إعادة ترتيب الذرات في التفاعلات: دليل كيمياء HSC
تعرّف على كيفية إعادة ترتيب الذرات في التفاعلات الكيميائية مع الحفاظ على عدد ذرات كل عنصر والكتلة الكلية. يتضمن الدليل استراتيجيات للموازنة وأمثلة محلولة وأسئلة استدلال بأسلوب HSC.
يبدو أن التفاعل يفعل شيئًا مستحيلًا. يمكن أن يختفي غاز الهيدروجين وغاز الأكسجين، ويظهر الماء مكانهما. إذا كانت المواد قد تغيّرت، فماذا حدث للذرات التي كوّنت الغازات الأصلية؟
قبل متابعة القراءة، ضع توقّعًا. في التفاعل بين الهيدروجين والأكسجين، هل يمكن لذرة أكسجين أن تختفي ببساطة لأنها لم تعد جزءًا من جزيء أكسجين؟
لا. في التفاعل الكيميائي العادي، تبقى الذرات موجودة. ما يتغيّر هو أي الذرات ترتبط بأي ذرات أخرى. فذرات الهيدروجين التي كانت مرتبطة بذرات هيدروجين يمكن أن تصبح مرتبطة بذرات أكسجين. تتغيّر المواد لأن ترتيب الذرات يتغيّر.
هذه الفكرة وحدها تفسّر لماذا تنتج التفاعلات مواد جديدة، ولماذا يجب أن تكون المعادلات الكيميائية موزونة.
01فكّر في التفاعل على أنه إعادة ترتيب
تخيّل أربعة طلاب يجلسون إلى طاولتين. أثناء الغداء، لا يدخل أحد إلى الغرفة ولا يغادرها، لكن الجميع يبدّلون أماكنهم ويكوّنون مجموعات جديدة.
الأشخاص يشبهون الذرات. والمجموعات الموجودة حول الطاولات تشبه الجزيئات.
التفاعل الكيميائي مشابه لذلك: تُعاد عملية تنظيم الذرات الموجودة قبل التفاعل في تركيبات مختلفة بعد التفاعل. لكن لهذا التشبيه حدود. فالذرات لا تختار شركاء جددًا. تتحكم في الروابط الكيميائية تفاعلات تشمل الإلكترونات والطاقة.
خذ تكوّن الماء مثالًا:
\[ \ce{2H2 + O2 -> 2H2O} \]
قبل التفاعل، تكون ذرات الهيدروجين مرتبة في جزيئات \(\ce{H2}\)، وتكون ذرات الأكسجين مرتبة في جزيئات \(\ce{O2}\).
بعد التفاعل، تُرتّب الذرات نفسها في جزيئات \(\ce{H2O}\).
عُدَّها.
| العنصر | قبل التفاعل | بعد التفاعل |
|---|---|---|
| الهيدروجين | 4 ذرات | 4 ذرات |
| الأكسجين | ذرتان | ذرتان |
لقد تغيّرت الجزيئات. أما عدد ذرات كل عنصر فلم يتغيّر.
هذا هو النموذج الأساسي.
02ما الذي يُحفَظ فعليًا؟
في التفاعل الكيميائي العادي، يُعاد ترتيب الذرات بدلًا من أن تُنشأ أو تُدمَّر أو تتحول إلى ذرات عنصر آخر.
ذرة الكربون التي تدخل في تفاعل تظل ذرة كربون. وذرة الأكسجين تظل ذرة أكسجين.
على مستوى HSC، يعني ذلك أنه ينبغي أن تتوقع:
- أن يكون عدد ذرات كل عنصر متماثلًا قبل التفاعل وبعده
- أن تظل الكتلة الكلية لنظام تفاعل مغلق ثابتة
- أن يكون من الممكن أن تتغيّر المواد الموجودة قبل التفاعل وبعده تغيّرًا كاملًا
تستحق النقطة الأخيرة الانتباه. الحفظ لا يعني أن لا شيء يتغيّر. بل يعني أن كميات معيّنة تظل ثابتة في أثناء تغيّر الترتيب.
