فيديو الدرس: التحلل الحراري العلوم

نسخة الفيديو النصية

في هذا الفيديو، سوف نتعلم كيف نصف تفاعلات التحلل الحراري، ونقدم أمثلة عليها. سنشرح لماذا يعد التحلل الحراري تغيرًا كيميائيًّا، وسنستخدم المعادلات الكيميائية لتمثيل هذه التفاعلات، ونوضح احتياطات السلامة المرتبطة بإجراء التحلل الحراري في المعمل.

تفاعل التفكك هو نوع من التفاعل الكيميائي يتفكك فيه مركب إلى مواد أبسط. ويكون المتفاعل في تفاعل التفكك مركبًا، ونواتجه قد تكون عناصر أو مركبات أو كلا النوعين. ويسمى النوع الأكثر شيوعًا من تفاعلات التفكك بالتحلل الحراري.

التحلل الحراري هو تفكك مادة عند تسخينها لتكوين مادتين أخريين أو أكثر. والعامل الذي يتسبب في حدوث التفاعل الكيميائي هو الحرارة. في المعادلات الكيميائية، يمثل الرمز ‪𝛥‬‏، الذي يشبه المثلث، إضافة حرارة. ونعلم أنه يمكن إضافة الحرارة إلى المادة لتغيير حالتها، مثل صهر الثلج، ويعد ذلك تغيرًا فيزيائيًّا.

في المقابل، تؤدي الحرارة في تفاعلات التحلل الحراري إلى حدوث تغير كيميائي. فتتكون مواد جديدة، وقد نلاحظ دلائل تشير إلى حدوث تغير كيميائي، مثل تكون غاز أو تغير لون أو صدور رائحة. يمكن أن يخضع العديد من الأنواع المختلفة من المركبات لتفاعلات التحلل الحراري. في الحقيقة، يمكن أن يتحلل العديد من كربونات الفلزات عند تسخينها لإنتاج أكسيد فلز وثاني أكسيد الكربون.

كربونات الفلزات هي مركبات كيميائية تتكون من كاتيونات فلزات موجبة الشحنة، وأنيونات كربونات سالبة الشحنة. الصيغة الكيميائية لأنيون الكربونات هي ‪CO32−‬‏. ومن أمثلة كربونات الفلزات التي تخضع لتفاعلات التحلل الحراري كربونات النحاس الثنائي، وكربونات الرصاص الثنائي، وكربونات الزنك. وتعد كربونات البوتاسيوم مثالًا آخر على كربونات الفلزات، لكنها تتطلب حرارة أكثر بكثير لتتحلل مقارنة بالكربونات الأخرى المذكورة. وفيما يتعلق بالصيغ الكيميائية لكربونات الفلزات، نكتب دائمًا كاتيون الفلز أولًا ويليه أنيون الكربونات، ونعكس الترتيب في العربية.

في حالة كربونات النحاس الثنائي، شحنة أيون النحاس اثنان موجب، وشحنة أيون الكربونات اثنان سالب. والمركبات الكيميائية متعادلة الشحنة. إذن يجب أن يكون إجمالي الشحنتين صفرًا، وهذا صحيح في هذه الحالة. ومن ثم، فإن الصيغة الكيميائية لكربونات النحاس الثنائي هي ‪CuCO3‬‏. وفي حالة كل من كربونات الرصاص الثنائي وكربونات الزنك، مجموع شحنتي الأيونين صفر أيضًا. ومن ثم، فإن الصيغتين الكيميائيتين لهذين المركبين هما ‪PbCO3‬‏ و‪ZnCO3‬‏.

عند تسخين كربونات الفلز وتحللها، ينتج ناتجان: أكسيد الفلز وثاني أكسيد الكربون. لنفترض أننا سخنا كربونات الرصاص الثنائي الصلبة في أنبوب اختبار باستخدام موقد بنسن، ما تسبب في تحللها. كربونات الرصاص الثنائي، وهي مادة صلبة بيضاء، هي المتفاعل في تفاعل التحلل الحراري هذا. بعد التفاعل، تبقى مادة صلبة في أنبوب الاختبار، لكن هذه المادة صفراء. هذا التغير في اللون دليل على حدوث تفاعل كيميائي. تعرف هذه المادة الصلبة الصفراء بأكسيد الرصاص الثنائي، وصيغته الكيميائية ‪PbO‬‏. لكن أكسيد الرصاص الثنائي هو ناتج واحد فقط من ناتجي التفاعل. والناتج الآخر هو ثاني أكسيد الكربون.

