فيديو الدرس: كتل التفاعل الكيمياء

‏نسخة الفيديو النصية

في هذا الفيديو، سوف نتعلم كيف نطبق ما تعلمناه عن المعادلات الكيميائية الموزونة كي نحسب كتل المتفاعلات والنواتج باستخدام النسب، والكميات المولية، والكتل المولية. لكن قبل التعمق في هذا الموضوع، لنراجع سريعًا ما نعرفه عن المعادلات الكيميائية.

المعادلة الكيميائية أشبه بالوصفة التي تتبعها لصنع بعض الكعكات. عندما نتبع وصفة أو معادلة كيميائية، نخلط كميات محددة من المواد في البداية كي نكون شيئًا جديدًا. عندما نتبع وصفة، نخلط كميات محددة من المكونات، مثل الدقيق والسكر والبيض. ولكن عندما نتبع معادلة كيميائية موزونة، فإننا نخلط كميات محددة من المركبات الكيميائية التي نسميها المتفاعلات. ثم تتحد المتفاعلات كيميائيًّا لتكوين النواتج.

وعندما نتبع معادلة كيميائية، يجب تحديدًا أن تكون معادلة كيميائية موزونة. هذا يعني أن المعادلة الكيميائية تتبع قانون حفظ الكتلة الذي كان يشار إليه قديمًا في بعض الأحيان بقانون عدم فناء المادة. ينص قانون حفظ الكتلة على أنه في أي نظام مغلق تكون الكتلة ثابتة، والنظام المغلق هو الذي لا تستطيع المادة التسرب منه، مثل حاوية مغلقة.

أوضح العالم الفرنسي أنطوان لافوازييه قانون حفظ الكتلة في أواخر القرن الثامن عشر. كان لافوازييه يدرس نوعًا من التفاعل يسخن فيه أحد الفلزات، مثل الزئبق، لتكوين مادة جديدة تسمى كلسًا أو أكسيد الفلز. فينتج عن تسخين الزئبق مثلًا، مسحوق أحمر يعرف بكلس أو أكسيد الزئبق. اتسمت كل هذه التفاعلات بخاصية غريبة، وهي أن الكلس أو الأكسيد الذي تكون كان أثقل من الكتلة الأصلية للفلز التي بدأ التفاعل بها.

ولكن عندما أجرى لافوازييه التفاعل في وعاء محكم الغلق، أي جعل النظام مغلقًا، ظلت كتلة النظام ثابتة. فاتضح أن الفلزات كانت تتفاعل مع الأكسجين الموجود في الهواء لتكون أكاسيد فلزية. وعندما حسب كتلة الفلز بالإضافة إلى كتلة الأكسجين الذي كان يتفاعل معه، وجد أن الكتلة قد حفظت في الواقع.

من خلال النظر إلى المعادلة الكيميائية الموزونة لهذا التفاعل، يمكننا أن نرى أن قانون حفظ الكتلة ينص على أن كمية الذرات ونوعها يكونان متماثلين في طرفي المتفاعلات والنواتج في هذه المعادلة. في التفاعلات الكيميائية، تتحد الذرات التي تتكون منها المتفاعلات لتكوين مواد جديدة. هذا يعني أن الأعداد الموجودة أمام الأنواع الكيميائية في المعادلات الكيميائية، التي تسمى المعاملات التكافئية، تعكس كمية كل مادة تشارك في التفاعل وتعطى بالمول.

حسنًا، بعد أن عرفنا أن هذه المعاملات التكافئية تعكس كمية المادة التي تشارك في التفاعل بالمول، يمكننا أن نحسب الكتلة الكلية للنواتج والكتلة الكلية للمتفاعلات لهذا التفاعل ونرى بأنفسنا أن قانون حفظ الكتلة سينطبق في الواقع على هذا التفاعل.

