لماذا يضيء المصباح حين نغمس سلكي الدارة في ماء مالح ولا يضيء في ماء سكري؟ الجواب في هذا الدرس، وهو أول دروس المادة وتحولاتها في الفصل الثاني. فهم الشاردة والمحلول الشاردي هو المفتاح لدروس لاحقة في الوحدة نفسها: لا يمكنك كتابة صيغة محلول شاردي ولا معادلة تفاعل بين شوارد قبل أن تتقن هذه الفكرة. تبدأ الصفحة بالتجربة، ثم تعرّف الشاردة، وتفرق بين البسيطة والمركبة، وتكتب صيغ المحاليل الشاردية، ثم تنتهي بأخطاء متكررة وتمارين محلولة.
تجربة: ما الذي ينقل التيار الكهربائي؟
نركّب دارة فيها بطارية وقاطعة ومصباح، ونغمس سلكي التوصيل في وعاء. ثم نغيّر محتوى الوعاء ونسجل حالة المصباح:
- ماء مقطر: لا يتوهج المصباح.
- مسحوق السكر: لا يتوهج المصباح.
- مسحوق الملح: لا يتوهج المصباح.
- محلول السكر في الماء: لا يتوهج المصباح.
- محلول الملح في الماء: يتوهج المصباح.
نستنتج أن المساحيق الصلبة غير ناقلة للتيار الكهربائي مهما كانت. وأن المحلول (وهو خليط متجانس من مذاب ومذيب، والمذيب هنا هو الماء، فيسمى محلولًا مائيًا) قد ينقل التيار أو لا ينقله:
- المحلول الجزيئي: غير ناقل للتيار الكهربائي، مثل محلول السكر. يحتوي على جزيئات متعادلة.
- المحلول الشاردي: ناقل للتيار الكهربائي، مثل محلول الملح. يحتوي على شوارد حرة الحركة.
إذن الشوارد هي الحاملة للشحنات الكهربائية داخل المحلول، وهي المسؤولة عن مرور التيار فيه.
ما هي الشاردة؟
الذرة متعادلة كهربائيًا: عدد شحناتها الموجبة (البروتونات) يساوي عدد شحناتها السالبة (الإلكترونات). تذكر ما درسته في التكهرب: الإيبونيت يكتسب إلكترونات فيصبح سالب الشحنة، والزجاج يفقد إلكترونات فيصبح موجب الشحنة. وبالطريقة نفسها قد تكتسب ذرة إلكترونًا أو أكثر، أو تفقد إلكترونًا أو أكثر. حينها لا يتساوى عدد الإلكترونات وعدد البروتونات، فلا نسميها ذرة، بل نسميها شاردة.
الشاردة إذن ذرة أو مجموعة ذرات اكتسبت أو فقدت إلكترونًا أو أكثر:
- إذا اكتسبت إلكترونات صارت شاردة سالبة، فالشحنة السالبة أكثر.
- إذا فقدت إلكترونات صارت شاردة موجبة.
أمثلة: ذرة الكلور Cl تكتسب إلكترونًا فتصبح شاردة الكلور Cl⁻. وذرة الصوديوم Na تفقد إلكترونًا فتصبح شاردة الصوديوم Na⁺. وذرة النحاس Cu تفقد إلكترونين فتصبح شاردة النحاس Cu²⁺.
كيف تقرأ الرمز؟ الإشارة تدل على نوع الشحنة، والعدد الذي بجانبها يدل على عدد الإلكترونات المكتسبة أو المفقودة. وحين يكون العدد 1 لا نكتبه: نكتب Cl⁻ وليس Cl¹⁻.
الشوارد البسيطة والمركبة
- الشاردة البسيطة تتكون من ذرة واحدة:
Na⁺وCl⁻وCu²⁺وZn²⁺وFe²⁺وFe³⁺. - الشاردة المركبة تتكون من مجموعة ذرات مرتبطة تحمل شحنة إجمالية، مثل
SO₄²⁻(شاردة الكبريتات) وNO₃⁻(شاردة النترات) وOH⁻(شاردة الهيدروكسيد).
صيغة المحلول الشاردي
المحلول الشاردي متعادل كهربائيًا: مجموع الشحنات الموجبة فيه يساوي مجموع الشحنات السالبة. نستعمل هذه القاعدة لكتابة صيغته، فنضع الشاردتين بين قوسين ونكتب قبل كل شاردة العدد الذي يوازن الشحنات:
- محلول كلور الصوديوم (الملح):
(Na⁺ + Cl⁻)، فشحنة+1تقابلها−1. - محلول كبريتات النحاس:
(Cu²⁺ + SO₄²⁻)، فشحنة+2تقابلها−2. - محلول كلور المغنيزيوم:
(Mg²⁺ + 2Cl⁻)، لأن الشاردةMg²⁺تحتاج شاردتينCl⁻لتتعادل الشحنات:+2 − 2 = 0. - محلول كبريتات الصوديوم:
(2Na⁺ + SO₄²⁻). - محلول كلور الحديد الثلاثي:
(Fe³⁺ + 3Cl⁻).
لاحظ أن العدد الذي نكتبه قبل الشاردة يخص الشاردة كلها، بينما العدد الصغير فوقها هو شحنتها.
أمثلة محلولة
مثال 1. ما الشاردة Cu²⁺؟ هي شاردة موجبة فقدت فيها ذرة النحاس إلكترونين. وما الشاردة SO₄²⁻؟ هي شاردة مركبة سالبة اكتسبت المجموعة فيها إلكترونين.
مثال 2. ذرة الصوديوم فيها 11 بروتونًا و 11 إلكترونًا. إذا صارت Na⁺ فبقي فيها 11 بروتونًا و 10 إلكترونات، فالشحنة الإجمالية +11 − 10 = +1.
مثال 3. أي المحاليل التالية ينقل التيار: ماء مقطر، محلول سكر، محلول ملح؟ الأخير فقط، لأنه الوحيد الذي يحتوي على شوارد.
أخطاء شائعة
- القول إن الشاردة ذرة. الذرة متعادلة، والشاردة ذرة أو مجموعة ذرات فقدت أو اكتسبت إلكترونات.
- عكس الإشارة: من يفقد إلكترونات يصبح موجبًا، ومن يكتسبها يصبح سالبًا.
- كتابة صيغة المحلول الشاردي دون موازنة الشحنات، مثل
(Mg²⁺ + Cl⁻). - كتابة الشحنة 1 بصورة عدد:
Na¹⁺. الصحيحNa⁺. - الظن أن المسحوق الصلب ينقل التيار لأنه ملح، أو أن الماء المقطر ينقله. كلاهما لا ينقل.
- الخلط بين المسحوق والمحلول. المسحوق مادة صلبة، والمحلول مادة ذابت في مذيب.
تمارين للتدرب
- ذرة أكسجين اكتسبت إلكترونين. اكتب رمز الشاردة.
- ذرة ألمنيوم فيها 13 بروتونًا فقدت 3 إلكترونات. اكتب رمز الشاردة وعدد إلكتروناتها.
- اكتب صيغة محلول كبريتات النحاس ومحلول كلور المغنيزيوم.
- لماذا لا ينقل محلول السكر التيار بينما ينقله محلول الملح؟
- محلول يحتوي على شوارد
Na⁺وشواردSO₄²⁻. كم شاردةNa⁺تقابل كل شاردةSO₄²⁻؟
الحلول:
O²⁻.Al³⁺، وعدد إلكتروناتها13 − 3 = 10.(Cu²⁺ + SO₄²⁻)و(Mg²⁺ + 2Cl⁻).- محلول السكر يحتوي جزيئات متعادلة لا تحمل شحنات متحركة، أما محلول الملح فيحتوي شوارد حرة الحركة تنقل التيار.
- شاردتان، لأن الشاردة
SO₄²⁻شحنتها−2فتلزم شاردتانNa⁺لتتعادل الشحنات:(2Na⁺ + SO₄²⁻).
الشرح المصوّر وملفات الدرس
لمن يفضل المتابعة بالصوت والصورة، يشرح الأستاذ زوطاط يونس في فيديو «الشاردة والمحلول الشاردي» الدرس في نحو ثماني عشرة دقيقة، بادئًا بتجربة المصباح والمحاليل ثم بتعريف الشاردة بالرجوع إلى درس التكهرب.
وللتمرن على تمارين حقيقية، اطلع على هذه الملفات في الموقع: