التفاعلات الكيميائية

AP الكيمياء · الموضوع 4

عرض الشرائح تدريب

درس فيديو لهذا الموضوع افتح صفحة الفيديو

4.1

التعرف على التفاعل الكيميائي

المنهج

هدف التعلم 4.1.A: تحديد أدلة على التغيرات الكيميائية والفيزيائية في المادة.

4.1.A.1 يحدث التغير الفيزيائي عندما تخضع مادة ما لتغير في الخصائص دون تغير في التركيب. تُعد التغيرات في طور المادة (صلب، سائل، غاز) أو تكوين/فصل مخلوطات المواد من التغيرات الفيزيائية الشائعة.
4.1.A.2 يحدث التغير الكيميائي عندما تتحول مواد إلى مواد جديدة، عادةً ما تكون ذات تركيب مختلف. إنتاج الحرارة أو الضوء، وتكوين الغاز، وتكوين الراسب، و/أو تغير اللون قد توفر أدلة محتملة على حدوث تغير كيميائي.

المصدر: وصف دورة وامتحان College Board AP

احتراق المغنيسيوم: تفاعل كيميائي يعيد ترتيب الذرات ويطلق الطاقة كضوء وحرارة

التفاعل الكيميائي يعيد ترتيب الذرات لتكوين مواد جديدة. علامات حدوثه: تغير اللون، تكون غاز أو راسب، أو تغير في درجة الحرارة. الذرات محفوظة، لذا يجب أن تكون المعادلة موزونة – نفس عدد كل عنصر في كلا الطرفين.

4.2

المعادلات الأيونية الصافية

المنهج

هدف التعلم 4.2.A: تمثيل التغيرات في المادة بمعادلة كيميائية موزونة أو معادلة أيونات صافية: i. للتغيرات الفيزيائية. ii. لمعلومات معطاة حول هوية المتفاعلات و/أو النواتج. iii. للأيونات في تفاعل كيميائي معطى.

4.2.A.1 يمكن تمثيل جميع العمليات الفيزيائية والكيميائية رمزيًا بواسطة معادلات موزونة.
4.2.A.2 تمثل المعادلات الكيميائية التغيرات الكيميائية. تنتج هذه التغيرات عن إعادة ترتيب الذرات في تركيبات جديدة؛ وبالتالي، يجب أن تحتوي أي تمثيل للتغير الكيميائي على أعداد متساوية من ذرات كل عنصر قبل وبعد حدوث التغير. وهكذا تظهر المعادلات أن الكتلة والشحنة محفوظة في التفاعلات الكيميائية.
4.2.A.3 المعادلات الجزيئية الموزونة، ومعادلات الأيونات الكاملة، ومعادلات الأيونات الصافية هي أشكال رمزية مختلفة تُستخدم لتمثيل تفاعل كيميائي. يعتمد الشكل المستخدم لتمثيل التفاعل على السياق الذي سيتم استخدامه فيه.

المصدر: وصف دورة وامتحان College Board AP

للتفاعلات في الماء، تنحل المركبات الأيونية إلى أيونات. المعادلة الأيونية الصافية تُظهر فقط الأنواع التي تتغير فعلياً، متجاهلةً الأيونات المشاهدة التي تظهر دون تغيير في كلا الطرفين. إنها تلخص الكيمياء الحقيقية (مثل $\text{Ag}^+ + \text{Cl}^- \rightarrow \text{AgCl}(s)$).

مزج محلولين قد يكون راسبًا غير قابل للذوبان

4.3

ثلاث طرق لتمثيل التفاعل

المنهج

هدف التعلم 4.3.A: تمثيل تفاعل كيميائي معطى أو عملية فيزيائية بنموذج جسيمات متناسق.

4.3.A.1 يمكن ترجمة المعادلات الكيميائية الموزونة بأشكالها المختلفة إلى تمثيلات جسيمية رمزية.

المصدر: وصف دورة وامتحان College Board AP

يمكن عرض نفس التفاعل كمعادلة رمزية، ورسم جسيمات (ذرات وجزيئات)، وملاحظة ماكروسكوبية (ما تراه). الانتقال بين هذه المستويات – ربط المعادلة بالجسيمات بالبيشر – مهارة جوهرية.