إذا قارنا بين كتلة المادة الصلبة في أنبوب الاختبار قبل التفاعل وكتلتها بعد التفاعل، فسنجد أن الكتلة قلت. لكننا نتوقع أن تكون الكتلة متساوية قبل التفاعل وبعده؛ لأن قانون حفظ الكتلة ينص على أن كتل النواتج يجب أن تساوي كتل المتفاعلات في التفاعل الكيميائي. تكمن المشكلة هنا في أن غاز ثاني أكسيد الكربون، الذي تكون في التفاعل، قد خرج من أنبوب الاختبار قبل أن نتمكن من حساب الكتلة.

الآن وبعد أن علمنا أن كربونات الفلزات يمكن أن تتحلل عن طريق التسخين لإنتاج أكسيد فلز وغاز ثاني أكسيد الكربون، دعونا نتعرف على كيفية تمثيل هذه التفاعلات باستخدام المعادلات الكيميائية. كربونات الزنك هي إحدى كربونات الفلزات التي تتحلل عند تسخينها. لنكتب معادلة كلامية لتمثيل هذا التفاعل. كربونات الزنك هي المتفاعل في هذا التفاعل. لذا، سنكتبها قبل سهم التفاعل. على سهم التفاعل، علينا استخدام الرمز ‪𝛥‬‏ للتعبير عن التسخين. يوجد ناتجان للتفاعل. أحدهما هو أكسيد الزنك، وهو أكسيد فلز، والناتج الآخر هو ثاني أكسيد الكربون. يكون ثاني أكسيد الكربون دائمًا أحد نواتج التحلل الحراري لكربونات الفلزات.

بدلًا من تمثيل التفاعل باستخدام أسماء المواد المتضمنة في التفاعل، يمكننا أيضًا كتابة معادلة كيميائية باستخدام الصيغ الكيميائية. الصيغة الكيميائية لكربونات الزنك ‪ZnCO3‬‏. وكربونات الزنك مادة صلبة، لذا يمكننا أيضًا كتابة رمز الحالة «‪s‬‏». وأكسيد الزنك الناتج مادة صلبة أيضًا، وصيغته الكيميائية ‪ZnO‬‏. والصيغة الكيميائية لثاني أكسيد الكربون التي نعرفها جيدًا هي ‪CO2‬‏. ثاني أكسيد الكربون غاز، لذا سنستخدم هنا رمز الحالة «‪g‬‏»

كربونات الزنك وأكسيد الزنك لهما مظهر متشابه؛ فكلاهما مادة صلبة لونها أبيض. كيف يمكننا إذن تحديد إذا ما كان هناك تفاعل كيميائي قد حدث أم لا؟ نحتاج إلى طريقة للكشف عن ثاني أكسيد الكربون الناتج. يوجد جهاز نستخدمه للكشف عن تكون غاز ثاني أكسيد الكربون، ويتضمن الأجزاء الآتية: أنبوب اختبار للتسخين يحتوي على كربونات الزنك الصلبة، ويثبت بواسطة ماسك على حامل لإحكامه في مكانه. ويستخدم موقد بنسن بلهب أزرق متحكم فيه لتسخين كربونات الزنك في أنبوب الاختبار باستمرار.

أثناء إنتاج ثاني أكسيد الكربون داخل أنبوب الاختبار الذي يتعرض للتسخين، ينتقل الغاز عبر أنبوب توصيل إلى أنبوب اختبار مملوء بماء الجير. ماء الجير هو محلول مائي من هيدروكسيد الكالسيوم. بينما يمر ثاني أكسيد الكربون على هيئة فقاعات عبر ماء الجير، يبدأ محلول ماء الجير في التعكر. توضح لنا هذه العلامة المرئية المفيدة أن كربونات الزنك قد تحللت بالفعل إلى أكسيد الزنك وثاني أكسيد الكربون.

والآن علينا مناقشة احتياطات السلامة المطلوبة عند إجراء التحلل الحراري في المعمل. قبل أن نبدأ تجربتنا، علينا ارتداء نظارات السلامة، وفحص الزجاجيات مثل أنابيب الاختبار لاكتشاف أي كسور أو شقوق، وإخلاء منطقة العمل من أي مواد قابلة للاشتعال. بعد أن نرى تعكر ماء الجير، يكون التفاعل قد اكتمل.

