سلسلة نشاط الفلزات: دليل عملي لكيمياء HSC

ضع شريطًا من الزنك في محلول يحتوي على أيونات النحاس الثنائي، وقد يتكوّن النحاس على الشريط. اعكس المادتين – ضع فلز النحاس في محلول يحتوي على أيونات الزنك – وعادةً لن تلاحظ شيئًا.

لماذا يحدث الإحلال في اتجاه واحد فقط؟ قبل أن تتابع القراءة، توقّع الآتي: إذا كان الزنك يستطيع إزاحة الحديد من محلول يحتوي على أيونات الحديد، وكان الحديد يستطيع إزاحة النحاس من محلول يحتوي على أيونات النحاس، فأين يجب أن تقع الفلزات الثلاثة بالنسبة إلى بعضها؟

يجب أن يكون الزنك أعلى من الحديد، والحديد أعلى من النحاس. وبكتابتها على صورة سلسلة نشاط:

\[
\ce{Zn} > \ce{Fe} > \ce{Cu}
\]

هذه هي الفكرة المفيدة وراء سلسلة نشاط الفلزات. لا تحتاج إلى البدء بحفظ قائمة طويلة. يمكنك بناء جزء من القائمة اعتمادًا على الأدلة العملية، مقارنةً واحدة في كل مرة.

01تفاعل الإحلال هو مقارنة مباشرة بين فلزين

تخيّل سلسلة النشاط على أنها سُلّم. عندما نقارن فلزين مختلفين من خلال تفاعل إحلال، يستطيع الفلز الأعلى على السُلّم إزاحة أيونات الفلز الموجود أسفله.

على سبيل المثال:

\[
\ce{Zn(s) + Cu^2+(aq) -> Zn^2+(aq) + Cu(s)}
\]

يتحوّل فلز الزنك إلى أيونات الزنك. وتتحوّل أيونات النحاس إلى فلز النحاس.

وهذا يخبرنا بأن:

\[
\ce{Zn} > \ce{Cu}
\]

النقطة المهمة ليست أن الزنك «يدفع» النحاس خارج المحلول بطريقة ما. فالعملية الفعلية هي انتقال للإلكترونات.

تفقد ذرات الزنك إلكترونات:

\[
\ce{Zn(s) -> Zn^2+(aq) + 2e^-}
\]

وتكتسب أيونات النحاس تلك الإلكترونات:

\[
\ce{Cu^2+(aq) + 2e^- -> Cu(s)}
\]

إذن يتأكسد الزنك وتُختزل أيونات النحاس.

للفلز الأكثر نشاطًا ميل أكبر إلى التأكسد في هذا النوع من المقارنات. فهو يفقد الإلكترونات، بينما تستقبلها أيونات الفلز الأقل نشاطًا.

صورة السُلّم مفيدة، لكن لها حدود. فالتفاعلات الحقيقية تعتمد أيضًا على حالة السطح، والتركيز، ودرجة الحرارة، وطبقات الأكسيد، وسرعة التفاعل. ولا يخبرك موضع الفلز في السلسلة بالسرعة الدقيقة لكل تفاعل يدخل فيه ذلك الفلز.

02كيفية بناء سلسلة نشاط من النتائج العملية

افترض أن لديك أربعة فلزات:

• المغنيسيوم، \(\ce{Mg}\)
• الزنك، \(\ce{Zn}\)
• الحديد، \(\ce{Fe}\)
• النحاس، \(\ce{Cu}\)

تختبر كل فلز صلب في محاليل تحتوي على أيونات الفلزات الأخرى.

قد تبدو مجموعة تمثيلية من النتائج كما يأتي:

نادراً ما تكون التجارب العملية المدرسية بهذا الوضوح والترتيب. فقد يصعب رؤية فلز رمادي ترسّب حديثًا على فلز رمادي آخر، كما أن بعض التفاعلات أبطأ بكثير من غيرها. تعامل مع الجدول على أنه يمثل الأدلة بعد تفسير الملاحظات بعناية.

كل إحلال موجب يعطي مقارنة مباشرة.

يزيح المغنيسيوم أيونات الزنك:

\[
\ce{Mg(s) + Zn^2+(aq) -> Mg^2+(aq) + Zn(s)}
\]

إذن:

\[
\ce{Mg} > \ce{Zn}
\]

يزيح الزنك أيونات الحديد:

\[
\ce{Zn(s) + Fe^2+(aq) -> Zn^2+(aq) + Fe(s)}
\]

إذن:

\[
\ce{Zn} > \ce{Fe}
\]

يزيح الحديد أيونات النحاس:

\[
\ce{Fe(s) + Cu^2+(aq) -> Fe^2+(aq) + Cu(s)}
\]

إذن:

\[
\ce{Fe} > \ce{Cu}
\]

والآن صِل هذه المقارنات معًا:

\[
\ce{Mg} > \ce{Zn} > \ce{Fe} > \ce{Cu}
\]

هذا الاستخدام لخاصية التعدي مهم. فإذا كان المغنيسيوم أعلى من الزنك، والزنك أعلى من الحديد، فلست بحاجة إلى تجربة أخرى لتعرف أن المغنيسيوم ينبغي أن يكون أعلى من الحديد أيضًا.

ما الذي ينبغي أن تبحث عنه فعليًا؟

لا تختزل كل ملاحظة إلى «فقاعات أو لا فقاعات». فإحلال أيونات الفلزات غالبًا لا ينتج أي غاز على الإطلاق.

قد تشمل الأدلة:

• تكوّن طبقة جديدة من مادة صلبة على الفلز الأصلي
• ذوبان الفلز الأصلي أو تغيّر ملمسه
• أن يصبح لون محلول ملوّن أفتح أو يتغير لونه
• تغيرًا قابلًا للقياس في درجة الحرارة
• تغيرًا في الكتلة، إذا كان الإجراء مصممًا لقياس ذلك

تحتاج إلى دليل يميّز التفاعل الكيميائي عن الخدوش أو الأكسيد أو بلورات الأملاح أو التلوث.

03يجب أن تكون التجربة العملية مقارنة عادلة

افترض أن أحد شرائط الزنك صُقل حديثًا، بينما يوجد على شريط آخر طبقة سميكة من الأكسيد أو الشحم. إذا تفاعل الشريط المصقول ولم يتفاعل الشريط المتسخ، فقد تعلّمت شيئًا عن حالة السطحين، وليس بالضرورة شيئًا جديدًا عن موضع الزنك في سلسلة النشاط.

لإجراء مقارنات ذات معنى، حافظ قدر الإمكان على ثبات الظروف المهمة:

• استخدم أسطحًا فلزية متقاربة في الحجم ومُحضّرة حديثًا
• استخدم التركيز والحجم نفسيهما لكل محلول من أيونات الفلزات حيثما كان ذلك مناسبًا
• حافظ على ثبات درجة الحرارة وزمن التفاعل
• تجنّب تلويث المحاليل بالقطّارات أو بشظايا فلزية من اختبار آخر
• اشطف الأدوات بين التجارب
• كرّر الملاحظات المشكوك فيها

اتبع تقييم المخاطر الخاص بمدرستك، وتعليمات المعلم، ومعلومات السلامة ذات الصلة بالمواد الكيميائية المستخدمة.

توجد أيضًا حدود كيميائية لهذه الطريقة. فلن تحاول ترتيب كل فلز بوضع فلزات المجموعة الأولى شديدة التفاعل في محاليل أملاح مائية. فالماء نفسه يتفاعل بقوة مع تلك الفلزات. وتلزم أشكال مختلفة من الأدلة لأجزاء مختلفة من سلسلة النشاط الكاملة.

وهذا أحد أسباب ضرورة مقارنة السلسلة العملية النهائية بمصدر ثانوي موثوق بدلًا من اعتبارها الحقيقة الكاملة بمفردها.

04لا تخلط بين سرعة التفاعل والموضع في السلسلة

إليك حجة قد تبدو مقنعة:

كوّن الفلز A طبقة خلال عشر ثوانٍ، بينما استغرق الفلز B دقيقتين. لذلك يجب أن يكون A أعلى في سلسلة النشاط.

هذه النتيجة لا تترتب على الملاحظة.

تتعلق سلسلة النشاط أساسًا باتجاه تفاعل الأكسدة والاختزال: أي الفلزين يتأكسد بسهولة أكبر بالنسبة إلى الآخر. أما السرعة التي ترى بها التفاعل فهي مسألة تتعلق بحركية التفاعل.

قد يكون التفاعل مفضّلًا من الناحية الديناميكية الحرارية، لكنه بطيء.

الألومنيوم هو المثال التحذيري الكلاسيكي. فالألومنيوم نشط نسبيًا، لكن سطحه يكوّن بسرعة طبقة رقيقة من الأكسيد شديدة الالتصاق. ويمكن لهذه الطبقة أن تعزل الألومنيوم الموجود تحتها عن المحلول.

لذلك قد يضع طالب الألومنيوم في محلول يحتوي على أيونات فلزية، فلا يرى إلا تغيرًا ضئيلًا، ثم يستنتج أن الألومنيوم لا بد أن يكون قليل النشاط.

الملاحظة حقيقية. لكن الاستنتاج قد لا يكون صحيحًا.

الفكرة المفقودة هي التخميل: يمكن لطبقة سطحية واقية أن تبطئ تفاعلًا مفضّلًا في الأصل أو تمنع ظهوره خلال المدة الزمنية للتجربة.

05مقارنة سلسلتك العملية بسلسلة مأخوذة من مصدر ثانوي

من التجربة العملية التمثيلية السابقة، حصلنا على:

\[
\ce{Mg} > \ce{Zn} > \ce{Fe} > \ce{Cu}
\]

للمقارنة، يورد مورد تعليمي تابع للجمعية الملكية للكيمياء ترتيب النشاط التنازلي \(\ce{K}\)، و\(\ce{Na}\)، و\(\ce{Li}\)، و\(\ce{Ca}\)، و\(\ce{Mg}\)، و\(\ce{Al}\)، و\(\ce{Zn}\)، و\(\ce{Fe}\)، و\(\ce{Cu}\)، و\(\ce{Ag}\)، و\(\ce{Au}\).

تظهر الفلزات الأربعة التي اختبرناها بالترتيب النسبي نفسه تمامًا:

هذا الاتفاق مهم، لكن كن دقيقًا في تحديد ما يعنيه. لم تثبت تجربتك عمليًا مواضع البوتاسيوم أو الصوديوم أو الليثيوم أو الكالسيوم أو الألومنيوم أو الفضة أو الذهب. وإنما رتّبت فقط الفلزات التي جرت مقارنتها فعليًا.

ولذلك يمكن أن تكون صياغة استنتاج قوي كما يلي:

الترتيب المحدد تجريبيًا \(\ce{Mg} > \ce{Zn} > \ce{Fe} > \ce{Cu}\) يتفق مع المواضع النسبية لهذه الفلزات في سلسلة النشاط المأخوذة من المصدر الثانوي.

أما الاستنتاج الأضعف فهو:

أثبتت التجربة سلسلة النشاط المنشورة كاملةً.

لم تفعل ذلك.

قد تحتوي السلاسل المنشورة أيضًا على مواد مرجعية مثل الهيدروجين، كما تتضمن بعض النسخ الكربون لأن كليهما مفيد في التنبؤ بالتفاعلات وعمليات الاستخلاص، رغم أنهما ليسا فلزين.

06يمنح الهيدروجين السلسلة نقطة مرجعية مفيدة أخرى

إحلال أيونات الفلزات ليس الدليل الوحيد الذي يمكنك استخدامه.

إذا تفاعل فلز مع حمض مخفف مناسب غير مؤكسد مطلقًا غاز الهيدروجين، فإن الفلز يستطيع اختزال أيونات \(\mathrm{H}^{+}\):

\[
\ce{M(s) + 2H+(aq) -> M^2+(aq) + H2(g)}
\]

بالنسبة إلى فلز يكوّن أيونات بشحنة \(2+\)، فهذا يخبرك بأن الفلز يقع أعلى من الهيدروجين في سلسلة النشاط المعتادة.

الزنك، على سبيل المثال:

\[
\ce{Zn(s) + 2H+(aq) -> Zn^2+(aq) + H2(g)}
\]

لا يحرر النحاس عادةً الهيدروجين من حمض مخفف غير مؤكسد، ولذلك يقع أسفل الهيدروجين.

يمكنك استكشاف هذا الدليل بمزيد من التفصيل في تفاعلية الفلزات مع الأحماض المخففة: دليل كيمياء HSC.

توفّر تفاعلات الماء مجموعة أخرى من الملاحظات، رغم أن الظروف مهمة بدرجة كبيرة. فبعض الفلزات يتفاعل بسهولة مع الماء البارد، بينما يحتاج بعضها الآخر إلى البخار أو يُظهر تفاعلًا مرئيًا ضئيلًا. ويُشرح هذا الاختلاف في تفاعلية الفلزات مع الماء: دليل كيمياء HSC.

لا تدمج هذه الملاحظات في ترتيب واحد بناءً ببساطة على الاختبار الذي بدا أكثر إثارة. فالتفاعل العنيف مع الماء، والتفاعل البطيء مع الحمض، وإحلال أيونات الفلزات تتضمن مواد متفاعلة مختلفة وحواجز حركية مختلفة.

07قاعدة قرار مختصرة

لاختبار يتضمن الفلز الصلب \(A\) وأيونات الفلز \(B\):

\[
\ce{A(s) + B^{n+}(aq) -> A^{m+}(aq) + B(s)}
\]

إذا حدث إحلال حقيقي، فإن \(A\) أكثر نشاطًا من \(B\):

\[
A > B
\]

ليس من الضروري أن تكون الشحنتان \(m+\) و\(n+\) متساويتين. ما عليك سوى موازنة انتقال الإلكترونات بصورة صحيحة.

على سبيل المثال، يتضمن الألومنيوم والنحاس أعدادًا مختلفة من الإلكترونات:

\[
\ce{Al(s) -> Al^3+(aq) + 3e^-}
\]

\[
\ce{Cu^2+(aq) + 2e^- -> Cu(s)}
\]

المضاعف المشترك الأصغر للعددين 3 و2 هو 6، فنحصل على:

\[
\ce{2Al(s) + 3Cu^2+(aq) -> 2Al^3+(aq) + 3Cu(s)}
\]

تأتي المعاملات الستوكيومترية من موازنة الإلكترونات. ولا تعني أن النحاس «أكثر نشاطًا» بطريقة ما لأن هناك ثلاثة أيونات نحاس مقابل كل ذرتين من الألومنيوم.

08ماذا تفعل عندما تختلف التجربة العملية مع المصدر؟

عدم التطابق ليس إشارة إلى تغيير الأرقام حتى تتفق النتائج.

اعمل من خلال الأدلة.

عادةً ما تجمع أقوى حجة عملية بين عدة مقارنات زوجية متسقة.

إذا كان \(A>B\)، و\(B>C\)، وأعطى اختبار مستقل أيضًا \(A>C\)، فإن الأدلة تتوافق معًا. وإذا ناقضت ملاحظة منفردة واحدة النتائج الثلاث جميعها، فتحقق من تلك الملاحظة قبل إعادة بناء السلسلة بأكملها حولها.

09أنشئ السلسلة قبل أن تفسرها

في إجابة الامتحان، افصل بين الملاحظة والتفسير.

افترض أن النتائج تُظهر:

• أن المغنيسيوم يزيح أيونات الزنك
• أن الزنك يزيح أيونات الحديد
• أن الحديد يزيح أيونات النحاس

يكون تسلسل الاستدلال الواضح كما يلي:

1. يزيح \(\ce{Mg}\) أيونات \(\mathrm{Zn}^{2+}\)، ولذلك يتأكسد \(\ce{Mg}\) بسهولة أكبر من \(\ce{Zn}\).
2. يزيح \(\ce{Zn}\) أيونات \(\mathrm{Fe}^{2+}\)، ولذلك يكون \(\ce{Zn}\) أكثر نشاطًا من \(\ce{Fe}\).
3. يزيح \(\ce{Fe}\) أيونات \(\mathrm{Cu}^{2+}\)، ولذلك يكون \(\ce{Fe}\) أكثر نشاطًا من \(\ce{Cu}\).
4. لذلك:

\[
\ce{Mg} > \ce{Zn} > \ce{Fe} > \ce{Cu}
\]

1. يمكن بعد ذلك مقارنة هذا الترتيب بالمصدر الثانوي المختار.

لاحظ المنطق. أنت لا تقول: «المغنيسيوم في موضع مرتفع في السلسلة المحفوظة، لذلك لا بد أن تُظهر التجربة تفاعلًا». بل تستخدم التجربة لبناء سلسلة، ثم تتحقق من هذا البناء بمقارنته بمعلومات مستقلة.

وهذا التمييز هو تحديدًا ما يجعل التجربة العملية مفيدة علميًا.

10أسئلة وحلول

السؤال 1

يوضع شريط من المغنيسيوم في محلول يحتوي على أيونات \(\mathrm{Cu}^{2+}\). تتكوّن مادة صلبة بنية محمرة على الشريط ويذوب المغنيسيوم ببطء.

حدّد أي الفلزين أعلى في سلسلة النشاط، واكتب المعادلة الأيونية الصافية.

الحل 1

المغنيسيوم أعلى من النحاس في سلسلة النشاط، والمعادلة الأيونية الصافية هي:

\[
\ce{Mg(s) + Cu^2+(aq) -> Mg^2+(aq) + Cu(s)}
\]

تفقد ذرات المغنيسيوم إلكترونين:

\[
\ce{Mg(s) -> Mg^2+(aq) + 2e^-}
\]

وتكتسب أيونات النحاس هذين الإلكترونين:

\[
\ce{Cu^2+(aq) + 2e^- -> Cu(s)}
\]

لذلك يتأكسد المغنيسيوم وتُختزل أيونات النحاس. ويُعد ترسّب النحاس الصلب دليلًا مباشرًا على أن المغنيسيوم يستطيع إزاحة أيونات النحاس.

من الأخطاء الشائعة القول إن النحاس «أكثر نشاطًا» لأن النحاس ظهر على الشريط. والصحيح هو العكس: يظهر النحاس لأن المغنيسيوم الأكثر نشاطًا يزوّد \(\mathrm{Cu}^{2+}\) بالإلكترونات.

السؤال 2

تكوّن ثلاثة فلزات مجهولة \(X\) و\(Y\) و\(Z\) أيونات بشحنة \(2+\).

وقد أُجريت الملاحظات الموثوقة الآتية:

• يزيح \(X\) أيونات \(\mathrm{Y}^{2+}\)
• يتفاعل \(Y\) مع حمض الهيدروكلوريك المخفف ويطلق الهيدروجين
• لا يتفاعل \(Z\) مع حمض الهيدروكلوريك المخفف
• يزيح \(Z\) أيونات \(\mathrm{Cu}^{2+}\)

افترض أن الأسطح نظيفة ولا توجد حواجز حركية مهمة.

رتّب \(X\) و\(Y\) و\(Z\) والهيدروجين والنحاس ترتيبًا تنازليًا في النشاط. ثم توقّع ما إذا كان \(Y\) سيزيح أيونات \(\mathrm{Cu}^{2+}\).

الحل 2

الترتيب هو:

\[
X > Y > \ce{H} > Z > \ce{Cu}
\]

وسوف يزيح \(Y\) أيونات \(\mathrm{Cu}^{2+}\).

ابدأ بإحلال الفلزات. يزيح \(X\) أيونات \(\mathrm{Y}^{2+}\)، لذلك:

\[
X > Y
\]

بعد ذلك، يتفاعل \(Y\) مع الحمض المخفف:

\[
\ce{Y(s) + 2H+(aq) -> Y^2+(aq) + H2(g)}
\]

إذن:

\[
Y > \ce{H}
\]

لا يزيح الفلز \(Z\) الهيدروجين من الحمض. وبناءً على الافتراض المذكور بأن نتيجة عدم حدوث التفاعل موثوقة:

\[
\ce{H} > Z
\]

لكن \(Z\) يزيح بالفعل أيونات النحاس:

\[
\ce{Z(s) + Cu^2+(aq) -> Z^2+(aq) + Cu(s)}
\]

إذن:

\[
Z > \ce{Cu}
\]

بدمج جميع القيود نحصل على:

\[
X > Y > \ce{H} > Z > \ce{Cu}
\]

وبما أن \(Y\) أعلى من الهيدروجين، والهيدروجين أعلى من \(Z\)، و\(Z\) أعلى من النحاس، فلا بد أن يكون \(Y\) أيضًا أعلى من النحاس. ولذلك ينبغي أن يزيح أيونات \(\mathrm{Cu}^{2+}\).

الطريق المغري هو التعامل مع اختبارات الحمض واختبارات أيونات الفلزات بوصفها ملاحظات غير مرتبطة. لكن يمكن دمجها لأن الهيدروجين يعمل كنقطة مرجعية في سلسلة النشاط.

السؤال 3

يختبر طالب المغنيسيوم والألومنيوم والزنك والنحاس.