المعادلة الموزونة تحتوي على نفس عدد كل ذرة في كلا الطرفين

4.4

التغيرات الفيزيائية مقابل التغيرات الكيميائية

المنهج

هدف التعلم 4.4.A: شرح العلاقة بين الخصائص الظاهرية وتفاعلات الروابط لـ: i. العمليات الكيميائية. ii. العمليات الفيزيائية.

4.4.A.1 تُصنف العمليات التي تتضمن تكسير و/أو تكوين روابط كيميائية عادةً على أنها عمليات كيميائية. أما العمليات التي تتضمن فقط تغييرات في التفاعلات بين الجزيئات، مثل التغيرات الطورية، فتُصنف عادةً على أنها عمليات فيزيائية.
4.4.A.2 أحيانًا تتضمن العمليات الفيزيائية تكسير الروابط الكيميائية. على سبيل المثال، يمكن تقديم حجج معقولة لفصل الملح في الماء، سواء كان عملية فيزيائية أو كيميائية، حيث يتضمن ذلك تكسير الروابط الأيونية، وتكوين تفاعلات أيون- ثنائي القطب بين الأيونات والمذيب.

المصدر: وصف دورة وامتحان College Board AP

التغير الفيزيائي يغير الشكل لكن ليس الهوية (الانصهار، الذوبان)؛ التغير الكيميائي ينتج مواد جديدة بكسر وتكوين روابط. إذابة الملح هي فيزيائية؛ الملح لا يتغير ويمكن استرداده.

4.5

الحسابات الستوكيومترية

المنهج

هدف التعلم 4.5.A: شرح التغيرات في كميات المتفاعلات والنواتج بناءً على معادلة التفاعل الموزونة لعملية كيميائية.

4.5.A.1 نظرًا لأن الذرات يجب أن تحفظ أثناء العملية الكيميائية، فمن الممكن حساب كميات النواتج باستخدام كميات المتفاعلات المعروفة، أو حساب كميات المتفاعلات عند معرفة كميات النواتج.
4.5.A.2 تحتوي معاملات المعادلات الكيميائية الموزونة على معلومات حول التناسب بين كميات المواد المشاركة في التفاعل. يمكن استخدام هذه القيم في الحسابات الكيميائية التي تتضمن مفهوم المول.
4.5.A.3 يمكن دمج الحسابات الستوكيومترية مع قانون الغاز المثالي والحسابات المتعلقة بالتركيز المولاري لدراسة الغازات والمحاليل كمياً.

المصدر: وصف دورة وامتحان College Board AP

الحسابات الستوكيومترية تستخدم نسب المولات من المعادلة الموزونة لربط كميات المتفاعلات والنواتج. المسار دائمًا: جرام → مولات → (نسبة المولات) → مولات → جرام. المتفاعل المحدد ينتهي أولاً ويحدد أقصى ناتج (العائد النظري)؛ العائد النسبي يقارن الفعلي بالنظري.

المتفاعل المحدد ينتهي أولاً ويحدد كمية الناتج المتكونة

مثال محلول. ما مقدار الماء المتكون عندما يحترق $4.0\ \text{g}$ من الهيدروجين في فائض الأكسجين؟ $2\text{H}_2+\text{O}_2\rightarrow2\text{H}_2\text{O}$. حوّل إلى مولات، عبر نسبة المولات ($2:2=1:1$ هنا)، حوّل مرة أخرى:

$$n(\text{H}_2)=\frac{4.0}{2.0}=2.0\ \text{mol}\;\Rightarrow\;n(\text{H}_2\text{O})=2.0\ \text{mol}\;\Rightarrow\;m=2.0\times18=36\ \text{g}.$$

مثال محلول (متفاعل محدود). $10.0\ \text{g}$ من N$_2$ يتفاعل مع $5.0\ \text{g}$ من H$_2$ ($\text{N}_2+3\text{H}_2\rightarrow2\text{NH}_3$). أيهما ينتهي أولاً؟ عدد المولات: $n(\text{N}_2)=10.0/28=0.36$، $n(\text{H}_2)=5.0/2=2.5$. التفاعل يحتاج $3$ H$_2$ لكل N$_2$؛ لديك $2.5/0.36=7.0$، أكثر بكثير من $3$، لذا N$_2$ هو المحدد. ينتج $2\times0.36=0.72\ \text{mol}$ من الأمونيا، مع بقاء هيدروجين زائد.