بعد إيقاف تشغيل موقد بنسن، من المهم للغاية فصل أنبوب التوصيل عن أنبوب الاختبار الذي يحتوي على ماء الجير. إذا لم يفصل أنبوب التوصيل عن أنبوب الاختبار المملوء بماء الجير، فأثناء تبريد الأدوات، يمكن أن يتدفق ماء الجير مرة أخرى إلى أنبوب الاختبار الذي تم تسخينه، ما قد يتسبب في انكسار الزجاج، بل وتناثره. يعرف هذا التأثير بالامتصاص الراجع، ويمكن تجنبه عن طريق إزالة أنبوب التوصيل بمجرد إيقاف تشغيل موقد بنسن. يعد تسخين المواد الكيميائية في الزجاجيات في المعمل أمرًا خطيرًا. لذلك تأكد من التزامك باتباع احتياطات السلامة وتعليمات معلمك.

توجد أنواع أخرى من المركبات الكيميائية التي يمكن أن تخضع لتفاعلات التحلل الحراري. على سبيل المثال، يتحلل هيدروكسيد النحاس الثنائي بالتسخين لتكوين أكسيد النحاس الثنائي والماء. وتتحلل كبريتات النحاس الثنائي بالتسخين لإنتاج أكسيد النحاس الثنائي وغاز ثالث أكسيد الكبريت. هذان التفاعلان متشابهان للغاية. فكلاهما ينتج عنه أكسيد النحاس الثنائي، وهو أكسيد فلز. وينتج عن تسخين هيدروكسيد النحاس بخار ماء، بينما ينتج عن تسخين كبريتات النحاس الثنائي غاز ثالث أكسيد الكبريت. إذا قارنا هذين التفاعلين بالتحلل الحراري لكربونات النحاس الثنائي، فسنجد أن كل هذه التفاعلات الثلاثة ينتج عنها أكسيد النحاس الثنائي، ولكن تنتج غازات مختلفة في كل تفاعل.

دعونا نناقش تفاعلين آخرين من تفاعلات التحلل الحراري. يتحلل أكسيد الزئبق الثنائي بالتسخين لتكوين الزئبق العنصري وغاز الأكسجين. وتتحلل نيترات الصوديوم عند التسخين لتكوين نيتريت الصوديوم وغاز الأكسجين. نلاحظ أنه في تفاعلي التحلل هذين، غاز الأكسجين هو أحد الناتجين. في المعمل، لا يمكننا رؤية غاز الأكسجين الناتج. لكننا إذا أشعلنا شظية خشبية ثم أطفأناها بلطف بحيث تتوهج الشظية، فعندما نضع الشظية المتوهجة في أنبوب الاختبار، ستشتعل مجددًا ويتوهج اللهب إذا نتج غاز الأكسجين.

قبل أن نلخص ما تعلمناه عن التحلل الحراري في هذا الفيديو، دعونا نلق نظرة على السؤال التالي.

أي المعادلات الكيميائية الآتية توضح التحلل الحراري لكربونات الزنك؟ (أ) يتفاعل ‪ZnCO3‬‏ الصلب لتكوين ‪ZnO‬‏ الصلب زائد غاز ‪CO2‬‏. (ب) يتفاعل ‪ZnO‬‏ الصلب زائد غاز ‪CO2‬‏ لتكوين ‪ZnCO3‬‏ الصلب. (ج) يتفاعل ‪ZnC2‬‏ زائد غاز ‪O2‬‏ لتكوين اثنين ‪ZnO‬‏ الصلب زائد غاز ‪CO2‬‏. (د) يتفاعل اثنان ‪ZnO‬‏ الصلب زائد ‪C‬‏ الصلب لتكوين اثنين ‪Zn‬‏ الصلب زائد غاز ‪CO2‬‏. (هـ) يتفاعل اثنان ‪Zn‬‏ الصلب زائد غاز ‪O2‬‏ لتكوين اثنين ‪ZnO‬‏ الصلب.

في هذا السؤال، مطلوب منا تحديد أي من المعادلات الكيميائية الموجودة في خيارات الإجابة تمثل التحلل الحراري لكربونات الزنك. يعرف التحلل الحراري بأنه تفكك المادة عند تسخينها لتكوين مادتين أخريين أو أكثر. ونظرًا لأن عملية التحلل الحراري تكون مواد جديدة، فإنها نوع من أنواع التفاعل الكيميائي ويمكن تمثيلها بمعادلة كيميائية.

