فيديو الدرس: المعادلات الأيونية الكيمياء

‏نسخة الفيديو النصية

في هذا الفيديو، سوف نتعلم كيف نحول المعادلات الجزيئية إلى معادلات أيونية صافية عن طريق تحديد الأيونات المتفرجة التي لا تشارك في التغير الكيميائي. نيترات الرصاص الثنائي ويوديد البوتاسيوم كلاهما مسحوق أبيض، وعندما نخلطهما بالماء نحصل على محلولين عديمي اللون. لكن إذا خلطنا هذين المحلولين معًا، فسيتحول المحلول إلى لون أصفر لامع بسبب تكون مادة صلبة صفراء. إذا ألقينا نظرة على المعادلة الكيميائية الموزونة لذلك، فسنجد أن المادة الصلبة التي تتكون ونسميها راسبًا، هي يوديد الرصاص الثنائي. والناتج الآخر هو نيترات البوتاسيوم. لكن دعونا نتوقف لحظة لنفكر فيما يحدث هنا على المستوى الذري.

عندما تكون لدينا مواد أيونية مذابة في الماء، وهي التي يشار إليها برمز الحالة ‪aq‬‏ أو «مائي»، فإن المادة الأيونية تكون متفككة إلى الأيونات المكونة لها، ومن ثم تتحول نيترات الرصاص الثنائي إلى أيونات الرصاص اثنين موجب وأيونات النيترات، في المحلول. إذا ألقينا نظرة على وعاء التفاعل عبر المجهر بعد خلط المحلولين مباشرة، فمن المفترض أن نرى أيونات الرصاص اثنين موجب وأيونات النيترات، وأيونات البوتاسيوم، وأيونات اليوديد. ولن نرى في الواقع أي نيترات رصاص ثنائي أو يوديد بوتاسيوم متبق، وإن كان من المحتمل وجود بعض الأجزاء القليلة غير الذائبة. بالطبع بمجرد أن نخلط المحلولين، ستبدأ الأيونات الموجودة في المحلول في التصادم بعضها مع بعض وتتفاعل لتكوين النواتج.

عندما تتصادم أيونات الرصاص وأيونات اليوديد، يتفاعل بعضها مع بعض لتكوين الناتج، وهو يوديد الرصاص الثنائي. لكن الناتج الآخر، وهو نيترات البوتاسيوم، لا يزال مائيًّا، وهو ما يعني أنه لا يزال متفككًا إلى أيونات بوتاسيوم وأيونات نيترات في المحلول النهائي. لذا إذا قارنا وعاء التفاعل قبل التفاعل وبعده، فسنجد أن أيونات البوتاسيوم وأيونات النيترات لم تشارك في الواقع في التفاعل الكيميائي، في حين تفاعلت أيونات الرصاص مع أيونات اليوديد لتكوين يوديد الرصاص الثنائي. لذا نسمي هذين الأيونين، البوتاسيوم والنيترات، بالأيونين المتفرجين؛ لأنهما لم يشاركا في التغير الكيميائي الحادث في التفاعل. لقد شاهدت هذه الأيونات التغير الكيميائي فقط وهو يحدث في وعاء التفاعل، تمامًا مثل المتفرجين من جمهور لعبة ما.

لذا ربما لا تكون هذه الطريقة في كتابة المعادلة الكيميائية الطريقة المثلى لتوضيح ما يحدث في هذا التفاعل. عندما نكتب معادلة كيميائية بهذه الطريقة، فإنها تسمى معادلة جزيئية. وتظهر المعادلات الجزيئية جميع الأنواع الكيميائية في صورتها الكاملة باستخدام صيغها الجزيئية، حتى لو تفككت إلى أيونات. توجد طريقة أخرى لكتابة المعادلة الكيميائية للتفاعل، وهي المعادلة الأيونية. في المعادلة الأيونية، نفكك جميع الأنواع الكيميائية المائية إلى أيونات.

لنكتب إذن المعادلة الأيونية لهذا التفاعل. يتفكك النوع الكيميائي الأول، وهو نيترات الرصاص الثنائي، إلى أيونات الرصاص اثنين موجب وأيونات النيترات. يجب ألا ننسى الاثنين هنا؛ لأن هناك وحدتين من النيترات في وحدة واحدة من ‪Pb(NO3)2‬‏. بعد ذلك هناك يوديد البوتاسيوم الذي يتفكك إلى أيونات بوتاسيوم وأيونات يوديد. ولدينا بعد ذلك النواتج. الناتج الأول هو يوديد الرصاص الثنائي، وهو مادة صلبة، لذا لن نفككه إلى أيونات، وسنتركه كما هو. ثم لدينا الناتج الأخير، وهو نيترات البوتاسيوم الذي يتفكك إلى أيونات بوتاسيوم وأيونات نيترات.