استكشف

قيّم المتفاعلات والنواتج بناءً على نسبة المولات

معادلة موزونة تثبت نسبة المولات بين الأنواع. كمية النواتج تناسب طرديًا المتفاعل المحدد، مضروبة في تلك النسبة.

4.6

مقدمة في المعايرة

المنهج

هدف التعلم 4.6.A: تحديد نقطة التكافؤ في المعايرة بناءً على كميات المحلول المعاير والمحلل، بافتراض أن تفاعل المعايرة يكتمل.

4.6.A.1 يمكن استخدام المعايرة لتحديد كمية المادة المحلولة في المحلول. يحتوي الكاشف على تركيز معروف لنوع يتفاعل بشكل محدد وكمي مع المادة المراد تحليلها. occurs نقطة التكافؤ للمعايرة عندما تُستهلك المادة المراد تحليلها بالكامل بواسطة النوع المتفاعل في الكاشف. غالبًا ما يتم الإشارة إلى نقطة التكافؤ من خلال تغيير في خاصية (مثل اللون) يحدث عند الوصول إليها. يُسمى هذا الحدث القابل للرصد بنقطة النهاية للمعايرة.

المصدر: وصف دورة وامتحان College Board AP

منحنى معايرة حمض-قاعدة

المعايرة تجد تركيزاً مجهولاً بتفاعله مع محلول معلوم التركيز حتى يصلوا إلى نقطة التكافؤ (متساوية ستوكيومترياً). من الحجم والمعلومين والتركيز، استخدم نسبة المولات لإيجاد المجهول. المؤشر أو منحنى الرقم الهيدروجيني يشير إلى نقطة النهاية.

أجهزة المعايرة: البيريتي يصرف محلولاً معلوماً في دورق مخروطي — أجهزة المعايرة: البيريتي تعطي محلولاً معلوماً في دورق مخروطي

مثال محلول. $25.0\ \text{mL}$ من حمض الهيدروكلوريك يُعادل تماماً بواسطة $30.0\ \text{mL}$ من $0.100\ \text{M}$ NaOH. أوجد تركيز الحمض. التفاعل هو $1:1$، لذا تتطابق المولات:

$$n(\text{NaOH})=0.0300\times0.100=3.00\times10^{-3}\ \text{mol}=n(\text{HCl}),\qquad [\text{HCl}]=\frac{3.00\times10^{-3}}{0.0250}=0.120\ \text{M}.$$

إعداد المعايرة: أحجام التفاعل من البيريتي تجد تركيز محلول مجهول

استكشف

أجرِ معايرة حمض وأوجد نقطة التكافؤ

إضافة قاعدة إلى الحمض ترفع الـ pH ببطء، ثم حادًا عند نقطة التكافؤ حيث تكون مولات الحمض والقاعدة متساوية. القفز الحاد يحدد ذلك الحجم.

مفردات تدريب

English	العربية
chemical reaction/ˈkemɪkl rɪˈækʃn/	تفاعل كيميائي
precipitate/prɪˈsɪpɪteɪt/	راسب
net ionic equation/net aɪˈɒnɪk ɪˈkweɪʒn/	المعادلة الأيونية الصافية
spectator ions/spekˈteɪtə ˈaɪɒnz/	أيونات المشاهدة
physical change/ˈfɪzɪkl tʃeɪndʒ/	تغير فيزيائي
chemical change/ˈkemɪkl tʃeɪndʒ/	تغير كيميائي
Stoichiometry/ˌstəʊɪkɪˈɒmətri/	الحسابات الستوكيومترية
limiting reactant/ˈlɪmɪtɪŋ rɪˈæktənt/	المادة المتفاعلة المحددة
theoretical yield/θɪəˈretɪkl jiːld/	الناتج النظري
titration/taɪˈtreɪʃn/	المعايرة
equivalence point/ɪˈkwɪvələns pɔɪnt/	نقطة التكافؤ
acid/ˈæsɪd/	حمض
base/beɪs/	القاعدة