النتائج هي:

• يزيح المغنيسيوم أيونات \(\mathrm{Zn}^{2+}\) و\(\mathrm{Cu}^{2+}\)
• يزيح الزنك أيونات \(\mathrm{Cu}^{2+}\)
• لا يزيح النحاس أيونات \(\mathrm{Zn}^{2+}\)
• لا يُظهر شريط ألومنيوم بطبقة أكسيده السطحية الطبيعية سليمة أي تفاعل مرئي مع أي من محاليل الأيونات الثلاثة خلال اختبار مدته 60 ثانية

يستنتج الطالب:

\[
\ce{Mg} > \ce{Zn} > \ce{Cu} > \ce{Al}
\]

لكن مصدرًا ثانويًا موثوقًا يعطي بدلًا من ذلك الترتيب النسبي:

\[
\ce{Mg} > \ce{Al} > \ce{Zn} > \ce{Cu}
\]

قيّم استنتاج الطالب، واشرح كيف ستتحقق من سبب هذا الاختلاف.

الحل 3

وضع الطالب للألومنيوم أسفل النحاس غير مبرر بهذه التجربة؛ فالنتيجة العملية المؤكدة هي \(\ce{Mg} > \ce{Zn} > \ce{Cu}\)، بينما يحتاج الألومنيوم إلى مزيد من التحقيق.

توفر نتائج الإحلال الموجبة دليلًا قويًا:

\[
\ce{Mg} > \ce{Zn}
\]

و:

\[
\ce{Zn} > \ce{Cu}
\]

إذن:

\[
\ce{Mg} > \ce{Zn} > \ce{Cu}
\]

أما دليل الألومنيوم فمختلف. فقد اختُبر الألومنيوم مع بقاء طبقة الأكسيد سليمة على سطحه. ويمكن لأكسيد الألومنيوم أن يخمّل السطح ويحد من التلامس بين الفلز الموجود تحته والمحلول.

لذلك فإن عبارة «لا يوجد تفاعل مرئي خلال 60 ثانية» لا تثبت بصورة مؤكدة:

\[
\ce{Cu} > \ce{Al}
\]

ينبغي تكرار الاختبار باستخدام سطح ألومنيوم مُحضّر حديثًا، مع ضبط تركيز المحلول وحجمه ودرجة الحرارة ومساحة الفلز المعرضة وزمن الملاحظة. ومن شأن التجارب المتكررة أن تقوّي المقارنة.

الاستنتاج المغري هو أن كل ملاحظة لعدم حدوث تفاعل لها القوة الدليلية نفسها التي يملكها الإحلال الموجب. وهذا غير صحيح. فقد يبرهن الراسب الموجب مباشرةً على انتقال الإلكترونات، بينما قد تنتج ملاحظة عدم حدوث التفاعل أيضًا عن حاجز حركي أو سطحي.

ولذلك فإن الاختلاف مع المصدر الثانوي مفيد. فهو يحدد أي جزء من الطريقة العملية يحتاج إلى الفحص بدلًا من أن يخبرنا بتجاهل أي من مصدري الأدلة.

السؤال 4

تبلغ الكتلة الابتدائية لشريط زنك نظيف \(2.5000\ \mathrm{g}\). ويوضع في فائض من محلول كبريتات النحاس الثنائي. بعد التفاعل، يبقى كل النحاس المترسب ملتصقًا بالشريط. يُشطف الشريط ويُجفف جيدًا، فتبلغ كتلته النهائية \(2.4944\ \mathrm{g}\).

افترض أن التفاعل الوحيد هو:

\[
\ce{Zn(s) + Cu^2+(aq) -> Zn^2+(aq) + Cu(s)}
\]

استخدم \(M(\ce{Zn}) = 65.38\ \mathrm{g\,mol^{-1}}\) و\(M(\ce{Cu}) = 63.55\ \mathrm{g\,mol^{-1}}\).

احسب:

1. كمية الزنك التي تفاعلت
2. كتلة الزنك المفقودة
3. كتلة النحاس المترسبة

ثم اشرح لماذا لا يعني التغير الصافي الصغير جدًا في الكتلة أن مقدارًا ضئيلًا جدًا من المادة قد تفاعل.

الحل 4

تفاعل نحو \(0.00306\ \mathrm{mol}\) من الزنك، وهو ما يقابل فقدان \(0.200\ \mathrm{g}\) من الزنك وترسّب \(0.194\ \mathrm{g}\) من النحاس. ولذلك يمكن لتفاعل إحلال ملحوظ أن ينتج تغيرًا صافيًا ضئيلًا جدًا في الكتلة لأن الكتلتين الموليتين للزنك المفقود والنحاس المكتسب متقاربتان.

التغير المقاس في الكتلة هو:

\[
\Delta m = 2.4944 – 2.5000 = -0.0056\ \mathrm{g}
\]

مقابل كل مول واحد من الزنك يتفاعل، يترسب مول واحد من النحاس.

ولذلك يغيّر مول واحد من التفاعل كتلة الشريط بمقدار:

\[
63.55 – 65.38 = -1.83\ \mathrm{g\,mol^{-1}}
\]

لنفرض أن \(n\) هو عدد مولات الزنك التي تفاعلت. عندئذ:

\[
n=\frac{0.0056\ \mathrm{g}}{1.83\ \mathrm{g\,mol^{-1}}}
=0.00306\ \mathrm{mol}
\]

كتلة الزنك المتأكسد هي:

\[
m(\ce{Zn})
=nM
=(0.00306\ \mathrm{mol})(65.38\ \mathrm{g\,mol^{-1}})
\approx 0.200\ \mathrm{g}
\]

وكتلة النحاس المترسب هي:

\[
m(\ce{Cu})
=(0.00306\ \mathrm{mol})(63.55\ \mathrm{g\,mol^{-1}})
\approx 0.194\ \mathrm{g}
\]

ومن ثم يكون التغير الصافي تقريبًا:

\[
0.194 – 0.200=-0.006\ \mathrm{g}
\]

وهو ما يتفق مع الانخفاض المقاس بعد التقريب.

المشكلة المحتملة هي استخدام تغير الكتلة النهائي كما لو كان يمثل مقدار المادة التي تفاعلت. ففي الواقع يحدث تغيران في الكتلة في الوقت نفسه: يغادر الزنك الشريط بينما يضاف النحاس إليه. ويكاد التغيران أن يلغيا أحدهما الآخر.

وعلى الرغم من التغير الضئيل في الكتلة الكلية، فقد تأكسد نحو \(0.200\ \mathrm{g}\) من الزنك. وما يزال اتجاه الإحلال يعطي الاستنتاج المهم المتعلق بسلسلة النشاط:

\[
\ce{Zn} > \ce{Cu}
\]

السؤال 5

يوضع شريط من الحديد أولًا في محلول يحتوي على \(\mathrm{Cu}^{2+}\). يترسب النحاس على الحديد، مما يبيّن أن:

\[
\ce{Fe} > \ce{Cu}
\]

يُشطف شريط الحديد المطلي بالنحاس جيدًا، ثم يُنقل، من دون إزالة طبقة النحاس، إلى محلول جديد يحتوي على \(\mathrm{Ag}^{+}\).

تتكوّن بلورات الفضة. وفي نهاية هذه المرحلة الثانية، يكشف تحليل المحلول عن وجود \(\mathrm{Fe}^{2+}\)، لكن من دون وجود كمية قابلة للكشف من \(\mathrm{Cu}^{2+}\).

يجادل طالب بما يلي:

بما أنه لا يوجد \(\mathrm{Cu}^{2+}\) في المحلول النهائي، فلا يمكن أن تكون طبقة النحاس قد تفاعلت مع أيونات الفضة. ولذلك لا تثبت هذه التجربة شيئًا عن موضع النحاس بالنسبة إلى الفضة.

حدّد ما الذي تثبته التجربة بشأن الحديد والفضة، وما إذا كانت تثبت شيئًا بشأن النحاس والفضة، واشرح لماذا لا يحدد الغياب النهائي لأيونات \(\mathrm{Cu}^{2+}\) مسارًا وحيدًا للتفاعل. واذكر تجربة إضافية واحدة تحسم مقارنة النحاس بالفضة.

الحل 5

تدعم المرحلة الثانية العلاقة \(\ce{Fe} > \ce{Ag}\)، لكنها لا تحدد بمفردها الموضع النسبي للنحاس والفضة. ولا يمكن لغياب \(\mathrm{Cu}^{2+}\) في النهاية أن يثبت أن النحاس لم يتفاعل قط، لأن أي \(\mathrm{Cu}^{2+}\) تكوّن في مرحلة سابقة كان من الممكن أن يُختزل لاحقًا مرة أخرى إلى نحاس بواسطة الحديد.

أحد المسارات الممكنة هو الاختزال المباشر لأيونات الفضة بواسطة الحديد:

\[
\ce{Fe(s) + 2Ag+(aq) -> Fe^2+(aq) + 2Ag(s)}
\]

ينتج هذا بالضبط الملاحظتين النهائيتين المهمتين: فلز الفضة و\(\mathrm{Fe}^{2+}\). وهو يدعم:

\[
\ce{Fe} > \ce{Ag}
\]

وقد تبقى طبقة النحاس موجودة ببساطة بينما يحدث انتقال الإلكترونات بمشاركة الحديد في المناطق المكشوفة من الشريط.

لكن هناك تسلسلًا ممكنًا آخر.

يمكن أن يختزل النحاس أيونات الفضة أولًا:

\[
\ce{Cu(s) + 2Ag+(aq) -> Cu^2+(aq) + 2Ag(s)}
\]

إذا حدث ذلك، فسيدخل النحاس إلى المحلول مؤقتًا على صورة \(\mathrm{Cu}^{2+}\).

لكننا نعرف بالفعل من التجربة الأولى أن الحديد أعلى من النحاس. ولذلك يمكن للحديد المكشوف أن يختزل أيونات النحاس هذه مرة أخرى إلى نحاس:

\[
\ce{Fe(s) + Cu^2+(aq) -> Fe^2+(aq) + Cu(s)}
\]

اجمع المعادلتين، فيُلغى النحاس:

\[
\ce{Cu(s) + 2Ag+(aq) -> Cu^2+(aq) + 2Ag(s)}
\]

\[
\ce{Fe(s) + Cu^2+(aq) -> Fe^2+(aq) + Cu(s)}
\]

المحصلة:

\[
\ce{Fe(s) + 2Ag+(aq) -> Fe^2+(aq) + 2Ag(s)}
\]

وهذا هو التفاعل الصافي نفسه لمسار الحديد والفضة المباشر.

إذن قد يحتوي المزيج النهائي على الفضة و\(\mathrm{Fe}^{2+}\)، من دون وجود كمية قابلة للكشف من \(\mathrm{Cu}^{2+}\)، في كلتا الحالتين.

هذه هي النقطة الحاسمة: يمكن للمنتجات النهائية أن تثبت التغير الكيميائي الصافي من دون أن تكشف كل خطوة وسيطة في انتقال الإلكترونات.

ينبغي أن تعزل التجربة الإضافية المقارنة التي ما تزال غير محسومة. ضع عينة نظيفة من النحاس مباشرةً في محلول جديد يحتوي على \(\mathrm{Ag}^{+}\) تحت ظروف مناسبة ومضبوطة.

إذا أزاح النحاس أيونات الفضة، فهذا يدعم مباشرةً:

\[
\ce{Cu} > \ce{Ag}
\]

وإذا أظهر اختبار مباشر موثوق عدم حدوث إحلال، فإن الترتيب المعاكس يكون مدعومًا تحت تلك الظروف.

كان الطريق المغري هو اعتبار «غير موجود في النهاية» مساويًا لـ«لم يوجد قط». قد تتكوّن الأنواع الكيميائية ثم تُستهلك في تفاعل لاحق، ولذلك فهذا الاستنتاج غير صحيح.

11ما الذي تهيئك له سلسلة النشاط بعد ذلك؟

تحوّل سلسلة النشاط الملاحظات العملية إلى تنبؤات بشأن انتقال الإلكترونات. وبمجرد أن تتمكن من قراءة تفاعل إحلال على أنه «هذا الفلز يتأكسد بينما تُختزل تلك الأيونات»، تصبح عدة أفكار لاحقة أسهل بكثير.

الخطوة التالية هي استبدال السُلّم النوعي بكيمياء كهربية كمية. تتيح لك جهود الأقطاب القياسية مقارنة ميول الأكسدة والاختزال عدديًا، والتنبؤ بتفاعلات الخلايا، وتفسير سبب أهمية التركيز والظروف.

إذن سلسلة النشاط ليست مجرد قائمة من الفلزات. إنها أول نموذج مختصر تستخدمه لتحديد الأنواع التي ستفقد الإلكترونات، والأنواع التي ستكتسبها، وما الأدلة القوية بما يكفي لتبرير ذلك القرار.