# مادة العلوم الفيزيائية — مستوى السنة الثالثة ثانوي (3AS) ## الوحدة 1: المتابعة الزمنية لتحول كيميائي في وسط مائي ### الدرس 1: التحولات السريعة، البطيئة، والبطيئة جدا والتذكير بالمؤكسد والمرجع --- ## 1. مدخل ومفاهيم أساسية باعتباري مفتشاً في التربية الوطنية، أؤكد دائماً لأبنائنا الطلبة المقبلين على اجتياز امتحان **شهادة البكالوريا (BAC)** أن فهم الكيمياء الحركية (Cinétique chimique) يبدأ من التفريق الدقيق بين سرعة التحولات الكيميائية في الطبيعة وفي المخبر. عندما نمزج متفاعلات كيميائية، فإن تطور المجموعة الكيميائية نحو حالة التوازن لا يتم بنفس السرعة لجميع التفاعلات. لذا نقسم التحولات الكيميائية من حيث المدة الزمنية المستغرقة لبلوغ الحالة النهائية إلى ثلاثة أصناف رئيسية: * **التحولات السريعة (Transformations rapides) :** هي تحولات تستغرق مدة زمنية قصيرة جداً لا يمكن للمعين البشري أو الأجهزة المخبرية العادية قياسها أو متابعتها، بحيث نعتبر أن التحول يحدث آنياً (مباشرة عند المزج). مثال: تفاعلات معاقبة الحمض-أساس، وتفاعلات ترسيب أو تفاعلات الأكسدة والإرجاع الفورية مثل تفاعل أيونات الفضة مع أيونات الكلوريد. * **التحولات البطيئة (Transformations lentes) :** هي تحولات تستغرق مدة زمنية معتبرة (من عدة ثوانٍ إلى دقائق أو ساعات) لبلوغها الحالة النهائية. وهي موضوع دراستنا الأساسية في هذه الوحدة حيث يمكننا **متابعتها زمنياً** وتجريبياً. مثال: تفاعل إسترطة، أو أكسدة شاردة اليود بواسطة الماء الأكسجين. * **التحولات البطيئة جداً (Transformations très lentes) :** هي تحولات تستغرق أسابيع، أشهراً، أو ربما سنوات لبلوغ حالتها النهائية، وتُعتبر في حكم المتوقفة في مقياس الزمن المخبروي البشري. مثال: تفاعل صدأ الحديد ($Fe$), أو تخمر العصير. --- ## 2. الدراسة النظرية والقوانين الرياضية/العلمية قبل الشروع في كتابة المعادلات النصفية وتحديد السرعات، يجب التذكير بالمفاهيم الأساسية للأكسدة والإرجاع (Oxydoréduction) حسب تعريف برونستد-لوري ومفهوم تبادل الإلكترونات. ### أ. تعريف المؤكسد والمرجع والثلائية (Ox/Red) * **المؤكسد ($Ox$ - Oxydant) :** هو كل فرد كيميائي (شاردة، جزيء، أو ذرة) قادر على **إكتساب إلكترون (أو أكثر)** خلال تفاعل كيميائي. * **المرجع ($Red$ - Réducteur) :** هو كل فرد كيميائي قادر على **فقدان إلكترون (أو أكثر)** خلال تفاعل كيميائي. * **الثنائية (مؤكسد / مرجع) :** تُكتب بالشكل الرياضي والاصطلاحي التالي: $$(Ox / Red)$$ ### ب. منهجية كتابة المعادلة النصفية للإلكترونات (Demi-équation électronique) لكتابة المعادلة النصفية لأي ثنائية $(Ox / Red)$ ، نتبع الخطوات المنهجية الصارمة التالية: 1. نكتب الرمز الكيميائي للمؤكسد في طرف والمرجع في الطرف المقابل: $$Ox + n e^- = Red$$ 2. نوازن الذرات الأساسية ما عدا الأكسجين ($O$) والهيدروجين ($H$). 