المادة المحددة للتفاعل

5-5

المادة المحددة للتفاعل

Limiting Reactants

الأهداف

• تحدد المادة المحددة للتفاعل في معادلة كيميائية.
• تعرف المادة الفائضة، وتحسب كمية المتبقي منها عند انتهاء التفاعل.
• تحسب كتلة الناتج عندما تعطى كتلاً لأكثر من مادة متفاعلة.

مراجعة المفردات

الكتلة المولية: كتلة مول واحد من أي مادة بالجرام.

المفردات الجديدة

• المادة المحددة للتفاعل.
• المواد الفائضة.

الفكرة الرئيسية

يتوقف التفاعل الكيميائي عندما تُستنفد أي من المواد المتفاعلة تمامًا.

الربط مع الحياة

إذا كان عدد الطلاب الراغبين في الجلوس أكبر من عدد المقاعد فإن عددًا من الطلاب سيبقى واقفًا، وهذا الموقف يشبه المواد المتفاعلة؛ إذ لا تشترك المواد الفائضة في التفاعل.

---

لماذا تتوقف التفاعلات؟

Why do reactions stop?

نادرًا ما توجد المواد المتفاعلة في الطبيعة بالنسبة التي تحددها معادلة التفاعل الموزونة. وعادة ما تكون واحدة أو أكثر من المواد فائضة. ويستمر التفاعل إلى أن يتم استنفاد إحدى المواد، فإذا لم تتوافر جميعها فإن التفاعل لا يكتمل، إذ تكون إحدى المواد أو أكثر فائضة، في حين تكون مادة واحدة محددة للتفاعل. لذا فإن كمية المواد الناتجة تعتمد على كمية المادة المحددة للتفاعل.

المواد المحددة للتفاعل والمواد الفائضة

بالرجوع إلى التجربة الاستهلالية صفحة 161، وعند إضافة المزيد من كبريتيد الصوديوم الهيدروجيني إلى المحلول الشفاف الذي لم يكون قد لاحظ أنه يتغير، وذلك لعدم وجود برمنجنات بوتاسيوم للتفاعل معه. لذا فإن برمنجنات البوتاسيوم مادة محددة للتفاعل، والمادة المحددة للتفاعل هي المادة التي تُستهلك كليًا في التفاعل وتحدد كمية المادة الناتجة.

لذلك تبقى كميات من المواد المتفاعلة الأخرى بعد توقف التفاعل بدون استهلاك، وتسمى هذه المواد المتبقية المواد الفائضة.

ولمساعدتك على فهم المواد المحددة للتفاعل والفائضة، انظر الشكل 5-11. يمكننا بناءً على المواد المتوافرة تكوين أربع مجموعات تتألف من كماشة ومطرقة ومفكين، وقد حدد عدد المجموعات بناءً على عدد المطارق، لذا تبقى الكماشات والمفكات فائضة.

الشكل 5-11

الصورة التابعة: صفحة187_الشكل_5_11_تكوين_مجموعات_الأدوات_وتوضيح_المادة_المحددة.png

يجب أن تحتوي كل مجموعة على مطرقة، لذا يمكن تشكيل أربع مجموعات.

سؤال الشكل

فسر كم مطرقة يتطلب إكمال المجموعة الخامسة؟

---

الشكل 5-12

الصورة التابعة: صفحة188_الشكل_5_12_تفاعل_النيتروجين_والهيدروجين_والمادة_الفائضة.png

قبل التفاعل:

3 molecules N₂
6 atoms N

*

3 molecules H₂
6 atoms H

بعد التفاعل:

2 molecules NH₃
2 atoms N, 6 atoms H

*

2 molecules N₂
4 atoms N

نص الشكل:

إذا أمعنت النظر في الذرات الموجودة قبل التفاعل وبعده ستجد أن بعض جزيئات النيتروجين لم تتغير، وتسمى هذه الجزيئات المادة الفائضة.

---

تعرف المادة المحددة للتفاعل

تثبت الحسابات التي أجريتها في الأمثلة السابقة على وجود المواد المتفاعلة بالنسبة التي تحددها معادلة التفاعل الموزونة. وعندما لا تكون المواد المتفاعلة على هذا النحو فإن هناك مادة محددة للتفاعل أولًا. ولتطبيق ذلك في التفاعل في الشكل 5-12، الذي يصف تفاعل ثلاثة جزيئات من النيتروجين N₂ مع ثلاثة جزيئات من الهيدروجين H₂ لتكوين غاز الأمونيا NH₃.

إذ تتحلل جزيئات النيتروجين والهيدروجين في بداية التفاعل إلى ذرات منفصلة تتفاعل معًا لتكوين جزيئات الأمونيا، كما هو الحال في مثال الأدوات في الشكل 5-11.

ما عدد جزيئات الأمونيا المتكونة؟ يمكن تكوين جزيئين من الأمونيا، وذلك بسبب وجود ست ذرات هيدروجين؛ ترتبط كل ثلاث منها مع ذرة نيتروجين. ولذا يُعد الهيدروجين مادة محددة للتفاعل، في حين يعد النيتروجين مادة فائضة. لذا من المهم دومًا معرفة المادة المحددة للتفاعل والمادة الفائضة؛ لأن كمية المادة الناتجة تعتمد على ذلك.

ماذا قرأت؟

توقع ما عدد جزيئات هيدروجين التي تلزم للتفاعل مع جزيئات النيتروجين الفائضة في الشكل 5-12؟

---

حساب الناتج بناءً على المادة المحددة للتفاعل

Calculating the Product when a Reactant is Limiting

كيف يمكنك حساب كمية الناتج عندما تكون إحدى المواد محددة للتفاعل؟ لنأخذ مثالًا على ذلك مركب ثنائي كلوريد ثنائي الكبريت الذي يستخدم في صناعة مطاط عملية المطاط. يظهر الشكل 5-13 كيف تجعل إضافة الكبريت المطاط الطبيعي أصلب كالذي يستعمل في الإطارات الكبيرة، حيث يحضر هذا المركب بتفاعل مصهور الكبريت مع غاز الكلور حسب المعادلة:

S₈(l) + 4Cl₂(g) → 4S₂Cl₂(l)

ما مقدار ثنائي كلوريد ثنائي الكبريت الناتج عن تفاعل 200.0 g من مصهور الكبريت مع 100.0 g من غاز الكلور؟

الشكل 5-13

الصورة التابعة: صفحة188_الشكل_5_13_العجلة_المصنوعة_من_المطاط_الطبيعي.png

المطاط الطبيعي لين ولزج؛ لذا يعالج بالكبريت لتصليبه عن طريق ترابط الجزيئات، وقد أنشئت عملية المعالجة هذه مكونة مادة ناعمة صلبة صالحة للعديد من المنتجات المختلفة من المطاط الطبيعي مادة مثالية لصناعة بعض الأدوات، ومنها العجلة الظاهرة في الصورة.

---

حساب المادة المحددة للتفاعل

لقد أعطيت كتلتي المادتين المتفاعلتين؛ لذا عليك أن تعرف أيهما المادة المحددة للتفاعل، لأن التفاعل سيتوقف عندما تستهلك المادة تمامًا.

مولات المواد المتفاعلة

يتطلب تعرف المادة المحددة للتفاعل إجراء عدد مولات كل من المواد المتفاعلة، وذلك بتحويل كل المواد إلى مولات. ويمكنك تحويل كتلة كل من الكلور والكبريت إلى مولات، بضرب كتلة كل مادة في عامل تحويل يساوي معكوس الكتلة المولية لكل منها.

100.0 g Cl₂ × 1 mol Cl₂ / 70.91 g Cl₂ = 1.410 mol Cl₂

200.0 g S₈ × 1 mol S₈ / 256.5 g S₈ = 0.7797 mol S₈

استعمال نسب المولات

تتطلب الخطوة الآتية تحديد النسبة المولية الصحيحة التي تربط بين المادتين، كما أعطيت في المعادلة الموزونة. تبين المعاملات في المعادلة الموزونة أن 4 mol من Cl₂ ترتبط مع 1 mol من S₈، أي أن النسبة بينها:

4 : 1

وتتطلب تحديد النسبة الصحيحة المقارنة بين النسبة 4 : 1 والنسب المولية الفعلية للمواد المتفاعلة. ولإجراء ذلك تقسم عدد مولات الكلور الفعلية على مولات الكبريت الفعلية أيضًا:

1.410 mol Cl₂ / 0.7797 mol S₈ = 1.808 mol Cl₂ / 1 mol S₈

تظهر الحسابات أن النسبة هي:

1.808 mol من Cl₂ لكل 1 mol من S₈

بدلًا من:

4 mol من Cl₂ لكل 1 mol من S₈

كما تظهر المعادلة. لذلك يكون الكلور هو المادة المحددة للتفاعل.

