فيديو الدرس: تفاعلات الأكاسيد الكيمياء

‏نسخة الفيديو النصية

في هذا الفيديو، سوف نتعلم تعريف الأكاسيد ونعرف أيها حمضي وأيها قاعدي وأيها متذبذب وأيها متعادل. وسنلقي نظرة على بعض المعادلات الكيميائية لمعرفة كيفية تفاعل بعض الأكاسيد مع الأحماض. أولًا، دعونا نتساءل: ما الأكسيد؟ الأكسيد هو مركب يحتوي على عنصر الأكسجين مرتبطًا بعنصر آخر. على سبيل المثال، في ثاني أكسيد الكربون، يرتبط الأكسجين بالكربون. بعض الأكاسيد الشائعة التي ربما تكون قد سمعت عنها هي أكسيد الحديد الثلاثي، وهو المكون الرئيسي للصدأ؛ وثاني أكسيد الكبريت، الذي يستخدم أحيانًا مادة حافظة للطعام؛ وأول أكسيد ثنائي النيتروجين، وهو الاسم الذي يطلقه الاتحاد الدولي للكيمياء البحتة والتطبيقية على أكسيد النيتروز المعروف بغاز الضحك؛ والماء؛ وثاني أكسيد السليكون أو السليكا، وهو المكون الرئيسي للرمل؛ وأكسيد الألومنيوم؛ وأكسيد المغنيسيوم.

ولعلك أنتجت أكسيد المغنيسيوم في المختبر بنفسك. يحمل الملقط شريطًا من المغنيسيوم في لهب موقد بنسن. ويحدث تفاعل طارد للحرارة بدرجة كبيرة ينبعث فيه الكثير من الحرارة والضوء، إذ يتفاعل المغنيسيوم مع الأكسجين الموجود في الهواء لإنتاج أكسيد المغنيسيوم. يمكن تصنيف جميع الأكاسيد إلى واحدة من أربع مجموعات، وهي: الأكاسيد الحمضية والقاعدية والمتذبذبة والمتعادلة. دعونا نستكشف ذلك ونبدأ بالأكاسيد الحمضية. الأكاسيد الحمضية هي الأكاسيد التي تنتج أحماضًا عندما تتفاعل مع الماء. تحتوي هذه الأكاسيد على لافلزات من المجموعة 14 إلى المجموعة 17 في الجدول الدوري. والصيغة العامة للمعادلة هي تفاعل أكسيد لافلزي مع الماء لإنتاج حمض. لنلق نظرة على بعض الأمثلة.

عندما يتفاعل غاز ثاني أكسيد الكبريت مع الماء، ينتج حمض الكبريتوز، ‪H2SO3‬‏. وعندما يتفاعل الأكسيد اللافلزي ثاني أكسيد الكربون مع الماء، ينتج حمض الكربونيك أو ‪H2CO3‬‏. يمكن أن يحدث هذان التفاعلان في البيئة عندما يكون هناك الكثير من ‪SO2‬‏ و‪CO2‬‏ في الغلاف الجوي. ويمكن أن يتفاعل الماء السائل وقطرات المطر مع ثاني أكسيد الكربون وثاني أكسيد الكبريت في الغلاف الجوي لإنتاج حمض الكربونيك وحمض الكبريتوز. وهذان الحمضان هما من مكونات الأمطار الحمضية. أحد الأمثلة الأخيرة على تفاعل أكسيد لافلزي مع الماء لإنتاج حمض هو تفاعل غاز ثاني أكسيد النيتروجين مع الماء لإنتاج حمض النيتريك. إذا أضيف القليل من قطرات الدليل العام إلى محاليل هذه الأحماض، فسيتحول لونها إلى البرتقالي المائل للأحمر، ما يثبت أن الأكاسيد اللافلزية ‪SO2‬‏ و‪CO2‬‏ و‪NO2‬‏ عندما تتفاعل مع الماء تنتج بالفعل أحماضًا.

