السنة الثالثة ثانوي

المتابعة الزمنية لتحول كيميائي

أمثلة محلولة

التطبيق الأول — اختيار طريقة المتابعة

اقترح لكل حالة من الحالات التالية الطريقة الأنسب للمتابعة الزمنية، مع تعليل مقتضب:

1)

تفاعل ينتج عنه غاز في وعاء مفتوح على الهواء.

2)

تفاعل تستبدل فيه شوارد HOX−\ce{HO-} بشوارد HCOOX−\ce{HCOO-}.

3)

تفاعل يتشكل فيه ثنائي اليود IX2\ce{I2} ذو اللون البني.

4)

تفاعل ينتج غازا داخل حوجلة مغلقة حجمها ثابت.

الحل
1)

قياس حجم الغاز المنطلق، لأن الضغط ثابت (وعاء مفتوح): x=VgazVMx = \dfrac{V_{gaz}}{V_M}.

2)

قياس الناقلية النوعية: عدد الشوارد ثابت هنا لكن طبيعتها تتغير، و λ(HOX−)=20,0≠λ(HCOOX−)=5,50\lambda(\ce{HO-}) = 20{,}0 \ne \lambda(\ce{HCOO-}) = 5{,}50 (بـ mS⋅m2⋅mol−1mS \cdot m^{2} \cdot mol^{-1})، فتتغير σ\sigma وتكون شاهدا على التقدم.

3)

المعايرة اللونية بعد الخمود: IX2\ce{I2} ملون، ويمكن معايرته بالثيوكبريتات بوجود صمغ النشاء.

4)

قياس الضغط: الحجم ثابت والغاز محتجز، فيرتفع الضغط بتقدم التفاعل وفق ΔP=RTxVgaz\Delta P = \dfrac{R T x}{V_{gaz}}.

التطبيق الثاني — جدول التقدم والمتفاعل المحد

نضع كتلة m=0,48 gm = 0{,}48\ g من مسحوق المغنيزيوم في V=100 mLV = 100\ mL من محلول حمض كلور الماء تركيزه C=0,30 mol⋅L−1C = 0{,}30\ mol \cdot L^{-1}. التحول بطيء وتام.

1)

اكتب معادلة التفاعل.

2)

عين المتفاعل المحد و xmaxx_{max}.

3)

احسب حجم ثنائي الهيدروجين المنطلق في النهاية وكتلة المغنيزيوم المتبقية. معطيات: M(Mg)=24 g⋅mol−1M(Mg) = 24\ g \cdot mol^{-1} ، VM=24 L⋅mol−1V_M = 24\ L \cdot mol^{-1}.

الحل
1)

أكسدة: Mg→MgX2++2 eX−\ce{Mg -> Mg^{2+} + 2e-} ، إرجاع: 2 HX3OX++2 eX−→HX2+2 HX2O\ce{2H3O+ + 2e- -> H2 + 2H2O}، ومنه:

Mg(s)+2 HX3OX+(aq)→MgX2+(aq)+HX2(g)+2 HX2O(l)\ce{Mg(s) + 2H3O+(aq) -> Mg^{2+}(aq) + H2(g) + 2H2O(l)}
2)

n0(Mg)=0,4824=2,0×10−2 mol=20 mmoln_0(Mg) = \dfrac{0{,}48}{24} = 2{,}0 \times 10^{-2}\ mol = 20\ mmol و n0(HX3OX+)=C⋅V=0,30×0,100=30 mmoln_0(\ce{H3O+}) = C \cdot V = 0{,}30 \times 0{,}100 = 30\ mmol.

الحالةالتقدمMg\ce{Mg}2 HX3OX+\ce{2H3O+}MgX2+\ce{Mg^{2+}}HX2\ce{H2}
ابتدائية00202030300000
انتقاليةxx20−x20 - x30−2x30 - 2xxxxx
نهائيةxmaxx_{max}20−xmax20 - x_{max}30−2xmax30 - 2x_{max}xmaxx_{max}xmaxx_{max}

مقارنة النسبتين: 201=20\dfrac{20}{1} = 20 و 302=15\dfrac{30}{2} = 15. النسبة الصغرى لشوارد الهيدرونيوم، إذن المتفاعل المحد هو HX3OX+\ce{H3O+} و xmax=15 mmolx_{max} = 15\ mmol.

انتبه: n0(HX3OX+)=30 mmol>n0(Mg)=20 mmoln_0(\ce{H3O+}) = 30\ mmol > n_0(Mg) = 20\ mmol ومع ذلك فإن HX3OX+\ce{H3O+} هو المحد، لأن معامله 2. لا تقارن كميتي المادة مباشرة، بل النسبتين n0ν\dfrac{n_0}{\nu}.