3. نوازن عنصر الأكسجين ($O$) بإضافة جزيئات الماء ($H_2O$) في الطرف النقص. 4. نوازن عنصر الهيدروجين ($H$) بإضافة شوارد الهيدروجين ($H^+$) في الطرف النقص (في الوسط الحامضي). 5. نوازن الشحنة الكهربائية بإضافة الإلكترونات ($e^-$) في الطرف الذي يحمل شحنة أكبر (نحو جهة المؤكسد دوماً). مثال نموذجي للثنائية المؤكسدة/المرجعة لشاردة البيرمنغنات ($MnO_4^- / Mn^{2+}$): $$MnO_4^- + 8H^+ + 5e^- = Mn^{2+} + 4H_2O$$ ### ج. كتابة المعادلة الإجمالية للأكسدة والإرجاع تُستنتج المعادلة الإجمالية للمؤكسد 1 والمرجع 2 بجمع المعادلتين النصفيتين (للأكسدة والإرجاع) بعد ضرب كل منهما في عدد ملائم لضمان **انحفاظ عدد الإلكترونات المتبادلة** (تساوي عدد الإلكترونات المفقودة مع المكتسبة): $$\begin{aligned} Ox_1 + n_1 e^- &= Red_1 \quad (\text{Reduction}) \\ Red_2 &= Ox_2 + n_2 e^- \quad (\text{Oxydation}) \end{aligned}$$ المعادلة الإجمالية: $$n_2 Ox_1 + n_1 Red_2 \longrightarrow n_2 Red_1 + n_1 Ox_2$$ --- ## 3. أمثلة تطبيقية محلولة خطوة بخطوة ### تطبيق شامل: تفاعل أكسدة شوارد اليود ($I^-$) بماء الأكسجين ($H_2O_2$) نعتبر الثنائيتين الداخلتين في التفاعل: 1. $(I_2 / I^-)$ 2. $(H_2O_2 / H_2O)$ **الأسئلة:** 1. اكتب المعادلتين النصفيتين للأكسدة والإرجاع، ثم استنتج معادلة التفاعل المنمذجة للتحول. 2. هل هذا التحول سريع أم بطيء؟ وكيف يمكننا متابعته؟ #### الحل النموذجي المفصل: **الخطوة 1: كتابة المعادلات النصفية** * الثنائية الأولى: تتعلق بماء الأكسجين $H_2O_2$ (مؤكسد) الذي يتحول إلى $H_2O$. $$H_2O_2 + 2H^+ + 2e^- = 2H_2O \quad \text{(معادلة إرجاع)}$$ * الثنائية الثانية: تتعلق بشوارد اليود $I^-$ (مرجع) التي تتأكسد إلى ثنائي اليود $I_2$. $$2I^- = I_2 + 2e^- \quad \text{(معادلة أكسدة)}$$ **الخطوة 2: استنتج معادلة التفاعل الإجمالية** بما أن عدد الإلكترونات المتبادلة في المعادلتين النصفيتين متساوية ($n = 2$)، نقوم بالجمع المباشر طرداً لطرف دون الحاجة للضرب في عوامل مضاعفة: $H_2O_2 + 2I^- + 2H^+ \longrightarrow I_2 + 2H_2O$ **الخطوة 3: طبيعة التحول ومتابעته** * **طبيعة التحول:** هو تحول كيميائي **بطيء** (يمكن متابعته زمنياً بتغير اللون البني تدريجياً لظهور ثنائي اليود $I_2$). * **نصيحة أستاذ المادة (الأستاذ / المفتش):** تذكر دائماً في البكالوريا أن الوسط الحامضي يُؤمن عادة بإضافة قطرات من حمض الكبريت المركز ($2H^+ + SO_4^{2-}$)، ولا يؤثر على سير التفاعل بل هو وسيط أو شاردة متفرجة غالباً ما تهمل في جدول التقدم إن لم يطلب التركيز الأولي لها. --- ## 4. تمرين تدريبي نموذجي لـ شهادة البكالوريا (BAC) مع سلم التنقيط إليك تمريناً يماثل بدقة أسئلة الامتحانات الرسمية للبكالوريا: **النص:** نمتزج في بيشر حجمًا $V_1 = 100\,mL$ من محلول يود البوتاسيوم $(K^+ + I^-)$ تركيزه المولي $C_1 = 0{,}1\,mol/L$ مع حجم $V_2 = 100\,mL$ من محلول الماء الأكسجيني $H_2O_2$ ذي التركيز المولي $C_2 = 0{,}05\,mol/L$ ، مضافاً إليه قطرات من حمض الكبريت المركز. 1. **(01,00 نقطة)** أعطِ تعريفاً للتحول البطيء والتحول السريع. 2. **(01,50 نقطة)** اكتب المعادلتين النصفيتين للأكسدة والإرجاع، علماً أن الثنائيتين المشاركتين هما $(I_2 / I^-)$ و $(H_2O_2 / H_2O)$ ، ثم استنتج المعادلة الإجمالية للتفاعل. 3. **(01,50 نقطة)** أنشئ جدول تقدم لالتفاعل الكيميائي الحاصل. --- ### سلم التنقيط والحل النموذجي المفصل | السؤال | الإجابة النموذجية المفصلة | العلامة الممنوحة | | :--- | :--- | :--- | | **1.** | - **تحول سريع:** هو تحول يصل إلى حالته النهائية في مدة زمنية قصيرة جداً لا يمكن قياسها بالعين المجردة أو بالأجهزة المخبرية العادية (أني).- **تحول بطيء:** هو تحول يستغرق مدة زمنية معتبرة (من ثوانٍ إلى ساعات) لبلوغ حالته النهائية. | $1{,}00$ ن | | **2.** | - المعادلة النصفية للإرجاع: $H_2O_2 + 2H^+ + 2e^- = 2H_2O$- المعادلة النصفية للأكسدة: $2I^- = I_2 + 2e^-$- **المعادلة الإجمالية:** $H_2O_2 + 2I^- + 2H^+ \longrightarrow I_2 + 2H_2O$ | $1{,}00$ ن$0{,}50$ | | **3.** | **جدول التقدم:**معادلة التفاعل: $H_2O_2 + 2I^- + 2H^+ \longrightarrow I_2 + 2H_2O$الحالة الابتدائية ($x=0$): $n_0(H_2O_2) = C_2V_2 = 0{,}005\,mol$ ، $n_0(I^-) = C_1V_1 = 0{,}01\,mol$بزيادة $H^+$ ، والماء بزيادة (وفير).- الحالة الانتقالية ($x$): $0{,}005 - x$ و $0{,}01 - 2x$ و $x$- الحالة النهائية ($x_{max}$): $0{,}005 - x_{max}$ و $0{,}01 - 2x_{max}$ و $x_{max}$ | $1{,}50$ ن | --- ## 5. ملخص الختام ونصائح المفتش لتفادي الأخطاء الشائعة أبنائي الطلبة، لتضمنوا العلامة الكاملة في هذا الجزء من امتحان شهادة البكالوريا، احرصوا على تفادي الأخطاء المنهجية التالية التي تتكرر سنوياً في تصحيح أوراق الإجابة الوطنية: 1. **غلطة الأسهم في المعادلات:** احرص على استخدام السهم البسيط $(\longrightarrow)$ في معادلة تفاعل التفاعل المنمذجة لأنه تفاعل تام في أغلب برامجنا، واستخدام سهم الثنائية $(=)$ أو علامة المساواة بدقة في المعادلات النصفية. 2. **موازنة الإلكترونات ($e^-$):** دائماً يجب أن يكون عدد الإلكترونات المفقودة مساوياً تماماً لعدد الإلكترونات المكتسبة عند جمع المعادلتين النصفيتين. 3. **الخلط بين المؤكسد والمرجع:** تذكر دائماً العبارة الذهبية: **«المؤكسد يكتسب، والمرجع يفقد»**، وإلكترونات المؤكسد تكون دوماً في **طرف المتفاعلات** في المعادلة النصفية، بينما إلكترونات المرجع تكون في **طرف النواتج**. 4. **الوحدات والحجوم:** انتبه دائماً لتحويل الحجوم من الأنتريتر ($mL$) إلى اللتر ($L$) بضرب القيمة في $10^{-3}$ عند حساب كميات المواد الابتدائية ($n = C \times V$). بالتوفيق والنجاح في امتحان شهادة البكالوريا، ونلتقي في الدرس القادم حول طرق المتابعة الزمنية (القياس الضوئي والناقلية).