أسئلة الكيمياء (الفرع العلمي) توجيهي: مع الحل

س: ما المقصود بالطبيعة المزدوجة للضوء؟

ج: أن للضوء خواص موجية (الحيود والتداخل) وخواص جسيمية (فوتونات تفسّر الظاهرة الكهرضوئية)؛ فيسلك موجةً أو جسيماً حسب التجربة.

س: اكتب علاقة طاقة الفوتون بالتردد والطول الموجي.

ج: E=hf=(hc)/() حيث h ثابت بلانك وc سرعة الضوء.

س: ما معنى أن طاقة الضوء مكمّاة؟

ج: أنها تأتي على شكل وحدات منفصلة (كمّات/فوتونات) لكل منها طاقة محددة، لا بشكل متصل قابل لأي قيمة.

س: ما الفرق بين طيف الانبعاث الخطي وطيف الامتصاص الخطي؟

ج: طيف الانبعاث: خطوط مضيئة على خلفية داكنة تنتج عن عودة الإلكترونات لمستويات أدنى وإطلاق فوتونات؛ وطيف الامتصاص: خطوط داكنة على طيف متصل تنتج عن امتصاص الذرات فوتونات بالترددات نفسها.

س: لماذا يتكوّن الطيف الذري من خطوط منفصلة؟

ج: لأن طاقة الإلكترون في الذرة مكمّاة (مستويات محددة)؛ فلا تنبعث إلا فوتونات طاقتها تساوي فرق الطاقة بين مستويين، فتظهر خطوط منفصلة لا طيف متصل.

س: اكتب العلاقة بين طاقة الفوتون المنبعث وفرق الطاقة بين المستويين.

ج: E=hf=Eأعلى-Eأدنى حيث h ثابت بلانك وf تردد الفوتون.

س: اذكر فرضيتي بور الأساسيتين.

ج: 1) الإلكترون يتحرك في مدارات مكمّاة محددة الطاقة دون أن يشعّ، وزخمه الزاوي مكمّى L=n. 2) ينتقل بين مستويين بامتصاص أو إطلاق فوتون طاقته تساوي فرق الطاقة بينهما.

س: كيف فسّرت نظرية بور خطوط طيف الهيدروجين؟

ج: كل خط ينتج عن انتقال محدد بين مستويين؛ وبما أن المستويات مكمّاة فإن فروق الطاقة محددة، فتنبعث فوتونات بترددات معينة تظهر خطوطاً منفصلة.

س: عند امتصاص الإلكترون فوتوناً، هل ينتقل لمستوى أعلى أم أدنى؟ ولماذا؟

ج: ينتقل لمستوى أعلى، لأن الامتصاص يزوّده بطاقة ترفعه إلى مستوى أقل سالبية (أعلى طاقة).

س: كيف يتغيّر الحجم الذري عبر الدورة؟

ج: يقل من اليسار لليمين لزيادة شحنة النواة الفعّالة.

س: كيف تتغيّر طاقة التأين نزولاً في المجموعة؟

ج: تقل لبُعد إلكترون التكافؤ عن النواة وزيادة الحجب.

س: ما تهجين الكربون في الميثان؟

ج: sp3، شكل رباعي الأوجه، زاوية 109.5^.

س: كيف يتغيّر الحجم الذري عبر الدورة ونزولاً في المجموعة؟ ولماذا؟

ج: يقل عبر الدورة (يساراً ← يميناً) لزيادة شحنة النواة الفعّالة وجذبها للإلكترونات مع ثبات المستوى؛ ويزداد نزولاً في المجموعة لزيادة عدد المستويات الإلكترونية.

س: كيف تتغيّر طاقة التأين عبر الدورة ونزولاً في المجموعة؟

ج: تزداد عبر الدورة (لقوة جذب النواة وصغر الحجم)، وتقل نزولاً في المجموعة (لبُعد إلكترون التكافؤ عن النواة وزيادة الحجب).

س: ما سبب الدورية في خواص العناصر؟

ج: تكرار التوزيع الإلكتروني لمستوى التكافؤ بشكل دوري؛ فالعناصر ذات التوزيع الخارجي المتشابه لها خواص متشابهة.

س: اذكر العوامل المؤثرة في الحجم الذري.

ج: شحنة النواة الفعّالة (كلما زادت قلّ الحجم)، وعدد المستويات الإلكترونية (كلما زاد زاد الحجم)، وأثر الحجب من الإلكترونات الداخلية (يزيد الحجم).

س: ما المقصود بشحنة النواة الفعّالة؟

ج: صافي قوة جذب النواة لإلكترون التكافؤ بعد طرح أثر حجب الإلكترونات الداخلية له؛ وتزداد عبر الدورة فتقلّ معها أحجام الذرات وتزداد طاقة تأيّنها.

