تسمية المركبات الأيونية والتساهمية والتكافؤ في كيمياء HSC
تعلّم كيفية استخدام التكافؤ والشحنة الأيونية وحالات التأكسد وقواعد التسمية لكتابة صيغ المركبات الأيونية والتساهمية وتفسيرها.
افترض أن المطلوب منك كتابة صيغة أكسيد الحديد(III). أيٌّ من الآتي يبدو صحيحًا: \(\ce{FeO}\)، أم \(\ce{Fe2O3}\)، أم \(\ce{Fe3O2}\)؟
قد يبدو \(\ce{Fe3O2}\) اختيارًا مغريًا. ففي النهاية، يحتوي الاسم على “III”، وللأكسيد تكافؤ مقداره 2. لكن الرقم الروماني لا يخبرك بعدد ذرات الحديد التي يجب كتابتها. بل يخبرك بحالة تأكسد الحديد. بعد ذلك يجب بناء الصيغة بحيث تتعادل الشحنات الموجبة والسالبة.
وهذا يعطينا \(\ce{Fe2O3}\).
هذه هي الفكرة الأساسية وراء التسمية الكيميائية: الأسماء والصيغ تحمل أنواعًا مختلفة من المعلومات، وعليك أن تعرف أي نوع من المعلومات هو الذي يحدد الأرقام السفلية في الصيغة.
01ثلاث أفكار يسهل الخلط بينها
قبل تسمية المركبات، افصل بين ثلاث أفكار مترابطة: التكافؤ، والشحنة الأيونية، وحالة التأكسد.
| الفكرة | ما الذي تخبرك به | مثال |
|---|---|---|
| التكافؤ | مقياس بسيط لقدرة العنصر على الاتحاد | للمغنيسيوم تكافؤ 2 في المركبات الشائعة |
| الشحنة الأيونية | الشحنة الفعلية التي يحملها الأيون | \(\mathrm{Mg}^{2+}\) |
| حالة التأكسد | قيمة حسابية بإشارة تُسند إلى ذرة في مادة | حالة تأكسد Mg هي \(+2\) في \(\ce{MgCl2}\) |
على مستوى HSC، يُعد التكافؤ اختصارًا مفيدًا عند كتابة الصيغ، ولا سيما للأيونات الأحادية الذرة المألوفة. فالمغنيسيوم يُكوِّن عادةً \(\mathrm{Mg}^{2+}\)، ولذلك نقول غالبًا إن تكافؤه 2. والكلور يُكوِّن عادةً \(\mathrm{Cl}^{-}\)، ولذلك يكون تكافؤه 1.
لكن التكافؤ ليس هو نفسه تمامًا حالة التأكسد.
يُكتب التكافؤ عادةً في صورة عدد صحيح موجب من دون إشارة. أما حالة التأكسد فلها إشارة وتعتمد على المركب. ويمكن للعنصر الواحد أن تكون له عدة حالات تأكسد.
فالحديد، مثلًا، يوجد شائعًا في صورتي \(\mathrm{Fe}^{2+}\) و\(\mathrm{Fe}^{3+}\). ولهذا تحتاج أسماء مثل كلوريد الحديد(II) وكلوريد الحديد(III) إلى رقم روماني.
02الشحنة هي التي تتحكم في الصيغ الأيونية
تخيّل المركب الأيوني كأنه حفل عشاء شديد الصرامة: يجب أن تُلغى كل شحنة موجبة بمقدار مساوٍ من الشحنة السالبة قبل أن يُسمح لأي شخص بالجلوس.
ينجح أيون واحد من \(\mathrm{Na}^{+}\) مع أيون واحد من \(\mathrm{Cl}^{-}\) تمامًا:
\[ (+1)+(-1)=0 \]
لذلك تكون صيغة كلوريد الصوديوم هي \(\ce{NaCl}\).
والآن جرّب المغنيسيوم والكلوريد. يحمل أيون واحد من \(\mathrm{Mg}^{2+}\) وحدتين من الشحنة الموجبة، بينما يوفّر كل أيون \(\mathrm{Cl}^{-}\) وحدة واحدة فقط من الشحنة السالبة.
لذلك تحتاج إلى أيوني كلوريد:
\[ (+2)+2(-1)=0 \]
ومن ثم تكون الصيغة \(\ce{MgCl2}\).
