المقدمة:

إن شم رائحة الطعام المطهو، أو رؤية دخان الحرائق دليل على حدوث تفاعل كيميائي. ربما تكون بعض الدلائل الأخرى على حدوث التفاعلات الكيميائية غير واضحة أحيانًا، إلا أن هناك إشارات تظهر لك تؤكد أن تفاعلات كيميائية تحدث. تعتبر الظواهر الكيميائية جزءًا لا يتجزأ من حياتنا اليومية، حيث يحدث التفاعل الكيميائي حولنا بشكل مستمر دون أن نلاحظه في بعض الأحيان. إن القدرة على تمييز حدوث هذه التفاعلات تعد مهمة أساسية لفهم العالم الذي نعيش فيه. بالنظر إلى الحواس المختلفة التي يمتلكها الإنسان، يمكننا أن نلحظ بعض الدلائل البسيطة على حدوث التفاعلات الكيميائية حولنا.فى هذه المقاله سوف نتحدث عن قانون حفظ الكتلة.

عناصر المقالة:

1. التغير الفيزيائي والتغير الكيميائي:
2. المعادلات الكيميائية:
3. حفظ الكتلة:
4. موازنة المعادلة الكيميائية:
5. الطاقة في التفاعلات الكيميائية:
6. الطاقة في المعادلة الكيميائية:
7. الختام:

التغير الفيزيائي والتغير الكيميائي:

قد يتعرض قانون حفظ الكتلة لنوعين من التغيرات تغيرات فيزيائية و تغيرات كيميائية. وتؤثر التغيرات الفيزيائية في خصائص المادة الفيزيائية فقط، ومنها الحجم والشكل وحالتها ( صلبة أو سائلة أو غازية). فمثلاً عند تجمد الماء تتغير حالته الفيزيائية من الحالة السائلة إلى الحالة الصلبة، ولكنه يظل ماء. أما التغيرات الكيميائية فتنتج مادة أخرى لها خصائص مختلفة عن خصائص المادة الأصلية. بالصدأ الذي يظهر على المنتجات المصنوعة من الحديد له خصائص تختلف عن خصائص الحديد، كما أن الراسب الصلب الناتج عن مزج مادتين سائلتين بعد مثالاً آخر على التغيرات الكيميائية. تفاعل نترات الفضة مع كلوريد الصوديوم، وينتج كلوريد الفضة الصلب ونترات الصوديوم السائلة. وتسمى العملية التي تنتج تغيرا كيميائيا التفاعل الكيميائي Chemical reaction.ولكي تقارن بين التغير الفيزيائي والتغير الكيميائي انظر إلى الصحيفة في الشكل ١ ، فإذا قمت بطيها فإنك تغير حجمها وشكلها فقط، ولكنها تبقى صحيفة؛ فالطي تغير فيزيائي. أما إذا أضرمت فيها النار فإنها ستحترق، والاحتراق تغير كيميائي لأنه أنتج مادة جديدة، فكيف يمكنك تمييز التغير الكيميائي ؟ الشكل ٢ يوضح لك ذلك.

المعادلات الكيميائية:

إذا أردت التعبير عن المعادلات الكيميائية فعليك أولاً تحديد المواد البادئة للتفاعل والتي تسمى المواد المتفاعلة أو المتفاعلات Reactants. أما المواد التي تنتج عن التفاعل فتسمى المواد الناتجة أو النواتج Products. فعندما تمزج الخل بمسحوق الخبز يحدث تفاعل قوي، ويمكن الاستدلال على هذا التفاعل من خلال الفقاقيع والرغوة التي تظهر في الإناء، كما تشاهد في الشكل 3 الخل ومسحوق الخبز أسماء شائعة لهذه المواد الكيميائية المتفاعلة في هذا التفاعل، ولهذه المواد أسماء كيميائية أيضًا، مسحوق الخبز (بيكنج صودا) مركب كيميائي يسمى كربونات الصوديوم الهيدروجينية أو بيكربونات الصوديوم. أما الخل فهو محلول حمض الأستيك في الماء. ما المقصود بالمواد الناتجة ؟ لقد شاهدت تكون الفقاقيع أثناء حدوث التفاعل.

