ملخص الكيمياء تانية ثانوي، الترم التاني الكربون والسيليكون ومركباتهما

أهداف التعلم

1. التعرف على العناصر الكربون (C) والسيليكون (Si) وتحديد موقعهما في الجدول الدوري.
2. وصف الأشكال الأصلية (الألوتروپات) لكل من الكربون والسيليكون.
3. توضيح الخواص الفيزيائية والكيميائية لأول أكسيد الكربون (CO) وثاني أكسيد الكربون (CO₂).
4. شرح طرق تحضير مركبات الكربون (CO، CO₂) ومركبات السيليكون (Si، SiO₂، Na₂SiO₃، السيليكا جل).
5. ربط الخواص الكيميائية للمواد بتطبيقاتها اليومية (الهواتف الذكية، الزجاج، مواد البناء، عبوات الجفاف).
6. تحليل مخاطر أول أكسيد الكربون وإجراءات الوقاية.
7. حل مسائل تطبيقية تتضمن حسابات المولات، النسب المتكافئة، وتحديد نوع التفاعل (أكسدة‑اختزال، احتراق غير كامل، إلخ).

---

المصطلحات والتعريفات الكيميائية

---

التفاعلات والمعادلات الكيميائية

1. تحضير أول أكسيد الكربون من حمض الفورميك

HCOOH → CO + H₂O

نوع التفاعل: تحلل (تحلل حمض الفورميك).
الشروط: حمض الفورميك يُجفف باستخدام حمض الكبريتيك المركز.
الملاحظة: ينتج غاز عديم اللون والرائحة، يُشتعل بلهب أزرق باهت.

2. اختزال أكاسيد الفلزات بالكربون (عامل مختزل)

مثال: اختزال أكسيد الحديد (III)

Fe₂O₃ + 3CO → 2Fe + 3CO₂

نوع التفاعل: أكسدة‑اختزال (اختزال أكسيد الحديد، أكسدة الكربون).
الشروط: درجات حرارة مرتفعة.
الملاحظة: يتحول اللون من بني إلى رمادي معدني (الحديد).

3. تحضير ثاني أكسيد الكربون من تفاعل حمض الهيدروكلوريك مع الحجر الجيري

CaCO₃ + 2HCl → CaCl₂ + H₂O + CO₂

نوع التفاعل: تفاعل احتراق/تحلل.
الشروط: حمض هيدروكلوريك مخفف.
الملاحظة: غاز CO₂ عديم اللون، يسبب غيّارًا أبيض عند مروره عبر محلول هيدروكسيد الكالسيوم (الماء الجير).

4. اختبار ثاني أكسيد الكربون بالماء الجير

CO₂ + Ca(OH)₂ → CaCO₃↓ + H₂O

نوع التفاعل: ترسيب.
الشروط: ماء جير رائق.
الملاحظة: تكوّن راسب أبيض (كربونات الكالسيوم) يوضح وجود CO₂.

5. تحضير السيليكون من ثاني أكسيد السيليكون والكربون (اختزال)

SiO₂ + 2C → Si + 2CO

نوع التفاعل: اختزال (كربون عامل مختزل).
الشروط: فرن كهربائي، درجات حرارة عالية.
الملاحظة: ينتج سيليكون صلب بلوري، غاز CO عديم اللون.

6. تحضير سيليكات الصوديوم

SiO₂ + 2NaOH → Na₂SiO₃ + H₂O

أو باستخدام كربونات الصوديوم

SiO₂ + Na₂CO₃ → Na₂SiO₃ + CO₂

نوع التفاعل: اتحاد.
الشروط: تسخين.
الملاحظة: ينتج محلول لزج (زجاج مائي) عند إذابته في ماء.

7. تكوين السيليكا جل من سيليكات الصوديوم وحمض الهيدروكلوريك

Na₂SiO₃ + 2HCl → H₂SiO₃↓ + 2NaCl

ثم تجفيف الهلام لتكوين السيليكا جل المسامي.
نوع التفاعل: ترسيب.
الشروط: إضافة حمض ثم تجفيف.
الملاحظة: مادة صلبة مسامية ذات مساحة سطحية كبيرة، تمتص الرطوبة.

8. تفاعل أول أكسيد الكربون مع الهيموجلوبين (تكوين كربوكسي هيموجلوبين) – توضيح بيولوجي

CO + HbO₂ → HbCO + O₂

نوع التفاعل: ارتباط كيميائي (تبديل الأكسجين).
الملاحظة: يقلل قدرة الدم على نقل الأكسجين، ما يؤدي إلى التسمم.

---

قوانين رياضية ذات صلة

n = m ÷ M

حيث: n = عدد المولات، m = الكتلة (غ)، M = الكتلة المولية (غ/مول).

pH = -log[H⁺]

حيث: [H⁺] تركيز أيون الهيدروجين (مول/ل).

ΔT = Q ÷ (m × c)

حيث: ΔT = تغير درجة الحرارة (°C)، Q = كمية الحرارة (جول)، m = الكتلة (غ)، c = السعة الحرارية النوعية (ج/غ·°C).

---

الخواص والتركيب (الموضوع الأول)

---

التطبيقات والاستخدامات (الموضوع الثاني)

1. ثاني أكسيد الكربون (CO₂)

   • الزراعة: يُستخدم في البيوت الزجاجية لتعزيز عملية التمثيل الضوئي.
   • المشروبات الغازية: يُذاب في الماء لإنتاج المشروبات الفوارة.
   • المواد البنائية: يُستعمل في إنتاج صبغات وأسمنت.
   • الثلج الجاف: CO₂ الصلب يُستعمل لتبريد سريع.