صورة حفل العشاء ليست سوى تشبيه. فالمادة الصلبة الأيونية لا تتكون من جزيئات صغيرة منفصلة من \(\ce{MgCl2}\) تجلس في أزواج. بل تكوِّن شبكة بلورية كبيرة ثلاثية الأبعاد. وتعطي الصيغة \(\ce{MgCl2}\) أبسط نسبة صحيحة بين الأيونات.
شحنات أيونية شائعة يجدر معرفتها
لا تحتاج إلى اشتقاق كل أيون شائع من البداية في كل مرة.
| الأيون أو المجموعة | الشحنة الشائعة |
|---|---|
| أيونات فلزات المجموعة 1، مثل \(\mathrm{Na}^{+}\)، \(\mathrm{K}^{+}\) | \(+1\) |
| أيونات فلزات المجموعة 2، مثل \(\mathrm{Mg}^{2+}\)، \(\mathrm{Ca}^{2+}\) | \(+2\) |
| \(\mathrm{Al}^{3+}\) | \(+3\) |
| \(\mathrm{Ag}^{+}\) | \(+1\) |
| \(\mathrm{Zn}^{2+}\) | \(+2\) |
| أيونات الهاليد، مثل \(\mathrm{Cl}^{-}\)، \(\mathrm{Br}^{-}\) | \(-1\) |
| الأكسيد، \(\mathrm{O}^{2-}\) | \(-2\) |
| الكبريتيد، \(\mathrm{S}^{2-}\) | \(-2\) |
| النتريد، \(\mathrm{N}^{3-}\) | \(-3\) |
| الأمونيوم، \(\ce{NH4+}\) | \(+1\) |
| الهيدروكسيد، \(\ce{OH^-}\) | \(-1\) |
| النترات، \(\ce{NO3^-}\) | \(-1\) |
| الكربونات، \(\ce{CO3^2-}\) | \(-2\) |
| الكبريتات، \(\ce{SO4^2-}\) | \(-2\) |
| الفوسفات، \(\ce{PO4^3-}\) | \(-3\) |
تتصرف الأيونات متعددة الذرات، مثل الكبريتات والنترات، كوحدة واحدة مشحونة عند بناء صيغة أيونية.
مثال محلول: اكتب صيغة أكسيد الألومنيوم
اكتب الصيغة الكيميائية لأكسيد الألومنيوم.
الخطوة 1
يُكوِّن الألومنيوم \(\mathrm{Al}^{3+}\). وأيون الأكسيد هو \(\mathrm{O}^{2-}\).
الخطوة 2
المضاعف المشترك الأصغر للعددين 3 و2 هو 6.
يعطي أيونا ألومنيوم:
\[ 2(+3)=+6 \]
وتعطي ثلاثة أيونات أكسيد:
\[ 3(-2)=-6 \]
الخطوة 3
\[ \ce{Al2O3} \]
تعني النتيجة أن أبسط نسبة متعادلة الشحنة هي أيونا ألومنيوم مقابل كل ثلاثة أيونات أكسيد.
ستعطي طريقة «التبادل المتقاطع» أيضًا الرقمين السفليين 2 و3. وهذه الطريقة مناسبة للتحقق من إجابتك، لكن موازنة الشحنات هي السبب في نجاحها. وإذا فهمت الشحنات، فستكون أقل عرضة بكثير لاستخدام هذا الاختصار بطريقة خاطئة.
بسّط دائمًا النسبة في الصيغة الأيونية
ماذا يحدث مع أكسيد الكالسيوم؟
الكالسيوم هو \(\mathrm{Ca}^{2+}\)، والأكسيد هو \(\mathrm{O}^{2-}\). وقد يؤدي تطبيق التبادل المتقاطع على العددين 2 بصورة آلية إلى \(\ce{Ca2O2}\).
لكن أيون كالسيوم واحدًا يعادل بالفعل أيون أكسيد واحدًا:
\[ (+2)+(-2)=0 \]
لذلك تكون أبسط نسبة \(1:1\)، ومن ثم تكون الصيغة:
\[ \ce{CaO} \]
تستخدم الصيغ الأيونية أبسط نسبة من الأعداد الصحيحة.
03تبقى الأيونات متعددة الذرات معًا
لننظر الآن إلى نترات الكالسيوم.
الكالسيوم هو \(\mathrm{Ca}^{2+}\)، بينما النترات هي \(\ce{NO3^-}\). لذا نحتاج إلى أيوني نترات:
\[ (+2)+2(-1)=0 \]
وتكون الصيغة:
\[ \ce{Ca(NO3)2} \]
الأقواس مهمة. فالرقم السفلي 2 ينطبق على أيون النترات بالكامل.