النموذج الأول مبسّط قليلًا. فعلى مستوى أكثر تفصيلًا، تتضمن التفاعلات الكيميائية تغيّرات في ترتيبات الإلكترونات والروابط الكيميائية. ولا تتغيّر النوى الذرية في التفاعل الكيميائي العادي، ولهذا تحتفظ كل ذرة بهويتها العنصرية.
أما التفاعلات النووية فمختلفة. إذ يمكنها تحويل عنصر إلى عنصر آخر، لكن هذا ليس ما يحدث في المعادلات الكيميائية المعتادة في HSC.
03لماذا يجب موازنة المعادلات الكيميائية؟
تأمل هذه المعادلة:
\[ \ce{H2 + O2 -> H2O} \]
تبدو منطقية إذا قرأت أسماء المواد فقط: يتفاعل الهيدروجين مع الأكسجين لتكوين الماء.
لكن عُدَّ الذرات.
على الجانب الأيسر:
- ذرتا هيدروجين
- ذرتا أكسجين
على الجانب الأيمن:
- ذرتا هيدروجين
- ذرة أكسجين واحدة
يبدو أن ذرة أكسجين واحدة قد اختفت.
الكيمياء ليست خاطئة. لكن المعادلة غير مكتملة بوصفها نموذجًا للتفاعل.
نُصلح ذلك باستخدام المعاملات:
\[ \ce{2H2 + O2 -> 2H2O} \]
يخبرنا المعامل بعدد الجسيمات، أو عدد مولات الجسيمات، التي تشارك في التفاعل.
لذلك فإن \(2\ce{H2}\) تعني جزيئين من الهيدروجين في نموذج الجسيمات، أو مولين من جزيئات الهيدروجين في حساب على المستوى العياني.
الآن تتطابق أعداد الذرات.
يمكن تغيير المعاملات. ولا يمكن تغيير الأرقام السفلية.
هذه إحدى أهم قواعد اتخاذ القرار عند موازنة المعادلات.
لنفترض أنك حاولت إصلاح
\[ \ce{H2 + O2 -> H2O} \]
بتغيير صيغة الماء إلى \(\ce{H2O2}\).
صحيح أنك ستحصل عندئذٍ على ذرتي أكسجين في الجانب الأيمن، لكنك لن تعود تصف الماء. فـ \(\ce{H2O2}\) هو فوق أكسيد الهيدروجين، وهو مادة مختلفة.
الرقم السفلي جزء من الهوية الكيميائية للمادة.
أما المعامل فيغيّر كمية تلك المادة.
على سبيل المثال:
- \(\ce{H2O}\) تعني الماء
- \(\ce{2H2O}\) تعني جزيئين من الماء، أو مولين من الماء
- \(\ce{H2O2}\) تعني فوق أكسيد الهيدروجين
عند موازنة معادلة، غيّر المعاملات فقط.
04طريقة موثوقة لتتبّع إعادة الترتيب
عندما تصبح المعادلة معقدة، توقّف عن محاولة جعلها «تبدو موزونة». عُدَّ الذرات بطريقة منهجية.
استخدم هذه العملية:
- اكتب الصيغ الكيميائية الصحيحة أولًا.
- عُدَّ كل عنصر على جانبي المعادلة.
- اختر عنصرًا يسهل تعديل عدده.
- غيّر معاملًا، لا رقمًا سفليًا.
- أعد عدَّ كل عنصر.
- اختصر المعاملات إلى أصغر نسبة من الأعداد الصحيحة إن أمكن.
الهدف ليس مجرد استيفاء قاعدة رياضية. يجب أن يمثّل كل معامل إعادة ترتيب ممكنة يمكن فيها تحديد مصير كل ذرة.
مثال محلول: تفاعل المغنيسيوم مع الأكسجين
وازن معادلة تفاعل المغنيسيوم مع الأكسجين لتكوين أكسيد المغنيسيوم:
\[ \ce{Mg + O2 -> MgO} \]
الخطوة 1
على اليسار توجد ذرة Mg واحدة وذرتا O.
على اليمين توجد ذرة Mg واحدة وذرة O واحدة.
لم يتحقق حفظ الأكسجين بعد.
الخطوة 2
\[ \ce{Mg + O2 -> 2MgO} \]
أصبح لدينا الآن ذرتا O على كل جانب. ولكن توجد ذرتا Mg على اليمين، وذرة واحدة فقط على اليسار.
الخطوة 3
\[ \ce{2Mg + O2 -> 2MgO} \]
الخطوة 4
| العنصر | المتفاعلات | النواتج |
|---|---|---|
| Mg | 2 | 2 |
| O | 2 | 2 |
إذن المعادلة الموزونة هي
\[ \ce{2Mg + O2 -> 2MgO} \]
تمثّل المعادلة اتحاد ذرتي مغنيسيوم مع ذرتي الأكسجين الموجودتين في جزيء أكسجين واحد لتكوين وحدتي صيغة من أكسيد المغنيسيوم. لم يختفِ شيء، ولم تتحول أي ذرة إلى عنصر آخر.
05لا يلزم حفظ عدد الجزيئات
إليك توقّعًا قد يبدو مقنعًا: إذا كانت الذرات محفوظة، فربما يجب أن يظل عدد الجزيئات ثابتًا أيضًا.
انظر مرة أخرى إلى:
\[ \ce{2H2 + O2 -> 2H2O} \]
يوجد على جانب المتفاعلات ثلاثة جزيئات في نموذج الجسيمات: جزيئان من \(\ce{H2}\) وجزيء واحد من \(\ce{O2}\).
أما على جانب النواتج فلا يوجد سوى جزيئين من \(\ce{H2O}\).
إذن تغيّر عدد الجزيئات من 3 إلى 2.
وهذا مسموح تمامًا.
الذرات هي الأجزاء المحفوظة في هذا النموذج. أما الجزيئات فهي ترتيبات لتلك الأجزاء، ولذلك يمكن تفكيك الجزيئات وتكوينها وتغيير عددها.
يشبه ذلك تفكيك ثلاث ثنائيات من الأشخاص إلى مجموعتي صداقة أكبر. يمكن أن يتغيّر عدد المجموعات رغم أن أحدًا لم يختفِ بصورة غامضة من الغرفة. ويصبح التشبيه غير مطابق تمامًا لأن للجزيئات تراكيب كيميائية محددة، لا تفضيلات اجتماعية، لكن فكرة تتبّع الأعداد مفيدة.
06حفظ الذرات يؤدي إلى حفظ الكتلة
للذرات كتلة. وإذا كانت الذرات نفسها موجودة قبل التفاعل وبعده، فإن الكتلة الكلية لـ نظام مغلق تظل ثابتة.
لنفترض أن 12.0 g من الكربون تتفاعل تمامًا مع 32.0 g من الأكسجين في وعاء محكم الغلق لتكوين ثاني أكسيد الكربون.
التفاعل هو
\[ \ce{C + O2 -> CO2} \]
الكتلة الكلية للمتفاعلات هي
\[ m_{\text{المتفاعلات}} = 12.0\text{ g} + 32.0\text{ g} = 44.0\text{ g} \]
لذلك يجب أن تكون الكتلة الكلية للنواتج أيضًا 44.0 g.
هذا لا يعني أن كتلة كل متفاعل تساوي كتلة كل ناتج. بل يعني أن كتلة النظام المغلق بأكمله محفوظة.
لماذا يهم أن يكون النظام «مغلقًا»؟
تخيّل تسخين كربونات في أنبوب اختبار مفتوح، ثم تجد أن كتلة المادة الصلبة أصبحت أقل بعد ذلك.
هل دُمّرت الكتلة؟
ليس بالضرورة. فقد يكون ناتج غازي قد تسرب إلى الوسط المحيط.
إذا كان «نظامك» يشمل أنبوب الاختبار والمادة الصلبة المتبقية فقط، فقد غادرت مادة هذا النظام. ولو استطعت احتواء جميع المتفاعلات والنواتج وقياسها، بما فيها الغاز، لاستعاد ميزان الكتلة توازنه.
لذلك، عندما تبدو الكتل التجريبية غير متطابقة، اطرح سؤالًا أكثر فائدة من «هل انتُهك قانون الحفظ؟»
اسأل: ما الذي أدرجناه تحديدًا داخل حدود النظام؟
مثال محلول: إيجاد كتلة ناتج غازي
يحدث تفاعل في وعاء محكم الغلق. في البداية، يحتوي الوعاء على 5.60 g من مادة صلبة و18.40 g من متفاعل آخر. بعد التفاعل، يتبقى 20.75 g من النواتج الصلبة، إلى جانب ناتج غازي. ما كتلة الغاز الذي تكوّن؟
الخطوة 1
لأن الوعاء محكم الغلق، تبقى كل المادة داخل النظام.
\[ m_{\text{الابتدائية}} = 5.60\text{ g} + 18.40\text{ g} = 24.00\text{ g} \]
الخطوة 2
يجب أن تكون الكتلة النهائية أيضًا 24.00 g.
لتكن \(m_{\text{الغاز}}\) كتلة الناتج الغازي.
\[ 20.75\text{ g} + m_{\text{الغاز}} = 24.00\text{ g} \]
الخطوة 3
\[ m_{\text{الغاز}} = 24.00\text{ g} - 20.75\text{ g} = 3.25\text{ g} \]
كتلة الناتج الغازي هي 3.25 g.
لم يكن الغاز كتلة أُنشئت حديثًا. فقد جاءت ذراته من المتفاعلات الأصلية وأُعيد ترتيبها لتكوين مادة غازية.
07إعادة ترتيب أصعب: الاحتراق
تصبح الموازنة أكثر فائدة عندما يُعاد ترتيب عدة عناصر في الوقت نفسه.
تأمل الاحتراق الكامل للإيثان:
\[ \ce{C2H6 + O2 -> CO2 + H2O} \]
قبل تعديل المعاملات، حدّد أين يمكن أن يذهب كل عنصر.
- ينتهي الكربون الموجود في \(\ce{C2H6}\) في \(\ce{CO2}\).
- ينتهي الهيدروجين الموجود في \(\ce{C2H6}\) في \(\ce{H2O}\).
- يتوزع الأكسجين القادم من \(\ce{O2}\) بين كلا الناتجين.
يقترح هذا استراتيجية مفيدة: وازن الكربون والهيدروجين أولًا، ثم الأكسجين.
مثال محلول: موازنة احتراق الإيثان
وازن:
\[ \ce{C2H6 + O2 -> CO2 + H2O} \]
الخطوة 1
يحتوي جزيء واحد من \(\ce{C2H6}\) على ذرتي كربون، لذا ضع 2 قبل \(\ce{CO2}\).
\[ \ce{C2H6 + O2 -> 2CO2 + H2O} \]
الخطوة 2
توجد 6 ذرات H على اليسار. ويحتوي كل جزيء ماء على ذرتي H، لذا نحتاج إلى ثلاثة جزيئات ماء.
\[ \ce{C2H6 + O2 -> 2CO2 + 3H2O} \]
الخطوة 3
يحتوي جزيئا \(\ce{CO2}\) على
\[ 2 \times 2 = 4 \]
ذرات أكسجين.
وتحتوي جزيئات \(\ce{H2O}\) الثلاثة على
\[ 3 \times 1 = 3 \]
ذرات أكسجين.
إذن يوجد \(4 + 3 = 7\) ذرات أكسجين على اليمين.
ولأن الأكسجين يدخل على صورة \(\ce{O2}\)، فإن ذلك يتطلب \(7/2\) من جزيئات الأكسجين:
\[ \ce{C2H6 + \frac{7}{2}O2 -> 2CO2 + 3H2O} \]
الخطوة 4
اضرب كل معامل في 2:
\[ \ce{2C2H6 + 7O2 -> 4CO2 + 6H2O} \]
الخطوة 5
| العنصر | المتفاعلات | النواتج |
|---|---|---|
| C | 4 | 4 |
| H | 12 | 12 |
| O | 14 | 14 |
المعادلة موزونة.
المعاملات النهائية ليست أعدادًا اعتباطية. فهي تصف إعادة ترتيب توجد فيها 4 ذرات كربون و12 ذرة هيدروجين و14 ذرة أكسجين قبل التفاعل وبعده.