من الجدير بالذكر أن حفظ الكتلة لا ينطبق حقًّا على جميع العمليات. ففي التفاعلات النووية مثلًا، يمكن أن تتحول الكتلة إلى طاقة، والعكس صحيح، وهي حقيقة تعبر عنها معادلة أينشتاين الشهيرة: ‪𝐸‬‏ يساوي ‪𝑚𝑐‬‏ تربيع. ولكن بالنسبة لهذه الأنواع من العمليات، إذا أخذنا في الاعتبار الطاقة والكتلة معًا، فإنها تظل ثابتة. لكن لا داعي للقلق بشأن ذلك كثيرًا؛ فحفظ الكتلة ينطبق على الغالبية العظمى من العمليات التي نقابلها في الكيمياء.

والآن بعد أن راجعنا المعادلات الكيميائية الموزونة، كيف يمكننا استخدامها لحل المسائل؟ في كثير من الأحيان في الكيمياء، نكون بحاجة لمعرفة مقدار المادة المتفاعلة الذي سنحتاج إليه لإنتاج كمية معينة من النواتج. وقد نرغب في معرفة مقدار الناتج الذي سيتكون بالنظر إلى كمية المتفاعلات التي سنبدأ بها. وقد نرغب أيضًا في معرفة مقدار المادة المتفاعلة التي سنحتاج إليها بالنظر إلى كمية مادة متفاعلة مختلفة نستخدمها. بعبارة أخرى، نحتاج إلى معرفة كيفية التحويل بين كميات المواد الكيميائية التي تشارك في التفاعل الكيميائي ذاته.

لنعد إلى وصفة الكعكات سريعًا. أحيانًا عندما نتبع وصفة ما، لا تكون لدينا الكمية المناسبة من المكونات لاتباع الوصفة كما هي مكتوبة. وقد ترغب في زيادة مكونات الوصفة لإعداد كمية أكبر. على سبيل المثال، قد نرغب في إعداد 18 كعكة بدلًا من الـ 12 كعكة التي نعدها باتباع الوصفة الأصلية، وربما فعلنا شيئًا كهذا بشكل تلقائي في الماضي.

إذا كنا ندون حساباتنا بدقة، فسنحتاج إلى استخدام النسب في قياس مكونات الوصفة لمعرفة المقدار الذي سنحتاج إليه من جميع المكونات لإعداد 18 كعكة. على سبيل المثال، يمكننا أن نعرف من الوصفة الأصلية أننا بحاجة إلى كوب واحد من الحليب لإعداد 12 كعكة. لذا فإن نسبة أكواب الحليب إلى عدد الكعكات هي واحد إلى 12. وهكذا، لإيجاد كمية الحليب التي نحتاج إليها لإعداد 18 كعكة، نضرب هذه النسبة في عدد الكعكات التي نريد إعدادها، وهو ما يعطينا كوبًا ونصفًا من الحليب.

نتبع عملية مشابهة للغاية عندما نجري الحسابات المتعلقة بالتفاعلات الكيميائية. لذا دعونا نلق نظرة على هذه المعادلة الكيميائية الموزونة كي نتدرب قليلًا. في هذا التفاعل، لدينا نيتروجين وهيدروجين يتفاعلان لتكوين الأمونيا. بدلًا من استخدام كميات المكونات في الوصفة للتحويل بين كميات مختلفة من المواد، سنوجد نسبًا مولارية باستخدام المعاملات التكافئية من هذه المعادلة الكيميائية الموزونة. دعونا نتدرب على ذلك عن طريق إيجاد النسب المولارية لكل زوج من المواد في المعادلة.

لنبدأ بالنسبة المولارية بين النيتروجين والهيدروجين. يمكننا أن نرى من المعادلة الكيميائية الموزونة أن كل مول من النيتروجين يحتاج إلى ثلاثة مولات من الهيدروجين ليتفاعل. إذن فإن النسبة المولارية بين النيتروجين والهيدروجين هي واحد إلى ثلاثة. والآن لنلق نظرة على النيتروجين والأمونيا. يمكننا أن نعرف من المعادلة الكيميائية الموزونة أن كل مول من النيتروجين ينتج مولين من الأمونيا. إذن فالنسبة المولارية هنا هي واحد إلى اثنين.

