المقصود بالحسابات الكيميائية

5-3

المقصود بالحسابات الكيميائية

Defining Stoichiometry

الأهداف

• تصف العلاقات من خلال معادلة كيميائية موزونة.
• تذكر النسب المولية في المعادلة الكيميائية الموزونة.

مراجعة المفردات

المواد المتفاعلة: المواد التي يبدأ بها التفاعل الكيميائي.

المفردات الجديدة

• الحسابات الكيميائية.
• النسبة المولية.

الفكرة الرئيسية

تحدد كمية كل مادة متفاعلة عند بداية التفاعل الكيميائي كمية المادة الناتجة.

الربط مع الحياة

لعلك شاهدت شمعة تحترق. عندما تحترق الشمعة تمامًا، أو طفلًا يلهو بالألعاب النارية، ينتج تفاعل الاحتراق في كلتا الحالتين.

---

علاقة المول بالجسيمات

Particles and Mole Relationship

هل مزجت بالخارج الملح اللازم لتحويل المخبوزات إلى براونيز أو بسكويت ثم أضيفت كبريتات الصوديوم الهيدروجينية في أثناء التجربة الاستهلالية؟ إذا استهلكت أن برمنجنات البوتاسيوم قد استهلكت، وأن التفاعل قد توقف، فهذا صحيح. تتوقف التفاعلات الكيميائية عندما تستهلك إحدى المواد المتفاعلة.

وعندما يخطط الكيميائي لتفاعل برمنجنات البوتاسيوم وكبريتات الصوديوم الهيدروجينية فإنه يسأل: كم جرامًا من برمنجنات البوتاسيوم يحتاج لتفاعل كامل مع كتلة محددة من كبريتات الصوديوم الهيدروجينية؟ وقد تساءلت أيضًا عند تنفيذ تفاعل البناء الضوئي: ما الكمية التي تحتاج إليها من الماء من أجل إكساد الكربون لتكوين السكر؟ إن الحسابات الكيميائية هي الطريقة الصحيحة للإجابة عن هذه الأسئلة.

الحسابات الكيميائية تسمى دراسة العلاقات الكمية بين المواد المتفاعلة والمواد الناتجة في التفاعل الكيميائي. وتعتمد الحسابات الكيميائية على قانون حفظ الكتلة، الذي ينص على أن المادة لا تفنى ولا تستحدث في التفاعل الكيميائي إلا بقدرة الله تعالى.

وتساوي كمية المادة الناتجة عن نهاية أي تفاعل كيميائي كمية المواد المستهلكة في بداية التفاعل. لذا فعند كتابة معادلة كيميائية يساعدك وعيك بأجسام وعدد المواد الناتجة. لاحظ تفاعل مسحوق الحديد Fe مع الأكسجين O₂، الموضح في الشكل 5-8، فعلى الرغم من تكون مركب جديد هو أكسيد الحديد III، Fe₂O₃، فإن كتلة هذا المركب الجديد لا تختلف عن كتلة مادتي التفاعل.

الشكل 5-8

الصورة التابعة: صفحة176_الشكل_5_8_شرارة_الحديد_وتفاعل_الحديد_مع_الأكسجين.png

تحدد المعادلة الكيميائية الموزونة لتفاعل الحديد والأكسجين العلاقة بين كمية المواد المتفاعلة والناتجة.

---

تكتب المعادلة الكيميائية الموزونة للتفاعل الكيميائي الموضح في الشكل 5-8 على النحو الآتي:

4Fe(s) + 3O₂(g) → 2Fe₂O₃(s)

تبين هذه المعادلة تفاعل أربع ذرات حديد مع ثلاث جزيئات أكسجين لإنتاج وحدتي صيغة كيميائية من أكسيد الحديد III.

تذكر أن المعامل في المعادلة يمثل المولات، لذا تستطيع القول إن أربعة مولات من الحديد قد تفاعلت مع ثلاثة مولات أكسجين لإنتاج مولين من أكسيد الحديد III.

ولا تعطي المعادلة الكيميائية معلومات مباشرة عن كتل المواد المتفاعلة والناتجة، إلا أنه يمكنك تحويل عدد المولات المعروفة إلى كتلة تصبح علاقات الكتلة واضحة. تذكر أنه يمكنك تحويل عدد المولات إلى كتلة بضربها في الكتلة المولية.

لذا فإن كل العلاقات في المعادلة هي على النحو الآتي:

4 mol Fe × 55.85 g Fe / 1 mol Fe = 223.4 g Fe

3 mol O₂ × 32.00 g O₂ / 1 mol O₂ = 96.00 g O₂

ولذا فإن الكتلة الكلية للمواد المتفاعلة هي:

223.4 g + 96.00 g = 319.4 g

وبطريقة مماثلة، فإن كتلة المواد الناتجة هي:

2 mol Fe₂O₃ × 159.7 g Fe₂O₃ / 1 mol Fe₂O₃ = 319.4 g

لاحظ تساوي كتل المواد المتفاعلة والناتجة:

كتلة المواد المتفاعلة = كتلة المواد الناتجة

319.4 g = 319.4 g

وكما هو متوقع من قانون حفظ الكتلة، فإن مجموع كتل المواد المتفاعلة يساوي مجموع كتل المواد الناتجة.

مفردات

أصل الكلمة

الصورة التابعة: صفحة177_مفردات_أصل_كلمة_الحسابات_الكيميائية.png

الحسابات الكيميائية

يعود أصل كلمة الحسابات الكيميائية Stoichiometry إلى الكلمة اليونانية Stoichiometry المكونة من كلمتين هما:

Stoikheion وتعني العنصر.
metron وتعني القياس.

ماذا قرأت؟

سجل قائمة أنواع العلاقات التي يمكن اشتقاقها من المعادلات في معادلة كيميائية موزونة.

الجدول 5-2

العلاقات المشتقة من المعادلة الكيميائية الموزونة

الصورة التابعة: صفحة177_الجدول_5_2_العلاقات_المشتقة_من_المعادلة_الكيميائية_الموزونة.png

| 4Fe(s) | + | 3O₂(g) | → | 2Fe₂O₃(s) |
| -------------------- | - | ------------------ | - | ---------------- |
| الحديد | + | الأكسجين | → | أكسيد الحديد III |
| 4 atoms Fe | + | 3 molecules O₂ | → | 2 Formula units |
| 4 mol Fe | + | 3 mol O₂ | → | 2 mol Fe₂O₃ |
| 223.4 g Fe | + | 96.00 g O₂ | → | 319.4 g Fe₂O₃ |
| 319.4 g مواد متفاعلة | → | 319.4 g مواد ناتجة | | |

---

مثال 5-6

تفسير المعادلات الكيميائية

تزودنا احتراق البروبان C₃H₈ بالطاقة اللازمة لتدفئة البيوت، وطهو الطعام، ولحام الأجسام الفلزية. فسر معادلة احتراق البروبان باستخدام عدد الجسيمات وعدد المولات والكتلة، ثم وضح تطبيق قانون حفظ الكتلة.

1. تحليل المسألة

تمثل معاملات المعادلة الكيميائية الموضحة أدناه كلًا من المولات، والجسيمات الممثلة، في هذه الحالة الجزيئات. وسيتم إثبات قانون حفظ الكتلة إذا كانت كتل المواد المتفاعلة والمواد الناتجة متساوية.

المعطيات

C₃H₈(g) + 5O₂(g) → 3CO₂(g) + 4H₂O(g)

المطلوب

عدد الجزيئات = ؟
عدد المولات = ؟
كتل المواد المتفاعلة والناتجة = ؟

2. حساب المطلوب

تحدد المعاملات في المعادلة الكيميائية عدد الجزيئات:

1 molecule C₃H₈ + 5 molecules O₂ → 3 molecules CO₂ + 4 molecules H₂O

وتحدد المعاملات في المعادلة الكيميائية عدد المولات أيضًا:

1 mol C₃H₈ + 5 mol O₂ → 3 mol CO₂ + 4 mol H₂O

وللتحقق من حفظ الكتلة، تحول أولًا أعداد مولات المواد المتفاعلة والمواد الناتجة إلى كتلة، وذلك بالضرب في معامل التحويل الكتلة المولية، التي تربط بين الجرامات والمولات.

كتلة البروبان C₃H₈:

1 mol C₃H₈ × 44.09 g C₃H₈ / 1 mol C₃H₈ = 44.09 g C₃H₈

كتلة الأكسجين O₂:

5 mol O₂ × 32.00 g O₂ / 1 mol O₂ = 160.0 g O₂

كتلة ثاني أكسيد الكربون CO₂:

3 mol CO₂ × 44.01 g CO₂ / 1 mol CO₂ = 132.0 g CO₂

كتلة الماء H₂O:

4 mol H₂O × 18.02 g H₂O / 1 mol H₂O = 72.08 g H₂O

اجمع كل المواد المتفاعلة:

44.09 g C₃H₈ + 160.0 g O₂ = 204.1 g

اجمع كل المواد الناتجة:

132.0 g CO₂ + 72.08 g H₂O = 204.1 g

تطبيق قانون حفظ الكتلة:

مواد متفاعلة 204.1 g = مواد ناتجة 204.1 g

3. تقويم الإجابة

إن مجموع كتل المواد المتفاعلة تساوي مجموع كل المواد الناتجة، كما هو متوقع من قانون حفظ الكتلة.

---

مسائل تدريبية

الصورة التابعة: صفحة179_مسائل_تدريبية_تفسير_وزن_المعادلات.png

• فسر المعادلات الكيميائية الموزونة الآتية من حيث عدد الجسيمات والمولات والكتلة، آخذًا بعين الاعتبار قانون حفظ الكتلة:

a. N₂(g) + 3H₂(g) → 2NH₃(g)
b. HCl(aq) + KOH(aq) → KCl(aq) + H₂O(l)
c. 2Mg(s) + O₂(g) → 2MgO(s)

• تحفيز: زن المعادلات الكيميائية الآتية، ثم فسرها من حيث عدد الجسيمات والمولات والكتلة، آخذًا بعين الاعتبار قانون حفظ الكتلة:

a. __Na(s) + __H₂O(l) → __NaOH(aq) + __H₂(g)

b. __Zn(s) + __HNO₃(aq) → __Zn(NO₃)₂(aq) + __N₂O(g) + __H₂O(l)

---

تجربة عملية

الصورة التابعة: صفحة179_تجربة_عملية_تحديد_نسب_التفاعل.png

تحديد نسب التفاعل.
ارجع إلى دليل التجارب العملية على منصة عين الإثرائية.

---

نسبة المولات

لقد تعلمت أن المعاملات في المعادلة الكيميائية تظهر العلاقات بين مولات المواد المتفاعلة ومولات المواد الناتجة. وتستطيع أن تستخدم العلاقات بين المعاملات لاشتقاق عوامل التحويل لنسبة المولية.

النسبة المولية هي نسبة بين أعداد المولات لأي مادتين في المعادلة الكيميائية الموزونة.

ففي المثال الآتي تتفاعل مولات البوتاسيوم K مع البروم Br₂ لتكوين بروميد البوتاسيوم KBr. ويستعمل الأطباء البيطريون الملح الأيوني الناتج عن التفاعل، بروميد البوتاسيوم، دواء مضادًا للصرع عند الكلاب والقطط.

2K(s) + Br₂(l) → 2KBr(s)

فأي نسب مولية يمكن كتابتها لهذا التفاعل؟ تستطيع بدءًا بالبوتاسيوم المتفاعل كتابة النسبة المولية التي تربط بين مولات البوتاسيوم وكل من المادتين الأخريين في المعادلة، ولذلك تربط إحدى النسب المولية بين مولات البوتاسيوم ومولات البروم المتفاعلة، في حين تربط النسبة الأخرى مولات البوتاسيوم مع مولات بروميد البوتاسيوم الناتجة.

2 mol K / 2 mol KBr
2 mol K / 1 mol Br₂

تظهر النسبتان الآتيتان كيف ترتبط مولات البروم مع مولات المادتين الأخريين في المعادلة، وهما البوتاسيوم وبروميد البوتاسيوم:

1 mol Br₂ / 2 mol KBr
1 mol Br₂ / 2 mol K

وترتبط بصورة مماثلة نسبتا مولات بروميد البوتاسيوم مع مولات البوتاسيوم والبروم:

2 mol KBr / 1 mol Br₂
2 mol KBr / 2 mol K

وتحدد هذه النسب الست عدد المولات في هذه المعادلة؛ إذ تشكل كل مادة من المواد الثلاث في المعادلة نسبة مع المادتين الأخريين.

الشكل 5-9

الصورة التابعة: صفحة179_الشكل_5_9_تفاعل_البوتاسيوم_والبروم.png

يتفاعل فلز البوتاسيوم السريع التفاعل بشدة لتكوين المركب الأيوني بروميد البوتاسيوم.

ماذا قرأت؟

حدد المصدر الذي تشتق منه النسب المولية للتفاعل الكيميائي.

---

مسائل تدريبية

الصورة التابعة: صفحة180_مسائل_تدريبية_النسب_المولية.png

• حدد النسب المولية جميعها لكل من المعادلات الكيميائية الموزونة الآتية:

a. 4Al(s) + 3O₂(g) → 2Al₂O₃(s)
b. 3Fe(s) + 4H₂O(l) → Fe₃O₄(s) + 4H₂(g)
c. 2HgO(s) → 2Hg(l) + O₂(g)

• تحفيز: زن المعادلات الآتية، ثم حدد النسب المولية الممكنة:

a. ZnO(s) + HCl(aq) → ZnCl₂(aq) + H₂O(l)
b. C₄H₁₀(g) + O₂(g) → CO₂(g) + H₂O(g)

لاحظ أن عدد النسب المولية التي يمكن كتابتها لتفاعل يحتوي n من المواد هو:

n(n - 1)

لذا، فالتفاعلات التي فيها 4 مواد يمكن كتابة:

4(4 - 1) = 12 نسبة مولية منها على التوالي.

والتفاعل الذي فيه 5 مواد يمكن كتابة:

5(5 - 1) = 20 نسبة مولية.

---

التقويم 5-3

الخلاصة

الصورة التابعة: صفحة180_التقويم_5_3_الخلاصة_والأسئلة.png

الخلاصة

• تفسر المعادلة الكيميائية الموزونة على أساس المولات والكتلة والجسيمات الممثلة، ذرات، جزيئات، وحدات صيغ كيميائية.
• يطبق قانون حفظ الكتلة على التفاعلات الكيميائية جميعها.
• تشتق النسب المولية من معاملات المعادلة الكيميائية الموزونة. وتوفر نسبة مولية نسبة عدد مولات إحدى المواد المتفاعلة أو الناتجة، لعدد مولات مادة أخرى متفاعلة أو ناتجة في التفاعل الكيميائي.

أسئلة التقويم 5-3

• الفكرة الرئيسية: قارن بين كتل المواد المتفاعلة والمواد الناتجة في التفاعل الكيميائي، ووضح متى تتحدد هذه الكتل.

• حدد عدد النسب المولية التي يمكن كتابتها لتفاعل كيميائي يوجد فيه ثلاث مواد.

• صنف طرائق تفسير المعادلة الكيميائية الموزونة.

• طبق المعادلة العامة لتفاعل كيميائي:

xA + yB → zAB

حيث يمثل A و B عنصرين، وتمثل x و y و z المعاملات. حدد النسب المولية لهذا التفاعل.

• طبق: يتفكك فوق أكسيد الهيدروجين لينتج الماء والأكسجين. اكتب معادلة كيميائية موزونة لهذا التفاعل، ثم حدد النسب المولية.

• نمذج: اكتب النسب المولية لتفاعل غاز الهيدروجين مع غاز الأكسجين:

2H₂ + O₂ → 2H₂O

ثم ارسم 6 جزيئات هيدروجين تتفاعل مع العدد المناسب من جزيئات الأكسجين، ثم وضح عدد جزيئات الماء المتكونة.