س: اشرح كيف يستخدم عامل فان هوف i أو المولالية الفعالة في حسابات الخصائص الجامعة، ثم قارن NaCl وCaCl2 وMgCl2.
ج: المولالية الفعالة هي المولالية بعد أخذ عدد الجسيمات الناتجة من تفكك المذاب في الحسبان، أي meffective=i× m. يعطي NaCl جسيمين تقريبا، بينما يعطي CaCl2 وMgCl2 ثلاثة أيونات تقريبا لكل وحدة صيغة. لذلك عند المولالية الأصلية نفسها يكون أثر CaCl2 أو MgCl2 أكبر من NaCl في رفع درجة الغليان وخفض درجة التجمد.
ج: الاتزان المتجانس تكون فيه المواد المتفاعلة والناتجة جميعها في الحالة الفيزيائية نفسها، مثل أن تكون كلها غازات أو كلها في محلول. أما الاتزان غير المتجانس فتختلف فيه الحالة الفيزيائية للمواد. لا تكتب المواد الصلبة والسوائل النقية، ولا الماء عندما يكون سائلا نقيا أو مذبا، في تعبير ثابت الاتزان لأن تراكيزها تمثل كثافتها وتبقى ثابتة تقريبا فتدمج في قيمة ثابت الاتزان.
س: عرّف ثابت تأين القاعدة.
ج: مقياس كمي لقدرة القاعدة الضعيفة على التأين في الماء، ويرمز له بالرمز Kb.
س: عرّف التأين الجزئي.
ج: عملية تفاعل الحمض أو القاعدة مع الماء للوصول إلى حالة اتزان، حيث تبقى معظم الجزيئات غير متأينة.
س: عرّف الملح والتميه، ثم فرّق بين الذوبان والتميه كما ورد في الدرس.
ج: الملح مركب أيوني ينتج بوجه عام من تفاعل محلول حمض مع محلول قاعدة، ويتفكك عند إذابته في الماء إلى أيونات موجبة وسالبة. الذوبان يعني تفكك الملح وانتشار أيوناته بين جزيئات الماء دون أن تتفاعل معها. أما التميه فهو تفاعل بعض أيونات الملح مع الماء، فيتغير تركيز H3O^+ أو OH^- ومن ثم يتغير الرقم الهيدروجيني للمحلول.
س: صنّف أملاح NaBr وNH4Cl وKNO2 حسب طبيعة محاليلها، واكتب معادلة التميه للأيون المؤثر في كل من الملحين الحمضي والقاعدي.
ج: NaBr ملح متعادل لأنه ناتج من حمض قوي HBr وقاعدة قوية NaOH، ولا تتميه أيوناته بصورة مؤثرة. NH4Cl ملح حمضي؛ إذ إن Cl^- من حمض قوي فلا يتميه، بينما NH4^+ حمض مرافق لقاعدة ضعيفة ويتفاعل مع الماء: NH4^+ + H2O NH3 + H3O^+. KNO2 ملح قاعدي؛ إذ إن K^+ من قاعدة قوية فلا يتميه، بينما NO2^- قاعدة مرافقة لحمض ضعيف ويتفاعل مع الماء: NO2^-+H2O HNO2+OH^-.
س: حدد مصدر الأيونات، ثم صنّف المحلول لKNO3 وCH3NH3Br وC6H5COONa وLiF.
ج: KNO3: K^+ من قاعدة قوية وNO3^- من حمض قوي، فالمحلول متعادل. CH3NH3Br: CH3NH3^+ حمض مرافق للقاعدة الضعيفة CH3NH2 وBr^- من حمض قوي، فالمحلول حمضي. C6H5COONa: Na^+ من قاعدة قوية وC6H5COO^- قاعدة مرافقة لحمض البنزويك الضعيف، فالمحلول قاعدي. LiF: Li^+ من قاعدة قوية وF^- قاعدة مرافقة لحمض ضعيف HF، فالمحلول قاعدي.
