فيديو الدرس: حفظ الكتلة العلوم

‏نسخة الفيديو النصية

في هذا الفيديو، سوف نتعلم كيف نعرف حفظ الكتلة في التفاعلات الكيميائية، ونفسره.

في أواخر القرن الثامن عشر، كان الكيميائي الفرنسي أنطوان لافوازييه يدرس تفاعلات مواد كيميائية مختلفة. قاس لافوازييه بعناية كتل المواد قبل التفاعل الكيميائي وبعده. ووجد أنه عند إجراء التفاعل في نظام مغلق؛ حيث تبقى جميع المتفاعلات والنواتج داخل هذا النظام، كانت الكتلة قبل التفاعل وبعده متساوية على الرغم من اختلاف المتفاعلات والنواتج. وأدى عمله هذا إلى ظهور قانون حفظ الكتلة.

ينص قانون حفظ الكتلة على أن الكتلة لا تفنى ولا تستحدث في التفاعل الكيميائي. بعبارة أخرى: يجب أن تساوي الكتلة الكلية للمتفاعلات قبل التفاعل الكتلة الكلية للنواتج بعد التفاعل. دعونا نر كيف يمكن تطبيق قانون حفظ الكتلة على معادلة كيميائية.

تصف هذه المعادلة الكيميائية التفاعل بين الكربون والأكسجين لإنتاج ثاني أكسيد الكربون. الكربون والأكسجين هما المتفاعلان، وثاني أكسيد الكربون هو الناتج. في هذا التفاعل، تتفاعل ذرة واحدة من الكربون مع جزيء واحد من الأكسجين لإنتاج جزيء واحد من ثاني أكسيد الكربون. ينبغي أن نلاحظ أن جزيء الأكسجين وجزيء ثاني أكسيد الكربون يحتوي كل منهما على ذرتي أكسجين. نلاحظ أيضًا أن هناك ذرة واحدة من الكربون في كلا طرفي المتفاعلات والنواتج في المعادلة. يمكننا القول إن معادلة التفاعل هذه موزونة؛ لأن هناك العدد نفسه من كل نوع من الذرات على جانبي سهم التفاعل.

نعلم أنه وفقًا لقانون حفظ الكتلة، يجب أن تكون كتلة المتفاعلات وكتلة النواتج متساويتين. ويمكننا ملاحظة أن هذا صحيح باستخدام الكتلة الذرية النسبية. كل نوع من الذرات له كتلته الذرية النسبية. لذرة واحدة من الكربون كتلة ذرية نسبية تساوي 12، ولذرة واحدة من الأكسجين كتلة ذرية نسبية تساوي 16. إذن الكتلة الذرية النسبية لذرة الكربون الواحدة في معادلة التفاعل هي 12.

يمكننا تحديد كتلة الجزيء من خلال جمع كتل الذرات التي يتكون منها. على سبيل المثال، يحتوي جزيء الأكسجين على ذرتي أكسجين، والكتلة الذرية النسبية لكل منهما 16. ومن ثم الكتلة الذرية النسبية لجزيء الأكسجين هي 32. ويحتوي جزيء ثاني أكسيد الكربون على ذرتي أكسجين وذرة كربون واحدة. إذن الكتلة الذرية النسبية لجزيء ثاني أكسيد الكربون تساوي 44. نسمي الكتلة الذرية النسبية لجزيء ما بكتلة الصيغة النسبية.

إذا جمعنا الكتلة الذرية النسبية لذرة الكربون مع كتلة الصيغة النسبية لجزيء الأكسجين، فسنحصل على كتلة نسبية مقدارها 44. وهذه هي الكتلة الذرية النسبية الكلية للمتفاعلات. يمكننا أن نلاحظ أن الكتلة الذرية النسبية الكلية للمتفاعلات تساوي الكتلة الذرية النسبية الكلية للنواتج. وهذا يدل على الامتثال لقانون حفظ الكتلة.

