تفاعلات التحلل: توقّع النواتج في كيمياء HSC
تعلّم كيفية التعرّف على تفاعلات التحلل، وتوقّع النواتج المحتملة، وموازنة المعادلات، وتطبيق قانون حفظ الكتلة في مسائل كيمياء HSC.
سخّن قطعة من الحجر الجيري بدرجة كافية، فستجد أن كتلتها تنخفض. لم يُكشط منها شيء، ولم تنصهر المادة الصلبة ببساطة. فأين ذهبت الكتلة المفقودة؟
قبل أن تواصل القراءة، توقّع النواتج. يتكوّن الحجر الجيري في معظمه من كربونات الكالسيوم، \(\ce{CaCO3}\). إذا أدّى التسخين إلى تفككها، فأي ذرات يجب أن تظل موجودة بعد ذلك؟
لا يمكن لذرات الكالسيوم والكربون والأكسجين أن تختفي. بل يُعاد ترتيبها لتكوين أكسيد الكالسيوم وثاني أكسيد الكربون:
\[ \ce{CaCO3(s) -> CaO(s) + CO2(g)} \]
يتصاعد ثاني أكسيد الكربون على هيئة غاز، لذلك تكون كتلة المادة الصلبة المتبقية أقل. هذا تفاعل تحلل: يتفكك مركب واحد إلى مادتين أبسط أو أكثر.
هذه الفكرة الأساسية سهلة. أما المهارة المفيدة فهي أن تتمكن من تمييز حدوث التحلل، والأهم من ذلك، توقّع النواتج التي يُرجح تكوّنها.
01النموذج الذهني: بنية واحدة تتفكك
تخيّل المركب على أنه مجموعة من الذرات المترابطة بترتيب معين. يبدأ تفاعل التحلل بنوع واحد من المركبات، ثم يعيد ترتيب ذراته لتكوين ناتجين أو أكثر.
ويمكن تمثيل النمط المبسط كما يلي:
\[ \ce{AB -> A + B} \]
على سبيل المثال، يتحلل فوق أكسيد الهيدروجين إلى ماء وأكسجين:
\[ \ce{2H2O2(aq) -> 2H2O(l) + O2(g)} \]
السمة المهمة ليست أن كل مركب ينقسم حرفيًا إلى جزأين يسمى أحدهما A والآخر B، بل أن متفاعلًا واحدًا ينتج عدة نواتج.
ومن الطرق الطريفة قليلًا لتخيّل ذلك أن زوجين يقرران أنهما أفضل حالًا إذا انفصلا. قبل التفاعل توجد علاقة واحدة، وبعده توجد أطراف مستقلة متعددة. يساعد هذا التشبيه على فهم الاتجاه العام، أي تحوّل شيء واحد إلى عدة أشياء، لكن الكيمياء أكثر صرامة من المواعدة. لا تستطيع الذرات أن تتجاهل بعضها ثم تختفي. يجب أن تظل كل ذرة كانت موجودة قبل التفاعل محسوبة بعده.
وحفظ الذرات هذا هو الفكرة نفسها التي تُشرح بمزيد من التفصيل في إعادة ترتيب الذرات في التفاعلات.
02كيفية التعرّف على تفاعل التحلل
ابدأ بالنظر إلى جانب المتفاعلات في المعادلة.
عادةً ما يتضمن تفاعل التحلل:
- مركبًا واحدًا بوصفه المتفاعل الكيميائي
- ناتجين أو أكثر
- مصدرًا للطاقة مثل الحرارة أو الضوء أو الكهرباء في كثير من الحالات
على سبيل المثال:
\[ \ce{2HgO(s) -> 2Hg(l) + O2(g)} \]
يتحوّل مركب واحد، وهو أكسيد الزئبق(II)، إلى مادتين أبسط.
قارن ذلك بالمعادلة:
\[ \ce{2Mg(s) + O2(g) -> 2MgO(s)} \]
هذا ليس تحللًا. إذ يتحد متفاعلان لتكوين ناتج واحد، ولذلك يتبع النمط العام المعاكس، وهو تفاعل اتحاد. يمكنك مقارنة نوعَي التفاعل في تفاعلات الاتحاد: توقّع النواتج وموازنة المعادلات.
لذلك، من قواعد القرار الأولية المفيدة:
| النمط | نوع التفاعل المرجح |
|---|---|
| مركب واحد \(\rightarrow\) عدة نواتج | تحلل |
| عدة متفاعلات \(\rightarrow\) ناتج رئيسي واحد | اتحاد |
هذه قاعدة للتعرّف على النمط، وليست تفسيرًا كاملًا. فقد تتضمن المعادلات الحقيقية عوامل حفازة، أو شروطًا مكتوبة فوق السهم، أو عدة نواتج. وما زلت بحاجة إلى المعرفة الكيميائية لتوقّع أي نواتج تتكون.
03غالبًا ما تؤدي الطاقة إلى تفكك المركب
تظل مركبات كثيرة مستقرة إلى أن تُزوّد بالطاقة.
ثلاث طرق شائعة لإحداث التحلل هي:
- التحلل الحراري: تُزوّد الطاقة عن طريق التسخين
- التحلل الضوئي: تُزوّد الطاقة عن طريق الضوء
- التحلل الكهربائي: تدفع الطاقة الكهربائية التفاعل
على سبيل المثال، تخضع كربونات الكالسيوم للتحلل الحراري:
\[ \ce{CaCO3(s) -> CaO(s) + CO2(g)} \]
ويمكن لكلوريد الفضة أن يتحلل عند تعرضه للضوء:
\[ \ce{2AgCl(s) -> 2Ag(s) + Cl2(g)} \]
كما يمكن تحليل الماء باستخدام الطاقة الكهربائية:
\[ \ce{2H2O(l) -> 2H2(g) + O2(g)} \]
لاحظ أمرًا مهمًا. الحرارة والضوء والكهرباء ليست متفاعلات كيميائية إضافية. بل إنها تزود النظام بالطاقة.
وهذا يعني أن المعادلة يمكن أن تظل ممثلة لتفاعل تحلل حتى عندما يظهر شرط مثل «التسخين» بالقرب من سهم التفاعل.
04توقّع النواتج: لا تقسّم الصيغة فحسب
لنفترض أنك أُعطيت:
\[ \ce{CaCO3 -> ?} \]
قد يكون من المغري النظر إلى الصيغة وتقسيمها إلى أجزاء بطريقة ما:
\[ \ce{CaCO3 -> Ca + C + O3} \]
لكن هذا يفشل فورًا. فـ \(\ce{O3}\) هو الأوزون، ولا يوجد سبب يجعل كربونات الكالسيوم تتفكك ببساطة إلى الأجزاء التي توحي بها طريقة كتابة صيغتها.
تخبرك الصيغ الكيميائية عن التركيب، لكنها لا تخبرك تلقائيًا بنواتج التفاعل.
لذلك يتطلب توقّع النواتج فكرتين:
- التعرّف على نوع المركب
- معرفة سلوك التحلل المميز لذلك النوع
ثم توازن المعادلة.
لا تبدأ بالموازنة على أمل أن تكشف النواتج عن نفسها. فالموازنة لا تستطيع سوى تعديل المعاملات، ولا يمكنها أن تخبرك بالمواد التي ينبغي أن توجد.
05النمط 1: كثير من الكربونات الفلزية تكوّن أكسيدًا فلزيًا وثاني أكسيد الكربون
من أنماط التحلل الحراري المفيدة جدًا:
\[ \ce{metal carbonate -> metal oxide + carbon dioxide} \]
بالنسبة إلى كربونات الكالسيوم:
\[ \ce{CaCO3(s) -> CaO(s) + CO2(g)} \]
تحقق من الذرات.
| العنصر | اليسار | اليمين |
|---|---|---|
| Ca | 1 | 1 |
| C | 1 | 1 |
| O | 3 | \(1 + 2 = 3\) |
المعادلة موزونة بالفعل.