س: لماذا تكون طاقة التأين الثانية أكبر من الأولى لأي عنصر؟

ج: لأن الإلكترون الثاني يُزال من أيون موجب الشحنة، فجذب النواة له أقوى ويلزم طاقة أكبر لإزالته.

س: عرّف التهجين واذكر سبب حدوثه.

ج: التهجين مزج مدارات ذرية مختلفة قليلاً في الطاقة لتكوين مدارات هجينة متساوية الطاقة والشكل؛ ويحدث لتوزّع المدارات في الفراغ بأقل تنافر ولتكوين روابط متكافئة.

س: حدّد نوع التهجين والشكل وزاوية الرابطة في الميثان CH_4.

ج: sp3، شكل رباعي الأوجه، زاوية الرابطة 109.5^.

س: حدّد نوع التهجين في الإيثين C_2H_4 والإيثاين C_2H_2.

ج: الإيثين sp2 (مستوٍ مثلث، 120^)، والإيثاين sp (خطّي، 180^).

س: اذكر ثلاث خواص للحموض.

ج: طعمها لاذع، تحمّر ورقة عباد الشمس الزرقاء، تتفاعل مع الفلزات النشطة محرّرة غاز الهيدروجين ومع الكربونات محرّرة CO_2.

س: اذكر ثلاث خواص للقواعد.

ج: طعمها قابض، ملمسها صابوني، تزرّق ورقة عباد الشمس الحمراء، وتتعادل مع الحموض.

س: اكتب معادلة تعادل حمض الهيدروكلوريك مع هيدروكسيد الصوديوم.

ج: HCl + NaOH → NaCl + H_2O.

س: اذكر النظريات الثلاث للحموض والقواعد وأساس كل منها.

ج: أرهينيوس: الحمض يعطي H^+ والقاعدة تعطي OH^- في الماء؛ برونستد-لوري: الحمض مانح للبروتون والقاعدة مستقبلة له؛ لويس: الحمض مستقبل لزوج إلكترونات والقاعدة مانحة له.

س: ما ميزة نظرية برونستد على أرهينيوس؟

ج: لا تقتصر على المحاليل المائية ولا على OH^-؛ تعرّف القاعدة بأنها مستقبلة للبروتون، فتفسّر تفاعلات حمض-قاعدة في أوساط غير مائية وتظهر الأزواج المرافقة.

س: عرّف الزوج المرافق مع مثال.

ج: حمض وقاعدة يختلفان ببروتون واحد؛ عند فقد الحمض بروتوناً تنتج قاعدته المرافقة. مثال: HCl (حمض) وCl^- (قاعدته المرافقة).

س: لماذا يبقى [H^+][OH^-]=10^-14 ثابتاً في المحاليل المائية؟

ج: لأنه ثابت اتزان التأين الذاتي للماء عند درجة حرارة ثابتة؛ فزيادة [H^+] تقابلها نقصان مكافئ في [OH^-] ليبقى حاصل ضربهما ثابتاً.

س: احسب pOH لمحلول pH=2.5.

ج: pOH=14-pH=14-2.5=11.5.

س: أوضح العلاقة بين ثابت تأين الحمض الضعيف ورقمه الهيدروجيني.

ج: كلما زاد ثابت تأين الحمض K_a زادت قدرة الحمض على التأين وإنتاج H_3O^+ عند التركيز نفسه، فيزداد تركيز الهيدرونيوم وينخفض الرقم الهيدروجيني pH. إذن العلاقة عكسية بين K_a و pH عند ثبات التركيز.

س: أفسر: بزيادة ثابت التأين يزداد تركيز OH^- في محلول القاعدة الضعيفة.

ج: ثابت تأين القاعدة K_b يقيس قدرة القاعدة على التأين وإنتاج OH^-. عند ثبات التركيز، زيادة K_b تعني أن الاتزان مزاح أكثر نحو النواتج، فيتكون مقدار أكبر من OH^- والحمض المرافق.

س: من جدول K_a: أي قاعدة مرافقة لها أعلى pH؟ وأي محلول له أقل pH: HNO_2 أم HCN؟

ج: الحمض الأضعف يعطي القاعدة المرافقة الأقوى، ومن القيم المعطاة أصغر K_a هو لـ HCN، لذلك قاعدته المرافقة CN^- تعطي أعلى pH. بين HNO_2 و HCN، حمض HNO_2 أقوى لأن K_a له أكبر، لذلك محلوله له أقل pH عند التركيز نفسه.

س: ما المقصود بالتحلّل المائي للملح؟

ج: تفاعل أحد أيوني الملح (أو كليهما) مع الماء منتجاً أيونات H^+ أو OH^-، مما يجعل المحلول حمضياً أو قاعدياً بدل أن يكون متعادلاً.

س: صنّف طبيعة محلول ملح ناتج من حمض قوي وقاعدة قوية، مع مثال.

ج: متعادل (pH=7)، لأن أيونيه لا يتحللان مائياً؛ مثاله NaCl.

س: علّل: محلول كلوريد الأمونيوم NH_4Cl حمضي.

ج: لأنه ملح حمض قوي (HCl) وقاعدة ضعيفة (NH_3)؛ فأيون NH_4^+ يتحلل مائياً منتجاً H^+، بينما Cl^- لا يتحلل، فيصبح المحلول حمضياً.

س: عرّف الإنتروبي واذكر متى يزداد.

ج: الإنتروبي Δ S مقياس عشوائية النظام؛ يزداد بالتحول من صلب إلى سائل إلى غاز، وبزيادة عدد مولات الغاز الناتجة، وبرفع درجة الحرارة.

س: اكتب معادلة طاقة جبس الحرة وشرط تلقائية التفاعل.

ج: Δ G=Δ H-TΔ S؛ والتفاعل تلقائي إذا كان Δ G<0.

س: متى يكون التفاعل تلقائياً عند جميع درجات الحرارة؟

ج: عندما يكون Δ H<0 (طارد) وΔ S>0 (تزداد العشوائية)؛ فيكون Δ G سالباً عند أي T.

س: اكتب الصورة العامة لقانون السرعة وعرّف الرتبة الكلية.

ج: v=k[A]m[B]n؛ والرتبة الكلية مجموع الأسس m+n، وتُحدَّد تجريبياً لا من معاملات المعادلة.

س: اذكر العوامل المؤثرة في سرعة التفاعل.

ج: تركيز المتفاعلات، درجة الحرارة، مساحة سطح المادة الصلبة، وجود عامل مساعد، وطبيعة المتفاعلات.

س: ما المقصود بالخطوة المحدّدة لسرعة التفاعل؟

ج: أبطأ خطوة في ميكانيكية التفاعل؛ وهي التي تحدّد سرعة التفاعل الكلية ويُبنى عليها قانون السرعة.

س: اكتب الصورة العامة لقانون السرعة.

ج: v=k[A]m[B]n والرتبة الكلية m+n.

س: متى يكون التفاعل تلقائياً؟

ج: عندما Δ G=Δ H-TΔ S<0.

س: ناتج تأكسد الكحول الأولي؟

ج: ألدهيد ثم حمض كربوكسيلي.

س: عرّف هاليد الألكيل واذكر أساس تصنيفه.

ج: مركب عضوي صيغته R-X حيث X هالوجين؛ يُصنَّف أولياً أو ثانوياً أو ثالثياً حسب عدد ذرات الكربون المرتبطة مباشرة بالكربون الحامل للهالوجين.

س: اكتب ناتج تفاعل بروموإيثان مع هيدروكسيد الصوديوم.

ج: استبدال نيوكليوفيلي ينتج إيثانول: CH_3CH_2Br + OH^- → CH_3CH_2OH + Br^-.

س: ما ناتج حذف HBr من 2-بروموبروبان بقاعدة قوية ساخنة؟

ج: بروبين: CH_3CHBrCH_3 KOH/الكحول، Δ CH_3CH=CH_2 + HBr.

س: عرّف الكحول واذكر أساس تصنيفه.

ج: مركب عضوي يحوي مجموعة هيدروكسيل -OH مرتبطة بكربون مشبع؛ يُصنَّف أولياً/ثانوياً/ثالثياً حسب عدد ذرات الكربون المرتبطة بالكربون الحامل لـOH.

س: اذكر طريقتين لتحضير الكحولات.

ج: إماهة الألكينات بإضافة الماء في وسط حمضي، واختزال الألدهيدات أو الكيتونات بـH_2/Ni.

س: اكتب نواتج تأكسد الكحول الأولي والثانوي.

ج: الكحول الأولي يتأكسد إلى ألدهيد ثم إلى حمض كربوكسيلي؛ والثانوي يتأكسد إلى كيتون.

س: فرّق بين الألدهيد والكيتون من حيث موقع مجموعة الكربونيل.

ج: في الألدهيد تقع مجموعة الكربونيل في نهاية السلسلة مرتبطة بذرة هيدروجين (R-CHO)؛ وفي الكيتون تقع داخل السلسلة بين ذرتي كربون (R-CO-R').

س: كيف تميّز بين ألدهيد وكيتون مخبرياً؟

ج: بكاشف فهلنج (يعطي الألدهيد راسباً أحمر) أو كاشف تولن (يعطي الألدهيد مرآة فضية)، بينما لا يتفاعل الكيتون مع أيٍّ منهما.

