فيديو السؤال: المعادلات الأيونية لتكوين هيدروكسيد الحديد الثلاثي أثناء الصدأ الكيمياء • الصف الثالث الثانوي

نسخة الفيديو النصية

يعد هيدروكسيد الحديد الثلاثي أحد النواتج الرئيسية للصدأ في ظروف الرطوبة. تتكون هذه المادة الصلبة من أيونات ‪Fe3+‬‏ الذائبة، التي تتكون بدورها من الحديد الصلب. تشمل التفاعلات الماء، وأيونات الهيدروجين ‪H⁺‬‏، وجزيئات الأكسجين. يمكن تمثيل كل خطوة في التفاعل باستخدام معادلة أيونية صافية، وهي المعادلة التي تكون موزونة بناء على تساوي الشحنة الكلية على طرفي المعادلة. أوجد معادلة أيونية صافية موزونة، شاملة رموز حالات المادة، لتكوين أيونات ‪Fe3+‬‏ من الحديد الفلزي وأيونات الهيدروجين وجزيئات الأكسجين الذائبة.

هذا السؤال سخي جدًّا. فقد حصلنا من المعطيات على جميع مكونات المعادلة تقريبًا. الحديد الفلزي، وأيونات الهيدروجين الذائبة، وجزيئات الأكسجين الذائبة كلها متفاعلات. وأحد النواتج هو ‪Fe3+‬‏. صيغة الحديد الفلزي المتعادل هي ‪Fe‬‏. والسؤال يطلب منا تضمين رموز حالات المادة في المعادلة. لذا، نضيف الرمز ‪s‬‏ إلى الحديد، الذي يعني «صلبًا». المتفاعل التالي في المعادلة هو أيونات الهيدروجين الذائبة.

نعرف من المقدمة أن هذا التفاعل يحدث في ظروف الرطوبة. لذا فإن المذيب الذي تذوب فيه أيونات الهيدروجين هو الماء. ورمز حالة المادة للأيون الذائب في الماء هو ‪aq‬‏ الذي يعني «مائيًّا». أخر متفاعل لدينا هو الأكسجين الجزيئي ‪O₂‬‏. قد تميل إلى كتابة ‪O₂‬‏ غاز. لكن في هذه الحالة، جزيئات ‪O₂‬‏ ذائبة في الماء. وبذلك، نكون قد رتبنا المتفاعلات. ويمكننا الآن الانتقال إلى النواتج.

الناتج الأول هو أيونات ‪Fe3+‬‏، التي تشير المقدمة إلى أنها ذائبة في الماء. وهذا يطرح سؤالًا. فلدينا ذرات الحديد والهيدروجين والأكسجين في طرف المتفاعلات، لكن لا يوجد سوى الحديد في طرف النواتج. ومن ثم، يجب أن يكون هناك ناتج آخر. الناتج الأكثر معقولية هنا هو الماء، ‪H₂O‬‏؛ لأن لدينا تفاعلًا يتضمن ‪H⁺‬‏ و‪O₂‬‏، ويشير السؤال إلى أن التفاعلات تتضمن الماء. ورمز حالة المادة للماء في هذه الظروف هو ‪L‬‏ الذي يعني «سائلًا».

يمكننا الآن الانتقال إلى وزن المعادلة الأيونية الصافية. يوجد مكافئ واحد من الحديد في كلا طرفي المعادلة. ويوجد مكافئ واحد من الهيدروجين في طرف المتفاعلات. بينما يوجد مكافئان من الهيدروجين في طرف النواتج. والعكس صحيح بالنسبة إلى الأكسجين؛ حيث يوجد مكافئان في الطرف الأيسر ومكافئ واحد فقط في الطرف الأيمن. وبما أن هذه معادلة أيونية، نحتاج أيضًا إلى وزن الشحنة. لدينا شحنة مقدارها واحد موجب من أيون الهيدروجين في طرف المتفاعلات، وشحنة مقدارها ثلاثة موجب من أيون الحديد في طرف النواتج. والآن دعونا نزن المعادلة.

يمكننا وزن ذرات الأكسجين من خلال مضاعفة كمية الماء في النواتج. ويمكننا وزن أيونات الهيدروجين بإضافة ثلاثة مكافئات إضافية من ‪H⁺‬‏. إذا لم تكن منتبهًا، فقد تخطئ في هذه الخطوة وتعتقد أن المعادلة موزونة. فجميع العناصر موزونة، ولكن الشحنة ليست كذلك. فتوجد شحنة مقدارها أربعة موجب في طرف المتفاعلات، وشحنة مقدارها ثلاثة موجب فقط في طرف النواتج. ثمة حيلة صغيرة ستساعدك في حل ذلك.

