Prof./ Ayman Mansour — Chemistry Consultant
العناصر الانتقالية
Transition Elements
كيمياء ٢٠٢٦ — Chemistry 2026
نماذج تفاعلية · شرح تفصيلي · مراجعة شاملة
أيٌّ مما يلي يمثل الترتيب الصحيح لأيونات بعض العناصر حسب قوة انجذابها للمجال المغناطيسي؟
الأيون الأقوى انجذابًا للمجال المغناطيسي هو الذي يحتوي على أكبر عدد من الإلكترونات المفردة في المستوى d.
Mn²⁺ تركيبه 3d⁵ فيحتوي على 5 إلكترونات مفردة، و Fe²⁺ تركيبه 3d⁶ فيحتوي على 4 إلكترونات مفردة، أما Ti⁴⁺ فتركيبه 3d⁰ ولا يحتوي على إلكترونات مفردة.
لذلك يكون الترتيب الصحيح: Mn²⁺ > Fe²⁺ > Ti⁴⁺.
أيٌّ مما يلي يمثل ناتج عمليات تجهيز خام الحديد قبل اختزاله؟
تجهيز خام الحديد قبل الاختزال يهدف إلى رفع نسبة الحديد في الخام والتخلص من أكبر قدر من الشوائب.
أثناء عمليات التجهيز والتحميص تقل الرطوبة والشوائب المتطايرة، فتقل كتلة الخام وتزداد النسبة المئوية للحديد في المتبقي.
إذن الناتج هو نقص الشوائب وزيادة نسبة الحديد.
أيٌّ مما يلي يعبر عن تفاعل تحضير عامل الاختزال المستخدم لاختزال خام الحديد في أحد الأفران؟
عامل الاختزال في فرن ميدركس هو خليط من CO و H₂.
يُحضَّر هذا الخليط بإصلاح الميثان باستخدام بخار الماء وثاني أكسيد الكربون.
لذلك فالاختيار الصحيح هو بخار الماء وثاني أكسيد الكربون مع الميثان.
أيٌّ مما يلي يمثل الترتيب الصحيح للعمليات اللازمة للحصول على أكسيد الحديد الأسود من FeCl₃؟
للحصول على أكسيد الحديد الأسود من FeCl₃ نبدأ بترسيب هيدروكسيد الحديد (III) بإضافة محلول قلوي.
بالتسخين يتحلل Fe(OH)₃ إلى Fe₂O₃، ثم يُختزل جزئيًا ليعطي Fe₃O₄ الأسود.
إذن الترتيب: إضافة محلول قلوي ثم التحلل الحراري ثم الاختزال.
أيٌّ مما يلي يمثل الترتيب الصحيح للعمليات التي تُجرى على خام الليمونيت للحصول على الصلب؟
خام الليمونيت يحتوي على ماء متحد، لذلك يُحمَّص أولًا للتخلص من الماء وتحويله إلى أكسيد حديد مناسب للاختزال.
بعد ذلك يحدث الاختزال لإنتاج الحديد، ثم تُضبط نسبة الكربون للحصول على الصلب.
إذن الترتيب الصحيح: التحميص ثم الاختزال ثم إضافة الكربون.
يلعب فحم الكوك دورًا في استخلاص الزنك من خاماته طبقًا للمعادلة: 2ZnO + C → 2Zn + CO. أيُّ المواد الآتية يؤدي الدور نفسه الذي يؤديه الكوك في استخلاص الحديد؟
في معادلة استخلاص الزنك يعمل الكوك كعامل مختزل.
في استخلاص الحديد بطريقة ميدركس يقوم خليط CO و H₂ بالدور نفسه كعامل مختزل.
لذلك الإجابة هي خليط CO + H₂.
الاختيار الصحيح هو (ب).
| الاختيار | نوع من عنصر | استخدام من واحد من له الكلoys |
|---|---|---|
| A | (X) انتقال | يُستخدم في الطائرات التركيبس |
| B | (X) غير انتقالي | يُستخدم في مغنيسيوم مقاتلة الطائرات نفاثة |
| C | (Y) انتقال | يُستخدم في رايلواي تراكس |
| D | (Y) غير انتقالي | يُستخدم في سوفت درينك كانس |
صحيح الاختيار هو (b).
| خواص قبل تجهيز | خواص بعد تجهيز | |
|---|---|---|
| كتلة من خام | 4 كج | 3.85 كج |
| % من حديد | 45% | 69% |
العنصران المتتاليان اللذان يمتلكان نفس عدد إلكترونات المستوى الفرعي 3d هما:
بما أن العنصر (X) مقاوم لتأثير الهواء، فهو الكروم Cr لأنه يكون طبقة أكسيد واقية على سطحه. إذن العنصر (Y) هو المنجنيز Mn.
وبما أن المنجنيز يقع بعد الكروم في العدد الذري، فإن الشحنة النووية الفعالة للعنصر (Y) أكبر من الشحنة النووية الفعالة للعنصر (X).
| الاختيار | (X) | (Y) | (Z) | (L) |
|---|---|---|---|---|
| A | ال | ني | سك | تي |
| B | C | في | ني | كر |
| C | بب | او | ني | تي |
| D | ال | ني | في | سك |
هذا يقابل إلى Cr2+ (من متعادل Cr: [Ar] 4s¹ 3d⁵).
هذا يقابل إلى Fe2+ (من متعادل Fe: [Ar] 4s² 3d⁶).
| العنصر | الكثافة (g/cm³) |
|---|---|
| الكروم (Cr) | 7.19 |
| الحديد (Fe) | 7.87 |
| العنصر | شائع الاستخدام | الصلة |
|---|---|---|
| A (Cr) | الجلود دباغة | الكروم(ثلاثي) كبريتات هو عامل دباغة رئيسي. |
| B (Fe) | جراحي أدوات | الحديد هو أولي مكوّن من الصلب المقاوم للصدأ, يُستخدم في أدوات الجراحة بسبب قوته ومقاومته للتآكل. |
| الرمز | دليل | التحليل | العنصر |
|---|---|---|---|
| W | أعلى عزم مغناطيسي | أعلى عدد من الإلكترونات المفردة (6) في ذري الحالة. | Cr ([Ar] 4s¹3d⁵) |
| Z | المستوى الفرعي d هو ممتلئ | 3d¹⁰ التوزيع الإلكتروني. | Zn ([Ar] 4s²3d¹⁰) |
| X | يبدأ الازدواج *بعده* | عنصر قبل 3d⁶ هو 3d⁵. | Mn ([Ar] 4s²3d⁵) |
| Y | الأول الذي لا يفقد كل إلكترونات 4s و 3d | لا يُظهر حالة أكسدة تساوي رقم مجموعته (8). | Fe |
| الاختيار | التحويل | أكسدة الحالة التغير | الاستقرار التحليل |
|---|---|---|---|
| () | CrO₃ → CrO | Cr6+ → Cr2+ | لا أي منهما هو الأكثر مستقر الحالة للكروم, الذي هو +3. |
| (b) | ZnO → Zn₂O₃ | Zn2+ → Zn3+ | للغاية غير مُفَضَّل. Zn2+ ([Ar] 3d¹⁰) هو جدًا مستقر. |
| (c) | Fe₂O₃ → FeO | Fe3+ → Fe2+ | غير مُفَضَّل. Fe3+ يمتلك تركيبًا نصف ممتلئ مستقرًا 3d⁵ التوزيع الإلكتروني. |
| (d) | Mn₂O₃ → MnO | Mn3+ → Mn2+ | بشدة مُفَضَّل. ناتج Mn2+ يمتلك بشكل استثنائي تركيبًا نصف ممتلئ 3d⁵ التوزيع الإلكتروني. |
| الرمز | دليل | التحليل | العنصر |
|---|---|---|---|
| A | مفردة e⁻ ↓ (ذرة → +2) | Cr (ذرة: 6 مفردة e⁻, Cr²⁺: 4 مفردة e⁻) | Cr |
| B | مفردة e⁻ ↑ (+2 → +3) | Fe²⁺ (3d⁶, 4 مفردة) → Fe³⁺ (3d⁵, 5 مفردة) | Fe |
| C | مفردة e⁻ ↓ (+2 → +3) و نصف القطر ≈ A | Mn²⁺ (3d⁵, 5 مفردة) → Mn³⁺ (3d⁴, 4 مفردة). نصف القطر من Mn (127 pm) ≈ نصف القطر من Cr (128 pm). | Mn |
| الحرف | العنصر | العدد الذري | الكثافة (g/cm³) |
|---|---|---|---|
| A | الكروم (Cr) | 24 | 7.19 |
| C | المنجنيز (Mn) | 25 | 7.21 |
| B | الحديد (Fe) | 26 | 7.87 |
| الحرف | العنصر | الذري # | التوزيع الفعلي. |
|---|---|---|---|
| A | الفاناديوم (V) | 23 | [Ar] 4s² 3d³ |
| B | الكروم (Cr) | 24 | [Ar] 4s¹ 3d⁵ |
