تفاعلات الترسيب والمعادلات الأيونية الصافية في كيمياء HSC
تعلّم كيفية توقّع النواتج قليلة الذوبان، وتحديد الأيونات المتفرجة، وكتابة معادلات أيونية صافية موزونة لتفاعلات الترسيب في كيمياء HSC.
تمزج محلولين شفافين عديمي اللون. وبعد ثانية واحدة، يصبح الكأس عكرًا ويظهر جسم صلب. لم تكن هناك أي مادة صلبة قبل الخلط، فمن أين جاءت المادة الصلبة؟
افترض أن أحد المحلولين يحتوي على أيونات الرصاص(II) وأيونات النترات، بينما يحتوي الآخر على أيونات البوتاسيوم وأيونات اليوديد. قبل أن تتابع القراءة، توقّع ما يحدث عندما تلتقي هذه الأيونات. هل تبقى الأيونات الأربعة كلها ذائبة ببساطة، أم يمكن لتركيبة جديدة منها أن تغادر المحلول؟
الفكرة الأساسية هي أن بعض تركيبات الأيونات تكون قابلة للذوبان في الماء، بينما تكون تركيبات أخرى قليلة الذوبان. فإذا كوّنت أيونات متعاكسة الشحنة مركبًا أيونيًا قليل الذوبان بدرجة كافية، فإنها تتجمع في بلورة صلبة. وتُسمّى هذه المادة الصلبة راسبًا.
بمجرد أن تتمكن من تحديد تلك التركيبة غير القابلة للذوبان، تصبح مسائل الترسيب أكثر منهجية: توقّع الناتج، ووازن المعادلة، وفكّك المواد الأيونية الذائبة إلى أيونات، ثم احذف الأيونات المتفرجة.
01ما الموجود فعليًا داخل محلول أيوني مائي؟
ابدأ بمادة مألوفة مثل كلوريد الصوديوم، \(\ce{NaCl}\).
يحتوي كلوريد الصوديوم الصلب على أيونات \(\mathrm{Na}^{+}\) و\(\mathrm{Cl}^{-}\) مثبتة داخل شبكة أيونية. وعندما تذوب كمية كافية منه في الماء، تنفصل هذه الأيونات وتصبح محاطة بجزيئات الماء:
\[ \ce{NaCl(aq) -> Na+(aq) + Cl-(aq)} \]
تشير الحالة \((aq)\) إلى أن المادة مائية، أي مذابة في الماء.
وينطبق المفهوم نفسه على يوديد البوتاسيوم:
\[ \ce{KI(aq) -> K+(aq) + I-(aq)} \]
لذلك لا ينبغي أن تتصور الكأس المسمّى “\(\ce{KI(aq)}\)” على أنه يحتوي على عدد كبير من وحدات \(\ce{KI}\) السليمة التي تطفو في المحلول. بل يحتوي على أيونات \(\mathrm{K}^{+}\) و\(\mathrm{I}^{-}\) حرة الحركة.
وهذا مهم عند خلط محلولين أيونيين.

يمكنك، على سبيل التقريب، أن تتخيل الأيونات كأشخاص في حفلة. يتحرك كل شخص بصورة مستقلة بدلًا من أن يصل مرتبطًا بشكل دائم بشريك واحد. وبعد اختلاط مجموعتين، قد يصبح اقتران محدد بين أيون موجب وأيون سالب مستقرًا جدًا على هيئة مادة صلبة، بحيث تغادر هذه الأيونات المحلول معًا فعليًا.
لكن التشبيه يتوقف عند هذا الحد. فالأيونات لا «تختار» شركاءها، وعدم الذوبان ينتج من توازن التفاعلات بين الأيونات وشبكتها البلورية والماء. وفي مسائل الترسيب في HSC، توفر لنا قواعد الذوبانية طريقة عملية لتوقّع النتيجة من دون حساب جميع هذه التفاعلات.
02القرار الأساسي في تفاعل الترسيب
فكّر في خلط نترات الرصاص(II) المائية مع يوديد البوتاسيوم المائي:
\[ \ce{Pb(NO3)2(aq) + KI(aq)} \]
الأيونات الذائبة هي:
- \(\mathrm{Pb}^{2+}\)
- \(\ce{NO3-}\)
- \(\mathrm{K}^{+}\)
- \(\mathrm{I}^{-}\)
من الطرق الشائعة لتوقّع النواتج أن تتخيل أن الأيونات الموجبة تغيّر الأيونات السالبة المرتبطة بها.
التركيبات الجديدة الممكنة هي:
- \(\mathrm{Pb}^{2+}\) مع \(\mathrm{I}^{-}\)
- \(\mathrm{K}^{+}\) مع \(\ce{NO3-}\)
ومن شرط التعادل الكهربائي نحصل على الصيغتين:
\[ \ce{PbI2} \]
و
\[ \ce{KNO3} \]
والآن يأتي السؤال المهم: أي منهما، إن وُجد، غير قابل للذوبان؟
مركبات البوتاسيوم والنترات قابلة للذوبان، لذلك يبقى \(\ce{KNO3}\) في الحالة المائية. أما يوديد الرصاص(II) فهو قليل الذوبان، ولذلك يتكوّن في صورة صلبة:
\[ \ce{PbI2(s)} \]
وهذا هو الراسب.
المعادلة الموزونة هي:
\[ \ce{Pb(NO3)2(aq) + 2KI(aq) -> PbI2(s) + 2KNO3(aq)} \]
لا يحدث التفاعل لأن المركبات لديها حاجة غامضة إلى «تبادل الشركاء». فهذا التعبير مجرد وسيلة مفيدة لتنظيم التفكير. أما الحدث الفعلي الذي يدفع التفاعل فهو خروج أيونات \(\mathrm{Pb}^{2+}\) و\(\mathrm{I}^{-}\) من المحلول على هيئة \(\ce{PbI2}\) صلب.
03قواعد الذوبانية التي تحتاج إلى استخدامها
لا تحتاج إلى حفظ ذوبانية كل مركب أيوني على حدة. فالأنماط العامة تؤدي معظم المهمة.
إذا أعطاك السؤال جدولًا للذوبانية، فيجب دائمًا إعطاؤه الأولوية. وإلا، فهذه الأنماط المهمة مفيدة في مسائل مستوى HSC.
| نوع المركب الأيوني | السلوك العام في الماء | الفكرة المهمة |
|---|---|---|
| أملاح فلزات المجموعة 1 | قابلة للذوبان | المركبات التي تحتوي على \(\mathrm{Li}^{+}\) و\(\mathrm{Na}^{+}\) و\(\mathrm{K}^{+}\) وغيرها من أيونات المجموعة 1 تبقى عمومًا في الحالة المائية |
| أملاح الأمونيوم | قابلة للذوبان | المركبات التي تحتوي على \(\ce{NH4+}\) تبقى عمومًا في الحالة المائية |
| النترات | قابلة للذوبان | المركبات التي تحتوي على \(\ce{NO3-}\) تبقى عمومًا في الحالة المائية |
| الكلوريدات والبروميدات واليوديدات | قابلة للذوبان عادةً | تشمل الاستثناءات المهمة مركبات أيونات مثل \(\mathrm{Ag}^{+}\) و\(\mathrm{Pb}^{2+}\) |
| الكبريتات | قابلة للذوبان عادةً | بعض كبريتات الفلزات، ومنها \(\ce{BaSO4}\) و\(\ce{PbSO4}\)، قليلة الذوبان |
| الكربونات | غير قابلة للذوبان عادةً | كربونات المجموعة 1 وكربونات الأمونيوم استثناءات مهمة قابلة للذوبان |
| الفوسفات | غير قابلة للذوبان عادةً | فوسفات المجموعة 1 وفوسفات الأمونيوم استثناءات مهمة قابلة للذوبان |
| الهيدروكسيدات | غير قابلة للذوبان عادةً | هيدروكسيدات المجموعة 1 قابلة للذوبان، بينما تكون لبعض الهيدروكسيدات الأخرى ذوبانية ملحوظة أو محدودة |
لاحظ أن الكلمات المستخدمة هي عادةً وعمومًا، وليست «دائمًا». فالذوبانية في الواقع تمثل نطاقًا متدرجًا. وحتى المركب الذي يوصف بأنه غير قابل للذوبان تكون منه عادةً كمية ضئيلة جدًا مذابة.
لكن في سؤال ترسيب في HSC، يكون القرار العملي أبسط عادةً: هل تخبرك معلومات الذوبانية أن تكتب المادة في الحالة \((aq)\)، أم في صورة راسب \((s)\)؟
04طريقة موثوقة لتوقّع تكوّن راسب
عند خلط مركبين أيونيين مائيين، استخدم الخطوات الآتية.
- اكتب الأيونات الموجودة في كل محلول.
- كوّن التركيبات الأيونية الجديدة الممكنة.
- اجعل كل ناتج متعادلًا كهربائيًا.
- استخدم قواعد الذوبانية لتحديد حالة كل ناتج.
- إذا لم يتكوّن ناتج غير قابل للذوبان، فقد لا يكون هناك تفاعل ترسيب.
- وازن المعادلة الكاملة قبل كتابة المعادلة الأيونية.
الخطوة الثالثة تسبب كثيرًا من الأخطاء التي يمكن تجنبها.
على سبيل المثال، لا تكوّن \(\mathrm{Fe}^{3+}\) و\(\ce{OH-}\) المركب \(\ce{FeOH}\). يحتاج أيون واحد من \(\mathrm{Fe}^{3+}\) إلى ثلاثة أيونات \(\ce{OH-}\) حتى تصبح الشحنة الكلية صفرًا:
\[ \ce{Fe(OH)3} \]
تأتي الصيغة من الشحنات، وليس من مجرد وضع أيون بجانب آخر.
إذا كانت موازنة المعادلات نفسها هي الجزء الصعب، فمن المفيد مراجعة كيفية حفظ الذرات في التفاعلات في إعادة ترتيب الذرات في التفاعلات: دليل كيمياء HSC.
مثال محلول: هل يترسب كلوريد الفضة؟
يُخلط محلول مائي من نترات الفضة بمحلول مائي من كلوريد الصوديوم. توقّع ما إذا كان سيتكوّن راسب، واكتب المعادلة الجزيئية الموزونة.
الخطوة 1
تحتوي نترات الفضة على \(\mathrm{Ag}^{+}\) و\(\ce{NO3-}\).
ويحتوي كلوريد الصوديوم على \(\mathrm{Na}^{+}\) و\(\mathrm{Cl}^{-}\).
الخطوة 2
يؤدي تبادل الأيونات السالبة إلى تكوين \(\ce{AgCl}\) و\(\ce{NaNO3}\).
الخطوة 3
النترات وأملاح الصوديوم قابلة للذوبان، لذلك:
\[ \ce{NaNO3(aq)} \]
أما كلوريد الفضة فهو قليل الذوبان، لذلك:
\[ \ce{AgCl(s)} \]
الخطوة 4
\[ \ce{AgNO3(aq) + NaCl(aq) -> AgCl(s) + NaNO3(aq)} \]
المعادلة موزونة بالفعل.
يتكوّن راسب صلب من \(\ce{AgCl}\) لأن أيونات \(\mathrm{Ag}^{+}\) و\(\mathrm{Cl}^{-}\) الذائبة تتحد لتكوين شبكة أيونية غير قابلة للذوبان.
05من المعادلة الجزيئية إلى المعادلة الأيونية الصافية
المعادلة الجزيئية مفيدة، لكنها تتضمن أيونات لم يطرأ عليها في الواقع أي تغير كيميائي.
بالنسبة إلى تفاعل كلوريد الفضة:
\[ \ce{AgNO3(aq) + NaCl(aq) -> AgCl(s) + NaNO3(aq)} \]
تذكّر ما تحتويه المواد المائية فعليًا.
توجد نترات الفضة الذائبة في صورة أيونات:
\[ \ce{Ag+(aq) + NO3-(aq)} \]
ويوجد كلوريد الصوديوم الذائب في صورة:
\[ \ce{Na+(aq) + Cl-(aq)} \]
كما أن نترات الصوديوم في جهة النواتج مائية أيضًا، ولذلك تظل موجودة في صورة أيونات منفصلة.
إذًا تكون المعادلة الأيونية الكاملة:
\[ \ce{Ag+(aq) + NO3-(aq) + Na+(aq) + Cl-(aq) -> AgCl(s) + Na+(aq) + NO3-(aq)} \]
ابحث الآن عن الأنواع الكيميائية التي تظهر من دون تغيير في جانبي المعادلة.
كل من \(\mathrm{Na}^{+}\) و\(\ce{NO3-}\) موجود قبل التفاعل وبعده. وتُسمّى هذه أيونات متفرجة.
احذفها من الجانبين:
\[ \ce{Ag+(aq) + Cl-(aq) -> AgCl(s)} \]
وهذه هي المعادلة الأيونية الصافية.
فهي تُظهر فقط التغير الكيميائي المسؤول عن الترسيب.
06ما الذي ينبغي تفكيكه إلى أيونات؟
قاعدة مفيدة هي:
فكّك المواد الأيونية المائية القابلة للذوبان. ولا تفكك الرواسب.
على سبيل المثال:
\[ \ce{Na2CO3(aq)} \]
يصبح:
\[ \ce{2Na+(aq) + CO3^2-(aq)} \]
أما:
\[ \ce{CaCO3(s)} \]
فيبقى:
\[ \ce{CaCO3(s)} \]
إذا فككت الراسب مرة أخرى إلى أيونات مائية، فأنت بذلك تعكس العملية نفسها التي يفترض أن تصفها المعادلة.
ولهذا فإن رموز الحالة ليست مجرد زينة. فهي تخبرك بما إذا كان ينبغي التعامل مع المادة على أنها جسيمات مذابة أم على أنها طور صلب منفصل.
07مثال محلول: ترسيب هيدروكسيد الحديد(III)
يُخلط محلول مائي من كلوريد الحديد(III) بمحلول مائي من هيدروكسيد الصوديوم. توقّع الراسب، واكتب المعادلة الجزيئية والمعادلة الأيونية الكاملة والمعادلة الأيونية الصافية.
الخطوة 1
الأيونات هي:
\[ \ce{Fe^3+, Cl-, Na+, OH-} \]
الناتجان بعد التبادل هما هيدروكسيد الحديد(III) وكلوريد الصوديوم.
بما أن شحنة \(\mathrm{Fe}^{3+}\) هي \(+3\)، وشحنة \(\ce{OH-}\) هي \(-1\)، فإننا نحتاج إلى ثلاثة أيونات هيدروكسيد:
\[ \ce{Fe(OH)3} \]
الخطوة 2
كلوريد الصوديوم قابل للذوبان.
أما هيدروكسيد الحديد(III) فهو قليل الذوبان، ولذلك يتكوّن \(\ce{Fe(OH)3(s)}\).
الخطوة 3
\[ \ce{FeCl3(aq) + 3NaOH(aq) -> Fe(OH)3(s) + 3NaCl(aq)} \]
يلزم وجود ثلاثة أيونات هيدروكسيد لكل أيون واحد من الحديد(III). وتعكس المعاملات علاقة الشحنة نفسها التي أدت إلى صيغة \(\ce{Fe(OH)3}\).
الخطوة 4
فكّك كل مادة أيونية مائية قابلة للذوبان:
\[ \ce{Fe^3+(aq) + 3Cl-(aq) + 3Na+(aq) + 3OH-(aq) -> Fe(OH)3(s) + 3Na+(aq) + 3Cl-(aq)} \]
الخطوة 5
أيونات \(\mathrm{Na}^{+}\) و\(\mathrm{Cl}^{-}\) لم تتغير:
\[ \ce{Fe^3+(aq) + 3OH-(aq) -> Fe(OH)3(s)} \]
توضح هذه المعادلة الأيونية الصافية شيئًا أكثر فائدة من المعادلة الكاملة. فأي مصدر مناسب قابل للذوبان لأيونات \(\mathrm{Fe}^{3+}\)، عند خلطه بمصدر مناسب قابل للذوبان لأيونات \(\ce{OH-}\)، يمكن أن يؤدي إلى عملية الترسيب نفسها.
08الخطأ المغري: افتراض أن كل تبادل للأيونات يعني حدوث تفاعل
افترض خلط نترات البوتاسيوم المائية مع كلوريد الصوديوم المائي.
قد يكتب طالب:
\[ \ce{KNO3(aq) + NaCl(aq) -> KCl(aq) + NaNO3(aq)} \]
المعادلة موزونة، ولذلك تبدو مقنعة.
لكن فكّر فيما سيظهره تمثيل على مستوى الجسيمات. قبل الخلط، توجد أيونات \(\mathrm{K}^{+}\) و\(\ce{NO3-}\) و\(\mathrm{Na}^{+}\) و\(\mathrm{Cl}^{-}\) تتحرك في الماء. وبعد الخلط، تظل الأنواع الأربعة كلها ذائبة.
لم يحدث في الواقع أي تغير كيميائي.
كلا الناتجين الممكنين قابل للذوبان. ولا يوجد راسب أو غاز أو إلكتروليت ضعيف أو أي عملية دافعة أخرى تزيل الأيونات من المحلول.
وستكون «المعادلة» الأيونية الكاملة:
\[ \ce{K+(aq) + NO3-(aq) + Na+(aq) + Cl-(aq) -> K+(aq) + Cl-(aq) + Na+(aq) + NO3-(aq)} \]
تُحذف جميع الأنواع من الجانبين.
لذلك لا توجد معادلة أيونية صافية لتفاعل ترسيب، لأنه لا يوجد تفاعل ترسيب أصلًا.
وعليه، فإن «الإحلال المزدوج» لا يضمن حدوث تفاعل. فهو مجرد نمط محتمل لترتيب النواتج. والذوبانية هي التي تحدد ما إذا كان الترسيب سيدفع إلى حدوث تغير فعلي.
09أربعة فحوص قبل أن تثق في معادلة أيونية صافية
يجب أن تجتاز المعادلة الأيونية الصافية الصحيحة أربعة اختبارات.
| الفحص | ما السؤال الذي ينبغي طرحه؟ |
|---|---|
| الذرات | هل عدد كل نوع من الذرات متساوٍ في الجانبين؟ |
| الشحنة | هل الشحنة الكلية متساوية في الجانبين؟ |
| الحالات | هل وُسمت الأنواع الذائبة بـ\((aq)\)، والراسب بـ\((s)\)؟ |
| الأيونات المتفرجة | هل حُذفت جميع الأيونات التي لم تتغير، ولم يُحذف سوى الأيونات التي لم تتغير؟ |
على سبيل المثال:
\[ \ce{Pb^2+(aq) + I-(aq) -> PbI2(s)} \]
تفشل في اختباري الشحنة والذرات. فالطرف الأيسر له شحنة كلية مقدارها \(+1\)، ويحتوي على أيون يوديد واحد فقط.
المعادلة الصحيحة هي:
\[ \ce{Pb^2+(aq) + 2I-(aq) -> PbI2(s)} \]
أصبحت الشحنة الكلية للطرف الأيسر الآن \(0\)، وهي تساوي شحنة المادة الصلبة المتعادلة في الطرف الأيمن، كما توجد ذرتا يود في كل جانب.
10الأسئلة والحلول
السؤال 1
يُخلط كلوريد المغنيسيوم المائي مع كربونات الصوديوم المائية.
توقّع ما إذا كان سيتكوّن راسب. سمِّ الراسب، واكتب المعادلة الأيونية الصافية.
الحل 1
تترسب كربونات المغنيسيوم، والمعادلة الأيونية الصافية هي \(\ce{Mg^2+(aq) + CO3^2-(aq) -> MgCO3(s)}\).
الأيونات الموجودة في البداية هي \(\mathrm{Mg}^{2+}\) و\(\mathrm{Cl}^{-}\) و\(\mathrm{Na}^{+}\) و\(\ce{CO3^2-}\).
يعطي تبادل الشركاء كربونات المغنيسيوم وكلوريد الصوديوم:
\[ \ce{MgCl2(aq) + Na2CO3(aq) -> MgCO3(s) + 2NaCl(aq)} \]
معظم الكربونات قليلة الذوبان ما لم تكن مرتبطة بأيونات مثل كاتيونات المجموعة 1 أو الأمونيوم. لذلك يترسب \(\ce{MgCO3}\).
المعادلة الأيونية الكاملة هي:
\[ \ce{Mg^2+(aq) + 2Cl-(aq) + 2Na+(aq) + CO3^2-(aq) -> MgCO3(s) + 2Na+(aq) + 2Cl-(aq)} \]
وبحذف \(\mathrm{Na}^{+}\) و\(\mathrm{Cl}^{-}\) نحصل على:
\[ \ce{Mg^2+(aq) + CO3^2-(aq) -> MgCO3(s)} \]
كما تفسر الشحنتان المتساويتان والمتعاكستان \(2+\) و\(2-\) سبب امتلاك الراسب صيغة بنسبة \(1:1\).
السؤال 2
يخلط طالب نترات الأمونيوم المائية مع كلوريد البوتاسيوم المائي، ويتوقع أن يتكوّن كلوريد أمونيوم صلب لأن الأيونات «تبادلت الشركاء».
هل هذا التوقع صحيح؟ فسّر باستخدام الذوبانية والصورة على مستوى الجسيمات.
الحل 2
لا يتكوّن أي راسب، ولذلك فإن توقع الطالب غير صحيح.
الناتجان الممكنان هما كلوريد الأمونيوم ونترات البوتاسيوم:
\[ \ce{NH4NO3(aq) + KCl(aq) -> NH4Cl(aq) + KNO3(aq)} \]
أملاح الأمونيوم قابلة للذوبان، وأملاح البوتاسيوم قابلة للذوبان، والنترات قابلة للذوبان. ولذلك يظل كلا الناتجين المقترحين في الحالة المائية.
على مستوى الجسيمات، يحتوي المحلول على الأنواع الأربعة نفسها من الأيونات الذائبة قبل الخلط وبعده:
\[ \ce{NH4+, NO3-, K+, Cl-} \]
لا يوجد ناتج غير قابل للذوبان يزيل الأيونات من المحلول. والمفهوم الخاطئ المغري هنا هو اعتبار «تبادل الأيونات» دليلًا على حدوث تفاعل. لكنه ليس كذلك. ففحص الذوبانية هو الذي يحدد ما إذا كان الترسيب سيحدث.
السؤال 3
يُخلط كبريتات الألومنيوم المائية، \(\ce{Al2(SO4)3}\)، مع نترات الباريوم المائية، \(\ce{Ba(NO3)2}\).
اكتب:
- المعادلة الجزيئية الموزونة،
- المعادلة الأيونية الكاملة،
- والمعادلة الأيونية الصافية.
الحل 3
تترسب كبريتات الباريوم، والتغير الأيوني الصافي هو \(\ce{Ba^2+(aq) + SO4^2-(aq) -> BaSO4(s)}\).
الناتجان بعد التبادل هما \(\ce{BaSO4}\) و\(\ce{Al(NO3)3}\). كبريتات الباريوم قليلة الذوبان، بينما النترات قابلة للذوبان.
المعادلة الجزيئية الموزونة هي:
\[ \ce{Al2(SO4)3(aq) + 3Ba(NO3)2(aq) -> 3BaSO4(s) + 2Al(NO3)3(aq)} \]
والآن فكّك المواد الأيونية المائية القابلة للذوبان:
\[ \ce{2Al^3+(aq) + 3SO4^2-(aq) + 3Ba^2+(aq) + 6NO3-(aq) -> 3BaSO4(s) + 2Al^3+(aq) + 6NO3-(aq)} \]
أيونات \(\mathrm{Al}^{3+}\) و\(\ce{NO3-}\) متفرجة، ولذلك تُحذف:
\[ \ce{3Ba^2+(aq) + 3SO4^2-(aq) -> 3BaSO4(s)} \]
ينبغي كتابة المعادلات الأيونية الصافية باستخدام أبسط معاملات صحيحة، فنحصل على:
\[ \ce{Ba^2+(aq) + SO4^2-(aq) -> BaSO4(s)} \]
جاء العامل ثلاثة في المعادلة الجزيئية من موازنة المركبات الكاملة. وهو ليس جزءًا من أبسط وصف لحدث ترسيب واحد.
السؤال 4
يتوقع طالب أن خلط نترات الرصاص(II) المائية مع كلوريد الصوديوم المائي ينتج \(\ce{PbCl(s)}\)، ثم يكتب:
\[ \ce{Pb^2+(aq) + Cl-(aq) -> PbCl(s)} \]
حدّد الخطأ، واكتب الصيغة الصحيحة للراسب والمعادلة الأيونية الصافية الصحيحة.
الحل 4
الراسب هو \(\ce{PbCl2(s)}\)، والمعادلة الأيونية الصافية الصحيحة هي \(\ce{Pb^2+(aq) + 2Cl-(aq) -> PbCl2(s)}\).
الخطأ الأساسي للطالب هو تكوين صيغة الناتج من دون موازنة الشحنة الأيونية.
شحنة أيون الرصاص(II) هي \(+2\):
\[ \mathrm{Pb}^{2+} \]
وشحنة أيون الكلوريد هي \(-1\):
\[ \mathrm{Cl}^{-} \]
لذلك نحتاج إلى أيوني كلوريد لتكوين مركب أيوني متعادل:
\[ (+2) + 2(-1) = 0 \]
إذًا الراسب هو:
\[ \ce{PbCl2(s)} \]
والمعادلة الأيونية الصافية الصحيحة هي:
\[ \ce{Pb^2+(aq) + 2Cl-(aq) -> PbCl2(s)} \]
تحفظ هذه المعادلة كلًا من الذرات والشحنة. أما النسخة غير الصحيحة فكانت لها شحنة كلية مقدارها \(+1\) في الطرف الأيسر، كما احتوت على عدد غير صحيح من أيونات الكلوريد.
السؤال 5
من المعروف أن ثلاثة محاليل مائية غير معلّمة هي كلوريد الكالسيوم وكربونات الصوديوم ونترات البوتاسيوم.
الملاحظات هي:
- خلط A مع B ينتج راسبًا،
- خلط A مع C لا ينتج راسبًا،
- خلط B مع C لا ينتج راسبًا.
حدّد المحلول C. هل يمكنك تحديد أي من A وB هو كلوريد الكالسيوم وأيهما كربونات الصوديوم باستخدام هذه الملاحظات فقط؟ اكتب المعادلة الأيونية الصافية لتفاعل الترسيب.
الحل 5
يجب أن يكون المحلول C هو نترات البوتاسيوم، لكن الملاحظات لا تخبرنا ما إذا كان A هو كلوريد الكالسيوم وB هو كربونات الصوديوم أم العكس. تفاعل الترسيب هو \(\ce{Ca^2+(aq) + CO3^2-(aq) -> CaCO3(s)}\).
يتفاعل كلوريد الكالسيوم مع كربونات الصوديوم لأن كربونات الكالسيوم قليلة الذوبان:
\[ \ce{CaCl2(aq) + Na2CO3(aq) -> CaCO3(s) + 2NaCl(aq)} \]
لا تنتج نترات البوتاسيوم راسبًا مع أي من المحلولين الآخرين لأن أملاح البوتاسيوم والنترات تبقى قابلة للذوبان.
لذلك فإن الزوج الوحيد القادر على إعطاء الراسب الملاحظ هو كلوريد الكالسيوم مع كربونات الصوديوم. وبما أن A وB هما الزوج الذي يكوّن الراسب، فلا بد أن يكون C هو نترات البوتاسيوم.