إذا عاودت النظر في المعادلة، فسترى أن ‪Fe‬‏ و‪Fe3+‬‏ يتوازنان بصفتهما زوجًا، في حين يتوازن ‪H⁺‬‏ و‪O₂‬‏ مع ‪H₂O‬‏ كل على حدة. لذلك يمكننا تغيير معامل زوج الحديد دون التأثير على أي شيء آخر. بضرب زوج الحديد في ‪𝑥‬‏، يمكننا زيادة الشحنة. ويمكننا فعل الأمر نفسه مع المجموعة الأخرى بضربها في ‪𝑦‬‏. وكل ما علينا فعله هو إيجاد قيمتي ‪𝑥‬‏ و‪𝑦‬‏ اللتين نحصل منهما على شحنة مشتركة. أصغر عدد يمكن قسمته على ثلاثة وأربعة هو ‪12‬‏. إذن ‪𝑥‬‏ يساوي أربعة، و‪𝑦‬‏ يساوي ثلاثة.

فنضرب مجموعة الحديد في أربعة، وهو ما يعطينا أربعة متكافئات من الحديد في كلا طرفي المعادلة، وشحنة للنواتج مقدارها ‪12‬‏ موجب. ونضرب المجموعة الأخرى في ثلاثة، وهو ما يعطينا ‪12‬‏ أيون ‪H⁺‬‏، وثلاثة جزيئات أكسجين، وستة جزيئات من الماء، وهو ما ينتج عنه ‪12‬‏ مكافئًا من الهيدروجين في كلا طرفي المعادلة، وستة مكافئات من الأكسجين في كلا الطرفين أيضًا، وشحنة مشتركة مقدارها ‪12‬‏ موجب في كلا الطرفين.

وبذلك، يكون لدينا أخيرًا معادلة أيونية صافية موزونة. هذه المعادلة الأيونية الصافية الموزونة، شاملة رموز حالات المادة، لتكوين أيونات ‪Fe3+‬‏ من الحديد الفلزي وأيونات الهيدروجين وجزيئات الأكسجين الذائبة هي ‪4Fe(s)‬‏ زائد ‪12H⁺(aq)‬‏ زائد ‪3O₂(aq)‬‏ تتفاعل لتكوين ‪4Fe³⁺(aq)‬‏ زائد ‪6H₂O(L)‬‏.

أوجد معادلة أيونية صافية موزونة، شاملة رموز حالات المادة، لتكوين هيدروكسيد الحديد الثلاثي من أيونات ‪Fe3+‬‏ وجزيئات الماء.

مجددًا، حصلنا من السؤال على جميع المعلومات التي نحتاج إليها تقريبًا لصياغة المعادلة الأيونية الصافية. فالمتفاعلات هي أيونات ‪Fe3+‬‏ وجزيئات الماء، وأحد النواتج هو هيدروكسيد الحديد الثلاثي. و‪Fe3+‬‏ هو المتفاعل الأول لدينا. وقد أضفنا رمز حالة المادة، كما هو مطلوب في السؤال. والمتفاعل الآخر هو الماء الذي سيكون في حالة سائلة باعتباره المذيب. يتفاعل هذان معًا لتكوين هيدروكسيد الحديد الثلاثي وصيغته ‪Fe(OH)₃‬‏؛ حيث يوجد ثلاثة أيونات هيدروكسيد بشحنات سالبة أحادية لتوازن أيون ‪Fe3+‬‏ ذا الشحنة ثلاثة موجب. وبما أننا نتحدث عن مركب أيوني، فيجب أن تكون شحنته الكلية متعادلة.

يخبرنا السؤال أن هيدروكسيد الحديد الثلاثي مادة صلبة في هذه الظروف. ومن ثم، فإن رمز حالة المادة لهيدروكسيد الحديد الثلاثي في المعادلة هو ‪s‬‏ بمعنى «صلب». ويظل السؤال بشأن إذا ما كان هناك ناتج آخر أو لا. حسنًا، نحن نعرف أن مصدر أيونات الهيدروكسيد هو الماء، وأن الماء له هذا التركيب. إذا كان هذا هو مصدر أيونات الهيدروكسيد، فما يتبقى هو ‪H⁺‬‏. إذن الناتج الآخر هو ‪H⁺‬‏. ورمز حالة أيون ‪H⁺‬‏ في هذه الظروف سيكون «مائيًّا».

الآن وقد أصبحت لدينا المعادلة الأيونية الصافية، يمكننا الانتقال إلى وزن المعادلة. هذا هو الوضع الحالي للمعادلة. لدينا مكافئ واحد من الحديد في كلا الطرفين. وهذا موزون. لكن الهيدروجين غير موزون؛ إذ يوجد مكافئان فقط في الطرف الأيسر وأربعة مكافئات في الطرف الأيمن. في الوقت نفسه، يوجد مكافئ واحد من الأكسجين في الطرف الأيسر وثلاثة مكافئات في الطرف الأيمن. والشحنة غير موزونة؛ فهي ثلاثة موجب في طرف المتفاعلات وواحد موجب في طرف النواتج. ونظرًا لأن الحديد موزون بالفعل، فمن الأفضل البدء بوزن الهيدروجين أو الأكسجين.