وأخيرًا، لننظر إلى الهيدروجين والأمونيا. كل ثلاثة مولات من الهيدروجين تنتج مولين من الأمونيا، كما هو واضح في المعادلة الموزونة. إذن فنسبة الهيدروجين إلى الأمونيا هي ثلاثة إلى اثنين. على الرغم من عدم ظهور ذلك في هذا المثال، تجدر الإشارة إلى أنه يجب دائمًا التعبير عن النسبة المولارية في صورة أبسط نسبة بين أعداد كلية. لذا، على سبيل المثال، إذا توصلنا إلى نسبة مولارية تبلغ اثنين إلى اثنين من النظر إلى المعادلة، ينبغي التعبير عنها في صورة واحد إلى واحد؛ إذ يمكن تبسيط اثنين إلى اثنين عن طريق القسمة على اثنين. دعونا الآن نستخدم هذه النسب المولارية في التحويل بين كميات مختلفة من المواد.

ما عدد مولات ‪H2‬‏ اللازمة لإنتاج أربعة مولات من ‪NH3‬‏؟ في مسألة كهذه، نعرف كمية أحد الأنواع الكيميائية المشاركة في التفاعل، وهو الأمونيا في هذه الحالة. ونريد تحويله إلى كمية من نوع كيميائي مختلف في التفاعل، وهو الهيدروجين في هذه الحالة. سنتعامل مع هذا النوع من المسائل تمامًا كما فعلنا مع مثال الكعكات السابق. سنضرب كمية ‪NH3‬‏ التي نعرفها في النسبة المولارية بين ‪H2‬‏ و‪NH3‬‏ التي تساوي ثلاثة إلى اثنين، وهو ما يعطينا ستة مولات من ‪H2‬‏. لاحظ أننا نريد ترتيب النسبة المولارية بحيث تلغي مولات الأمونيا بعضها بعضًا. وينبغي أن نتأكد من عدم ترتيب النسبة المولارية بشكل عكسي.

صرنا الآن نعرف كيف نوجد نسبة مولارية من معادلة كيميائية موزونة، ونستخدمها لإيجاد كمية النواتج والمتفاعلات التي ستستهلك وتنتج في التفاعل. ولكن دعونا نؤكد مجددًا أنه من أجل إجراء هذه العمليات الحسابية، يجب أن تكون المعادلة الكيميائية موزونة. وإلا فلن يكون لعملنا أي معنى.

النسب المولارية مفيدة للغاية في حساب كميات جميع الأنواع الكيميائية التي نحتاج إليها. ولكن عندما نجري تفاعلات كيميائية في المختبر، لا نعرف عادة كمية مولات أي مادة لدينا مباشرة. وإنما نزن عادة كتلة المتفاعلات على ميزان. لذلك سنحتاج إلى معرفة كيفية التحويل بين الكتلة والمول والعكس. يمكننا فعل ذلك باستخدام الكتلة المولية للمادة؛ لأن كمية المادة بالمول تساوي كتلتها مقسومة على كتلتها المولية. لذا إذا كانت لدينا كتلة من مادة ما، وأردنا معرفة مقدارها بالمول؛ يمكننا التحويل بين الاثنين بالقسمة على الكتلة المولية. ويمكننا إجراء العكس والتحويل من المول إلى الكتلة بضرب كمية المادة بالمول في الكتلة المولية.

والآن بعد أن تعلمنا كل هذه الطرق المختلفة للتحويل بين الكميات المختلفة، دعونا نلخصها قبل الانتقال إلى بعض المسائل التدريبية. إذا أردنا التحويل بين كميات مختلفة من المواد تشارك في نفس المعادلة الكيميائية، يمكننا استخدام النسب المولارية. إذا أردنا التحويل بين كمية المادة وكتلتها، يمكننا استخدام الكتلة المولية لتلك المادة. على الرغم من عدم تناول ذلك في هذا الفيديو، يطلب منا أحيانًا حل المسائل من أجل معرفة عدد الأنواع، أي عدد الذرات أو الجزيئات الموجودة في عينة مادة ما، وهو ما يمكننا فعله باستخدام ثابت أفوجادرو الذي يخبرنا بعدد الأنواع الموجودة بالمول.