وبالنسبة إلى كربونات النحاس(II):
\[ \ce{CuCO3(s) -> CuO(s) + CO2(g)} \]
مرة أخرى، تنتج الكربونات أكسيد الفلز الموافق بالإضافة إلى ثاني أكسيد الكربون.
هذا النمط مفيد، لكنه لا يبرر القول إن كل كربونات تتحلل تحت الظروف نفسها. يختلف الاستقرار الحراري بين المركبات. في سؤال من أسئلة HSC يطلب توقّع النواتج، استخدم معلومات التفاعل والسياق الكيميائي المعطى لك بدلًا من التعامل مع النمط على أنه قانون شامل.
مثال محلول: ما كتلة ثاني أكسيد الكربون المتكوّنة من كربونات الكالسيوم؟
تتحلل عينة كتلتها \(10.0\ \text{g}\) من كربونات الكالسيوم النقية تحللًا حراريًا كاملًا. احسب كتلة ثاني أكسيد الكربون الناتجة.
الخطوة 1
\[ \ce{CaCO3(s) -> CaO(s) + CO2(g)} \]
النسبة المولية هي:
\[ 1\ \text{mol }\ce{CaCO3} : 1\ \text{mol }\ce{CO2} \]
الخطوة 2
باستخدام الكتل الذرية \(Ca = 40.08\)، و\(C = 12.01\)، و\(O = 16.00\):
\[ M(\ce{CaCO3}) = 40.08 + 12.01 + 3(16.00) = 100.09\ \text{g mol}^{-1} \]
حيث تمثل \(M\) الكتلة المولية.
وباستخدام \(n = \frac{m}{M}\)، حيث تمثل \(n\) كمية المادة بالمولات وتمثل \(m\) الكتلة:
\[ n(\ce{CaCO3}) = \frac{10.0\ \text{g}}{100.09\ \text{g mol}^{-1}} = 0.0999\ \text{mol} \]
الخطوة 3
بما أن النسبة هي \(1:1\):
\[ n(\ce{CO2}) = 0.0999\ \text{mol} \]
الخطوة 4
\[ M(\ce{CO2}) = 12.01 + 2(16.00) = 44.01\ \text{g mol}^{-1} \]
\[ m(\ce{CO2}) = nM = (0.0999\ \text{mol})(44.01\ \text{g mol}^{-1}) = 4.40\ \text{g} \]
إذًا تتكوّن كتلة مقدارها \(4.40\ \text{g}\) من ثاني أكسيد الكربون.
لم تفقد العينة الأصلية التي كتلتها \(10.0\ \text{g}\) مقدار \(4.40\ \text{g}\) من المادة من الكون. بل تحولت هذه الكتلة إلى \(\ce{CO2}\) غازي. وإذا خرج الغاز من وعاء التفاعل، فلن تُوزن إلا المادة الصلبة المتبقية.
06النمط 2: يمكن لهيدروجين الكربونات الفلزية أن تكوّن كربونات وثاني أكسيد الكربون وماءً
تعطي هيدروجين الكربونات نمط تحلل أقل وضوحًا قليلًا.
على سبيل المثال، يؤدي تسخين هيدروجين كربونات الصوديوم إلى:
\[ \ce{2NaHCO3(s) -> Na2CO3(s) + CO2(g) + H2O(g)} \]
هنا توجد ثلاثة نواتج بدلًا من اثنين.
وهذا تذكير مفيد بأن «التحلل» لا يعني أن «مركبًا واحدًا ينقسم إلى نصفين متساويين تمامًا». بل يعني فقط أن مركبًا واحدًا يتحول إلى عدة مواد أبسط.
حاول توقّع المعامل أمام \(\ce{NaHCO3}\) قبل التحقق من أعداد الذرات.
