الحسابات الكيميائية

• أستنتجُ من التفاعل الكيميائي المادّةَ المُحدِّدة للتفاعُل والفائضة عنه، ثم أحسبُ كتلة كلٍّ منهما.
• أحسبُ كتلةَ مادّةٍ ناتجة بمعرفة المادّة المُحدِّدة للتفاعُل.

ما الذي يوقف التفاعل؟

ماذا يحدثُ عند خلط كميّاتٍ معلومةٍ من الموادّ المُتفاعلة بنسبةٍ مُوليّة تختلفُ عن النسبة التي تُحدّدها المعادلة الموزونة؟

• عند خلط كميّاتٍ معلومةٍ من موادَّ مُتفاعلة بنسبةٍ لا تتطابقُ مع نسبها المُوليّة في المعادلة الموزونة، فمن النادر أن تُستهلَك كمياتُ الموادّ جميعها.
• يتوقّفُ التفاعُل باستهلاك كميّة إحدى الموادّ المُتفاعلة كليًّا.

• مثال: يتفاعلُ غازا الهيدروجين والأكسجين كما في المعادلة الآتية:

• $2\text{H}_2(g) + \text{O}_2(g) \rightarrow 2\text{H}_2\text{O}(g)$
• عندما يتفاعلُ $2\ \text{mol}$ من الهيدروجين مع $1\ \text{mol}$ من الأكسجين، فإنّهما يُستهلَكان كليًّا ويتوقّفُ التفاعُل.
• وبهذا تكونُ المادتان كلتاهما محدّدتين للتفاعُل.

فماذا لو اختلفت الكميتان عن النسبة المولية؟

• عند تفاعُل $10\ \text{mol}$ من الهيدروجين مع $7\ \text{mol}$ من الأكسجين: يُتوقَّع أن تُستهلَك إحدى المادتين قبل الأخرى وتكون هي المُحدّدة للتفاعُل.
• تفاعلت $10\ \text{mol}$ من الهيدروجين كليًّا مع $5\ \text{mol}$ من الأكسجين، ونتجَ من ذلك $10\ \text{mol}$ من الماء.

• $10\ \text{mol H}_2 \times \frac{1\ \text{mol O}_2}{2\ \text{mol H}_2} = 5\ \text{mol O}_2$
• تُستهلَكُ كميةُ الهيدروجين جميعُها ويتوقّفُ التفاعُل؛ وبهذا يكونُ الهيدروجين هو المادةَ المُحدّدة للتفاعُل.
• يتبقّى $2\ \text{mol}$ من الأكسجين دون أن تتفاعلَ، ويكونُ الأكسجينُ هو المادّةَ الفائضة في التفاعُل.
• $7 - 5 = 2\ \text{mol O}_2$

كيف نجد المحدِّدة ونحسب الناتج؟

• تتحدّدُ كميّةُ المادّة الناتجة بمعرفة المادّة المُحدِّدة للتفاعُل التي تُستهلَك تمامًا.
• يجري ذلك عن طريق حساب عدد المولات الفعلية للموادّ المتفاعلة ومقارنتها بنسبتها المولية من المعادلة الموزونة.
• وبمعرفة كتلة المادّة المُحدِّدة للتفاعُل، فإنّه يُمكن حساب كتل الموادّ الفعلية المتفاعلة والناتجة.

1. نحسب: عدد مولات كل مادة متفاعلة من المعطيات: الكتلة على الكتلة المولية، أو التركيز في الحجم.
2. نحدد: النسبة المولية للمواد المتفاعلة من المعادلة الموزونة.
3. نحسب: عدد مولات إحدى المادتين اللازمة للتفاعل، بضرب النسبة المولية في مولات الأخرى.
4. نقارن: اللازم بالمتوافر؛ المادة التي متوافرها أقل مما يلزم هي المحدِّدة للتفاعل.
5. نحسب: مولات الناتج من النسبة المولية إلى المحدِّدة، ثم نحولها إلى كتلة بالكتلة المولية.

