تقويم الفصل 4 - كتاب الكيمياء - الصف 12 - الفصل 1 - المملكة العربية السعودية

سؤال 90: 90. الكتابة في الكيمياء السفن الغارقة كشفت دراسة سفينة التيتانك الغارقة في المحيط مجالاً لاحتمال أن سبب تلف الهيكل الحديدي يعود جزئيًا إلى وجود بيئات ملائمة للصدأ. ابحث كيف يؤدي هذا النشاط الحيوي إلى تأكسد الحديد، واكتب مقالاً تصف فيه دور المجتمعات الملائمة للصدأ في تدمير التيتانك.

الإجابة: س 90: في حطام التيتانك يتكون غشاء حيوي (Biofilm) يسرع التآكل: - اختلاف تركيز الأكسجين يخلق خلايا تآكل (جلفانية). - المنطقة الأقل أكسجينا تصبح آنودًا فيتأكسد الحديد. - تتكون تراكيب صدئية (rusticles) تسحب الحديد وتضعفه. - نشاط الميكروبات يزيد التآكل الحفري. الخلاصة: النشاط الحيوي يخلق ظروفًا كهروكيميائية تسرع الصدأ.

خطوات الحل:

1. **الشرح:** هذا السؤال يتناول كيف تساهم الكائنات الحية الدقيقة في تسريع عملية تآكل الحديد في السفن الغارقة مثل التيتانك. الفكرة الأساسية هي أن الميكروبات تشكل غشاء حيوياً (Biofilm) على سطح الحديد تحت الماء. هذا الغشاء الحيوي يخلق بيئات صغيرة مختلفة التركيز، خاصةً في كمية الأكسجين. المناطق التي يقل فيها الأكسجين تحت الغشاء تصبح قطعة الأنود (القطب الموجب) في خلية تآكل جلفانية مصغرة، مما يؤدي إلى أكسدة الحديد (تآكله). بالتوازي، في المناطق الغنية بالأكسجين يحدث اختزال للأكسجين. هذا الفرق في الجهود الكهربائية يولد تياراً كهربائياً يسحب أيونات الحديد من الهيكل. مع الوقت، تتشكل هياكل صدئة طويلة تشبه الأصابع (rusticles) تضعف البنية المعدنية وتسبب انهيارها. نشاط الميكروبات أيضاً يزيد من حموضة الوسط المحلي أو ينتج نواتج استقلابية تسرع التفاعل. إذن، النشاط الحيوي هو محفز رئيسي يحول الصدء البطيء إلى عملية تدمير سريعة ومنظمة.

سؤال 91: 91. العملات المعدنية الأثرية: تتعرض العملات المعدنية الأثرية لعمليات الصدأ الذي ينتج عن تفاعل المعدن مع الأكسجين في وجود الرطوبة وعوامل مساعدة أخرى. ابحث عن المواد التي صيغت منها العملات المعدنية، ولماذا تآكلت بصورة سيئة جدًا؟ اكتب تقريرًا تفسّر فيه العمليات الكيميائية التي حدثت وجعلت العملات المعدنية الأثرية تبدو في هذه الصورة.

الإجابة: س 91: تتآكل العملات لأن بيئتها تحولها لخلية تآكل: - الآنود: يتأكسد المعدن (نحاس/حديد). - الكاثود: يختزل الأكسجين بوجود الماء والملوثات. - تتكون طبقات تآكل (صدأ، ملاكايت، كبريتيدات). - وجود الكلوريدات (مرض البرونز) يسبب تآكلاً حفريًا شديدًا وتفتت العملة.

