الوحدة الأولى - الدرس 3: المجموعات الرئيسية بالجدول الدوري (الأقلاء 1A، الهالوجينات 7A، والغازات الخاملة 18 واستخداماتها الاقتصادية والتكنولوجية)
تحظى دراسة المجموعات الرئيسية بالجدول الدوري الحديث بأهمية علمية وتطبيقية بالغة، حيث تجسد كل مجموعة عائلة كيميائية فريدة تتشابه في سلوكها وتتدرج في نشاطها وتطبيقاتها الحياتية والصناعية. فتبدأ الرحلة بمجموعة فلزات الأقلاء 1A ذات الكثافة المنخفضة والنشاط الكيميائي الفائق وتفاعلها العنيف مع الماء لإنتاج محاليل قلوية وغاز الهيدروجين، مما يستوجب حفظها تحت أسطح الكيروسين أو البرافين لمنع تفاعلها مع رطوبة الهواء. وتقابلها في أقصى اليمين مجموعة الهالوجينات 7A كأنشط اللافلزات أحادية التكافؤ التي توجد في صورة جزيئات ثنائية الذرة وتحل محل بعضها في أملاحها وفق تسلسل النشاط. وتختتم المجموعات بالغازات الخاملة 18 وتطبيقاتها التكنولوجية الرائدة كاستخدام النيتروجين المسال والصوديوم السائل والكوبالت-60 وفق المعايير الوزارية المعتمدة.
1. مجموعة فلزات الأقلاء (المجموعة 1A)
تقع أقصى يسار الجدول في الفئة s، وتضم: Li، Na، K، Rb، Cs:
- الخواص الفيزيائية: جيدة التوصيل للحرارة والكهرباء، لها بريق معدني، معظمها منخفض الكثافة (الليثيوم والصوديوم والبوتاسيوم تطفو فوق الماء).
- أحادية التكافؤ: لاحتواء مستوى طاقتها الخارجي على إلكترون واحد تفقده مكونة أيونات موجبة (+1).
- نشطة كيميائياً جداً: تُحفظ تحت سطح الكيروسين أو زيت البرافين لمنع تفاعلها مع الهواء الجوي الرطب.
- التفاعل مع الماء: تتفاعل بعنف مكونة محاليل قلوية (لذا سميت بالأقلاء) ويتصاعد الهيدروجين الذي يشتعل بفرقعة بفعل حرارة التفاعل:
2Na + 2H₂O ➔ 2NaOH + H₂ ↑
2K + 2H₂O ➔ 2KOH + H₂ ↑(تفاعل البوتاسيوم أكثر عنفاً من الصوديوم). - تدرج النشاط: يزداد النشاط بالنزول لأسفل لزيادة الحجم الذري، والسيزيوم Cs أنشط الفلزات جميعاً.
2. مجموعة الهالوجينات (المجموعة 7A)
تقع في الفئة p يمين الجدول الدوري، وتضم: F، Cl، Br، I (بالإضافة للإستاتين At المحضر صناعياً):
- التسمية (مكونات الأملاح): تتفاعل مع الفلزات مكونة أملاحاً:
2K + Br₂ ➔ 2KBr. - أحادية التكافؤ: لاحتواء مستواها الخارجي على 7 إلكترونات تميل لاكتساب إلكترون واحد وتكوين أيونات سالبة (-1).
- جزيئات ثنائية الذرة: توجد في صورة
F₂، Cl₂، Br₂، I₂، وهي نشطة لا توجد منفردة في الطبيعة. - تدرج الحالة الفيزيائية: الفلور والكلور غازات، البروم سائل (السائل اللافلزي الوحيد)، واليود صلب.
- تفاعلات الإحلال: يحل كل هالوجين محل الهالوجين الذي يليه في محاليل أملاحه:
Cl₂ + 2KBr ➔ 2KCl + Br₂
Br₂ + 2KI ➔ 2KBr + I₂.
3. مجموعة الغازات الخاملة (المجموعة 18)
تقع أقصى يمين الفئة p، وتضم: He، Ne، Ar، Kr، Xe، Rn:
- التكافؤ صفر: لاكتمال مستوى طاقتها الخارجي بـ 8 إلكترونات (باستثناء الهيليوم الذي يكتمل بإلكترونين في المستوى K).
- الخمول الكيميائي: جزيئاتها أحادية الذرة، ولا تشترك في التفاعلات الكيميائية في الظروف العادية ولا تكون أيونات.