• عددُ المولات المطلوبة للتفاعُل = النسبة المولية × عدد المولات المتوافرة.

المحدِّدة عندما تُعطى الكتل

• أحسبُ عدد مولات كلّ مادّةٍ مُتفاعلة بضرب كتلتها في معامل تحويل يساوي معكوس كتلتها المولية.

من المحدِّدة إلى كتلة الناتج والفائضة والمردود

• لحساب كتلة المادّة الناتجة أُحدّد المادّة المُحدِّدة للتفاعُل.

• أحسبُ المردود المئوي ⁦(Y%)⁩ للأكسيد $P_4O_{10}$، وذلك بقسمة المردود الفعلي ⁦(Ay)⁩ على المردود النظري ⁦(Py)⁩ مضروبًا في 100.

المحدِّدة عندما يكون أحد المتفاعلات محلولًا

• أحسبُ عدد مولات الحمض بمعرفة التركيز والحجم.

عددُ المولات = التركيز × الحجم

كتلة الراسب من خلط محلولين

• أحسبُ عدد مولات كلّ مادّةٍ مُتفاعلة.

أُضيفُ $40\ \text{g}$ من الصوديوم ⁦Na⁩ إلى $40\ \text{g}$ أكسيد الحديد ⁦(III)⁩ $Fe_2O_3$ لإنتاج الحديد ⁦Fe⁩ وأكسيد الصوديوم $Na_2O$ وَفقًا للمعادلة الموزونة الآتية: $6\text{Na}(s) + \text{Fe}_2\text{O}_3(s) \rightarrow 3\text{Na}_2\text{O}(s) + 2\text{Fe}(s)$ علمًا أنّ الكتلة المولية ⁦Mr⁩ : ⁦Fe = 56, O⁩ = ⁦16, Na⁩ = ⁦23 g/mol⁩

• أ. أستنتجُ المادّة المُحدِّدة للتفاعُل.
• ب. أحسبُ كتلة الحديد ⁦Fe⁩ الناتجة.

هل نستفيد من كل ذرّة؟

يُستخدَم اقتصادُ الذرّة ⁦Atom Economy⁩ بوصفه مقياسًا لكفاءة التفاعُل الكيميائي.

• للحصول على كميّةٍ اقتصاديّة من مادّةٍ ما في أحد المصانع، يلجأُ المُختصّون إلى اختيار التفاعُل الذي يؤدّي إلى تكوين الناتج المُستهدَف دون نواتجَ ثانويّة ما أمكن.
• ثم يُجرون الحسابات الكيميائية، ويحدّدون العوامل المؤثّرة في التفاعُل التي تهدف إلى الحصول على كميّةٍ أكبرَ منه في وقتٍ أقلّ.

• الطريقة الأولى: تحضيرُ غاز كلوريد الهيدروجين ⁦HCl⁩ من تفاعُل حمض الكبريتيك المُركَّز مع كلوريد الصوديوم.
• $\text{H}_2\text{SO}_4(l) + 2\text{NaCl}(s) \rightarrow 2\text{HCl}(g) + \text{Na}_2\text{SO}_4(s)$
• اقتصادُ الذرّة لهذا التفاعُل 34% وذلك لوجود ناتجٍ ثانويٍّ غير مرغوبٍ فيه هو كبريتات الصوديوم $Na_2SO_4$.
• الطريقة الثانية: تفاعُل غاز الهيدروجين مع غاز الكلور، ولهذه الطريقة اقتصادُ ذرّةٍ 100%.
• $\text{H}_2(g) + \text{Cl}_2(g) \rightarrow 2\text{HCl}(g)$
• تتفاعلُ ذرّات الهيدروجين والكلور جميعها معًا لتكوين غاز ⁦HCl⁩، وبذلك لا تنتجُ موادُّ ثانويّةٌ غير مرغوبٍ فيها.

