تأثير العوامل الحركية على تحول كيميائي، ع م

ملاحظة: توجد وثيقة التلميذ بصيغة الـ PDF في نهاية المقال

مؤشرات الكفاءة:

ـ يختار و يوظف عاملا حركيا لتسريع أو إبطاء تحول كيميائي.

ـ يعرف و يفسر دور الوسيط اعتمادا على بعض المفاهيم الحركية.

التجربة1: تأثير التركيز الابتدائي للمتفاعلات.

الوسائل المستعملة:

ـ محلول حمض الكبريت المركز (2H⁺ + SO₄^2-)_(aq)

ـ علبة بلاستيكية ليود البوتاسيوم KI_(s) الصلب كتلته المولية M = 166g/mol .

ـ قارورة بلاستيكية للماء الأوكسيجيني H₂O_2(aq) ، 10V.

ـ ماء مقطر.

ـ 3 كؤوس بيشر سعتها 100 mL

ـ ماصة عيارية سعتها 5 mL

ـ مخلاط مغناطيسي.

مخبار مدرج 10 mL

ـ حوجلة عيارية سعتها 250 mL

خطوات العمل:

1 ـ أ/ البروتوكول التجريبي لتحضير 250 mL من يود البوتاسيوم (K⁺ + I^-)_(aq) ترکیزه 0,1 mol/L

ـ حساب كتلة يود البوتاسيوم الصلب الواجب أخذها:

m = MCV =166×0,1×0,25 = 4,15g

ـ بواسطة الميزان الإلكتروني نزن كتلة قدرها 4,15 g من يود البوتاسيوم الصلب.

ـ نذيب يود البوتاسيوم الصلب في 10 mL من الماء المقطر في البيشر الموجود فوق مخلاط مغناطيسي.

ـ نسكب المحلول في حوجلة عيارية سعتها 250 mL ثم نكمل بالماء المقطر إلى خط العيار مع الرج.

ب/ البرتوكول التجريبي للحصول على 10 mL من يود البوتاسيوم تركيزه 0,05 mol/L

ـ حساب حجم المحلول الأصلي الواجب أخذه:

لدينا:

$$V_1 = \frac{C_2 V_2}{C_1}$$

ومنه​:

$$V_1 = \frac{0.05 \times 10}{0.1}$$

ومنه:

$$V_1 = 5 \, \text{mL}$$

 نأخذ بواسطة ماصة عيارية سعتها 5 mL من محلول يود البوتاسيوم تركيزه C₁ = 0,1mol/L ثم نضعه في مخبار مدرج بـ mL سعته 10 mL ونكمل الحجم بالماء المقطر إلى التدريجة 10 مع الرج

2 ـ أ/ البروتوكول التجريبي لتحضير 250 mL محلول الماء الأكسجيني H₂O_2(aq) ترکیزه 0,1 mol/L:

ـ حساب تركيز محلول الماء الأكسجيني الموجود في القارورة:

لدينا:

$$C = \frac{n}{V} = \frac{2X_{\text{max}}}{V} = \frac{2V_g}{V_M \cdot V}$$

ومنه:

$$C=\frac{2\times 10}{22.4\times 1}=0.892\text{mol/L}\approx 0.9\text{mol/L}$$

ـ حساب حجم الماء الأكسجيني اللازم أخذه:

لدينا:

$$C_1 V_1 = C_2 V_2$$

ومنه​:

$$V_1 = \frac{C_2 V_2}{C_1} = \frac{0.1 \times 250}{0.9}$$

ومنه:

$$V_1=27.8\text{mL}$$

ـ نسكب حجما قدره V = 27,8 mL من الماء الأكسجيني 10V في حوجلة عيارية سعتها 250 mL ثم نكمل بالماء المقطر إلى غاية خط العيار مع الرج.

ملاحظات:

ـ لعدم وجود ماصة تسمح لنا بأخذ الحجم 27,8 mL من الماء الأكسجيني استعملنا سحاحة مدرجة سعتها 50 mL للدقة (يمكن استعمال مخبار مدرج سعته 50 mL).

