كثير من تلاميذ السنة الرابعة متوسط يجدون صعوبة في درس التحولات الكيميائية في المحاليل الشاردية، خاصة في كتابة معادلة التفاعل وموازنتها. وسر الحل في فكرة واحدة بسيطة: المحلول الشاردي متعادل كهربائيًا دائمًا، أي أن مجموع الشحنات الموجبة فيه يساوي مجموع الشحنات السالبة. وبهذه الفكرة تستطيع موازنة أي معادلة دون حفظها. تعرض هذه الصفحة تفاعلين أساسيين: تفاعل محلول حمضي مع معدن، وتفاعل محلول ملحي مع معدن، مع الملاحظات والتفسير المجهري وطريقة الموازنة، وتنتهي بأخطاء متكررة وتمارين محلولة.
تذكير: المحلول الشاردي
المحلول الشاردي محلول يحتوي على شوارد (أيونات) موجبة وسالبة. وكل شاردة تحمل شحنة، ومن أمثلتها: H⁺ شاردة الهيدروجين، وCl⁻ شاردة الكلور، وFe²⁺ شاردة الحديد الثنائي، وCu²⁺ شاردة النحاس الثنائي، وSO₄²⁻ شاردة الكبريتات.
أولًا: تفاعل محلول حمضي مع معدن
التجربة: نصب حمض كلور الماء (يسمى أيضًا حمض كلور الهيدروجين، وصيغته الإحصائية HCl وصيغته الشاردية H⁺ + Cl⁻) على برادة الحديد Fe.
الملاحظات:
- تصاعد فقاعات غازية، وهي غاز الهيدروجين
H₂(يكشف عنه بقرب لهب فيحدث فرقعة). - يتغير لون المحلول من الشفاف إلى اللون الأخضر الفاتح، بسبب تشكل محلول كلور الحديد الثنائي (عندما يكون الحديد ثنائيًا).
- تنقص كمية برادة الحديد.
المعادلة الشاردية:
Fe + 2(H⁺ + Cl⁻) → (Fe²⁺ + 2Cl⁻) + H₂
المعادلة بالصيغة الإحصائية (بعد حذف الشحنات وضم الشوارد):
Fe + 2HCl → FeCl₂ + H₂
ولو استعملنا معدنًا آخر كالقصدير Sn فالمعادلة تحافظ على الشكل نفسه: Sn + 2HCl → SnCl₂ + H₂. وتتغير فقط صيغة المعدن والملح الناتج. ملاحظة: ليست كل المعادن تتفاعل مع حمض كلور الماء، فالذهب والفضة والنحاس لا تتفاعل معه.
كيف نوازن المعادلة؟
الطريقة السهلة هي الانطلاق من التعادل الكهربائي:
- نكتب المحلول الشاردي لكل جهة.
- في كل محلول نختار العدد الذي يجعل مجموع الشحنات الموجبة = مجموع الشحنات السالبة.
- نحافظ على عدد الذرات من كل عنصر.
مثال: في الطرف الأيمن Fe²⁺ شحنتها +2، فنحتاج إلى 2Cl⁻ لتكون المحصلة صفرًا. وفي الطرف الأيسر نحتاج إلى 2H⁺ مقابل 2Cl⁻. ثم نتحقق: ذرتا هيدروجين في الطرفين، وشاردتا كلور في الطرفين، فالمعادلة موزونة.
ثانيًا: تفاعل محلول ملحي مع معدن
التجربة: نغمس مسمارًا حديديًا Fe في محلول كبريتات النحاس الأزرق، وصيغته الشاردية Cu²⁺ + SO₄²⁻.
الملاحظات بعد مدة:
- يتغير لون المحلول من الأزرق إلى الأخضر الفاتح.
- يتشكل راسب أحمر هو النحاس
Cuعلى الجزء المغمور من المسمار. - يتآكل الجزء المغمور من المسمار.
المعادلة بالصيغة الإحصائية:
Fe + CuSO₄ → FeSO₄ + Cu
المعادلة الشاردية (شاردة الكبريتات لا تتغير، تُهمل):
Fe + Cu²⁺ → Fe²⁺ + Cu
وهنا يظهر تبادل: ذرة الحديد تتحول إلى شاردة Fe²⁺ تنتقل إلى المحلول، وشاردة Cu²⁺ تتحول إلى ذرة Cu تترسب.
التفسير
- زوال اللون الأزرق: لأن شوارد النحاس
Cu²⁺التي تعطي المحلول لونه الأزرق اختفت وتحولت إلى ذرات نحاس. - ظهور اللون الأخضر الفاتح: دليل على تشكل شوارد الحديد الثنائي
Fe²⁺، ولونها أخضر. - الراسب الأحمر: هو ذرات النحاس.
- تآكل المسمار: لأن ذرات الحديد تحولت إلى شوارد وذابت.
التفسير المجهري
ذرة الحديد تفقد إلكترونين فتصبح Fe²⁺. وشاردة النحاس Cu²⁺ ينقصها إلكترونان لتصبح ذرة متعادلة، فتكتسب هذين الإلكترونين من الحديد فتتحول إلى ذرة Cu. أي أن الإلكترونين ينتقلان من ذرة الحديد إلى شاردة النحاس.
أخطاء شائعة
- نسيان أن المحلول الشاردي متعادل كهربائيًا وعدم التحقق من الشحنات عند الموازنة.
- كتابة شاردة
Fe²⁺بدلFeفي المتفاعلات عندما يكون الحديد صلبًا. - القول إن الغاز المنطلق في تفاعل الحمض مع المعدن هو الأكسجين، وهو الهيدروجين.
- نسيان الحالة الفيزيائية والتسمية الصحيحة: كلور الحديد الثنائي وليس الثلاثي.
- القول إن كل المعادن تتفاعل مع الأحماض.
تمارين للتدرب
- ما الغاز المنطلق عند تفاعل حمض كلور الماء مع الحديد؟ وكيف نكشف عنه؟
- اكتب المعادلة الإحصائية لتفاعل القصدير مع حمض كلور الماء.
- فسر زوال اللون الأزرق عند وضع مسمار حديدي في محلول كبريتات النحاس.
- اكتب المعادلة الشاردية لهذا التفاعل.
- ما اللون الدال على شوارد الحديد الثنائي في المحلول؟
الحلول:
- غاز الهيدروجين، ونكشف عنه بقرب لهب فيحدث فرقعة.
Sn + 2HCl → SnCl₂ + H₂.- لأن شوارد النحاس
Cu²⁺تحولت إلى ذرات نحاس. Fe + Cu²⁺ → Fe²⁺ + Cu.- اللون الأخضر (الفاتح).
الشرح المصوّر
لمن يفضل المتابعة بالصوت والصورة، يشرح الأستاذ سفيان قبايلي في فيديو «التحولات الكيميائية في المحاليل الشاردية، طريقة سهلة لموازنة المعادلات» الدرس في نحو ثلاث وعشرين دقيقة، ويبدأ بتفاعل حمض كلور الماء مع برادة الحديد وملاحظاته، ثم يتناول تفاعل محلول كبريتات النحاس مع الحديد، موضحًا كيف توزن المعادلة بالتعادل الكهربائي للمحلول.
وللتدرب على تمارين محلولة، اطلع على هذه الملفات في الموقع: