النموذج الإرشادي الرابع

السبيكة الإحلالية تتكون عندما تحل ذرات فلز محل ذرات فلز آخر داخل الشبكة البلورية، ويحدث ذلك عند تقارب نصف القطر والتشابه في التركيب البلوري والخواص.

أما سهولة التفاعل الكيميائي بين الفلزين فتؤدي غالبًا إلى مركبات بين فلزية لا إلى سبيكة إحلالية.

العنصر X هو الفاناديوم؛ لأن V₂O₅ يستخدم كعامل حفاز وله 3 إلكترونات مفردة.

العنصر Y هو الكروم؛ لأن توزيعه [Ar] 3d⁵ 4s¹ فيحتوي على 6 إلكترونات مفردة.

أعلى حالة تأكسد للكروم +6 وهي أعلى من الفاناديوم +5.

العنصر هو النحاس Cu، وهو عنصر انتقالي رغم أن ذرة النحاس تمتلك مستوى d مكتملًا تقريبًا في حالتها الأرضية.

في المركب Cu₂O يكون الأيون Cu⁺، ويفقد إلكترون 4s فيصبح توزيعه [Ar] 3d¹⁰.

في التحميص تُطرد الرطوبة وثاني أكسيد الكربون وتتأكسد كثير من الشوائب.

الليمونيت يتحول إلى هيماتيت بتجفيف وفقد ماء فيتغير لونه، والسيدريت يتأكسد إلى هيماتيت.

لكن ليست كل خامات الحديد تتأكسد؛ فبعضها يكون الحديد فيه بالفعل في حالة تأكسد عالية.

أيون Mn³⁺ تركيبه 3d⁴ وغير ثابت نسبيًا، ويسهل اختزاله إلى Mn²⁺ ذي التركيب 3d⁵ نصف الممتلئ الأكثر ثباتًا.

لذلك يكون Mn(NO₃)₃ الأسهل اختزالًا.

كبريتيد البوتاسيوم K₂S يتفاعل مع HCl مطلقًا غاز كبريتيد الهيدروجين H₂S.

هذا الغاز يعطي راسب كبريتيد النحاس الأسود CuS عند مروره في محلول يحتوي Cu²⁺.

حمض الهيدروكلوريك المخفف لا يعطي فرقًا واضحًا مع MgSO₄ أو MgCl₂؛ لذلك لا يصلح للتمييز بينهما.

أما كلوريد الباريوم مثلًا يرسب الكبريتات كـ BaSO₄.

هيدروكسيد الألومنيوم Al(OH)₃ أمفوتيري يذوب في فائض NaOH مكوّنًا ألومينات ذائبة، بينما Fe(OH)₂ هيدروكسيد قاعدي لا يذوب في NaOH، وبذلك يمكن فصله بالترشيح.

كلوريد الصوديوم مع H₂SO₄ المركز يعطي غاز HCl عديم اللون.

أما يوديد الصوديوم فيعطي HI الذي يتأكسد بالحمض المركز إلى أبخرة اليود البنفسجية، واليود يعطي لونًا أزرق مع النشا.

يضاف HCl أولًا فيرسب Pb²⁺ في صورة PbCl₂ الأبيض.

بعد الترشيح يضاف H₂SO₄ فيرسب Ca²⁺ في صورة CaSO₄، بينما يبقى Cu²⁺ في المحلول كأملاح ذائبة، وبذلك يتم الفصل المتتابع.

عند التسخين الشديد لكلوريد الباريوم المائي في إناء مفتوح يطرد ماء التبلور إلى الجو، وبذلك لا يحدث اتزان ديناميكي لأن الناتج يغادر النظام.

أما الذوبان المشبع أو التفاعل العكسي فقد يمثلان اتزانًا.

مولات Zn = 16.25/65 = 0.25 mol، وتحتاج 0.50 mol من HCl تمامًا.

كلا المحلولين يحتوي كمية كافية من الحمض، لذلك كمية H₂ الناتجة متساوية.

لكن تركيز A أعلى، فتكون سرعة التفاعل فيه أكبر.

التفاعل الأمامي ماص للحرارة؛ لذلك خفض درجة الحرارة يزيح الاتزان عكسيًا نحو تكوين الماء فيقل Kc.

كما أن خفض درجة الحرارة يقلل سرعات التفاعلات عمومًا، فتقل سرعة تفكك الماء.

P(HI)=2−0.4−0.4=1.2 atm.

إذن Kp=(0.4×0.4)/(1.2)²=0.16/1.44≈0.11.

تقليل الحجم لا يغير قيمة Kp لأن عدد مولات الغاز على الجانبين متساوٍ؛ كما أن Kp لا يتغير إلا بتغير درجة الحرارة.

تخفيف الحمض الضعيف يقلل [H⁺] فيزداد pH.

وتخفيف القاعدة الضعيفة يقلل [OH⁻] فيزداد pOH، وبالتالي ينخفض pH.

لذلك يزداد pH للحمض وينخفض للقاعدة.

pOH=14−12=2، إذن [OH⁻]=10⁻²=0.01 M.

وبما أن NaOH قاعدة قوية فإن تركيز NaOH =0.01 M.

المولات =0.01×0.500=0.005 mol، والكتلة =0.005×40=0.2 g.

الماغنسيوم أنشط من الخارصين؛ لذلك يستطيع Mg أن يزيح Zn²⁺ من محلوله تلقائيًا ويتأكسد إلى Mg²⁺ بينما يختزل Zn²⁺ إلى Zn.

باقي الاختيارات تتطلب إزاحة فلز أنشط بواسطة فلز أقل نشاطًا، فلا تكون تلقائية.

الأقل جهد اختزال هو X فيعمل مصعدًا، والأعلى هو Y فيعمل مهبطًا.

جهد الخلية الواحدة =0.34−(−1.670)=2.01 V.

للحصول على 8.05 V نحتاج تقريبًا 8.05/2.01 = 4 خلايا على التوالي.

الفلز الذي يتآكل عند ملامسة الخارصين يجب أن يكون أنشط من Zn أي له جهد اختزال أقل/أكثر سالبية.

Z له E° = −2.375 V وهو الأكثر نشاطًا، لذلك يتأكسد أسرع ويكون الأسرع تآكلًا.

طبقًا لقانون فاراداي الثاني، الكتلة المترسبة تتناسب مع الوزن المكافئ M/n.

للنيكل: 58.7/2=29.35، وللنحاس: 63.5/2=31.75، وللفضة: 108/1=108.

لذلك يكون ترسيب الفضة أكبر معدلًا، والقطب الموافق في الشكل هو C.

اتحاد الهيدروجين مع الأكسجين تفاعل تلقائي يمكن استغلاله في خلايا الوقود لإنتاج طاقة كهربائية.

أما الطلاء والتحليل الكهربي وشحن البطارية فهي عمليات غير تلقائية تستهلك كهرباء.

أثناء الشحن تعمل بطارية الرصاص الحمضية كخلية إلكتروليتية.

اللوح الموجب يكون مصعدًا وتحدث عليه أكسدة Pb²⁺ في PbSO₄ إلى Pb⁴⁺ في PbO₂.

أما اختزال Pb²⁺ إلى Pb فيحدث عند اللوح السالب، ولا تنتقل الإلكترونات داخل المحلول بل تتحرك الأيونات.

المركب X هو الإيثاين C₂H₂ الذي يتفاعل بعنف مع الكلور ويصاحبه لهب، وهو من الألكاينات وصيغته العامة CₙH₂ₙ₋₂.

أما Y فهو الجامكسان/اللندين C₆H₆Cl₆، مشتق هالوجيني أليفاتي حلقي يستخدم كمبيد حشري، وتوافق صيغته CₙHₙClₙ.

تركيب 2,3-ثنائي ميثيل بيوتان هو (CH₃)₂CH–CH(CH₃)₂.

يحتوي على أربع مجموعات ميثيل ولا يحتوي على أي –CH₂–، لذلك يطابق الوصف.

الصيغة C₄H₁₀O قد تمثل كحولات أو إيثرات.

الكحولات تتفاعل مع الصوديوم، أما الإيثرات فلا تتفاعل.

الإيثرات المفتوحة الممكنة ثلاثة: ثنائي إيثيل إيثر، ميثيل بروبيل إيثر، وميثيل أيزوبروبيل إيثر.

التقطير الجاف لملح صوديوم حمض كربوكسيلي بالصودا الجيرية يعطي ألكانًا أقل بذرة كربون من الحمض.

ملح حمض 3-ميثيل بيوتانيك يعطي 2-ميثيل بروبان (أيزوبيوتان).

حمض الهيبتانويك يتعادل أولًا مع NaOH ليعطي هيبتانوات الصوديوم، ثم بالتقطير الجاف مع الصودا الجيرية يعطي الهكسان، ثم بالإصلاح الحفزي يتحول الهكسان إلى بنزين.

أكسدة مجموعة –CH₂OH في الكحول الساليسيلي أكسدة تامة تحولها إلى –COOH وينتج حمض الساليسيليك.

حمض الساليسيليك يدخل في تحضير أدوية مثل الأسبرين وساليسيلات الميثيل.

الحمض Y هو حمض الستريك؛ لأنه يحتوي على ثلاث مجموعات كربوكسيل تتفاعل مع 3 مول NaOH، ويحتوي أيضًا على مجموعة هيدروكسيل تتفاعل مع الصوديوم.

ويستخدم حمض الستريك كمادة حافظة للفواكه المجمدة.

X هو الميثانول لأنه أبسط كحول أليفاتي.

Y هو حمض الساليسيليك لأنه أبسط حمض أروماتي يحتوي –OH و–COOH.

تفاعل الميثانول مع حمض الساليسيليك يعطي إستر ساليسيلات الميثيل.

في التحلل المائي القلوي يستبدل Br بمجموعة OH.

لذلك يتحول 1-برومو-2-ميثيل بروبان إلى 2-ميثيل-1-بروبانول، وهو كحول أيزوبيوتيل.