هل هذا الوصف كافِ لتعرف المواد الناتجة ؟

وصف ما حدث:

 تدل الفقاقيع على تصاعد غاز ما، ولكنها لا تبين نوعه فهل فقاقيع الغاز هي الناتج الوحيد للتفاعل ؟ أم أن هناك مادة جديدة تكونت نتيجة تفاعل الخل مع بيكربونات الصوديوم ؟ إن ما يحدث في التفاعل الكيميائي أكثر بكثير مما تستطيع أن تراه بعينيك؛ فقد حاول الكيميائيون تحديد المواد التي يتفاعل بعضها مع بعض والمواد الناتجة عن التفاعل، ثم قاموا بكتابتها في صورة رموز تسمى معادلة كيميائية و قانون حفظ الكتلة  Chemical equation. توضح هذه المعادلات المواد المتفاعلة والمواد الناتجة وخصائص كل مادة فيها، وبعضها يخبرنا عن الحالة الفيزيائية لكل مادة.  ماذا قرأت؟ماذا توضح المعادلة الكيميائية ؟

استخدام الكلمات:

 يمكن كتابة المعادلة الكيميائية اللفظية باستخدام أسماء المواد المتفاعلة والمواد الناتجة. وتكتب المتفاعلات عن يمين السهم، ويفصل بينها بإشارة (+). أما النواتج فتكتب عن يسار السهم، ويفصل بينها أيضا بإشارة (+). أما السهم الذي يكتب بين المتفاعلات والنواتج فيمثل التغيرات التي تحدث في أثناء التفاعل الكيميائي. وعندما نقرأ المعادلة يُشار إلى السهم بكلمة ينتج.

يمكنك الآن أن تفكر في العمليات التي تحدث من حولك بوصفها تفاعلات كيميائية، حتى إن كنت لا تعرف أسماء المتفاعلات. وقد يساعدك الجدول 1 على التفكير الكيميائيين؛ فهو يبين بعض التفاعلات الكيميائية اللفظية التي قد تحدث في بيتك. جد تفاعلات أخرى، ولاحظ الإشارات التي تدل على حدوث تفاعل، ثم حاول كتابتها بالطريقة الموضحة في الجدول.

استخدام الأسماء الكيميائية:

 كثير من المواد الكيميائية المستخدمة في البيوت لها أسماء شائعة في حمض الأستيك المذاب في الماء مثلا هو الخل. والمسحوق الخبز اسمان كيميائيين هما بيكربونات الصوديوم، وكربونات الصوديوم الهيدروجينية. وعموما تستخدم الأسماء الكيميائية في المعادلات الكيميائية اللفظية بدلا من الأسماء الشائعة. فعند تفاعل الخل مع صودا الخبز تكون المواد المتفاعلة هي : بيكربونات الصوديوم وحمض الستريك، والمواد الناتجة : أسيتات الصوديوم والماء وثاني أكسيد الكربون. ويمكن كتابة المعادلة الكيميائية اللفظية للتفاعل كما يلي:

حمض الأستيك + كربونات الصوديوم الهيدروجينية ← أسيتات الصوديوم + ماء + ثاني أكسيد الكربون

استخدام الصيغ الكيميائية:

 إن المعادلة اللفظية لتفاعل مسحوق الخبز مع الخل طويلة. لذا استخدم الكيميائيون الصيغ الكيميائية للتعبير عن الأسماء الكيميائية للمواد في المعادلة. ويمكنك تحويل المعادلة اللفظية إلى معادلة كيميائية رمزية بإستعمال الصيغ الكيميائية بدل الأسماء الكيميائية. فعلى سبيل

المثال، يمكن التعبير عن المعادلة السابقة بصيغ كيميائية كما يلي:

الأرقام السفلية:

 تعبر الأرقام الصغيرة التي تكتب على يمين الذرات إلى الأسفل في الصيغة الكيميائية عن عدد ذرات كل عنصر في المركب. فعلى سبيل المثال نجد أن الرقم "2" في جزيء CO يعني أن جزيء ثاني أكسيد الكربون يحتوي على ذرتين من الأكسجين. وإذا لم يكتب بجانب ذرة العنصر رقم في الصيغة الكيميائية، فهذا يعني أن لذلك العنصر ذرة واحدة فقط في المركب. ولهذا فإن ثاني أكسيد الكربون يحتوي على ذرة كربون واحدة فقط.

حفظ الكتلة:

ماذا يحدث لذرات المواد المتفاعلة عندما تتحول إلى مواد أخرى (نواتج )؟ وفق قانون حفظ الكتلة يجب أن تكون كتلة المواد الناتجة مساوية لكتلة المواد المتفاعلة (أو الداخلة) في التفاعل الكيميائي. فأن قانون حفظ الكتلة ينص عليه عالم الكيمياء الفرنسي أنتوني لافوازييه (١٧٤٣ - ١٧٩٤م)، والذي بعد أول علماء الكيمياء في العصر الحديث؛ حيث استخدم المنطق والطرائق العلمية في دراسة التفاعلات الكيميائية. وقد أثبت لافوازييه من خلال تجاربه أنه لا يستحدث شيء أو يفنى في التفاعلات الكيميائية إلا بقدرة الله تعالى.