دعونا نلق نظرة على معادلة كيميائية أخرى وطريقة مختلفة لإيجاد الكتلة الكلية للمتفاعلات والنواتج. دعونا نفصل المتفاعلات والنواتج برسم خط عند سهم التفاعل ونكتب قائمة بأنواع الذرات المختلفة الموجودة في كل طرف من طرفي التفاعل.

يمكننا الآن تحديد عدد ذرات كل عنصر موجود على جانبي سهم التفاعل. يمثل العدد أربعة المكتوب أمام ‪Na‬‏ معاملًا. والمعامل عدد يكتب أمام الذرة أو الجزيء في المعادلة الكيميائية للإشارة إلى أقل عدد من الجسيمات الداخلة في التفاعل. يجب النظر إلى المعاملات على أنها مضاعفات. إذن في طرف المتفاعلات، عدد ذرات الصوديوم يساوي أربعة، وعدد ذرات الأكسجين يساوي اثنين. وفي طرف النواتج، عدد ذرات الصوديوم يساوي اثنين في اثنين، أو أربعة، وعدد ذرات الأكسجين يساوي اثنين. هذا مثال آخر على معادلة كيميائية موزونة؛ حيث يكون عدد كل نوع من الذرات متساويًا على جانبي سهم التفاعل.

والآن علينا معرفة الكتلة الذرية النسبية لكل نوع من الذرات. الكتلة الذرية النسبية للصوديوم تساوي 23، والكتلة الذرية النسبية للأكسجين تساوي 16. يمكننا ضرب عدد ذرات كل عنصر في كتلته الذرية النسبية لتحديد الكتلة الذرية النسبية الكلية لكل عنصر. إذا جمعنا النتائج، فسنحصل على الكتلة الذرية النسبية الكلية للمتفاعلات والنواتج. مرة أخرى، نجد أن كتلة النواتج تساوي كتلة المتفاعلات، ونجد أن معادلة التفاعل تخضع لقانون حفظ الكتلة. بين المثالان أن المعادلة الكيميائية الموزونة تخضع لقانون حفظ الكتلة.

والآن بعد أن رأينا كيف يمكننا فهم قانون حفظ الكتلة باستخدام الكتل الذرية النسبية، دعونا نلق نظرة على تجربة. في هذه التجربة، يضاف سائل عديم اللون إلى أنبوب اختبار يوضع بعناية بعد ذلك في دورق يحتوي على سائل آخر عديم اللون. يغلق الدورق بسدادة، ويوضع كل ذلك على ميزان إلكتروني. يحتوي السائل الموجود في أنبوب الاختبار على مركب نيترات الرصاص الثنائي. ويحتوي السائل الموجود في الدورق على مركب يوديد البوتاسيوم.

قبل حدوث أي تفاعل، كانت كتلة المواد الكيميائية والدورق والسدادة وأنبوب الاختبار تساوي 301.23 جرام. بعد ذلك يمال الدورق بحرص للسماح باختلاط السائلين. وبمجرد أن يختلط السائلان، يحدث تفاعل ينتج مادة صلبة صفراء معلقة في سائل شفاف. يحتوي السائل الشفاف على مركب نيترات البوتاسيوم، والمادة الصلبة الصفراء هي مركب يوديد الرصاص الثنائي. عندما نضع الدورق على الميزان مرة أخرى، نجد أن الكتلة لم تتغير عما كانت عليه قبل حدوث التفاعل. وبما أن الكتلة قبل التفاعل وبعده متساوية، فإن هذه التجربة توضح أن التفاعلات الكيميائية تخضع لقانون حفظ الكتلة.

دعونا نلق نظرة على تجربة أخرى. في هذه التجربة، نضع كرة من سلك حديدي على ميزان إلكتروني. ثم نشعل السلك الحديدي باستخدام عود ثقاب. وعند احتراق السلك الحديدي، تبدأ الكتلة في الزيادة. وتستمر الكتلة في الزيادة مع احتراق المزيد من السلك الحديدي. وعندما يتوقف السلك الحديدي عن الاحتراق، تكون الكتلة أكبر مما كانت عليه في بداية التفاعل.

إذن، هل ينتهك هذا التفاعل قانون حفظ الكتلة؟ دعونا نفكر في التفاعل الكيميائي الذي حدث. عندما تحترق مادة ما في الهواء الطلق، فإنها تتفاعل مع غاز الأكسجين الموجود في الهواء. إذن خلال التفاعل، تفاعل السلك الحديدي مع غاز الأكسجين الذي لا يمكننا رؤيته لإنتاج مركب أكسيد الحديد الثلاثي. ومن ثم زادت الكتلة بسبب تفاعل غاز الأكسجين واتحاده مع الحديد. إذن على الرغم من أننا لا نستطيع رؤية جميع المتفاعلات الداخلة في التفاعل، فإن التفاعل يظل خاضعًا لقانون حفظ الكتلة.

يمكننا أيضًا تحديد كتلة الأكسجين الذي تفاعل. نعلم من قانون حفظ الكتلة أن كتلة المتفاعلات يجب أن تساوي كتلة النواتج. ومن ثم فإن كتلة السلك الحديدي زائد كتلة الأكسجين يجب أن تساوي كتلة أكسيد الحديد الثلاثي الناتج. بطرح 14 جرامًا من طرفي المعادلة، نجد أن كتلة الأكسجين الذي تفاعل تساوي 6.02 جرامات.

دعونا نلق نظرة على تجربة أخيرة. في هذه التجربة، نضع كأسين زجاجيتين على ميزان. تحتوي إحدى الكأسين على الخل، وتحتوي الأخرى على صودا الخبز. عند مزج الخل مع صودا الخبز، يتكون الكثير من الفقاعات. وعند حدوث ذلك، تبدأ الكتلة في النقصان. وعندما يتوقف التفاعل عن تكوين الفقاعات، سيتبقى سائل في الكأس وستكون الكتلة أقل مما كانت عليه قبل بدء التفاعل.

إذن، هل ينتهك هذا التفاعل قانون حفظ الكتلة؟ نعلم أن هذا التفاعل ينتج سائلًا يظل في الكأس. ورأينا أيضًا فقاعات أثناء التفاعل، وهو ما يشير إلى إنتاج غاز. كان هذا الغاز هو ثاني أكسيد الكربون الذي تصاعد في صورة فقاعات أثناء التفاعل. لذا فإن الكتلة التي يقيسها الميزان بعد التفاعل لا تتضمن كتلة غاز ثاني أكسيد الكربون الناتج.

هذا التفاعل، مثل جميع التفاعلات الكيميائية، يخضع لقانون حفظ الكتلة. باستخدام قانون حفظ الكتلة، يمكننا إيجاد كتلة ثاني أكسيد الكربون الناتج من خلال طرح الكتلة بعد التفاعل من الكتلة قبل التفاعل. ومن ثم فإن كتلة ثاني أكسيد الكربون الناتج تساوي 2.62 جرام. من المهم أن ندرك أن جميع التفاعلات الكيميائية تخضع لقانون حفظ الكتلة على الرغم من أنها قد تبدو أنها تنتهكه للوهلة الأولى.

والآن دعونا نتدرب على ما تعلمناه.

أي شكل من الأشكال الخمسة الآتية للجسيمات يمثل قانون حفظ الكتلة؟

ينص قانون حفظ الكتلة على أن الكتلة لا تفنى ولا تستحدث في التفاعل الكيميائي. للامتثال لهذا القانون، يجب أن تكون المعادلة الكيميائية موزونة. وتكون المعادلة الكيميائية موزونة عندما يتساوى عدد كل نوع من الذرات على جانبي سهم التفاعل.