إذا كتبت معاملًا مقداره 1، فلن تتوازن ذرات الصوديوم لأن \(\ce{Na2CO3}\) يحتوي على ذرتي صوديوم. لذلك نحتاج إلى 2:
| العنصر | اليسار في \(\ce{2NaHCO3}\) | اليمين |
|---|---|---|
| Na | 2 | 2 |
| H | 2 | 2 |
| C | 2 | \(1 + 1 = 2\) |
| O | 6 | \(3 + 2 + 1 = 6\) |
كل شيء محفوظ.
مثال محلول: ما كتلة كربونات الصوديوم المتبقية؟
تُسخن عينة كتلتها \(16.8\ \text{g}\) من هيدروجين كربونات الصوديوم حتى تتحلل بالكامل وفقًا للمعادلة:
\[ \ce{2NaHCO3(s) -> Na2CO3(s) + CO2(g) + H2O(g)} \]
احسب كتلة كربونات الصوديوم الناتجة.
الخطوة 1
باستخدام \(Na = 22.99\)، و\(H = 1.008\)، و\(C = 12.01\)، و\(O = 16.00\):
\[ M(\ce{NaHCO3}) = 22.99 + 1.008 + 12.01 + 3(16.00) = 84.01\ \text{g mol}^{-1} \]
الخطوة 2
\[ n(\ce{NaHCO3}) = \frac{16.8\ \text{g}}{84.01\ \text{g mol}^{-1}} = 0.200\ \text{mol} \]
الخطوة 3
من المعادلة الموزونة:
\[ 2\ \text{mol }\ce{NaHCO3} : 1\ \text{mol }\ce{Na2CO3} \]
إذن:
\[ n(\ce{Na2CO3}) = 0.200\ \text{mol}\times\frac{1}{2} = 0.100\ \text{mol} \]
الخطوة 4
\[ M(\ce{Na2CO3}) = 2(22.99) + 12.01 + 3(16.00) = 105.99\ \text{g mol}^{-1} \]
\[ m(\ce{Na2CO3}) = (0.100\ \text{mol})(105.99\ \text{g mol}^{-1}) = 10.6\ \text{g} \]
إذًا تبقى كتلة مقدارها \(10.6\ \text{g}\) من كربونات الصوديوم.
تزن المادة الصلبة الناتجة أقل من العينة الأصلية التي كتلتها \(16.8\ \text{g}\)، لأن ثاني أكسيد الكربون والماء يغادران على هيئة غازات.
07النمط 3: بعض المركبات تطلق الأكسجين
تنتج عدة تفاعلات تحلل مهمة غاز الأكسجين.
فوق أكسيد الهيدروجين أحد الأمثلة:
\[ \ce{2H2O2(aq) -> 2H2O(l) + O2(g)} \]
كما يمكن لكلورات فلزية أن تتحلل إلى كلوريد فلزي وأكسجين. بالنسبة إلى كلورات البوتاسيوم:
\[ \ce{2KClO3(s) -> 2KCl(s) + 3O2(g)} \]
توجد هنا نقطة قد توقعك في الخطأ.
قد يستنتج طالب: «يحتوي المركب على الأكسجين، إذًا لا بد أن يطلق التحلل \(\ce{O2}\).»
يبدو هذا التوقّع منطقيًا لأن الأكسجين العنصري يوجد عادةً في صورة \(\ce{O2}\). لكن الجزء الأول من هذا الاستدلال غير صحيح. وجود الأكسجين في مركب لا يعني بالضرورة أنه سيطلق غاز الأكسجين عند تحلله.
تحتوي كربونات الكالسيوم على الأكسجين، لكن ذرات الأكسجين تنتهي في كل من \(\ce{CaO}\) و\(\ce{CO2}\):
\[ \ce{CaCO3 -> CaO + CO2} \]
يعتمد توقّع النواتج على السلوك الكيميائي للمركب، وليس فقط على ملاحظة وجود عنصر في صيغته.
08توقّع المواد أولًا، ثم وازن المعادلة
عندما يُطلب منك إكمال معادلة تحلل، اتبع هذا الترتيب.
1. تأكد من أن التحلل احتمال منطقي.
ابحث عن مركب واحد ينتج عدة مواد.