وقد أوضح أن التفاعلات الكيميائية تشبه إلى حد كبير المعادلات الرياضية التي يكون فيها الطرف الأيمن مساويا للطرف الأيسر، وكذلك الحال بالنسبة إلى المعادلة الكيميائية، حيث يكون عدد الذرات ونوعها في طرفي المعادلة متساويا؛ فكل ذرة في المتفاعلات تظهر أيضا في النواتج، كما هو موضح في الشكل . فلا تستحدث الذرات ولا تفنى في التفاعلات الكيميائية، ولكن يعاد ترتيبها.

موازنة المعادلة الكيميائية:

عندما تكتب معادلة كيميائية لتفاعل ما عليك ألا تغفل قانون حفظ الكتلة. انظر مرة أخرى إلى الشكل ٤ الذي يبين أن أعداد ذرات الكربون والأكسجين والهيدروجين والصوديوم في جانبي السهم متساوية، مما يعني أن المعادلة موزونة وأن قانون حفظ الكتلة قد طبق.

لا يمكن موازنة جميع المعادلات بالسهولة نفسها. انظر مثلاً إلى الفضة السوداء كما هو مبين في الشكل ٥ الناتجة عن تفاعل الفضة مع أحد مركبات الكبريت. في الهواء (كبريتيد الهيدروجين). والمعادلة غير الموزونة التالية توضح ذلك

Ag+H2S →Ag2S + H2

احسب عدد ذرات كل عنصر في المتفاعلات والنواتج ستجد أن عدد كل من ذرات الهيدروجين والكبريت متساو في الجانبين، ولكن هناك ذرة فضة في المتفاعلات بينما هناك ذرتان في النواتج، وهذا لا يمكن أن يكون صحيحا؛ في التفاعل الكيميائي لا يمكن أن يستحدث ذرة فضة من العدم ولهذا فإن قانون حفظ الكتلة  فى هذه المعادلة لا يمثل التفاعل بشكل صحيح ! ضع العدد 2 أمام ذرة الفضة في المتفاعلات، وتحقق من موازنة المعادلة بحساب عدد ذرات كل عنصر.

2Ag+H2S→Ag2S+H2

المعادلة الآن موزونة؛ فهناك أعداد مشاوية من ذرات الفضة في المتفاعلات والنواتج. وتذكر أننا عندما نوازن المعادلة الكيميائية، توضع الأرقام قبل الصيغ كما فعلت لذرة الفضة، وهو ما يعرف بالمعامل ويجب ألا تغير الأرقام السفلية المكتوبة عن يمين الذرات في صيغة المركب الكيميائية؛ فتغييرها يغير نوع المركب.

الطاقة في التفاعلات الكيميائية:

غالبا ما يصاحب التفاعلات الكيميائية تحرر (طرد) طاقة أو امتصاصها؛ في الطاقة الصادرة من شعلة اللحام - كما في الشكل ٦ - تتحرر عند اتحاد الهيدروجين والأكسجين لإنتاج الماء.

2H2 + O2 → 2H2O + طاقة

تحرر الطاقة:

 من أين تأتي هذه الطاقة؟ للإجابة عن هذا التساؤل، فكر في الروابط الكيميائية التي يتم كسرها أو تكونها عندما تكسب الذرات الإلكترونات أو تفقدها أو تتشارك بها. وفي مثل هذه التفاعلات تتكسر الروابط في المتفاعلات لتنشأ روابط جديدة في النواتج. وفي التفاعلات التي تحرر طاقة تكون النواتج أكثر استقرارًا، كما تكون روابطها طاقة أقل من المتفاعلات، وتتحرر الطاقة الزائدة في أشكال مختلفة، منها الضوء والصوت والطاقة الحرارية.

هناك الكثير من أنواع التفاعلات التي تحرر طاقة حرارية، في الاحتراق مثلا تفاعل طارد للحرارة، حيث تتحد المادة مع الأكسجين لإنتاج طاقة حرارية، بالإضافة إلى ضوء وثاني أكسيد الكربون وماء.

إلى أتي أنواع التفاعلات الكيميائية ينتمي الاحتراق؟

 تحرير سريع:

 تتحرر الطاقة سريعا في بعض الأحيان، ففي ولاعة الفحم النباتي مثلا يتحد السائل مع أكسجين الهواء الجوي، وينتج طاقة حرارية كافية لإشعال الفحم النباتي في دقائق معدودة.