والآن لنلق نظرة على الأكاسيد القاعدية. الأكسيد القاعدي هو الأكسيد الذي عندما يتفاعل مع الماء يكون قاعدة أو قلويًّا. بوجه عام، تحتوي الأكاسيد القاعدية على فلزات من المجموعتين الأولى أو الثانية من الجدول الدوري. المعادلة العامة هي تفاعل أكسيد فلزي مع الماء لإنتاج قاعدة أو قلوي. والقلوي هو مادة تحتوي على أيون الهيدروكسيد ‪OH-‬‏. لدينا هنا مثالان على معادلات تنتج فيها الأكاسيد الفلزية هيدروكسيدات أو محاليل قلوية. في المثال الأول، يتفاعل أكسيد الصوديوم مع الماء لإنتاج هيدروكسيد الصوديوم، وفي الثاني يتفاعل أكسيد الكالسيوم مع الماء لإنتاج هيدروكسيد الكالسيوم. هيدروكسيد الصوديوم قابل للذوبان بدرجة كبيرة في الماء، بينما هيدروكسيد الكالسيوم قابل للذوبان بدرجة طفيفة فقط. ومع ذلك، إذا أضيف إلى هذه المحاليل بضع قطرات من الدليل العام، فستتحول إلى اللون الأرجواني المائل للأزرق، ما يؤكد أن المحاليل قاعدية أو قلوية ويثبت أن هذه الأكاسيد تتفاعل بالفعل مع الماء لإنتاج قواعد أو قلويات.

رأينا حتى الآن أن أكاسيد اللافلزات أو الأكاسيد الحمضية تتفاعل مع الماء لإنتاج الأحماض، بينما أكاسيد الفلزات أو الأكاسيد القاعدية تتفاعل مع الماء لتكوين قاعدة. يمكن أن تعمل الأكاسيد الحمضية أيضًا كالأحماض وتتفاعل مع قاعدة لإنتاج ملح وماء. ويمكن أن تعمل الأكاسيد القاعدية كقاعدة عن طريق التفاعل مع حمض لإنتاج ملح وماء. تنص القاعدة العامة على أن الحمض يتفاعل مع القاعدة لإنتاج ملح وماء. بعد قليل، سنرى في هذا الفيديو تحديدًا كيفية تفاعل الأكاسيد القاعدية مع الأحماض لإنتاج ملح وماء. والآن لننتقل إلى النوع الثالث من الأكاسيد، وهي الأكاسيد المتذبذبة.

الأكاسيد المتذبذبة، على عكس الأكاسيد الحمضية والقاعدية، لا تتحلل عادة في الماء أو تتفاعل معه. ومع ذلك، فإنها تظهر خواص حمضية وقاعدية. فهي تتصرف كالحمض عندما تتفاعل مع قاعدة، وتتصرف كالقاعدة عندما تتفاعل مع حمض. تحتوي هذه الأكاسيد على فلزات مثل النحاس والزنك والرصاص والبريليوم والألومنيوم والقصدير. رأينا منذ قليل أن الحمض عندما يتفاعل مع قاعدة، ينتجان ملحًا وماء. لذا نظرًا لأن الأكاسيد المتذبذبة يمكنها أن تتصرف كالأحماض أو القواعد، فإن هناك معادلتين عامتين علينا النظر إليهما. عندما تتصرف هذه الأكاسيد كحمض، تكون المعادلة هي أكسيد متذبذب زائد قاعدة ينتجان ملحًا وماء. وعندما تتفاعل كقاعدة، فإن المعادلة هي أكسيد متذبذب زائد حمض ينتجان ملحًا وماء.

لنلق نظرة على مثال لكل منهما. أكسيد الألومنيوم هو أكسيد متذبذب. فهو لا يذوب في الماء ولا يتفاعل معه، ويمكن أن يتصرف كحمض أو قاعدة. عندما يتفاعل مع قاعدة، مثل هيدروكسيد الصوديوم، ينتج ألومينات الصوديوم، وهو الملح، والماء. لاحظ أن هذه الصيغة مبسطة. يمكن أن يكون الألومنيوم أيونات معقدة للغاية في المحلول. صيغة ألومينات الصوديوم هنا هي صيغة الناتج اللامائي الصلب. لكن ألومينات الصوديوم في وجود الماء قابلة للذوبان بدرجة كبيرة، وبالتالي ستتفاعل مع الماء لتكوين مركب متموه بصيغة معقدة لن نتعرض لها هنا. عندما يتفاعل هذا الأكسيد المتذبذب مع حمض، ينتج ملح كلوريد الألومنيوم. ويشير اسم الأكاسيد المتذبذبة إلى طبيعتها المزدوجة. فتعني كلمة «تذبذب» التأرجح أو التقلب بين أمرين.

