فيديو الدرس: الصيغ الأولية والصيغ الجزيئية الكيمياء

نسخة الفيديو النصية

في هذا الفيديو، سوف نتعرف على طريقتين للتعبير عن الصيغة الكيميائية للمركبات، وهما الصيغة الأولية والصيغة الجزيئية. وسنتعرف على كيفية تعريف الصيغ الأولية والصيغ الجزيئية للمركبات، وتحديدها، والتحويل بينها.

هل تساءلت يومًا كيف يعرف العلماء الصيغ الكيميائية لجميع المواد التي تصادفنا في الكيمياء؟ كيف اكتشفنا الفرق بين غاز أول أكسيد الكربون وغاز ثاني أكسيد الكربون؟ فكلا الغازين عديما اللون والرائحة، ويحتويان على الكربون والأكسجين، لكن أحدهما يحتوي على ذرة كربون واحدة وذرة أكسجين واحدة، والآخر يحتوي على ذرة كربون واحدة وذرتي أكسجين. لتحديد تركيب أي مادة يستخدم العلماء عددًا من الطرق المعروفة إجمالًا باسم التحليل العنصري.

ابتكر التحليل العنصري في أواخر القرن الثامن عشر على يد العالم الفرنسي أنطوان لافوازييه لمعرفة التركيب الكيميائي للمركبات. وعلى الرغم من أننا نعرف الآن الصيغة الكيميائية لمئات المواد المختلفة، فإننا ما زلنا نستخدم التحليل العنصري طيلة الوقت لتحديد الصيغة الكيميائية للمركبات المكتشفة حديثًا في الأبحاث الكيميائية، مثل تحديد تركيب البروتينات المكتشفة حديثًا في جسم الإنسان. هناك طرق عديدة مختلفة لإجراء التحليل العنصري. في بعض الطرق، تحرق العينة، وفي بعض الطرق الأخرى، تعرض العينة للأشعة السينية. وهناك العديد من الطرق الأخرى المستخدمة بشكل شائع في الكيمياء.

لكن بغض النظر عن الطريقة المتبعة، يمكننا استخدام التحليل العنصري لتحديد الكتل أو النسب المئوية الكتلية لكل عنصر من عناصر المركب. على سبيل المثال، لنلق نظرة على هذا الجزيء. إنه يتكون من ذرة كربون واحدة وأربع ذرات هيدروجين، ويسمى الميثان. يمكننا استخدام التحليل العنصري للميثان عن طريق حرق عينة منه في وجود الأكسجين، وهو ما ينتج عنه ثاني أكسيد الكربون وبخار الماء. يمكننا بعد ذلك استخدام حجرات خاصة لحبس ثاني أكسيد الكربون وبخار الماء الناتجين عن هذا التفاعل. ويمكن أيضًا أن تكون لدينا حجرات أخرى لحبس العناصر الأخرى إذا كانت العينة تحتوي على عناصر أخرى بخلاف الكربون والهيدروجين.

بما أن الكربون كله الموجود في ثاني أكسيد الكربون يأتي من الميثان، وكذلك الهيدروجين كله الموجود في الماء، يمكننا تحديد كمية الكربون والهيدروجين التي كانت موجودة في الأصل في عينة الميثان. إذا أجرينا بالفعل التحليل العنصري للميثان، فسنجد أنه يحتوي على الكربون بنسبة 74.9 بالمائة، والهيدروجين بنسبة 25.1 بالمائة من كتلته. إذن كيف يمكننا استخدام هذه النتائج التجريبية للتوصل إلى الصيغة الكيميائية للميثان؟ هدفنا الأساسي هو إيجاد نسبة كمية الكربون إلى كمية الهيدروجين الموجودة في عينة الميثان.