تحرير بطيء:

 هناك مواد أخرى تتحد مع الأكسجين أيضًا، ولكنها تطلق طاقة حرارية ببطء، بحيث لا يمكننا رؤيتها أو حتى الإحساس بها، فمثلاً عندما يتحد الحديد مع الأكسجين في الهواء الجوي ليكون الصدأ يطلق طاقة حرارية بشكل بطيء. ويمكن استخدام الإطلاق البطيء للحرارة في الكمادات الحارة التي تستخدم في تدفئة بعض أجزاء الجسم لعدة ساعات. ويوضح الشكل ٧ الفرق بين التحرير السريع للطاقة الحرارية والتحرير البطيء.

امتصاص الطاقة:

 ولكن ماذا يحدث عند عكس التفاعل ؟ في التفاعلات التي يتم فيها امتصاص الطاقة تكون المتفاعلات أكثر استقرارا من النواتج، ويكون للروابط التي بينها طاقة أقل من طاقة الروابط التي بين النواتج.

2H2O+طاقة →2H2 +O2

وتلاحظ في التفاعل أعلاه أن الطاقة الإضافية المطلوب تزويد المتفاعلات بها لتكوين النواتج يمكن أن تكون في صورة كهرباء، كما في الشكل 8 للطاقة ( المتحررة أو الممتصة) المصاحبة للتفاعلات الكيميائية أشكال متعددة؛ فمنها الطاقة الكهربائية والضوئية والصوتية والحرارية. وعندما تفقد أو تكتسب طاقة حرارية في التفاعلات تستخدم مصطلحات معينة للدلالة عليها، منها تفاعل ماض للحرارة Endothermic تمتص خلاله الطاقة الحرارية، أو تفاعل طارد  للحرارة Exothermic تحرر خلاله الطاقة الحرارية. إن كلمة (therm) تعني حرارة، ومنها الترمس (Thermos) حافظة الحرارة، ومقياس الحرارة الترمومتر(Thermometer) تحتاج بعض التفاعلات الكيميائية وبعض العمليات الفيزيائية إلى طاقة حرارية قبل حدوثها. وتعد الكمادات الباردة التي توضع على مكان الألم مثالا على العمليات الفيزيائية الماصة للحرارة، كما هو موضح في الشكل 9 يوجد داخل هذه الكمادات ماء تغمر فيه حافظة تحوي مادة نترات الأمونيوم، وعند تهشم هذه الحافظة تذوب نترات الأمونيوم في الماء، مما يؤدي إلى امتصاص حرارة من البيئة المحيطة (الهواء أو جلد

الشخص المصاب) بعد وضع الكمادة على مكان الإصابة.

الطاقة في المعادلة الكيميائية:

 تكتب كلمة (طاقة) في المعادلة الكيميائية مع المتفاعلات أو النواتج. فإذا كتبت كلمة طاقة مع المواد المتفاعلة دل ذلك. على أنها مكون ضروري في حدوث التفاعل؛ فنحن نحتاج إلى الطاقة الكهربائية على سبيل المثال لكسر جزيئات الماء إلى هيدروجين وأكسجين. لذا من المهم أن تعرف أن الطاقة ضرورية لحدوث هذا التفاعل. كما تكتب في المعادلات الكيميائية الطاردة للحرارة كلمة (طاقة) مع النواتج لتدل على تحرر الطاقة. وتضاف كلمة (طاقة) مثلاً في التفاعل الذي يحدث بين الأكسجين والميثان عند اشتعال لهب الموقد، كما هو موضح في الشكل ١٠.

الختام:

1.       ندرك أهمية فهم التفاعلات الكيميائية في حياتنا اليومية. إن القدرة على التمييز بين التغيرات الفيزيائية والتغيرات الكيميائية تمكننا من فهم كيفية حدوث التفاعلات وتشكيل المواد الجديدة.

2.       من خلال المفاهيم المطروحة حول المعادلات الكيميائية واستخدام الأسماء الكيميائية والصيغ، نكتسب لمحة أعمق حول كيفية تحويل المتفاعلات إلى منتجات جديدة.

3.       قانون حفظ الكتلة يظهر لنا أن لا شيء يفنى ولا يستحدث في العمليات الكيميائية، بل يحدث ترتيب وتغيير في توزيع الذرات. هذا التفهم يساعدنا على تفسير الظواهر المعتادة والتغيرات التي نشهدها في حياتنا.

قم بالتجربةبنفسك من خلال منصة ڤلابي لمعامل العلوم الافتراضية

إذا أردت معرفة وقراءة المزيد عن التجربة والإستنتاج اضغط هنا.