لننتقل إلى آخر نوع من الأكاسيد، وهي الأكاسيد المتعادلة. لا تظهر الأكاسيد المتعادلة خواص حمضية أو قاعدية، ولا تتفاعل مع الأحماض أو القواعد. لا يوجد سوى عدد قليل من الأكاسيد المتعادلة المعروفة، وتشمل أول أكسيد الكربون وأكسيد النيتروز وأكسيد النيتريك. مرة أخرى، لا تدخل الأكاسيد المتعادلة في تفاعلات مع الأحماض أو القواعد. والآن لنلق نظرة محددة على كيفية تفاعل الأكاسيد القاعدية مع الأحماض لإنتاج ملح وماء، وكذلك على بعض الأمثلة الأخرى التي تتناول كيف يمكن أن تقوم الأكاسيد المتذبذبة بدور القواعد، وتتفاعل مع الأحماض، وتنتج ملحًا وماء. عندما يتفاعل أكسيد الصوديوم مع حمض الهيدروكلوريك، ينتج كلوريد الصوديوم وماء. لاحظ أن أنيون الحمض وكاتيون الأكسيد القاعدي يحددان الملح الناتج.

هل يمكنك تخمين ماهية الحمض في هذه المعادلة التالية؟ أكسيد المغنيسيوم غير قابل للذوبان في الماء إلى حد كبير. لكن في المحلول الحمضي المخفف الساخن، يمكن أن يتفاعل لينتج ملحًا وماء، وينتج في هذه الحالة نيترات المغنيسيوم والماء. كاتيون المغنيسيوم الموجود في الملح الناتج يأتي من الأكسيد، ولا بد أن ‪NO3‬‏ أو أيون النيترات قد جاء من الحمض. يوجد أيونا نيترات، وهو ما يعني أنه لا بد من وجود شحنتين موجبتين في الحمض أو أيوني ‪H+‬‏. وبجمع هذه الأيونات معًا، نحصل على اثنين ‪HNO3‬‏، وهو حمض النيتريك. رأينا مثالًا سابقًا يوضح كيف يمكن لأكسيد متذبذب أن يتصرف كقاعدة ويتفاعل مع حمض. لنلق نظرة على مثال آخر.

ينتج عن تفاعل أكسيد الزنك الثنائي مع حمض الكبريتيك ملح كبريتات الزنك والماء. مرة أخرى، الكاتيون الموجود في الملح يأتي من الأكسيد، ويأتي الأنيون من الحمض. تناولنا حتى الآن أنواع الأكاسيد، وكيفية تفاعلها، بالإضافة إلى العديد من المعادلات. قبل أن نستعرض مثالًا تدريبيًّا، لنفعل شيئًا مختلفًا نوعًا ما. لنتعرف على كيفية تفاعل العناصر المختلفة مع الأكسجين لإنتاج الأكاسيد، وكيف يعطينا ذلك فكرة أساسية عن وجود سلسلة نشاط كيميائي للعناصر.

بعض العناصر تتفاعل مع الأكسجين على نحو أقوى من العناصر الأخرى. الذهب له تفاعلية منخفضة أو معدومة مع الأكسجين. ونقول إنه خامل ولا يتفاعل. والفضة والزئبق بطيئان للغاية، ويقاومان التفاعل مع الأكسجين. أضيف المزيد من الفلزات إلى هذه القائمة بترتيب محدد، وهذا يعتمد على التفاعلية المتزايدة مع الأكسجين، أي تزايد سهولة تفاعل هذه العناصر عند زيادة النشاط. العناصر في أقصى يمين السلسلة تتفاعل بسهولة وبقوة مع الأكسجين، ويتطلب التفاعل القليل من الطاقة، وفلز البوتاسيوم هو الأكثر قوة أو الأكثر تفاعلية.