إذا واجهنا مشكلة في حل مسألة ما، يمكننا استخدام هذا المخطط بالبدء بالمعطيات ثم اتباع المخطط حتى نحصل على الكمية التي نرغب في إيجادها. حسنًا، دعونا الآن نطبق كل ما تعلمناه على بعض الأمثلة.

يحترق الميثان في وجود الأكسجين وفقًا للمعادلة الآتية: يتفاعل ‪CH4‬‏ زائد اثنين ‪O2‬‏ لتكوين ‪CO2‬‏ زائد اثنين ‪H2O‬‏. ما نسبة الميثان المولارية إلى الأكسجين؟

يطلب منا هذا السؤال إيجاد النسب المولارية، وهي نسب تساعدنا على ربط كميات الأنواع الكيميائية المختلفة التي تشارك في نفس التفاعل الكيميائي. النسب المولارية مفيدة لنا لأنها تساعدنا في التحويل بين كميات مادة ما وكميات مادة أخرى. للحصول على النسب المولارية، نستخدم المعاملات التكافئية من المعادلة الكيميائية الموزونة، وهي التي تشير إلى كمية كل نوع كيميائي يشارك في التفاعل بالمول.

لذا قبل كتابة النسب المولارية، دعونا نتأكد سريعًا من أن هذه المعادلة الكيميائية موزونة. توجد ذرة كربون واحدة في كل طرف من المعادلة، وأربع ذرات هيدروجين، وأربع ذرات أكسجين. لذا فإن المعادلة موزونة ومناسبة لبدء الحل. يطلب منا هذا السؤال معرفة النسبة المولارية بين الميثان والأكسجين. وكما نلاحظ من المعادلة الكيميائية الموزونة؛ فإن المعامل التكافئي أمام الميثان واحد، والمعامل التكافئي أمام الأكسجين اثنان. لذا فإن النسبة المولارية للميثان إلى الأكسجين هي واحد إلى اثنين، وهو ما يعني أنه لكل مول واحد من الميثان، نحتاج إلى مولين من الأكسجين للتفاعل معه.

ما نسبة الميثان المولارية إلى ثاني أكسيد الكربون؟

يجب علينا هنا تكرار ما فعلناه، لكن مع نسبة الميثان المولارية إلى ثاني أكسيد الكربون. كما نرى في المعادلة الكيميائية الموزونة، نحتاج إلى مول واحد من الميثان لإنتاج مول واحد من ثاني أكسيد الكربون، وهو ما يعطينا نسبة مولارية قدرها واحد إلى واحد.

ما نسبة الأكسجين المولارية إلى الماء؟

نريد الآن معرفة نسبة ‪O2‬‏ إلى ‪H2O‬‏. المعاملات التكافئية أمام كل من الأكسجين والماء هي اثنان. لذا لدينا نسبة اثنين إلى اثنين. لكن لاحظ أنه يمكننا تبسيط هذه النسبة بقسمتها على اثنين، وهو ما يعطينا نسبة واحد إلى واحد، وهي النسبة المولارية الصحيحة؛ حيث يجب دائمًا التعبير عن هذه النسب المولارية بأبسط الأعداد الكلية الممكنة. إذن نسبة الأكسجين المولارية إلى الماء هي واحد إلى واحد.

والآن بعد أن حللنا هذه المسألة التي أوجدنا فيها النسب المولارية من معادلة كيميائية، فلنجرب مسألة أصعب نطبق هذه النسب فيها.

يحترق الكبريت في وجود الأكسجين لتكوين ثاني أكسيد الكبريت. ما كتلة الكبريت اللازمة لإنتاج أربعة جرامات من ثاني أكسيد الكبريت؟

أولًا، لنكتب معادلة كيميائية موزونة للتفاعل الموصوف في هذه المسألة. يحترق الكبريت، الذي يرمز له بالحرف ‪S‬‏، في وجود الأكسجين الذي رمزه ‪O2‬‏، لتكوين ثاني أكسيد الكبريت أو ‪SO2‬‏. إذا ألقينا نظرة سريعة على المعادلة التي كتبناها، فلدينا ذرة كبريت واحدة في كل طرف من طرفي المعادلة، وذرتان من الأكسجين. إذن فالمعادلة موزونة.

يعطينا هذا السؤال كتلة من ثاني أكسيد الكبريت، ويطلب منا تحويلها إلى كتلة من الكبريت. لكن لا يمكننا التحويل مباشرة من كتلة نوع كيميائي إلى كتلة نوع آخر. لذا بدلًا من ذلك، سيتعين علينا تحويل كتلة ثاني أكسيد الكبريت إلى مولات ثاني أكسيد الكبريت، ثم تحويلها إلى مولات الكبريت، ثم حل المسألة بإيجاد كتلة الكبريت. يمكننا التحويل من الكتلة إلى المول أو من المول إلى الكتلة باستخدام الكتلة المولية للمادة؛ لأن كمية المادة بالمول تساوي كتلة المادة مقسومة على كتلتها المولية.

يمكننا حساب الكتلة المولية لثاني أكسيد الكبريت باستخدام الجدول الدوري. تبلغ الكتلة المولية للكبريت 32.06 جرامًا لكل مول، والكتلة المولية للأكسجين 15.999 جرامًا لكل مول، وهو ما يعطينا 64.058 جرامًا لكل مول للكتلة المولية للكبريت. الآن يمكننا التحويل من ‪SO2‬‏ بالجرام إلى ‪SO2‬‏ بالمول عن طريق القسمة على الكتلة المولية، وهو ما يمكننا رؤيته في الصيغة ويمكننا أيضًا معرفته من حقيقة أن جرامات الكبريت سيلغي بعضها بعضًا.

والآن يمكننا إما حل العملية الحسابية هنا لنحصل على 0.0624 مول من ثاني أكسيد الكبريت، أو مواصلة العملية الحسابية في سطر واحد. في كلتا الحالتين، ستكون خطوتنا التالية هي تحويل ‪SO2‬‏ بالمول إلى ‪S‬‏ بالمول. يمكننا إجراء هذا التحويل باستخدام النسبة المولارية التي أوجدناها من المعادلة الكيميائية الموزونة. وكما نرى، فإن كل مول واحد من الكبريت ينتج مولًا واحدًا من ثاني أكسيد الكبريت.

والآن خطوتنا الأخيرة هي التحويل من الكبريت بالمول إلى كتلة الكبريت كي نتمكن من حل هذه المسألة، وهو ما يمكننا فعله بالضرب في الكتلة المولية للكبريت، وهي 32.06 جرامًا لكل مول. بضرب كل الأعداد، نحصل على 2.002 جرام من الكبريت. لكن كتلة ثاني أكسيد الكبريت المذكورة في المسألة كانت لأقرب رقم معنوي واحد. لذا يجب أن نقرب الإجابة أيضًا لأقرب رقم معنوي واحد، وهو ما يعطينا جرامين من الكبريت، وهما اللازمان لإنتاج أربعة جرامات من ثاني أكسيد الكبريت.

دعونا الآن نلخص ما تعلمناه في هذا الفيديو باستعراض النقاط الأساسية. يمكننا إيجاد النسب المولارية باستخدام المعاملات التكافئية الموجودة في المعادلة الكيميائية الموزونة. ونستخدم هذه النسب المولارية بعد ذلك للتحويل بين كميات المتفاعلات والنواتج. وأخيرًا، يمكننا استخدام الكتلة المولية للتحويل بين الكتلة والمول والعكس.