الدرس 2 : المحلول المائي الشاردي والمحلول الجزيئي والناقلية الكهربائية

## 1. مدخل ومفاهيم أساسية (Introduction concrète et concepts) أهلاً بكم أبنائي وبناتي تلاميذ السنة الرابعة متوسط (4AM) في هذا الدرس المحوري ضمن وحدة "المادة وتحولاتها". بصفتي مفتشاً تربوياً يرافقكم نحو التميز وتحقيق العلامة الكاملة في امتحان شهادة التعليم المتوسط (BEM)، أؤكد لكم أن هذا الدرس يُعد حجر الأساس لفهم التفاعلات الكيميائية في المحاليل المائية، وخاصة ظاهرة التحليل الكهربائي. في حياتنا اليومية، نلاحظ أن الماء النقي (ماء مقطر) لا يضيء المصباح في دارة كهربائية بسيطة، بينما ماء الحنفية أو محلول ملح الطعام يضيء المصباح. لماذا؟ الجواب يكمن في طبيعة المذاب والمحلول الناتج. ### المفاهيم الأساسية: * **المحلول (Solution):** خليط متجانس ينتج عن انحذاب مادة صلبة، سائلة أو غازية تسمى **المذاب (Soluté)** في سائل يسمى **المذيب (Solvant)**، وغالباً ما يكون المذيب هو الماء (**محلول مائي - Solution aqueuse**). * **المحلول الشاردي (Solution ionique):** هو محلول يحتوي على شوارد (أيونات) موجبة وسالبة حرة الحركة. بفضل هذه الشاردات، يتمكن المحلول من نقل التيار الكهربائي، ولهذا يُسمى **محلولاً ناقلاً (Solution conductrice)**. * **المحلول الجزيئي (Solution moléculaire):** هو محلول يحتوي على جزيئات متعادلة كهربائياً وغير حرة الحركة (مثل محلول السكر في الماء). نظراً لعدم وجود حاملات شحنة حرة، فإن هذا المحلول لا ينقل التيار الكهربائي، ولهذا يُسمى **محلولاً عازلاً (Solution isolante)**. * **الناقلية الكهربائية (Conductivité électrique):** قدرة المحلول على السماح للتيار الكهربائي بالمرور عبره، وهي مرتبطة بوجود وتركيز الشاردات داخله. --- ## 2. الدراسة النظرية والقوانين الرياضية/العلمية (Théorie et formules en LaTeX strict) لكتابة وتفسير الظواهر الكهربائية والمجهرية في المحاليل الشاردية، نعتمد على صيغتين أساسيتين يجب على كل مترشح لشهادة التعليم المتوسط إتقانهما بدقة: ### أ. مبدأ التعادل الكهربائي (Principe d'électroneutralité) المحلول الشاردي ككل متعادل كهربائياً؛ أي أن الشحنة الإجمالية للشاردات الموجبة (الكاتيونات) تساوي رياضياً القيمة المطلقة للشحنة الإجمالية للشاردات السالبة (الأنيونات). $$ \sum q_{\text{positives}} + \sum q_{\text{négatives}} = 0 $$ ### ب. الصيغة الإحصائية والصيغة الشاردية (Formule statistique et Formule ionique) لكتابة صيغة أي محلول شاردي، نتبع قواعد دقيقة: 1. **الصيغة الإحصائية (Formule statistique):** تعبر عن المركب الصلب قبل انحلاله، وهي متعادلة كهربائياً وتكتب بدون إظهار الشحنات، حيث يكتب المعدن (أو الشاردة الموجبة) على اليسار واللازجون (أو الشاردة السالبة) على اليمين مع وضع الأعداد السفلية (Indices). مثال: كلور البوتاسيوم الصلب $KCl$. 2. **الصيغة الشاردية (Formule ionique):** تعبر عن المحلول المائي بعد الانحلال، وتكتب بين قوسين مسبوقة بتركيز المادة، مع إظهار الشحنات الكهربائية للشاردات (علامة $+$ أو $-$ وعدد الشحنات). مثال: محلول كلور البوتاسيوم المائي يعبر عنه بـ: $$ (K^+ + Cl^-) $$ ### جدول لأهم الشاردات المقررة في برنامج BEM: | الاسم بالعربية | الاسم بالفرنسية | الصيغة الكيميائية للشاردة | نوع الشاردة | | :--- | :--- | :--- | :--- | | شاردة الهيدروجين | Ion Hydrogène | $H^+$ | موجبة (كاتيون) | | شاردة الصوديوم | Ion Sodium | $Na^+$ | موجبة (كاتيون) | | شاردة البوتاسيوم | Ion Potassium | $K^+$ | موجبة (كاتيون) | | شاردة الكالسيوم | Ion Calcium | $Ca^{2+}$ | موجبة (كاتيون) | | شاردة المغنسيوم | Ion Magnésium | $Mg^{2+}$ | موجبة (كاتيون) | | شاردة الألومنيوم | Ion Aluminium | $Al^{3+}$ | موجبة (كاتيون) | | شاردة النحاس الثنائي | Ion Cuivre (II) | $Cu^{2+}$ | موجبة (كاتيون) | | شاردة الحديد الثنائي | Ion Fer (II) | $Fe^{2+}$ | موجبة (كاتيون) | | شاردة الحديد الثلاثي | Ion Fer (III) | $Fe^{3+}$ | موجبة (كاتيون) | | شاردة الكلورور (الكلور) | Ion Chlorure | $Cl^-$ | سالبة (أنيون) | | شاردة الأكسجين (أكسيد) | Ion Oxyde | $O^{2-}$ | سالبة (أنيون) | | شاردة الكبريتات | Ion Sulfate | $SO_4^{2-}$ | سالبة (أنيون) | | شاردة النترات | Ion Nitrate | $NO_3^-$ | سالبة (أنيون) | | شاردة الهيدروكسيد | Ion Hydroxyde | $OH^-$ | سالبة (أنيون) | --- ## 3. أمثلة تطبيقية محلولة خطوة بخطوة (Applications résolues pas-à-pas avec astuces) ### التطبيق الأول: الانتقال من الصيغة الإحصائية إلى الصيغة الشاردية **النص:** أكتب الصيغة الشاردية للمركبات الصلبة التالية عند انحلالها في الماء: 1. كلور الصوديوم ($NaCl$) 2. كلور النحاس الثنائي ($CuCl_2$) 3. كبريتات الألومنيوم ($Al_2(SO_4)_3$) **الخطوات والحل النموذجي:** 1. **كلور الصوديوم ($NaCl$):** * نعلم أن شاردة الصوديوم هي $Na^+$ وشاردة الكلور هي $Cl^-$. * الصيغة الشاردية: $$ (Na^+ + Cl^-) $$ *(ملاحظة: الشحنات متوازنة $+1$ مع $-1$)*. 2. **كلور النحاس الثنائي ($CuCl_2$):** * شاردة النحاس الثنائي هي $Cu^{2+}$ وشاردة الكلور هي $Cl^-$. * لتحقيق التعادل الكهربائي، نحتاج إلى شاردتي كلور لتعويض شحنة نحاس واحدة ($+2$). * الصيغة الشاردية: $$ (Cu^{2+} + 2Cl^-) $$ 3. **كبريتات الألومنيوم ($Al_2(SO_4)_3$):** * شاردة الألومنيوم هي $Al^{3+}$ وشاردة الكبريتات هي $SO_4^{2-}$ (مجموعة ذرية سالبة). * لتحقيق التعادل الكهربائي: المضاعف المشترك الأصغر لـ $3$ و $2$ هو $6$. إذن نحتاج إلى شاردتي ألومنيوم ($2 \times +3 = +6$) وثلاث شاردات كبريتات ($3 \times -2 = -6$). * الصيغة الشاردية: $$ (2Al^{3+} + 3SO_4^{2-}) $$ --- ### التطبيق الثاني: التفرقة بين المحلول الشاردي والمحلول الجزيئي تجريبياً **النص:** لدين كأسان مجهولان، الكأس (1) يحتوي على محلول السكر في الماء، والكأس (2) يحتوي على محلول ملح الطعام في الماء. اقترح تجربة بسيطة للتمييز بينهما مع التعليل العلمي. **الحل النموذجي المنهجي:** * **البروتوكولات التجريبي (التركيب التجريبي):** ننجز دارة كهربائية تتكون من مولد (تغذية كهربائية)، قاطعة، مصباح، مسرايين (أقطاب غرافيت)، ونغمر المسرايين في الكأس (1) ثم نكرر العملية في الكأس (2). * **الملاحظة:** * في الكأس (1) (محلول السكر): **لا يتوهج المصباح**. * في الكأس (2) (محلول ملح الطعام): **يتوهج المصباح**. * **الاستنتاج والتعليل:** * الكأس (1) يحتوي على **محلول جزيئي** (السكر ينحل على شكل جزيئات متعادلة مثل $C_{12}H_{22}O_{11}$) وهو عازل كهربائياً. * الكأس (2) يحتوي على **محلول شاردي** (الملح يتفكك إلى شوارد $Na^+$ و $Cl^-$ حرة الحركة) وهو ناقل للتيار الكهربائي. --- ## 4. تمرين تدريبي نموذجي لـ شهادة التعليم المتوسط (BEM) مع سلم التنقيط ### نص التمرين (نقلاً عن روح مواضيع شهادة التعليم المتوسط): يهدف هذا التمرين إلى دراسة سلوك المحاليل المائية فيزيائياً وكيميائياً. نحضر في المخابر المدرسية محلولين مائيين: * **المحلول الأول (أ):** محلول كلور الزنك ($ZnCl_2$). * **المحلول الثاني (ب):** محلول السكر في الماء. 