س: اكتب نواتج اختزال الألدهيد والكيتون بـH_2/Ni.

ج: الألدهيد يُختزل إلى كحول أولي، والكيتون يُختزل إلى كحول ثانوي.

س: عرّف الحمض الكربوكسيلي واذكر مجموعته الوظيفية.

ج: مركب عضوي يحوي مجموعة الكربوكسيل -COOH (كربونيل + هيدروكسيل على الكربون نفسه).

س: اكتب سلسلة أكسدة كحول أولي إلى حمض كربوكسيلي.

ج: R-CH_2OH [O] R-CHO [O] R-COOH.

س: كيف تكشف عن وجود حمض كربوكسيلي مخبرياً؟

ج: يحمّر ورقة عباد الشمس الزرقاء، ويتصاعد غاز CO_2 بفوران عند إضافته إلى محلول كربونات أو بيكربونات الصوديوم.

س: عرّف الإستر واكتب معادلة تحضيره العامة.

ج: مركب صيغته R-COO-R'؛ يُحضَّر بالأسترة: R-COOH + R'OH R-COOR' + H_2O.

س: ما دور حمض الكبريتيك المركّز في تفاعل الأسترة؟

ج: عامل مساعد يسرّع التفاعل، ونازع للماء يزيح الاتزان نحو تكوين الإستر فيزيد المردود.

س: اكتب ناتج أسترة حمض الإيثانويك مع الإيثانول.

ج: إيثانوات الإيثيل: CH_3COOH + C_2H_5OH CH_3COOC_2H_5 + H_2O.

س: عرّف الأمين واذكر أساس تصنيفه.

ج: مركب مشتق من النشادر NH_3 باستبدال ذرة هيدروجين أو أكثر بمجموعة ألكيل؛ ويُصنَّف أولياً أو ثانوياً أو ثالثياً حسب عدد مجموعات الألكيل المرتبطة بالنيتروجين.

س: علّل: الأمينات قاعدية.

ج: لوجود زوج إلكترونات حر على ذرة النيتروجين يستطيع استقبال بروتون (H^+)، فتسلك سلوك القواعد وفق برونستد ولويس.

س: قارن قاعدية ميثيل أمين بالنشادر.

ج: ميثيل أمين أقوى قاعدية، لأن مجموعة الميثيل مانحة للإلكترونات تزيد كثافة الإلكترونات على النيتروجين فيزيد ميله لاستقبال البروتون.

س: كيف تنتج الخلية الجلفانية الطاقة الكهربائية؟

ج: تفصل الخلية نصفي تفاعل redox تلقائي: التأكسد عند الأنود يطلق إلكترونات تمر عبر السلك الخارجي إلى الكاثود حيث يحدث الاختزال — فيتحول التغير الكيميائي إلى تيار كهربائي.

س: عرّف القنطرة الملحية وجهد الاختزال المعياري؟

ج: القنطرة الملحية: أنبوب يحوي محلول ملح خامل يسمح بمرور الأيونات لحفظ الحياد الكهربائي وإغلاق الدارة. جهد الاختزال المعياري E^ : جهد نصف خلية الاختزال مقيساً مقابل قطب الهيدروجين المعياري عند الظروف المعيارية.

س: في Co + Cu²⁺ → Co²⁺ + Cu: حدد الأنود والكاثود واكتب نصفي التفاعل؟

ج: الكوبلت أنود (تأكسد): Co → Co^2+ + 2e^- ؛ والنحاس كاثود (اختزال): Cu^2+ + 2e^- → Cu — لأن جهد اختزال النحاس أعلى.

س: اشرح مبدأ عمل خلية التحليل الكهربائي؟

ج: مصدر جهد خارجي يدفع الإلكترونات إلى المهبط فيحدث عنده اختزال، ويسحبها من المصعد فيحدث عنده تأكسد — فيجري تفاعل redox غير تلقائي على حساب طاقة المصدر.

س: لماذا لا يُحضّر F₂ بسهولة من محلول NaF بالتحليل؟

ج: لأن الماء أسهل تأكسداً من أيون الفلوريد (جهد تأكسد F^- منخفض جداً)، فيتأكسد الماء عند المصعد ويتصاعد O_2 بدلاً من F_2 ؛ لذلك يحضَّر الفلور من المصهورات لا المحاليل.

س: لماذا إعادة تدوير Al اقتصادية مقارنة بالاستخراج من البوكسيت؟

ج: لأن استخلاص الألمنيوم من البوكسيت بالتحليل الكهربائي لمصهوره يستهلك كهرباء هائلة، بينما إعادة تدوير الألمنيوم تحتاج نحو 5% فقط من تلك الطاقة.