4. الاستخدامات التكنولوجية والاقتصادية للفلزات
| العنصر | الاستخدام التكنولوجي | السبب العلمي |
|---|---|---|
| الصوديوم المسال | نقل الحرارة من قلب المفاعل النووي إلى خارجه لتوليد الكهرباء | فلز سائل جيد التوصيل للحرارة |
| السيليكون (شرائح) | تصنيع أجهزة الكمبيوتر والدوائر الإلكترونية | شبه موصل يتوقف توصيله على درجة الحرارة |
| النيتروجين المسال | حفظ قرنية العين | لانخفاض درجة غليانه إلى -196°م |
| الكوبالت-60 المشع | حفظ الأغذية المعلبة | يصدر أشعة جاما التي تمنع تكاثر الجراثيم دون ضرر بالإنسان |
تمرين 1: علل حفظ الصوديوم تحت الكيروسين
المسألة: علل: يُحفظ عنصرا الصوديوم والبوتاسيوم تحت سطح الكيروسين ولا يحفظ الليثيوم في الكيروسين بل في البرافين.
• يُحفظ الصوديوم والبوتاسيوم تحت الكيروسين لمنع تفاعلهما مع أكسجين الهواء الجوي الرطب لنشاطهما الفائق.
• لا يحفظ الليثيوم في الكيروسين لأن كثافته أقل من كثافة الكيروسين فيطفو فوقه ويشتعل فوراً، لذا يحفظ في زيت البرافين.
تمرين 2: تفاعل إحلال في الهالوجينات
المسألة: وضح بالمعادلة ماذا يحدث عند إمرار غاز الكلور في محلول بروميد البوتاسيوم.
• الكلور أنشط من البروم ويسبقه في مجموعة الهالوجينات، فيحل محله في محلول ملحه.
• المعادلة: Cl₂ + 2KBr ➔ 2KCl + Br₂ (ينفصل البروم).
تمرين 3: تفاعل اليود مع كلوريد البوتاسيوم
المسألة: ماذا يحدث عند إضافة اليود إلى محلول كلوريد البوتاسيوم؟
• لا يحدث تفاعل؛ لأن اليود يلي الكلور في المجموعة وأقل منه نشاطاً كيميائياً فلا يمكنه أن يحل محله.
تمرين 4: تفسير تسمية الأقلاء
المسألة: علل: تُسمى عناصر المجموعة 1A بفلزات الأقلاء.
• لأنها تتفاعل مع الماء مكونة محاليل قلوية تزرق صبغة عباد الشمس، وفق المعادلة: 2Na + 2H₂O ➔ 2NaOH + H₂.
تمرين 5: إطفاء حرائق الصوديوم
المسألة: علل: لا تُطفأ حرائق الصوديوم بالماء مطلقاً.
• لأن الصوديوم يتفاعل بشدة مع الماء ويتصاعد غاز الهيدروجين الذي يشتعل بفرقعة شديدة بفعل حرارة التفاعل مما يزيد الحريق اشتعالاً (تُطفأ بالرمل).
تمرين 6: دور أشعة جاما من الكوبالت-60
المسألة: ما الأساس العلمي لاستخدام الكوبالت-60 المشع في حفظ الأغذية؟
• تصدر عنه أشعة جاما التي تتميز بقدرتها الفائقة على إبادة ومنع تكاثر خلايا الجراثيم والميكروبات دون أن تترك أي أثر إشعاعي ضار على صحة المستهلك.
تمرين 7: سبب حفظ قرنية العين في النيتروجين المسال
المسألة: علل: يُستخدم النيتروجين المسال في حفظ قرنية العين.
• لانخفاض درجة غليانه الشديدة والتي تصل إلى -196°م، مما يضمن التجميد الفوري وحماية أنسجة وخلايا القرنية من التلف.
تمرين 8: الحالة الفيزيائية للهالوجينات
المسألة: اذكر الحالة الفيزيائية لكل من: الفلور، البروم، اليود عند درجة الحرارة العادية.
• الفلور: غاز.
• البروم: سائل أحمر.
• اليود: مادة صلبة بنفسجية.
اضغط على أي بطاقة لاكتشاف المعنى الدقيق، واضغط على أيقونة الصوت للاستماع للنطق:
اضغط على الإجابة لتتحقق من فهمك وتكتشف التفسير النموذجي فورياً: