السنة الأولى ثانوي · بنية وهندسة أفراد بعض الأنواع الكيميائية

بنية وهندسة أفراد بعض الأنواع الكيميائية

120 دقيقةمتوسط

درس كامل للوحدة الأولى في الكيمياء: من الكشف عن الأنواع الكيميائية في برتقالة إلى هندسة الجزيئات في الفضاء. نبدأ بالتمييز بين الفرد والنوع الكيميائي، ثم ندخل إلى الذرة: مكوناتها، أبعادها، توزيع إلكتروناتها وموقعها في الجدول الدوري. وننتهي ببناء الجزيئات بنموذج لويس وتوقع أشكالها بنموذج جيلسبي. مع أربعة تطبيقات محلولة، وعشرين تمرينا محلولا مع توجيهات منهجية، ونموذجي اختبار مصححين، واختبار تفاعلي من ثلاثين سؤالا.

تحميل الدرس (PDF)

الهدف:

التمييز بين الفرد الكيميائي والنوع الكيميائي والكشف عن بعض الأنواع والشوارد
معرفة مكونات الذرة ومقارنة الذرة بنواتها من حيث الحجم والشحنة والكتلة
حساب $Z$ و $A$ و $N$ انطلاقا من شحنة النواة وكتلتها
كتابة التوزيع الإلكتروني لذرة وتحديد موقعها في الجدول الدوري المبسط
التمييز بين العنصر الكيميائي ونظائره وحساب الكتلة الذرية المتوسطة
تطبيق قاعدتي الثنائية والثمانية لتوقع الشاردة التي تعطيها ذرة
تمثيل جزيء بنموذج لويس، وتوقع شكله بنموذج جيلسبي وتمثيله بنموذج كرام

1. الفرد الكيميائي والنوع الكيميائي

المادة	الحبيبات المكونة لها
الماء	جزيئات الماء $\ce{H2O}$
مسمار حديدي	ذرات حديد $\ce{Fe}$
ملح الطعام	شوارد صوديوم $\ce{Na+}$ وشوارد كلور $\ce{Cl-}$

الفرد الكيميائي: كل دقيقة مجهرية مكونة للمادة، سواء كانت ذرة أو جزيئا أو شاردة. لا نتعامل معه بحواسنا.

النوع الكيميائي: مجموعة كبيرة من الأفراد الكيميائية المتماثلة، نتعامل معها عيانيا: الماء، مسمار الحديد، ملح الطعام.

لكل نوع كيميائي خصائص فيزيائية تميزه (درجة الغليان، درجة الانصهار، الكتلة الحجمية $\rho$ ، الكثافة، اللون، الرائحة...) وخصائص كيميائية تتمثل في نشاطه مع الأنواع الأخرى.

الكشف عن بعض الأنواع والأفراد الكيميائية

الحواس الخمس لا تكفي: لا يمكنها أن تؤكد مثلا أن عصير البرتقال يحتوي على الماء. لذلك نستعمل كواشف كيميائية:

ما نكشف عنه	الكاشف	النتيجة المميزة
الماء	كبريتات النحاس اللامائية $\ce{CuSO4}$	يتحول لونها من الأبيض إلى الأزرق
الغلوكوز	محلول فهلنغ مع التسخين	راسب أحمر آجوري
النشاء	ماء اليود	لون أزرق بنفسجي
غاز $\ce{CO2}$	رائق الكلس	يتعكر رائق الكلس
شوارد $\ce{Cl-}$	نترات الفضة $\ce{AgNO3}$	راسب أبيض $\ce{AgCl}$ يسود في الضوء
شوارد $\ce{SO4^2-}$	كلور الباريوم $\ce{BaCl2}$	راسب أبيض $\ce{BaSO4}$
شوارد $\ce{Fe^2+}$	محلول الصودا $\ce{NaOH}$	راسب أخضر هلامي $\ce{Fe(OH)2}$
شوارد $\ce{Fe^3+}$	محلول الصودا $\ce{NaOH}$	راسب بني محمر (لون الصدأ) $\ce{Fe(OH)3}$
شوارد $\ce{Cu^2+}$	محلول الصودا $\ce{NaOH}$	راسب أزرق $\ce{Cu(OH)2}$
شوارد $\ce{Zn^2+}$	محلول الصودا $\ce{NaOH}$	راسب أبيض هلامي $\ce{Zn(OH)2}$

طبيعة المحلول: نستعمل ورق $pH$ أو جهاز $pH$ -متر أو كاشفا ملونا مثل أزرق البروموتيمول (BBT):

قيمة $pH$	$pH < 7$	$pH = 7$	$pH > 7$
طبيعة المحلول	حمضي	معتدل	أساسي
لون BBT	أصفر	أخضر	أزرق

2. بنية الذرة

2-1. تطور النموذج الذري

العالم	السنة	النموذج
الإغريق (ديموقريطس)	قديما	المادة من دقائق «لا تنقسم»: Atomos
دالتون	1808	الذرات كريات صغيرة مصمتة لا تنقسم أثناء التفاعلات الكيميائية
طومسون	1904	كرة موجبة الشحنة مرصعة بإلكترونات سالبة
رذرفورد	1911	نواة مركزية موجبة صغيرة جدا تتركز فيها الكتلة، تدور حولها إلكترونات، وبينهما فراغ كبير
بوهر	1913	الإلكترونات تدور حول النواة في مدارات محددة (طبقات)

2-2. تجربة رذرفورد

نقذف رقاقة ذهب رقيقة جدا بجسيمات ألفا $(\alpha)$ الموجبة الشحنة، ونسجل مواضع وصولها على شاشة متألقة.

الشكل 1: تجربة رذرفورد وتفسيرها على المستوى المجهري

معظم الجسيمات تعبر الرقاقة دون انحراف: الذرة فراغ في معظمها.
قليل منها ينحرف أو يرتد: يوجد في مركز الذرة جزء صغير جدا، موجب الشحنة وثقيل، هو النواة.

2-3. مكونات الذرة

نرمز لنواة ذرة العنصر $X$ بالرمز $\ce{^{A}_{Z}X}$ حيث:

$Z$ العدد الذري (أو العدد الشحني): عدد البروتونات في النواة، ويساوي عدد الإلكترونات في الذرة المتعادلة.
$A$ العدد الكتلي: عدد النوكليونات (بروتونات + نيترونات).
$N$ عدد النيترونات:

A = Z + N \quad \Rightarrow \quad N = A - Z

مثال: نواة الكلور $\ce{^{35}_{17}Cl}$ فيها $17$ بروتونا و $35 - 17 = 18$ نيترونا، وذرتها فيها $17$ إلكترونا.

الجسيم	الكتلة $(kg)$	الشحنة $(C)$
البروتون	$1{,}673 \times 10^{-27}$	$+e = +1{,}6 \times 10^{-19}$
النيترون	$1{,}675 \times 10^{-27}$	$0$
الإلكترون	$9{,}11 \times 10^{-31}$	$-e = -1{,}6 \times 10^{-19}$

كتلة البروتون أكبر بحوالي $1836$ مرة من كتلة الإلكترون، لذلك كتلة الذرة تساوي تقريبا كتلة نواتها:

m_{atome} \approx A \cdot m_p

وتحمل النواة الشحنة $q_{noyau} = Z \cdot e$ ، والسحابة الإلكترونية الشحنة $q_{nuage} = -Z \cdot e$ . الذرة إذن متعادلة كهربائيا.

وحدة الكتل الذرية: $1\ u = 1{,}66 \times 10^{-27}\ kg$ ، وهي تقريبا كتلة نوكليون واحد.

الأبعاد: نصف قطر الذرة من رتبة $10^{-10}\ m$ ونصف قطر النواة من رتبة $10^{-15}\ m$ ، أي أن $\dfrac{R_{atome}}{R_{noyau}} \approx 10^{5}$ : معظم حجم الذرة فراغ.

2-4. التوزيع الإلكتروني

تتوزع الإلكترونات على طبقات، والطبقة رقم $n$ تتسع لـ $2n^2$ إلكترونا على الأكثر:

رقم الطبقة $n$	1	2	3
اسمها	$K$	$L$	$M$
أقصى عدد من الإلكترونات	2	8	18 (نكتفي بـ 8 في برنامجنا: $Z \le 18$ )

تملأ الإلكترونات الطبقات بالترتيب $K$ ثم $L$ ثم $M$ ، ولا نبدأ طبقة إلا بعد تشبع التي قبلها. أمثلة: $\ce{H}: K^1$ ، $\ce{C}: K^2L^4$ ، $\ce{Na}: K^2L^8M^1$ ، $\ce{Cl}: K^2L^8M^7$ .

الطبقة الأخيرة (الخارجية) هي التي تحدد السلوك الكيميائي للذرة.

3. العنصر الكيميائي ونظائره

العنصر الكيميائي: مجموع الأفراد (ذرات أو شوارد) التي لها نفس العدد الذري $Z$ . نرمز له بالحرف الأول من اسمه اللاتيني بخط كبير $(\ce{C})$ ، ونضيف حرفا ثانيا صغيرا عند الالتباس $(\ce{Cl}, \ce{Ca}, \ce{Cu})$ .

انحفاظ العنصر: خلال التحولات الكيميائية لا تتغير النواة، فيبقى العنصر محفوظا. مثال دورة النحاس:

\ce{Cu -> Cu^2+ -> Cu(OH)2 -> CuO -> Cu^2+ -> Cu}

النظائر: ذرات لها نفس $Z$ و $A$ مختلف، أي تختلف في عدد النيترونات فقط، ولها نفس الخصائص الكيميائية. مثال: $\ce{^{12}_{6}C}$ و $\ce{^{13}_{6}C}$ و $\ce{^{14}_{6}C}$ .

الكتلة الذرية المتوسطة لعنصر له نظائر نسبها المئوية $x_1$ و $x_2$ و...:

M = \dfrac{A_1 x_1 + A_2 x_2 + \dots}{100}

وهي بوحدة الكتل الذرية $u$ . مثال: الكلور فيه $75\ \%$ من $\ce{^{35}Cl}$ و $25\ \%$ من $\ce{^{37}Cl}$ :

M = \dfrac{35 \times 75 + 37 \times 25}{100} = 35{,}5\ u

مجموع النسب يساوي $100\ \%$ : إذا أعطيت نسبتا نظيرين من ثلاثة، فنسبة الثالث هي الباقي.

4. قاعدتا الثنائية والثمانية، والشوارد

قاعدة الثنائية (العناصر القريبة من الهيليوم: $\ce{H}$ ، $\ce{Li}$ ، $\ce{Be}$ ، $\ce{B}$ ): تسعى الذرة لأن تكون طبقتها الخارجية $K^2$ مثل الهيليوم. مثال: $\ce{Li}: K^2L^1$ تعطي $\ce{Li+}: K^2$ .
قاعدة الثمانية: تسعى الذرة لأن تحمل طبقتها الخارجية 8 إلكترونات مثل أقرب غاز خامل:
- إذا كان لها 1 أو 2 أو 3 إلكترونات خارجية تفقدها وتعطي شاردة موجبة: $\ce{Mg}: K^2L^8M^2$ تعطي $\ce{Mg^2+}: K^2L^8$ .
- إذا كان لها 5 أو 6 أو 7 إلكترونات خارجية تكتسب 3 أو 2 أو 1 وتعطي شاردة سالبة: $\ce{O}: K^2L^6$ تعطي $\ce{O^2-}: K^2L^8$ .

	الشاردة الموجبة $\ce{X^{n+}}$	الشاردة السالبة $\ce{X^{n-}}$
المعادلة	$\ce{X -> X^{n+} + n e-}$	$\ce{X + n e- -> X^{n-}}$
الشحنة	$q = +n \cdot e$	$q = -n \cdot e$
عدد الإلكترونات	$Z - n$	$Z + n$

الشاردة المركبة: مجموعة ذرات تحمل شحنة، مثل $\ce{NH4+}$ و $\ce{H3O+}$ و $\ce{NO3-}$ و $\ce{SO4^2-}$ .

المركب الشاردي متعادل كهربائيا: $\ce{Na+ + Cl- -> NaCl}$ و $\ce{Mg^2+ + 2Cl- -> MgCl2}$ .

5. الجدول الدوري المبسط

السطر	I	II	III	IV	V	VI	VII	VIII
1	$\ce{H}$ $K^1$							$\ce{He}$ $K^2$
2	$\ce{Li}$ $K^2L^1$	$\ce{Be}$ $K^2L^2$	$\ce{B}$ $K^2L^3$	$\ce{C}$ $K^2L^4$	$\ce{N}$ $K^2L^5$	$\ce{O}$ $K^2L^6$	$\ce{F}$ $K^2L^7$	$\ce{Ne}$ $K^2L^8$
3	$\ce{Na}$ $K^2L^8M^1$	$\ce{Mg}$ $K^2L^8M^2$	$\ce{Al}$ $K^2L^8M^3$	$\ce{Si}$ $K^2L^8M^4$	$\ce{P}$ $K^2L^8M^5$	$\ce{S}$ $K^2L^8M^6$	$\ce{Cl}$ $K^2L^8M^7$	$\ce{Ar}$ $K^2L^8M^8$

العناصر مرتبة حسب $Z$ المتزايد.
رقم السطر = عدد الطبقات المشغولة، ورقم العمود = عدد إلكترونات الطبقة الخارجية.
عناصر العمود الواحد تشكل عائلة كيميائية لها خصائص كيميائية متشابهة.

العمود	العائلة	أهم خصائصها
I	القلائيات $(\ce{Li}, \ce{Na})$	معادن نشطة جدا، لا توجد حرة في الطبيعة، تعطي $\ce{X+}$ . الهيدروجين في العمود I لكنه ليس من القلائيات
II	القلائيات الترابية $(\ce{Be}, \ce{Mg})$	تتفاعل مع الأحماض محررة غاز $\ce{H2}$ ، تعطي $\ce{X^2+}$
III	العناصر الترابية $(\ce{B}, \ce{Al})$	توجد في شكل مركبات، تعطي $\ce{X^3+}$
VII	الهالوجينات $(\ce{F}, \ce{Cl})$	سامة ونشطة، جزيئاتها ثنائية الذرة مثل $\ce{Cl2}$ ، تعطي $\ce{X-}$
VIII	الغازات الخاملة $(\ce{He}, \ce{Ne}, \ce{Ar})$	طبقتها الخارجية مشبعة فهي خاملة كيميائيا، وأفرادها ذرات منفردة

الكهروسلبية: قدرة الذرة على جذب إلكترونات الرابطة نحوها. في الجدول الدوري تزداد من اليسار إلى اليمين في السطر، وتزداد من الأسفل إلى الأعلى في العمود (الغازات الخاملة مستثناة). أكثر العناصر كهروسلبية: الفلور $\ce{F}$ ثم الأكسجين $\ce{O}$ .

6. بنية الجزيئات: نموذج لويس

تمثيل لويس للذرة: نكتب رمز العنصر ونحيطه بإلكترونات طبقته الخارجية: النقطة إلكترون عازب (فردي)، والخط زوج إلكتروني (ثنائية).

الشكل 2: تمثيل لويس لذرات H و C و N و O و Cl

التكافؤ = عدد الإلكترونات العازبة = عدد الروابط التي تشكلها الذرة: $\ce{H}$ : 1 ، $\ce{C}$ : 4 ، $\ce{N}$ : 3 ، $\ce{O}$ : 2 ، $\ce{Cl}$ : 1. وللعناصر ذات 5 أو 6 أو 7 إلكترونات خارجية: التكافؤ = 8 ناقص رقم العمود.

الرابطة التكافؤية: مشاركة إلكترونية بين ذرتين، تقدم فيها كل ذرة إلكترونا مقابل كل زوج مشترك. تكون أحادية (زوج مشترك واحد) أو ثنائية (زوجان) أو ثلاثية (ثلاثة أزواج). ونميز في الجزيء الثنائيات الرابطة (المشتركة) والثنائيات غير الرابطة (الحرة).

الشكل 3: تمثيل لويس لجزيئات H₂O و NH₃ و CH₄ و CO₂ و N₂

طريقة إنجاز تمثيل لويس لجزيء:

نكتب التوزيع الإلكتروني لكل ذرة ونستنتج تكافؤها وعدد ثنائياتها غير الرابطة.

نضع في المركز الذرة ذات أكبر تكافؤ (ذرة الهيدروجين لا تكون مركزية أبدا).

نربط الذرات بحيث تشكل كل ذرة عددا من الروابط يساوي تكافؤها.

نضيف الثنائيات غير الرابطة ونتحقق أن كل ذرة تحقق الثمانية (أو الثنائية للهيدروجين).

الصيغ الكيميائية والمتماكبات

الصيغة	ماذا تبين؟	مثال: الإيثانول
المجملة	نوع الذرات وعددها فقط	$\ce{C2H6O}$
المفصلة (المنشورة)	كل الروابط، أي تمثيل لويس دون الثنائيات غير الرابطة	الشكل 4
نصف المفصلة	نجمع ذرات الهيدروجين مع الذرة المرتبطة بها	$\ce{CH3-CH2-OH}$

الشكل 4: الصيغة المفصلة للإيثانول

المتماكبات: أنواع كيميائية لها نفس الصيغة المجملة وصيغ مفصلة مختلفة، فخصائصها مختلفة. مثال: $\ce{C2H6O}$ هي الإيثانول $\ce{CH3-CH2-OH}$ وثنائي ميثيل الإيثر $\ce{CH3-O-CH3}$ .

7. هندسة الجزيئات: نموذج جيلسبي وتمثيل كرام

نموذج جيلسبي: الأزواج الإلكترونية المحيطة بالذرة المركزية (الرابطة وغير الرابطة) تتنافر فتبتعد عن بعضها أكبر ما يمكن. نكتب الصيغة الرمزية $AX_nE_m$ حيث $A$ الذرة المركزية، $X$ الذرات المرتبطة بها، $n$ عددها (الرابطة الثنائية أو الثلاثية تحسب مرة واحدة)، و $m$ عدد الأزواج غير الرابطة للذرة المركزية.

الصيغة الرمزية	$n$	$m$	الشكل الهندسي	الزاوية	أمثلة
$AX_2$	2	0	خطي	$180^{\circ}$	$\ce{CO2}$ ، $\ce{BeCl2}$
$AX_3$	3	0	مثلثي مستو	$120^{\circ}$	$\ce{BF3}$ ، $\ce{CH2O}$
$AX_4$	4	0	رباعي الوجوه	$109{,}5^{\circ}$	$\ce{CH4}$ ، $\ce{CCl4}$
$AX_3E_1$	3	1	هرمي	$107^{\circ}$	$\ce{NH3}$ ، $\ce{PCl3}$
$AX_2E_2$	2	2	زاوي (مرفقي)	$104{,}5^{\circ}$	$\ce{H2O}$ ، $\ce{H2S}$

الشكل 5: جزيء CO₂ من الشكل AX2 خطي

الشكل 6: جزيء BF₃ من الشكل AX3 مثلثي مستو

الشكل 7: جزيء CH₄ من الشكل AX4 رباعي الوجوه، بتمثيل كرام

الشكل 8: جزيء NH₃ من الشكل AX3E1 هرمي

الشكل 9: جزيء H₂O من الشكل AX2E2 زاوي

اصطلاحات تمثيل كرام:

الشكل 10: من اليسار إلى اليمين: رابطة في مستوى الورقة، رابطة أمامه، رابطة خلفه

خط عادي: رابطة في مستوى الورقة.
مثلث مملوء: رابطة أمام مستوى الورقة (نحو القارئ).
مثلث مهشر (متقطع): رابطة خلف مستوى الورقة.

8. استقطاب الروابط والجزيئات

إذا ارتبطت ذرتان مختلفتان في الكهروسلبية، تنجذب إلكترونات الرابطة نحو الذرة الأكثر كهروسلبية، فتحمل هذه الذرة شحنة جزئية $\delta^-$ وتحمل الأخرى $\delta^+$ : الرابطة مستقطبة (مثل $\ce{H-Cl}$ و $\ce{O-H}$ ).
يكون الجزيء مستقطبا إذا لم يتطابق مركز الشحن الموجبة مع مركز الشحن السالبة: $\ce{H2O}$ و $\ce{NH3}$ و $\ce{HCl}$ . أما $\ce{CO2}$ (خطي) و $\ce{CH4}$ و $\ce{CCl4}$ (متناظرة) فهي غير مستقطبة رغم أن روابطها قد تكون مستقطبة.
بين الجزيئات المستقطبة روابط بين جزيئية ضعيفة، تفسر مثلا ارتفاع درجة غليان الماء، وذوبان الأنواع المستقطبة في الماء.

تعاريف مهمة

الفرد الكيميائي

دقيقة مجهرية مكونة للمادة: ذرة أو جزيء أو شاردة. لا نتعامل معها بحواسنا، مثل جزيء الماء أو ذرة الحديد أو شاردة الصوديوم.

النوع الكيميائي

مجموعة كبيرة من الأفراد الكيميائية المتماثلة نتعامل معها عيانيا، مثل الماء أو ملح الطعام. له خصائص فيزيائية وكيميائية تميزه.

العدد الذري

Z

عدد البروتونات في النواة، ويساوي عدد الإلكترونات في الذرة المتعادلة. هو الذي يميز العنصر الكيميائي.

العدد الكتلي

A

عدد النوكليونات في النواة، أي مجموع البروتونات والنيترونات: $A = Z + N$ .

العنصر الكيميائي

مجموع الأفراد (ذرات أو شوارد) التي لها نفس العدد الذري $Z$ . يبقى محفوظا خلال التحولات الكيميائية لأن النواة لا تتغير.

النظائر

ذرات لها نفس العدد الذري $Z$ وعدد كتلي $A$ مختلف، أي تختلف في عدد النيترونات فقط. لها نفس الخصائص الكيميائية.

الشاردة

ذرة أو مجموعة ذرات فقدت إلكترونا أو أكثر فأصبحت موجبة، أو اكتسبت إلكترونا أو أكثر فأصبحت سالبة.

الكهروسلبية

قدرة الذرة على جذب إلكترونات الرابطة نحوها. تزداد في الجدول الدوري من اليسار إلى اليمين ومن الأسفل إلى الأعلى.

التكافؤ

عدد الإلكترونات العازبة في الطبقة الخارجية للذرة، وهو عدد الروابط التكافؤية التي تشكلها.

الرابطة التكافؤية

مشاركة إلكترونية بين ذرتين: زوج مشترك واحد للرابطة الأحادية، وزوجان للثنائية، وثلاثة أزواج للثلاثية.

المتماكبات

أنواع كيميائية لها نفس الصيغة المجملة وصيغ مفصلة مختلفة، فخصائصها الفيزيائية والكيميائية مختلفة.

نموذج جيلسبي

نموذج يتوقع هندسة الجزيء من تنافر الأزواج الإلكترونية حول الذرة المركزية، ويعبر عنها بالصيغة الرمزية $AX_nE_m$ .

القوانين

قانون : العلاقة بين مكونات النواة

A = Z + N

العدد الكتلي $A$ هو مجموع البروتونات $Z$ والنيترونات $N$ . نستعملها لحساب عدد النيترونات: $N = A - Z$ .

قانون : قاعدة الثنائية

K^2

العناصر القريبة من الهيليوم ( $\ce{H}$ و $\ce{Li}$ و $\ce{Be}$ و $\ce{B}$ ) تسعى لأن تكون طبقتها الخارجية $K^2$ مثل الهيليوم، بفقد إلكترونات أو بتشكيل روابط.

قانون : قاعدة الثمانية

8\ e^-

تسعى الذرة لأن تحمل طبقتها الخارجية 8 إلكترونات مثل أقرب غاز خامل: تفقد 1 أو 2 أو 3 إلكترونات، أو تكتسب 3 أو 2 أو 1، أو تشارك إلكتروناتها في روابط تكافؤية.

قانون : نموذج جيلسبي

AX_nE_m

الأزواج الإلكترونية حول الذرة المركزية تتنافر وتبتعد أكبر ما يمكن. العدد $n + m$ يحدد التوزيع في الفضاء، والأزواج غير الرابطة تجعل الشكل هرميا أو زاويا.

العلاقات الأساسية

عدد النيترونات

N = A - Z

من العدد الكتلي والعدد الذري.

العدد الذري من شحنة النواة

Z = \dfrac{q_{noyau}}{e}

مع $e = 1{,}6 \times 10^{-19}\ C$ .

العدد الكتلي من كتلة النواة

A = \dfrac{m_{noyau}}{m_p}

مع $m_p \approx 1{,}67 \times 10^{-27}\ kg$ ، ثم ندور إلى أقرب عدد صحيح.

كتلة الذرة

m_{atome} \approx A \cdot m_p

كتلة الإلكترونات مهملة أمام كتلة النواة.

عدد الذرات في عينة

N_{at} = \dfrac{m}{m_{atome}}

الكتلتان بنفس الوحدة، عادة بالكيلوغرام.

شحنة شاردة

q = \pm n \cdot e

موجبة إذا فقدت الذرة $n$ إلكترونا، وسالبة إذا اكتسبتها.

الكتلة الذرية المتوسطة

M = \dfrac{A_1 x_1 + A_2 x_2 + \dots}{100}

بوحدة الكتل الذرية $u$ ، مع $x_i$ النسبة المئوية لكل نظير.

الطبقة رقم n

2n^2

أقصى عدد من الإلكترونات في الطبقة: 2 في $K$ و 8 في $L$ .

أمثلة محلولة

التطبيق الأول - من الشحنة والكتلة إلى رمز النواة

نواة ذرة الفضة $\ce{Ag}$ تحتوي على $108$ نوكليونات وتحمل الشحنة $q = 7{,}52 \times 10^{-18}\ C$ .

احسب $Z$ ثم $N$ .

اكتب رمز النواة.

احسب كتلة الذرة ثم عدد الذرات في $20\ g$ من الفضة.

الحل

$Z = \dfrac{q}{e} = \dfrac{7{,}52 \times 10^{-18}}{1{,}6 \times 10^{-19}} = 47$ و $N = A - Z = 108 - 47 = 61$ .

$\ce{^{108}_{47}Ag}$ .

$m_{Ag} \approx 108 \times 1{,}67 \times 10^{-27} = 1{,}80 \times 10^{-25}\ kg$ نحول الكتلة إلى الكيلوغرام: $20\ g = 2 \times 10^{-2}\ kg$ ، ثم:

N_{at} = \dfrac{2 \times 10^{-2}}{1{,}80 \times 10^{-25}} \approx 1{,}11 \times 10^{23}

التطبيق الثاني - الكتلة الذرية المتوسطة

للرصاص $\ce{Pb}$ ثلاثة نظائر: $\ce{^{206}Pb}$ ، $\ce{^{207}Pb}$ بنسبة $22\ \%$ ، و $\ce{^{208}Pb}$ بنسبة $54\ \%$ . احسب الكتلة الذرية المتوسطة للرصاص.

الحل

نسبة $\ce{^{206}Pb}$ هي الباقي: $100 - 22 - 54 = 24\ \%$ . إذن:

M = \dfrac{206 \times 24 + 207 \times 22 + 208 \times 54}{100} = 207{,}30\ u

النتيجة محصورة بين $206$ و $208$ ، وأقرب إلى $208$ لأنه النظير الأكثر وجودا. هذا تحقق سريع مفيد.

التطبيق الثالث - التعرف على عنصر من شاردته

شاردة $\ce{Y^{n-}}$ شحنتها $q = -4{,}8 \times 10^{-19}\ C$ ، وتوزيعها الإلكتروني $K^2L^8$ .

أوجد $n$ .

استنتج العدد الذري للعنصر وموقعه في الجدول الدوري.

الحل

$n = \dfrac{|q|}{e} = \dfrac{4{,}8 \times 10^{-19}}{1{,}6 \times 10^{-19}} = 3$ الذرة اكتسبت ثلاثة إلكترونات: $\ce{Y + 3e- -> Y^3-}$ .

للشاردة $10$ إلكترونات، وللذرة $10 - 3 = 7$ إلكترونات، إذن $Z = 7$ : إنه الآزوت $\ce{N}$ ، توزيعه $K^2L^5$ ، في السطر 2 والعمود V.

التطبيق الرابع - لويس وجيلسبي لجزيء النشادر

أنجز تمثيل لويس لجزيء النشادر $\ce{NH3}$ ( $_{7}N$ ، $_{1}H$ ).

أعط صيغته الرمزية حسب جيلسبي واستنتج شكله الهندسي.

الحل

$\ce{N}: K^2L^5$ له ثلاثة إلكترونات عازبة وزوج حر، فتكافؤه 3، و $\ce{H}$ تكافؤه 1. الآزوت مركزي ويرتبط بثلاث ذرات هيدروجين، ويبقى له زوج غير رابط.

حول $\ce{N}$ : ثلاث ذرات مرتبطة $(n = 3)$ وزوج غير رابط $(m = 1)$ ، إذن $AX_3E_1$ : الشكل هرمي بزاوية تقارب $107^{\circ}$ . الزوج الحر يدفع الروابط الثلاث نحو الأسفل، لذلك الجزيء ليس مستويا.

تذكّر

الفرد الكيميائي دقيقة مجهرية، والنوع الكيميائي مجموعة أفراد متماثلة نتعامل معها عيانيا. تتكون الذرة من نواة موجبة صغيرة جدا تتركز فيها الكتلة، تحتوي على $Z$ بروتونا و $N$ نيترونا مع $A = Z + N$ ، وتدور حولها $Z$ إلكترونا موزعة على الطبقات $K$ و $L$ و $M$ . العنصر الكيميائي يعرف بعدده الذري $Z$ ، ونظائره تختلف في $A$ فقط. في الجدول الدوري المبسط رقم السطر هو عدد الطبقات ورقم العمود هو عدد الإلكترونات الخارجية. تسعى الذرات لتحقيق الثنائية أو الثمانية بفقد الإلكترونات أو اكتسابها أو مشاركتها. نموذج لويس يمثل الروابط والأزواج الحرة، ونموذج جيلسبي $AX_nE_m$ يتوقع الشكل الهندسي، وتمثيل كرام يبرزه في الفضاء.

انتبه

أربعة أخطاء تتكرر كثيرا في هذه الوحدة. الأول: نسيان تحويل الكتلة من الغرام إلى الكيلوغرام قبل حساب عدد الذرات. الثاني: عد الأزواج غير الرابطة لكل الذرات بدل الذرة المركزية وحدها في الصيغة $AX_nE_m$ : في $\ce{CCl4}$ لدينا $m = 0$ رغم وجود 12 زوجا حرا على ذرات الكلور. الثالث: عد الرابطة الثنائية أو الثلاثية مرتين في $n$ ، بينما تحسب مرة واحدة: $\ce{HCN}$ من الشكل $AX_2$ . الرابع: الخلط بين الفرد والنوع الكيميائي عندما تكون الصيغة واحدة، فالماء الأكسجيني نوع وجزيء الماء الأكسجيني فرد.

التطبيقات والتمارين

14 تمرينا متدرجا محلولا

التمرين 1 - الفرد والنوع الكيميائي، الكشف، بنية الذرة

سهل

أولا: يعطى الجدول التالي لبعض الأفراد والأنواع الكيميائية: الماء الأكسجيني $\ce{H2O2}$ ، ملح الطعام $\ce{NaCl}$ ، ذرة حديد $\ce{Fe}$ ، شاردة الكالسيوم $\ce{Ca^2+}$ ، غاز الأوزون $\ce{O3}$ ، جزيء الماء الأكسجيني $\ce{H2O2}$ ، قطعة ذهب $\ce{Au}$ .

ما الفرق بين الفرد الكيميائي والنوع الكيميائي؟

صنف كلا منها: فرد كيميائي أم نوع كيميائي؟

ثانيا: أجرينا الكشف عن بعض الأنواع والأفراد الكيميائية في ثلاثة محاليل شفافة $A$ و $B$ و $C$ فكانت النتائج:

المحلول	$A$	$B$	$C$
قيمة $pH$	7	9	4
ماء اليود	لا يتأثر	أزرق بنفسجي	لا يتأثر
محلول الصودا	لا يتأثر	راسب أبيض هلامي	راسب أخضر هلامي
نترات الفضة	لا يتأثر	لا يتأثر	راسب أبيض
فهلنغ مع التسخين	لا يتأثر	لا يتأثر	راسب أحمر آجوري

حدد طبيعة كل محلول (حمضي، معتدل، أساسي)، والأنواع والأفراد الكيميائية الموجودة فيه من بين: النشاء، الغلوكوز، $\ce{Fe^2+}$ ، $\ce{Cu^2+}$ ، $\ce{Cl-}$ ، $\ce{Zn^2+}$ .

ما الملاحظات المتوقعة عند إضافة كاشف أزرق البروموتيمول إلى المحاليل الثلاثة؟

ماذا يمكن أن يمثل المحلول $A$ ؟ علل.

ثالثا: أكمل الفراغات:

تعني كلمة ذرة باليونانية الشيء الذي لا ...، لكن تجربة ... بينت أن للذرة نواة مركزية مشحونة بشحنة ... تحيط بها سحابة من .... تحتوي النواة على جسيمات تسمى ... عددها $A$ ، وهي نوعان: ... عددها $N$ و ... عددها $Z$ . يسمى $Z$ العدد ... أو العدد ...، وهو الذي يميز .... كتلة النوكليون أكبر بحوالي ... مرة من كتلة ...، لذلك كتلة الذرة تساوي تقريبا كتلة ....

عرض الحل

توجيه منهجي: ميز دائما بين المجهري (ذرة، جزيء، شاردة: فرد) والعياني (غاز، قطعة، ملح، مادة: نوع). وفي الكشف اربط كل ملاحظة بكاشفها.

الفرد الكيميائي دقيقة مجهرية (ذرة، جزيء، شاردة)، والنوع الكيميائي مجموعة كبيرة من الأفراد المتماثلة نتعامل معها عيانيا.

أفراد كيميائية: ذرة الحديد، شاردة الكالسيوم، جزيء الماء الأكسجيني. أنواع كيميائية: الماء الأكسجيني، ملح الطعام، غاز الأوزون، قطعة الذهب.

المحلول	طبيعته	ما يحتويه	التعليل
$A$	معتدل	لا شيء من المقترحات	$pH = 7$ ولم يتفاعل مع أي كاشف
$B$	أساسي	النشاء و $\ce{Zn^2+}$	$pH = 9$ ، اليود يعطي الأزرق البنفسجي، والصودا راسبا أبيض
$C$	حمضي	الغلوكوز و $\ce{Cl-}$ و $\ce{Fe^2+}$	$pH = 4$ ، فهلنغ يعطي الأحمر الآجوري، نترات الفضة راسبا أبيض، والصودا راسبا أخضر

لا يوجد $\ce{Cu^2+}$ في أي محلول، لأنه يعطي مع الصودا راسبا أزرق. ملاحظة: المعطيات مبسطة، ففي الواقع تترسب شوارد $\ce{Zn^2+}$ تلقائيا في وسط أساسي مثل $pH = 9$ .

مع أزرق البروموتيمول: $A$ يأخذ اللون الأخضر، و $B$ الأزرق، و $C$ الأصفر.

$A$ معتدل ولا يحتوي على أي من الأنواع المكشوف عنها: يمكن أن يكون ماء مقطرا.

لا ينقسم؛ رذرفورد؛ موجبة؛ الإلكترونات؛ النوكليونات؛ النيترونات؛ البروتونات؛ العدد الذري أو العدد الشحني؛ يميز العنصر الكيميائي؛ حوالي 1836 مرة من كتلة الإلكترون؛ كتلة النواة.

انتبه، خطأ شائع: «الماء الأكسجيني» (المادة) نوع، و«جزيء الماء الأكسجيني» فرد، رغم أن الصيغة واحدة. الصيغة لا تكفي: اقرأ الكلمة التي قبلها.

التمرين 2 - ذرة الفضة

سهل

ذرة الفضة رمزها $\ce{Ag}$ ، تحتوي نواتها على $108$ نوكليونات وتحمل شحنة $q = 7{,}52 \times 10^{-18}\ C$ .

احسب عددها الذري $Z$ ، ثم عدد نيتروناتها.

أعط التمثيل الرمزي لنواتها.

استنتج شحنة السحابة الإلكترونية المحيطة بالنواة.

احسب كتلة ذرة الفضة (نعتبرها مساوية لكتلة نواتها).

ما عدد الذرات الموجودة في عينة من الفضة كتلتها $m = 20\ g$ ؟

معطيات: $m_p = m_n = 1{,}67 \times 10^{-27}\ kg$ ، $e = 1{,}6 \times 10^{-19}\ C$ ، وتهمل كتلة الإلكترونات أمام كتلة النواة.

عرض الحل

توجيه منهجي: أربع علاقات تحل أغلب تمارين الذرة: $Z = \dfrac{q_{noyau}}{e}$ و $N = A - Z$ و $m_{atome} \approx A \cdot m_p$ و $N_{at} = \dfrac{m}{m_{atome}}$ . حول الكتلة إلى الكيلوغرام قبل القسمة.