من المهم معرفة أن كل هذه الفلزات يمكن حثها على التفاعل مع الأكسجين تحت الظروف المناسبة، حتى الذهب. لكننا هنا نتحدث عن تفاعليتها الطبيعية. فكلما زادت تفاعلية العنصر، زاد احتمال وجوده في الطبيعة مرتبطًا بالأكسجين أو غيره من العناصر. هذه القائمة تسمى سلسلة النشاط الكيميائي. وهي توضح التدرج العام أو ترتيب العناصر من حيث التفاعل مع الأكسجين. ستلاحظ وجود فلزات فقط في سلسلة النشاط الكيميائي هذه. ولكن يمكن للافلزات أن تتفاعل أيضًا مع الأكسجين. وتقع القوة التي يتفاعل بها الهيدروجين في مرتبة بين الحديد والزنك. لنلق نظرة أكثر تفصيلًا على سلسلة نشاط كيميائي محددة مكونة من أربعة عناصر لافلزية. لكن لاحظ أن هذه المواد اللافلزية يمكن وضعها في سلسلة النشاط الكيميائي العلوية بين الفلزات، وفقًا لتفاعلها النسبي مع الأكسجين.

هناك العديد من أكاسيد الكلور المعروفة. لكن الكلور لا يتفاعل مع الأكسجين الموجود في الهواء في الظروف العادية. فالطاقة مطلوبة لإحداث التفاعل. ومن بين هذه المواد اللافلزية الأربع، الكلور هو الأقل تفاعلية. وبشكل عام، لا يتفاعل الكربون تلقائيًّا مع الأكسجين. فكر في قطعة فحم على شواية. يجب تسخينها أولًا حتى تصل إلى درجة الاحمرار. حينذاك ستتفاعل مع الأكسجين في الهواء وتحترق. يتفاعل الكبريت بقوة أكبر. فستشتعل فيه النيران عند تسخينه على موقد بنسن. ويتفاعل الفسفور بقوة شديدة ويشتعل من تلقاء نفسه في الأكسجين الموجود في الهواء. يعد الفسفور الأكثر تفاعلية مع الأكسجين من العناصر الموجودة في هذه السلسلة. إذن بالنظر إلى التفاعل مع الأكسجين، يمكننا استنتاج أن التفاعلية تزداد من الكلور إلى الكربون إلى الكبريت إلى الفسفور. والآن حان الوقت لنلقي نظرة على مثال قبل تلخيص كل ما تعلمناه.

أعدت تجربة لتحديد قيمة الأس الهيدروجيني لأكاسيد متنوعة. ملئت ثلاث كئوس زجاجية بمقدار ‪0.5‬‏ لتر من ماء مزال الأيونات، وأضيفت بضع قطرات من دليل عام. أضيفت بعد ذلك ملعقة واحدة من كل أكسيد من الأكاسيد الآتية إلى كل كأس زجاجية. ما اللون الذي يتغير إليه كل محلول بعد إضافة الأكسيد؟ ‏‪(1)‬‏ (أ): الأزرق، (ب): الأخضر، (ج): الأحمر. ‏‪(2)‬‏ (أ): الأخضر، (ب): الأحمر، (ج): الأزرق. ‏‪(3)‬‏ (أ): الأزرق، (ب): الأحمر، (ج): الأخضر. ‏‪(4)‬‏ (أ): الأحمر، (ب): الأخضر، (ج): الأزرق. ‏‪(5)‬‏ (أ): الأحمر، (ب): الأزرق، (ج): الأخضر.