ما المقصود باقتصاد الذرّة؟

مراجعة: المحدِّدة والمردود

أستنتجُ أهميّةَ المادّة المُحدِّدة في التفاعُل الكيميائي.

أوضِّحُ المقصودَ بالمادّة المُحدِّدة للتفاعُل، والمادّة الفائضة عن التفاعُل.

أستنتجُ المادّة المُحدِّدة في التفاعُل الآتي: $CaC_2(s) + 2H_2O(l) \rightarrow C_2H_2(g) + Ca(OH)_2(aq)$ علمًا أنه تفاعلَ $6\ \text{mol}$ من الماء مع $6\ \text{mol}$ من كربيد الكالسيوم $CaC_2$.

أستنتجُ المادّة المُحدِّدة للتفاعُل عند إضافة $40\ \text{g}$ من الخارصين ⁦Zn⁩ إلى $150\ \text{mL}$ من محلول حمض النيتريك $HNO_3$ تركيزُه $0.2\ \text{M}$ وَفْقًا للمعادلة: $Mr_{(Zn)} = 65$ g/mol $Zn(s) + 2HNO_3(aq) \rightarrow Zn(NO_3)_2(aq) + H_2(g)$

أُضيفَ $250\ \text{mL}$ من محلول حمض ⁦HI⁩ تركيزُه $0.04\ \text{M}$ إلى $250\ \text{mL}$ من محلول ⁦KOH⁩ تركيزُه $0.02\ \text{M}$.

• أ. أكتبُ معادلةَ التفاعُل الموزونة.
• ب. أستنتجُ المادّةَ المُحدِّدة للتفاعُل.

أجرى مجموعةٌ من الطلبة تجربةً لمعرفة علاقة كمية المادة الناتجة بالمادة المحدّدة للتفاعل حيث خلطوا $4\ \text{mol}$ من الصوديوم مع $6\ \text{mol}$ من غاز الكلور للتفاعل وَفْقًا للمعادلة الموزونة الآتية: $2Na(s) + Cl_2(g) \rightarrow 2NaCl(s)$

• أ. أصوغُ فرضيةً تربط بين كمية المادة المحدّدة للتفاعل مع كمية المادة الناتجة.
• ب. أضبطُ المتغيرات. ما المتغير المستقل؟ وما المتغير التابع؟
• جـ. أحسبُ كتلة المادة الفائضة المتبقية بعد انتهاء التفاعل.

كيف نجعل الصناعة أنظف؟

• تهدف أيضًا إلى الحدّ من استنزاف الموارد الطبيعيّة، وكذلك التخلّص من النفايات والموادّ السّامّة الضّارّة في البيئة.
• تجري المحاولات المستمرّة إلى الحدّ من استخدام الموادّ الخام من المصادر غير المتجدّدة واستخدامها من المصادر المتجدّدة لئلّا تُستنزَف.
• ويتضمّنُ ذلك أيضًا تقليلَ استخدام الطاقة غير المتجدّدة، وإنتاج الموادّ الكيميائية التي تتحلّل بعد استخدامها منعًا لتراكمها في البيئة.

• وضع العالِمان أناستس ووارنر ⁦Anastas⁩ & ⁦Warner⁩ اثني عشر مبدأً للكيمياء الخضراء في مجال التصنيع الكيميائي، وذلك بما يُحقّق التنمية المستدامة دون إضرارٍ بالبيئة.
• عددٌ من مبادئ الكيمياء الخضراء كما يبيّنها الشكل:
• اقتصادُ الذرّة
• تجنُّب الموادّ السامّة
• مراقبة الجودة
• مراقبة السلامة
• تقليل المشتقّات
• العوامل المساعدة
• التصميم للتحلُّل
• موادّ أوّليّة قابلة للتجدّد
• كفاءة الطاقة
• تجنُّب المُخلّفات