مختبر الكيمياء - كتاب الكيمياء - الصف 11 - الفصل 2 - المملكة العربية السعودية

سؤال س: السؤال أي نوع من غازات الألكانات يستعمل في مختبر العلوم؟

الإجابة: س: أي نوع من غازات الألكانات... الغاز الطبيعي (الميثان $CH_4$).

خطوات الحل:

1. **الشرح:** لنفهم هذا السؤال. الألكانات هي هيدروكربونات مشبعة، وأبسطها هو الميثان. في مختبر العلوم، نحتاج لغاز آمن وسهل التعامل معه لإجراء التجارب. غاز الميثان (CH₄) هو الغاز الطبيعي الرئيسي، وهو خفيف وغير سام نسبيًا مقارنة بغازات ألكانات أخرى أثقل أو أكثر تعقيدًا. لذلك، هو الأنسب للاستخدام التعليمي الآمن في المختبرات المدرسية. إذن الإجابة هي: **الغاز الطبيعي (الميثان CH₄)**.

سؤال س1: حل واستنتج 1. جد قيمة كثافة الهواء تحت 1 atm ودرجة حرارة 20 °C تساوي 1.205 g/L. واستعمل حجم القارورة لحساب كتلة الهواء في الزجاجة.

الإجابة: س1: $m_{air} = 1.205 \times V$

خطوات الحل:

1. **الخطوة 1 (المعطيات):** لنحدد ما لدينا: - كثافة الهواء: ρ = 1.205 g/L - حجم القارورة: V (هذا المعطى يجب أن يكون موجودًا في التجربة، لنفترض أننا نعرفه) - المطلوب: كتلة الهواء في الزجاجة (m_air)
2. **الخطوة 2 (القانون):** نستخدم قانون الكثافة: $$\rho = \frac{m}{V}$$ حيث ρ هي الكثافة، m هي الكتلة، V هو الحجم.
3. **الخطوة 3 (الحل):** بإعادة ترتيب القانون لحساب الكتلة: $$m = \rho \times V$$ نعوض بالقيم: $$m_{air} = 1.205 \times V$$
4. **الخطوة 4 (النتيجة):** إذن كتلة الهواء في الزجاجة = **1.205 × V جرام**، حيث V هو حجم القارورة باللتر.

سؤال مربع-3: 2. احسب كتلة القارورة الفارغة، وكتلة الغاز فيها، واستعمل حجم الغاز ودرجة حرارة الماء والضغط الجوي وقانون الغاز المثالي في حساب عدد مولات الغاز الذي تم جمعه. واستعمل أيضًا كتلة الغاز وعدد المولات في حساب الكتلة المولية للغاز.

الإجابة: $m_{gas} = m_{full} - m_{empty}$ $n = \frac{PV}{RT}, M = \frac{m}{n}$

خطوات الحل:

1. **الخطوة 1 (المعطيات):** لنحدد ما لدينا من قياسات: - كتلة القارورة الفارغة: m_empty - كتلة القارورة الممتلئة بالغاز: m_full - حجم الغاز المجموع: V - درجة حرارة الماء (تي): T (بالكلفن) - الضغط الجوي: P - ثابت الغاز العام: R = 0.0821 L·atm/(mol·K)
2. **الخطوة 2 (حساب كتلة الغاز):** كتلة الغاز = كتلة القارورة الممتلئة - كتلة القارورة الفارغة: $$m_{gas} = m_{full} - m_{empty}$$
3. **الخطوة 3 (حساب عدد مولات الغاز):** نستخدم قانون الغاز المثالي: $$PV = nRT$$ حيث n هو عدد المولات. بإعادة الترتيب: $$n = \frac{PV}{RT}$$
4. **الخطوة 4 (حساب الكتلة المولية):** الكتلة المولية (M) = الكتلة ÷ عدد المولات: $$M = \frac{m_{gas}}{n}$$ بالتعويض عن n من الخطوة السابقة: $$M = \frac{m_{gas}}{\left(\frac{PV}{RT}\right)} = \frac{m_{gas} \cdot RT}{PV}$$

سؤال س3: 3. استنتج كيف تقارن بين الكتلة المولية المحسوبة والكتلة المولية للميثان، والإيثان، والبروبان؟ استنتج نوع الغاز في القارورة.

الإجابة: س3: قارن M مع 16, 30, 44. الأقرب هو الغاز.

خطوات الحل:

1. **الخطوة 1 (المفهوم):** الكتلة المولية هي كتلة مول واحد من المادة، وتُقاس بالجرام/مول. لكل غاز ألكان كتلة مولية محددة: - الميثان (CH₄): 16 g/mol - الإيثان (C₂H₆): 30 g/mol - البروبان (C₃H₈): 44 g/mol
2. **الخطوة 2 (المقارنة):** بعد حساب الكتلة المولية (M) للغاز في التجربة من السؤال السابق، نقارنها مع هذه القيم: - إذا كانت M قريبة من 16، فالغاز هو الميثان. - إذا كانت قريبة من 30، فهو الإيثان. - إذا كانت قريبة من 44، فهو البروبان.
3. **الخطوة 3 (الاستنتاج):** الغاز الذي تكون كتلته المولية المحسوبة أقرب إلى كتلته المولية النظرية هو الغاز الموجود في القارورة. لذلك، نوع الغاز هو **الغاز الذي تكون قيمته M الأقرب إلى القيمة المحسوبة**.

سؤال س4: 4. تحليل الخطأ. اقترح مصادر للأخطاء في هذه التجربة.

الإجابة: س4: أخطاء: تسرب الغاز، بقاء هواء، بخار ماء، اختلاف الحرارة.

خطوات الحل:

1. **الشرح:** في أي تجربة عملية، قد تحدث أخطاء تؤثر على النتائج. هنا، عند جمع غاز وحساب كتلته المولية، من المهم التفكير في مصادر الخطأ المحتملة. أولاً، قد يكون هناك تسرب للغاز أثناء الجمع أو القياس، مما يقلل الكتلة المقاسة. ثانيًا، إذا لم تُفرغ القارورة تمامًا من الهواء قبل التجربة، سيكون الغاز خليطًا وليس نقيًا. ثالثًا، إذا كان الغاز يحتوي على بخار ماء، فهذا يزيد الكتلة المقاسة. رابعًا، اختلاف درجة الحرارة أثناء التجربة عن القيمة المسجلة يؤثر على الحسابات باستخدام قانون الغاز المثالي. إذن، مصادر الخطأ المقترحة هي: **تسرب الغاز، بقاء هواء في القارورة، وجود بخار ماء، واختلاف درجة الحرارة**.

سؤال س: الاستقصاء: الاستقصاء صمم تجربة لاختبار تأثير متغير واحد مثل درجة الحرارة أو الضغط الجوي في نتائج تجربتك.

الإجابة: س: الاستقصاء ج: المستقل: الحرارة. التابع: M. الثوابت: الحجم.

خطوات الحل:

1. **الخطوة 1 (المفهوم):** في تصميم تجربة، نحدد المتغيرات: المتغير المستقل (الذي نغيره)، والمتغير التابع (الذي نقيسه)، والمتغيرات الثابتة (التي نثبتها).
2. **الخطوة 2 (التصميم):** لاختبار تأثير درجة الحرارة: - المتغير المستقل: درجة حرارة الغاز (T). - المتغير التابع: الكتلة المولية المحسوبة (M). - المتغيرات الثابتة: حجم القارورة (V)، نوع الغاز، الضغط الجوي (P). نكرر التجربة عند درجات حرارة مختلفة (مثل 10°C، 20°C، 30°C) ونحسب M لكل حالة.
3. **الخطوة 3 (النتيجة):** بمقارنة قيم M عند درجات حرارة مختلفة، نستنتج تأثير الحرارة على دقة حساب الكتلة المولية. إذا تغيرت M مع تغير T، فهذا يشير إلى خطأ في القياسات أو افتراضات التجربة.

أي نوع من غازات الألكانات يستعمل عادةً في مختبر العلوم المدرسية، ولماذا؟

• أ) البروبان (C₃H₈)؛ لأنه ذو قيمة حرارية عالية ويُستخدم في التدفئة.
• ب) الإيثان (C₂H₆)؛ لأنه وسيط في التفاعلات الكيميائية المعقدة.
• ج) الغاز الطبيعي (الميثان CH₄)؛ لأنه خفيف وآمن نسبياً وسهل التعامل معه في التجارب التعليمية.
• د) البيوتان (C₄H₁₀)؛ لأنه سهل التسييل ويُستخدم في الولاعات.

الإجابة الصحيحة: c

الإجابة: الغاز الطبيعي (الميثان CH₄)؛ لأنه خفيف وآمن نسبياً وسهل التعامل معه في التجارب التعليمية.

الشرح: 1. الألكانات هي هيدروكربونات مشبعة. 2. الميثان (CH₄) هو أبسطها وأخفها. 3. في المختبرات المدرسية، يُفضل استخدام غاز آمن وغير سام نسبياً. 4. الغاز الطبيعي (الميثان) يلبي هذه الشروط، بينما قد تكون غازات ألكانات أخرى أثقل أو أكثر تعقيداً.

تلميح: فكر في أبسط الألكانات وأكثرها شيوعاً وأماناً للاستخدام في بيئة تعليمية.

التصنيف: مفهوم جوهري | المستوى: سهل

ما القانون المستخدم لحساب كتلة الهواء داخل قارورة إذا عُلمت كثافة الهواء وحجم القارورة؟

• أ) V = m / ρ، حيث V الحجم، m الكتلة، ρ الكثافة.
• ب) ρ = m × V، حيث ρ الكثافة، m الكتلة، V الحجم.
• ج) m = ρ × V، حيث m الكتلة، ρ الكثافة، V الحجم.
• د) m = V / ρ، حيث m الكتلة، V الحجم، ρ الكثافة.

الإجابة الصحيحة: c

الإجابة: m = ρ × V، حيث m الكتلة، ρ الكثافة، V الحجم.

الشرح: 1. الكثافة (ρ) تُعرف بأنها الكتلة (m) لكل وحدة حجم (V). 2. القانون الرياضي هو: ρ = m / V. 3. لإيجاد الكتلة، نعيد ترتيب القانون: m = ρ × V. 4. بتطبيقه: كتلة الهواء = كثافة الهواء × حجم القارورة.

تلميح: تذكر العلاقة الأساسية التي تربط بين ثلاث كميات فيزيائية: الكتلة، والحجم، وكثافة المادة.

التصنيف: صيغة/خطوات | المستوى: سهل

ما الخطوات الصحيحة لحساب الكتلة المولية لغاز مجهول باستخدام تجربة جمع الغاز فوق الماء؟

• أ) 1. حساب حجم الغاز مباشرة. 2. حساب الكتلة المولية باستخدام الصيغة M = mRT/PV.
• ب) 1. حساب كتلة الغاز (الفرق بين كتلتي القارورة الممتلئة والفارغة). 2. حساب عدد مولات الغاز باستخدام قانون الغاز المثالي (n=PV/RT). 3. حساب الكتلة المولية (M = كتلة الغاز / عدد المولات).
• ج) 1. حساب كثافة الغاز. 2. مقارنة الكثافة بقيم معروفة لتحديد نوع الغاز.
• د) 1. حساب الضغط الجزئي للغاز. 2. استخدام قانون دالتون للضغوط الجزئية لحساب الكتلة المولية.

الإجابة الصحيحة: b

الإجابة: 1. حساب كتلة الغاز (الفرق بين كتلتي القارورة الممتلئة والفارغة). 2. حساب عدد مولات الغاز باستخدام قانون الغاز المثالي (n=PV/RT). 3. حساب الكتلة المولية (M = كتلة الغاز / عدد المولات).

الشرح: 1. قياس كتلة القارورة الفارغة (m_empty) والممتلئة بالغاز (m_full). 2. كتلة الغاز = m_full - m_empty. 3. باستخدام حجم الغاز (V)، ودرجة الحرارة (T)، والضغط (P)، نحسب عدد المولات (n) من قانون الغاز المثالي: n = PV / RT. 4. أخيراً، الكتلة المولية (M) = كتلة الغاز / n.

تلميح: تتضمن العملية ثلاث حسابات متتالية: كتلة، ثم عدد المولات، ثم الكتلة المولية.

التصنيف: صيغة/خطوات | المستوى: متوسط

إذا حسبت الكتلة المولية لغاز مجهول في التجربة فكانت 31 g/mol، فأي الغازات التالية هو الأقرب إليه؟

• أ) الميثان (CH₄) كتلته المولية 16 g/mol.
• ب) الإيثان (C₂H₆) كتلته المولية 30 g/mol.
• ج) البروبان (C₃H₈) كتلته المولية 44 g/mol.
• د) البيوتان (C₄H₁₀) كتلته المولية 58 g/mol.

الإجابة الصحيحة: b

الإجابة: الإيثان (C₂H₆) كتلته المولية 30 g/mol.

الشرح: 1. الكتل المولية النظرية للألكانات البسيطة هي: الميثان (CH₄) = 16 g/mol، الإيثان (C₂H₆) = 30 g/mol، البروبان (C₃H₈) = 44 g/mol. 2. القيمة المحسوبة (31 g/mol) أقرب إلى 30 g/mol (للإيثان) منها إلى 16 أو 44. 3. الفرق البسيط (1 g/mol) قد يعود لأخطاء تجريبية. 4. لذلك، يُستنتج أن الغاز هو الإيثان.

تلميح: قارن القيمة المحسوبة (31) بالكتل المولية المعروفة للميثان والإيثان والبروبان.

التصنيف: تفكير ناقد | المستوى: متوسط