$Z = \dfrac{q}{e} = \dfrac{7{,}52 \times 10^{-18}}{1{,}6 \times 10^{-19}} = 47$ و $N = A - Z = 108 - 47 = 61$ .

$\ce{^{108}_{47}Ag}$

السحابة تحمل $47$ إلكترونا: $q_{nuage} = -Z \cdot e = -7{,}52 \times 10^{-18}\ C$ ، والذرة متعادلة.

$m_{Ag} \approx A \cdot m_p = 108 \times 1{,}67 \times 10^{-27} = 1{,}80 \times 10^{-25}\ kg$

$m = 20\ g = 2 \times 10^{-2}\ kg$ ، إذن:

N_{at} = \dfrac{2 \times 10^{-2}}{1{,}80 \times 10^{-25}} \approx 1{,}11 \times 10^{23}

انتبه، خطأ شائع: التعويض بـ $m = 20$ مباشرة دون تحويل الغرامات إلى الكيلوغرام يعطي نتيجة أكبر بألف مرة.

التمرين 3 - اليورانيوم ونواتان مجهولتان

متوسط

أولا: إليك رموز نوى بعض العناصر: $\ce{^{27}_{13}Al}$ ، $\ce{^{4}_{2}He}$ ، $\ce{^{238}_{92}U}$ ، $\ce{^{12}_{6}C}$ .

ماذا يمثل العددان $238$ و $92$ في رمز اليورانيوم؟

حدد مكونات نواة اليورانيوم.

احسب كتلة ذرة اليورانيوم $m_U$ .

ثانيا: لتكن النواتان $\ce{^{A_1}_{Z}X}$ و $\ce{^{A_2}_{Z}X}$ حيث: $A_1 + A_2 = 4Z + 2$ ، وعدد نيترونات الثانية $N_2 = Z + 2$ ، وشحنتها $q_2 = 9{,}6 \times 10^{-19}\ C$ .

احسب العدد الذري $Z$ .

احسب $A_1$ و $A_2$ . ماذا تمثل هاتان النواتان بالنسبة لبعضهما؟

اكتب التوزيع الإلكتروني للعنصر $X$ ، ثم حدد موقعه في الجدول الدوري وتكافؤه.

معطيات: $m_p = m_n = 1{,}67 \times 10^{-27}\ kg$ ، $e = 1{,}6 \times 10^{-19}\ C$ ، وتهمل كتلة الإلكترونات أمام كتلة النواة.

عرض الحل

توجيه منهجي: في الجزء الثاني ثلاث معادلات بثلاثة مجاهيل. ابدأ دائما بالمعطى الذي يعطي مجهولا مباشرة: الشحنة تعطي $Z$ .

$238$ هو العدد الكتلي $A$ (عدد النوكليونات)، و $92$ هو العدد الذري $Z$ (عدد البروتونات).

$92$ بروتونا و $238 - 92 = 146$ نيترونا.

$m_U \approx 238 \times 1{,}67 \times 10^{-27} = 3{,}97 \times 10^{-25}\ kg$

$Z = \dfrac{q_2}{e} = \dfrac{9{,}6 \times 10^{-19}}{1{,}6 \times 10^{-19}} = 6$

$A_2 = Z + N_2 = 6 + 8 = 14 \qquad A_1 = (4Z + 2) - A_2 = 26 - 14 = 12$ النواتان $\ce{^{12}_{6}C}$ و $\ce{^{14}_{6}C}$ لهما نفس $Z$ و $A$ مختلف: إنهما نظيران للكربون.

$K^2L^4$ : طبقتان، إذن السطر 2؛ أربعة إلكترونات خارجية، إذن العمود IV؛ أربعة إلكترونات عازبة، إذن التكافؤ 4.

التمرين 4 - التوزيع الإلكتروني وتمثيل الجزيئات

متوسط

أكمل الجدول:

الذرة	$\ce{^{1}_{1}H}$	$\ce{^{12}_{6}C}$	$\ce{^{14}_{7}N}$	$\ce{^{16}_{8}O}$	$\ce{^{35}_{17}Cl}$	$\ce{^{32}_{16}S}$	$\ce{^{31}_{15}P}$
التوزيع الإلكتروني
رقم السطر
رقم العمود
التكافؤ

لكل جزيء من الجزيئات $\ce{MgCl2}$ ، $\ce{CCl4}$ ، $\ce{NH3}$ ، $\ce{PCl3}$ ، $\ce{SCl2}$ (مع $_{12}Mg$ ): أعط تمثيل لويس، وعدد الأزواج الرابطة وغير الرابطة للذرة المركزية، والصيغة $AX_nE_m$ والشكل الهندسي، ثم تمثيل كرام.

عرض الحل

توجيه منهجي: السطر = عدد الطبقات، العمود = إلكترونات الطبقة الأخيرة. التكافؤ = رقم العمود من I إلى IV، و 8 ناقص رقم العمود من V إلى VII. لكل جزيء: حدد الذرة المركزية (أكبر تكافؤ)، ثم عد أزواجها الرابطة $n$ وغير الرابطة $m$ .

الذرة	$\ce{H}$	$\ce{C}$	$\ce{N}$	$\ce{O}$	$\ce{Cl}$	$\ce{S}$	$\ce{P}$
التوزيع	$K^1$	$K^2L^4$	$K^2L^5$	$K^2L^6$	$K^2L^8M^7$	$K^2L^8M^6$	$K^2L^8M^5$
السطر	1	2	2	2	3	3	3
العمود	I	IV	V	VI	VII	VI	V
التكافؤ	1	4	3	2	1	2	3

الجزيء	أزواج رابطة	أزواج غير رابطة	الصيغة	الشكل
$\ce{MgCl2}$	2	0	$AX_2$	خطي
$\ce{CCl4}$	4	0	$AX_4$	رباعي الوجوه
$\ce{NH3}$	3	1	$AX_3E_1$	هرمي
$\ce{PCl3}$	3	1	$AX_3E_1$	هرمي
$\ce{SCl2}$	2	2	$AX_2E_2$	زاوي

MgCl₂: تمثيل لويس (يسار) وتمثيل كرام (يمين)

CCl₄: تمثيل لويس وتمثيل كرام

NH₃: تمثيل لويس وتمثيل كرام

PCl₃: تمثيل لويس وتمثيل كرام

SCl₂: تمثيل لويس وتمثيل كرام

في تمثيل كرام اكتفينا بالأزواج غير الرابطة للذرة المركزية، لأنها وحدها تحدد الشكل.

ملاحظة حول $\ce{MgCl2}$ : المغنيزيوم من العمود II والكلور هالوجين، والفرق في الكهروسلبية كبير جدا، فـ $\ce{MgCl2}$ في الحقيقة مركب شاردي $(\ce{Mg^2+ + 2Cl-})$ وليس جزيئا. التمثيل أعلاه شكلي فقط كما يطلبه التمرين، والمغنيزيوم فيه لا يحقق قاعدة الثمانية.

انتبه، خطأ شائع: عد الأزواج غير الرابطة للذرة المركزية فقط: في $\ce{CCl4}$ لدينا $m = 0$ رغم وجود 12 زوجا حرا على ذرات الكلور.

التمرين 5 - الرصاص وعنصر مجهول

متوسط

الجزء الأول: الرصاص عنصر رمزه $\ce{Pb}$ ، في نواته $82$ بروتونا، وكتلة نواته $m_{Pb} = 3{,}4402 \times 10^{-25}\ kg$ .

احسب عدد نوكليونات هذه النواة واستنتج عدد نيتروناتها.

أوجد شحنة السحابة الإلكترونية المحيطة بهذه النواة.

احسب عدد الذرات في قطعة رصاص كتلتها $m' = 0{,}1\ kg$ .

للرصاص نظيران آخران: الأول يزيد عليه بنيترون ونسبة وجوده $22\ \%$ ، والثاني يزيد عليه بنيترونين ونسبة وجوده $54\ \%$ . أوجد الكتلة الذرية المتوسطة للرصاص بوحدة $u$ .

الجزء الثاني: نواة عنصر $\ce{^{A}_{Z}Y}$ ؛ شاردته $\ce{Y^{n-}}$ شحنتها $q = -1{,}6 \times 10^{-19}\ C$ ، والنسبة بين شحنة النواة وشحنة الشاردة $\dfrac{q_Y}{q(\ce{Y^{n-}})} = -9$ .

ماذا يمثل $n$ ؟ أوجد قيمته.

احسب شحنة النواة $q_Y$ واستنتج العدد الذري.

أعط التوزيع الإلكتروني للذرة، وحدد موقعها في الجدول الدوري وعائلتها.

معطيات: $m_p = m_n = 1{,}67 \times 10^{-27}\ kg$ ، $e = 1{,}6 \times 10^{-19}\ C$ ، وتهمل كتلة الإلكترونات أمام كتلة النواة.

عرض الحل

توجيه منهجي: الجزء الأول: $A = \dfrac{m_{noyau}}{m_p}$ ثم دور إلى أقرب عدد صحيح. ولا تنس أن نسبة النظير الأول هي $x_1 = 100 - x_2 - x_3$ . الجزء الثاني: $n = \dfrac{|q|}{e}$ ، ثم من النسبة نستخرج $q_Y$ ، وانتبه للإشارة: النواة دائما موجبة.

$A = \dfrac{3{,}4402 \times 10^{-25}}{1{,}67 \times 10^{-27}} = 206 \qquad N = 206 - 82 = 124$

$q_{nuage} = -82 \times 1{,}6 \times 10^{-19} = -1{,}312 \times 10^{-17}\ C$

$N_{at} = \dfrac{m'}{m_{Pb}} = \dfrac{0{,}1}{3{,}4402 \times 10^{-25}} \approx 2{,}91 \times 10^{23}$

النظائر: $\ce{^{206}Pb}$ بنسبة $100 - 22 - 54 = 24\ \%$ ، و $\ce{^{207}Pb}$ بنسبة $22\ \%$ ، و $\ce{^{208}Pb}$ بنسبة $54\ \%$ :

M = \dfrac{206 \times 24 + 207 \times 22 + 208 \times 54}{100} = 207{,}30\ u

$n$ عدد الإلكترونات التي اكتسبتها الذرة: $n = \dfrac{1{,}6 \times 10^{-19}}{1{,}6 \times 10^{-19}} = 1$ .

$q_Y = -9 \times (-1{,}6 \times 10^{-19}) = 14{,}4 \times 10^{-19}\ C \qquad Z = \dfrac{14{,}4}{1{,}6} = 9$

$K^2L^7$ : السطر 2، العمود VII، عائلة الهالوجينات. إنه الفلور $\ce{F}$ وشاردته $\ce{F-}$ .

التمرين 6 - الإيريديوم ونظيراه

متوسط

الجزء الأول: الإيريديوم $\ce{Ir}$ فلز انتقالي، في نواته $77$ بروتونا، وكتلة نواته $m_{Ir} = 3{,}2231 \times 10^{-25}\ kg$ .

احسب عدد نوكليونات هذه النواة، واستنتج عدد نيتروناتها، واكتب رمزها.

احسب شحنة نواة الإيريديوم $q_{Ir}$ .

للإيريديوم نظير طبيعي آخر يقل عنه بنيترونين، والكتلة الذرية المتوسطة للإيريديوم $M = 192{,}26\ u$ . أوجد النسبة المئوية لوجود كل نظير.

الجزء الثاني: شاردة العنصر $Y$ رمزها $\ce{Y^{n-}}$ وشحنتها $q = -4{,}8 \times 10^{-19}\ C$ ، مع $\dfrac{q(\ce{Y^{n-}})}{q_Y} = -\dfrac{3}{7}$ .

ماذا يمثل $n$ ؟ أوجد قيمته.

أوجد شحنة النواة $q_Y$ واستنتج العدد الذري.

أعط التوزيع الإلكتروني للذرة وحدد موقعها في الجدول الدوري.

معطيات: $m_p = m_n = 1{,}67 \times 10^{-27}\ kg$ ، $e = 1{,}6 \times 10^{-19}\ C$ ، وتهمل كتلة الإلكترونات أمام كتلة النواة.

عرض الحل

توجيه منهجي: لنظيرين نسبتاهما $x$ و $100 - x$ نكتب $M = \dfrac{A_1 x + A_2 (100 - x)}{100}$ ونحل معادلة من الدرجة الأولى.

$A = \dfrac{3{,}2231 \times 10^{-25}}{1{,}67 \times 10^{-27}} = 193 \qquad N = 193 - 77 = 116$ رمز النواة $\ce{^{193}_{77}Ir}$ .

$q_{Ir} = 77 \times 1{,}6 \times 10^{-19} = 1{,}232 \times 10^{-17}\ C$

النظير الآخر هو $\ce{^{191}_{77}Ir}$ . لتكن $x$ نسبة $\ce{^{193}Ir}$ :

192{,}26 = \dfrac{193x + 191(100 - x)}{100} \Rightarrow 19226 = 19100 + 2x \Rightarrow x = 63\ \%

إذن $63\ \%$ من $\ce{^{193}Ir}$ و $37\ \%$ من $\ce{^{191}Ir}$ . تحقق: $\dfrac{193 \times 63 + 191 \times 37}{100} = 192{,}26$ ✔

$n = \dfrac{4{,}8 \times 10^{-19}}{1{,}6 \times 10^{-19}} = 3$ : الذرة اكتسبت ثلاثة إلكترونات.

$q_Y = q(\ce{Y^3-}) \times \left(-\dfrac{7}{3}\right) = (-4{,}8 \times 10^{-19}) \times \left(-\dfrac{7}{3}\right) = 11{,}2 \times 10^{-19}\ C \qquad Z = 7$

$K^2L^5$ : السطر 2، العمود V. إنه الآزوت $\ce{N}$ وشاردته $\ce{N^3-}$ .

التمرين 7 - عنصران مجهولان

متوسط

الجزء الأول: عنصر $\ce{^{A}_{Z}X}$ رمز شاردته $\ce{X^3+}$ ، وتربط شحنة نواته بشحنة شاردته العلاقة $\dfrac{q_{noyau}}{q(\ce{X^3+})} = \dfrac{13}{3}$ .

أوجد شحنة الشاردة واستنتج شحنة النواة.

أوجد العدد الذري $Z$ .

كتلة ذرة هذا العنصر $4{,}509 \times 10^{-26}\ kg$ . أوجد العدد الكتلي $A$ .

اكتب رمز النواة، وتعرف على العنصر من بين: $\ce{^{27}_{13}Al}$ ، $\ce{^{4}_{2}He}$ ، $\ce{^{12}_{6}C}$ .

أعط توزيعه الإلكتروني وموقعه في الجدول الدوري.

الجزء الثاني: عنصر $X$ يقع في تقاطع العمود VI مع السطر الثالث.

أعط توزيعه الإلكتروني.

ما الشاردة المتوقعة؟ علل.

إذا كان عدد نيتروناته يساوي عدد بروتوناته، فاستنتج عدده الكتلي.

تعرف على $X$ من بين: $\ce{O}$ (8 بروتونات)، $\ce{S}$ (16)، $\ce{Si}$ (14)، $\ce{H}$ (1).

للعنصر $X$ نظيران: الأول يزيد عليه بنيترون $(1\ \%)$ ، والثاني بنيترونين $(3\ \%)$ . احسب الكتلة الذرية المتوسطة.

يرتبط $X$ مع ذرتي هيدروجين مشكلا الجزيء $\ce{H2X}$ :

أعط تمثيل لويس.

أعط الصيغة الرمزية والشكل الهندسي حسب جيلسبي، ومثله حسب كرام.

هل الجزيء مستقطب؟ علل.

معطيات: $m_p = m_n = 1{,}67 \times 10^{-27}\ kg$ ، $e = 1{,}6 \times 10^{-19}\ C$ ، وتهمل كتلة الإلكترونات أمام كتلة النواة.

عرض الحل

توجيه منهجي: شاردة $\ce{X^3+}$ تعني أن الذرة فقدت ثلاثة إلكترونات، فشحنتها $q = +3e$ . والموقع في الجدول يعطي التوزيع الإلكتروني مباشرة.

$q(\ce{X^3+}) = 3e = 4{,}8 \times 10^{-19}\ C \qquad q_{noyau} = \dfrac{13}{3} \times 4{,}8 \times 10^{-19} = 20{,}8 \times 10^{-19}\ C$

$Z = \dfrac{20{,}8 \times 10^{-19}}{1{,}6 \times 10^{-19}} = 13$

$A = \dfrac{4{,}509 \times 10^{-26}}{1{,}67 \times 10^{-27}} = 27$

$\ce{^{27}_{13}X}$ هي $\ce{^{27}_{13}Al}$ : إنه الألمنيوم.

$K^2L^8M^3$ : السطر 3، العمود III.

السطر 3 يعني ثلاث طبقات، والعمود VI يعني ستة إلكترونات خارجية: $K^2L^8M^6$ ، إذن $Z = 16$ .

تكتسب إلكترونين لتحقيق الثمانية: الشاردة $\ce{X^2-}$ وتوزيعها $K^2L^8M^8$ .

$N = Z = 16$ ، إذن $A = 32$ .

$Z = 16$ : $X$ هو الكبريت $\ce{^{32}_{16}S}$ .

نسبة $\ce{^{32}S}$ هي $100 - 1 - 3 = 96\ \%$ :

M = \dfrac{32 \times 96 + 33 \times 1 + 34 \times 3}{100} = 32{,}07\ u

H₂S: تمثيل لويس (يسار) وتمثيل كرام (يمين)

الكبريت مركزي، مرتبط بذرتي هيدروجين وله زوجان حران.

$AX_2E_2$ : الشكل زاوي.

الجزيء مستقطب: الرابطتان $\ce{S-H}$ مستقطبتان (استقطابا ضعيفا) والشكل زاوي غير متناظر، فلا يتطابق مركزا الشحن الموجبة والسالبة.

التمرين 8 - الكلوروفورم

متوسط

لتخدير الضفدع قبل تشريحه في مخبر العلوم الطبيعية يستعمل «الكلوروفورم»، وهو مركب عضوي يتكون من العناصر $\ce{^{A_1}_{Z_1}X_1}$ و $\ce{^{A_2}_{Z_2}X_2}$ و $_{1}H$ .

ما المقصود بـ: العنصر الكيميائي؛ الكهروسلبية؟

كتلة نواة $X_1$ هي $20{,}04 \times 10^{-27}\ kg$ ، ويقع في تقاطع السطر الثاني والعمود الرابع.

احسب $A_1$ .

استنتج $Z_1$ مع كتابة التوزيع الإلكتروني.

مجموع إلكترونات الذرات الثلاث $X_1$ و $X_2$ و $H$ (ذرة واحدة من كل عنصر) هو $24$ .

حدد $Z_2$ واكتب التوزيع الإلكتروني لـ $X_2$ .

استنتج موقعه في الجدول الدوري.

حدد رمزي $X_1$ و $X_2$ من بين: $_{6}C$ ، $_{7}N$ ، $_{8}O$ ، $_{17}Cl$ .

يحتوي جزيء الكلوروفورم على ثلاث ذرات من $X_2$ .

أعط تمثيل لويس لذرتي $X_1$ و $X_2$ .

استنتج الصيغة المجملة للجزيء وأنجز تمثيل لويس له.

اكتب صيغته الرمزية حسب جيلسبي وشكله الهندسي.

أعط تمثيل كرام.

معطيات: $m_p = m_n = 1{,}67 \times 10^{-27}\ kg$ ، $e = 1{,}6 \times 10^{-19}\ C$ ، وتهمل كتلة الإلكترونات أمام كتلة النواة.

عرض الحل

توجيه منهجي: مفتاح التمرين: «مجموع الإلكترونات = 24» معادلة بمجهول واحد بعد إيجاد $Z_1$ ، لأن $Z(H) = 1$ . كل ذرة تحسب مرة واحدة هنا، لا حسب عددها في الجزيء.

العنصر الكيميائي: مجموع الأفراد التي لها نفس العدد الذري $Z$ . الكهروسلبية: قدرة ذرة على جذب إلكترونات الرابطة نحوها.

$A_1 = \dfrac{20{,}04 \times 10^{-27}}{1{,}67 \times 10^{-27}} = 12$

السطر 2 والعمود IV: $K^2L^4$ ، إذن $Z_1 = 6$ .

$Z_1 + Z_2 + 1 = 24 \Rightarrow Z_2 = 24 - 6 - 1 = 17$ وتوزيعه $K^2L^8M^7$ .

السطر 3، العمود VII (هالوجين).

$X_1 = \ce{C}$ و $X_2 = \ce{Cl}$ .

تمثيل لويس لذرتي الكربون والكلور: تكافؤ الكربون 4 وتكافؤ الكلور 1

الكربون رباعي التكافؤ يرتبط بثلاث ذرات كلور وذرة هيدروجين: $\ce{CHCl3}$ .

CHCl₃: تمثيل لويس (يسار) وتمثيل كرام (يمين)

الكربون المركزي: أربعة أزواج رابطة ولا زوج حر، إذن $AX_4$ : شكل رباعي الوجوه.

تمثيل كرام في الشكل أعلاه (يمين).

التمرين 9 - السيليسيوم

متوسط

السيليسيوم $\ce{Si}$ يقع في تقاطع السطر الثالث والعمود الرابع، يصنف من أشباه المعادن، صلب بلوري هش رمادي البريق، ضعيف النشاط الكيميائي نسبيا.

قطعة سيليسيوم كتلتها $m = 2\ kg$ تحتوي على $N = 42{,}77 \times 10^{24}$ ذرة.

ما معنى «ضعيف النشاط الكيميائي»؟

احسب كتلة ذرة واحدة واستنتج العدد الكتلي $A$ .

من معطيات النص استنتج العدد الذري $Z$ للسيليسيوم.

تتحد ذرة $\ce{Si}$ مع ذرتين من عنصر $Y$ مشكلة الجزيء $\ce{SiY2}$ ذا الصيغة الرمزية $AX_2$ .

ما تكافؤ السيليسيوم؟

ما البنية الفراغية للجزيء؟

أعط تمثيل لويس للجزيء واستنتج تكافؤ $Y$ .

شاردة $Y$ رمزها $\ce{Y^{n-}}$ ، ونواتها تحتوي على 8 بروتونات.

حدد $Z$ للعنصر $Y$ وتعرف عليه.

عين عدد إلكترونات الشاردة واحسب شحنتها.

معطيات: $m_p = m_n = 1{,}67 \times 10^{-27}\ kg$ ، $e = 1{,}6 \times 10^{-19}\ C$ ، وتهمل كتلة الإلكترونات أمام كتلة النواة.

عرض الحل

توجيه منهجي: كتلة الذرة = كتلة العينة مقسومة على عدد الذرات. وفي السؤال 3 الصيغة $AX_2$ (دون $E$ ) تعني أن $\ce{Si}$ مرتبط بذرتين فقط ولا زوج حر له، ومع تكافؤ 4 فالروابط ثنائية.

أي أنه لا يتفاعل بسهولة مع الأنواع الكيميائية الأخرى.

$m_{Si} = \dfrac{m}{N} = \dfrac{2}{42{,}77 \times 10^{24}} = 4{,}676 \times 10^{-26}\ kg \qquad A = \dfrac{4{,}676 \times 10^{-26}}{1{,}67 \times 10^{-27}} = 28$

السطر 3 والعمود IV: $K^2L^8M^4$ ، إذن $Z = 14$ .

للسيليسيوم أربعة إلكترونات عازبة: تكافؤه 4.

$AX_2$ : خطي $(180^{\circ})$ .

تمثيل لويس للجزيء SiY₂

كل ذرة $Y$ مرتبطة برابطة ثنائية، إذن تكافؤ $Y$ يساوي 2.

$Z = 8$ : $Y$ هو الأكسجين ( $K^2L^6$ ، تكافؤ 2 ✔)، والجزيء هو $\ce{SiO2}$ .

الشاردة $\ce{O^2-}$ : عدد إلكتروناتها $8 + 2 = 10$ ، وشحنتها $q = -2e = -3{,}2 \times 10^{-19}\ C$ .

للاطلاع: في الواقع لا يوجد السيليس $\ce{SiO2}$ في شكل جزيئات منفردة خطية مثل $\ce{CO2}$ ، بل في شكل شبكة بلورية تحاط فيها كل ذرة سيليسيوم بأربع ذرات أكسجين. نموذج الجزيء $\ce{O=Si=O}$ هنا تبسيط يطلبه التمرين.

التمرين 10 - الزجاج

صعب

الزجاج مادة شفافة وصلبة، يتكون أساسا من نوع كيميائي صيغته $\ce{XO2}$ .

أولا: بنية ذرة الأكسجين

عرف العنصر الكيميائي.

تكتسب ذرة الأكسجين إلكترونين لتحقق قاعدة الثمانية. أعط التوزيعين الإلكترونيين المحتملين لها مع الموقع الموافق لكل احتمال.

الأكسجين هو ثاني أكثر العناصر كهروسلبية في الجدول الدوري المبسط. استنتج توزيعه الإلكتروني الصحيح، ثم احسب شحنة نواته.

كتلة نواة الأكسجين $m_O = 26{,}72 \times 10^{-27}\ kg$ . احسب عدده الكتلي.

أعط تمثيل لويس لذرة الأكسجين وحدد تكافؤه.

ثانيا: هندسة الجزيء $\ce{XO2}$ . إليك نموذجين لتمثيل لويس لهذا الجزيء (تكافؤ $X$ هو 4):

النموذج 1 (يسار) والنموذج 2 (يمين) للجزيء XO2

لماذا يعتبر النموذجان صحيحين حسب لويس؟

أعط صيغة جيلسبي $AX_nE_m$ وحدد الشكل الهندسي الحقيقي للجزيء.

من بين $_{6}C$ ، $_{14}Si$ ، $_{12}Mg$ ، ما العناصر التي يمكن أن تمثل $X$ ؟ علل.

النوع $\ce{XO2}$ لا يعكر رائق الكلس. ما رمز $X$ ؟

معطيات: $m_p = m_n = 1{,}67 \times 10^{-27}\ kg$ ، $e = 1{,}6 \times 10^{-19}\ C$ ، وتهمل كتلة الإلكترونات أمام كتلة النواة.

عرض الحل

توجيه منهجي: «يكتسب إلكترونين» يعني العمود VI، لكن السطر غير معروف (2 أو 3): معلومة الكهروسلبية تفصل بينهما، لأن الكهروسلبية تتناقص نحو الأسفل.

العنصر الكيميائي: مجموع الأفراد التي لها نفس $Z$ .

ستة إلكترونات خارجية: $K^2L^6$ (السطر 2، العمود VI) أو $K^2L^8M^6$ (السطر 3، العمود VI).

العناصر الأكثر كهروسلبية تقع أعلى يمين الجدول، والأكسجين ثانيها بعد الفلور: إنه في السطر 2، إذن $K^2L^6$ و $Z = 8$ .

q_{noyau} = 8 \times 1{,}6 \times 10^{-19} = 1{,}28 \times 10^{-18}\ C

$A = \dfrac{26{,}72 \times 10^{-27}}{1{,}67 \times 10^{-27}} = 16$

ذرة الأكسجين: زوجان حران وإلكترونان عازبان، فتكافؤها 2

في النموذجين تحقق كل ذرة قاعدة الثمانية وتشكل عددا من الروابط يساوي تكافؤها ( $X$ : 4، $O$ : 2). نموذج لويس مستو ولا يصف الهندسة، لذلك الرسمان متكافئان.

حول $X$ ذرتان مرتبطتان (الرابطة الثنائية تعد مرة واحدة) ولا زوج حر: $AX_2$ ، إذن خطي. النموذج 1 هو الذي يوافق الهندسة الحقيقية.

تكافؤ 4 يعني العمود IV: $\ce{C}$ $(K^2L^4)$ و $\ce{Si}$ $(K^2L^8M^4)$ ممكنان. أما $\ce{Mg}$ $(K^2L^8M^2)$ من العمود II فمرفوض.

$\ce{CO2}$ يعكر رائق الكلس، إذن $X$ ليس الكربون: $X = \ce{Si}$ ، والزجاج أساسه $\ce{SiO2}$ (السيليس)، وهو في الحقيقة شبكة بلورية (انظر ملاحظة التمرين 9).

التمرين 11 - جزيء آزوتي والهيدرازين

متوسط

أولا: جزيء صيغته المجملة $\ce{C_nH_{2n+3}N}$ يحتوي على $7$ ذرات.

استنتج صيغته المجملة.

أعط تمثيل لويس.

أعط الصيغة الرمزية حسب جيلسبي حول الكربون ثم حول الآزوت، والشكل الهندسي.

أعط تمثيل كرام.

ثانيا: الهيدرازين $\ce{N2H4}$ يستعمل وقودا للصواريخ.

مثله حسب لويس.

أعط الصيغة الرمزية لجيلسبي حول كل ذرة آزوت والشكل الهندسي.

اكتب صيغته نصف المفصلة.

معطيات: $_{1}H$ ، $_{6}C$ ، $_{7}N$ .

عرض الحل

توجيه منهجي: عد الذرات في الصيغة العامة ثم حل المعادلة في $n$ . وفي جزيء فيه ذرتان «مركزيتان» (C و N، أو N و N) نطبق جيلسبي على كل ذرة مركزية على حدة.

$n + (2n + 3) + 1 = 7 \Rightarrow 3n = 3 \Rightarrow n = 1$ الصيغة $\ce{CH5N}$ ، أي $\ce{CH3-NH2}$ (ميثيل أمين).

تمثيل لويس في الشكل (يسار)، وتمثيل كرام المطلوب في السؤال الرابع في الشكل (يمين):

CH₅N: تمثيل لويس (يسار) وتمثيل كرام حول ذرة الكربون (يمين)

حول $\ce{C}$ : $AX_4$ ، رباعي الوجوه. حول $\ce{N}$ : $AX_3E_1$ ، هرمي.

تمثيل لويس للهيدرازين

كل ذرة آزوت مرتبطة بثلاث ذرات ولها زوج حر: $AX_3E_1$ ، هرمي حول كل ذرة آزوت.

$\ce{H2N-NH2}$

التمرين 12 - الأسيتاميد

صعب

الجزء الأول: الأسيتاميد مركب عضوي يستعمل في صناعة البلاستيك، صيغته المجملة من الشكل $\ce{C_nH_{2n+1}NO}$ ، ويحتوي جزيئه على $9$ ذرات.

أوجد صيغته المجملة.

اكتب صيغتين مفصلتين ممكنتين لهذه الصيغة المجملة.

نعتبر الجزيء التالي، حيث الكربون رقم 1 هو كربون المجموعة $\ce{CH3}$ :

جزيء الأسيتاميد، والكربون 1 هو كربون المجموعة CH₃

أعط تمثيل لويس.

باعتبار الكربون 1 ذرة مركزية أعط الصيغة الرمزية لجيلسبي والشكل الهندسي.

أعط تمثيل كرام حول الكربون 1.

الجزء الثاني:

أعط تمثيل لويس والصيغة المفصلة لكل من $\ce{C2H2}$ و $\ce{C2H7N}$ .

إليك تمثيل كرام لجزيء كحول:

تمثيل كرام لجزيء كحول

ما مدلول الرابطة الممثلة بمثلث مملوء، والممثلة بمثلث مهشر؟

ما اسم هذا الكحول وصيغته المجملة؟

هل هذا الجزيء مستقطب؟ علل.

اذكر خاصيتين للجزيئات المستقطبة.

معطيات: $_{1}H$ ، $_{6}C$ ، $_{7}N$ ، $_{8}O$ .

عرض الحل

توجيه منهجي: المتماكبات: نفس الذرات بترتيب مختلف. ابدأ بالسلسلة الكربونية ثم غير موضع الذرات ذات التكافؤ 2 و 3 (O و N) مع احترام تكافؤ كل ذرة: C = 4 ، N = 3 ، O = 2 ، H = 1.

$n + (2n + 1) + 1 + 1 = 9 \Rightarrow 3n = 6 \Rightarrow n = 2$ الصيغة المجملة $\ce{C2H5NO}$ .

الأسيتاميد CH₃-CO-NH₂ (يسار) و N⁻ميثيل فورماميد H-CO-NH-CH₃ (يمين)

الأسيتاميد: تمثيل لويس (يسار) وتمثيل كرام حول الكربون 1 (يمين)

تمثيل لويس في الشكل (يسار): زوجان حران على الأكسجين وزوج حر على الآزوت.

الكربون 1 مرتبط بأربع ذرات (ثلاث ذرات هيدروجين وذرة كربون) دون زوج حر: $AX_4$ ، رباعي الوجوه. لو اعتبرنا الكربون الثاني (المرتبط بالأكسجين) مركزيا لوجدنا $AX_3$ : مثلثي مستو.

تمثيل كرام في الشكل (يمين).

$\ce{C2H2}$ (الأسيتيلين): رابطة ثلاثية بين ذرتي الكربون.

الأسيتيلين H-C≡C-H

$\ce{C2H7N}$ : متماكبان ممكنان، الإيثيل أمين وثنائي ميثيل أمين:

CH₃-CH₂-NH₂ (يسار) و CH₃-NH-CH₃ (يمين)

الصيغة المفصلة هي نفس الرسم دون الأزواج غير الرابطة.

المثلث المملوء: رابطة أمام مستوى الورقة؛ المثلث المهشر: رابطة خلف مستوى الورقة.

إنه الميثانول $\ce{CH4O}$ ، أي $\ce{CH3-OH}$ .

نعم مستقطب: الأكسجين أكثر كهروسلبية من الكربون ومن الهيدروجين، فالرابطتان $\ce{C-O}$ و $\ce{O-H}$ مستقطبتان، والجزيء غير متناظر.

الجزيئات المستقطبة تذوب جيدا في الماء (مذيب مستقطب)، وترتبط فيما بينها بروابط بين جزيئية فتكون درجات غليانها مرتفعة نسبيا، وتنحرف في حقل كهربائي (خيط الماء ينجذب نحو مسطرة مشحونة).

التمرين 13 - الآزوت واليوريا

متوسط

أولا: الآزوت (النيتروجين) $\ce{N}$ في نواته $7$ نيترونات، ويقع في تقاطع السطر الثاني مع العمود V.

أوجد عدد بروتونات نواته، ثم اكتب رمزها.

احسب كتلة النواة، وشحنة السحابة الإلكترونية.

اكتب معادلة تشكل شاردة الآزوت محددا الشاردة الناتجة.

قارن بين الآزوت والأكسجين من حيث الكهروسلبية.

للآزوت نظير طبيعي يزيد عليه بنيترون، نسبة وجوده $0{,}4\ \%$ . احسب الكتلة الذرية المتوسطة للآزوت.

ثانيا: اليوريا صيغتها نصف المفصلة $\ce{H2N-CO-NH2}$ .

اكتب صيغتها المجملة وصيغتها المفصلة، وأعط مماكبا لها.

أنجز تمثيل لويس للجزيء.

باعتبار الكربون ذرة مركزية، أعط الصيغة الرمزية لجيلسبي والشكل الهندسي، ثم تمثيل كرام.

ثالثا: لليمون حموضة عالية.

ما الطرق التي تمكننا من معرفة درجة حموضته $(pH)$ ؟

معطيات: $m_p = m_n = 1{,}67 \times 10^{-27}\ kg$ ، $e = 1{,}6 \times 10^{-19}\ C$ ، وتهمل كتلة الإلكترونات أمام كتلة النواة.

عرض الحل

توجيه منهجي: الموقع في الجدول يعطي $Z$ مباشرة. وللمقارنة في الكهروسلبية: في نفس السطر، العنصر الأبعد يمينا هو الأكثر كهروسلبية.

السطر 2 والعمود V: $K^2L^5$ ، إذن $Z = 7$ بروتونات، و $A = 7 + 7 = 14$ : $\ce{^{14}_{7}N}$ .

$m_{noyau} = 14 \times 1{,}67 \times 10^{-27} = 2{,}34 \times 10^{-26}\ kg \qquad q_{nuage} = -7 \times 1{,}6 \times 10^{-19} = -1{,}12 \times 10^{-18}\ C$

خمسة إلكترونات خارجية، فتكتسب ثلاثة: $\ce{N + 3e- -> N^3-}$ .

$\ce{N}$ و $\ce{O}$ في نفس السطر، والأكسجين على يمينه: الأكسجين أكثر كهروسلبية من الآزوت.

$M = \dfrac{14 \times 99{,}6 + 15 \times 0{,}4}{100} = 14{,}004\ u$

الصيغة المجملة $\ce{CH4N2O}$ ، والصيغة المفصلة هي تمثيل لويس أدناه دون الأزواج الحرة. مماكب لها: $\ce{H-CO-NH-NH2}$ (فورموهيدرازيد):

مماكب لليوريا: H-CO-NH-NH₂

تمثيل لويس في الشكل (يسار)، وتمثيل كرام المطلوب في السؤال الثامن في الشكل (يمين):

اليوريا: تمثيل لويس (يسار) وتمثيل كرام حول ذرة الكربون (يمين)

الكربون مرتبط بثلاث ذرات (O و N و N) دون زوج حر: $AX_3$ ، مثلثي مستو $(120^{\circ})$ . كل الروابط حول الكربون في نفس المستوى، فتمثيل كرام حوله لا يحتوي على مثلثات.