08الفكرة الخاطئة التي تسبب معظم أخطاء الموازنة
غالبًا ما يتعامل الطلاب مع الموازنة على أنها أحجية يمكن فيها وضع الأعداد في أي مكان إلى أن «يتطابق» الجانبان.
يسبب هذا الأسلوب مشكلات لأن الصيغ الكيميائية ليست رموزًا حسابية يمكن تعديلها بحرية.
تأمل:
\[ \ce{N2 + H2 -> NH3} \]
قد تلاحظ وجود ذرتي نيتروجين على اليسار وتفكر: «سأغيّر \(\ce{NH3}\) إلى \(\ce{N2H3}\).»
هذا لا يوازن التفاعل. بل يختلق مادة مختلفة.
بدلًا من ذلك، حافظ على الصيغة \(\ce{NH3}\) وغيّر عدد الجسيمات الموجودة:
\[ \ce{N2 + 3H2 -> 2NH3} \]
أصبح لدينا الآن:
- ذرتا N على كل جانب
- 6 ذرات H على كل جانب
اختبار مفيد هو:
هل أغيّر عدد الجسيمات الموجودة، أم أغيّر ماهية كل جسيم؟
إذا كنت توازن معادلة، فيُسمح لك بتغيير الأول، لا الثاني.
09الأسئلة والحلول
السؤال 1
يبدأ نموذج جسيمي بثلاثة جزيئات من \(\ce{H2}\) وجزيئين من \(\ce{O2}\). يتكوّن جزيئان من \(\ce{H2O}\).
بعد تكوّن جزيئي الماء هذين، كم جزيئًا من \(\ce{H2}\) و\(\ce{O2}\) يبقى؟
الحل 1
يتبقى جزيئان من \(\ce{H2}\) وجزيء واحد من \(\ce{O2}\).
يتبع تكوّن جزيئي ماء عملية إعادة الترتيب
\[ \ce{2H2 + O2 -> 2H2O} \]
إذن يستخدم التفاعل جزيئين من \(\ce{H2}\) وجزيئًا واحدًا من \(\ce{O2}\).
الكميات الابتدائية:
\[ 3\ce{H2} \quad \text{و} \quad 2\ce{O2} \]
بعد حدوث التفاعل مرة واحدة:
\[ 3 - 2 = 1\ce{H2} \]
و
\[ 2 - 1 = 1\ce{O2} \]
إذن الكميات الصحيحة المتبقية هي في الواقع جزيء واحد من \(\ce{H2}\) وجزيء واحد من \(\ce{O2}\).
النقطة المهمة هي أن جزيئي الماء يحتويان على أربع ذرات H وذرتي O. ويجب أن تأتي هذه الذرات من جزيئين من الهيدروجين وجزيء واحد من الأكسجين. أما مجرد مقارنة «ثلاثة جزيئات قبل التفاعل» بـ «جزيئين تكوّنا» فستغفل أعداد الذرات المطلوبة.
السؤال 2
وازن المعادلة التالية باستخدام أصغر معاملات صحيحة:
\[ \ce{Al + Cl2 -> AlCl3} \]
اشرح لماذا لا يُعد تغيير \(\ce{AlCl3}\) إلى \(\ce{AlCl2}\) طريقة صحيحة لموازنة المعادلة.
الحل 2
المعادلة الموزونة هي \(\ce{2Al + 3Cl2 -> 2AlCl3}\)، ولا يمكن تغيير الرقم السفلي في \(\ce{AlCl3}\) لأن ذلك سيغيّر المادة نفسها.
تحتوي كل وحدة صيغة من \(\ce{AlCl3}\) على ثلاث ذرات كلور، في حين يدخل الكلور في أزواج في \(\ce{Cl2}\).
أصغر عدد يقبل القسمة على كل من 2 و3 هو 6، لذا رتّب المعادلة بحيث توجد ست ذرات كلور على كل جانب.
تحتوي ثلاثة جزيئات من \(\ce{Cl2}\) على
\[ 3 \times 2 = 6 \]
ذرات Cl.
