محتويات
القانون الذي ترتكز عليه الحسابات الكيميائية
قانون حفظ الكتلة .
يُعرف قانون حفظ الكتلة بــ (law of conservation of mass)، وهو القانون الذي ترتكز عليه الحسابات الكيميائية، والذي ينص على ” الكتلة في نظام مغلق لايمكن أن تُخلق أو تُدمر ولكن يمكن تحويلها من صورة إلى أخرى”، أي أن كتلة المواد الداخلة في التفاعل الكميائي لابد أن تُساوي كتلة المواد الناتجة عن التفاعل الكميائي.
ويشترط قانون حفظ الطاقة سير التفاعل ضمن نظام معزول (isolated system)، وذلك لضمان عدم إدخال مُتغيرات خارجية عن التفاعل الكميائي، فالنظام المعزول هو نظام لا يتفاعل مع محيطه الخارجي تحت أي ظرف من الظروف، ففي التفاعلات الكميائية تختلف المتفاعلات عن النواتج ولكن تبقي الكتلة ثابتة.
ويرجع الفضل في اكتشاف هذا القانون إلى ميخائيل لومونوسوف (Mikhail Lomonosov)، وأنطوان لافوازييه (Antoine Lavoisier)، حيث يُستخدم قانون حفظ الكتلة لموازنة المعادلات الكميائية، فيجب أن يكون عدد ونوع الذرات متماثلاً لكل من المواد المتفاعلة والناتجة، وذلك وفقًا لقانون حفظ الكتلـة.
والمثال القادم يوضح ثبات كتلة محتوى التجربة في كلًا من حالتي المُتفاعلات والنواتج [1] [2]
أمثلة على قانون حفظ الكتلة
- المثال الأول.
- المثال الثاني.
أولًا، المثال الأول: وهو للتبسيط، دعنا ننظر في تكون جزئ الماء H2O من عناصره الأولية ( 2H2O (النواتج)→ (المتفاعلات) 2H2 + O2 )، وأخبرني ماهو عدد العناصر الداخلة والخارجة عن التفاعل الكميائي لتكون جزئ الماء؟
- عند النظر إلى جانب المتفاعلات (2H2 + O2 )، نجد أن جزئ المتفاعلات يتكون من 4 ذرات من الأكسجين وذرتين من الأكسجين، مما يعني أن كتلة المواد المتفاعلة تساوي كتلة 4 ذرات من الهيدرجين و ذرتين من الأكسجين.
إذن كتلة المواد المتفاعلة = 4H + 2O ← المعادلة الأولى
- وبالنظر إلى جانب النواتج (2H2O)، نجد أن جزيئي من الماء يتكونان من 4 ذرات من الأكسجين وذرتين من الأكسجين، مما يعني أن كتلة المواد الناتجة تساوي كتلة 4 ذرات من الهيدرجين و ذرتين من الأكسجين.
إذن كتلة المواد الناتجة = 4H + 2O ← المعادلة الثانية
- وبالنظر إلى المعادلة الأولى والثانية نجد أن كتلة المواد المُتفاعلة = كتلة المواد الناتجة مما يُثبت قانون حفظ الكتلة.
المثال الثانـي: تنتج 10 جرامات من مادة كربونات الكالسيوم (CaCO3)، 3.8 جرام من مادة ثاني أكسيد الكربون (CO2)، و 6.2 جرام من أكسيد الكالسيوم (CaO)، وضح من خلال التفاعل السابق قانون حفظ الكتلة.
ينقسم حل هذه المسألة إلى 3 نقاط:
- معرفة قانون حفظ الكتلة.
- قياس كتلة كل من المتفاعلات والنواتج
- مقارنة كلًا منهما بالآخر وايضاح الاستنتاج.
معرفة قانون حفظ الكتلة: اعتمادًا على قانون حفظ الكتلة، فإن كتلة المواد المُتفاعلة = كتلة المواد الناتجة.
قياس كتلة كل من المتفاعلات والنواتج: وفقًا للمعطيات السابقة في المثال نجد أن:
كتلة كربونات الكالسيوم (CaCO3) 10 جرام = كتلة ثاني أكسيد الكربون (CO2) 3.8 جرام + كتلة أكسيد الكالسيوم (CaO) 6.2 جرام = 10 جرام
الاستنتاج: كتلة المواد المتفاعلة = كتلة المواد الناتجة مما يحقق بالفعل قانون حفظ الكتلة. [1] [2]
اثبات القانون الذي ترتكز عليه الحسابات الكيميائية معمليًا
- هدف التجربة.