ورق $pH$ (كشف تقريبي)، جهاز $pH$ -متر (قياس دقيق)، أو كاشف ملون كأزرق البروموتيمول (يعطي الأصفر في الوسط الحمضي).

التمرين 14 - التعرف على ذرات الأسيتاميد

صعب

الأسيتاميد صيغته من الشكل $\ce{X2Y5ND}$ . للتعرف على الذرات $X$ و $Y$ و $D$ نقوم بالدراسة التالية:

العنصر $X$ : كتلة نواته $20{,}04 \times 10^{-27}\ kg$ ، و $A = 2Z$ . أوجد عدد نوكليوناته، ثم $Z$ وتوزيعه الإلكتروني، ثم موقعه ورمزه.

العنصر $Y$ : له إلكترون واحد في طبقته الخارجية، وكتلته الذرية $1\ u$ . إلى أي عمود ينتمي؟ أوجد رمز نواته.

العنصر $D$ : شحنة نواته $12{,}8 \times 10^{-19}\ C$ ، وعدد بروتوناته يساوي عدد نيتروناته.

أوجد $Z$ و $A$ ورمز العنصر.

يوجد $D$ في الطبيعة في شكل ثلاثة نظائر: $\ce{^{A}_{Z}D}$ بنسبة $99{,}76\ \%$ ، و $\ce{^{A+1}_{Z}D}$ بنسبة $0{,}20\ \%$ ، و $\ce{^{A+2}_{Z}D}$ بنسبة $0{,}04\ \%$ . احسب الكتلة الذرية المتوسطة.

العنصر $\ce{N}$ : توزيع شاردته $K^2L^8$ وشحنتها $q = -4{,}8 \times 10^{-19}\ C$ . اكتب معادلة تشكلها، واستنتج العدد الذري للآزوت.

اكتب الصيغة المجملة والصيغة المفصلة للأسيتاميد، وأعط مماكبا له.

بالنسبة للجزيء الممثل في التمرين 12: أعط تمثيل لويس، والصيغة الرمزية لجيلسبي حول الكربون 1، والشكل الهندسي الموافق.

معطيات: $m_p = m_n = 1{,}67 \times 10^{-27}\ kg$ ، $e = 1{,}6 \times 10^{-19}\ C$ ، وتهمل كتلة الإلكترونات أمام كتلة النواة.

عرض الحل

توجيه منهجي: عالج كل عنصر في فقرته بعلاقة واحدة (الكتلة تعطي $A$ ، الشحنة تعطي $Z$ ، التوزيع يعطي الموقع)، ثم اجمع النتائج لتكتب الصيغة في الأخير.

$A = \dfrac{20{,}04 \times 10^{-27}}{1{,}67 \times 10^{-27}} = 12 \qquad Z = \dfrac{A}{2} = 6$ $K^2L^4$ : السطر 2، العمود IV: الكربون $\ce{C}$ .

إلكترون خارجي واحد: العمود I. $A = 1$ و $Z = 1$ : $\ce{^{1}_{1}H}$ . الهيدروجين في العمود I لكنه لا ينتمي إلى عائلة القلائيات (ليس معدنا).

$Z = \dfrac{12{,}8 \times 10^{-19}}{1{,}6 \times 10^{-19}} = 8 \qquad A = Z + N = 16$ إنه الأكسجين $\ce{^{16}_{8}O}$ .

$M = \dfrac{16 \times 99{,}76 + 17 \times 0{,}20 + 18 \times 0{,}04}{100} = 16{,}00\ u$

$n = \dfrac{4{,}8 \times 10^{-19}}{1{,}6 \times 10^{-19}} = 3$ شحنات عنصرية سالبة: $\ce{N + 3e- -> N^3-}$ . للشاردة 10 إلكترونات $(K^2L^8)$ ، إذن $Z = 10 - 3 = 7$ .

$\ce{X2Y5ND} = \ce{C2H5NO}$ . الصيغة المفصلة ومماكبها كما في حل التمرين 12: الأسيتاميد و $\ce{H-CO-NH-CH3}$ .

تمثيل لويس كما في التمرين 12؛ حول الكربون 1: $AX_4$ ، رباعي الوجوه.

6 تمارين تطبيقية محلولة

التمرين 15 - نواة الكلور

سهل

نواة عنصر $X$ تتميز بـ $A = 35$ و $Z = 17$ .

كيف يسمى العددان $A$ و $Z$ ؟ ماذا يمثلان؟

أوجد عدد البروتونات والنيترونات في النواة وعدد الإلكترونات في الذرة.

اكتب التوزيع الإلكتروني لذرة $X$ .

احسب شحنة النواة وكتلتها.

ما اسم العنصر من بين: $_{17}Cl$ ، $_{8}O$ ، $_{16}S$ ؟

قارن كتلة الذرة بكتلة نواتها ( $m_e = 9{,}11 \times 10^{-31}\ kg$ ). ماذا تستنتج؟

معطيات: $m_p = m_n = 1{,}67 \times 10^{-27}\ kg$ ، $e = 1{,}6 \times 10^{-19}\ C$ ، وتهمل كتلة الإلكترونات أمام كتلة النواة.

عرض الحل

$A$ العدد الكتلي (عدد النوكليونات)، و $Z$ العدد الذري (عدد البروتونات).

$17$ بروتونا، و $35 - 17 = 18$ نيترونا، و $17$ إلكترونا.

$K^2L^8M^7$

$q_{noyau} = 17 \times 1{,}6 \times 10^{-19} = 2{,}72 \times 10^{-18}\ C \qquad m_{noyau} \approx 35 \times 1{,}67 \times 10^{-27} = 5{,}85 \times 10^{-26}\ kg$

$Z = 17$ : إنه الكلور $\ce{^{35}_{17}Cl}$ .

$m_{electrons} = 17 \times 9{,}11 \times 10^{-31} = 1{,}55 \times 10^{-29}\ kg \qquad \dfrac{m_{electrons}}{m_{noyau}} \approx 2{,}6 \times 10^{-4}$ كتلة الإلكترونات أصغر بحوالي 4000 مرة من كتلة النواة: كتلة الذرة تساوي تقريبا كتلة نواتها.

التمرين 16 - نواة اليورانيوم 235

سهل

كتلة نواة $\ce{^{A}_{Z}X}$ هي $3{,}9245 \times 10^{-25}\ kg$ وشحنتها $1{,}472 \times 10^{-17}\ C$ .

حدد $Z$ و $A$ .

استنتج عدد النيترونات، وتعرف على العنصر علما أن $Z(\ce{U}) = 92$ .

معطيات: $m_p = m_n = 1{,}67 \times 10^{-27}\ kg$ ، $e = 1{,}6 \times 10^{-19}\ C$ ، وتهمل كتلة الإلكترونات أمام كتلة النواة.

عرض الحل

$Z = \dfrac{1{,}472 \times 10^{-17}}{1{,}6 \times 10^{-19}} = 92 \qquad A = \dfrac{3{,}9245 \times 10^{-25}}{1{,}67 \times 10^{-27}} = 235$

$N = 235 - 92 = 143$ : إنه اليورانيوم $\ce{^{235}_{92}U}$ ، نظير لـ $\ce{^{238}_{92}U}$ (التمرين 3).

التمرين 17 - ذرة القصدير

سهل

تحتوي ذرة القصدير $\ce{Sn}$ على $120$ نوكليونا، وشحنة نواتها $8 \times 10^{-18}\ C$ .

استنتج عدد الإلكترونات وعدد النيترونات.

احسب كتلة ذرة القصدير.

احسب عدد ذرات القصدير في عينة كتلتها $m = 20\ g$ .

معطيات: $m_p = m_n = 1{,}67 \times 10^{-27}\ kg$ ، $e = 1{,}6 \times 10^{-19}\ C$ ، وتهمل كتلة الإلكترونات أمام كتلة النواة.

عرض الحل

$Z = \dfrac{8 \times 10^{-18}}{1{,}6 \times 10^{-19}} = 50$ إذن $50$ إلكترونا و $120 - 50 = 70$ نيترونا.

$m_{Sn} \approx 120 \times 1{,}67 \times 10^{-27} = 2{,}004 \times 10^{-25}\ kg$

$N_{at} = \dfrac{2 \times 10^{-2}}{2{,}004 \times 10^{-25}} \approx 9{,}98 \times 10^{22}$

التمرين 18 - نظيرا النحاس

متوسط

للنحاس نظيران $\ce{^{A_1}Cu}$ و $\ce{^{A_2}Cu}$ . كتلة نواة الأول $m_1 = 1{,}0521 \times 10^{-25}\ kg$ ، والثاني يزيد عليه بنيترونين. شحنة نواة النحاس $q = 46{,}4 \times 10^{-19}\ C$ .

عرف النظائر. ماذا يمثل $A_1$ و $A_2$ ؟ أوجدهما.

أوجد عدد البروتونات والنيترونات في نواة كل نظير، واكتب رمز كل منهما.

معطيات: $m_p = m_n = 1{,}67 \times 10^{-27}\ kg$ ، $e = 1{,}6 \times 10^{-19}\ C$ ، وتهمل كتلة الإلكترونات أمام كتلة النواة.

عرض الحل

النظائر ذرات لها نفس $Z$ وتختلف في $A$ . و $A_1$ و $A_2$ عددا النوكليونات:

A_1 = \dfrac{1{,}0521 \times 10^{-25}}{1{,}67 \times 10^{-27}} = 63 \qquad A_2 = 63 + 2 = 65

$Z = \dfrac{46{,}4 \times 10^{-19}}{1{,}6 \times 10^{-19}} = 29$ $\ce{^{63}_{29}Cu}$ : 29 بروتونا و 34 نيترونا؛ $\ce{^{65}_{29}Cu}$ : 29 بروتونا و 36 نيترونا.

التمرين 19 - شاردة موجبة ومركب شاردي

متوسط

الشاردة $\ce{X^{n+}}$ تحمل الشحنة $3{,}2 \times 10^{-19}\ C$ ، وشحنة نواتها $19{,}2 \times 10^{-19}\ C$ .

استنتج قيمة $n$ ، ثم العدد الذري للعنصر.

أعط بنيته الإلكترونية وموقعه في الجدول الدوري. إلى أي عائلة ينتمي؟ ما هو؟

ترتبط $\ce{X^{n+}}$ بشوارد الكلور $\ce{Cl-}$ لتشكيل المركب الشاردي $(\ce{X^{n+} + m Cl-})$ . استنتج $m$ والصيغة الإحصائية للمركب.

عرض الحل

$n = \dfrac{3{,}2 \times 10^{-19}}{1{,}6 \times 10^{-19}} = 2 \qquad Z = \dfrac{19{,}2 \times 10^{-19}}{1{,}6 \times 10^{-19}} = 12$

$K^2L^8M^2$ : السطر 3، العمود II، عائلة القلائيات الترابية. إنه المغنيزيوم $\ce{Mg}$ وشاردته $\ce{Mg^2+}$ .

المركب متعادل: $2 - m = 0$ ، إذن $m = 2$ . الصيغة $(\ce{Mg^2+ + 2Cl-})$ أي $\ce{MgCl2}$ .

التمرين 20 - خمسة جزيئات

متوسط

أكمل الجدول ( $_{1}H$ ، $_{6}C$ ، $_{7}N$ ، $_{8}O$ ، $_{9}F$ ، $_{13}Al$ ، $_{17}Cl$ ):

الجزيء	$\ce{CH3Cl}$	$\ce{CH2O}$	$\ce{HCN}$	$\ce{HF}$	$\ce{AlCl3}$
تمثيل لويس
الصيغة الرمزية
الشكل الهندسي

عرض الحل

تمثيل لويس، من اليسار: CH₃Cl ، CH₂O ، HCN ، HF ، AlCl₃

الجزيء	$\ce{CH3Cl}$	$\ce{CH2O}$	$\ce{HCN}$	$\ce{HF}$	$\ce{AlCl3}$
الصيغة الرمزية	$AX_4$	$AX_3$	$AX_2$ حول C	$AX_1E_3$ حول F	$AX_3$
الشكل الهندسي	رباعي الوجوه	مثلثي مستو	خطي	خطي (جزيء ثنائي الذرة)	مثلثي مستو

انتبه، خطأ شائع: في $\ce{HCN}$ الرابطة الثلاثية $\ce{C#N}$ تعد مرة واحدة في $n$ : الصيغة $AX_2$ وليست $AX_4$ . وفي $\ce{AlCl3}$ لا يحقق الألمنيوم قاعدة الثمانية (ستة إلكترونات فقط حوله)، وهذا استثناء معروف.