2. حدّد عائلة المركب.
على سبيل المثال، هل هو كربونات، أم هيدروجين كربونات، أم فوق أكسيد، أم مركب آخر تعرف سلوك تحلله؟
3. توقّع المواد الكيميائية الفعلية.
اكتب الصيغ الصحيحة للنواتج.
4. تحقق من تمثيل كل عنصر.
لا يجوز أن يظهر عنصر من العدم أو يختفي.
5. وازن باستخدام المعاملات فقط.
لا تغيّر رقمًا سفليًا أبدًا لمجرد جعل أعداد الذرات متساوية.
تأمل:
\[ \ce{KClO3 -> KCl + O2} \]
المواد صحيحة، لكن المعادلة غير موزونة.
هناك ثلاث ذرات أكسجين في اليسار وذرتان في اليمين. أصغر مجموع مشترك هو ست ذرات أكسجين، لذلك استخدم \(2\ce{KClO3}\) و\(3\ce{O2}\):
\[ \ce{2KClO3 -> 2KCl + 3O2} \]
لا تحوّل \(\ce{O2}\) إلى شيء مثل \(\ce{O3}\) لمجرد إصلاح الحساب. فتغيير الرقم السفلي يغيّر المادة الكيميائية نفسها.
09ماذا تعني «مواد أبسط» فعليًا؟
تقول الكتب المدرسية غالبًا إن التحلل يحوّل مركبًا واحدًا إلى «مواد أبسط». هذه عبارة مفيدة، لكن من الممكن إساءة فهمها.
«أبسط» لا تعني بالضرورة:
- ذرات منفردة
- عناصر فقط
- معاملات أصغر
- ناتجين بالضبط
على سبيل المثال:
\[ \ce{2NaHCO3 -> Na2CO3 + CO2 + H2O} \]
كل ناتج ما زال مركبًا. ويُعد التفاعل تحللًا لأن مركبًا متفاعلًا واحدًا أنتج عدة نواتج.
وبالمثل:
\[ \ce{2H2O -> 2H2 + O2} \]
ينتج عناصر.
كلاهما يتفق مع مفهوم التحلل، مع أن النواتج تبدو مختلفة تمامًا.
10دليل مختصر لتوقّع النواتج
هذه الأنماط نقاط بداية مفيدة عندما تدعمها ظروف التفاعل.
| نوع المتفاعل | نمط التحلل الشائع | مثال |
|---|---|---|
| كثير من الكربونات الفلزية | أكسيد فلزي + \(\ce{CO2}\) | \(\ce{CaCO3 -> CaO + CO2}\) |
| هيدروجين الكربونات الفلزية | كربونات فلزية + \(\ce{CO2}\) + \(\ce{H2O}\) | \(\ce{2NaHCO3 -> Na2CO3 + CO2 + H2O}\) |
| فوق أكسيد الهيدروجين | ماء + أكسجين | \(\ce{2H2O2 -> 2H2O + O2}\) |
| بعض الكلورات الفلزية | كلوريد فلزي + أكسجين | \(\ce{2KClO3 -> 2KCl + 3O2}\) |
| الماء عند التحليل الكهربائي | هيدروجين + أكسجين | \(\ce{2H2O -> 2H2 + O2}\) |
استخدم هذا الجدول بوصفه مجموعة من الأنماط الكيميائية، لا بديلًا عن التفكير. فظروف التفاعل وهوية المركب ما زالتا مهمتين.
11الأخطاء الأكثر شيوعًا
الخطأ 1: افتراض أن التحلل ينتج عناصر دائمًا
هذا غير صحيح.
\[ \ce{CaCO3 -> CaO + CO2} \]
كلا الناتجين مركبان.
الخطأ 2: تقسيم الصيغة حيثما يبدو ذلك مناسبًا
تخبرك الصيغة بالذرات الموجودة. لكنها لا تخبرك بمسار التفاعل.