من دون الأقواس، لن تعبّر \(\ce{CaNO3_2}\) عن البنية بصورة صحيحة.
وهناك أيضًا قاعدة مهمة كامنة هنا: لا تغيّر الأرقام السفلية داخل أيون متعدد الذرات عند موازنة الشحنات. فالنترات هي \(\ce{NO3^-}\). ولا يمكنك تحويلها إلى ترتيب جديد للنيتروجين والأكسجين لمجرد جعل الحساب أسهل.
مثال محلول: اكتب صيغة كبريتات الحديد(III)
اكتب الصيغة الكيميائية لكبريتات الحديد(III).
الخطوة 1
يعني الحديد(III) أن حالة تأكسد الحديد هي \(+3\). وبالنسبة إلى هذا الأيون الأحادي الذرة للحديد، فإن ذلك يقابل \(\mathrm{Fe}^{3+}\).
والكبريتات هي \(\ce{SO4^2-}\).
الخطوة 2
المضاعف المشترك الأصغر للعددين 3 و2 هو 6.
يسهم أيونا \(\mathrm{Fe}^{3+}\) بشحنة مقدارها \(+6\).
وتسهم ثلاثة أيونات كبريتات بمقدار:
\[ 3(-2)=-6 \]
الخطوة 3
\[ \ce{Fe2(SO4)3} \]
الأقواس ضرورية لأن هناك ثلاثة أيونات كبريتات كاملة.
04تسمية المركبات الأيونية
كتابة الصيغة هي اتجاه واحد للمسألة. ويمكن لأسئلة HSC بالسهولة نفسها أن تعطيك صيغة وتطلب منك اسمها.
القاعدة الأساسية هي:
- سمِّ الأيون الموجب أولًا.
- سمِّ الأيون السالب ثانيًا.
- استخدم اسم الأيون السالب الأحادي الذرة بصيغة -يد المناسبة.
- احتفظ بالاسم المعتمد للأيون متعدد الذرات.
- إذا كان الفلز يمكن أن تكون له حالات تأكسد مختلفة، فاذكر حالة تأكسده باستخدام رقم روماني.
على سبيل المثال:
| الصيغة | الاسم |
|---|---|
| \(\ce{NaCl}\) | كلوريد الصوديوم |
| \(\ce{MgO}\) | أكسيد المغنيسيوم |
| \(\ce{Al2S3}\) | كبريتيد الألومنيوم |
| \(\ce{CaCO3}\) | كربونات الكالسيوم |
| \(\ce{FeCl2}\) | كلوريد الحديد(II) |
| \(\ce{FeCl3}\) | كلوريد الحديد(III) |
لاحظ ما لا يظهر هنا: البادئات العددية مثل di- وtri- وtetra-.
ففي التسمية الأيونية القياسية، لا تسمّي \(\ce{MgCl2}\) «ثنائي كلوريد المغنيسيوم». إذ إن النسبة \(1:2\) تنتج من موازنة الشحنات، ولذلك لا حاجة إلى بادئة عددية.
05إيجاد حالة تأكسد فلز من الصيغة
افترض أنك أُعطيت \(\ce{Cu2O}\).
يمكن للنحاس أن تكون له أكثر من حالة تأكسد، ولذلك فإن قول «أكسيد النحاس» فقط يحذف معلومة مفيدة.
كيف يمكنك إيجاد الرقم الروماني؟
للأكسيد حالة تأكسد مقدارها \(-2\). والمركب متعادل، لذلك يجب أن يكون مجموع حالات التأكسد صفرًا.
لنفرض أن حالة تأكسد كل ذرة نحاس هي \(x\):
\[ 2x+(-2)=0 \]
إذن:
\[ 2x=+2 \]
ومن ثم:
\[ x=+1 \]
لذلك فإن \(\ce{Cu2O}\) هو أكسيد النحاس(I).
مثال محلول: سمِّ \(\ce{Co2O3}\)
سمِّ المركب الأيوني \(\ce{Co2O3}\).
الخطوة 1
تكون حالة تأكسد الأكسجين عادةً \(-2\) في الأكاسيد العادية.
