فيديو الدرس: المركبات والمخاليط الكيمياء

نسخة الفيديو النصية

في هذا الفيديو، سوف نتعلم كيف نصف الطرق التي تتحد بها المواد. وسوف ننظر في أوجه التشابه والاختلاف بين الذرات والجزيئات والمركبات والمخاليط، ونتناول الأنواع المحتملة من المخاليط. يوجد حاليًّا 118 عنصرًا مختلفًا، ويمكن إيجادها في الجدول الدوري للعناصر. كل عنصر نوع من الذرات أو الأيونات به عدد مختلف من البروتونات في النواة.

من السهل وصف الذرات. على سبيل المثال، هذه ذرة هيدروجين. تحتوي على بروتون واحد في نواتها وإلكترون واحد في الفراغ المحيط. هذه الذرة المحددة من الهيدروجين لا تحتوي على أي نيوترونات على الإطلاق. الذرة ببساطة نواة تتكون من بروتونات ونيوترونات، وبها إلكترونات مقيدة كافية لتجعلها متعادلة. وإذا جمعنا بين ذرتي هيدروجين، فإنهما تكونان رابطة تساهمية؛ حيث تتشاركان إلكتروناتهما وتحملانها معًا. إذن ما ينتج هو ذرتا هيدروجين تشكلان معًا جزيئًا من الهيدروجين.

الجزيء ببساطة ذرتان أو أكثر مرتبطتان معًا ارتباطًا تساهميًّا في وحدة منفصلة. رسم الجزئيات في صورة نوى محاطة بسحب من الإلكترونات سيكون معقدًا بعض الشيء. لذلك دعونا نرسم جزيء الهيدروجين بطريقة أبسط. يمكننا استخدام رمز عنصر الهيدروجين ونصل بين الرمزين بخط واحد لتكوين رابطة تساهمية بين ذرتي الهيدروجين. العنصر الثاني ذرة الفلور. تحتوي هذه الذرة على تسعة بروتونات في نواتها، وتسعة إلكترونات في الفراغ المحيط. وهذه الذرة المحددة من الفلور تحتوي على 10 نيوترونات أيضًا. يمكننا تبسيط ذلك من خلال تمثيل الذرة بأكملها برمز عنصر الفلور، وهو الحرف ‪F‬‏. إذا جمعنا بين ذرتي فلور، فإنهما تشكلان أيضًا رابطة تساهمية. ويصبح لدينا الآن جزيء فلور.

في الظروف المناسبة، إذا جمعنا جزيء الهيدروجين وجزيء الفلور، فإنهما سيتكسران. وستتشكل روابط تساهمية جديدة أقوى بين ذرات الهيدروجين وذرات الفلور، وتنتج مادة جديدة تسمى فلوريد الهيدروجين. لقد بدأنا بجزيئات تحتوي على عنصر واحد، وهو الهيدروجين أو الفلور. وأنتجنا جزيئًا جديدًا يحتوي على عنصرين مختلفين، وهما الهيدروجين والفلور. نسمي هذا النوع من المادة مركبًا، وهو يتكون من عنصرين منفصلين أو أكثر، مع شرط إضافي يتمثل في أن تكون نسبة العناصر ثابتة. على سبيل المثال، في فلوريد الهيدروجين، لدينا ذرة هيدروجين واحدة لكل ذرة فلور. من المهم أن نلاحظ أن الفلور والهيدروجين وفلوريد الهيدروجين جميعها مواد جزيئية. ولكن من بين الثلاثة، فلوريد الهيدروجين هو المركب الوحيد.

يمكن للذرات اكتساب إلكترونات أو فقدها لتصبح أيونات. والمواد الأيونية دائمًا مركبات. تجتمع الأيونات في بنى من الأيونات الموجبة والسالبة المتناوبة. ويمكن أن تستمر هذه البنى إلى الأبد، لذا فهي ليست مثل الجزيئات. لكن تتكون المركبات الأيونية دائمًا من عنصرين أو أكثر. ولديها بشكل عام بنية متكررة، وهو ما يعني أننا نعرف النسبة بين الأيونات الموجبة والسالبة. وبذلك يكون لها تركيب ثابت. على سبيل المثال، يتكون كلوريد الصوديوم من أيونات صوديوم موجبة وأيونات كلوريد سالبة. لكل أيون صوديوم يوجد أيون كلوريد واحد، وصيغة كلوريد الصوديوم هي ‪NaCl‬‏.