3)

بتعويض xmax=15 mmolx_{max} = 15\ mmol في سطر الحالة النهائية من الجدول:

V(HX2)=xmax⋅VM=15×10−3×24=0,36 L=360 mLV(\ce{H2}) = x_{max} \cdot V_M = 15 \times 10^{-3} \times 24 = 0{,}36\ L = 360\ mL

n(Mg)f=20−15=5 mmoln(Mg)_f = 20 - 15 = 5\ mmol، أي m=5×10−3×24=0,12 gm = 5 \times 10^{-3} \times 24 = 0{,}12\ g من المغنيزيوم لم تتفاعل.

التطبيق الثالث — قراءة بيانية: زمن نصف التفاعل والسرعة

تابعنا التفاعل السابق بقياس حجم ثنائي الهيدروجين المنطلق، فاستقر المنحنى V(HX2)=f(t)V(\ce{H2}) = f(t) عند 360 mL360\ mL، وبلغ 180 mL180\ mL عند اللحظة t=2,5 mint = 2{,}5\ min. المماس المرسوم عند t=0t = 0 يمر بالنقطتين (0 ; 0)(0 \,;\, 0) و (1,2 ; 360)(1{,}2 \,;\, 360).

1)

عين زمن نصف التفاعل.

2)

احسب السرعة الحجمية للتفاعل عند t=0t = 0.

الحل
1)

ثنائي الهيدروجين ناتج ومعامله 1، فعند t1/2t_{1/2} يبلغ حجمه نصف قيمته النهائية:

V(HX2)(t1/2)=3602=180 mL ⇒ t1/2=2,5 minV(\ce{H2})(t_{1/2}) = \dfrac{360}{2} = 180\ mL \ \Rightarrow \ t_{1/2} = 2{,}5\ min
2)

ميل المماس عند t=0t = 0:

(dVdt)t=0=360−01,2−0=300 mL⋅min−1\left(\dfrac{dV}{dt}\right)_{t=0} = \dfrac{360 - 0}{1{,}2 - 0} = 300\ mL \cdot min^{-1}

وبما أن x=V(HX2)VMx = \dfrac{V(\ce{H2})}{V_M}:

dxdt=1VMdVdt=30024=12,5 mmol⋅min−1\dfrac{dx}{dt} = \dfrac{1}{V_M}\dfrac{dV}{dt} = \dfrac{300}{24} = 12{,}5\ mmol \cdot min^{-1}
vvol(0)=1Vdxdt=12,5×10−30,100=0,125 mol⋅L−1⋅min−1v_{vol}(0) = \dfrac{1}{V}\dfrac{dx}{dt} = \dfrac{12{,}5 \times 10^{-3}}{0{,}100} = 0{,}125\ mol \cdot L^{-1} \cdot min^{-1}

وهي السرعة الأعظمية، لأن تراكيز المتفاعلات أعظمية عند t=0t = 0.

التطبيق الرابع — استغلال معايرة أثناء المتابعة

نتابع تشكل ثنائي اليود IX2\ce{I2} في مزيج تفاعلي حجمه الكلي V=100 mLV = 100\ mL. عند لحظة tt نأخذ عينة حجمها V′=10 mLV^{\prime} = 10\ mL، نصبها في ماء مثلج، ثم نعاير ما فيها من IX2\ce{I2} بمحلول ثيوكبريتات الصوديوم تركيزه C3=0,0500 mol⋅L−1C_3 = 0{,}0500\ mol \cdot L^{-1}، فنجد حجم التكافؤ VE=8,0 mLV_E = 8{,}0\ mL. معادلة المعايرة: IX2+2 SX2OX3X2−→2 IX−+SX4OX6X2−\ce{I2 + 2S2O3^{2-} -> 2I- + S4O6^{2-}}.

1)

ما دور الماء المثلج؟ وهل يؤثر على VEV_E؟

2)

احسب تقدم التفاعل عند هذه اللحظة.

الحل
1)

الماء المثلج يحقق الخمود: التبريد يبطئ التفاعل إلى حد يمكن إهماله، والتمديد يخفض التراكيز فيقل تواتر التصادمات. وهو لا يؤثر على VEV_E، لأنه لا يغير كمية مادة ثنائي اليود الموجودة في العينة، بل تركيزها فقط.

2)

عند التكافؤ، وحسب معاملات معادلة المعايرة:

n(IX2)ech=C3⋅VE2=0,0500×8,0×10−32=2,0×10−4 mol=0,20 mmoln(\ce{I2})_{ech} = \dfrac{C_3 \cdot V_E}{2} = \dfrac{0{,}0500 \times 8{,}0 \times 10^{-3}}{2} = 2{,}0 \times 10^{-4}\ mol = 0{,}20\ mmol

وبما أن العينة مأخوذة من مزيج متجانس، فالتقدم في كامل المزيج:

x=VV′⋅n(IX2)ech=10×0,20=2,0 mmolx = \dfrac{V}{V^{\prime}} \cdot n(\ce{I2})_{ech} = 10 \times 0{,}20 = 2{,}0\ mmol

الخطأ الأكثر شيوعا هنا هو التوقف عند كمية العينة ونسيان الضرب في VV′\dfrac{V}{V^{\prime}}.