لذلك تسهم ثلاث ذرات أكسجين بمقدار:
\[ 3(-2)=-6 \]
الخطوة 2
لنفترض أن حالة تأكسد كل ذرة كوبالت هي \(x\).
\[ 2x-6=0 \]
إذن:
\[ 2x=6 \]
\[ x=+3 \]
الخطوة 3
الفلز هو الكوبالت، وحالة تأكسده \(+3\)، و\(\mathrm{O}^{2-}\) هو الأكسيد.
الاسم هو أكسيد الكوبالت(III).
يعني الرقم الروماني III القيمة \(+3\). وهو لا يعني أن الصيغة تحتوي على ثلاث ذرات كوبالت.
06حالة التأكسد ليست هي نفسها الشحنة الكلية للأيون
يصبح هذا التمييز مهمًا بصورة خاصة مع الأيونات متعددة الذرات.
خذ الكبريتات، \(\ce{SO4^2-}\).
يحمل أيون الكبريتات بأكمله شحنة مقدارها \(-2\). لكن هذا لا يعني أن حالة تأكسد الكبريت هي \(-2\).
تكون حالة تأكسد الأكسجين عادةً \(-2\). لذلك تسهم أربع ذرات أكسجين بمقدار:
\[ 4(-2)=-8 \]
يجب أن يكون مجموع حالات التأكسد داخل الأيون مساويًا للشحنة الكلية للأيون، وهي \(-2\).
لنفرض أن حالة تأكسد الكبريت هي \(x\):
\[ x-8=-2 \]
إذن:
\[ x=+6 \]
لذلك تكون حالة تأكسد الكبريت \(+6\) في أيون الكبريتات، على الرغم من أن شحنة أيون الكبريتات ككل هي \(-2\).
ولهذا لا ينبغي استخدام كلمتي «الشحنة» و«حالة التأكسد» وكأنهما مترادفتان.
وهناك مجموعة مختصرة من قواعد حالات التأكسد ستفيدك كثيرًا:
- العنصر في حالته الحرة تكون حالة تأكسده \(0\)
- الأيون الأحادي الذرة تكون حالة تأكسده مساوية لشحنته الأيونية
- مجموع حالات التأكسد يساوي \(0\) في المركب المتعادل
- مجموع حالات التأكسد يساوي الشحنة الكلية في الأيون متعدد الذرات
- تكون حالة تأكسد الأكسجين عادةً \(-2\)
- تكون حالة تأكسد الهيدروجين عادةً \(+1\)
كلمة عادةً مهمة. فالكيمياء تتضمن استثناءات، وستقابل بعضًا منها عندما تصبح الأكسدة والاختزال جزءًا أكبر من المقرر.
07تسمية المركبات التساهمية تستخدم نظامًا مختلفًا
لننظر الآن إلى \(\ce{N2O4}\).
إذا حاولت التعامل معه كمركب أيوني، فستواجه مشكلة مباشرة. فلا يوجد كاتيون فلزي يجب موازنة شحنته مع أنيون.
في المركبات التساهمية الثنائية البسيطة، يخبرك الاسم بدلًا من ذلك بعدد الذرات الممثلة في الصيغة.
توقّع اسم \(\ce{N2O4}\). هل يكفي أن نقول «أكسيد النيتروجين»؟
لا. فهناك عدة مركبات تحتوي على النيتروجين والأكسجين، ولذلك يهم عدد الذرات. وتحمل البادئات العددية هذه المعلومة.
| العدد | البادئة |
|---|---|
| 1 | mono- |
| 2 | di- |
| 3 | tri- |
| 4 | tetra- |
| 5 | penta- |
| 6 | hexa- |
| 7 | hepta- |
| 8 | octa- |
| 9 | nona- |
| 10 | deca- |
بالنسبة إلى مركب تساهمي ثنائي:
- سمِّ العنصر الأول
- استخدم بادئة عددية عندما توجد أكثر من ذرة واحدة من العنصر الأول
- سمِّ العنصر الثاني بصيغة -يد المناسبة
- استخدم بادئة لعدد ذرات العنصر الثاني، بما في ذلك mono- عندما توجد ذرة واحدة
تُحذف البادئة mono- عادةً من العنصر الأول.
تُدمج بعض الأسماء عند التقاء حروف علة متجاورة. فمثلًا، يصبح mono + oxide هو monoxide، وليس “monooxide”، ويصبح tetra + oxide هو tetroxide.
مثال محلول: سمِّ \(\ce{N2O4}\)
سمِّ المركب التساهمي الثنائي \(\ce{N2O4}\).