1. **أكمل الجدول الآتي بما يناسبه:** (03 نقاط) | اسم المحلول | الصيغة الإحصائية | الصيغة الشاردية | طبيعة المحلول (ناقل / عازل) | | :--- | :---: | :---: | :---: | | محلول كلور الزنك | $.............$ | $.............$ | $.............$ | | محلول السكر | $C_{12}H_{22}O_{11\text{ (aq)}}$ | **لا توجد** | $.............$ | 2. **فسر:** لماذا ينقل محلول كلور الزنك التيار الكهربائي بينما لا ينقله محلول السكر؟ (01.5 نقطة) 3. **تحقق حسابياً** من مبدأ التعادل الكهربائي في الصيغة الشاردية لمحلول كلور الزنك علماً أن شاردة الزنك هي $Zn^{2+}$ وشاردة الكلور هي $Cl^-$. (01.5 نقطة) --- ### الإجابة النموذجية وسلم التنقيط (Corrigé type et barème officiel): | السؤال | عناصر الإجابة النموذجية | سلم التنقيط الجزئي | | :--- | :--- | :--- | | **1.** | إتمام الجدول: - الصيغة الإحصائية لكلور الزنك: $ZnCl_2$ - الصيغة الشاردية لكلور الزنك: $(Zn^{2+} + 2Cl^-)$ - طبيعة محلول كلور الزنك: **ناقل** - طبيعة محلول السكر: **عازل** | (0.75 ن) (0.75 ن) (0.75 ن) (0.75 ن) **المجموع: 03 نقاط** | | **2.** | **التفسير:** - محلول كلور الزنك يحتوي على **شوارد موجبة** ($Zn^{2+}$) **وشاردات سالبة** ($Cl^-$) **حرة الحركة** في الماء، وهي المسؤولة عن نقل التيار الكهربائي. - أما محلول السكر فيحتوي على **جزيئات متعادلة** كهربائياً وغير حرة الحركة، لذا فهو عازل. | (01.0 ن) (00.5 ن) **المجموع: 1.5 نقطة** | | **3.** | **التحقق من التعادل الكهربائي:** - لدينا في الصيغة الشاردية: شاردة واحدة من الزنك بشحنة إجمالية: $+2$ - وشاردتان من الكلور بشحنة إجمالية: $2 \times (-1) = -2$ - المجموع الجبري للشحنات: $(+2) + (-2) = 0$ - إذن المحلول متعادل كهربائياً. | (0.5 ن) (0.5 ن) (0.5 ن) **المجموع: 1.5 نقطة** | --- ## 5. ملخص الختام ونصائح المفتش لتفادي الأخطاء الشائعة أبنائي الأعزاء، لضمان الحصول على العلامة الكاملة ($20/20$) في أسئلة المحاليل الشاردية في امتحان الـ BEM، يجب تفادي الأخطاء المتكررة التي يقع فيها الكثير من الممتحنين، وألخصها لكم في هذه التوجيهات الذهبّية: ### أخطاء شائعة يجب تجنبها تماماً: 1. **الخلط بين الرموز والصيغ:** كتابة الصيغة الشاردية بدون أقواس أو بدون علامة الزائد (+) بين الشاردات يعد خطأ فادحاً (مثلا كتابة $Na^+Cl^-$ خطأ، والصحيح هو $(Na^+ + Cl^-)$). 2. **إغفال الأعداد السريعة (Indices / Coefficients):** نسيان كتابة العدد 2 مثلاً في $(Cu^{2+} + 2Cl^-)$ يخل بمبدأ التعادل الكهربائي للمحلول. 3. **تطبيق الشحنات على الجزيئات:** المحاليل الجزيئية (كالماء النقي، السكر، الكحول) **لا تحتوي أبدًا على شوارد**، وبالتالي لا نكتب لها صيغة شاردية أبداً ونكتب "لا توجد" أو "غير مطبق". 4. **كتابة الحالة الفيزيائية:** تعودوا دائمًا على كتابة الحالة الفيزيائية للمواد عند الاقتضاء: صلب ($s$)، محلول مائي ($aq$)، غاز ($g$)، سائل ($l$)؛ فهذه تفاصيل تميز التلميذ المتفوق. تذكروا دائماً: النجاح في الفيزياء لا يعتمد على الحفظ الأصم، بل على الفهم المنطقي والممارسة المستمرة للتمارين التطبيقية. بالتوفيق، وأراكم في القمة يوم إعلان نتائج شهادة التعليم المتوسط!