ـ 10V تعني يتحرر 10 L من غاز ثنائي الأكسجين O_2(g) (في الشرطين النظاميين) من محلول H₂O_2(aq)  حجمه 1 L

ب/ البرتوكول التجريبي للحصول على 10 mL من محلول مخفف للماء الأكسجيني تركيزه 0,05 mol/L:

ـ نتبع نفس الخطوات السابقة السؤال (السؤال1 ـ ب) أي نأخذ بواسطة ماصة عيارية سعتها 5 mL من محلول الماء الأكسجيني تركيزه C₁ = 0,1mol/L في مخبار مدرج سعته 10 mL نضيف له الماء المقطر حتى خط العيار مع الرج.

3 ـ نحضر ثلاث خلائط و نضيف لكل خليط قطرتين من محلول حمض الكبريت المركز كما في الجدول التالي:

[H2O2]0(mol/L)	[I-]0(mol/L)	محلول (K+ + I-)(aq)		محلول H2O2(aq)		الخليط
		V2(mL)	C2(mol/L)	V1(mL)	C1(mol/L)
		5	0,1	5	0,1	1
		5	0,05	5	0,1	2
		5	0,05	5	0,05	3

المطلوب:

1ـ معادلة التفاعل المنمذج للتحول السابق:

المعادلة الإلكترونية النصفية للأكسدة هي:

2I^-_(aq) = I_2(aq) + 2e^-

المعادلة الإلكترونية النصفية للإرجاع هي:

H₂O_2(aq) + 2H⁺_(aq) + 2e^- = 2H₂O_(l)

معادلة الأكسدة - إرجاع هي:

2I^-_(aq) + H₂O_2(aq) + 2H⁺_(aq) = I_2(aq) + 2H₂O_(l)

2 ـ إكمال الجدول السابق:

ـ حساب [I^-]₀ ، [H₂O₂]₀:

لدينا:

$$[I^-]_0 = \frac{C_2 V_2}{V_1 + V_2}$$$$[H_2O_2]_0 = \frac{C_1 V_1}{V_1 + V_2}$$

[H2O2]0(mol/L)	[I-]0(mol/L)
0,05	0,05
0,05	0,025
0,025	0,025

3 ـ تتناقص الشدة اللونية في الكؤوس الثلاث من الكأس (1) إلى الكأس (3).

كلما يزداد التركيز المولي الابتدائي للمتفاعل كلما كان التفاعل أسرع و نفسر ذلك بأنه كلما كان عدد الأفراد في وحدة الحجم أكبر كان تواتر الاصطدامات الفعالة أكبر و كان التحول أسرع.

التجربة 2: تأثير درجة الحرارة.

الوسائل المستعملة:

ـ قارورة زجاجية لحمض كلور الماء (H⁺ + Cl^-)_(aq) المركز على واجهتها ملصقة بها المعلومات:

الكتلة المولية: M = 36,5g/mol

الكثافة: 1,185 = d

درجة النقاوة: %37 = P .

ـ محلول ثيوكبريتات الصوديوم (2Na⁺ + S₂O₃^2-)_(aq) تركيزه 0,1 mol/L

ـ حوجلة عيارية سعتها 250 mL

ـ حوض زجاجي به ماء ساخن درجة حرارته 70°C

ـ حوض زجاجي به قطع جليدية.

ـ ماصة عيارية سعتها 5 mL

ـ كؤوس بيشر سعتها 100 mL

ـ محرار ، ميقاتية.