حساب كمية الناتج المتكون

يمكنك بعد حساب مولات المادة المحددة للتفاعل أن تحسب مولات الناتج من خلال النسبة المولية لهذا التفاعل. اضرب عدد مولات المادة المحددة للتفاعل، 1.410 mol، في نسبة مولات ثنائي كلوريد ثنائي الكبريت إلى مولات الكلور، ثم تحول مولات S₂Cl₂ إلى جرامات، وذلك بضرب عدد المولات في كتلتها المولية كما هو مبين أدناه:

1.410 mol Cl₂ × 4 mol S₂Cl₂ / 4 mol Cl₂ × 135.0 g S₂Cl₂ / 1 mol S₂Cl₂ = 190.4 g S₂Cl₂

وهنا يعني تكون 190.4 g من S₂Cl₂ عند تفاعل 1.410 mol من Cl₂ مع كمية فائضة من S₈.

المادة الفائضة

بعد أن حددت المادة المحددة للتفاعل وكمية الناتج المتكون، قد ترغب في معرفة ما حدث للمادة الفائضة، والكمية التي تفاعلت من الكبريت.

المولات المتفاعلة

عليك تحويل المولات إلى كتلة لمعرفة كتلة الكبريت التي تلزم لتتم التفاعل تمامًا مع 1.410 mol من Cl₂. لذا ابدأ أولًا بحساب مولات الكبريت بضرب مولات الكلور بالنسبة المولية Cl₂ / S₈.

1.410 mol Cl₂ × 1 mol S₈ / 4 mol Cl₂ = 0.3525 mol S₈

الكتلة المتفاعلة

ثم اضرب 0.3525 mol من S₈ في الكتلة المولية لـ S₈:

0.3525 mol S₈ × 256.52 g S₈ / 1 mol S₈ = 90.423 g S₈

الكمية الفائضة

يمكن حساب الكمية المتبقية بعد التفاعل من S₈ بطرح كتلة المادة المتفاعلة من كتلة المادة الداخلة في التفاعل:

الكمية الفائضة = كتلة المادة - الكمية التي تفاعلت

200.0 g S₈ - 90.423 g S₈ = 109.57 g S₈

---

مهن في الكيمياء

الصيدلي

الصورة التابعة: صفحة189_مهن_في_الكيمياء_الصيدلي.png

الصيدلي: إن معرفة تركيب الدواء وكيفية استعماله والتعليمات الخاصة المحتملة عن استعماله تجعل الصيدلي قادرًا على نصح المريض وإرشاده. كما يقوم الصيدلي بمزج المواد الكيميائية الصناعية السائلة والحبوب والأقراص والدهون والمحاليل.

مفردات

الاستعمال العلمي والاستعمال الشائع

الصورة التابعة: صفحة189_مفردات_الناتج_والاستعمال_العلمي_والشائع.png

الناتج

الاستعمال العلمي: مادة جديدة تتكون في أثناء التفاعل الكيميائي.
مثال: كان الناتج الوحيد عن التفاعل غازًا عديم اللون.

الاستعمال الشائع: شيء ينتج عند قسمة عددين أحدهما على الآخر.

---

مثال 5-10

المادة المحددة للتفاعل

يتفاعل الفوسفور الصلب الأبيض P₄ مع الأكسجين لتكوين مركب صلب يسمى عاشر أكسيد رباعي الفوسفور P₄O₁₀، ويطلق على هذا المركب أحيانًا اسم خامس أكسيد ثنائي الفوسفور؛ لأن صيغته الأولية هي P₂O₅.

a. احسب كتلة P₄O₁₀ الناتجة عن تفاعل 25.0 g من الفوسفور مع 50.0 g من الأكسجين.

b. ما مقدار المادة الفائضة بعد انتهاء التفاعل؟

1. تحليل المسألة

بما أن لديك كتلتي المادتين المتفاعلتين، لذا يمكنك تعرف المادة المحددة للتفاعل، ثم حساب كتلة الناتج. ويمكن معرفة مولات المادة الفائضة التي لم تتفاعل، ثم تحويل هذه الكتلة إلى كتلة، ثم طرح هذه الكتلة من الكتلة المتوافرة قبل بدء التفاعل.

المعطيات

كتلة الفوسفور = 25.0 g
كتلة الأكسجين = 50.0 g

المطلوب

كتلة عاشر أكسيد رباعي الفوسفور P₄O₁₀ = ؟ g
كتلة المادة الفائضة = ؟ g

2. حساب المطلوب

حساب المادة المحددة للتفاعل

اكتب المعادلة الموزونة، وحدد المعطيات والمطلوب:

P₄(s) + 5O₂(g) → P₄O₁₀(s)

احسب عدد مولات المواد المتفاعلة بضرب كتلة كل منها في عامل التحويل الذي يربط عدد المولات مع الكتلة، معكوس الكتلة المولية لكل منها:

25.0 g P₄ × 1 mol P₄ / 123.9 g P₄ = 0.202 mol P₄

50.0 g O₂ × 1 mol O₂ / 32.00 g O₂ = 1.56 mol O₂

احسب النسبة المولية الفعلية لمولات O₂ إلى مولات P₄:

1.56 mol O₂ / 0.202 mol P₄ = 7.72 mol O₂ / 1 mol P₄

حدد النسبة المولية للمواد المتفاعلة من المعادلة الموزونة:

5 mol O₂ / 1 mol P₄

وبما أنه يتوافر 7.72 mol من الأكسجين، في حين أن التفاعل يحتاج إلى 5 mol من الأكسجين لتتفاعل مع 1 mol من P₄، فالأكسجين هو المادة الفائضة، ويكون P₄ هو المادة المحددة للتفاعل.

احسب مولات الناتج P₄O₁₀ باستعمال مولات P₄؛ لأنها المادة المحددة للتفاعل:

0.202 mol P₄ × 1 mol P₄O₁₀ / 1 mol P₄ = 0.202 mol P₄O₁₀

---

ولحساب كتلة P₄O₁₀ نضرب مولات P₄O₁₀ في عامل التحويل الذي يربط الكتلة بالمولات:

0.202 mol P₄O₁₀ × 283.9 g P₄O₁₀ / 1 mol P₄O₁₀ = 57.3 g P₄O₁₀

وبما أن O₂ هو المادة الفائضة فإن جزءًا منه فقط يتفاعل. لذا استعمل المادة المحددة للتفاعل P₄ لحساب عدد مولات O₂ الداخلة في التفاعل وكتلته:

0.202 mol P₄ × 5 mol O₂ / 1 mol P₄ = 1.01 mol O₂

1.01 mol O₂ × 32.0 g O₂ / 1 mol O₂ = 32.3 g O₂

احسب كمية O₂ الفائضة:

50.0 g O₂ - 32.3 g O₂ = 17.7 g O₂

3. تقويم الإجابة

أعطيت جميع القيم بثلاث أرقام معنوية، وكذلك أعطيت قيمة P₄O₁₀. وينطبق ذلك على جميع الحسابات والأرقام الداخلة في المسألة. حسبت كتلة الأكسجين الفائضة 17.7 g بطرح رقمين في كل منهما منزلة عشرية واحدة، لذا فإن الكتلة الفائضة من الأكسجين صحيحة؛ لأنها تحتوي على منزلة عشرية واحدة.

---

مسائل تدريبية

• يتفاعل الصوديوم مع أكسيد الحديد III وفق المعادلة الكيميائية:

6Na(s) + Fe₂O₃(s) → 3Na₂O(s) + 2Fe(s)

إذا تفاعل 100 g من Na مع 100.0 g من Fe₂O₃، فاحسب كلًا مما يأتي:

a. المادة المحددة للتفاعل.
b. المادة الفائضة.
c. كتلة الحديد الناتجة.
d. كتلة المادة الفائضة المتبقية بعد انتهاء التفاعل.

• تحفيز: يستعمل تفاعل البناء الضوئي في النبات ثاني أكسيد الكربون والماء لإنتاج السكر C₆H₁₂O₆ وغاز الأكسجين.

فإذا توافرت لنبتة ما 88.0 g من ثاني أكسيد الكربون و64.0 g من الماء للقيام بعملية البناء الضوئي:

a. اكتب معادلة التفاعل الموزونة.
b. حدد المادة المحددة للتفاعل.
c. حدد المادة الفائضة.
d. واحسب كتلة المادة الفائضة.
e. واحسب كتلة السكر الناتج.

---

الشكل 5-14

الصورة التابعة: صفحة192_الشكل_5_14_تأثير_توفر_الأكسجين_في_احتراق_الميثان.png

عندما لا يتوافر الأكسجين بكميات كافية، يشتعل لهب بخار بنزين أبيض أصفر مائي بالسناج، كما يظهر الشكل الأيمن. أما إذا توافرت كميات كافية فيشتعل موقد بنزن لهب أزرق شديد الحرارة، خالٍ من السناج، كما في الشكل الأيسر.