بالنسبة إلى \(\ce{CaCO3}\)، فإن كتابة \(\ce{Ca + C + O2}\) لا تفعل أكثر من حفظ بعض الرموز بعد الموازنة. وهذا لا يجعل المعادلة صحيحة كيميائيًا.
الخطأ 3: الموازنة قبل تحديد النواتج
يمكن للمعاملات أن تصلح أعداد الذرات. لكنها لا تستطيع إصلاح كيمياء غير صحيحة.
اسأل أولًا: «ما المواد التي ينبغي أن تتكوّن؟» ثم اسأل: «كم نحتاج من كل مادة؟»
الخطأ 4: تغيير الأرقام السفلية
لنفترض أن لديك:
\[ \ce{H2O -> H2 + O2} \]
تحتاج إلى جزيئين من الماء:
\[ \ce{2H2O -> 2H2 + O2} \]
أما تحويل \(\ce{H2O}\) إلى \(\ce{H2O2}\) فلن يكون موازنةً للماء، بل ستكون قد استبدلت الماء بفوق أكسيد الهيدروجين.
الخطأ 5: الاعتقاد بأن انخفاض الكتلة يخالف قانون حفظ الكتلة
إذا أنتج التحلل غازًا وكان الوعاء مفتوحًا، فيمكن للغاز أن يغادر.
تنخفض الكتلة المقاسة للمادة الصلبة المتبقية، لكن الكتلة الكلية لجميع النواتج تظل مساوية لكتلة المتفاعل الذي تحلل، بافتراض عدم دخول مادة إلى النظام أو خروجها منه باستثناء النواتج المعنية.
ويصبح هذا التمييز مفيدًا بوجه خاص عند تفسير تجارب التسخين.
12أسئلة وحلول
السؤال 1
يسخّن طالب كربونات النحاس(II) ويلاحظ تكوّن مادة صلبة سوداء مع انطلاق غاز.
توقّع النواتج، واكتب معادلة كيميائية موزونة، وحدد نوع التفاعل.
الحل 1
النواتج هي أكسيد النحاس(II) وثاني أكسيد الكربون، والتفاعل هو تفاعل تحلل حراري.
كربونات النحاس(II) كربونات فلزية. ومن أنماط التحلل الحراري الشائعة للكربونات الفلزية:
\[ \ce{metal carbonate -> metal oxide + carbon dioxide} \]
وبالنسبة إلى كربونات النحاس(II):
\[ \ce{CuCO3(s) -> CuO(s) + CO2(g)} \]
المعادلة موزونة بالفعل. توجد ذرة Cu واحدة، وذرة C واحدة، وثلاث ذرات O في كل جانب.
المادة الصلبة السوداء هي \(\ce{CuO}\)، بينما يغادر \(\ce{CO2}\) على هيئة غاز. وهو تفاعل تحلل لأن مركبًا واحدًا ينتج ناتجين.
ومن الأخطاء الشائعة توقّع فلز النحاس والأكسجين لمجرد وجود كلا العنصرين في المركب الأصلي. فنمط تفاعل الكربونات هو الذي يحدد النواتج.
السؤال 2
تتحلل كلورات البوتاسيوم إلى كلوريد البوتاسيوم وغاز الأكسجين.
اكتب المعادلة الكيميائية الموزونة. ثم احسب كمية الأكسجين، بالمولات، الناتجة عند التحلل الكامل لـ \(0.400\ \text{mol}\) من كلورات البوتاسيوم.
الحل 2
المعادلة الموزونة هي \(\ce{2KClO3 -> 2KCl + 3O2}\)، وينتج \(0.600\ \text{mol}\) من الأكسجين.
ابدأ بالنواتج الصحيحة:
\[ \ce{KClO3 -> KCl + O2} \]
وازن الأكسجين أولًا. يمكن الحصول على ست ذرات أكسجين باستخدام \(2\ce{KClO3}\) و\(3\ce{O2}\):
\[ \ce{2KClO3 -> 2KCl + 3O2} \]
إذًا تكون النسبة المولية:
\[ 2\ \text{mol }\ce{KClO3} : 3\ \text{mol }\ce{O2} \]
وبالتالي:
\[ n(\ce{O2}) = 0.400\ \text{mol} \times \frac{3\ \text{mol }\ce{O2}} {2\ \text{mol }\ce{KClO3}} = 0.600\ \text{mol} \]
إذًا ينتج \(0.600\ \text{mol}\) من \(\ce{O2}\).