إذن للإجابة عن هذا السؤال، علينا تحديد أي شكل من الأشكال الخمسة للجسيمات يحتوي على العدد نفسه من الجسيمات السوداء والخضراء على جانبي سهم التفاعل. في الشكل أ، يوجد جسيم أسود واحد في جانبي المعادلة. لكن يوجد جسيمان أخضران في طرف المتفاعلات وجسيم أخضر واحد في طرف النواتج. ومن ثم هذه المعادلة غير موزونة، ولا تتبع قانون حفظ الكتلة.

في الشكل ب، الجسيمات السوداء موزونة، لكن الجسيمات الخضراء ليست موزونة. إذن لا يمكن أن يكون الشكل ب الإجابة الصحيحة.

في الشكل ج، الجسيمات الخضراء موزونة، لكن الجسيمات السوداء ليست موزونة. إذن الشكل ج ليس الإجابة الصحيحة أيضًا.

في الشكل د، عدد الجسيمات السوداء والخضراء متساو على جانبي سهم التفاعل. هذه المعادلة موزونة، ويرجح أن تكون إجابة السؤال. لكن للتأكد فقط دعونا نلق نظرة على الشكل هـ.

في الشكل هـ، نلاحظ أن الجسيمات السوداء والخضراء غير موزونة. ومن ثم الشكل هـ ليس الإجابة الصحيحة للسؤال.

إذن الشكل الذي يمثل قانون حفظ الكتلة هو الشكل الموجود في الخيار د.

يمكن تسخين أكسيد الزئبق لفصل المركب إلى العنصرين: الزئبق والأكسجين. إذا سخنت 4.30 جرامات من أكسيد الزئبق، تاركة 4.00 جرامات فقط من الزئبق، فما كمية الأكسجين التي قد تصاعدت؟ قرب إجابتك لأقرب منزلتين عشريتين.

علمنا من السؤال أن أكسيد الزئبق يسخن لفصل المركب. إذن في هذا التفاعل، أكسيد الزئبق هو المتفاعل الوحيد. وبفعل التسخين، ينفصل أكسيد الزئبق إلى عنصري الزئبق والأكسجين. إذن النواتج هي الزئبق والأكسجين. أخبرنا السؤال بالكمية الابتدائية لأكسيد الزئبق وكمية الزئبق الناتجة. وعلينا تحديد كتلة الأكسجين المتصاعد أثناء التفاعل.

ولفعل ذلك، علينا أن نتذكر قانون حفظ الكتلة. ينص هذا القانون على أن الكتلة لا تفنى ولا تستحدث في التفاعل الكيميائي. بعبارة أخرى: يجب أن تكون الكتلة الكلية للمتفاعلات قبل التفاعل مساوية للكتلة الكلية للنواتج بعد التفاعل. إذن كتلة أكسيد الزئبق يجب أن تساوي كتلة الزئبق زائد كتلة الأكسجين. نستخدم المتغير ‪𝑚‬‏ لتمثيل كتلة الأكسجين. يمكننا إيجاد الكتلة بطرح 4.00 جرامات من طرفي المعادلة. وهذا يعطينا قيمة تساوي 0.30 جرام لـ ‪𝑚‬‏. ومن ثم كمية الأكسجين المتصاعد لا بد أن تساوي 0.30 جرام.

والآن دعونا نراجع ما تعلمناه. ينص قانون حفظ الكتلة على أن الكتلة لا تفنى ولا تستحدث في التفاعل الكيميائي. تخضع المعادلات الكيميائية الموزونة لقانون حفظ الكتلة. تحفظ الكتلة خلال جميع التفاعلات الكيميائية حتى وإن بدا الأمر خلاف ذلك عندما تدخل الغازات في التفاعل. ونظرًا لأن الكتلة تحفظ أثناء التفاعل الكيميائي، فإن الكتلة الكلية للمتفاعلات يجب أن تساوي الكتلة الكلية للنواتج. يمكننا استخدام البيانات التجريبية وقانون حفظ الكتلة لحساب كتلة المتفاعلات أو النواتج.