4.7

أنواع التفاعلات الكيميائية

المنهج

هدف التعلم 4.7.A: تحديد التفاعل كحمض-قاعدة، أو أكسدة-اختزال، أو ترسيب.

4.7.A.1 تفاعلات الحمض والقاعدة تتضمن نقل بروتون واحد أو أكثر ($\text{H}^+$ أيونات) بين الأنواع الكيميائية.
4.7.A.2 تفاعلات الأكسدة-الاختزال (الأكسدة الاختزال) تتضمن نقل إلكترون واحد أو أكثر بين الأنواع الكيميائية، كما هو موضح بتغيرات في أعداد الأكسدة للأنواع المشاركة. الاحتراق هو فرع فرعي مهم لتفاعلات الأكسدة-الاختزال، حيث يتفاعل نوع مع غاز الأكسجين. في حالة الهيدروكربونات، ثاني أكسيد الكربون والماء هي نواتج الاحتراق الكامل.
4.7.A.3 في تفاعل الأكسدة-الاختزال، تنتقل الإلكترونات من النوع الذي تم أكسدته إلى النوع الذي تم اختزاله.
- عبارة الاستبعاد: لن يتم تقييم معنى مصطلحي "عامل مختزل" و"عامل مؤكسد" في امتحان AP.
4.7.A.4 يمكن تعيين أعداد الأكسدة لكل من الذرات في المتفاعلات والنواتج؛ وغالبًا ما يكون هذا طريقة فعالة لتحديد الأنواع المؤكسدة والمختزلة في تفاعل الأكسدة-الاختزال.
4.7.A.5 تفاعلات الترسيب تنطوي عادةً على خلط الأيونات في محلول مائي لإنتاج مركب أيوني غير قابل للذوبان أو قليل الذوبان. جميع أملاح الصوديوم والبوتاسيوم والأمونيوم والنترات قابلة للذوبان في الماء.
- عبارة الاستبعاد: الحفظ الصم لـ"قواعد الذوبانية" الأخرى غير تلك المستنتجة من 4.7.A.5 لن يتم تقييمها في امتحان AP.

المصدر: وصف دورة وامتحان College Board AP

تشمل الأنماط الشائعة البناء (الدمج)، التحلل (التفكك)، الاحتراق (مع الأكسجين، إطلاق الطاقة)، ترسيب (تكون صلب غير قابل للذوبان)، حمض-قاعدة (نقل بروتون)، و أكسدة-اختزال (نقل إلكترونات). التعرف على النوع يساعد في توقع النواتج.

4.8

تفاعلات الأحماض والقواعد

المنهج

هدف التعلم 4.8.A: تحديد الأنواع كأحماض وبرونستد-لووري وقواعد وأزواج حمض-قاعدة مترافقة، بناءً على انتقال البروتونات التي تنطوي عليها تلك الأنواع.

4.8.A.1 حسب التعريف، حمض برونستد-لووري هو مانح للبروتونات وقاعدة برونستد-لووري هي مستقبل للبروتونات.
4.8.A.2 فقط في المحاليل المائية، يلعب الماء دورًا مهمًا في العديد من تفاعلات الحمض والقاعدة، لأن بنيته الجزيئية تسمح له باستقبال البروتونات منه ومنح البروتونات للأنواع المذابة.
4.8.A.3 عند تأين حمض أو قاعدة في الماء، يمكن تحديد أزواج الأحماض والقواعد المترافقة ومقارنة قوتها النسبية.
- عبارة الاستبعاد: مفاهيم أحماض وقواعد لويس لن يتم تقييمها في امتحان AP. التركيز في كيمياء AP هو على التفاعلات في المحلول المائي.