لنفترض أننا بدأنا بـ 100 جرام من الميثان. ‏74.9 بالمائة من 100 جرام تساوي 74.9 جرامًا. هذه إذن كمية الكربون التي لدينا، وسيكون لدينا 25.1 جرامًا من الهيدروجين في عينة الميثان. لا يمكننا استخدام هذه الكتل لإيجاد نسبة؛ حيث إن هناك كمية مختلفة من ذرات الهيدروجين والكربون في الجرام الواحد من كل عنصر. لذا، سنحول هذه الكتل إلى وحدة المول. يمكننا فعل ذلك بقسمة كل كتلة على الكتلة المولية للعنصر. الكتلة المولية للكربون تساوي 12.01 جرامًا لكل مول، والكتلة المولية للهيدروجين تساوي 1.008 جرامًا لكل مول. إذا أجرينا هذه العملية الحسابية، فسنجد أن لدينا 6.2365 مولات من الكربون و24.9001 مولًا من الهيدروجين في عينة الميثان التي لدينا.

أما وقد حصلنا على القيم، أصبحنا نعرف الآن نسبة الكربون إلى الهيدروجين في الميثان، والتي يمكننا استخدامها لكتابة صيغة. لكن هذه الصيغة يصعب التعامل معها نوعًا ما. إذن ماذا لو اختصرناها لأبسط نسبة أعداد صحيحة؟ يمكننا فعل ذلك عن طريق قسمة كل قيمة حصلنا عليها على العدد الأصغر من المولات. القيمة 6.2365 مقسومة على نفسها تساوي واحدًا، و24.9001 على 6.2365 تعطينا 3.99، الذي يمكننا تقريبه لأربعة. وهذا يعطينا أعدادًا أيسر في الاستخدام.

والآن يمكننا التعبير عن نسبة الكربون إلى الهيدروجين في الميثان باستخدام أعداد صحيحة بسيطة. ويمكننا استخدام ذلك لتكوين صيغة للميثان، ‪CH4‬‏، والتي تتطابق مع صيغة الميثان التي بدأنا بها. هذه الصيغة الكيميائية التي توصلنا إليها، والتي تعبر عن أبسط نسبة أعداد صحيحة للذرات في مركب ما، تسمى الصيغة الأولية؛ وذلك لأننا حددناها بشكل تجريبي عن طريق بيانات تجريبية.

باستخدام هذا المثال، نجد أن النسبة البسيطة للذرات في الجزيء تعبر بشكل ملائم أيضًا عن العدد الفعلي للذرات لكل عنصر في المركب. لدينا ذرة كربون واحدة وأربع ذرات هيدروجين، وهذا ما تعبر عنه الصيغة. لكن نتائج التحليل العنصري ليست دائمًا بهذه السهولة. على سبيل المثال، هناك عدة مركبات مكونة من الكبريت والأكسجين. إليك اثنان منها. أحدهما يحتوي على ذرة كبريت واحدة وذرة أكسجين واحدة، والآخر به ذرتا كبريت وذرتا أكسجين.

ومجددًا، بما أن الصيغة الأولية تعبر عن أبسط نسبة أعداد صحيحة للذرات، فإن المركب الموجود في الأعلى يحتوي على ذرة كبريت واحدة لكل ذرة أكسجين واحدة، وهو ما يعني أن صيغته الأولية هي ‪SO‬‏. الجزيء الموجود في الأسفل يحتوي على ذرتي كبريت لكل ذرتي أكسجين. لكن بما أننا نريد إيجاد أبسط نسبة أعداد صحيحة للذرات، فيمكننا اختصار هذه النسبة أكثر عن طريق قسمتها على اثنين، وهو ما يعطينا واحدًا إلى واحد، وهو ما سيعطينا أيضًا الصيغة الأولية ‪SO‬‏. إذن كلا المركبين لهما الصيغة الأولية نفسها، وهي ‪SO‬‏، على الرغم من أنهما يتألفان من جزيئات مختلفة بها كميات مختلفة من ذرات الكبريت والأكسجين في كل جزيء.

إذن يبدو أنه على الرغم من أن الصيغة الأولية مفيدة، فإنها لن تعطينا دائمًا معلومات كافية لإثبات التركيب الذري الدقيق للمادة. لمعالجة وجه القصور هذا، لدينا نوع ثان من الصيغ الكيميائية، وهو الصيغة الجزيئية. فبينما تخبرنا الصيغة الأولية بنسبة العناصر في مركب ما، تخبرنا الصيغة الجزيئية بكمية كل نوع من أنواع الذرات في الجزيء. إذن على الرغم من أن هذين المركبين لهما الصيغة الأولية نفسها، وهي ‪SO‬‏، فستكون لهما صيغتان جزيئيتان مختلفتان تعكسان الكمية الفعلية للذرات في كل جزيء.

هذا الجزيء الموجود في الأعلى يحتوي على ذرة كبريت واحدة وذرة أكسجين واحدة. ومن ثم، فإن الصيغة الجزيئية له هي ‪SO‬‏. ويحتوي هذا الجزيء الموجود في الأسفل على ذرتين من كل نوع، ومن ثم فإن الصيغة الجزيئية له هي ‪S2O2‬‏. ثمة شيء أخير علينا أن نتناوله هنا، وهو كيفية التحويل بين الصيغة الأولية والصيغة الجزيئية. بعبارة أخرى، كيف نحصل على الصيغة الجزيئية عندما نحدد الصيغة الأولية للمركب من خلال التحليل العنصري؟ لمعرفة ذلك، دعونا نلق نظرة على جزيء بيروكسيد الهيدروجين.

كما نرى، بيروكسيد الهيدروجين به ذرتا هيدروجين وذرتا أكسجين في الجزيء. إذن نسبة الهيدروجين إلى الأكسجين هنا تساوي اثنين إلى اثنين، ويمكننا اختصارها أكثر عن طريق القسمة على اثنين لنحصل على النسبة واحد إلى واحد. وهو ما يعني أن الصيغة الأولية لبيروكسيد الهيدروجين هي ‪HO‬‏. لكن كما نرى من خلال النظر إلى الجزيء، نلاحظ أن به ذرتي هيدروجين وذرتي أكسجين. إذن لا بد أن تكون الصيغة الجزيئية ‪H2O2‬‏. لكن ماذا لو لم نكن نعرف كيف يبدو جزيء بيروكسيد الهيدروجين، وكان علينا تحديد الصيغة الأولية لبيروكسيد الهيدروجين من نتائج التحليل العنصري، كما فعلنا مع الميثان في بداية هذا الفيديو؟ حسنًا، إذا عرفنا الكتلة المولية للمركب، التي يمكننا تحديدها من خلال طرق تجريبية أخرى مثل استخدام مطياف الكتلة، فسنتمكن من إيجاد الصيغة الجزيئية باستخدام الصيغة الأولية.

الكتلة المولية لبيروكسيد الهيدروجين تساوي 34.0147 جرامًا لكل مول. الشيء التالي الذي سنحتاج إليه هو كتلة الصيغة الأولية. كتلة الهيدروجين هي 1.008 جرام لكل مول، وكتلة الأكسجين هي 15.99 جرامًا لكل مول. وبجمعهما معًا، نحصل على كتلة 16.998 جرامًا لكل مول، وهذه القيمة هي كتلة الصيغة الأولية. والآن علينا فقط قسمة الكتلة المولية لبيروكسيد الهيدروجين على كتلة صيغته الأولية. ‏34.0147 جرامًا لكل مول مقسومًا على 16.998 جرامًا لكل مول يساوي اثنين، وهو ما يعني أن كتلة الصيغة الجزيئية تساوي ضعف كتلة الصيغة الأولية.

لذا علينا ضرب الصيغة الأولية في اثنين لنحصل على الصيغة الجزيئية، وبهذا نحصل على ‪H2O2‬‏، وهي الصيغة الجزيئية نفسها التي حصلنا عليها عند النظر إلى رسم الجزيء. نلاحظ في هذا المثال أن الصيغة الجزيئية تكون دائمًا ناتج حاصل ضرب الصيغة الأولية في عدد صحيح.

والآن بعد أن عرفنا ما المقصود بالصيغ الأولية والصيغ الجزيئية، وكذلك كيفية إيجادها باستخدام الأدلة التجريبية، دعونا نلق نظرة على أمثلة لبعض المسائل.

في مركب كيميائي يحتوي على الكربون والأكسجين والهيدروجين، توجد أعداد متساوية من ذرات الكربون والهيدروجين. ولكن، عدد ذرات الأكسجين ضعف عدد ذرات الهيدروجين. ما الصيغة الأولية للمركب؟

تخبرنا الصيغة الأولية للمركب بأبسط نسبة أعداد صحيحة للذرات في هذا المركب. يحتوي المركب الذي لدينا هنا على الكربون والأكسجين والهيدروجين. إذن علينا حساب نسبة الكربون إلى الأكسجين إلى الهيدروجين كي نتمكن من تحديد الصيغة الأولية لهذا المركب. نعلم من المعطيات أن لدينا عددًا متساويًا من ذرات الكربون والهيدروجين، وهو ما يعني أن نسبة الكربون إلى الهيدروجين في المركب هي واحد إلى واحد. ثم تشير المسألة إلى أن عدد ذرات الأكسجين يساوي ضعف عدد ذرات الهيدروجين. بعبارة أخرى، نسبة الأكسجين إلى الهيدروجين في المركب هي اثنان إلى واحد.

إذا وضعنا هاتين المعلومتين معًا، فهذا يعني أن نسبة الكربون إلى الأكسجين إلى الهيدروجين في هذا المركب هي واحد إلى اثنين إلى واحد. لا يمكننا اختصار هذه النسبة أكثر من ذلك؛ أي إنها معبر عنها بالفعل بأبسط الأعداد الصحيحة. يمكننا إذن استخدام هذه النسبة لكتابة الصيغة الأولية للمركب، وهي ‪CO2H‬‏. لا تعني هذه الصيغة بالضرورة أن هناك ذرة كربون واحدة، وذرتي أكسجين، وذرة هيدروجين واحدة في المركب؛ وذلك لأن هذه الصيغة تخبرنا فقط بنسبة الكربون إلى الأكسجين إلى الهيدروجين فيه.

نوع الصيغة الكيميائية التي تخبرنا بهذه المعلومات هي الصيغة الجزيئية، التي تخبرنا عن كمية كل نوع من الذرات في المركب، وليس فقط أبسط نسبة أعداد صحيحة للذرات. لكن المطلوب منا فقط هو إيجاد الصيغة الأولية لهذا المركب، وهي ‪CO2H‬‏.

والآن لنلق نظرة على مسألة أصعب قليلًا.

حمض الأكساليك مركب عضوي يوجد في العديد من النباتات، ومنها نبات الراوند. وقد وجد أنه يحتوي على الكربون بنسبة 26.7 بالمائة والأكسجين بنسبة 71.1 بالمائة، ويشكل الهيدروجين النسبة المتبقية. إذا كانت الكتلة المولية لحمض الأكساليك 90 جرامًا لكل مول، فما صيغته الجزيئية؟

تخبرنا الصيغة الجزيئية بكمية كل نوع من الذرات الموجودة في الجزيء. تعطينا معطيات هذه المسألة النسبة المئوية للكربون والأكسجين والهيدروجين في المركب، والتي يمكننا استخدامها لتحديد نسبة الكربون إلى الأكسجين إلى الهيدروجين. إذا عبرنا عن ذلك بأبسط نسبة أعداد صحيحة للذرات، فسنحصل على الصيغة الأولية للمركب. ثم يمكننا استخدام الكتلة المولية للمركب لتحديد الصيغة الجزيئية باستخدام الصيغة الأولية.

إذن لحل هذه المسألة، علينا أولًا إيجاد نسبة الكربون إلى الهيدروجين إلى الأكسجين في المركب، والتي سنستخدمها لتحديد الصيغة الأولية. وأخيرًا، سنحصل على الصيغة الجزيئية. تخبرنا المسألة أن العينة تحتوي على الكربون بنسبة 26.7 بالمائة والأكسجين بنسبة 71.1 بالمائة. وبما أن النسبة المتبقية في المركب هي الهيدروجين، فيمكننا إيجاد النسبة المئوية للهيدروجين في المركب عن طريق طرح النسبة المئوية للكربون والأكسجين من 100 بالمائة، وهو ما يعطينا 2.2. إذن العينة تحتوي على الهيدروجين بنسبة 2.2 بالمائة.

إذا افترضنا أن العينة 100 جرام، فيمكننا بسهولة تحويل هذه النسب المئوية الكتلية إلى الكتل الخاصة بكل عنصر. ‏26.7 بالمائة من الكربون تناظر 26.7 جرامًا من الكربون؛ لأن 26.7 بالمائة من 100 يساوي 26.7. والآن نريد نسبة الكربون إلى الهيدروجين إلى الأكسجين، وهو ما لا يمكننا إيجاده باستخدام هذه الكتل؛ إذ توجد كمية مختلفة من ذرات الكربون وذرات الهيدروجين في الجرام الواحد من كل عنصر. إذن علينا تحويل هذه الكتل إلى وحدة المول، وهو ما يمكننا فعله عن طريق قسمة كل كتلة على الكتلة المولية للعنصر.

الكتلة المولية للكربون تساوي 12.01 جرامًا لكل مول. ‏26.7 على 12.01 يساوي 2.223. الكتلة المولية للهيدروجين هي 1.008، و2.2 مقسومة على 1.008 تعطينا 2.183 مول من الهيدروجين. وبالمثل، الكتلة المولية للأكسجين تساوي 15.99. وبالتالي لدينا 4.447 مول من الأكسجين في العينة. والآن بعد أن أصبح لدينا كمية الكربون والأكسجين والهيدروجين في العينة بوحدة المول، علينا أن نعرف كيف نعبر عنها بأبسط نسبة أعداد صحيحة.

أسهل طريقة لفعل ذلك هي القسمة على العدد الذي يمثل أصغر كمية من المولات، وهي عدد مولات الهيدروجين 2.183. وبقسمة عدد مولات الكربون على هذا العدد، نحصل على 1.02، وهو قريب جدًّا من واحد، لكن ليس تمامًا، وهذا على الأرجح بسبب حدوث خطأ تجريبي ما مرتبط بإيجاد هذه النسب المئوية. ‏2.183 على 2.183 يعطينا واحدًا. وأخيرًا، 4.447 على 2.183 يعطينا 2.04، وهو ما يزيد قليلًا عن اثنين، ومن المحتمل أيضًا أن يكون ذلك بسبب خطأ تجريبي. لكن ما زال بإمكاننا تقريبه ليصبح اثنين.

إذن نسبة الكربون إلى الهيدروجين إلى الأكسجين في العينة هي واحد إلى واحد إلى اثنين. الآن وقد أصبح لدينا هذه النسبة، يمكننا إيجاد الصيغة الأولية. بما أن الصيغة الأولية تعبر عن أبسط نسبة أعداد صحيحة للذرات في المركب، فإن الصيغة الأولية ستكون ‪CHO2‬‏.

والآن، يمكننا الانتقال إلى إيجاد الصيغة الجزيئية. يمكننا فعل ذلك عن طريق أخذ الكتلة المولية وقسمتها على كتلة الصيغة الأولية. نعلم الكتلة المولية للمركب من المسألة. فهي تساوي 90 جرامًا لكل مول؛ لذا علينا فقط حساب كتلة هذه الصيغة الأولية. يمكننا حساب كتلة الصيغة الأولية عن طريق جمع الكتل المولية لكل ذرة في المركب، وهو ما يعطينا نتيجة إجمالية تساوي 44.998 جرامًا لكل مول. بقسمة 90 على 44.998، نحصل على اثنين، وهو ما يعني أن الصيغة الجزيئية لها ضعف كتلة الصيغة الأولية. إذن يمكننا إيجاد الصيغة الجزيئية بضرب الصيغة الأولية في اثنين، وهو ما يعطينا ‪C2H2O4‬‏.

الآن، وقد تعرفنا على الصيغة الأولية والصيغة الجزيئية، وحللنا بعض المسائل، لنلق نظرة على النقاط الأساسية في هذا الدرس. تعبر الصيغة الأولية عن أبسط نسبة بين الذرات في المركب في صورة أعداد صحيحة، بينما تعبر الصيغة الجزيئية عن كمية كل نوع من الذرات الموجودة في الجزيء. إذا عرفنا الكتلة المولية لمركب ما، يمكننا التحويل من الصيغة الأولية إلى الصيغة الجزيئية.