لكن الدليل متماثل. فهو يخبرنا بأن A وB هما المحلولان المتفاعلان، لكنه لا يقدم أي ملاحظة تميّز أيهما يحتوي على \(\mathrm{Ca}^{2+}\) وأيهما يحتوي على \(\ce{CO3^2-}\).
المعادلة الأيونية الصافية هي:
\[ \ce{Ca^2+(aq) + CO3^2-(aq) -> CaCO3(s)} \]
الجزء الصعب هنا ليس كتابة المعادلة، بل الامتناع عن ادعاء أكثر مما تسمح به الأدلة.
السؤال 6
يُعطى طالب نترات الفضة المائية وفوسفات الصوديوم المائية.
ويستنتج أن شحنة الفضة \(+1\)، وأن شحنة الفوسفات \(3-\)، ولذلك يكتب صيغة الراسب على أنها \(\ce{AgPO4}\).
توقّع الراسب الصحيح، واكتب المعادلة الجزيئية الموزونة والمعادلة الأيونية الصافية.
الحل 6
الراسب الصحيح هو فوسفات الفضة، \(\ce{Ag3PO4(s)}\)، والمعادلة الأيونية الصافية هي \(\ce{3Ag+(aq) + PO4^3-(aq) -> Ag3PO4(s)}\).
الصيغة التي اقترحها الطالب، \(\ce{AgPO4}\)، ليست متعادلة كهربائيًا. يساهم أيون واحد من \(\mathrm{Ag}^{+}\) بشحنة \(+1\)، بينما يساهم أيون واحد من \(\ce{PO4^3-}\) بشحنة \(-3\)، فتكون الشحنة الصافية \(-2\).
نحتاج إلى ثلاثة أيونات فضة لكل أيون فوسفات:
\[ 3(+1) + (-3) = 0 \]
إذًا الراسب المتعادل هو:
\[ \ce{Ag3PO4(s)} \]
المعادلة الجزيئية هي:
\[ \ce{3AgNO3(aq) + Na3PO4(aq) -> Ag3PO4(s) + 3NaNO3(aq)} \]
وبتفكيك المواد المائية نحصل على:
\[ \ce{3Ag+(aq) + 3NO3-(aq) + 3Na+(aq) + PO4^3-(aq) -> Ag3PO4(s) + 3Na+(aq) + 3NO3-(aq)} \]
وبعد حذف الأيونات المتفرجة، \(\mathrm{Na}^{+}\) و\(\ce{NO3-}\)، تصبح المعادلة الأيونية الصافية:
\[ \ce{3Ag+(aq) + PO4^3-(aq) -> Ag3PO4(s)} \]
يكشف هذا السؤال عن عادة مفيدة: لا تخمّن صيغة مركب أيوني من أسماء الأيونات. اجعل الشحنة الكلية صفرًا أولًا، ثم وازن التفاعل.
11إلى ماذا تقودنا هذه الفكرة بعد ذلك؟
بمجرد أن تتمكن من توقّع الرواسب، تصبح الخطوة التالية هي استخدامها كدليل.
إذا أدت إضافة أيون معلوم إلى تكوين مركب مميز غير قابل للذوبان، فيمكن أن يساعد ذلك التفاعل في التعرف إلى أيون مجهول. وتظل المعادلة الأيونية الصافية نفسها صالحة بغض النظر عن الأملاح القابلة للذوبان التي زوّدت المحلول في الأصل بالأيونات المتفاعلة.
ويقود الترسيب أيضًا إلى فكرة أكثر دقة: فعبارة «غير قابل للذوبان» لا تعني أن عدد الجسيمات الذائبة يساوي صفرًا حرفيًا. عند الاتزان، يمكن أن تبقى كمية صغيرة من المادة الصلبة الأيونية مذابة، ويمكن وصف التوازن بين الأيونات الذائبة والمادة الصلبة بصورة كمية.
أما في الوقت الحالي، فالقرار المفيد في HSC أبسط: حدّد الأيونات، وكوّن نواتج متعادلة الشحنة، وتحقق من ذوبانيتها، ثم اكتب المعادلة الأيونية الصافية حول الأنواع التي تتغير فعليًا.