وتحتوي وحدتا صيغة من \(\ce{AlCl3}\) على
\[ 2 \times 3 = 6 \]
ذرات Cl.
وهذا يعطينا
\[ \ce{Al + 3Cl2 -> 2AlCl3} \]
توجد الآن ذرتا Al على اليمين، لذا ضع 2 قبل Al:
\[ \ce{2Al + 3Cl2 -> 2AlCl3} \]
إن تغيير \(\ce{AlCl3}\) إلى \(\ce{AlCl2}\) سيغيّر الصيغة، وبالتالي الهوية الكيميائية للمركب. الموازنة تغيّر المعاملات، لا الأرقام السفلية.
السؤال 3
يكتب أحد الطلاب:
\[ \ce{2CO + O2 -> 2CO2} \]
ويقول: «لا يمكن أن تكون المعادلة صحيحة لأن هناك ثلاثة جزيئات قبل التفاعل، لكن يوجد جزيئان فقط بعده. لقد اختفت المادة.»
هل استدلال الطالب صحيح؟ اشرح باستخدام كل من أعداد الذرات وأعداد الجزيئات.
الحل 3
لا. تحفظ المعادلة الذرات رغم أنها لا تحفظ عدد الجزيئات.
على جانب المتفاعلات:
- يحتوي \(2\ce{CO}\) على ذرتي C وذرتي O
- يحتوي \(\ce{O2}\) على ذرتي O إضافيتين
إجمالي ذرات المتفاعلات:
- C: 2
- O: 4
على جانب النواتج، يحتوي \(2\ce{CO2}\) على:
- C: 2
- O: 4
يمكن تحديد مصير كل ذرة.
يتغيّر عدد الجزيئات من ثلاثة جزيئات متفاعلة إلى جزيئين ناتجين، لكن ليس مطلوبًا أن يظل عدد الجزيئات ثابتًا. فالجزيئات ترتيبات للذرات، ويمكن للتفاعل أن يغيّر عدد هذه الترتيبات.
الفكرة الخاطئة لدى الطالب هي التعامل مع الجزيئات نفسها على أنها الوحدات المحفوظة. في التفاعل الكيميائي العادي، يجب حفظ عدد ذرات كل عنصر.
السؤال 4
تبلغ الكتلة الكلية لوعاء تفاعل محكم الغلق 86.35 g قبل حدوث التفاعل. وبعد التفاعل، يقيس طالب 61.20 g من سائل و25.15 g من مادة صلبة داخل الوعاء.
يصر طالب آخر على أن غازًا لا بد أن يكون قد تكوّن أيضًا لأن «معظم التفاعلات الكيميائية تنتج بعض الغاز».
استخدم القياسات لتقييم هذا الادعاء.
الحل 4
لا تقدم قياسات الكتلة أي دليل على وجود غاز ذي كتلة قابلة للقياس أيضًا، لأن السائل والمادة الصلبة المقاسين يمثلان بالفعل الكتلة الابتدائية كاملة.
الكتلة الابتدائية هي
\[ m_{\text{الابتدائية}} = 86.35\text{ g} \]
والكتلة النهائية المقاسة هي
\[ m_{\text{النهائية}} = 61.20\text{ g} + 25.15\text{ g} = 86.35\text{ g} \]
إذن
\[ m_{\text{الابتدائية}} = m_{\text{النهائية}} \]
ولا توجد كتلة غير محسوبة.
لا يمكن أن يكون الغاز موجودًا إلا إذا كانت بعض القياسات المذكورة تتضمنه بصورة غير مباشرة، أو إذا فُسّر أحد المكونات المقاسة الأخرى بصورة غير صحيحة. بيانات الكتلة المعطاة وحدها لا تتطلب وجود ناتج غازي.
تكمن الخدعة في افتراض أن نوعًا معينًا من النواتج لا بد أن يوجد لمجرد أنه يبدو شائعًا كيميائيًا. يخبرنا قانون الحفظ ما إذا كانت النواتج المقترحة يمكن أن تحسب المادة الموجودة، لكنه لا يخبرنا أن كل تفاعل يجب أن ينتج غازًا.
