الدرس الأول: تفاعلات الفلزات
المتوسط - الصف التاسع
الفكرة الرئيسية للدرس
تتفاوت الفلزات في سرعة تفاعلها مع كل من:
- غاز الأكسجين (O₂)
- الماء (H₂O)
- حمض الهيدروكلوريك المخفف (HCl)
ويُعبَّر عن هذه التفاعلات بمعادلات كيميائية موزونة.
نشاط الفلز (Metal Reactivity)
هو قدرة الفلز على فقد الإلكترونات وتكوين أيونه الموجب. كلما زادت سهولة فقد الإلكترونات، زاد نشاط الفلز.
أكسيد الفلز (Metal Oxide)
مركب كيميائي ينتج من تفاعل الفلز مع غاز الأكسجين.
الملح (Salt)
مركب أيوني ينتج من تفاعل الحمض مع قاعدة أو مع فلز. في هذا الدرس، ناتج تفاعل الفلز مع حمض الهيدروكلوريك هو ملح كلوريد الفلز.
السبائك (Alloys)
خليط من فلز وعناصر أخرى (قد تكون فلزات أو لا فلزات) لتحسين خصائصه، مثل سبيكة الفولاذ المقاوم للصدأ.
أولاً: تفاعل الفلزات مع غاز الأكسجين (O₂)
تتفاعل معظم الفلزات مع أكسجين الهواء لتكوين طبقة صلبة على سطحها تسمى أكسيد الفلز. تختلف سرعة هذا التفاعل من فلز لآخر.
المعادلة العامة:
فلز + أكسجين ← أكسيد الفلز
1. الفلزات القلوية (المجموعة 1): شديدة النشاط
الصوديوم (Na): عند قطعه بسكين، يتحول لونه من الرمادي اللامع إلى الرمادي الباهت خلال ثوانٍ.
(أكسيد الصوديوم)
2. الفلزات القلوية الأرضية (المجموعة 2): نشطة ولكن بسرعة أقل
الكالسيوم (Ca): يتفاعل مع الأكسجين خلال دقائق.
(أكسيد الكالسيوم)
المغنيسيوم (Mg): يحترق بلهب أبيض مبهر عند تسخينه في الهواء مكونًا رمادًا أبيض من أكسيد المغنيسيوم.
3. فلزات أخرى
- الألمنيوم (Al): يتفاعل ببطء في البداية مكونًا طبقة رقيقة ومتماسكة من أكسيد الألمنيوم (Al₂O₃) تحميه من المزيد من التفاعل. لهذا نستخدم أواني الألمنيوم في الطهي.
- الحديد (Fe): يتفاعل ببطء مع أكسجين الهواء الرطب مكونًا الصدأ (أكسيد الحديد المائي) وهو طبقة بنية هشة لا تحمي الحديد.
محاكاة تفاعل الفلزات مع الأكسجين
الملاحظات:
يفقد بريقه بسرعة كبيرة عند تعرضه للهواء.
المعادلة الكيميائية
ملاحظات هامة:
- الفلزات الأكثر نشاطًا (مثل الصوديوم) تفقد بريقها بسرعة.
- الفلزات قليلة النشاط (مثل الذهب والفضة) تحافظ على بريقها لآلاف السنين.
- ظاهرة الزنجار (Patina): هو تفاعل النحاس مع الأكسجين وثاني أكسيد الكربون والرطوبة مكونًا طبقة خضراء من كربونات النحاس القاعدية، وهي تحمي النحاس من التآكل، ولكنها سامة.
ثانياً: تفاعل الفلزات مع الماء (H₂O)
لا تتفاعل جميع الفلزات مع الماء. التفاعل يحدث بشكل واضح مع الفلزات شديدة النشاط.
المعادلة العامة:
فلز + ماء ← هيدروكسيد الفلز + غاز الهيدروجين + حرارة
1. الفلزات القلوية (مع الماء البارد): تتفاعل بعنف
- الليثيوم (Li): يتفاعل بسرعة.
- الصوديوم (Na): يتفاعل بسرعة أكبر من الليثيوم، ويشتعل أحيانًا.
- البوتاسيوم (K): يتفاعل بعنف شديد، وتصل الحرارة إلى درجة اشتعال غاز الهيدروجين الناتج بفرقعة.
(هيدروكسيد البوتاسيوم)
2. الفلزات القلوية الأرضية
الكالسيوم (Ca): يتفاعل مع الماء البارد بوضوح، وتتصاعد فقاعات غاز الهيدروجين.
المغنيسيوم (Mg): يكاد لا يتفاعل مع الماء البارد، ولكن التفاعل يزداد مع الماء الساخن أو البخار.
3. فلزات أخرى
الألمنيوم، الحديد، الخارصين، والنحاس لا تتفاعل مع الماء البارد (أو تتفاعل ببطء شديد جدًا لا يُلاحظ).
محاكاة تفاعل الفلزات مع الماء
الملاحظات:
تفاعل عنيف جداً مع فرقعة ولهب بنفسجي.
المعادلة الكيميائية
ثالثاً: تفاعل الفلزات مع حمض الهيدروكلوريك المخفف (HCl)
يُعتبر هذا التفاعل اختبارًا جيدًا لمقارنة نشاط الفلزات. الفلزات النشطة تتفاعل بينما غير النشطة لا تتفاعل.
المعادلة العامة:
فلز + حمض الهيدروكلوريك ← كلوريد الفلز + غاز الهيدروجين
| الفلز | الملاحظات | المعادلة الكيميائية |
|---|---|---|
| المغنيسيوم (Mg) | تفاعل سريع جدًا، فقاعات غزيرة، يختفي الفلز. | Mg(s) + 2HCl(aq) → MgCl₂(aq) + H₂(g) |
| الألمنيوم (Al) | سريع (قد يتأخر بسبب طبقة الأكسيد). | 2Al(s) + 6HCl(aq) → 2AlCl₃(aq) + 3H₂(g) |
| الخارصين (Zn) | تفاعل متوسط السرعة. | Zn(s) + 2HCl(aq) → ZnCl₂(aq) + H₂(g) |
| الحديد (Fe) | تفاعل بطيء، فقاعات قليلة. | Fe(s) + 2HCl(aq) → FeCl₂(aq) + H₂(g) |
| الرصاص (Pb) | تفاعل بطيء جدًا. | - |
| النحاس (Cu)، الفضة (Ag)، الذهب (Au) | لا تتفاعل. | - |
محاكاة تفاعل الفلزات مع حمض HCl
الملاحظات:
تفاعل سريع جداً، فوران شديد واختفاء الفلز.
المعادلة الكيميائية
ملخص التفاعلات
| الفلز | الرمز | التفاعل مع الماء البارد | التفاعل مع حمض HCl المخفف |
|---|---|---|---|
| بوتاسيوم | K | عنيف جداً (فرقعة) | سريع جداً |
| صوديوم | Na | سريع | سريع |
| كالسيوم | Ca | سريع (فقاعات) | سريع |
| مغنيسيوم | Mg | بطيء جداً | سريع جداً |
| ألمنيوم | Al | لا يتفاعل | سريع |
| خارصين | Zn | لا يتفاعل | متوسط |
| حديد | Fe | لا يتفاعل | بطيء |
| رصاص | Pb | لا يتفاعل | بطيء جداً |
| نحاس | Cu | لا يتفاعل | لا يتفاعل |
| فضة | Ag | لا يتفاعل | لا يتفاعل |
رابط بالصناعة: إعادة تدوير الألمنيوم
عملية استخراج الألمنيوم من خام البوكسيت مكلفة جداً، لذا فإن إعادة تدوير علب المشروبات الغازية توفر الطاقة وتحافظ على البيئة. تتم إعادة التدوير بخطوات: الجمع، التقطيع، التنظيف، الصهر، ثم إعادة التشكيل.
رابط بالحياة: البلاتين
البلاتين فلز ثمين، أبيض لامع، لا يتفاعل مع الماء أو الهواء. يستخدم في صناعة الحلي، وفي المجال الطبي لصناعة حشوات الأسنان، والأجهزة المنظمة لضربات القلب، والبراغي المستخدمة في تثبيت العظام.
رابعاً: السبائك (Alloys)
نادرًا ما تُستخدم الفلزات في حالتها النقية في الصناعة، بل يتم خلطها مع عناصر أخرى لتحسين صفاتها.
تعريف السبيكة
هي خليط من فلز وعنصر آخر أو أكثر (قد تكون فلزات أو لا فلزات) يتم صهرها معًا ثم تبريدها. الهدف من تكوين السبائك هو الحصول على صفات جديدة مرغوبة لا تتوفر في الفلز النقي، مثل زيادة الصلابة، مقاومة التآكل، أو تغيير درجة الانصهار.
الفولاذ المقاوم للصدأ (Stainless Steel)
المكونات: حديد + كربون + كروم + نيكل.
مقاوم للصدأ، صلب، ولامع. يُستخدم في أدوات المائدة والأدوات الجراحية.
البرونز (Bronze)
المكونات: نحاس + قصدير.
أكثر صلابة من النحاس النقي، ومقاوم للتآكل. يُستخدم في التماثيل والميداليات.
النحاس الأصفر (Brass)
المكونات: نحاس + خارصين.
لونه ذهبي لامع، سهل التشكيل، وله رنين جيد. يُستخدم في الآلات الموسيقية والمقابض.
الديورالومين (Duralumin)
المكونات: ألمنيوم + نحاس + مغنيسيوم + منغنيز.
خفيف الوزن جدًا وصلب. يُستخدم في هياكل الطائرات.
ملخص الدرس
- تتفاعل الفلزات مع الأكسجين لتكوين أكاسيد فلزية.
- تتفاعل الفلزات مع الماء لتكوين هيدروكسيد الفلز وغاز الهيدروجين.
- تتفاعل الفلزات مع حمض الهيدروكلوريك لتكوين ملح كلوريد الفلز وغاز الهيدروجين.
- سرعة التفاعل تختلف حسب نشاط الفلز. البوتاسيوم والصوديوم من أكثرها نشاطًا، بينما الذهب والفضة من أقلها.
- بعض التفاعلات (مثل تفاعل الألمنيوم مع الحمض) هي أمثلة على تفاعلات الإحلال، حيث يحل الفلز محل الهيدروجين في الحمض.