بشكل عام، تتفاعل العناصر اللافلزية مع غيرها من العناصر اللافلزية لإنتاج مواد جزيئية، غير أن بعضها يتفاعل لإنتاج شبيكات متواصلة. وبشكل عام أيضًا، تتفاعل اللافلزات مع الفلزات لإنتاج مواد أيونية. لكن ماذا عن تفاعل الفلزات مع الفلزات؟ ربما سمعت عن السبائك، مثل النحاس الأصفر. النحاس الأصفر هو مزيج من النحاس والزنك. لكن في معظم الأوقات عندما نصهر الفلزات معًا، لا تشكل أنماطًا منتظمة. تحتوي بعض سبائك النحاس الأصفر على 10 بالمائة فقط من الزنك، بينما تحتوي أخرى على 65 بالمائة، ويشكل النحاس بقية النسبة. إذن النحاس الأصفر، في صورة سبيكة، لا يعد جزيئًا. ولأن تركيبه يمكن أن يتغير بحرية، فهو ليس مركبًا. بدلًا من ذلك، نقول إن السبائك مخاليط.

في اللغة العامية، قد يعني الخليط العديد من الأشياء المختلفة. أما في الكيمياء، فالكلمة لها طبيعة أكثر تحديدًا. الخليط مادتان أو أكثر مخلوطتان معًا، لكن من دون تفاعل بينهما. في الخليط الكيميائي، تحتفظ المواد بسلوكها الكيميائي الأصلي. لنلق نظرة على بعض الأمثلة. هذا صندوق من ذرات الأكسجين. والأكسجين مادة نقية لأن جميع جزيئاته متشابهة. بالطبع ستلتصق ذرات الأكسجين بشكل طبيعي معًا، وتشكل جزيئات أكسجين. ويكون لدينا مجددًا مادة نقية؛ لأن جميع الجزيئات متشابهة تمامًا. وستتفاعل بالطريقة نفسها.

هذا ما سنحصل عليه إذا أوقفنا العملية في المنتصف: خليط من ذرات الأكسجين وجزيئات الأكسجين. جميع هذه المواد أمثلة على عنصر الأكسجين. لكن في المنتصف، لدينا مادتان مختلفتان، وهما شكلان مختلفان من عنصر الأكسجين. هذا يعني أن لدينا خليطًا من ذرات الأكسجين وجزيئات الأكسجين. تتفاعل ذرات الأكسجين بشكل مختلف عن جزيئات الأكسجين؛ لذلك لدينا مادتان مختلفتان.

دعونا نفكر الآن فيما يحدث إذا تفاعل عنصران مختلفان معًا. على اليسار، نرى ذرات كربون وجزيئات أكسجين. هذا خليط. فذرات الكربون وجزيئات الأكسجين مادتان مختلفتان. وإذا جعلناهما تتفاعلان معًا، فسنحصل على جزيئات من ثاني أكسيد الكربون. وإذا كان مقدار ذرات الكربون وذرات الأكسجين مناسبًا تمامًا، فسنحصل على مادة نقية، وهي ثاني أكسيد الكربون فقط. في المنتصف، لدينا خليط من ذرات الكربون وجزيئات الأكسجين وجزيئات ثاني أكسيد الكربون. هذه المرة، حولنا خليطًا إلى مادة نقية.

دعونا ننظر الآن إلى أنواع مختلفة من المخاليط. عندما نشكل مخاليط، نخلط عادة مواد صلبة أو سائلة أو غازات بعضها ببعض. المخاليط التي تحتوي على مواد صلبة وسائلة يمكن أن تختلف اختلافًا كبيرًا فيما بينها. فقد نحصل على قطع كبيرة أو قطع صغيرة أو قطع في حجم الذرة. وعندما يكون الخليط متجانسًا إلى هذا الحد، نسميه محلولًا. الجسيمات الصغيرة تسمى المذاب، والمادة التي تختلط فيها الجسيمات تسمى المذيب.

لنلق نظرة على بعض الأمثلة. يعد العديد من الصخور أمثلة على مخاليط مادة صلبة مع مادة صلبة. يمكن دمج معادن مختلفة معًا في القطعة نفسها، ونسمي هذه المواد تكتلات. يصنع الزجاج الملون من مخاليط مختلفة من السيليكا ومعادن أخرى. على سبيل المثال، يصنع الزجاج الأزرق باستخدام أكسيد الكوبالت. وفيما يخص المحاليل، لدينا سبائك، منها النحاس الأصفر. ومن المقبول جدًّا تسمية السبائك بالمحاليل الصلبة.

