عالم الكيمياء اللاعضوية التفاعلية
ألقِ الليثيوم في الماء فيتصاعد بخاخ بلطف؛ ألقِ البوتاسيوم ويشتعل. يتتبع هذا القسم الأنماط وراء هذه الملاحظات — عائلات الجدول الدوري، الهواء الذي نتنفسه، سلم التفاعل الذي يحدد كيف يُستخرج كل معدن ولماذا يصدأ الحديد — ثم المركز العملي الضخم للمنهج: الأحماض والقواعد prepared Ammonium Carbonate and preparation salts and identification tests.
Edexcel International GCSE Chemistry 4CH1, Section 2 (العبارات 2.1–2.50) توفر معظم أسئلة الاسترجاع والتطبيق العملي في كلا الورقتين. العبارات التي تنتهي بحرف C هي للكيمياء فقط.
المجموعة 1 والمجموعة 7
المجموعة 1 (Li, Na, K) تتفاعل مع الماء لتكوين الهيدروكسيد والهيدروجين — تصاعد بخاخ، طفو، انصهار (Na)، لهب بنفسجي (K). تصبح التفاعلات أسرع وأكثر عنفاً كلما نزلنا في المجموعة: عائلة ذات اتجاه. (C) يرتفع التفاعل لأن الإلكترون الخارجي أبعد عن النواة ويُفقَد بسهولة أكبر.
المجموعة 7 (Cl₂ غاز أخضر فاتح، Br₂ سائل برتقالي بني، I₂ صلب رمادي أسود) تسود داكنًا عبر المجموعة. الهالوجين الأكثر نشاطًا يحل محل ملح هالوجين أقل نشاطًا: يحل الكلور محل البروم من بروميد البوتاسيوم (يتحول المحلول إلى البرتقالي). (C) ينخفض النشاط عبر المجموعة — لأن المدار الخارجي أبعد، مما يجعل اكتساب الإلكترون أكثر صعوبة.
الهواء والغازات
الجاف الهواء: حوالي 78 % نيتروجين، 21 % أكسجين، 0.96 % أرجون، 0.04 % ثاني أكسيد الكربون (الأربعة الأكثر وفرة). يمكن قياس نسبة الأكسجين باستخدام استهلاكها — صدأ الحديد في الهواء الرطب فوق الماء، أو احتراق الفوسفور، بحيث يرتفع الماء إلى ما يقارب الخُمس. تحترق العناصر في الأكسجين: المغنيسيوم يعطي لهباً أبيض ساطعاً وMgO أبيض؛ يحترق الهيدروجين بصوت انفجار ليصبح بخاراً؛ يعطي الكبريت لهباً أزرق وSO₂ خانق. يتحلل كربونات النحاس الثنائية بالحرارة: CuCO₃ → CuO + CO₂ (يصبح ماء الجير حليبي). CO₂ هو غاز دفيئة يساهم ارتفاع مستواه في تغير المناخ.
متسلسلة التفاعل والمعادن
ترتيب للحفظ: البوتاسيوم، الصوديوم، الليثيوم، الكالسيوم، المغنيسيوم، الألومنيوم، (الكربون)، الزنك، الحديد، (الهيدروجين)، النحاس، الفضة، الذهب. المعادن التي تقع فوق الهيدروجين — كل ما يصل إلى الحديد — تتفاعل مع حمض HCl/ه₂SO₄ المخفف لإنتاج الهيدروجين؛ وكلما كان المعدن أكثر تفاعلاً، كانت الفقاعات أسرع. يحل المعدن أي معدن أقل تفاعلاً من محلول ملحه أو أكسیده.
الصدأ يتطلب الأكسجين والماء؛ ويمنع بطرق الحواجز (الدهان، الزيت، البلاستيك)، والتجليد (طلاء بالزنك) والحماية التضحية (يتآكل معدن أكثر تفاعلاً مثل الزنك أو المغنيسيوم بدلاً منه). الأكسدة هي فقدان الإلكترونات أو اكتساب الأكسجين؛ والاختزال هو العكس؛ والتفاعل أكسدة-اختزال يحتوي على كليهما؛ العامل المؤكسد يحدث له اختزال، والعامل المختزل يحدث له أكسدة.
(C) الاستخراج يتوافق مع التفاعل: المعادن غير المتفاعلة (الذهب، الفضة) توجد طبيعيةً؛ تلك التي تحت الكربون (الحديد) تُختزل بواسطة الكربون في الفرن العالي؛ وتلك التي فوقه (الألومنيوم) تحتاج إلى تحليل كهربائي للمعدن المنصهر. يُختار الألومنيوم (كثافة منخفضة، مقاوم للتآكل)، والنحاس (موصل)، والحديد والفولاذ (قوي؛ المقاوم للصدأ يصدأ ببطء) لخصائصها. السبائك خلط معدن مع عناصر أخرى وهي أصلب لأن ذرات مختلفة الأحجام تعيق انزلاق الطبقات.
الأحماض والقواعد والأملاح
توفر الأحماض H⁺(aq)؛ والقواعد القلوية توفر OH⁻(aq). المؤشرات: ورق عباد الشمس (أحمر في الحمض، أزرق في القاعدة القلوية)، الفينول فثالين (عديم اللون ← وردي)، ميثيل بربرت (أحمر ← أصفر). مقياس الـpH pH 0–14 يصنف المحاليل (0–3 حمضية قوية … 11–14 قاعدية قوية)؛ المؤشر الشامل يقيس الـpH التقريبي. التعادل: حمض + قاعدة قلوية → ملح + ماء. (C) الأحماض هي مانحة للبروتونات، والقواعد مستقبلة للبروتونات؛ والقواعد القلوية قواعد قابلة للذوبان. (C) المعايرة: حجم ثابت من القاعدة القلوية مع مؤشر في دورق، حمض من الميزان القطري قطرةً تلو الأخرى حتى تغير اللون، كرر للحصول على نتائج متطابقة.
قواعد الذوبانية: أملاح الصوديوم والبوتاسيوم والأمونيوم — قابلة للذوبان؛ جميع النترات — قابلة للذوبان؛ الكلوريدات — قابلة للذوبان باستثناء AgCl وPbCl₂؛ الكبريتات — قابلة للذوبان باستثناء BaSO₄ وCaSO₄ وPbSO₄؛ الكربونات — غير قابلة للذوبان باستثناء Na⁺ وK⁺ وNH₄⁺؛ الهيدروكسيدات — غير قابلة للذوبان باستثناء Na⁺ وK⁺ (Ca(OH)₂ قابل للذوبان قليلاً).
حمض + معدن / قاعدة / كربونات يعطي ملحاً: مثال Zn + ه₂SO₄ → ZnSO₄ + ه₂؛ CuO + 2HNO₃ → Cu(NO₃)₂ + ه₂O. ملح قابل للذوبان من متفاعل غير قابل للذوبان (CuO + ه₂SO₄ مخفف دافئ): أضف فائضاً من القاعدة، صفا، أبخر، بلور. (C) من حمض + قاعدة قلوية: معاير ثم أبخر. (C) ملح غير قابل للذوبان: اخلط محلولين لتكوين راسب (Pb(NO₃)₂ + Na₂SO₄ → PbSO₄↓ + 2NaNO₃)، صفا، اغسل، جفف.
الاختبارات الكيميائية
الغازات: الهيدروجين — يوقد عود ثقاب مشتعلاً بصوت طقطقة؛ الأكسجين — يعيد إشعال عود ثقاب مشعوس؛ ثاني أكسيد الكربون — يجعل ماء الجير عكراً؛ الأمونيا — يحول ورق عباد الشمس الرطب الأحمر إلى الأزرق؛ الكلور — يبيض ورق عباد الشمس الرطب. الكاتيونات: اختبارات اللهب (Li⁺ أحمر، Na⁺ أصفر، K⁺ بنفسجي فاتح، Ca²⁺ برتقالي-أحمر، Cu²⁺ أزرق-أخضر)؛ NH₄⁺ يدفأ مع NaOH(aq) إعطاء الأمونيا؛ Cu²⁺/Fe²⁺/Fe³⁺ يعطي رواسب زرقاء/خضراء/بنية صدئة مع NaOH(aq). الأنيونات: Cl⁻/Br⁻/I⁻ تعطي رواسب بيضاء/كريمة/صفراء فاتحة مع نترات الفضة المحمضة؛ SO₄²⁻ يعطي راسباً أبيض مع كلوريد الباريوم المحمض؛ CO₃²⁻ تفور مع HCl المخفف إعطاء CO₂. الماء: يحول كبريتات النحاس(II) اللامائية من الأبيض إلى الأزرق؛ يغلي عينة الماء النقي بحدة عند 100 °C.
تحقق من نفسك
- صف اتجاه التفاعل نحو أسفل المجموعة 1 وأعطِ السبب الإلكتروني (C).
- ماذا يُرى عند إضافة ماء الكلور إلى بروميد البوتاسيوم، ولماذا؟
- سمِّ أربع غازات الأكثر وفرة في الهواء الجاف مع نسب مئوية تقريبية.
- اذكر الشرطين المطلوبين لصدأ الحديد وطريقتين للوقاية منه.
- عرّف الأكسدة والاختزال بدلالة الإلكترونات.
- (C) لماذا يُستخرج الألومنيوم بالتحليل الكهربائي بينما يُستخرج الحديد بالاختزال بالكربون؟
- أي الكلوريدات غير قابلة للذوبان، وأي الكبريتات؟
- اكتب معادلة تفاعل أكسيد النحاس الثنائي (II) مع حمض الكبريتيك.
- صف ألوان اختبار اللهب للصوديوم والبوتاسيوم والنحاس.
- صف اختبار أيونات الكبريتات والنتيجة الإيجابية.
الإجابات: 1 تزداد التفاعلية في اتجاه المجموع (B1)؛ (C) الإلكترون الخارجي يكون في غلاف أبعد عن النواة، لذا يُفقد بسهولة أكبر؛ 2 المحلول يتحول للون البرتقالي — لأن الكلور يحل محل البروم نظراً لتفاعله الأعلى كهالوجين؛ 3 النيتروجين ≈78 ٪، الأكسجين ≈21 ٪، الأرجون ≈0.96 ٪، ثاني أكسيد الكربون ≈0.04 ٪؛ 4 الأكسجين والماء؛ طرق الحواجز (الطلاء/الدهون/البلاستيك) والتغليف بالزنك أو الزنك التضحي؛ 5 الأكسدة هي فقد الإلكترونات، والاختزال هو اكتسابها؛ 6 (C) يقع الألومنيوم فوق الكربون في سلسلة التفاعلية، لذا لا يستطيع الكربون اختزال أكسيده — يتطلب ذلك التحليل الكهربوي للألومينا المصهرة؛ الحديد يقع تحت الكربون، لذا يحلّه الكربون من أكسيده؛ 7 AgCl و PbCl₂؛ BaSO₄، CaSO₄ و PbSO₄؛ 8 CuO(s) + H₂SO₄(aq) → CuSO₄(aq) + H₂O(l)؛ 9 الصوديوم أصفر، البوتاسيوم بنفسجي فاتح، النحاس أزرق مخضر؛ 10 أضف حمض الهيدروكلوريك المخفف ثم محلول كلوريد الباريوم — ترسب أبيض من BaSO₄ يؤكد وجود الكبريتات.