| C | المنجنيز (Mn) | 25 | [Ar] 4s² 3d⁵ |
| D | الحديد (Fe) | 26 | [Ar] 4s² 3d⁶ |
| الأنواع | التوزيع الإلكتروني | الإلكترونات المفردة | المغناطيسي العزم |
|---|---|---|---|
| Mn²⁺ | [Ar] 3d⁵ | 5 | عالٍ |
| Mn³⁺ (يفقد واحد إلكترون d) | [Ar] 3d⁴ | 4 | أقل |
| الحديد أيون | التوزيع الإلكتروني | الإلكترونات المفردة | المغناطيسي العزم |
|---|---|---|---|
| Fe²⁺ | [Ar] 3d⁶ | 4 | أقل |
| Fe³⁺ | [Ar] 3d⁵ | 5 (نصف ممتلئ) | أعلى |
| العنصر | التوزيع الإلكتروني | مفردة e⁻ |
|---|---|---|
| Ti (22) = A | [Ar] 4s² 3d² | 2 |
| V (23) = B | [Ar] 4s² 3d³ | 3 |
| Cr (24) = C | [Ar] 4s¹ 3d⁵ | 6 |
| الأنواع | التوزيع الإلكتروني | مفردة e⁻ |
|---|---|---|
| Fe²⁺ (في FeCO₃) | [Ar] 3d⁶ | 4 |
| Fe³⁺ (في Fe₂O₃) | [Ar] 3d⁵ | 5 |
| الخاصية | Co | Ni | الحكم |
|---|---|---|---|
| الكتلة الذرية | 58.93 | 58.69 | Co > Ni (شذوذ!) |
| الكثافة (g/cm³) | 8.90 | 8.91 | Co < Ni ✓ |
| اتحاد | النوع | السبب |
|---|---|---|
| C + Fe (قابل للفصل) | بينية | صغير C ذرات يناسب في Fe فراغات (الصلب) |
| C + Fe (لا قابل للفصل) | بين فلزية | سمنتيت Fe₃C — كيميائي رابطة |
| Al + Ni | بين فلزية | الصيغة محدد النسبة مركب |
| C + Ni + Fe | إحلالية & بينية | C بينية; Ni يحل محل Fe |
🎯 القاعدة الكيميائية الأساسية: يتم تحديد التوزيع الإلكتروني لأيونات العناصر الانتقالية عن طريق فقد الإلكترونات أولاً من المستوى الفرعي 4s ثم من المستوى الفرعي 3d، ونقوم بعد الإلكترونات المفردة حسب قاعدة هوند.
✅ تحليل الكاتيونات خطوة بخطوة:
• في حالة التأكسد +3: الكوبالت (Co3+) توزيعه 3d6 ويمتلك (4 إلكترونات مفردة)، والمنجنيز (Mn3+) توزيعه 3d4 ويمتلك (4 إلكترونات مفردة). بالتالي يتساوى عدد الإلكترونات المفردة تماماً.
• في حالة التأكسد +4: الكوبالت (Co4+) يصبح توزيعه 3d5 ويمتلك (5 إلكترونات مفردة)، بينما المنجنيز (Mn4+) يصبح توزيعه 3d3 ويمتلك (3 إلكترونات مفردة). وبما أن عدد إلكترونات X4+ أكبر من Y4+، إذن العنصر X هو الكوبالت (Co) والعنصر Y هو المنجنيز (Mn).
⚙️ الاستخدامات الصناعية:
• الكوبالت (X): يدخل بشكل أساسي في صناعة البطاريات الجافة الحديثة والبطاريات القابلة لإعادة الشحن.
• المنجنيز (Y): يستخدم مع الحديد لتكوين سبيكة "الفرومنجنيز" شديدة الصلابة لصناعة خطوط السكك الحديدية.
🎯 القاعدة الكيميائية الأساسية: تمتلك ذرات العناصر الانتقالية نفس عدد الإلكترونات المفردة في حالتها المستقرة عندما يكون لأحدهما مستوى فرعي 3d أقل من نصف ممتلئ وللآخر أكثر من نصف ممتلئ، وهذا ينطبق على الثنائيات: Ti / Ni (2 إلكترون مفرد) أو V / Co (3 إلكترونات مفردة).