في X يعطي التحلل المائي مركبًا ثنائي الهيدروكسيل غير ثابت يفقد ماء ليعطي بروبانال، ثم يختزل إلى 1-بروبانول.

وفي Y يتكون بروبانون أولًا ثم يختزل إلى 2-بروبانول.

البوليمر المستخدم في الأجهزة الكهربائية هو الباكليت.

يحضر الفينول أولًا، ثم يتفاعل الفينول مع الفورمالدهيد بتكاثف بلمري ليعطي الباكليت.

الطريق الصحيح بين الاختيارات هو الإصلاح الحفزي ثم التحلل القلوي ثم البلمرة مع الفورمالدهيد.

يمر الخام أولًا بعملية تحميص/تجهيز، ثم يختزل في فرن ميدركس أو الفرن اللافح للحصول على الحديد، ثم يحول إلى صلب في محول الأكسجين أو الأفران المناسبة.

الكتلة المولية لـ AgCl =143.5 g/mol، ومولاته =0.963/143.5=0.00671 mol.

بما أن MCl يعطي نفس عدد مولات AgCl، فالكتلة المولية لـ MCl =0.5/0.00671=74.5 g/mol.

إذن كتلة M =74.5−35.5=39.

باستخدام قانون التخفيف: M₁V₁ = M₂V₂.

إذا كان الحجم الأصلي X فإن 0.2X = 0.12(X+20).

بحل المعادلة: 0.08X=2.4، إذن X=30 mL.

التوصيل يتناسب مع مجموع تراكيز الأيونات في المحلول المشبع.

AgCl يعطي 2S وS=10⁻⁵، وAgBr يعطي 2×10⁻⁴، وPbI₂ يعطي 3×10⁻⁴، وBiI₃ يعطي 4×10⁻⁴.

إذن الترتيب: 1 < 3 < 2 < 4.

للتفاعل الأمامي A ⇌ C يكون Kc=[C]/[A]=3/4=0.75.

أما للتفاعل العكسي C ⇌ A فيكون ثابت الاتزان مقلوبًا: [A]/[C]=4/3=1.33.

بما أن جهد الخلية موجب فهي جلفانية.

في المعادلة يتأكسد M إلى M³⁺، إذن M هو المصعد.

من العلاقة جهد الخلية = جهد المهبط − جهد المصعد = −0.76 − جهد اختزال(M) = +1، فيكون جهد اختزال(M) = −1.76 V، وبالتالي جهد أكسدة M = +1.76 V.

عند المصعد تتأكسد أيونات الكلوريد: 2Cl⁻ → Cl₂ + 2e⁻.

تكوين 1 مول Cl₂ يحتاج 2 فاراداي، لذلك مرور 1 فاراداي يعطي 0.5 مول من غاز الكلور.

A هو الفينول/حمض الكربوليك؛ لا يتفاعل مع بيكربونات الصوديوم فلا يعطي اختبار الحموضة المعتاد، كما لا يختزل بالهيدروجين وكرومات النحاس.

B هو حمض الساليسيليك المستخدم في تحضير الأسبرين لعلاج الصداع.

ألكلة البنزين تعطي التولوين، وأكسدة التولوين تعطي حمض البنزويك.

تفاعل حمض البنزويك مع الإيثانول يعطي إستر بنزوات الإيثيل، لذلك Z هو بنزوات الإيثيل.

حمض الأسيتيك يتفاعل مع الميثانول ليعطي إسترًا ذا رائحة فاكهة.

2-بروبانول كحول ثانوي يتأكسد فيزيل لون البرمنجنات.

الفينول/حمض الكربوليك يعطي راسب 2,4,6-ثلاثي برومو فينول الأبيض مع ماء البروم.

التحلل القلوي لبروبانوات البروبيل يعطي 1-بروبانول وملح البروبانوات.

نزع الماء من 1-بروبانول يعطي البروبين، ثم الهدرجة الحفزية للبروبين تعطي البروبان.

عند تسخين أوكسالات الحديد الثنائي بمعزل عن الهواء يتكون FeO، إذن X = FeO.

تفاعل FeO مع H₂SO₄ المخفف يعطي FeSO₄، إذن Y = FeSO₄.

وعند اختزال Fe₂O₃ إلى FeO يلزم عامل مختزل مثل CO أو H₂، إذن M = CO أو H₂.

أعلى عزم مغناطيسي يكون للمركب Fe₂O₃ لأن Fe³⁺ تركيبه d⁵ وبه خمسة إلكترونات مفردة.

الأكسدة التامة لبارا-ميثيل تولوين (البارا-زايلين p-xylene) تحول مجموعتي الميثيل إلى مجموعتي كربوكسيل، فيتكون حمض التيرفثاليك A: p-C₆H₄(COOH)₂.

بالتعادل مع NaOH يتكون تيرفثالات الصوديوم B: p-C₆H₄(COONa)₂.

وبالتقطير الجاف بالصودا الجيرية ينتج البنزين C: C₆H₆.

يستخدم حمض التيرفثاليك في صناعة ألياف الداكرون (البولي إيثيلين تيرفثالات PET).