نماذج اختبارات مصححة

نموذج الفرض الأول (ساعة واحدة) - بنية الذرة والجزيئات

متوسط

التمرين الأول (10 نقاط)

نواة ذرة عنصر $X$ كتلتها $m = 4{,}008 \times 10^{-26}\ kg$ وشحنتها $q = 1{,}92 \times 10^{-18}\ C$ .

احسب العدد الذري $Z$ والعدد الكتلي $A$ ، ثم عدد النيترونات $N$ .

اكتب التوزيع الإلكتروني لذرة $X$ ، وحدد موقعها في الجدول الدوري المبسط والعائلة التي تنتمي إليها. ما هو هذا العنصر؟

ما الشاردة التي تعطيها هذه الذرة؟ اكتب معادلة تشكلها واحسب شحنتها.

احسب عدد الذرات الموجودة في عينة كتلتها $6\ g$ من هذا العنصر.

لهذا العنصر ثلاثة نظائر: $\ce{^{24}X}$ بنسبة $79\ \%$ ، و $\ce{^{25}X}$ بنسبة $10\ \%$ ، و $\ce{^{26}X}$ . احسب الكتلة الذرية المتوسطة للعنصر.

التمرين الثاني (10 نقاط)

شاردة بسيطة $\ce{Y-}$ توزيعها الإلكتروني $K^2L^8M^8$ .

كم إلكترونا اكتسبت الذرة؟ استنتج العدد الذري لـ $Y$ وتعرف عليه.

أعط التوزيع الإلكتروني لذرة $Y$ ، وتمثيل لويس لها، واستنتج تكافؤها.

لكل جزيء من الجزيئات $\ce{HCl}$ ، $\ce{CCl4}$ ، $\ce{NCl3}$ : أعط تمثيل لويس، والصيغة الرمزية حسب جيلسبي (حول الذرة المركزية)، والشكل الهندسي.

هل الجزيء $\ce{CCl4}$ مستقطب؟ علل. وماذا عن $\ce{HCl}$ ؟

معطيات: $_{1}H$ ، $_{6}C$ ، $_{7}N$ ؛ $m_p = m_n = 1{,}67 \times 10^{-27}\ kg$ ، $e = 1{,}6 \times 10^{-19}\ C$ .

عرض الحل

التمرين الأول

$Z = \dfrac{q}{e} = \dfrac{1{,}92 \times 10^{-18}}{1{,}6 \times 10^{-19}} = 12 \qquad A = \dfrac{m}{m_p} = \dfrac{4{,}008 \times 10^{-26}}{1{,}67 \times 10^{-27}} = 24 \qquad N = 24 - 12 = 12$ (3 نقاط: نقطة لكل نتيجة مع العلاقة)

$K^2L^8M^2$ : السطر 3، العمود II، عائلة القلائيات الترابية. إنه المغنيزيوم $\ce{^{24}_{12}Mg}$ . (2 نقطتان)

لها إلكترونان خارجيان فتفقدهما: $\ce{Mg -> Mg^2+ + 2e-}$ ، وشحنتها $q = +2e = 3{,}2 \times 10^{-19}\ C$ . (2 نقطتان)

$m_{atome} = 4{,}008 \times 10^{-26}\ kg$ و $6\ g = 6 \times 10^{-3}\ kg$ :

N_{at} = \dfrac{6 \times 10^{-3}}{4{,}008 \times 10^{-26}} \approx 1{,}50 \times 10^{23}

(1.5 نقطة)

نسبة $\ce{^{26}X}$ هي $100 - 79 - 10 = 11\ \%$ :

M = \dfrac{24 \times 79 + 25 \times 10 + 26 \times 11}{100} = 24{,}32\ u

(1.5 نقطة)

التمرين الثاني

الشاردة $\ce{Y-}$ تحمل شحنة سالبة واحدة: الذرة اكتسبت إلكترونا واحدا. للشاردة $2 + 8 + 8 = 18$ إلكترونا، إذن $Z = 18 - 1 = 17$ : إنه الكلور $\ce{Cl}$ . (2 نقطتان)

$K^2L^8M^7$ : سبعة إلكترونات خارجية، أي ثلاثة أزواج وإلكترون عازب واحد: التكافؤ 1. (2 نقطتان)

تمثيل لويس، من اليسار: HCl ، CCl₄ ، NCl₃

الجزيء	الذرة المركزية	الصيغة الرمزية	الشكل الهندسي
$\ce{HCl}$	لا توجد (جزيء ثنائي الذرة)	$AX_1E_3$ حول Cl	خطي
$\ce{CCl4}$	$\ce{C}$	$AX_4$	رباعي الوجوه
$\ce{NCl3}$	$\ce{N}$	$AX_3E_1$	هرمي

(4 نقاط)

$\ce{CCl4}$ غير مستقطب: روابطه $\ce{C-Cl}$ مستقطبة، لكن شكله رباعي الوجوه متناظر فيتطابق مركزا الشحن الموجبة والسالبة. أما $\ce{HCl}$ فهو مستقطب: الكلور أكثر كهروسلبية من الهيدروجين فيحمل $\delta^-$ . (2 نقطتان)

ملاحظات للتصحيح: تقبل النتائج المقربة (مثلا $A = 24{,}0$ )، ويخصم نصف النقطة عند غياب الوحدة أو نسيان تحويل الغرامات إلى الكيلوغرام.

نموذج اختبار الفصل الأول (ساعتان)

صعب

التمرين الأول (6 نقاط): ماذا يحتوي هذا المشروب؟

نجري على مشروب غازي محلى الكشوفات التالية:

الكشف	الملاحظة
كبريتات النحاس اللامائية	تتلون بالأزرق
محلول فهلنغ مع التسخين	راسب أحمر آجوري
أزرق البروموتيمول	لون أصفر
الغاز المنطلق يمرر في رائق الكلس	يتعكر رائق الكلس
نترات الفضة	راسب أبيض يسود في الضوء

استنتج الأنواع والأفراد الكيميائية التي كشفنا عنها، وطبيعة المشروب (حمضي، معتدل، أساسي).

هل تكفي الحواس الخمس للقيام بهذه الكشوفات؟ علل.

صنف ما يلي إلى فرد كيميائي أو نوع كيميائي: غاز ثنائي أكسيد الكربون، جزيء ثنائي أكسيد الكربون، شاردة الكلور، الغلوكوز.

التمرين الثاني (7 نقاط): الكبريت

شاردة عنصر $Z$ رمزها $\ce{Z^{n-}}$ وشحنتها $q = -3{,}2 \times 10^{-19}\ C$ . والنسبة بين شحنة النواة وشحنة الشاردة $\dfrac{q_{noyau}}{q(\ce{Z^{n-}})} = -8$ ، وكتلة النواة $5{,}344 \times 10^{-26}\ kg$ .

أوجد $n$ ، ثم شحنة النواة، واستنتج العدد الذري.

احسب العدد الكتلي وعدد النيترونات، واكتب رمز النواة.

أعط التوزيع الإلكتروني للذرة وموقعها في الجدول الدوري، وتحقق أن الشاردة تحقق قاعدة الثمانية.

لهذا العنصر نظيران آخران يزيد الأول عليه بنيترون $(1\ \%)$ والثاني بنيترونين $(4\ \%)$ . احسب الكتلة الذرية المتوسطة.

يرتبط هذا العنصر مع الكربون $_{6}C$ مشكلا الجزيء $\ce{CS2}$ . أعط تمثيل لويس، والصيغة الرمزية حسب جيلسبي والشكل الهندسي. هل الجزيء مستقطب؟

التمرين الثالث (7 نقاط): متماكبان

نوع كيميائي صيغته المجملة من الشكل $\ce{C_nH_{2n+2}O}$ ، ويحتوي جزيئه على $9$ ذرات.

أوجد صيغته المجملة.

اكتب الصيغتين المفصلتين الممكنتين لهذه الصيغة المجملة، وسم كلا منهما. ماذا نسمي هذين النوعين؟

أنجز تمثيل لويس لكل منهما.

أعط الصيغة الرمزية حسب جيلسبي حول ذرة الأكسجين في كل جزيء، والشكل الهندسي حولها.

مثل الإيثانول حسب كرام حول ذرة الكربون المرتبطة بالأكسجين.

درجة غليان الإيثانول $78^{\circ}C$ ودرجة غليان المتماكب الآخر $-24^{\circ}C$ . اقترح تفسيرا لهذا الفرق.

معطيات: $m_p = m_n = 1{,}67 \times 10^{-27}\ kg$ ، $e = 1{,}6 \times 10^{-19}\ C$ ، وتهمل كتلة الإلكترونات. $_{1}H$ ، $_{6}C$ ، $_{8}O$ .

عرض الحل

التمرين الأول

(3 نقاط)

الكشف	النتيجة
كبريتات النحاس اللامائية	وجود الماء
فهلنغ	وجود الغلوكوز
أزرق البروموتيمول أصفر	المشروب حمضي $(pH < 7)$
رائق الكلس	وجود غاز ثنائي أكسيد الكربون $\ce{CO2}$
نترات الفضة	وجود شوارد الكلور $\ce{Cl-}$

لا تكفي: الحواس تعطي معلومات أولية (اللون، الذوق، الرائحة) لكنها لا تؤكد وجود نوع بعينه كالماء، وتذوق المواد قد يشكل خطرا. لذلك نستعمل الكواشف. (1 نقطة)

نوع كيميائي: غاز ثنائي أكسيد الكربون، الغلوكوز. فرد كيميائي: جزيء ثنائي أكسيد الكربون، شاردة الكلور. (2 نقطتان)

التمرين الثاني

$n = \dfrac{|q|}{e} = 2 \qquad q_{noyau} = -8 \times (-3{,}2 \times 10^{-19}) = 25{,}6 \times 10^{-19}\ C \qquad Z = \dfrac{25{,}6}{1{,}6} = 16$ (2 نقطتان)

$A = \dfrac{5{,}344 \times 10^{-26}}{1{,}67 \times 10^{-27}} = 32 \qquad N = 32 - 16 = 16$ الرمز $\ce{^{32}_{16}S}$ : إنه الكبريت. (1.5 نقطة)

$K^2L^8M^6$ : السطر 3، العمود VI. الشاردة $\ce{S^2-}$ توزيعها $K^2L^8M^8$ : طبقتها الخارجية تحمل 8 إلكترونات ✔ (1 نقطة)

نسبة $\ce{^{32}S}$ هي $100 - 1 - 4 = 95\ \%$ :

M = \dfrac{32 \times 95 + 33 \times 1 + 34 \times 4}{100} = 32{,}09\ u

(1 نقطة)

تمثيل لويس للجزيء CS₂

الكربون مركزي، تكافؤه 4، مرتبط برابطتين ثنائيتين، ولا زوج حر له: $AX_2$ ، خطي. الجزيء غير مستقطب لأنه خطي متناظر. (1.5 نقطة)

التمرين الثالث

$n + (2n + 2) + 1 = 9 \Rightarrow 3n = 6 \Rightarrow n = 2$ الصيغة المجملة $\ce{C2H6O}$ . (1 نقطة)

الإيثانول $\ce{CH3-CH2-OH}$ وثنائي ميثيل الإيثر $\ce{CH3-O-CH3}$ : لهما نفس الصيغة المجملة وصيغتان مفصلتان مختلفتان، فهما متماكبان. (1.5 نقطة)

تمثيل لويس: الإيثانول (يسار) وثنائي ميثيل الإيثر (يمين)

(1.5 نقطة)

في الجزيئين يرتبط الأكسجين بذرتين وله زوجان حران: $AX_2E_2$ ، الشكل زاوي حول الأكسجين. (1 نقطة)

الإيثانول بتمثيل كرام حول ذرة الكربون المرتبطة بالأكسجين (C الأمامية هي كربون المجموعة CH₃)

(1 نقطة)

في الإيثانول رابطة $\ce{O-H}$ مستقطبة بقوة، فتنشأ بين جزيئاته روابط بين جزيئية تمسكها ببعضها، ويلزم طاقة أكبر لفصلها: درجة غليانه أعلى. أما في الإيثر فلا توجد رابطة $\ce{O-H}$ ، والروابط بين جزيئاته أضعف. (1 نقطة)

سجل الدخول لتتبع تقدمك ابدأ الاختبار