الأكسيد هو مركب يتكون من أكسجين مرتبط بعنصر آخر. أما ‪P2O10‬‏، الذي أضيف إلى الكأس الزجاجية الأولى، فهو أكسيد لافلزي، لأنه يتكون من الفوسفور اللافلزي مرتبطًا بالأكسجين. وكل من ‪MgO‬‏ و‪Al2O3‬‏ مثالان على الأكاسيد الفلزية؛ لأن ‪Mg‬‏ أو المغنيسيوم فلز، وكذلك ‪Al‬‏ أو الألومنيوم فلز أيضًا. وهذه الفلزات مرتبطة بالأكسجين. وبوجه عام، عندما يتفاعل أكسيد لافلزي مع الماء، يتكون حمض. يحدث هذا عادة عندما يكون اللافلز من المجموعات ‪14‬‏ إلى ‪17‬‏ في الجدول الدوري. وعندما يكون الفلز في الأكسيد الفلزي من المجموعتين الأولى أو الثانية من الجدول الدوري، مثل المغنيسيوم، ويتفاعل الأكسيد مع الماء، يتكون عادة محلول قاعدي أو قلوي.

لكن لاحظ أن هناك دائمًا بعض الاستثناءات لهذه القاعدة. على سبيل المثال، أكسيد البريليوم غير قابل للذوبان في الماء ولا يتفاعل مع الماء في الظروف العادية. وهناك أكاسيد فلزية أخرى تحتوي على فلزات ليست ضمن المجموعتين الأولى أو الثانية من الجدول الدوري، مثل النحاس والزنك والرصاص والألومنيوم والقصدير، عندما توضع في الماء لا تتفاعل عادة، وتكون عادة غير قابلة للذوبان. أكسيد المغنيسيوم غير قابل للذوبان جيدًا في الماء أيضًا، لكن كميات قليلة منه تذوب وتتفاعل مع الماء لإنتاج محلول قاعدي أو قلوي.

نعلم من المعطيات أن دليلًا عامًّا أضيف إلى كل كأس زجاجية لتحديد قيمة الأس الهيدروجيني. يكون لون الدليل العام أحمر في المنطقة الشديدة الحمضية على مقياس الأس الهيدروجيني، ثم أصفر مائلًا للبرتقالي، ثم أخضر عند نقطة التعادل، ثم أزرق، وفي الطرف البعيد من المقياس في المنطقة الشديدة القاعدية يكون لونه أرجوانيًّا. وقد رأينا أنه عندما يتفاعل أكسيد لافلزي مع الماء، يتكون حمض في حالة الكأس الزجاجية (أ). لذا يتحول الدليل إلى اللون الأحمر في الكأس الزجاجية (أ). وفي الكأس الزجاجية (ب)، تتشكل قاعدة أو قلوي عندما يتفاعل أكسيد الفلز مع الماء، لذا يتحول الدليل إلى اللون الأزرق المائل للأرجواني. وفي الكأس (ج) عند إضافة أكسيد الفلز، لا يحدث أي تفاعل.

يعد أكسيد الألومنيوم مثالًا على الأكاسيد المتذبذبة. ومرة أخرى، هذه الأكاسيد غير قابلة للذوبان عادة، ولا تتفاعل عادة مع الماء، غير أنها يمكن أن تتفاعل مع الأحماض والقواعد. ونظرًا لعدم وجود تفاعل مع الماء، سيظل الأس الهيدروجيني للماء في هذه الكأس الزجاجية متعادلًا، وسيظهر الدليل باللون الأخضر. وبالتالي، يتغير اللون في كل كأس زجاجية بسبب إضافة الأكسيد إلى (أ): الأحمر، و(ب): الأزرق و(ج): الأخضر.

لنلخص الآن ما تعلمناه. الأكسيد هو مركب يحتوي على أكسجين مرتبط بعنصر آخر. عند تفاعل أكسيد لافلزي مع الماء، ينتج حمض. وعند تفاعل أكسيد فلزي مع الماء، تنتج قاعدة. وعند وضع أكسيد متذبذب في الماء، فهو لا يذوب أو يتفاعل. وعند إضافة أكسيد متعادل إلى الماء، لا يكون هناك أي تفاعل. وهذه هي التدرجات العامة. وعند تفاعل أكسيد لافلزي مع قاعدة، ينتج ملح وماء. وينتج ملح وماء أيضًا عند تفاعل أكسيد فلزي مع حمض. وبالنسبة إلى الأكاسيد المتذبذبة، التي يمكن أن تتفاعل مع حمض أو قاعدة لأنها تقوم بدور الأحماض أو القواعد، ينتج ملح وماء أيضًا.