الخطوة 1
هناك ذرتا نيتروجين. والبادئة التي تدل على اثنين هي di-.
وهذا يعطي dinitrogen، أي ثنائي النيتروجين.
الخطوة 2
هناك أربع ذرات أكسجين. والبادئة هي tetra-، ويتحول oxygen إلى oxide.
تُختصر “tetraoxide” إلى tetroxide.
الخطوة 3
الاسم هو dinitrogen tetroxide، أي رباعي أكسيد ثنائي النيتروجين.
تعبّر البادئات مباشرةً عن عدد الذرات \(2:4\) في الصيغة المكتوبة. فلا تختصرها إلى \(\ce{NO2}\) لمجرد أن كلا الرقمين السفليين يقبل القسمة على 2. فالصيغة الجزيئية والنسبة التجريبية الأيونية تؤديان وظيفتين مختلفتين.
مثال محلول: اكتب صيغة سداسي فلوريد الكبريت
اكتب صيغة سداسي فلوريد الكبريت.
الخطوة 1
لا توجد بادئة قبل الكبريت، لذلك توجد ذرة كبريت واحدة.
الخطوة 2
تعني Hexa- ستة. ويخبرك fluoride بأن العنصر الثاني هو الفلور.
إذن توجد ست ذرات فلور.
الخطوة 3
\[ \ce{SF6} \]
لا توجد هنا عملية حسابية لموازنة الشحنات. فكلمة hexa- أخبرتك بالفعل بالرقم السفلي المطلوب.
08أيوني أم تساهمي؟ حدّد ذلك قبل استخدام قاعدة التسمية
تحدث كثير من أخطاء التسمية لأن الطالب يتذكر قاعدة، لكنه يطبقها على النوع الخطأ من المركبات.
استخدم تركيب المركب كأول دليل لك.
| ما تراه | المعالجة المرجحة |
|---|---|
| فلز + لافلز | أيوني |
| فلز + أيون متعدد الذرات | أيوني |
| أمونيوم + أنيون | أيوني |
| لافلزان في مركب ثنائي بسيط | تسمية تساهمية باستخدام البادئات |
على سبيل المثال:
- \(\ce{CaCl2}\): الكالسيوم فلز، لذا استخدم التسمية الأيونية -> كلوريد الكالسيوم
- \(\ce{NCl3}\): النيتروجين والكلور لافلزان، لذا استخدم البادئات -> ثلاثي كلوريد النيتروجين
- \(\ce{CuSO4}\): النحاس مع الكبريتات مركب أيوني -> حدّد حالة تأكسد النحاس، فتحصل على كبريتات النحاس(II)
هذه القاعدة مركزة عمدًا على المركبات غير العضوية الشائعة التي يغطيها هذا الموضوع. فالأحماض، والمركبات المائية، والمركبات العضوية، ومركبات التناسق الأكثر تقدمًا تتطلب قواعد تسمية إضافية.
09طريقة أفضل من حفظ «التبادل المتقاطع»
يمكن أن تكون طريقة التبادل المتقاطع مفيدة، لكنها تصبح خطرة عندما تحل محل التفكير.
على سبيل المثال، افترض أنك تحتاج إلى صيغة كبريتات الألومنيوم.
أنت تعرف:
\[ \mathrm{Al}^{3+} \]
و:
\[ \ce{SO4^2-} \]
يشير التبادل المتقاطع لمقادير الشحنات إلى:
\[ \ce{Al2(SO4)3} \]
وهذا صحيح بالفعل.
لكن الاستدلال الأقوى هو:
\[ 2(+3)+3(-2)=0 \]
فهذا يخبرك لماذا يوجد أيونا ألومنيوم وثلاثة أيونات كبريتات. كما يذكّرك بأن الكبريتات أيون واحد متكامل، ولذلك نحتاج إلى الأقواس.
استخدم عملية اتخاذ القرار الآتية بدلًا من ذلك:
من الاسم إلى الصيغة الأيونية
- حدّد الكاتيون والأنيون.
- اكتب شحنتهما.
- أوجد أصغر عدد من كل منهما يجعل الشحنة الكلية صفرًا.
- استخدم الأقواس إذا لزم أكثر من أيون متعدد الذرات واحد.
- تحقّق من أن النسبة لا يمكن تبسيطها.
من الصيغة الأيونية إلى الاسم
- حدّد الكاتيون والأنيون.
- حدّد ما إذا كان للفلز حالة تأكسد متغيرة.