خطوات العمل:

1 ـ البروتوكول التجريبي لتحضير 250 mL من محلول حمض كلور الماء (H⁺ +Cl^-)_(aq) تركيزه 0,1 mol/L:

ـ حساب التركيز المولي لحمض كلور الماء المركز:

لدينا:

$$C = \frac{10 \times P \times d}{M}$$

وبالتعويض بالقيم المعطاة:

$$C = \frac{10 \times 37 \times 1.185}{36.6}$$ $$C = 12 \, \text{mol/L}$$

ـ حساب حجم المحلول الحمضي الواجب أخذه:

لدينا:

$$C_1 V_1 = C_2 V_2$$

ومنه​:

$$V_1 = \frac{C_2 V_2}{C_1} = \frac{0.1 \times 250}{12}$$

ومنه:

$$V_1=2.1\text{mL}$$

ـ في حوجلة عيارية سعتها 250 mL نضع 2,1 mL من محلول حمض كلور الماء المركز ثم نكمل بالماء المقطر إلى خط العيار مع الرج.

2 ـ نأخذ 3 كؤوس بيشر و نضع في كل واحد منهم 5 ml من محلول حمض كلور الماء تركيزه 0,1 mol/L و 5 mL من محلول ثيوكبريتات الصوديوم تركيزه 0,1 mol/L

ـ نضع الكأس الثالث في حوض زجاجي به ماء ساخن درجة حرارته 70°C

ـ نترك الكأس الثاني في درجة الحرارة العادية.

ـ نضع الكأس الأول في حوض زجاجي به قطع جليدية.

المطلوب:

1ـ معادلة التفاعل المنمذج للتحول السابق:

المعادلة الإلكترونية النصفية للأكسدة هي:

S₂O₃^2-_(aq) + H₂O_(ℓ) = 2SO_2(g) + 2H⁺_(aq) + 4e^-

المعادلة الإلكترونية النصفية للإرجاع هي:

 S₂O₃^2-_(aq) + 6H⁺ _(aq) +4e^- = 2S_(s) + 3H₂O_(ℓ)

معادلة الأكسدة ـ الإرجاع هي:

S₂O₃^2-_(aq) + 2H⁺ _(aq) = S_(s) + SO_2(g) + H₂O_(ℓ)

2 ـ بعد حوالي ثانيتين من لحظة إضافة حمض كلور الهيدروجين إلى محلول ثيوكبريتات الصوديوم لا نلاحظ أي شيء، وبعد حوالي عشر ثوان يشاهد في البداية اللون الأزرق الفاتح، بمرور الزمن يبدأ اللون الأصفر بالظهور وهو لون الكبريت S_(s) ونشم رائحة قوية وهي رائحة ثاني أكسيد الكبريت SO_2(g)، بعد ربع ساعة نلاحظ تزايد الشدة اللونية في الكؤوس الثلاثة من الكأس (1) إلى الكأس (3).

3 ـ كلما ارتفعت درجة الحرارة يكون تطور الجملة الكيميائية سريعا، نفسر ذلك بأنه كلما كانت درجة الحرارة عالية كان تواتر الاصطدامات الفعالة أكبر كان التحول أسرع، لذا لكي لا تتلف المواد الغذائية نضعها في الثلاجة.

في بداية التفاعل تبدأ بلورات الكبريت في التشكل، وهي بلورات متناهية في الصغر أبعادها من رتبة الميكرو متر. تقوم هذه البلورات بنشر الضوء، ويكون اللون الأزرق أكثر انتشارا، فبالنسبة لملاحظ جانبي لا ينظر شاقوليا للإناء يشاهد في البداية اللون الأزرق الفاتح بمرور الزمن يزداد حجم بلورات الكبريت فيتعكر المحلول

ملاحظة:

يمكن وضع كأسي بيشر A و B فوق قطع ورقية عليها علامة بالحبر الأسود مثلا حرف (X)، ثم استعمال نفس الحجم من المزيج المتفاعل، حتى لا يتدخل سمك طبقة السائل كعامل في حجب العلامة السوداء، في مقارنة كيفية تطور التفاعل في كل بيشر، و بالتالي يكون السبب الوحيد في حجب العلامة، هو كمية الكبريت الناتجة في كل كأس.

التجربة 3: تأثير الوسيط.

يتفكك الماء الأكسجيني ذاتيا إلى ماء و ثنائي الأكسجين: 2H₂O_2(aq) = 2H₂O_(ℓ) + O_2(g)

يعتبر هذا التفاعل تفاعلا بطيئا جدا في درجة الحرارة العادية و لتسريعه يجب استعمال وسيط .

الوسائل المستعملة:

ـ محلول كلور الحديد الثلاثي (Fe³⁺ + 3Cℓ^-)_(aq) لونه أصفر برتقالي(أي لون الصدأ).

ـ قطعة صغيرة من الكبد.

ـ 3 كؤوس بيشر تحتوي على كمية من محلول الماء الأكسجيني 10V.

خطوات العمل:

نأخذ 4 كؤوس بيشر تحتوي على كمية من محلول الماء الأكسجيني 10V.

ـ البيشر (1) يستعمل كشاهد.

ـ نغمس في البيشر (2) سلكا من البلاتين أو من الحديد معروف الكتلة.

ـ نضيف للبيشر (3) قليلا من محلول كلور الحديد الثلاثي .

ـ نضيف للبيشر (4) قطعة صغيرة من الكبد.

1 ـ نستنتج أن:

في البيشر (1): لا نلاحظ شيئا لأن تفكك الماء الأكسجيني في الظروف العادية بطيء جدا.

في البيشر (2): انطلاق فقاعات من غاز ثنائي الأكسجين O₂ نكشف عنه مثلا بإشعال عود ثقاب (الأفضل استعمال قصب التمر) ثم إطفائه وإدخاله مباشرة في أنبوب التجربة فنلاحظ أن جمرته تزداد توهجا.

بعد مدة من التحول نزن المسمار فنلاحظ أن كتلته لا تتغير بعد حدوث التفاعل الكيميائي.

في البيشر (3) : ظهور فقاعات غازية بعد حوالي 5 ثواني من إضافة محلول كلور الحديد الثلاثي يختفي اللون البرتقالي (الذي يعود لشوارد الحديد الثلاثي Fe³⁺) تدريجيا بتطور التفاعل ثم يعود في نهاية التفاعل ، إذا شوارد

الحديد الثلاثي Fe³⁺ وسيط.

أحينا يشارك الوسيط في التفاعل الكيميائي، لكن يظهر في الحالة النهائية كما كان في الحالة الابتدائية، لذلك لا يكتب في معادلة التفاعل.

ملاحظة: 

يمكن تعويض محلول كلور الحديد الثلاثي (Fe³⁺ + 3Cℓ^-)_(aq)، 

بمحلول نترات الحديد الثلاثي (Fe³⁺ + 3NO₃^-)_(aq)

في البيشر (4): بمجرد إضافة قطعة الكبد تظهر فقاعات غازية بسبب أنزيم الكاتالاز. أنزيم الكاتالاز نوع يساعد على

تسريع تفكك الماء الأكسجيني فهو وسيط أنزيمي

ـ في رأيك كيف يؤدي الوسيط دوره في التفاعل الكيميائي ؟ هل يمكنك إعطاء مقاربة لهذا المفهوم؟

التفاعلات الكيميائية غالبا ما تكون بطيئة، أو بطيئة جدا لأنها تمر بمراحل انتقالية تحتاج إلى طاقة كبيرة، بالتالي صعبة.

دور الوسيط هو إيجاد "ممرات تفاعلية" لتجنب حدوث هذه التفاعلات الانتقالية، الأمر الذي يؤدي إلى زيادة سرعة التفاعل.

ـ تعتمد الصناعة الغذائية وبعض الصناعات الأخرى في تسريع إنتاجها على العوامل الحركية في التحضير الكيميائي، فعامل الحرارة مكلف صناعيا (ارتفاع سعر البترول)، لهذا تنصب الأبحاث حاليا نحو استعمال أنجع الوسائط الكيميائية لأنها غير مكلفة.

تنبیه:

ـ يجب اقتناء الماء الأكسيجيني المحضر حديثا، و يكون في قارورات عاتمة، ومحفوظة في مكان بعيد عن الضوء والحرارة.

وثيقة التلميذ بصيغة الـ PDF