2. أول أكسيد الكربون (CO)

   • المختبرات: يُستعمل كغاز مختزل في تفاعلات اختزال أكاسيد الفلزات.
   • الصناعة: يُستعمل في إنتاج الحديد الصلب (الحدادة).
   • التحذير: سُمّية شديدة؛ تحتاج إلى كاشف CO وتهوية جيدة.

3. السيليكون (Si)

   • الإلكترونيات: يُصنع منه شرائح السيليكون (أشباه الموصلات) في الحواسيب والهواتف.
   • الزجاج: SiO₂ هو المكوّن الأساسي للزجاج العادي.
   • المواد العازلة: يُستعمل في عوازل كهربائية.

4. سيليكات الصوديوم (Na₂SiO₃)

   • الخرسانة: يُضاف لتحسين مقاومة الماء.
   • الزجاج المائي: يُستعمل في تصنيع الزجاج الصناعي.

5. السيليكا جل

   • حفظ الجفاف: تُوضع في عبوات “Do Not Eat” داخل الأحذية والأجهزة لمنع الرطوبة.
   • الامتزاز: تُستعمل في تنقية الهواء وإزالة الروائح.

---

جدول مقارنة

---

مسائل محلولة

مسألة 1

المعطى: 100 g من حمض الفورميك (HCOOH) يُجفف باستخدام حمض الكبريتيك المركز لإنتاج CO. احسب عدد المولات المتكونة من CO.

الحل:
الكتلة المولية لـ HCOOH = 46 g/مول.
عدد المولات = 100 g ÷ 46 g/مول ≈ 2.17 mol.
من المعادلة HCOOH → CO + H₂O، كل مول من HCOOH يعطي مولًا واحدًا من CO.
إذن عدد مولات CO = 2.17 mol.

مسألة 2

المعطى: تمرير 0.5 L من غاز CO₂ (عند 25 °C و 1 atm) عبر محلول ماء جير (Ca(OH)₂). احسب كتلة راسب CaCO₃ المتكون.

الخطوات:

1. حساب عدد المولات باستخدام قانون الغاز المثالي:
   n = P V ÷ (R T)
   حيث P = 1 atm، V = 0.5 L, R = 0.0821 L·atm mol⁻¹·K⁻¹, T = 298 K.
   n = (1 × 0.5) ÷ (0.0821 × 298) ≈ 0.0204 mol.

2. من المعادلة CO₂ + Ca(OH)₂ → CaCO₃↓ + H₂O، كل مول من CO₂ ينتج مولًا واحدًا من CaCO₃.

3. الكتلة المولية لـ CaCO₃ = 100 g/مول.

4. الكتلة = 0.0204 mol × 100 g/mol ≈ 2.04 g.

النتيجة: يتكوّن راسب CaCO₃ بكتلة ≈ 2.04 g.

---

تنبيهات الامتحان (أخطاء شائعة)

1. خلط صيغ CO و CO₂ – يجب كتابة الصيغ الفرعية بدقة (CO وليس C O).
2. إهمال شرط التهوية عند احتراق الفحم – سؤال الامتحان قد يطلب ذكر خطر تراكم CO.
3. خطأ في كتابة معادلة اختزال SiO₂ – الصيغة الصحيحة هي SiO₂ + 2C → Si + 2CO.
4. استخدام وحدات غير صحيحة في حساب المولات – يجب دائمًا تحويل الكتلة إلى جرام واستخدام الكتلة المولية بالجرام/مول.

---

قائمة المراجعة (ما لا بد منه قبل الامتحان)

1. حفظ موقع الكربون والسيليكون في الجدول الدوري (المجموعة 14).
2. معرفة الألوتروپات الثلاثة للكربون (ماس، جرافيت، فوليرين).
3. تمييز خصائص CO (سُمّية، شحيح الذوبان) و CO₂ (ضعف الحموضة، غير سامة).
4. كتابة معادلات تحضير CO و CO₂ من النص بدقة.
5. فهم دور الكربون كعامل مختزل في تفاعلات أكسدة‑اختزال.
6. معرفة طريقة تحضير السيليكون من SiO₂ والكربون.
7. تمييز سيليكات الصوديوم (Na₂SiO₃) واستخداماتها.
8. شرح آلية عمل السيليكا جل (امتزاز الرطوبة).
9. معرفة مخاطر أول أكسيد الكربون وإجراءات الوقاية (تهوية، كاشف CO).
10. القدرة على حساب المولات من الكتلة أو الحجم (قانون الغاز المثالي).
11. معرفة اختبار الماء الجير لتحديد وجود CO₂.
12. تذكر أن السيليكون يُستعمل في صناعة أشباه الموصلات.
13. مراجعة جدول المقارنة بين المركبات الأربعة.
14. حل المسائل التطبيقية المتعلقة بالتحضير والاختبار.
15. مراجعة القواعد العامة للكتابة الكيميائية (الرموز، السهم، الأعداد السفلية).

---

جميع المعادلات دفعة واحدة

HCOOH → CO + H₂O
Fe₂O₃ + 3CO → 2Fe + 3CO₂
CaCO₃ + 2HCl → CaCl₂ + H₂O + CO₂
CO₂ + Ca(OH)₂ → CaCO₃↓ + H₂O
SiO₂ + 2C → Si + 2CO
SiO₂ + 2NaOH → Na₂SiO₃ + H₂O
SiO₂ + Na₂CO₃ → Na₂SiO₃ + CO₂
Na₂SiO₃ + 2HCl → H₂SiO₃↓ + 2NaCl
CO + HbO₂ → HbCO + O₂

n = m ÷ M
pH = -log[H⁺]
ΔT = Q ÷ (m × c)

---

بالتوفيق في امتحاناتك!