- الأدوات المستخدمة.
- التجربة.
- الملاحظة.
- الاستنتاج
قبل البدء بالتجربة يجب تحديد كلًا من الهدف من التجربة والأدوات التي تستخدم بها:
الهدف من التجربة: اثبات قانون حفظ الكتلة الذي ترتكز عليه الحسابات الكيميائية.
الأدوات المستخدمة: لإجراء هذه التجربة معمليًا، يجب توافر عدد من الأدوات:
- قضيب زجاجي.
- طبقين زجاجيين (watch glasses).
- 3 أعداد من الدورق المعملي. (Beaker).
- ميزان (balancing scale).
- ماء مقطر وإحدى المجاميع الكميائية التالية، كبريتات الصوديوم، وكلوريد الباريوم. [3]
خطوات التجربة التي تثبت القانون الذي ترتكز عليه الحسابات الكيميائية
من إجل إتمام التجربة يجب اتباع الخطوات التالية:
- اوزن كل من الإطباق الزجاجية باستخدم الميزان لمعرفة كتلة الطبق الزجاجي وذلك لتجاهل كتلته عند وزن المواد الكميائية الصلبة (كتلة الطبق الزجاجي)
- اوزن الدورق باستخدام الميزان لمعرفة كتلة الدورق وذلك لتجاهل كتلته عند وزن المواد الكميائية السائلة (كتلة الدورق).
- مّيز كل دورق من الدوارق المستخدمة برمز يُمكن الرجوع إليه مثل دورق A، و دورق B، ودورق C.
- قم بوزن 3.6 جرام من كلوريد الباريوم ( BaCl2.2H2O ) بواسطة الطبق الزجاجي معلوم الكتلة.
- قم بوزن 8.05 جرام من كبريتات الصوديوم (Na2SO4.H2O) بواسطة الطبق الزجاجي معلوم الكتلة.
- ضف 100 مل من الماء المُقطر إلى الدورق A و 50 مل من الماء المُقطر إلى الدورق B.
- قم بإذابة كلوريد الباريوم الموزون مسبقًا في الدورق A، ومن ثم قم بوزن كتلة المحتوي الداخلي للدورق A عقب حذف كتلة الدورق فارغ ولتكن A*.
- قم بإذابة كربونات الكالسيوم الموزنة سابقًا في الدورق B، ومن ثم قم بوزن كتلة المحتوي الداخلي للدورق B عقب حذف كتلة الدورق فارغ ولتكن B*.
- ضف محتويات الدورق A والدوق B في الدورق C مع استخدام قضيب زجاجي للتقليب المستمر.
- استمر في التقليب حتى ظهور راسب أبيض بالدورق C المعروف بـكبريتات النحاس.
- اوزن الدورق C بجميع محتوياته عقب التفاعل C*، للحصول على كتلة المواد الناتجة عن التفاعل.
تذكر أن: A* هي كتلة المحتويات بالدورق A، وأن *B كتلة المحتويات بالدورق B مع تجاهل كتلة الدورق ، والتي يتم اضافتهما في الدورق C الفارغ. [3]
الخطوات الحسابية التي تثبت قانون حفظ الكتلة
- حساب كتلة المواد المتفاعلة.
- حساب كتلة المواد الناتجة.
ومن أجل إتمام التجربة يجب اتباع الخطوات المعملية السابقة وذلك للحصول على عدد من الكتل يمكن مقارنتها معًا والتي تتمثل فـي:
حساب كتلة المواد المتافعلة: تتضمن كتلة كلًا من A* + *B
- كتلة A* =كتلة محلول كلوريد الباريوم = 53.6 جم
- كتلة B*= كتلة محلول كبريتات الصوديوم= 58.05 جم
إذن إجمالي كتلة المواد المتفاعلة 53.6 جم + 58.05 جم = 111.65 جم
حساب كتلة المواد الناتجة: تتضمن كتلة كلًا من C* وكتلة الدورق.
- كتلة الدورق= 500 جرام.
- كتلة الدورق C بعد التفاعل= كتلة C* وتساوي 611.65 جرام.
- إذا كتلة المادة المتكونة = 611.65 – 500 = 111.65 جم
الملاحظــة: كتلة المواد المتفاعلة = كتلة المواد الناتجة= 111.65 جم.
الاستنتاج: الكتلة في نظام مغلق لايمكن أن تُخلق أو تُدمر ولكن يمكن تحويلها من صورة إلى أخرى، وهو مايُعرف بقانون حفظ الكتلة. [3]