ج: يصف قانون سرعة التفاعل العلاقة بين سرعة التفاعل وتراكيز المواد المتفاعلة عند درجة حرارة ثابتة. للتفاعل A+B→ C+D يكتب القانون العام: R=k[A]x[B]y. الرمز k ثابت سرعة التفاعل، وx رتبة التفاعل للمادة A، وy رتبة التفاعل للمادة B. تحدد قيم x,y عمليا بالتجربة ولا تؤخذ مباشرة من معاملات المعادلة الموزونة.
س: ما المقصود برتبة التفاعل لمادة متفاعلة؟ وما المقصود بالرتبة الكلية للتفاعل؟ طبّق ذلك على القانون R=k[NO]2[H2].
ج: رتبة التفاعل لمادة متفاعلة هي الأس المرفوع إليه تركيز هذه المادة في قانون السرعة، وتبين أثر تغير تركيزها في سرعة التفاعل. الرتبة الكلية هي مجموع رتب المواد المتفاعلة في قانون السرعة. في القانون R=k[NO]2[H2] تكون رتبة NO=2، ورتبة H2=1، والرتبة الكلية 2+1=3.
س: استنتج وحدة ثابت السرعة k لكل من: تفاعل من الرتبة الصفرية، تفاعل من الرتبة الأولى، وتفاعل كلي من الرتبة الثالثة، علما أن وحدة السرعة M.s-1.
ج: في الرتبة الصفرية R=k لذلك وحدة k هي M.s-1. في الرتبة الأولى R=k[A] لذلك k=R/[A] ووحدته s-1. في الرتبة الثالثة R=k[A]3 أو مجموع الأسس 3، لذلك k وحدته M-2.s-1.
س: فسّر حدوث التفاعل الكيميائي وفق نظرية التصادم، ثم اذكر شرطي التصادم الفعال ونتيجة غياب كل شرط.
ج: تفسر نظرية التصادم حدوث التفاعل بأن جسيمات المواد المتفاعلة يجب أن تتصادم. ولا يكون التصادم فعالا إلا إذا امتلكت الجسيمات طاقة لا تقل عن طاقة التنشيط، وكان اتجاه التصادم مناسبا لإعادة ترتيب الذرات وتكسير روابط وتكوين روابط جديدة. إذا نقصت الطاقة ترتد الجسيمات ولا يتكون المعقد المنشط، وإذا كان الاتجاه غير صحيح لا يؤدي التصادم إلى إعادة ترتيب الذرات حتى لو امتلكت الجسيمات طاقة كبيرة.
س: في مثال NO(g)+O3(g)→ NO2(g)+O2(g)، كيف تقرر أي اتجاه للتصادم فعال؟ علل إجابتك دون الاعتماد على شكل مرسوم.
ج: الاتجاه الفعال هو الذي يسمح بإعادة ترتيب الذرات لتكوين NO2 وO2. لا يكفي التلامس لأن التصادم قد يعيد الجزيئات كما كانت إذا لم تواجه الذرات بعضها بالترتيب المناسب. معيار الحكم هو أن يؤدي الاتجاه إلى نقل ذرة أكسجين من الأوزون إلى NO وتكوين NO2 مع بقاء O2، مع امتلاك طاقة كافية.
س: عرّف المعقد المنشط، وبيّن كيف يمثل في التفاعل العام 2AB→ A2+B2.
ج: المعقد المنشط حالة انتقالية غير مستقرة من تجمع الذرات، يبدأ فيها كسر الروابط القديمة وتكوين الروابط الجديدة، وتمتلك أعلى طاقة في مسار التفاعل. في 2AB→ A2+B2 تبدأ روابط A-B في الكسر، وتبدأ رابطتا A-A وB-B في التكون، لذلك يمثل بروابط جزئية أو متقطعة. لا يعد مادة مستقرة لأنه يوجد لحظة قصيرة ثم يتحول إلى نواتج أو يعود إلى متفاعلات.