✅ تحديد هوية العناصر:
• نقص الإلكترونات المفردة: عند التحول من X2+ إلى X3+ يقل عدد الإلكترونات المفردة، وهذا يحدث فقط في العناصر التي يكون مستواها الفرعي d أقل من نصف ممتلئ، حيث يؤدي فقد إلكترون إضافي لنقص التعداد (مثال: V2+ [3d3، 3 مفرد] يتحول إلى V3+ [3d2، 2 مفرد]). لذلك، فإن العنصر X هو عنصر يقع في بداية السلسلة (Ti أو V).
• استنتاج العنصر Y: بما أن Y يمتلك نفس عدد الإلكترونات المفردة في الحالة الذرية ولكنه لا يظهر هذا السلوك عند الأكسدة، فإنه يمثل النظير المتأخر في السلسلة الانتقالية (Ni أو Co).
📊 تقييم التدرج في الخواص الدورية:
• الكتلة الذرية (الخيار ج): تزداد الكتلة الذرية بشكل عام ومنتظم عند التحرك من اليسار إلى اليمفي بزيادة العدد الذري. وبما أن العنصر Y يقع بعد العنصر X في السلسلة الانتقالية الأولى، فإن الكتلة الذرية لـ Y أكبر من X.
🎯 القاعدة الكيميائية الأساسية: تجمع السبائك الصناعية المتطورة بين نوعفي من البناء البلوري؛ فالأيونات أو الذرات الصغيرة المضافة بينياً تزيد من الصلابة لمنع الانزلاق، بينما العناصر المضافة استبدالياً تعدل من الخواص الفيزيائية والميكانيكية للمعدن كالمرونة ومقاومة التآكل.
✅ التركيب البنيوي لسبيكة صلب الفاناديوم:
• أساس السبيكة (سبيكة بينية): تتكون السبيكة في الأصل من الصلب، حيث تشغل ذرات الكربون الصغيرة الحجم الفراغات البينية في الشبكة البلورية للحديد، مما يعيق انزلاق طبقات المعدن فوق بعضها ويزيد من قساوته.
• التعديل بالفاناديوم (سبيكة استبدالية): عند إضافة نسبة ضئيلة من الفاناديوم، تستبدل ذراته بعض ذرات الحديد في الشبكة البلورية الأصلية لتقارب الحجم الذري والشكل البلوري بين الفاناديوم والحديد، مما يمنح السبيكة مرونة وقدرة عالية على مقاومة التآكل والجهد الميكانيكي.
💡 تطبيق عملي: هذا الدمج الدقيق يجعل السبيكة مثالية لصناعة يايات السيارات (الزمبركات) لتحملها ضغوط الحركة المستمرة دون حدوث تشوه دائم أو كسر.
🎯 القاعدة الكيميائية الأساسية: لكي يتمكن مركب من اختزال Mn7+ إلى Mn2+، يجب أن يحتوي على عنصر انتقالي يسهل أكسدته بفقد إلكترونات للوصول إلى حالة تأكسد أعلى وأكثر استقراراً، مثل أن يصبح المستوى الفرعي d نصف ممتلئ (3d5) أو تام الامتلاء (3d10).
✅ لماذا كبريتات الحديد الثنائي هي الاختيار الصحيح:
• قابلية الحديد للأكسدة: في مركب FeSO4، يوجد الحديد على هيئة أيون Fe2+ بتوزيع [3d6]. يميل هذا الأيون بشدة وفقدان إلكترون واحد ليتحول إلى Fe3+ بتوزيع [3d5]، وحالة الـ 3d5 مستقرة جداً لأن أوربيتالات الـ d تكون نصف ممتلئة بانتظام.
• قوة الاختزال: نظراً لأن الأكسدة من Fe2+ إلى Fe3+ عملية سهلة ومفضلة طاقياً، يعمل مركب FeSO4 كعامل مختزل قوي يستطيع اختزال أيون المنجنيز السباعي بنجاح.
❌ لماذا تفشل الخيارات الأخرى:
• ScCl3 و Ti(NO3)4: يتواجدان في حالات التأكسد القصوى والمستقرة جداً Sc3+ [3d0] و Ti4+ [3d0]، وبالتالي لا يمكن أكسدتهما نهائياً.
