العودة للمسار
الوحدة 1 • الكيمياء
الباب الأول: العناصر الانتقالية
دليلك الشامل — كل ما تحتاج معرفته في مكان واحد
📚 23 درس
⚡ 575 XP إجمالية
🏆 اختبار وحدة
⏱ ~184 دقيقة
🎯
أهداف التعلم
بعد إتمام هذه الوحدة ستكون قادرًا على:
- ✓ التعرف على عناصر السلسلة الانتقالية الأولى وأهميتها الاقتصادية
- ✓ كتابة التركيب الإلكتروني لعناصر السلسلة الانتقالية الأولى
- ✓ تفسير سهولة أكسدة Fe²⁺ إلى Fe³⁺ وصعوبة ذلك في Mn²⁺
- ✓ تحديد حالات التأكسد المختلفة للعناصر الانتقالية
- ✓ التمييز بين المواد الديامغناطيسية والبارامغناطيسية
- ✓ توضيح العلاقة بين ألوان الأيونات وتركيبها الإلكتروني
- ✓ شرح دور العناصر الانتقالية كعوامل حفز
- ✓ التعرف على خامات الحديد وطرق استخلاصه
- ✓ التمييز بين أنواع السبائك الثلاثة
- ✓ وصف خواص الحديد وأكاسيده الثلاثة
⚛️
ما هي العناصر الانتقالية؟
تحتل العناصر الانتقالية المنطقة الوسطى من الجدول الدوري الطويل، بين عناصر الفئتين (s) و(p). تشمل أكثر من 60 عنصرًا — أي أكثر من نصف العناصر المعروفة.
📖 التعريف الرسمي
العنصر الانتقالي هو العنصر الذي تكون فيه الأوربيتالات d أو f مشغولة ولكن غير ممتلئة، سواء في الحالة الذرية أو في أي حالة من حالات تأكسده.
عنصر انتقالي — مثال
النحاس Cu: في حالة التأكسد (+2) يصبح d⁹ (غير ممتلئ) → عنصر انتقالي
ليس انتقاليًا — مثال
الخارصين Zn: d¹⁰ في الحالة الذرية وفي (+2) → ممتلئ دائمًا → ليس انتقاليًا
🔬
عناصر السلسلة الانتقالية الأولى
تقع في الدورة الرابعة، تبدأ بالسكانديوم (Sc) وتنتهي بالخارصين (Zn). تتميز بامتلاء المستوى الفرعي (3d) تدريجيًا.
Sc
السكانديوم
Z = 21
[Ar] 4s², 3d¹
Ti
التيتانيوم
Z = 22
[Ar] 4s², 3d²
V
الفانديوم
Z = 23
[Ar] 4s², 3d³
Cr
الكروم
Z = 24
[Ar] 4s¹, 3d⁵
Mn
المنجنيز
Z = 25
[Ar] 4s², 3d⁵
Fe
الحديد
Z = 26
[Ar] 4s², 3d⁶
Co
الكوبالت
Z = 27
[Ar] 4s², 3d⁷
Ni
النيكل
Z = 28
[Ar] 4s², 3d⁸
Cu
النحاس
Z = 29
[Ar] 4s¹, 3d¹⁰
Zn
الخارصين
Z = 30
[Ar] 4s², 3d¹⁰
استثناءان مهمان في التركيب الإلكتروني:
• الكروم Cr: التركيب المتوقع [Ar] 4s², 3d⁴ لكن الفعلي [Ar] 4s¹, 3d⁵ — لأن نصف الامتلاء (d⁵) أكثر استقرارًا
• النحاس Cu: التركيب المتوقع [Ar] 4s², 3d⁹ لكن الفعلي [Ar] 4s¹, 3d¹⁰ — لأن التمام (d¹⁰) أكثر استقرارًا
• الكروم Cr: التركيب المتوقع [Ar] 4s², 3d⁴ لكن الفعلي [Ar] 4s¹, 3d⁵ — لأن نصف الامتلاء (d⁵) أكثر استقرارًا
• النحاس Cu: التركيب المتوقع [Ar] 4s², 3d⁹ لكن الفعلي [Ar] 4s¹, 3d¹⁰ — لأن التمام (d¹⁰) أكثر استقرارًا
💎
الأهمية الاقتصادية
| العنصر | الاستخدام الرئيسي | مركب مشهور |