---

لماذا تستخدم فائضًا من مادة متفاعلة؟

يتوقف كثير من التفاعلات عن الحدوث على الرغم من بقاء جزء من المواد المتفاعلة في خليط التفاعل. وقد يؤدي ذلك إلى هدر المواد الأولية. لذا وجد الكيميائيون أن استخدام مادة واحدة مادة محددة للتفاعل فائضة في هذا التفاعل قد يفيد التفاعل لاستمرار إحدى مادتي التفاعل المحددة للتفاعل تمامًا، كما أن ذلك يزيد من سرعة التفاعل الكيميائي.

يبين الشكل 5-14 كيف يؤدي التحكم في المادة المتفاعلة إلى زيادة فاعلية التفاعل. وكما تعلم فإن موقد بنزن يستعمل في المختبرات المدرسية، ويمكن التحكم في كمية الهواء الممزوجة بالغاز عن طريق فتحات الهواء الخاصة بذلك، مما يساعد على تعديل كمية الأكسجين المطلوب توافرها لاحتراق البنزين.

وعند ضبط كمية الهواء على نسبة غاز الأكسجين وتمكين اللهب من التصحيح، فإن ذلك يؤدي إلى زيادة كفاءة احتراق الوقود؛ كما تكون كمية الهواء محدودة تكون اللهب أصفر بسبب عدم احتراق جزء من الغاز، مما يؤدي إلى تراكم السناج، الكربون، على الأدوات الزجاجية، فينتج عن ذلك هدر في استعمال الوقود؛ لأن الطاقة الناتجة أقل من الطاقة التي يمكن الحصول عليها.

وعند توافر الأكسجين بكميات فائضة يحترق المزيج منتجًا لهبًا حارًا في صورة لهب أزرق باهت، ولكن لا يتكون السناج بسبب احتراق الوقود تمامًا.

الربط مع الصحة

تحتاج أجسامنا إلى المغذيات، ومنها الفيتامينات والأملاح المعدنية والعناصر بكميات قليلة للمساعدة على حدوث التفاعلات الأيضية بشكل سليم وميسّر.

ويؤدي نقص هذه المواد إلى إعاقات في النمو، وخلل في وظائف خلايا الجسم.

فالفسفور، على سبيل المثال، ضروري لجهاز العمل الحيوية، كما توجد مجموعة الفوسفات في المادة الوراثية DNA. ويحتاج الجسم إلى البوتاسيوم ليؤدي كل من الأعصاب وضغط الدم والعضلات عملها بصورة صحيحة.

فإذا احتوت الوجبات الغذائية على كميات كبيرة من الصوديوم وكميات أقل من البوتاسيوم من الممكن ذلك أن يؤدي إلى ارتفاع ضغط الدم.

ولا يستطيع الجسم دون وجود فيتامين B-12 تكوين المادة الوراثية DNA على نحو صحيح، مما يؤثر في إنتاج خلايا كرات الدم الحمراء.

---

التقويم 5-5

الخلاصة

الخلاصة

• المادة المحددة للتفاعل هي المادة التي تستهلك تمامًا في أثناء التفاعل الكيميائي. أما المادة التي لم تستهلك جميعها وتبقى بعد انتهاء التفاعل فتسمى المادة الفائضة.
• ينبغي تحديد المادة المحددة للتفاعل قبل تحديد القيمة الفعلية للمواد المتفاعلة والناتجة بالنسبة المولية لمعاملات المعادلة الموزونة.
• تعتمد الحسابات الكيميائية على المادة المحددة للتفاعل.

أسئلة التقويم 5-5

• الفكرة الرئيسية: صف لماذا يتوقف التفاعل بين مادتين؟

• حدد المادة المحددة للتفاعل والمادة الفائضة في كل من التفاعلات الآتية:

a. احتراق الخشب.
b. تفاعل كبريت الهواء مع ملعقة من الفضة لتكوين كبريتيد الفضة.
c. تحلل صودا الخبز في العجين لإنتاج ثاني أكسيد الكربون.

• حلل: يستخدم ثالث كبريتيد رابع الفوسفور P₄S₃ في صناعة بعض أنواع أعواد الثقاب. ويحضّر هذا المركب بالتفاعل:

8P₄ + 3S₈ → 8P₄S₃

حدد أي الجمل الآتية غير صحيحة، وأعد كتابتها لتصبح صحيحة:

a. يتفاعل 4 mol من P₄ مع 1.5 mol من S₈ لتكوين 4 mol من P₄S₃.
b. عندما يتفاعل 4 mol من P₄ مع 4 mol من S₈ يكون الكبريت هو المادة المحددة للتفاعل.
c. يتفاعل 6 mol من P₄ مع 6 mol من S₈ لتكوين 1320 g من P₄S₃.