تفاعلات الإحلال البسيط ومتسلسلة النشاط الكيميائي

التعريف:

• تفاعلات يحلّ فيها عنصر محل عنصر آخر في أحد مركباته.
• الشكل العام: A + BC ← AC + B.
• نلاحظ أن العنصر الحرّ يدخل التفاعل ويخرج عنصر حرّ آخر.

وللإحلال البسيط ثلاث صور رئيسة نشرحها فيما يأتي.

4-أ. إحلال فلز محل هيدروجين الحمض

• نضع شريط ماغنسيوم في أنبوبة اختبار، ونضيف إليه حمض الهيدروكلوريك المخفف.
• نلاحظ تفاعلًا سريعًا وفقاعات غازية، وإذا قرّبنا شظية مشتعلة من فوهة الأنبوبة يشتعل الغاز بفرقعة؛
• وهي الدلالة المميزة لغاز الهيدروجين.

Mg(s) + 2HCl(aq) → MgCl₂(aq) + H₂(g)↑

القاعدة:

• الفلزات النشطة كيميائيًا تتفاعل مع الأحماض المخففة (مثل HCl) فتحلّ محل هيدروجين الحمض، ويتكوّن ملح الفلز (كلوريد الفلز) ويتصاعد غاز الهيدروجين.

هل تتفاعل كل الفلزات بالسرعة نفسها؟

• لا.
• عند وضع كتل متساوية من الخارصين والحديد والنحاس في حجوم متساوية من الحمض نفسه، يكون معدل تصاعد الفقاعات:

• الماغنسيوم: غزير جدًا (الأسرع).
• الخارصين: غزير متوسط.
• الحديد: بطيء.
• النحاس: لا فقاعات إطلاقًا؛ أي لا يتفاعل.

ومن هنا ينشأ الترتيب الآتي لسرعة التفاعل مع الحمض: Mg > Zn > Fe > Cu.

متسلسلة النشاط الكيميائي

التعريف:

• هي ترتيب العناصر الفلزية ترتيبًا تنازليًا حسب درجة نشاطها الكيميائي (من الأنشط إلى الأقل نشاطًا).
• ويدخل الهيدروجين في الترتيب كنقطة مرجعية مهمة:

البوتاسيوم (K) ← الصوديوم (Na) ← الليثيوم (Li) ← الباريوم (Ba) ← الكالسيوم (Ca) ← الماغنسيوم (Mg) ← الألومنيوم (Al) ← الخارصين (Zn) ← الحديد (Fe) ← القصدير (Sn) ← الرصاص (Pb) ← الهيدروجين (H) ← النحاس (Cu) ← الزئبق (Hg) ← الفضة (Ag) ← البلاتين (Pt) ← الذهب (Au)

كيف نقرأ المتسلسلة؟

1. الفلزات التي تسبق الهيدروجين تحلّ محله في الأحماض المخففة، فيتصاعد الهيدروجين.
2. الفلزات التي تلي الهيدروجين (النحاس والزئبق والفضة والبلاتين والذهب) لا تتفاعل مع الأحماض المخففة ولا مع الماء؛ لأنها لا تستطيع أن تحلّ محل الهيدروجين. ولذلك تُصنع منها الحلي والعملات والأسلاك لأنها لا تتآكل بسهولة.
3. كلما ارتفع الفلز في المتسلسلة كان أنشط، وكان أكثر استعدادًا لفقد إلكتروناته.

حالة خاصة: الألومنيوم.

• مع أن الألومنيوم يسبق الهيدروجين في المتسلسلة، إلا أنه لا يتفاعل فورًا مع حمض الهيدروكلوريك المخفف.
• السبب: يغطي سطحه دائمًا طبقة رقيقة متماسكة من أكسيد الألومنيوم (Al₂O₃) تعمل كعازل يمنع وصول الحمض إلى الفلز.
• وبعد وقت قصير تتآكل هذه الطبقة، فيبدأ الفوران وتصاعد الهيدروجين.

2Al(s) + 6HCl(aq) → 2AlCl₃(aq) + 3H₂(g)↑

4-ب. إحلال فلز محل هيدروجين الماء

الفلزات الواقعة في مقدمة المتسلسلة (شديدة النشاط) تتفاعل مع الماء وتحلّ محل هيدروجينه.

تجربة الصوديوم والماء:

• نملأ حوضًا زجاجيًا بالماء إلى منتصفه.
• بالملقط نأخذ قطعة صغيرة جدًا من الصوديوم (في حجم حبة الأرز) بعد تجفيفها من الكيروسين الذي تُحفظ فيه بورق ترشيح، ثم نضعها على سطح الماء.

الملاحظات:

• تتحرك قطعة الصوديوم بسرعة على سطح الماء، وتتفاعل فورًا وبشدة مع الماء البارد، وتتولد حرارة كبيرة قد تشعل الهيدروجين الناتج.
• يتصاعد غاز الهيدروجين، ويتكوّن محلول هيدروكسيد الصوديوم القلوي:

2Na(s) + 2H₂O(l) → 2NaOH(aq) + H₂(g)↑ + حرارة

احتياطات الأمان:

• نستخدم قطعة صغيرة جدًا، ونرتدي نظارة وقفازات، ونُبقي كمية من الرمل الجاف قريبة لإخماد أي حريق (لا يُستعمل الماء لإطفاء حريق الصوديوم).

مقارنة بالماغنسيوم:

• يوضع شريط ماغنسيوم في ماء بارد فلا يحدث تفاعل ظاهر، فإذا نُقل إلى ماء ساخن بدأ التفاعل (تظهر فقاعات الهيدروجين).
• أي أن الماغنسيوم يحتاج إلى طاقة حرارية ليتفاعل مع الماء، مما يدل على أنه أقل نشاطًا من الصوديوم الذي تفاعل مع الماء البارد فورًا.

4-ج. إحلال فلز محل فلز آخر في محاليل أملاحه

القاعدة: كل فلز يحلّ محل الفلزات التي تليه في المتسلسلة من محاليل أملاحها.

تجربة الخارصين وكبريتات النحاس: نضع في كأس محلول كبريتات النحاس II الأزرق، ونغمر فيه ساق خارصين. بعد نحو عشر دقائق نلاحظ:

• يزول اللون الأزرق للمحلول تدريجيًا (يصبح عديم اللون).
• يترسب على الساق فلز النحاس الأحمر.

Zn(s) + CuSO₄(aq) → ZnSO₄(aq) + Cu(s)

الخارصين (أنشط) حلّ محل النحاس (الأقل نشاطًا) في ملحه. ويصبح المحلول محلول كبريتات الخارصين عديم اللون.

فكّر: ماذا لو غمرنا ساق نحاس في محلول كبريتات الخارصين؟ لا يحدث تفاعل؛ لأن النحاس أقل نشاطًا من الخارصين ولا يستطيع أن يحلّ محله.

تطبيق من الحياة: تلميع الفضة.

• تفقد الأدوات الفضية بريقها بمرور الوقت لتكوّن طبقة داكنة على سطحها.
• تُعاد لمعتها بوضعها مع قطعة من ورق الألومنيوم في ماء مغلي مضاف إليه بيكربونات الصوديوم؛
• إذ يتفاعل الألومنيوم (الأنشط) مع مركب الفضة الذي كوّن الطبقة الداكنة فتعود الفضة نظيفة.