بالنظر إلى المعادلة الأيونية، نلاحظ وجود أيونات البوتاسيوم وأيونات النيترات في كلا طرفي المعادلة الكيميائية، وهو ما رأيناه سابقًا. ونلاحظ أيضًا أن أيونات الرصاص وأيونات اليوديد تتحد كيميائيًّا لتكوين يوديد الرصاص الثنائي. والآن، إذا أزلنا الأيونات المتفرجة من المعادلة الأيونية، فسنحصل على المعادلة الأيونية الصافية. تذكر أن الأيونات المتفرجة هي تلك الأيونات التي تظهر في جانبي المعادلة الكيميائية؛ أي أيونات النيترات والبوتاسيوم. ولذا بإزالتها من المتفاعلات يتبقى لدينا الرصاص اثنان موجب و‪2I-‬‏، وبإزالتها من النواتج يتبقى لدينا يوديد الرصاص الثنائي. بإزالة الأيونات المتفرجة، نحذف الأيونات التي لا تشارك في التغير الكيميائي. ومن ثم، لا تعرض لنا المعادلة الأيونية الصافية إلا التغير الكيميائي الذي يحدث في التفاعل.

تتضمن كتابة المعادلات الأيونية الصافية دائمًا إزالة الأيونات المتفرجة، ولكن علينا أن نتذكر دائمًا تضمين الأنواع الكيميائية الصلبة والسائلة والغازية في المعادلة الأيونية الصافية؛ لأن هذه الأنواع لن تتفكك أبدًا إلى أيونات.

ذكرنا أن المعادلة الأيونية الصافية مفيدة؛ لأنها توضح التغير الكيميائي فقط الذي يحدث بالفعل في التفاعل. ولمعرفة مدى فائدة ذلك، دعونا نلق نظرة على تفاعل آخر. في هذا التفاعل، تتفاعل أسيتات الرصاص الثنائي مع يوديد الصوديوم لتكوين يوديد الرصاص الثنائي وأسيتات الصوديوم. نلاحظ أن هناك نوعًا كيميائيًّا مائيًّا في هذا التفاعل، لذا سيكون من المفيد كتابة المعادلة الأيونية الصافية.

الخطوة الأولى هي كتابة المعادلة الأيونية. نظرًا لأن النوع الكيميائي الأول نوع مائي، فسيتفكك إلى الأيونات المكونة له؛ وهي: أيونات الرصاص اثنين موجب، وأيونات الأسيتات. بعد ذلك لدينا يوديد الصوديوم، وهو مائي أيضًا، ومن ثم سيتفكك إلى أيونات صوديوم وأيونات يوديد. الناتج الأول هو يوديد الرصاص الثنائي. وبما أنه مادة صلبة، فسيظل كما هو. ولن نفككه إلى أيونات. لكن الناتج التالي مائي، لذا سنفككه إلى أيونات صوديوم وأيونات أسيتات.

حان الوقت الآن لإنشاء المعادلة الأيونية الصافية عن طريق إزالة الأيونات المتفرجة. بالنظر إلى المعادلة الأيونية، يمكننا ملاحظة وجود أيوني صوديوم في كلا طرفي المعادلة وأيوني أسيتات في كلا الطرفين أيضًا. إذن هذه هي الأيونات المتفرجة. يمكننا إنشاء المعادلة الأيونية الصافية بحذف هذه الأيونات من المعادلة الأيونية. سيتبقى بذلك الرصاص اثنان موجب زائد ‪2I-‬‏ اللذان يتفاعلان لتكوين يوديد الرصاص الثنائي.

إذن هذان التفاعلان لهما نفس المعادلة الأيونية الصافية، وهو ما يعني أن التغير الكيميائي في كلا التفاعلين متماثل، وهو ما لا يمكننا ملاحظته بمجرد النظر إلى المعادلة الجزيئية لكلا التفاعلين. والآن بعد أن عرفنا كيفية إنشاء المعادلات الأيونية وتحديد الأيونات المتفرجة لكي نتمكن من إنشاء المعادلة الأيونية الصافية، دعونا نتدرب على بعض المسائل.

ما الصيغة الأيونية للتعبير الكيميائي ‪CuSO4‬‏ المائي؟

نلاحظ أن رمز الحالة في هذا التعبير الكيميائي هو «‪aq‬‏» أو «مائي»، وهو ما يعني أن هذه المادة مذابة في الماء. عند إذابة المواد الأيونية في الماء، تتفكك إلى الأيونات الموجبة والسالبة الشحنة المكونة لها. لذا إذا أردنا إنشاء الصيغة الأيونية للتعبير ‪CuSO4‬‏ المائي، فعلينا معرفة الأيونات التي يتكون منها ‪CuSO4‬‏. حسنًا، ‪Cu‬‏ هو رمز النحاس. يكون النحاس أيونات موجبة الشحنة، لكن بمقدوره أن يكون أيونات لها شحنات مختلفة ومتعددة. علينا إذن معرفة شحنته بالنظر إلى الأيون الآخر الموجود في هذا التعبير.