عند قراءة هذا التعريف جيدًا، نلاحظ أنه خلال تفاعل التحلل الحراري، يتفكك متفاعل واحد لتكوين ناتجين أو أكثر. وبوضع هذا التعريف في الاعتبار، دعونا نلق نظرة على خيارات الإجابة المعطاة. في جميع خيارات الإجابة، باستثناء الخيارين (ب) و(هـ)، يوجد ناتجان أو أكثر. في خيار الإجابة (ب)، ‪ZnCO3‬‏ الصلب هو الناتج الوحيد الذي تكون. وفي خيار الإجابة (هـ)، ‪ZnO‬‏ الصلب هو الناتج الوحيد الذي تكون. ولأن هاتين المعادلتين الكيميائيتين تتضمنان ناتجًا واحدًا فقط، فلا يمكن أن تمثلا تفاعل تحلل حراري. لذا، يمكننا استبعادهما.

والآن، لنلق نظرة فاحصة على الخيارين (ج) و(د). في كلتا هاتين المعادلتين الكيميائيتين، نلاحظ وجود متفاعلين. بحسب التعريف، يحدث تفاعل التحلل الحراري عندما يتفكك متفاعل واحد عن طريق التسخين. وبناء عليه، فإن هاتين المعادلتين الكيميائيتين لا يمكنهما تمثيل التحلل الحراري لكربونات الزنك.

إذن يجب أن يكون الخيار (أ) هو الإجابة الصحيحة. لكن دعونا نناقش سبب ذلك بمزيد من التفصيل. كربونات الزنك نوع من المركبات يطلق عليها كربونات الفلزات. عند تعرض كربونات الفلزات لتفاعلات التحلل الحراري، ينتج عنها أكسيد فلز وغاز ثاني أكسيد الكربون. وتتكون كربونات الفلزات من أيونات الفلز الموجبة الشحنة وأيونات الكربونات السالبة الشحنة. والوحدة الواحدة من كربونات الزنك تتكون من أيون زنك شحنته اثنان موجب وأيون الكربونات. ومجموع شحنتي هذين الأيونين يساوي صفرًا. ومن ثم، يمكن كتابة الصيغة الكيميائية لكربونات الزنك على صورة ‪ZnCO3‬‏.

عند تسخين كربونات الزنك، تتحلل لإنتاج أكسيد الزنك، وهو أكسيد الفلز، وغاز ثاني أكسيد الكربون. ومن ثم، فإن المعادلة الكيميائية التي توضح التحلل الحراري لكربونات الزنك هي خيار الإجابة (أ). يتفاعل ‪ZnCO3‬‏ الصلب لتكوين ‪ZnO‬‏ الصلب زائد غاز ‪CO2‬‏.

دعونا الآن نلخص ما تعلمناه عن التحلل الحراري. بداية، التحلل الحراري هو تغير كيميائي. فتنتج عنه مواد جديدة، وقد نرى دلائل تشير إلى حدوث تفاعل كيميائي، مثل إنتاج غاز أو تغير في اللون. يحدث تفاعل التحلل الحراري عند تسخين المادة وتفككها إلى مادتين جديدتين أو أكثر. عندما تتحلل كربونات الفلز حراريًّا، يكون ناتجا التفاعل هما أكسيد الفلز وغاز ثاني أكسيد الكربون. ويمكن الكشف عن وجود غاز ثاني أكسيد الكربون الناتج عن طريق إمراره على هيئة فقاعات عبر ماء الجير. فيتعكر ماء الجير، وهو محلول مائي من هيدروكسيد الكالسيوم، في وجود غاز ثاني أكسيد الكربون.

علينا اتباع احتياطات السلامة عند تسخين المواد الكيميائية في المعمل. إذ يتحتم علينا دائمًا ارتداء النظارات الوقائية وفحص الزجاجيات بحثًا عن الكسور أو الشقوق قبل استخدامها في التجربة. ومن المهم جدًّا تجنب الامتصاص الراجع الذي يمكن أن يؤدي إلى حدوث انكسار في أنبوب الاختبار الساخن المليء بالمواد الكيميائية. وأخيرًا، تعلمنا أيضًا أنه بالإضافة إلى كربونات الفلزات، ثمة مواد أخرى تخضع أيضًا لتفاعلات التحلل الحراري، مثل هيدروكسيد النحاس وكبريتات النحاس ونيترات الصوديوم وأكسيد الزئبق.