المصدر: وصف دورة وامتحان College Board AP

الحمض يمنح بروتوناً ($\text{H}^+$)؛ القاعدة تستقبل واحداً (برونستد-لوري). يتفاعلان لتكوين ماء وملح: $\text{H}^+ + \text{OH}^- \rightarrow \text{H}_2\text{O}$. الأحماض والقواعد القوية تتأين كلياً؛ الضعيفة جزئياً فقط.

برونستيد-لوري: الحمض يتبرع ببروتون للقاعدة، مكوناً زوجين مترافقين

استكشف

تحرّك على مقياس الـ pH

pH يقيس مدى حمضية أو قاعدية المحلول. كل خطوة بمقدار 1 في الـ pH تمثل تغييرًا عشر أضعاف في تركيز أيونات الهيدروجين؛ 7 متعادل، ما أسفله حمضي، وما فوقه قاعدي.

4.9

تفاعلات الأكسدة-الاختزال (Redox)

المنهج

هدف التعلم 4.9.A: تمثيل معادلة تفاعل أكسدة-اختزال متوازنة باستخدام أنصاف التفاعلات.

4.9.A.1 يمكن بناء المعادلات الكيميائية الموزونة لتفاعلات الأكسدة-الاختزال من أنصاف التفاعلات.

المصدر: وصف دورة وامتحان College Board AP

في تفاعل أكسدة-اختزال، تنتقل الإلكترونات بين الأنواع. الأكسدة هي فقدان الإلكترونات (يرتفع رقم التأكسد)؛ الاختزال هو اكتساب (ينخفض رقم التأكسد). تتبع التغيرات عبر أرقام التأكسد، وتذكر أن كل أكسدة مقترنة باختزال – الإلكترونات المفقودة تساوي المكتسبة.

الأكسدة-الاختزال هي نقل إلكترونات: العامل المختزل يُأكسد، والعامل المؤكسد يُختزل

مثال محلول. أوجد عدد تأكسد المنجنيز في البرمنغنات، $\text{KMnO}_4$. البوتاسيوم هو $+1$ وكل أكسجين هو $-2$ (أربعة منها، $-8$). الصيغة بأكملها متعادلة، لذا $(+1)+\text{Mn}+(-8)=0$، مما يعطي $\text{Mn}=+7$ – وهي القيمة القصوى له، ولهذا السبب يُعد البرمنغنات عامل مؤكسد قوياً (لأنه يمكنه اكتساب الإلكترونات فقط).

استكشف

راقب انتقال الإلكترونات في تفاعل الأكسدة والاختزال

في تفاعل أكسدة واختزال، يتم أكسدة نوع واحد (يفقد إلكترونات) واختزال نوع آخر (يكتسبها). تابع حركة الإلكترونات من المعدن إلى اللافلز.

مفردات تدريب

English	العربية
redox/rɪˈdɒks/	أكسدة واختزال
Oxidation/ˌɒksɪˈdeɪʃn/	الأكسدة
reduction/rɪˈdʌkʃn/	الاختزال

4.9

نصائح للامتحان

موازن كل معادلة واعمل بـ المولات — حول الجرامات→مولات، مر بنسبة المولات، ثم حول مرة أخرى.
حدد العامل المحدد بمقارنة نسب المولات؛ فهو يحدد أقصى ناتج (الناتج النظري).
في التأكسد والاختزال، تذكر OIL RIG: التأكسد هو فقدان الإلكترونات، الاختزال هو اكتسابها؛ كل تأكسد يقابله اختزال.
في المعايرة استخدم النسبة الموزونة لربط المعروف بالمجهول عند نقطة التكافؤ.
معادلة الأيونات الصافية تظهر فقط الأنواع التي تتغير؛ اترك أيونات المشاهدة.

دروس تفاعلية حول هذا الموضوع

ا-working عليه خطوة بخطوة، مع تمارين تحقق فوري.

أوراق الامتحانات السابقة

المزيد من المواضيع في AP الكيمياء