الدرس الثاني: سلسلة النشاط الكيميائي وتأكل الفلزات
المتوسط - الصف التاسع
الدرس الثاني: سلسلة النشاط الكيميائي وتآكل الفلزات
الفكرة الرئيسية للدرس
رُتِّبت الفلزات وفقًا لسرعة تفاعلها مع الهواء والماء وحمض الهيدروكلوريك في سلسلة النشاط الكيميائي، التي يمكن الاستفادة منها في:
- التنبؤ بحدوث التفاعلات.
- معرفة قابلية الفلزات للتآكل.
- فهم كيفية استخلاص الفلزات من خاماتها.
سلسلة النشاط الكيميائي
ترتيب الفلزات من الأكثر نشاطًا إلى الأقل نشاطًا بناءً على سرعة تفاعلاتها.
تفاعل الإحلال
تفاعل يحل فيه فلز نشط محل فلز أقل نشاطًا في محلول أحد أملاحه.
تآكل الفلز
تفاعل الفلز مع الهواء الجوي والمواد المحيطة به، مما يؤدي إلى تحوله إلى مواد أكثر ثباتًا (مثل الأكاسيد) وفقدان خصائصه.
صدأ الحديد
طبقة بنية هشة من أكسيد الحديد المائي (Fe₂O₃·nH₂O) تتكون على سطح الحديد نتيجة تفاعله مع الأكسجين في وجود الرطوبة.
الجلفنة
عملية حماية الحديد من الصدأ بتغطيته بطبقة من فلز الخارصين (الزنك).
أولاً: ترتيب الفلزات في سلسلة النشاط
تم ترتيب الفلزات بناءً على ملاحظات عملية دقيقة من تفاعلاتها مع الأكسجين، الماء، وحمض الهيدروكلوريك.
كيف تم الترتيب؟
- مع الأكسجين: الفلزات شديدة النشاط (مثل الصوديوم) تتأكسد بسرعة بمجرد تعرضها للهواء، بينما الفلزات قليلة النشاط (مثل الذهب) لا تتفاعل حتى مع التسخين الشديد.
- مع الماء: البوتاسيوم يتفاعل بعنف مع الماء البارد، والصوديوم أقل منه، والليثيوم أقل. الكالسيوم يتفاعل بسرعة، بينما المغنيسيوم يتفاعل ببطء شديد مع الماء البارد ولكنه يتفاعل مع الماء الساخن.
- مع حمض الهيدروكلوريك: المغنيسيوم يتفاعل بعنف، والألمنيوم يتفاعل بسرعة، والخارصين أبطأ، والحديد أبطأ، والرصاص بطيء جدًا. أما النحاس والفضة والذهب فلا تتفاعل مع الأحماض المخففة.
العلاقة بالجدول الدوري
- في المجموعة الواحدة (مثل الفلزات القلوية): يزداد النشاط كلما اتجهنا إلى أسفل المجموعة (البوتاسيوم > الصوديوم > الليثيوم)؛ لأن حجم الذرة يزداد، فيسهل فقد إلكترونات التكافؤ.
- في المجموعة الثانية: الكالسيوم (الأسفل) أكثر نشاطًا من المغنيسيوم (الأعلى).
| الترتيب | الفلز | الرمز |
|---|---|---|
| أكثر نشاطًا | بوتاسيوم | K |
| صوديوم | Na | |
| ليثيوم | Li | |
| كالسيوم | Ca | |
| نشاط متوسط | مغنيسيوم | Mg |
| ألمنيوم | Al | |
| نشاط منخفض | خارصين (زنك) | Zn |
| حديد | Fe | |
| قصدير | Sn | |
| رصاص | Pb | |
| حد فاصل | هيدروجين | H |
| أقل نشاطًا | نحاس | Cu |
| فضة | Ag | |
| ذهب | Au |
ملاحظة هامة عن الهيدروجين:
يوضع الهيدروجين عادةً بين الرصاص والنحاس، لأن الفلزات التي تعلوه (أكثر نشاطًا) يمكنها أن تحل محله في الأحماض وتطلق غاز الهيدروجين، بينما الفلزات التي تحته (مثل النحاس والفضة) لا تتفاعل مع الأحماض المخففة.
ثانيًا: تفاعلات الإحلال (Displacement Reactions)
في تفاعل الإحلال، يحل الفلز الأكثر نشاطًا محل الفلز الأقل نشاطًا في محلول أحد أملاحه.
شرط حدوث التفاعل:
الفلز المتفاعل (الذي نضيفه) يجب أن يكون أكثر نشاطًا من الفلز الموجود في الملح.
1. المغنيسيوم مع كبريتات النحاس
يختفي اللون الأزرق لمحلول كبريتات النحاس، ويترسب النحاس الأحمر على المغنيسيوم.
2. النحاس مع نترات الفضة
تترسب الفضة على شكل بلورات فضية، ويتحول المحلول إلى اللون الأزرق.
حالة عدم حدوث تفاعل
غمس النحاس في محلول كبريتات الرصاص لا يحدث تفاعل، لأن النحاس أقل نشاطًا من الرصاص.
تفاعل التنافس على الأكسجين
هو نوع خاص من تفاعلات الإحلال، حيث يحل فلز نشط محل فلز أقل نشاطًا في أكسيده.
مثال: تسخين خليط من المغنيسيوم وأكسيد النحاس.
المغنيسيوم (الأكثر نشاطًا) ينتزع الأكسجين من النحاس.
ثالثًا: تآكل الفلزات وصدأ الحديد
1. تآكل الفلزات (Metal Corrosion)
هو تفاعل الفلز مع المواد الموجودة في البيئة المحيطة (مثل الهواء، الرطوبة، والأحماض) ليتحول إلى مركبات أكثر ثباتًا كالأكاسيد، الهيدروكسيدات، أو الكربونات، مما يؤدي إلى تدهور الفلز وفقدان خصائصه المفيدة.
الحديد (Fe)
يصدأ وتتكون طبقة بنية هشة تتقشر باستمرار، مما يؤدي لتآكل الحديد بالكامل.
النحاس (Cu)
يتكون عليه "الزنجار" (طبقة خضراء من كربونات النحاس القاعدية) تحميه نسبيًا ولكنها سامة.
الألمنيوم (Al)
تتكون طبقة رقيقة ومتماسكة جدًا من أكسيد الألمنيوم تمنع الأكسجين من الوصول للداخل، لذا فهو مقاوم للتآكل.
2. صدأ الحديد (Iron Rust)
تعريفه: طبقة بنية هشة ومسامية من أكسيد الحديد المائي (Fe₂O₃·nH₂O) تتكون على سطح الحديد.
شروط تكوّن الصدأ (يجب توفر الشرطين معًا):
- وجود الأكسجين (من الهواء).
- وجود الماء (أو بخار الماء/الرطوبة).
* إذا غاب أحد الشرطين (مثلاً في الهواء الجاف تمامًا أو الماء المغلي الخالي من الهواء) لا يصدأ الحديد.
لماذا الصدأ خطير؟
على عكس أكسيد الألمنيوم، فإن طبقة صدأ الحديد هشة ومسامية ولا تلتصق بقوة بالسطح. هذا يعني أنها تتقشر بسهولة، مما يسمح للهواء والماء بالوصول إلى طبقات الحديد الداخلية الجديدة، فتستمر عملية التآكل حتى يتحول كل الحديد إلى صدأ وينهار الهيكل.
رابعًا: طرق حماية الفلزات من التآكل
1. الجلفنة (Galvanizing)
تغطية الحديد بطبقة من الخارصين. الخارصين أكثر نشاطًا فيتآكل بدلاً من الحديد (حماية تضحية).
2. الطلاء بالدهانات
عزل الحديد عن الهواء والرطوبة.
3. التغطية بفلز أقل نشاطًا
مثل القصدير. فعالة بشرط عدم حدوث خدش، وإلا يصدأ الحديد بسرعة أكبر.
4. السبائك المقاومة
مثل الفولاذ المقاوم للصدأ (حديد + كروم + نيكل).
ملخص الدرس
- سلسلة النشاط هي ترتيب الفلزات حسب تفاعليتها.
- تفاعلات الإحلال تتم عندما يحل فلز نشط محل فلز أقل نشاطًا في مركباته.
- تآكل الفلزات هو تفاعل مع البيئة، وأشهره صدأ الحديد الذي يحتاج إلى أكسجين وماء.
- حماية الفلزات تتم بالطلاء، أو الجلفنة، أو تكوين سبائك مقاومة.
- يمكن استخدام السلسلة للتنبؤ بحدوث التفاعلات وفهم سلوك الفلزات في الطبيعة والصناعة.