خطوات الحل:

1. **الشرح:** تصنع العملات المعدنية عادة من سبائك معدنية مثل البرونز (نحاس وقصدير) أو النحاس أو الفضة. يحدث تآكلها السيء بسبب الظروف البيئية التي دفنت فيها، مثل التربة الرطبة أو قاع البحر، والتي تحولها إلى خلايا كهروكيميائية صغيرة. العملة نفسها تحتوي على مناطق مختلفة في التركيب أو الشوائب، فتصبح إحداها الآنود (حيث يحدث الأكسدة وفقدان الإلكترونات) والأخرى الكاثود (حيث يحدث اختزال للأكسجين بوجود الرطوبة). تتفاعل أيونات المعدن المؤكسدة مع أيونات الكلوريد أو الكربونات أو الكبريتيد الموجودة في البيئة لتكون مركبات جديدة مثل الأكاسيد (الصدأ) أو الكربونات (مثل الملاكايت الأخضر على النحاس) أو الكبريتيدات السوداء. وجود أيونات الكلوريد بشكل خاص (مثل مرض البرونز) خطير؛ لأنها تسبب تآكلاً حفرياً شديداً (حفر صغيرة عميقة) وتكوين مركبات قابلة للتمدد داخل بنية المعدن، مما يؤدي في النهاية إلى تشقق العملة وتفتتها. هذه التفاعلات الكيميائية والكهروكيميائية مجتمعة هي التي تعطي العملات الأثرية مظهرها التالف والمغطى بالقشور والفتات.

سؤال 92: أسئلة المستندات التفاعلات البيولوجية الكهروكيميائية: يتضمن الجدول 2-4 قائمة بجهود الاختزال القياسية لبعض التفاعلات الحيوية المهمة، ويعد الأكسجين أقوى العوامل المؤكسدة الموجودة في الأنظمة الحيوية. تأمل تأكسد مادة نيكوتين أميد - أدنين - ثنائي النيوكليوتيد (NADH) المختزلة بواسطة جزيء أكسجين، والذي يمكن تمثيله على النحو الآتي: $2NADH + 2H^+_{(aq)} + O_{2(g)} \rightarrow 2NAD^+ + 2H_2O_{(l)}$ 92. اكتب نصفي التفاعل اللذين يحدثان في هذا التفاعل.

الإجابة: س 92: نصفا التفاعل: أكسدة: $2NADH \rightarrow 2NAD^+ + 2H^+ + 4e^-$ اختزال: $O_2 + 4H^+ + 4e^- \rightarrow 2H_2O$

خطوات الحل:

1. **الخطوة 1 (تحليل التفاعل):** لدينا المعادلة الكلية: $2NADH + 2H^+_{(aq)} + O_{2(g)} \rightarrow 2NAD^+ + 2H_2O_{(l)}$ نلاحظ أن جزيء $NADH$ يفقد إلكترونات ويتحول إلى $NAD^+$ (عملية أكسدة). بينما جزيء الأكسجين $O_2$ يكتسب إلكترونات ويتحول إلى ماء $H_2O$ (عملية اختزال).
2. **الخطوة 2 (كتابة نصفي التفاعل):** للكتابة الصحيحة، يجب موازنة كل نصف تفاعل بالنسبة للذرات والشحنة باستخدام الإلكترونات. - **نصف تفاعل الأكسدة (فقدان الإلكترونات)**: $$2NADH \rightarrow 2NAD^+ + 2H^+ + 4e^-$$ - **نصف تفاعل الاختزال (اكتساب الإلكترونات)**: $$O_2 + 4H^+ + 4e^- \rightarrow 2H_2O$$
3. **الخطوة 3 (النتيجة):** إذن، نصفا التفاعل هما كما هو مطلوب.

سؤال 93: 93. احسب جهد الخلية لهذا التفاعل باستعمال الجدولين 4-1 و 4-2.

