيون وينتهي في صورة مادة صلبة.
- تظل الكبريتات في صورة أيون خلال التفاعل بأكمله.
بما أن أيون الكبريتات لم يتغير خلال التفاعل، إذن فالأيون المتفرج هو أيون الكبريتات، .
مثال ٣: كتابة معادلة أيونية صافية من المعادلة الجزيئية للتفاعل بين هيدروكسيد الأمونيوم وحمض الهيدروكلوريك
انظر المعادلة الآتية:
ما المعادلة الأيونية الصافية لتفاعل التعادل بين هيدروكسيد الأمونيوم وحمض الهيدروكلوريك؟
الحل
في هذا السؤال، لدينا المعادلة الجزيئية لتفاعُلِ تَعادُلٍ، ومطلوب منا تحديد المعادلة الأيونية الصافية المناظرة. في المعادلة الجزيئية تُكتَب المحاليل المائية في صورة مركبات، بينما في المعادلة الأيونية الصافية تُكتَب الأيونات المفردة التي تشارك في التفاعل، وتُهمَل الأيونات المتفرجة.
لحل هذه المسألة، يمكننا أولًا كتابة المعادلة الأيونية. ومِن هناك، يمكننا تحديد الأيونات المتفرجة وإزالتها لإيجاد المعادلة الأيونية الصافية.
المعادلة الأيونية لهذا التفاعل هي:
في هذه المعادلة الأيونية، كتبنا المركبات المائية في صورة أيونات مفردة، ولكن الماء، باعتباره سائلًا، لا يتفكك إلى أيوناته المفردة.
يمكننا الآن تحديد الأيونات المتفرجة في هذا التفاعل. يظهر الأيونان و في كلٍّ من طرفَي المعادلة ولم يطرأ عليهما تغيير، ومن ثم فهُما لا يشاركان في التفاعل. يتحد الأيونان الآخران، و، لتكوين الماء.
باستبعاد الأيونات المتفرجة، نحصل على المعادلة الأيونية الصافية وتكون الإجابة الصحيحة الخيار (أ):
مثال ٤: وزن المعادلة الأيونية الصافية
انظر المعادلة الآتية:
ما التعويضات الصحيحة لقيمة و لإكمال المعادلة الأيونية الجزئية المُوضَّحة ووزنها؟
الحل
يطلب منا هذا السؤال إيجاد قيمة ومعرفة ناتج التفاعل الذي ينتج عنه معادلة أيونية صافية موزونة بشكل صحيح. لتحقيق المطلوب، علينا التأكد من أن الشحنة الكلية هي نفسها لكلا طرفَي المعادلة، وأن عدد كل ذرة هو نفسه في كل طرف من طرفَي المعادلة.
أولًا، دعونا نوازن الشحنة. الطرف الأيمن من المعادلة متعادل، لذا يجب أن يكون الطرف الأيسر متعادلًا أيضًا. يحتوي أيون الحديد على شحنة يجب موازنتها عن طريق من الأيونات، كل أيون منها بشحنة . لكي يصبح الطرف الأيسر من المعادلة متعادلًا يجب أن تكون قيمة تساوي ثلاثة.
بعد ذلك، نحدد ناتج التفاعل، . في المعادلة الكيميائية، لدينا أيون حديد بشحنة يتفاعل مع ثلاثة أيونات هيدروكسيد. بما أن هو الناتج الوحيد المتكوِّن من التفاعل، فيجب أن تحتوي هذه المادة على ذرة حديد واحدة، وثلاث ذرات هيدروجين، وثلاث ذرات أكسجين لضمان الحصول على معادلة موزونة.
من بين خيارات الإجابة، فقط الخياران (د) و(هـ) يحتويان على الصيغة الكيميائية الصحيحة لـ ، وهو هيدروكسيد الحديد الثلاثي. ولكن بما أننا نعلم أن يجب أن يساوي ثلاثة، إذن الخيار (د) هو الإجابة الصحيحة.
النقاط الرئيسية
- في المعادلة الكيميائية، يُشار إلى المواد الصلبة والسائلة والغازية دائمًا بالطريقة نفسها، لكن يمكننا الإشارة إلى المحاليل المائية بعدة طرق مختلفة.
- في المعادلات الجزيئية تُكتَب المحاليل المائية في صورة مركبات.
- في المعادلات الأيونية تُكتَب المحاليل المائية في صورة أيونات مفردة.
- في المعادلات الأيونية الصافية تُكتَب الأيونات المفردة التي تشارك في التفاعل.
- الأيون المتفرج هو أيون لا يشارك في التفاعل.
- تظهر الأيونات المتفرجة في صورة أيونات مفردة في الطرفين الأيسر والأيمن للمعادلة الأيونية، ولكنها تُحذَف من المعادلات الأيونية الصافية.
- عند كتابة معادلة أيونية، يجب أن نتأكد من موازنة عدد كل نوع من الذرات والشحنة الكلية في كلا الطرفين.