يظهر الهيدروجين في أحد المتفاعلات وناتجين، بينما يظهر الأكسجين في ناتج واحد فقط. لذا، سيكون من الأسهل وزن هذا أولًا. إضافة جزيئين إضافيين من الماء في طرف المتفاعلات يعطينا ثلاثة مكافئات من الأكسجين في كلا الطرفين. ويكون وزن الهيدروجين أسهل إذا عدلنا عدد البروتونات الناتجة. فإضافة اثنين من البروتونات توفر البروتونين الإضافيين اللذين نحتاجهما في طرف المتفاعلات، وتوازن الشحنات أيضًا.

هذا يعطينا المعادلة الأيونية الصافية الموزونة. وهذه المعادلة الأيونية الصافية الموزونة، شاملة لرموز حالات المادة، لتكوين هيدروكسيد الحديد الثلاثي من أيونات ‪Fe3+‬‏ وجزيئات الماء هي ‪Fe³⁺(aq)‬‏ زائد ‪3H₂O(L)‬‏ يتفاعلان لتكوين ‪Fe(OH)₃(s)‬‏ زائد ‪3H⁺(aq)‬‏.

ما عدد أيونات الهيدروجين التي تستنفد كليًّا عند تحول ذرة حديد إلى هيدروكسيد الحديد الثلاثي؟

للإجابة عن هذا السؤال، سنحتاج إلى الرجوع إلى المعادلتين اللتين حصلنا عليهما في الجزأين (أ) و(ب). هذه هي المعادلة التي حصلنا عليها في الجزء (أ)، ولكن مع حذف رموز حالة المادة. بأخذ هذه المعادلة التي حصلنا عليها في الجزء (أ) وقسمتها على أربعة، سنحصل على النسبة بين ذرات الحديد و‪H⁺‬‏. التحويل بين ذرات الحديد وأيونات ‪Fe3+‬‏ يستنفد ثلاثة بروتونات. وهذه هي المعادلة التي حصلنا عليها في الجزء (ب) التي تشمل تحويل أيونات ‪Fe3+‬‏ إلى هيدروكسيد الحديد الثلاثي. التحويل من أيون ‪Fe3+‬‏ واحد إلى هيدروكسيد الحديد الثلاثي ينتج ثلاثة بروتونات. وهذا يعني أنه عند تحويل الحديد إلى هيدروكسيد الحديد الثلاثي، لا يوجد استنفاد أو إنتاج صاف لأيونات ‪H⁺‬‏. لذا، فالإجابة هي صفر.

يمكن نزع الماء من هيدروكسيد الحديد الثلاثي لإنتاج مادة لا تحتوي على أي ذرات هيدروجين. ما عدد جزيئات الماء التي أزيلت لكل ذرة حديد في المادة؟

دعونا نبدأ باستنتاج الجزء الأول من السؤال: كيف ينزع الماء من هيدروكسيد الحديد الثلاثي؟ ستكون المعادلة على هذا النحو: سيتفكك هيدروكسيد الحديد الثلاثي إلى مادة ما وجزيئات الماء. نعرف أن الناتج سيحتوي على الحديد، وسيحتاج إلى أيون سالب ليوازن ‪Fe3+‬‏. الأكسجين في صورة أكسيد هو المرشح الأكثر ترجيحًا. فاتحاد هاتين الشحنتين يعطي الصيغة الأيونية ‪Fe₂O₃‬‏. وبذلك فإن متكافئين من ‪+Fe3‬‏ يوازنان ثلاثة متكافئات من شحنة الأكسجين التي تبلغ اثنين سالب. والآن يمكننا الانتقال إلى وزن المعادلة.

لدينا مكافئ واحد من الحديد في الطرف الأيسر ومكافئان في الطرف الأيمن، وثلاثة مكافئات من الأكسجين في الطرف الأيسر وأربعة في الطرف الأيمن، وثلاثة مكافئات من الهيدروجين في الطرف الأيسر ومكافئان في الطرف الأيمن. كل الأنواع الكيميائية في هذه المعادلة غير مشحونة. لذا ليس علينا الاهتمام بوزن الشحنة. إن مضاعفة مقدار هيدروكسيد الحديد الثلاثي الذي يتفاعل يوازن الأيونات. وإضافة مكافئين آخرين من الماء في طرف النواتج يوازن أيونات الأكسجين والهيدروجين. وهذا يعطينا معادلة موزونة.

الآن كل ما نحتاج إلى فعله هو معرفة عدد جزيئات الماء التي أزيلت لكل ذرة حديد في أكسيد الحديد الثلاثي. نعرف ذلك من خلال قسمة عدد جزيئات الماء في المعادلة على عدد ذرات الحديد في الناتج الآخر. وهذا يساوي ثلاثة مقسومًا على اثنين؛ أي ‪1.5‬‏. إذن كل ذرة حديد في الناتج، وهو أكسيد الحديد الثلاثي الناتج عن نزع الماء من هيدروكسيد الحديد الثلاثي، ستنتج ‪1.5‬‏ من جزيئات الماء.