س: علل: تزداد سرعة تلف الأطعمة عند تركها في درجة حرارة الغرفة مقارنة بحفظها في الثلاجة.
ج: تلف الأطعمة ناتج عن حدوث تفاعلات كيميائية، وهذه التفاعلات تزداد سرعتها بزيادة درجة الحرارة. لذا، تكون التفاعلات المسببة للتلف أسرع بكثير عند درجة حرارة الغرفة منها عند وضع الأطعمة في الثلاجة.
س: في تفاعل افتراضي وُجد أن مضاعفة تركيز A (مع ثبات B) لا يؤثر في السرعة، وأن مضاعفة تركيز B ثلاث مرات (مع ثبات A) ضاعفت السرعة تسع مرات. اكتب قانون سرعة التفاعل وحدّد الرتبة الكلية.
ج: الرتبة بالنسبة لـA = صفر (لا أثر)، والرتبة بالنسبة لـB: 3y=9→ y=2. إذن R=k[B]2، والرتبة الكلية = 2.
س: علّل: لا يمكن تحديد رتبة التفاعل من معاملات المعادلة الكيميائية الموزونة.
ج: لأن الرتبة كمية تجريبية تعتمد على آلية التفاعل الفعلية، وتُحدَّد عملياً بقياس أثر تغيّر التراكيز في السرعة، وقد تختلف عن المعاملات.
س: عرّف الخلايا الكهروكيميائية والخلايا الجلفانية، وبيّن التحول في الطاقة داخل الخلية الجلفانية.
ج: الخلايا الكهروكيميائية خلايا تحدث فيها تفاعلات تأكسد واختزال منتجة للطاقة الكهربائية أو مستهلكة لها. أما الخلية الجلفانية فهي خلية كهروكيميائية يحدث فيها تفاعل تأكسد واختزال تلقائي يولد تيارا كهربائيا؛ لذلك تتحول فيها الطاقة الكيميائية إلى طاقة كهربائية.
س: اذكر مكونات خلية Zn/Cu الجلفانية، واشرح وظيفة القنطرة الملحية واتجاه حركة أيوناتها في أثناء عمل الخلية.
ج: تتكون الخلية من نصف خلية خارصين: صفيحة Zn في محلول يحوي Zn2+، ونصف خلية نحاس: صفيحة Cu في محلول يحوي Cu2+، وتوصل الأقطاب بسلك خارجي وفولتميتر وتوصل المحاليل بقنطرة ملحية مثل KCl. القنطرة الملحية تعادل الشحنات في نصفي الخلية وتحافظ على استمرار التيار دون خلط مباشر للمحلولين. في خلية Zn/Cu تتجه أيونات Cl^- نحو نصف خلية الخارصين لمعادلة زيادة Zn2+، وتتجه أيونات K^+ نحو نصف خلية النحاس لمعادلة زيادة الأيونات السالبة بعد اختزال Cu2+.
س: قارن بين المصعد والمهبط في الخلية الجلفانية من حيث نوع التفاعل، إشارة القطب، اتجاه الإلكترونات، والتغير المتوقع في الكتلة.
ج: المصعد هو القطب الذي يحدث عنده التأكسد، وشحنته سالبة في الخلية الجلفانية؛ لأنه مصدر الإلكترونات، فتتحرك الإلكترونات منه عبر السلك الخارجي نحو المهبط، وتقل كتلته غالبا إذا كان فلزا يتأكسد إلى أيونات. المهبط هو القطب الذي يحدث عنده الاختزال، وشحنته موجبة في الخلية الجلفانية؛ إذ تتحرك الإلكترونات نحوه، وتزداد كتلته غالبا بترسب الفلز الناتج من اختزال أيوناته.
س: وضح مبدأ عمل خلية التحليل الكهربائي، وبيّن لماذا يحتاج تفاعلها إلى مصدر خارجي للطاقة.