لكن ماذا سيحدث إذا كان لدينا سائلان؟ يتوقف ما يحدث مع السوائل على ما إذا كانت تمتزج بشكل طبيعي بعضها مع بعض أم لا. إذا مزجنا الزيت والماء مثلًا، فلن يختلطا من تلقاء أنفسهما. لكن إذا رججناهما، فيمكن أن نحصل على خليط من الاثنين؛ حيث تنتشر قطرات صغيرة من أحدهما في الآخر. وإذا انفصل الخليط بمرور الزمن، يسمى خليطًا غير مستقر. الحليب خليط مستقر لسائل في سائل يتكون من الماء والبروتينات والدهون. وهناك مجموعة أخرى من المواد الكيميائية في الحليب تحول دون التصاق قطرات الدهون بعضها ببعض. ومع ذلك، توجد دهون نقية إلى حد كبير داخل تلك القطرات، ومن ثم فإن اللبن ليس محلولًا.

لكن الخل الأبيض يعد مثالًا جيدًا على محلول لسائل في سائل، وهو خليط من الماء وحمض الإيثانويك، يعرف أيضًا بحمض الأسيتيك. تذوب جزيئات حمض الأسيتيك في الماء، وبذلك يكون حمض الأسيتيك هو المذاب والماء هو المذيب. وعندما يكون الماء هو المذيب في المحلول، نقول إن لدينا محلولًا مائيًّا، ونستخدم الحرفين ‪aq‬‏ للإشارة إلى تلك الحالة.

تتميز مخاليط الغاز مع الغاز بطبيعة أكثر انتظامًا إلى حد ما. الغازات، وفقًا لتعريفها، مكونة من جسيمات منفصلة، ومن ثم يمكننا الحصول فقط على محاليل غاز في غاز، مثل الهواء المكون من خليط من النيتروجين والأكسجين والقليل من الغازات الأخرى. إذن ماذا عن التركيبات الأخرى؟ التربة خليط من مواد صلبة، وهي الطين والتراب، مع سائل وهو الماء. في الوقت نفسه، الدم معلق مكون من عدة مواد صلبة مختلفة مثل كرات الدم الحمراء، لكنه يحتوي أيضًا على غازات ذائبة مثل الأكسجين وثاني أكسيد الكربون. ويذوب السكر مباشرة في الماء ليشكل محلول مادة صلبة في سائل. وبالطبع، بالإضافة إلى إمكانية وجود مواد صلبة في سوائل، يمكن أن نجد سوائل في مادة صلبة، مثل الماء في إسفنجة مبللة أو قطرات صغيرة من الماء في الجيلاتين، كما هو الحال في الجيلي. ويمكننا أيضًا إذابة السوائل في المواد الصلبة، كما هو الحال مع ذوبان الزئبق في الذهب الصلب.

لنلق نظرة الآن على الغازات والسوائل. يعد الرذاذ الدقيق المنبعث من زجاجة منظف النافذة مثالًا جيدًا على خليط سائل في غاز. لكن إذا كانت القطرات صغيرة، يمكنك تشكيل مخاليط مستقرة مثل الرذاذ؛ حيث تكون قطرات الماء دقيقة للغاية لدرجة أنه يمكنها الطفو في الهواء. ونصادف كثيرًا مخاليط أخرى لغاز في سائل. فالفقاعات في حمام الفقاعات جيوب من الهواء محاطة بأغشية رقيقة من الماء والصابون. وإذا كانت الفقاعات أصغر حجمًا، فستبقى الرغوة لفترة أطول مثل رغوة الحلاقة أو بياض البيض المخفوق. لكن ربما يكون المثال الأكثر شيوعًا هو المشروبات الغازية. فالمشروبات الغازية أو الماء المكربن خليط من ثاني أكسيد الكربون والماء. وإذا فتحت الزجاجة، فسيهرب ثاني أكسيد الكربون. لكن إذا تركت الغطاء مغلقًا، فسيكون لديك خليط مستقر من الماء وثاني أكسيد الكربون.

وأخيرًا لدينا مخاليط لمواد صلبة في الغازات، وهي أقل شيوعًا نوعًا ما. الغبار في الهواء خليط غير مستقر من مادة صلبة في غاز. لكن الجسيمات الأدق، مثل تلك الموجودة في الدخان، تبقى معلقة لفترة أطول. ومع ذلك، لا يمكنك الحصول على محلول مادة صلبة في غاز؛ لأنه في حالة تفتيت المواد الصلبة حتى تصبح جسيماتها في حجم الذرة، لن تظل مواد صلبة.

تمثل الإسفنجة الجافة مثالًا جيدًا على خليط غاز في مادة صلبة؛ حيث تكون لدينا جيوب هوائية محاطة بمادة صلبة. يمكنك أيضًا الحصول على رغوة صلبة مثل رغوة البوليستيرين التي تتكون باستخدام الهواء أو هيدروكربونات أو هالوكربونات صغيرة. يمكنك كذلك الحصول على محاليل غازات في مواد صلبة. فالبلاديوم فلز نادر يمتص كميات كبيرة من غاز الهيدروجين. يعتمد تصنيف الخليط إلى مستقر وغير مستقر على وجهة نظرك. لقد حددت عددًا من المخاليط التي تبدو معقولة، لكن ثمة استثناءات. وبعض الأمثلة الأخرى قد تعد مخاليط غير مستقرة بناء على المدة الزمنية.

قبل أن نتناول بعض الأمثلة، نحتاج إلى إلقاء نظرة على طريقة أخرى نستخدمها لتصنيف المخاليط. يشير المصطلحان «مستقر» و«غير مستقر» إلى الطريقة التي سيتطور بها الخليط في المستقبل. لكن علينا أن نتناول كيف تصنف المخاليط في الوقت الراهن. دعونا نفكر في قطرة من الحبر توشك على الوقوع في الماء. يمكننا اعتبار أن المادتين نقيتان، مع أن الحبر يحتوي في الغالب على بعض المواد المختلفة. بعد إضافة الحبر وتقليب كل شيء معًا، سيكون لدينا خليط متجانس من الحبر والماء. ومن ثم فإن تركيبة الخليط متجانسة. قبل إتمام التقليب، لا يختلط الحبر بالماء بشكل كامل؛ ومن ثم لدينا أماكن يكثر فيها الحبر، وأماكن أخرى يقل فيها. إذن يمكننا القول إن تركيب الخليط غير متجانس.

نسمي الخليط ذا التركيب المتماثل خليطًا متجانسًا، وهو ما يعني أنه من النوع نفسه. وعندما يكون تركيب الخليط غير متساو، نسميه خليطًا غير متجانس، وهو ما يعني أن به أنواعًا مختلفة. من المهم إدراك أن المصطلحين «متجانس» و«غير متجانس» يصفان حالة الخليط في الوقت الحالي، بينما يصف المصطلحان «مستقر» و«غير مستقر» الطريقة التي سيتطور بها الخليط لاحقًا. بعد كل ذلك، حان وقت تناول بعض التدريبات.

أي من الأتي يعد وصفًا دقيقًا للمركب؟ (أ) ذرات مرتبطة معًا كيميائيًّا في وحدة منفصلة. (ب) مادة تتكون من عنصرين أو أكثر، يرتبطان معًا كيميائيًّا بنسبة ثابتة. (ج) ذرة وحيدة من عنصر ما. (د) خليط من العناصر المختلفة.

إذا لم تكن تتذكر ما المقصود بالمركب، فقد يفيدك التفكير في دور هذه الكلمة في سياقات أخرى، مثل الفائدة المركبة، وهي فائدة على فائدة. ويمكنك التفكير أيضًا في الكسر المركب، الذي يعرف بالكسر المضاعف، وهو كسر في العظام يصاحبه جرح في الجلد. تشير هذه السياقات إلى تجمع أو اتحاد أو تراص طبقات معًا. يعد الماء مثالًا جيدًا على المركبات. فجزيء الماء، ‪H2O‬‏، مركب من ذرة أكسجين وذرتي هيدروجين. إذن الماء مركب من عنصرين مختلفين. وكلوريد الصوديوم مثال آخر على المركبات، لكن تركيبه الكيميائي مختلف تمامًا عن الماء. يتكون كلوريد الصوديوم من أيونات صوديوم موجبة وأيونات كلوريد سالبة مرتبطة معًا في شبيكة قد تمتد، نظريًّا، في جميع الاتجاهات لمسافة لا نهائية.

يشترك هذان المركبان في أنهما يتكونان من عنصرين أو أكثر مرتبطين كيميائيًّا. في حالة الماء هناك روابط تساهمية، وفي كلوريد الصوديوم هناك روابط أيونية. آخر شيء علينا معرفته هو المقصود بالنسبة الثابتة. فيما يخص أي مركب يتكون من عنصرين، يعني هذا أن هناك نسبة ثابتة بين ذرات أو أيونات هذا العنصر والعنصر الآخر في المركب. ومن ثم، لدينا نسبة واحد إلى واحد في كلوريد الصوديوم بين أيونات الصوديوم وأيونات الكلوريد. صيغة كلوريد الصوديوم هي ‪NaCl‬‏. ولأنها نسبة واحد إلى واحد، لا نكتب عادة الأرقام السفلية. لكن قبل أن نختار هذه الإجابة لتكون إجابتنا النهائية، دعونا نلق نظرة على الخيارات الأخرى.

يوضح الخيار الأول أن المركبات ذرات مرتبطة معًا كيميائيًّا في وحدة منفصلة. مثال على ذلك ذرتان من الأكسجين مرتبطتان معًا في جزيء الأكسجين، وهو ليس مركبًا لأنه يحتوي على عنصر واحد فقط. ومن ثم فإن الخيار الأول يشير إلى تعريف الجزيء. وذرة وحيدة من عنصر ما، هذا ببساطة تعريف الذرة. على سبيل المثال، ذرة من الأرجون، هذه بالتأكيد ليست مركبًا؛ لأنها لا تحتوي على عنصرين أو أكثر. مثال جيد على خليط العناصر المختلفة خليط غازي النيتروجين والأكسجين الذي يشكل غالبية الهواء الذي نتنفسه. هذه الجزيئات ليست مرتبطة كيميائيًّا بعضها ببعض؛ لذلك لن نعتبر هذا الخليط مركبًا. ومن ثم، من بين العبارات الأربع الموجودة لدينا، الوصف الأدق للمركب هو أنه مادة تتكون من عنصرين أو أكثر يرتبطان معًا كيميائيًّا بنسبة ثابتة.

دعونا نتناول الآن سؤالًا عن المخاليط.

أي من الآتي ينطبق على الخليط؟ (أ) يمكن صنع الخليط بخلط المواد النقية فقط. (ب) يتشكل الخليط دائمًا عندما تتفاعل مادتان معًا. (ج) العناصر النقية لا يمكنها تكوين خليط. (د) لا يمكن فصل المخاليط إلى مكوناتها. (هـ) تحتوي المخاليط على جسيمات لمواد مختلفة مخلوطة معًا، لكن دون تفاعل بينها.

نفهم من الخيار (أ) أنه يمكننا صنع المخاليط بخلط مواد نقية معًا، مثل غاز النيتروجين وغاز الأكسجين. لكن لا يوجد ما يمنعنا من خلط غاز آخر بهذا الخليط لكي ننتج خليطًا جديدًا. يشير الخيار الثاني إلى أن الخليط يتشكل دائمًا عندما تتفاعل مادتان معًا. لكن، على سبيل المثال، إذا جعلنا الكربون وغاز الأكسجين يتفاعلان معًا بنسبة ذرة كربون واحدة إلى جزيء أكسجين واحد، فسينتج ثاني أكسيد الكربون في شكله النقي. إذن لن ننتج خليطًا هنا. ونعلم من خلط النيتروجين والأكسجين معًا أن العناصر النقية يمكن أن تكون مخاليط؛ ومن ثم فإن الخيار الثالث خطأ.

يشير الخيار التالي إلى أنه لا يمكن فصل المخاليط إلى مكوناتها. لكن إذا كانت لدينا عينة من برادة الحديد المخلوطة بالكبريت، يمكننا استخدام مغناطيس لسحب برادة الحديد، وبذلك نكون قد فصلنا الخليط، وتكون الإجابة المتبقية هي التعريف الصحيح للمخاليط. تحتوي المخاليط على جسيمات لمواد مختلفة مخلوطة معًا، لكن دون تفاعل بينها.

لم يتبق لنا سوى مراجعة النقاط الرئيسية. المركبات مواد تتكون من عنصرين أو أكثر بنسبة ثابتة، وهي بشكل عام تساهمية أو أيونية. في الوقت نفسه، المخاليط عبارة عن مادتين أو أكثر مخلوطتين معًا، لكن دون تفاعل بينهما. الخليط غير المستقر تنفصل مكوناته مع مرور الزمن. الخليط المتجانس له تركيب موزع بالتساوي. الخليط غير المتجانس له تركيب موزع بشكل غير متساو. قد تتضمن المخاليط مواد صلبة وسوائل وغازات، ويمكن أن تكون محاليل مائية أيضًا.