‏‪SO4‬‏ هو أيون الكبريتات المتعدد الذرات، وشحنته اثنان سالب. هذا يعني أنه لكي تكون لهذا المركب شحنة نهائية متعادلة، يجب أن تكون شحنة النحاس اثنين موجب، وهو ما يعني أن هذا المركب هو كبريتات النحاس الثنائي. بالطبع يجب ألا ننسى رموز الحالة؛ حيث إن هذه الأيونات لا تزال في الماء. إذن الصيغة الأيونية للتعبير الكيميائي ‪CuSO4‬‏ المائي: هي ‪Cu2+‬‏ المائي زائد ‪SO42−‬‏ المائي.

والآن بما أننا واثقون من قدرتنا على إنشاء الصيغة الأيونية للتعبيرات الكيميائية، فلنختبر هذه المهارة ونحدد بعض الأيونات المتفرجة في معادلة ما.

توضح المعادلة أحد تفاعلات الأكسدة والاختزال: ‪MG‬‏ الصلب زائد ‪CuSO4‬‏ المائي يتفاعلان لتكوين ‪MgSO4‬‏ المائي زائد ‪Cu‬‏ الصلب. حدد الأيون المتفرج في هذا التفاعل، متضمنًا رمز الحالة.

يعد التفاعل في هذا السؤال مثالًا على تفاعل أكسدة واختزال يتضمن انتقال إلكترونات؛ حيث يتفاعل فلز المغنيسيوم الصلب مع كبريتات النحاس الثنائي لتكوين كبريتات المغنيسيوم وفلز النحاس. لكن حقيقة أن هذا التفاعل تفاعل أكسدة واختزال غير مهمة في حل هذه المسألة؛ حيث إن كل ما كلفنا به هو تحديد الأيون المتفرج. الأيون المتفرج هو أيون لا يشارك في التغير الكيميائي الحادث في التفاعل.

لتحديد الأيونات المتفرجة، يجب علينا أولًا كتابة الصيغة الأيونية لجميع الأنواع الكيميائية الموجودة في هذا التفاعل. نلاحظ أن بعض الأنواع الكيميائية الموجودة في هذا التفاعل، وهي كبريتات النحاس وكبريتات المغنيسيوم، مائية. عندما تكون لدينا مادة أيونية مائية، فهذا يعني أنها تتفكك إلى الأيونات المكونة لها. لنستعرض إذن المعادلة الكيميائية ونفكك كل شيء إلى أيونات.

المتفاعل الأول هو فلز المغنسيوم. وبما أنه مادة صلبة، فلن نحتاج إلى فعل أي شيء له. المتفاعل التالي هو كبريتات النحاس الثنائي الذي يتفكك إلى أيون النحاس اثنين موجب وأيون الكبريتات اثنين سالب. الناتج الأول هو كبريتات المغنيسيوم الذي يتفكك إلى أيون المغنيسيوم اثنين موجب وأيون الكبريتات اثنين سالب. والناتج الأخير لدينا هو النحاس الصلب. وبما أنه صلب، فسنتركه كما هو أيضًا. الآن وبعد أن كتبنا المعادلة الكيميائية مع تقسيم المركبات إلى الأيونات التي يمكن أن تتفكك إليها، والتي تسمى معادلة أيونية، يمكننا تحديد الأيون المتفرج. بما أن الأيون المتفرج لا يشارك في التغير الكيميائي، فسيظل كما هو في جانبي المتفاعلات والنواتج من المعادلة.

يمكننا أن نلاحظ أن أيون الكبريتات موجود في جانب المتفاعلات وجانب النواتج. إذن لا بد أن هذا هو الأيون المتفرج. ومن ثم، فإن الأيون المتفرج هو الكبريتات أو ‪SO42−‬‏. وعلينا ألا ننسى رمز الحالة، وهو مائي.