- إذا كان كذلك، فاحسب حالة التأكسد من خلال موازنة الشحنات.
- اكتب حالة التأكسد على هيئة رقم روماني.
- سمِّ الأنيون بصورة صحيحة.
من اسم المركب التساهمي إلى الصيغة
- حدّد كل عنصر.
- حوّل كل بادئة مباشرةً إلى رقم سفلي.
- لا توازن الشحنات في الصيغة.
من الصيغة التساهمية إلى الاسم
- احسب عدد ذرات كل نوع.
- حوّل الأعداد إلى بادئات.
- احذف mono- من العنصر الأول.
- أعطِ العنصر الثاني النهاية المناسبة بصيغة -ide.
10أكثر الأخطاء إغراءً
الخطأ 1: التعامل مع الرقم الروماني كأنه رقم سفلي
كلوريد الحديد(III) ليس \(\ce{Fe3Cl}\).
فالرقم III يعني أن حالة تأكسد الحديد هي \(+3\):
\[ \mathrm{Fe}^{3+} \]
وكل أيون كلوريد هو \(\mathrm{Cl}^{-}\)، لذلك نحتاج إلى ثلاثة أيونات كلوريد:
\[ \ce{FeCl3} \]
الخطأ 2: استخدام بادئات المركبات التساهمية مع المركبات الأيونية
\(\ce{CaCl2}\) هو كلوريد الكالسيوم، وليس ثنائي كلوريد الكالسيوم.
فالرقم السفلي 2 تحدده بالفعل شحنتا \(\mathrm{Ca}^{2+}\) و\(\mathrm{Cl}^{-}\).
الخطأ 3: افتراض أن الرقم السفلي يساوي حالة التأكسد
في \(\ce{Fe2O3}\)، لا تكون حالة تأكسد الحديد \(+2\) لمجرد أن الرقم السفلي له هو 2.
تسهم ثلاث ذرات أكسجين، لكل منها حالة تأكسد \(-2\)، بمجموع \(-6\). ولذلك يجب أن تسهم ذرتا الحديد معًا بمقدار \(+6\)، فتكون حالة تأكسد كل ذرة حديد \(+3\).
المركب هو أكسيد الحديد(III).
الخطأ 4: نسيان تبسيط النسب الأيونية
بالنسبة إلى \(\mathrm{Ca}^{2+}\) و\(\mathrm{O}^{2-}\)، قد يؤدي تطبيق التبادل المتقاطع آليًا إلى \(\ce{Ca2O2}\).
أما أبسط نسبة صحيحة فهي:
\[ \ce{CaO} \]
الخطأ 5: تغيير الأيون متعدد الذرات من الداخل
الكبريتات هي \(\ce{SO4^2-}\). فإذا كانت هناك حاجة إلى ثلاثة أيونات كبريتات، فاكتب:
\[ \ce{(SO4)3} \]
ولا تغيّر وحدة \(\ce{SO4}\) نفسها.
11الأسئلة والحلول
السؤال 1
سمِّ المركب \(\ce{K2S}\). واشرح لماذا لا يحتاج الاسم إلى بادئة عددية.
الحل 1
المركب هو كبريتيد البوتاسيوم.
البوتاسيوم فلز من المجموعة 1 ويكوِّن \(\mathrm{K}^{+}\). ويكوِّن الكبريت أيون الكبريتيد، \(\mathrm{S}^{2-}\). ولذلك نحتاج إلى أيوني بوتاسيوم لموازنة أيون كبريتيد واحد:
\[ 2(+1)+(-2)=0 \]
المركب أيوني، ولذلك تتحدد النسبة \(2:1\) من خلال موازنة الشحنات. ولا تُستخدم البادئات العددية مثل di- في الاسم الأيوني القياسي.
السؤال 2
اكتب الصيغة الكيميائية لنتريد المغنيسيوم.
الحل 2
الصيغة هي \(\ce{Mg3N2}\).
يُكوِّن المغنيسيوم \(\mathrm{Mg}^{2+}\)، بينما النتريد هو \(\mathrm{N}^{3-}\). وأصغر شحنة كلية مشتركة هي 6:
\[ 3(+2)=+6 \]
و:
\[ 2(-3)=-6 \]
إذن توازن ثلاثة أيونات مغنيسيوم أيوني نتريد:
\[ \ce{Mg3N2} \]
والنسبة \(3:2\) هي بالفعل أبسط نسبة من الأعداد الصحيحة.