الإجابة: بالاعتماد على الجدولين $E_{cell}^\circ = 0.8147 - (-0.320) = 1.13 V$

خطوات الحل:

1. **الخطوة 1 (المعطيات والقانون):** من الجدولين 4-1 و 4-2 نستخرج جهود الاختزال القياسية ($E^{\circ}$) لنصفي التفاعل. - **لنصف تفاعل الاختزال (الكاثود)**: $O_2 + 4H^+ + 4e^- \rightarrow 2H_2O$، وقيمته $E^{\circ} = \pu{0.8147 V}$. - **لنصف تفاعل الأكسدة (الأنود)**: $NADH \rightarrow NAD^+ + H^+ + 2e^-$، وقيمته $E^{\circ} = \pu{-0.320 V}$ (ولكننا نحتاج لعكس اتجاهه لأننا نعتبره أكسدة). نستخدم قانون جهد الخلية القياسي: $$E^{\circ}_{\text{خلية}} = E^{\circ}_{\text{كاثود (اختزال)}} - E^{\circ}_{\text{أنود (أكسدة)}}$$
2. **الخطوة 2 (التعويض):** نعوض بالقيم مباشرة: $$E^{\circ}_{\text{خلية}} = 0.8147 - (-0.320)$$
3. **الخطوة 3 (الحساب):** $$E^{\circ}_{\text{خلية}} = 0.8147 + 0.320 = 1.1347 \ \pu{V}$$ عادةً تُقرّب النتيجة حسب الأرقام المعطاة في السؤال أو الجدول.
4. **الخطوة 4 (النتيجة):** إذن، جهد الخلية القياسي لهذا التفاعل هو **1.13 فولت تقريباً** (أو 1.1347 فولت).

سؤال 94: 94. هل يستطيع $NAD^+$ أكسدة $Fe^{2+}$ إلى $Fe^{3+}$؟ فسر إجابتك.

الإجابة: س 94: لا، لا يستطيع. لأن جهد الخلية سيكون سالبًا (تفاعل غير تلقائي): $E_{cell}^\circ = (-0.320) - (0.769) = -1.089 V$ لذا $NAD^+$ ليس عاملاً مؤكسدًا قويًا بما يكفي.

خطوات الحل:

1. **الخطوة 1 (المفهوم):** لكي يكون تفاعل الأكسدة والاختزال تلقائياً، يجب أن يكون جهد الخلية الكلي موجباً ($E^{\circ}_{\text{خلية}} > 0$). هذا يعني أن العامل المؤكسد (هنا $NAD^+$) يجب أن يكون له جهد اختزال أعلى من العامل المؤكسد في التفاعل المقابل (أكسدة $Fe^{2+}$).
2. **الخطوة 2 (التطبيق والتحليل):** التفاعل المقترح هو: $NAD^+ + Fe^{2+} \rightarrow NADH + Fe^{3+}$ - نصف تفاعل الاختزال (لـ $NAD^+$): $NAD^+ + H^+ + 2e^- \rightarrow NADH$ و $E^{\circ} = \pu{-0.320 V}$. - نصف تفاعل الأكسدة (لـ $Fe^{2+}$): $Fe^{2+} \rightarrow Fe^{3+} + e^-$، وجهد اختزال $Fe^{3+}/Fe^{2+}$ من الجدول هو $\pu{0.769 V}$، لذا عند عكسه لأكسدة $Fe^{2+}$ تصبح قيمته $-0.769 \ \pu{V}$. نحسب جهد الخلية: $$E^{\circ}_{\text{خلية}} = E^{\circ}_{\text{كاثود}} - E^{\circ}_{\text{أنود}} = (-0.320) - (0.769) = -1.089 \ \pu{V}$$
3. **الخطوة 3 (النتيجة والتفسير):** بما أن جهد الخلية الناتج **سالب** ($-1.089 \ \pu{V}$)، فهذا يعني أن التفاعل **غير تلقائي** في الظروف القياسية. لذلك، $NAD^+$ **لا يستطيع** أكسدة $Fe^{2+}$ إلى $Fe^{3+}$، لأنه ليس عاملاً مؤكسداً قوياً بما يكفي مقارنة بنظام $Fe^{3+}/Fe^{2+}$.

اكتب نصفي التفاعل اللذين يحدثان في تفاعل أكسدة NADH بواسطة الأكسجين: 2NADH + 2H⁺(aq) + O₂(g) → 2NAD⁺ + 2H₂O(l)

الإجابة: نصف تفاعل الأكسدة: NADH → NAD⁺ + H⁺ + 2e⁻ نصف تفاعل الاختزال: O₂ + 4H⁺ + 4e⁻ → 2H₂O

الشرح: في التفاعل الكلي، يتأكسد NADH إلى NAD⁺ (يفقد إلكترونات) ويختزل O₂ إلى H₂O (يكتسب إلكترونات). يجب موازنة الإلكترونات بين نصفي التفاعل.

تلميح: قسّم التفاعل الكلي إلى تفاعلين: أحدهما يفقد الإلكترونات (أكسدة) والآخر يكتسبها (اختزال).

التصنيف: صيغة/خطوات | المستوى: متوسط

ما هو جهد الاختزال القياسي (E°) لتفاعل اختزال NAD⁺ إلى NADH؟

الإجابة: -0.320 فولت

الشرح: يظهر الجدول 2-4 قيمة E° لتفاعل اختزال NAD⁺ إلى NADH بوضوح.

تلميح: ابحث في الجدول عن التفاعل الذي يحتوي على NAD⁺ و NADH.

التصنيف: رقم/تاريخ | المستوى: سهل

ما هو جهد الاختزال القياسي (E°) لتفاعل اختزال الأكسجين إلى الماء؟

الإجابة: +0.8147 فولت

الشرح: يظهر الجدول 2-4 قيمة E° لتفاعل اختزال الأكسجين بوضوح، وهو أعلى قيمة في الجدول مما يجعله أقوى عامل مؤكسد.

تلميح: ابحث في الجدول عن التفاعل الذي يحتوي على O₂ و H₂O.

التصنيف: رقم/تاريخ | المستوى: سهل

احسب جهد الخلية القياسي (E°cell) لتفاعل أكسدة NADH بواسطة الأكسجين: 2NADH + 2H⁺ + O₂ → 2NAD⁺ + 2H₂O

الإجابة: +1.1347 فولت

الشرح: نصف تفاعل الاختزال (الكاثود) هو O₂ → H₂O و E° = +0.8147 V. نصف تفاعل الأكسدة (الأنود) هو NADH → NAD⁺، وهو عكس تفاعل الاختزال في الجدول، لذا E° للأكسدة = -(-0.320) = +0.320 V. جهد الخلية = 0.8147 - (-0.320) = +1.1347 V.

تلميح: تذكر أن جهد الخلية = جهد الاختزال للكاثود (نصف تفاعل الاختزال) - جهد الاختزال للأنود (نصف تفاعل الأكسدة).

التصنيف: صيغة/خطوات | المستوى: صعب

هل يستطيع NAD⁺ أكسدة Fe²⁺ إلى Fe³⁺؟ فسر إجابتك بناءً على جهود الاختزال القياسية.

الإجابة: لا، لا يستطيع NAD⁺ أكسدة Fe²⁺ إلى Fe³⁺.

الشرح: لكي يكون NAD⁺ قادراً على أكسدة Fe²⁺، يجب أن يكون جهد اختزال NAD⁺/NADH أكبر من جهد اختزال Fe³⁺/Fe²⁺. جهد اختزال NAD⁺/NADH هو -0.320 V، وجهد اختزال Fe³⁺/Fe²⁺ هو +0.769 V. بما أن -0.320 < +0.769، فإن NAD⁺ عامل مؤكسد أضعف من Fe³⁺، وبالتالي لا يمكنه أكسدة Fe²⁺.

تلميح: قارن بين جهد الاختزال القياسي لتفاعل اختزال NAD⁺ وجهد اختزال Fe³⁺.

التصنيف: تفكير ناقد | المستوى: متوسط