النقطة التي قد توقعك في الخطأ هي النسبة \(2:3\). فالمعاملات في المعادلة الموزونة تحدد النسب المولية، وليست النسب تلقائيًا \(1:1\).
السؤال 3
تُسخّن عينة كتلتها \(25.0\ \text{g}\) من كربونات الكالسيوم النقية حتى تتحلل بالكامل.
\[ \ce{CaCO3(s) -> CaO(s) + CO2(g)} \]
احسب الكتلة المتوقعة لأكسيد الكالسيوم المتبقي. استخدم \(M(\ce{CaCO3}) = 100.09\ \text{g mol}^{-1}\) و\(M(\ce{CaO}) = 56.08\ \text{g mol}^{-1}\).
الحل 3
الكتلة المتوقعة لأكسيد الكالسيوم هي \(14.0\ \text{g}\).
أوجد أولًا كمية كربونات الكالسيوم:
\[ n(\ce{CaCO3}) = \frac{25.0\ \text{g}} {100.09\ \text{g mol}^{-1}} = 0.2498\ \text{mol} \]
توضح المعادلة الموزونة نسبة مولية مقدارها \(1:1\):
\[ 1\ \text{mol }\ce{CaCO3} : 1\ \text{mol }\ce{CaO} \]
إذًا:
\[ n(\ce{CaO}) = 0.2498\ \text{mol} \]
حوّل هذه القيمة إلى كتلة:
\[ m(\ce{CaO}) = nM = (0.2498\ \text{mol})(56.08\ \text{g mol}^{-1}) = 14.0\ \text{g} \]
إذًا تبقى كتلة مقدارها \(14.0\ \text{g}\) من أكسيد الكالسيوم.
لم تُدمّر الكتلة المفقودة البالغة \(11.0\ \text{g}\)، بل تغادر على هيئة ثاني أكسيد الكربون:
\[ 25.0\ \text{g} - 14.0\ \text{g} = 11.0\ \text{g} \]
يختبر هذا السؤال الفرق بين كتلة المادة الصلبة المتبقية والكتلة الكلية لجميع نواتج التفاعل.
السؤال 4
أُخبر طالب أن مادة صلبة نقية مجهولة لها الصيغة \(\ce{XCO3}\)، حيث X فلز يكوّن أيونًا بشحنة \(2+\). وعند التسخين، تتحلل المادة الصلبة بالكامل وفقًا للمعادلة:
\[ \ce{XCO3(s) -> XO(s) + CO2(g)} \]
يبدأ الطالب بـ \(5.00\ \text{g}\) من \(\ce{XCO3}\)، ويحصل على \(2.80\ \text{g}\) من \(\ce{XO}\).
اشرح لماذا سيكون من غير المناسب حساب كتلة ثاني أكسيد الكربون عن طريق إيجاد عدد المولات أولًا. ثم حدد كتلة ثاني أكسيد الكربون الناتجة دون تحديد هوية X.
الحل 4
كتلة ثاني أكسيد الكربون هي \(2.20\ \text{g}\)، ولا توجد حاجة إلى تحديد الفلز أو حساب المولات.
لأن التحلل كامل والعينة نقية، يجب أن تساوي الكتلة الأصلية الكتلة الكلية للنواتج:
\[ m(\ce{XCO3}) = m(\ce{XO}) + m(\ce{CO2}) \]
إذًا:
\[ m(\ce{CO2}) = 5.00\ \text{g} - 2.80\ \text{g} = 2.20\ \text{g} \]
إذًا ينتج \(2.20\ \text{g}\) من ثاني أكسيد الكربون.