ج: خلية التحليل الكهربائي تمرر تيارا كهربائيا في مصهور أو محلول مادة كهرلية لإحداث تفاعل تأكسد واختزال غير تلقائي. لذلك تزود الخلية بطاقة كهربائية من مصدر خارجي، ويجب أن يكون جهد البطارية المستخدم أكبر من مقدار جهد الخلية المعياري السالب حتى يحدث التفاعل.
س: في خلية التحليل الكهربائي لمصهور مادة أيونية: ما المهبط وما المصعد؟ وما اتجاه حركة الأيونات؟
ج: المهبط هو القطب المتصل بالقطب السالب للبطارية، وتتحرك إليه الأيونات الموجبة وتختزل عنده. المصعد هو القطب المتصل بالقطب الموجب للبطارية، وتتحرك إليه الأيونات السالبة وتتأكسد عنده. لذلك يحدث الاختزال عند المهبط والتأكسد عند المصعد.
س: أجب عن تحقق مصهور CaBr2: اكتب نصف تفاعل الاختزال ونصف تفاعل التأكسد، واستنتج نواتج التحليل الكهربائي للمصهور.
ج: في مصهور CaBr2 توجد أيونات Ca2+ وBr^- فقط ولا توجد منافسة من الماء. عند المهبط تختزل أيونات الكالسيوم: Ca2+(l)+2e^-→ Ca(l). وعند المصعد تتأكسد أيونات البروميد: 2Br^-(l)→ Br2(l)+2e^-. إذن النواتج هي فلز الكالسيوم عند المهبط والبروم عند المصعد.
س: علل: يُعد التخلص من البطاريات التالفة برميها في النفايات العادية ممارسة خطرة بيئياً.
ج: لأن البطاريات تحتوي على مواد كيميائية سامة وفلزات ثقيلة، ويؤدي تراكمها ودفنها إلى تلوث المياه والتربة.
س: عرّف التأكسد والاختزال بدلالة انتقال الإلكترونات، ووضّح العلاقة بين العامل المؤكسد وما يحدث له.
ج: التأكسد فقدُ إلكترونات (يزداد عدد التأكسد)، والاختزال اكتسابها (يقلّ عدد التأكسد). العامل المؤكسد يُختزل (يكسب إلكترونات) فيؤكسد غيره.
س: قارن بين الخلية الجلفانية وخلية التحليل الكهربائي من حيث: تلقائية التفاعل، إشارة الجهد E°، وموقع التأكسد.
ج: الجلفانية: تفاعل تلقائي، E°>0، تنتج كهرباء. التحليل الكهربائي: تفاعل غير تلقائي، تستهلك كهرباء. وفي كلتيهما يحدث التأكسد عند المصعد (الأنود) والاختزال عند المهبط (الكاثود)، لكن إشارة القطبين تنعكس بين الخليتين.
س: عرّف تفاعل الاستبدال، واذكر أربع فئات من المركبات العضوية التي ذكرها الدرس أنها تتفاعل بالاستبدال.
ج: تفاعل الاستبدال هو تفاعل تحل فيه ذرة أو مجموعة ذرات محل ذرة أو مجموعة ذرات أخرى في المركب العضوي. من المركبات التي تتفاعل بالاستبدال: الألكانات، وهاليدات الألكيل، والكحولات، والحموض الكربوكسيلية.
س: فسّر هلجنة الألكانات بوصفها تفاعل استبدال جذري، ثم أكمل معادلتي هلجنة الميثان والإيثان بالكلور أو البروم في خطوة واحدة.
ج: أ: الضوء أو التسخين يكسر الرابطة بين ذرتي الهالوجين فيتكون جذر حر مثل Cl× أو Br×، وهو شديد النشاط. ب: CH4+Cl2ضوءCH3Cl+HCl. ج: CH3CH3+Br2ضوءCH3CH2Br+HBr. في الحالتين تحل ذرة هالوجين محل ذرة هيدروجين في الألكان.