ما المعادلة الأيونية الصافية لتفاعل التعادل بين هيدروكسيد الأمونيوم وحمض الهيدروكلوريك؟ يتفاعل ‪NH4OH‬‏ المائي زائد ‪HCl‬‏ لتكوين ‪NH4Cl‬‏ المائي زائد ‪H2O‬‏ السائل. (أ) يتفاعل ‪H+‬‏ المائي زائد ‪OH−‬‏ المائي لتكوين ‪H2O‬‏ السائل. (ب) يتفاعل ‪NH4+‬‏ المائي زائد ‪H+‬‏ المائي زائد ‪OH−‬‏ المائي لتكوين ‪NH4+‬‏ المائي زائد ‪H2O‬‏ السائل. (ج) يتفاعل ‪NH4+‬‏ المائي زائد ‪OH−‬‏ المائي لتكوين ‪NH3+‬‏ المائي زائد ‪H2O‬‏ السائل. (د) يتفاعل ‪NH4+‬‏ المائي زائد ‪Cl−‬‏ المائي لتكوين ‪NH4Cl‬‏ المائي. (هـ) يتفاعل ‪H+‬‏ المائي زائد ‪H2O‬‏ السائل لتكوين ‪H3O+‬‏ المائي.

المعادلة الأيونية الصافية للتفاعل هي طريقة للتعبير عن المعادلة الكيميائية مع إزالة الأيونات المتفرجة كلها. الأيونات المتفرجة هي أيونات موجودة في التفاعل لا تساهم فعليًّا في التغير الكيميائي. لتحديدها، علينا أولًا تفكيك جميع هذه المتفاعلات والنواتج المائية إلى الأيونات المكونة لها؛ لأنه عندما يكون النوع الأيوني مائيًّا، فإنه يتفكك إلى الأيونات التي يتكون منها. سأحذف خيارات الإجابة لكي تكون لدينا مساحة لكتابة الحل.

أول نوع كيميائي لدينا، وهو هيدروكسيد الأمونيوم، مائي. فسيتفكك إلى ‪NH4‬‏ أو أيونات الأمونيوم و‪OH−‬‏ أو أيونات الهيدروكسيد، عندما يكون في محلول. المتفاعل التالي هو حمض الهيدروكلوريك. وبما أنه مائي، فإنه سيتفكك إلى أيونات هيدروجين وأيونات كلوريد عندما يذاب في الماء. والآن لننتقل إلى جانب نواتج التفاعل. الناتج الأول، وهو كلوريد الأمونيوم، مائي أيضًا، لذا سيتفكك إلى أيونات ‪NH4‬‏ وأيونات ‪Cl−‬‏. والناتج الأخير لدينا هو الماء. بما أنه سائل، فهو لا يتفكك إلى أيونات، لذا سنتركه كما هو. تسمى هذه المعادلة التي توصلنا إليها في النهاية المعادلة الأيونية؛ إذ توضح جميع الأنواع الكيميائية الموجودة في التفاعل متفككة إلى الأيونات المكونة لها.

والآن بعد أن أصبحت لدينا المعادلة الأيونية، يمكننا تحديد الأيونات المتفرجة في هذا التفاعل. بما أن الأيونات المتفرجة لا تشارك في التغير الكيميائي، فستظهر في جانب المتفاعلات وجانب النواتج. بالنظر إلى المتفاعلات والنواتج التي لدينا، نلاحظ أن الأمونيوم يظهر في جانب المتفاعلات وجانب النواتج، وكذلك أيون الكلوريد. ومن ثم، إذا أزلنا هذه الأيونات المتفرجة، فسنحصل على المعادلة الأيونية الصافية لهذا التفاعل. في جانب المتفاعلات، ستتبقى أيونات ‪OH−‬‏ و‪H+‬‏ بعد إزالة الأيونات المتفرجة. وفي جانب النواتج، يتبقى لدينا الماء فقط. إذن هذه هي المعادلة الأيونية الصافية للتفاعل. يتفاعل ‪OH−‬‏ المائي زائد ‪H+‬‏ المائي لتكوين ‪H2O‬‏ السائل. والآن إذا أعدنا خيارات الإجابة، فسنرى أن المعادلة الأيونية الصافية التي توصلنا إليها تتطابق مع خيار الإجابة (أ).

والآن فلنلخص كل ما تعلمناه في نقاط رئيسية. الأيونات المتفرجة هي أيونات توجد في التفاعل الكيميائي، لكنها لا تساهم في التغير الكيميائي. يمكننا تحديد الأيونات المتفرجة في المعادلة الجزيئية، التي تستخدم صيغًا جزيئية مع جميع المتفاعلات والنواتج حتى لو كانت متفككة إلى أيونات، عن طريق إنشاء معادلة أيونية توضح جميع المواد الأيونية الذائبة متفككة إلى الأيونات المكونة لها. وإذا أزلنا هذه الأيونات المتفرجة من المعادلة الأيونية، فستتبقى لدينا المعادلة الأيونية الصافية التي توضح التغير الكيميائي الذي يحدث بالفعل في التفاعل.