لن يكون استخدام حساب يعتمد على المولات خطأً كيميائيًا إذا كانت هوية X معروفة. المشكلة هي أن X مجهول، لذلك لا يمكن حتى الآن حساب الكتلتين الموليتين لـ \(\ce{XCO3}\) و\(\ce{XO}\) مباشرة.
الطريقة الأقوى هي ملاحظة أن السؤال يمكن حله فورًا باستخدام قانون حفظ الكتلة. والخطأ المغري هو افتراض أن كل مسألة كمية في الكيمياء يجب أن تبدأ بـ \(n = \frac{m}{M}\).
السؤال 5
يسخّن طالبان عينتين متماثلتين، كتلة كل منهما \(10.00\ \text{g}\)، من الكربونات الفلزية النقية نفسها.
يسخّن الطالب A العينة في بوتقة مفتوحة حتى يكتمل التحلل. وتصبح كتلة المادة الصلبة النهائية \(6.40\ \text{g}\).
أما الطالب B فيسخّن الكمية نفسها من الكربونات في وعاء محكم الإغلاق تمامًا. وبعد اكتمال التحلل وتبريد الوعاء مرة أخرى إلى درجة حرارة البداية، لا تكون أي مادة قد غادرت الوعاء.
يقول الطالب B: «يجب أن يُظهر الميزان عندي أيضًا \(6.40\ \text{g}\)، لأن الكربونات تحللت ولم يتبقَّ سوى \(6.40\ \text{g}\) من المادة الصلبة.»
قيّم هذا الادعاء. افترض أن التفاعل ينتج فقط أكسيدًا فلزيًا صلبًا وغاز ثاني أكسيد الكربون.
الحل 5
ادعاء الطالب B غير صحيح. فلا يزال الوعاء المحكم يحتوي على كامل \(10.00\ \text{g}\) من نواتج التفاعل، رغم أن \(6.40\ \text{g}\) فقط منها مادة صلبة.
بالنسبة إلى الطالب A، يكون النقص في كتلة المادة الصلبة المقاسة:
\[ 10.00\ \text{g} - 6.40\ \text{g} = 3.60\ \text{g} \]
وتمثل هذه الكتلة، \(3.60\ \text{g}\)، ثاني أكسيد الكربون الذي خرج من البوتقة المفتوحة.
أما بالنسبة إلى الطالب B، فما زال التحلل ينتج الكميات نفسها:
\[ 6.40\ \text{g من الأكسيد الصلب} + 3.60\ \text{g من ثاني أكسيد الكربون} = 10.00\ \text{g من النواتج الكلية} \]
ولأن الوعاء محكم الإغلاق، يظل ثاني أكسيد الكربون داخله. وإذا وُزن النظام المغلق بالكامل قبل التفاعل وبعده تحت ظروف متماثلة، فإن كتلته تظل دون تغيير.
المشكلة هنا هي الخلط بين كتلة الناتج الصلب وكتلة النظام الكيميائي بأكمله. يمكن للتحلل أن يغير المواد الموجودة وحالاتها، سواء كانت صلبة أو غازية، من دون تغيير الكمية الكلية للمادة في نظام مغلق.
13ما الذي يتيح لك فهم التحلل حسابه بعد ذلك؟
بمجرد أن تتمكن من تمييز التحلل وتوقّع نواتج منطقية، تصبح الخطوة التالية أكثر من مجرد تسمية نوع التفاعل. يمكنك استخدام المعادلة الموزونة للربط بين ما يحدث على مستوى الجسيمات والقياسات التي تُجرى في المختبر.
يمكن لانخفاض كتلة المادة الصلبة أن يخبرك بكمية الغاز التي خرجت. ويمكن لحجم الغاز أن يخبرك بكمية المتفاعل التي تحللت. وقد تشير كتلة نهائية غير متوقعة إلى تحلل غير كامل، أو وجود شوائب، أو حدوث تفاعل آخر.
يبدأ الاستدلال من نمط التفاعل، لكن حفظ الذرات والحسابات الستوكيومترية يجعلان التوقّع قابلًا للاختبار.