س: رتّب الهالوجينات حسب شدة تفاعلها مع الألكانات كما في الدرس، وبيّن لماذا ركّز الكتاب على الكلور والبروم.
ج: ترتيب شدة التفاعل هو: F2>Cl2>Br2>I2. الفلور نشط جدا ويحتاج إلى ظروف خاصة لضبطه، أما اليود فلا يتفاعل في الظروف نفسها؛ لذلك يكتفى في الدرس بدراسة تفاعل الألكانات مع الكلور والبروم.
س: وضّح المقصود بالتكسير الحراري، وفسّر لماذا يكون مجموع ذرات الكربون في نواتج تكسير المركب C12H26 مساويا لعدد ذرات الكربون في المتفاعل.
ج: التكسير الحراري هو تسخين خليط النفط إلى درجات حرارة عالية فتتكسر السلاسل الهيدروكربونية الطويلة إلى مركبات أصغر، وينتج غالبا خليط من الألكانات والألكينات. عند تكسير جزيء مثل C12H26 لا تختفي ذرات الكربون؛ بل يعاد توزيعها في جزيئات أصغر، لذلك يكون مجموع عدد ذرات الكربون في الألكان والألكين الناتجين مساويا لعدد ذرات الكربون في الجزيء الأصلي.
س: حضّر CH3CH=CHCH3 من CH3CHBrCH2CH3، ثم اذكر نوع التفاعل والشرط اللازم.
ج: المعادلة: CH3CHBrCH2CH3+KOHكحولي/تسخينCH3CH=CHCH3+H2O+KBr. التفاعل حذف؛ إذ ينزع HBr من هاليد الألكيل. يشترط تسخين هاليد الألكيل الثانوي أو الثالثي مع محلول مركز من KOH أو NaOH في الإيثانول.
س: اكتب ثلاث طرائق لتحضير هاليد ألكيل مع مثال معادلة لكل طريقة من الدرس.
ج: من ألكان بالاستبدال في وجود الضوء: CH4+Cl2ضوءCH3Cl+HCl. من ألكين بإضافة هاليد هيدروجين وفق قاعدة ماركوفنيكوف: CH2=CHCH3+HCl→ CH3CHClCH3. من كحول بالاستبدال مع حمض مركز: CH3CH2OH+HClمركزCH3CH2Cl+H2O.
س: فسّر الأهمية الصناعية لحمض الفورميك (حمض الميثانويك) واذكر طريقتين لتحضيره.
ج: الأهمية: يُستخدم في صناعة المنسوجات، الأدوية، المواد الكيميائية الغذائية، الجلود والدباغة، ومادة حافظة ومضادة للجراثيم في أعلاف الماشية، ومصدر لوقود الهيدروجين. طرق التحضير: 1. التحلل المائي لميثانوات الميثيل (الناتجة من تفاعل أول أكسيد الكربون مع الميثانول). 2. أكسدة الكتلة الحيوية (Biomass) بوجود عوامل مؤكسدة مثل H2O2 و O2.
س: وضّح طريقتين لتحضير حمض الفورميك، مبيّناً المواد الأولية في كل منهما.
ج: (1) التحلل المائي لميثانوات الميثيل: يتفاعل أول أكسيد الكربون CO مع الميثانول بوجود عامل مساعد لتكوين ميثانوات الميثيل التي تتحلل مائياً إلى حمض الميثانويك وميثانول. (2) من الكتلة الحيوية: تُؤكسد المخلفات العضوية (قشّ القمح، نشارة الخشب، مخلفات الدواجن) بوجود H₂O₂ وO₂ فتتحول إلى حمض الفورميك.
س: علّل: يُعدّ تحضير حمض الفورميك من الكتلة الحيوية خياراً مستداماً واقتصادياً.
ج: لأن الكتلة الحيوية مخلفات عضوية وفيرة ومنخفضة التكلفة، وتحويلها إلى حمض الفورميك يقلّل النفايات ويوفّر مادة كيميائية ذات قيمة عبر تفاعل أكسدة.