السؤال 5
يقترح طالب التفاعل التالي على مستوى الجسيمات:
\[ \ce{2AB2 + B2 -> 2AB3} \]
حيث يمثّل \(A\) و\(B\) عنصرين مختلفين.
يقول طالب آخر إن النموذج مستحيل لأن كل جسيم ناتج يحتوي على ذرات أكثر مما يحتوي عليه كل جسيم أصلي من \(\ce{AB2}\).
حدّد ما إذا كانت إعادة الترتيب المقترحة ممكنة، واشرح الخطأ في استدلال الطالب الثاني.
الحل 5
إعادة الترتيب المقترحة ممكنة لأن العدد الكلي لذرات \(A\) و\(B\) محفوظ.
عُدَّ الذرات على اليسار.
من \(2\ce{AB2}\):
- \(A: 2\)
- \(B: 4\)
من \(\ce{B2}\):
- \(B: 2\)
إذن إجمالي عدد ذرات المتفاعلات هو:
\[ A = 2, \qquad B = 6 \]
والآن عُدَّ النواتج.
من \(2\ce{AB3}\):
\[ A = 2, \qquad B = 6 \]
تتطابق الأعداد تمامًا.
يقارن الطالب الثاني كل جسيم ناتج بجسيم \(\ce{AB2}\) فقط، ويتجاهل المتفاعل الإضافي \(\ce{B2}\). يمكن أن تحتوي جسيمات النواتج على ذرات أكثر من جسيم واحد من متفاعل معين إذا انضمت إليها ذرات من متفاعل آخر.
المقارنة الصحيحة تكون بين جميع الذرات في جميع المتفاعلات وجميع الذرات في جميع النواتج.
السؤال 6
يتفاعل فلز مع غاز في وعاء مفتوح. وتكون كتلة الناتج الصلب أكبر من كتلة قطعة الفلز الأصلية.
يستنتج طالب: «هذا ينتهك قانون حفظ الكتلة لأن وزن الناتج أكبر من وزن المادة الصلبة التي بدأنا بها.»
اشرح لماذا لا ينتج هذا الاستنتاج بالضرورة. ثم اذكر القياس الإضافي الذي سيسمح بإجراء اختبار صحيح لحفظ الكتلة.
الحل 6
لا تنتهك زيادة كتلة الناتج قانون حفظ الكتلة لأن ذرات من المتفاعل الغازي أصبحت جزءًا من الناتج الصلب.
تُغفل مقارنة الطالب أحد المتفاعلات.
إذا تفاعل فلز \(M\) مع الأكسجين، فقد تبدو معادلة مبسطة على النحو الآتي:
\[ \ce{M + O2 -> أكسيد\ الفلز} \]
يحتوي الناتج الصلب النهائي على ذرات الفلز الأصلية بالإضافة إلى ذرات الأكسجين التي جاءت من الغاز المحيط. ولذلك يمكن أن تكون كتلته أكبر من كتلة الفلز الأصلية.
على سبيل المثال، إذا اتحد 10.0 g من الفلز مع 2.5 g من الأكسجين، فقد تكون كتلة الأكسيد الناتج
\[ m_{\text{الناتج}} = 10.0\text{ g} + 2.5\text{ g} = 12.5\text{ g} \]
لم تُنشأ أي كتلة. فالزيادة البالغة 2.5 g جاءت من مادة لم تدخل في القياس الأصلي للطالب.
يتطلب الاختبار الصحيح لقانون الحفظ معرفة الكتلة الكلية لكل متفاعل قبل التفاعل ولكل ناتج بعده، ويُفضَّل إجراء ذلك باستخدام نظام مغلق حتى لا تتمكن المادة من الدخول أو الخروج.
هذا هو الدرس الأعمق وراء المعادلات الموزونة. فهي ليست مجرد تمرين على الرموز. بل هي نماذج على مستوى الجسيمات توضّح أين تذهب كل ذرة. وبمجرد ترسيخ هذا النموذج، يصبح أساسًا لنسب المولات، والحسابات الستوكيومترية، والمتفاعلات المحدِّدة، والتنبؤات الكمية بشأن مقدار الناتج الذي يمكن للتفاعل تكوينه فعليًا.