السؤال 3
اكتب الصيغة الكيميائية لكبريتات الألومنيوم.
الحل 3
الصيغة هي \(\ce{Al2(SO4)3}\).
يُكوِّن الألومنيوم \(\mathrm{Al}^{3+}\)، والكبريتات هي \(\ce{SO4^2-}\). يسهم أيونا ألومنيوم بمقدار \(+6\)، بينما تسهم ثلاثة أيونات كبريتات بمقدار \(-6\):
\[ 2(+3)+3(-2)=0 \]
لذلك:
\[ \ce{Al2(SO4)3} \]
الأقواس ضرورية لأن الصيغة تحتوي على ثلاثة أيونات كبريتات كاملة. ويجب ألا تتغير الصيغة الداخلية \(\ce{SO4}\) أثناء موازنة الشحنات.
السؤال 4
سمِّ \(\ce{MnO2}\)، علمًا بأن المنغنيز يمكن أن يكوِّن أيونات ذات حالات تأكسد مختلفة.
الحل 4
المركب هو أكسيد المنغنيز(IV).
لكل ذرة أكسجين حالة تأكسد مقدارها \(-2\). لذلك تسهم ذرتا أكسجين بمقدار:
\[ 2(-2)=-4 \]
المركب متعادل، ولذلك يجب أن يسهم المنغنيز بمقدار \(+4\):
\[ x-4=0 \]
\[ x=+4 \]
يسجل الرقم الروماني IV حالة التأكسد هذه. أما الرقم السفلي 2 فيخص الأكسجين ولا يعني أن حالة تأكسد المنغنيز هي \(+2\).
السؤال 5
أعطِ الاسم النظامي التساهمي الثنائي للمركب \(\ce{N2O3}\)، وحدد حالة تأكسد النيتروجين في المركب.
الحل 5
الاسم هو ثلاثي أكسيد ثنائي النيتروجين، وحالة تأكسد النيتروجين هي \(+3\).
التسمية وحساب حالة التأكسد مهمتان منفصلتان.
بالنسبة إلى الاسم، تعطي ذرتا النيتروجين البادئة di-، وتعطي ثلاث ذرات أكسجين tri- مع oxide:
dinitrogen trioxide، أي ثلاثي أكسيد ثنائي النيتروجين
أما بالنسبة إلى حالة التأكسد، فتكون حالة تأكسد الأكسجين عادةً \(-2\). وتسهم ثلاث ذرات أكسجين بمقدار:
\[ 3(-2)=-6 \]
لنفترض أن حالة تأكسد كل ذرة نيتروجين هي \(x\). ولأن المركب متعادل:
\[ 2x-6=0 \]
\[ 2x=6 \]
\[ x=+3 \]
التمييز المهم هو أن البادئة di- تعبّر عن عدد ذرات النيتروجين، بينما تصف حالة التأكسد \(+3\) الحالة الحسابية المرتبطة بالإلكترونات التي تُسند إلى كل ذرة نيتروجين.
السؤال 6
يستخدم طالب طريقة التبادل المتقاطع مع أكسيد الكالسيوم ويكتب \(\ce{Ca2O2}\). ويجادل الطالب بأن الشحنات قد نُقلت بصورة صحيحة، لذلك لا بد أن تكون الصيغة صحيحة. قيّم هذا الاستدلال وأعطِ الصيغة الصحيحة.
الحل 6
الصيغة الصحيحة هي \(\ce{CaO}\)، ولذلك فإن حجة الطالب غير مكتملة.
يُكوِّن الكالسيوم \(\mathrm{Ca}^{2+}\)، والأكسيد هو \(\mathrm{O}^{2-}\). وأيون واحد من كل منهما يعطي بالفعل تركيبًا متعادلًا:
\[ (+2)+(-2)=0 \]
لذلك تكون النسبة \(1:1\).
وعلى الرغم من أن تطبيق التبادل المتقاطع آليًا على مقادير الشحنات قد ينتج النسبة المؤقتة \(2:2\)، فإن الصيغة الأيونية يجب أن تُختزل إلى أبسط نسبة من الأعداد الصحيحة:
\[ \ce{Ca2O2} \rightarrow \ce{CaO} \]
المشكلة هي التعامل مع التبادل المتقاطع وكأنه قاعدة تنتج الصيغة النهائية. أما القاعدتان الفعليتان فهما تعادل الشحنة واستخدام أبسط نسبة.
