شارح الدرس: كتل التفاعل الكيمياء

مثال ١: استنتاج النسبة المولية للمتفاعلات من معادلة تفاعل موزونة

يحترق الميثان في وجود الأكسجين وفقًا للمعادلة الآتية:

1. ما النسبة المولية للميثان إلى الأكسجين؟
2. ما النسبة المولية للميثان إلى ثاني أكسيد الكربون؟
3. ما النسبة المولية للأكسجين إلى الماء؟

الحل

مطلوبٌ منا في الأسئلة الثلاثة تحديد النسبة المولية بين مادتين باستخدام معادلة كيميائية موزونة. تربط النسبة المولية بين عدد مولات مادةٍ ما وعدد مولات مادة أخرى تشتركان في التفاعل الكيميائي نفسه. المعامل التكافُئي، وهو العدد الذي يظهر أمام الأنواع الكيميائية في المعادلة الكيميائية، يمثِّل عدد مولات هذه الأنواع الكيميائية اللازمة لتفاعل تام.

الجزء الأول

لاستنتاج النسبة المولية للميثان () إلى الأكسجين ()، علينا تحديد المعامل التكافُئي لكلا النوعين في المعادلة الكيميائية. لا تُوجَد قيمة مكتوبة أمام الميثان. إذن المعامل التكافُئي له واحد. المعامل التكافُئي المكتوب أمام الأكسجين هو اثنان. ومن ثَمَّ، نكتب هاتين القيمتين على صورة نسبة، وهو ما يُعطينا النسبة المولية للميثان إلى الأكسجين، .

الجزء الثاني

ذكرنا أن المعامل التكافُئي للميثان هو واحد. ولا تُوجَد قيمة مكتوبة أمام ثاني أكسيد الكربون () في المعادلة الكيميائية. ومن ثَمَّ، فإن المعامل التكافُئي له واحد أيضًا. إذن كتابة هاتين القيمتين على صورة نسبة يُعطينا النسبة المولية للميثان إلى ثاني أكسيد الكربون، وهي .

الجزء الثالث

المعامل التكافُئي أمام الأكسجين () والماء () هو اثنان. ويمكننا كتابة هاتين القيمتين على صورة النسبة . لكن تذكَّر أنه يجب دائمًا تبسيط النسب. لذلك، تكون النسبة المولية للأكسجين إلى الماء هي .

مثال ٢: حساب مولات المتفاعِل المستهلَكة في تفاعل بمعلومية مولات متفاعِل آخر

يُستخدَم الأسيتيلين () في مشاعل اللحام. يمكن وصف احتراق الأسيتلين بالمعادلة الكيميائية الموزونة:

إذا احترق 8.5 مولات من الأسيتيلين، فكم مولًا من غاز الأكسجين تم استهلاكه في تفاعل تام؟ قرِّب إجابتك لأقرب منزلتين عشريتين.

الحل

علينا استخدام التحليل البُعدي لتحويل مولات الأسيتلين إلى مولات الأكسجين. وهذا يعني أننا نحتاج إلى معامل تحويل يربط بين مولات الأسيتلين ومولات الأكسجين. ويُسمَّى معامل التحويل هذا «النسبة المولية».

المعاملات التكافُئية في أي معادلة كيميائية موزونة تمثِّل عدد المولات اللازمة من كل نوع كيميائي للتفاعل التام. المعاملان التكافُئيان أمام و هما اثنان وخمسة على الترتيب. النسبة المولية للأسيتلين إلى الأكسجين، ، يمكن التعبير عنها على صورة معاملَي التحويل الآتيين:

عند إجراء التحليل البُعدي، تُحذَف الوحدات التي تظهر في البسط والمقام. القيمة التي نريد تحويلها هي 8.5 مولات من . ونريد حذف الوحدة مول من . ومن ثَمَّ، علينا ضرب القيمة الأصلية في معامل التحويل الذي يُوجَد به مول من في المقام:

نُجري بعد ذلك العملية الحسابية لتحديد عدد مولات غاز الأكسجين:

عند الاحتراق، يتفاعل 8.5 مولات من الأسيتيلين تفاعلًا تامًّا مع 21.25 مولًا من غاز الأكسجين.

مثال ٣: حساب كتلة متفاعل في تفاعل باستخدام الحسابات الكيميائية التكافُئية لواحد إلى متعدِّد

يمكن تكوين رابع كلوريد الكربون من خلال تفاعل الكلور والميثان طبقًا للمعادلة: [12 g/mol= ، 1 g/mol=، 35.5 g/mol= ]

إذا أُنتِج 8.0 g من ، فما كتلة الميثان المُستهلَك؟ قرِّب إجابتك لأقرب منزلتين عشريتين.

الحل

يطلب منا السؤال التحويل من جرام الـ إلى كتلة الميثان (). يمكن الربط بين مادتين مختلفتين من خلال النسبة المولية. تربط النسبة المولية بين كمية مادة ما مقدَّرة بالمول وكمية مادة أخرى مقدَّرة بالمول، وكلتا المادتين مشاركتان في تفاعل كيميائي. توضِّح المعاملات التكافُئية في المعادلة الكيميائية الموزونة عدد مولات كل نوع كيميائي مشارك في التفاعل. وإذا لم يُكتَب أي عدد أمام النوع الكيميائي، فإننا نفترض أن معامله يساوي واحدًا. بالنظر إلى المعادلة الكيميائية الموزونة، يمكننا تحديد النسبة المولية بين و لنجدها  1 mol إلى  4 mol.

ولكي نستخدم النسبة المولية، علينا تحويل كتلة المُعطاة في السؤال إلى المول. يمكن إجراء ذلك باستخدام المعادلة: حيث هي الكمية بالمول، و هي الكتلة بالجرام، و هي الكتلة المولية بالجرام لكل مول. لاستخدام المعادلة، علينا أولًا حساب الكتلة المولية لـ بجمع متوسط الكتل المولية للذرات المكوَّنة:

يمكننا بعد ذلك التعويض بالكتلة والكتلة المولية لـ في المعادلة:

بعد ذلك، يمكننا حساب عدد مولات ، وهي:

بعد ذلك، يمكننا تحويل مولات إلى مولات بضرب كمية بالمول في النسبة المولية مكتوبةً على صورة كسر. يجب كتابة النسبة المولية بحيث تكون مولات في المقام: لتُحذَف  mol: ويتبقَّى لدينا مولات :

بما أن السؤال يطلب منا تحديد كتلة الميثان، إذن علينا تحويل كمية الميثان بالمول إلى الكتلة بالجرام. يمكننا استخدام معادلة الكتلة/المول نفسها التي استخدمناها سابقًا: والتي يمكن إعادة ترتيبها لإيجاد الكتلة:

نحن نعرف مول الميثان، لكن علينا حساب الكتلة المولية بجمع متوسط الكتل المولية للذرات المكوَّنة:

يمكننا بعد ذلك التعويض بالكتلة المولية وكمية بالمول في المعادلة:

بعد ذلك، يمكننا حساب كتلة الميثان:

بتقريب الناتج لأقرب منزلتين عشريتين، نكون قد حدَّدنا أن إنتاج 8.0 g من ، قد استهلك 0.88 جرام من الميثان.

مثال ٤: حساب كتلة الأكسجين المطلوبة للتفاعل مع عدد معيَّن من ذرات المغنيسيوم

كم جرامًا يلزم من غاز الأكسجين ليتفاعل تفاعلًا تامًّا مع من ذرات المغنيسيوم لإنتاج أكسيد المغنيسيوم؟ وضِّح إجابتك لأقرب منزلتين عشريتين بالترميز العلمي. [16 g/mol=، 24 g/mol=]

الحل

لكي نربط بين غاز الأكسجين والمغنيسيوم، نحتاج إلى معادلة كيميائية موزونة. فالمغنيسيوم وغاز الأكسجين متفاعلان، ويجب كتابتهما على الطرف الأيسر من سهم التفاعل. وغاز الأكسجين هو جزيء ثنائي الذرة عندما يكون في صورته النقية، ويجب أن يظهر بالصيغة في المعادلة الكيميائية. أكسيد المغنيسيوم، الذي له الصيغة الكيميائية ، هو الناتج، ويجب كتابته على الطرف الأيمن من سهم التفاعل. إذن يُكتب التفاعل بهذا الشكل:

بكتابة هذه المعادلة الكيميائية بهذه الصورة، تكون غير موزونة. ويمكننا جعلها موزونة بكتابة قائمة بذرات كل عنصر في طرفَي المعادلة.

يمكننا ملاحظة أن ذرات المغنيسيوم موزونة، ولكن ذرات الأكسجين ليست كذلك. ومن ثَمَّ، يمكننا وضع المعامل اثنين أمام أكسيد المغنيسيوم لنجعل ذرات الأكسجين موزونة.

بوضع المعامل اثنين أمام أكسيد المغنيسيوم، تصبح ذرات المغنيسيوم غير موزونة. ولكن يمكننا إعادتها موزونة بوضع المعامل اثنين أمام المغنيسيوم.

توضِّح المعاملات التكافُئية في المعادلة الكيميائية الموزونة عدد مولات كل نوع كيميائي مشارك في التفاعل. في حال عدم كتابة أي عدد أمام النوع الكيميائي، نفترض أن المعامل يساوي واحدًا. بالنظر إلى المعادلة الكيميائية الموزونة السابقة، يمكننا ملاحظة أن مولين من المغنيسيوم يتفاعلان مع مول واحد من الأكسجين. وهذه العلاقة تُسمَّى النسبة المولية، ويمكن استخدامها معاملَ تحويل للتحويل بين مادتين.

ولكننا نعلم من السؤال كمية المغنيسيوم بالذرات وليس بالمول. لذلك، يمكننا تحويل عدد الأنواع الكيميائية، وهي في هذه الحالة الذرات، إلى مولات باستخدام المعادلة: حيث هي الكمية بالمول، و عدد الأنواع الكيميائية، و هو ثابت أفوجادرو، ( mol⁻¹). بعد ذلك، يمكننا التعويض بعدد الذرات وثابت أفوجادرو في المعادلة: وتحديد عدد مولات المغنيسيوم:

ثم يمكننا تحويل مولات المغنيسيوم إلى مولات غاز الأكسجين بالضرب في النسبة المولية مكتوبةً على صورة كسر. يجب كتابة النسبة المولية بحيث تكون مولات المغنيسيوم في المقام: وذلك لتُحذَف الوحدة  mol: ويتبقَّى لدينا:

بما أن السؤال يطلب منا إيجاد كتلة غاز الأكسجين بالجرام، علينا تحويل كمية غاز الأكسجين بالمول إلى الكتلة بالجرام. لإجراء هذا التحويل، يمكننا استخدام المعادلة: حيث هي الكمية بالمول، و هي الكتلة بالجرام، و هي الكتلة المولية بالجرام لكل مول. إذن نُعيد ترتيب المعادلة لإيجاد الكتلة:

بعد ذلك، نعوِّض بكمية غاز الأكسجين والكتلة المولية له (32 g/mol) في المعادلة: لتحديد كتلة غاز الأكسجين:

يطلب منا السؤال كتابة الإجابة بالترميز العلمي لأقرب منزلتين عشريتين. بكتابة الإجابة بالطريقة المطلوبة، جرام من غاز الأكسجين لازمة للتفاعل بشكل تام مع من ذرات المغنيسيوم للحصول على أكسيد المغنيسيوم.