• ZnCl2: يحتوي على أيون الخارصين Zn2+ [3d10]، وهو ممتلئ تماماً ومستقر، فلا يفقد إلكترونات إضافية تحت الظروف العادية.
| الكاتيون | التوزيع الإلكتروني |
|---|---|
| X2+ | 18Ar, 3d6 |
| Y4+ | 18Ar, 3d6 |
| X | Y | |
|---|---|---|
| أ) | يستخدم في الخرسانة المسلحة | له 5 نظائر مستقرة |
| ب) | يستخدم في أواني الطهي | له 12 نظيراً مشعاً |
| ج) | دايامغناطيسي | بارامغناطيسي |
| د) | الأكبر في الكثافة | يستخدم في علاج الأورام |
🎯 القاعدة الكيميائية الأساسية: لتحديد الهوية الدقيقة لعنصر ما من خلال كاتيوناته، نقوم بحساب العدد الذري (Z) عن طريق إعادة عدد الإلكترونات المفقودة (شحنة الأيون) إلى التوزيع الإلكتروني المعطى للكاتيون.
✅ استنتاج العناصر من التوزيع الإلكتروني:
• العنصر X: الكاتيون هو X2+ = [Ar] 3d6. بإعادة إلكتروني الشحنة إلى المستوى الفرعي 4s، نحصل على التوزيع الإلكتروني للذرة المتعادلة: [Ar] 4s2 3d6. هذا يمثل عنصر الحديد (Fe, Z=26).
• العنصر Y: الكاتيون هو Y4+ = [Ar] 3d6. بإعادة 4 إلكترونات (2 إلى 4s و 2 إلى 3d)، نحصل على التوزيع الإلكتروني للذرة المتعادلة: [Ar] 4s2 3d8. هذا يمثل عنصر النيكل (Ni, Z=28).
🔍 تقييم خيارات الجدول:
• الحديد (X) عنصر بنائي ذو متانة فائقة ويستخدم في الخرسانة المسلحة وأعمدة الإنارة.
• النيكل (Y) يتميز بوجود 5 نظائر مستقرة في الطبيعة (بينما الكوبالت هو الذي يشتهر بـ 12 نظيراً مشعاً). وهذا يتوافق تماماً مع الخيار والصف (أ).
| (X) | (Y) | (Z) | |
|---|---|---|---|
| أ) | IB | IIB | IIIB |
| ب) | 8 | IB | IIB |
| ج) | IIIB | IVB | VB |
| د) | VB | VIB | VIIB |
🎯 القاعدة الكيميائية الأساسية: المواد البارامغناطيسية هي التي تحتوي على إلكترون مفرد واحد على الأقل في المستوى الفرعي d، بينما المواد الدايامغناطيسية تكون جميع إلكتروناتها في حالة ازدواج تام (توزيعها 3d0 أو 3d10).
✅ تحديد هوية العناصر الثلاثة المتتالية:
• العنصر X (المجموعة 8): يمثل عنصر النيكل (28Ni)، حالة تأكسده الشائعة هي Ni2+ وتوزيعه [Ar] 3d8، ويحتوي على إلكترونفي مفردفي (بارامغناطيسي). عناصر المجموعة الثامنة لا تعطي حالة تأكسد تفقد فيها جميع إلكترونات الـ d، لذا فإن جميع مركباتها تكون بارامغناطيسية.
• العنصر Y (المجموعة IB): يمثل عنصر النحاس (29Cu)، في حالة التأكسد Cu+ يكون توزيعه [Ar] 3d10 ولا يحتوي على إلكترونات مفردة (دايامغناطيسي)، بينما في حالة التأكسد Cu2+ يكون توزيعه [Ar] 3d9 ويحتوي على إلكترون مفرد واحد (بارامغناطيسي).
• العنصر Z (المجموعة IIB): يمثل عنصر الخارصين (30Zn)، حالة تأكسده الوحيدة هي Zn2+ وتوزيعه [Ar] 3d10، حيث يكون المستوى الفرعي d ممتلئاً تماماً بالإلكترونات، ولعدم وجود إلكترونات مفردة تكون جميع مركباته دايامغناطيسية دائماً.
📊 الاستنتاج النهائي: بما أن النيكل (Ni)، والنحاس (Cu)، والخارصين (Zn) هي ثلاثة عناصر متتالية في الأعداد الذرية (28، 29، 30)، فإن المجموعات التي تنتمي إليها بالترتيب هي **المجموعة 8، والمجموعة IB، والمجموعة IIB**، وهو ما يتطابق تماماً مع الصف (ب).