السؤال 7
يمكن لفلز \(X\) أن يكوِّن إما \(X^{2+}\) أو \(X^{3+}\). ولأحد مركبات هذا الفلز الصيغة \(\ce{X2O3}\).
يدّعي طالب أن حالة تأكسد \(X\) لا بد أن تكون \(+2\) لأن الصيغة تحتوي على الرقم السفلي 2 بعد \(X\). حدّد حالة تأكسد \(X\)، واشرح الخطأ في استدلال الطالب.
الحل 7
حالة تأكسد \(X\) هي \(+3\).
لكل ذرة أكسجين حالة تأكسد مقدارها \(-2\). لذلك تسهم ثلاث ذرات أكسجين بمقدار:
\[ 3(-2)=-6 \]
إذا كانت حالة تأكسد كل ذرة \(X\) هي \(x\)، فيجب أن يحقق المركب المتعادل:
\[ 2x-6=0 \]
إذن:
\[ 2x=6 \]
\[ x=+3 \]
يخبرنا الرقم السفلي 2 بوجود ذرتين من \(X\) في وحدة الصيغة. ولا يحدد حالة تأكسدهما. ففي الواقع، يجب أن تسهم ذرتا \(X\) معًا بمقدار \(+6\)، ولذلك يجب أن تكون حالة تأكسد كل منهما \(+3\).
وهذا بالضبط هو سبب وجوب حساب حالات التأكسد من الصيغة كاملة بدلًا من تخمينها من الأرقام السفلية المجاورة.
السؤال 8
تحمل حاوية ملصقًا لا يحتوي إلا على فوسفات الكروم. يمكن للكروم أن تكون له حالتا التأكسد \(+2\) و\(+3\)، بينما الفوسفات هي \(\ce{PO4^3-}\).
اشرح لماذا لا يحدد الملصق صيغة واحدة بصورة قاطعة. واكتب الصيغة الناتجة من الكروم(II)، والصيغة الناتجة من الكروم(III).
الحل 8
الملصق ملتبس لأن الكروم يمكن أن تكون له أكثر من حالة تأكسد واحدة. ولذلك نحتاج إلى رقم روماني لتحديد أي أيون من أيونات الكروم موجود.
بالنسبة إلى الكروم(II)، يكون الأيون هو \(\mathrm{Cr}^{2+}\)، بينما الفوسفات هي \(\ce{PO4^3-}\). وأصغر شحنة كلية مشتركة هي 6:
\[ 3(+2)+2(-3)=0 \]
لذلك تكون فوسفات الكروم(II):
\[ \ce{Cr3(PO4)2} \]
أما بالنسبة إلى الكروم(III)، فالشحنتان متساويتان في المقدار:
\[ (+3)+(-3)=0 \]
ولذلك تكون النسبة \(1:1\):
\[ \ce{CrPO4} \]
إذن للمركبين المحتملين صيغتان مختلفتان:
- فوسفات الكروم(II): \(\ce{Cr3(PO4)2}\)
- فوسفات الكروم(III): \(\ce{CrPO4}\)
غياب الرقم الروماني ليس مجرد تفصيل بسيط في التسمية. فمن دونه لا يمكن تحديد حالة التأكسد، ونسبة الأيونات، والصيغة الكيميائية بصورة فريدة.
12ما الذي يتيح لك هذا فعله لاحقًا
تصبح التسمية أسهل بكثير عندما تتوقف عن التعامل مع الأسماء على أنها سلاسل من الكلمات يجب حفظها. فالصيغة الأيونية تعبير عن موازنة الشحنات. والبادئة في الاسم التساهمي تعليمات تحدد عدد الذرات. والرقم الروماني بيان لحالة التأكسد.
وتظهر الأفكار نفسها مرة أخرى بعد ذلك مباشرة تقريبًا في أجزاء أخرى من الكيمياء. فالصيغ الصحيحة تتيح لك موازنة المعادلات وحساب الكتل المولية، بينما تصبح حالات التأكسد وسيلة لتتبّع انتقال الإلكترونات في تفاعلات الأكسدة والاختزال. وإذا استطعت النظر إلى \(\ce{Fe2O3}\) وشرح لماذا تكون حالة تأكسد الحديد \(+3\)، فقد بدأت بالفعل في استخدام نوع الاستدلال المطلوب لفهم الأكسدة والاختزال بدلًا من مجرد حفظ أسماء المركبات.