|---|---|---|
| Sc السكانديوم | سبائك الطائرات المقاتلة (الميج) • مصابيح أبخرة الزئبق | Sc₂O₃ |
| Ti التيتانيوم | صناعة الطائرات والمركبات الفضائية • زراعة الأسنان | TiO₂ (حماية من UV) |
| V الفانديوم | زنبرك السيارات (صلب شديد الصلابة) | V₂O₅ (حفاز في صناعة H₂SO₄) |
| Cr الكروم | طلاء المعادن • دباغة الجلود | Cr₂O₃ • K₂Cr₂O₇ (مؤكسد) |
| Mn المنجنيز | سكك حديدية • عبوات مشروبات غازية | MnO₂ • KMnO₄ (مطهر) |
| Fe الحديد | خرسانة مسلحة • أدوات جراحية • حفاز هابر-بوش | Fe₂O₃ • Fe₃O₄ |
| Co الكوبالت | مغناطيسات • بطاريات • Co-60 للأورام | CoO • CoCl₂ |
| Ni النيكل | هدرجة الزيوت • بطاريات قابلة للشحن | NiO • NiSO₄ |
| Cu النحاس | كابلات كهربية • عملات معدنية | CuSO₄ (مبيد) • محلول فهلينج |
| Zn الخارصين | جلفنة المعادن (حماية من الصدأ) | ZnO (دهانات) • ZnS (طلاء مضيء) |
⚡
حالات التأكسد
تتميز العناصر الانتقالية بتعدد حالات التأكسد لأن إلكترونات 4s و 3d متقاربة في الطاقة، فيمكن فقد أعداد مختلفة منها.
📏 القواعد الأساسية
- جميع العناصر تعطي حالة تأكسد (+2) بفقد إلكتروني 4s (ما عدا Sc)
- تزداد حالات التأكسد من Sc حتى Mn (أعلاها +7)، ثم تتناقص
- أعلى حالة تأكسد لا تتعدى رقم المجموعة (عدا IB)
- الحالات الأعلى من (+3) نادرة عند Fe وما بعده
| العنصر | حالات التأكسد | التركيب الأساسي | ملاحظة |
|---|---|---|---|
| Sc | +3 | [Ar] 4s², 3d¹ | حالة تأكسد واحدة فقط |
| Ti | +2, +3, +4 | [Ar] 4s², 3d² | الأكثر شيوعًا (+4) |
| V | +2, +3, +4, +5 | [Ar] 4s², 3d³ | V₂O₅ حفاز مهم |
| Cr | +2, +3, +6 | [Ar] 4s¹, 3d⁵ | تركيب شاذ — نصف ممتلئ |
| Mn | +2, +3, +4, +6, +7 | [Ar] 4s², 3d⁵ | أعلى حالة تأكسد في السلسلة |
| Fe | +2, +3 | [Ar] 4s², 3d⁶ | (+3) أكثر استقرارًا (d⁵) |
| Co | +2, +3 | [Ar] 4s², 3d⁷ | الأكثر شيوعًا (+2) |
| Ni | +2, +3, +4 | [Ar] 4s², 3d⁸ | (+2) الأكثر شيوعًا |
| Cu | +1, +2 | [Ar] 4s¹, 3d¹⁰ | تركيب شاذ — تام الامتلاء |
| Zn | +2 | [Ar] 4s², 3d¹⁰ | حالة تأكسد واحدة — ليس انتقاليًا |
مثال: لماذا يسهل أكسدة Fe²⁺ إلى Fe³⁺ ؟
$$\text{Fe}^{2+}: [\text{Ar}]\ 3d^6 \xrightarrow{-e^-} \text{Fe}^{3+}: [\text{Ar}]\ 3d^5 \quad \text{(نصف ممتلئ = أكثر استقرارًا ✓)}$$
$$\text{Mn}^{2+}: [\text{Ar}]\ 3d^5 \xrightarrow{-e^-} \text{Mn}^{3+}: [\text{Ar}]\ 3d^4 \quad \text{(يفقد الاستقرار — صعب ✗)}$$
🔩
الخواص العامة للسلسلة الانتقالية الأولى
| العنصر | الكتلة الذرية | نصف القطر (Å) | الكثافة (g/cm³) | ن. انصهار (°C) |
|---|---|---|---|---|
| Sc | 45 | 1.44 | 3.1 | 1397 |
| Ti | 47.9 | 1.32 | 4.42 | 1680 |
| V | 51 | 1.22 | 6.07 | 1710 |
| Cr | 52 | 1.17 | 7.19 | 1890 |
| Mn | 54.9 | 1.17 | 7.21 | 1247 |
| Fe | 55.9 | 1.16 | 7.87 | 1538 |
| Co | 58.9 | 1.16 | 8.7 | 1490 |
| Ni | 58.7 | 1.15 | 8.9 | 1492 |
| Cu | 63.5 | 1.17 | 8.92 | 1083 |
لماذا تبقى أنصاف الأقطار شبه ثابتة؟ يعمل عاملان متعاكسان:
عامل يُصغّر القطر
زيادة شحنة النواة → جذب أقوى للإلكترونات → تقلص
عامل يُكبّر القطر
زيادة إلكترونات 3d → تنافر أكبر → تمدد
🧲
الخواص المغناطيسية
بارامغناطيسية
تحتوي على إلكترونات مفردة ↑. تتجذب نحو المجال المغناطيسي. معظم مركبات العناصر الانتقالية بارامغناطيسية.
ديامغناطيسية
جميع الإلكترونات في حالة ازدواج ↑↓. تتنافر مع المجال المغناطيسي. مثال: Zn (d¹⁰)
| الأيون/الذرة | توزيع 3d | عدد الإلكترونات المفردة | الخاصية |
|---|---|---|---|
| Zn (d¹⁰) | ↑↓ ↑↓ ↑↓ ↑↓ ↑↓ | 0 | ديامغناطيسية |
| Ni²⁺ (d⁸) | ↑↓ ↑↓ ↑↓ ↑ ↑ | 2 | بارامغناطيسية |
| Fe³⁺ (d⁵) | ↑ ↑ ↑ ↑ ↑ | 5 | بارامغناطيسية (أقوى) |
| Mn²⁺ (d⁵) | ↑ ↑ ↑ ↑ ↑ | 5 | بارامغناطيسية (أقوى) |
⚗️
النشاط الحفزي
تُعد الفلزات الانتقالية عوامل حفز مثالية لأن إلكترونات 4s و 3d تتشارك في تكوين روابط مؤقتة مع المتفاعلات، مما يُضعف روابطها ويُقلل طاقة التنشيط.
صناعة الأمونيا — طريقة هابر-بوش
$$\text{N}_{2(g)} + 3\text{H}_{2(g)} \xrightarrow[\text{Fe}]{500°C / 200\text{ atm}} 2\text{NH}_{3(g)}$$
صناعة حمض الكبريتيك — طريقة التلامس
$$2\text{SO}_{2(g)} + \text{O}_{2(g)} \xrightarrow[\text{V}_2\text{O}_5]{450°C} 2\text{SO}_{3(g)} \longrightarrow \text{H}_2\text{SO}_4$$
تحليل فوق أكسيد الهيدروجين
$$2\text{H}_2\text{O}_{2(l)} \xrightarrow{\text{MnO}_2} 2\text{H}_2\text{O}_{(l)} + \text{O}_{2(g)}$$
⚙️
الحديد — عصب الصناعات الثقيلة
⚛️ معطيات الحديد
₂₆Fe — [Ar] 4s², 3d⁶ — الكثافة: 7.87 g/cm³ — نقطة الانصهار: 1538°C — 5.1% من القشرة الأرضية
خامات الحديد الطبيعية
| الخام | الصيغة | اللون | نسبة Fe% | مكانه في مصر |
|---|---|---|---|---|
| الهيماتيت | Fe₂O₃ | أحمر داكن | 50–60% | أسوان • الواحات البحرية |
| المحتيت (مغناطيسي) | Fe₃O₄ | أسود | 45–70% | الصحراء الشرقية |
| الليمونيت | 2Fe₂O₃·3H₂O | أصفر | 20–60% | الواحات البحرية |
| السيدريت | FeCO₃ | رمادي مصفر | 30–42% | نادر |
مراحل استخلاص الحديد
- ١تجهيز الخام: التكبير (تحجيم مناسب) • التلبيد (تجميع الحبيبات الناعمة) • التركيز (إزالة الشوائب مغناطيسيًا أو كهربيًا)
- ٢التحميص: تسخين الخام لإزالة الرطوبة وأكسدة الكبريت والفوسفور ورفع نسبة الحديد
- ٣الاختزال: في الفرن العالي (بـ CO من فحم الكوك) أو في فرن مدركس (بـ CO + H₂ من الغاز الطبيعي)
- ٤إنتاج الصلب: إزالة الشوائب + إضافة عناصر محددة في المحولات الأكسجينية أو الأفران الكهربائية
الاختزال في الفرن العالي
$$\text{C} + \text{O}_2 \to \text{CO}_2 \quad ; \quad \text{CO}_2 + \text{C} \to 2\text{CO}$$
$$3\text{CO} + \text{Fe}_2\text{O}_3 \xrightarrow{>700°C} 2\text{Fe} + 3\text{CO}_2$$
🧪
أكاسيد الحديد الثلاثة
FeO
Fe (II)
أكسيد الحديد (II) — أسود
تحضيره: تسخين أوكسالات الحديد (II) بمعزل عن الهواء. يتأكسد بسهولة في الهواء الساخن. يتفاعل مع الأحماض المخففة → أملاح Fe(II)
Fe₂O₃
Fe (III)
أكسيد الحديد (III) — أحمر
صيغة خام الهيماتيت. يُستخدم كصبغة حمراء في الدهانات. يتفاعل مع الأحماض المركزة → أملاح Fe(III)
Fe₃O₄
Fe (II+III)
الأكسيد المغناطيسي — أسود
أكسيد مختلط — يتفاعل مع الأحماض → أملاح Fe(II) + Fe(III) معًا. مغناطيس قوي. يتأكسد → Fe₂O₃
تحضير Fe₂O₃
$$\text{FeCl}_3 + 3\text{NH}_4\text{OH} \to \text{Fe(OH)}_3\downarrow + 3\text{NH}_4\text{Cl}$$
$$2\text{Fe(OH)}_3 \xrightarrow{>200°C} \text{Fe}_2\text{O}_3 + 3\text{H}_2\text{O}$$
🔗
السبائك — أنواعها وخصائصها
📖 تعريف
السبيكة: مزيج متجانس من فلزين أو أكثر (أو فلز وعناصر لا فلزية) يُحضَّر بالصهر أو الترسيب الكهربي.
السبائك البينية
ذرات الإضافة (أصغر) تملأ الفراغات البينية في الشبكة البلورية للفلز الأصلي
الأثر: تزيد الصلابة وتمنع انزلاق الطبقات
مثال: الحديد + الكربون (الصلب)
السبائك الاستبدالية
ذرات الفلز الأصلي تُستبدَل بذرات فلز آخر مماثل في الحجم والشكل البلوري
الأثر: خواص كيميائية وفيزيائية مختلفة
مثال: Fe+Cr (لا يصدأ) • Au+Cu
سبائك المركبات البينفلزية
اتحاد كيميائي بين الفلزات بنسب غير خاضعة لقواعد التكافؤ المعتادة
الأثر: صلابة عالية جدًا
مثال: Al-Ni • Au₃Pb • Fe₃C
📋
خريطة الدروس
١- بوابة العناصر الانتقالية
ابدأ →
٢- فريق النخبة: Sc Ti
ابدأ →
٣- فريق النخبة: V Cr
ابدأ →
٤- فريق النخبة: Mn Fe
ابدأ →
5. الكوبالت والنيكل والنحاس والخارصين
ابدأ →
6. التركيب الإلكتروني واستقرار الذرة
ابدأ →
7. حالات التأكسد وتدرجها
ابدأ →
8. تعريف العنصر الانتقالي والمجموعة 2B
ابدأ →
9. الكتلة الذرية ونصف القطر
ابدأ →
10. الخواص والنشاط الكيميائي
ابدأ →
11. الخواص المغناطيسية والعزم
ابدأ →
12. النشاط الحفزي والأيونات الملونة
ابدأ →
13. خامات الحديد وجودتها
ابدأ →
14. التجهيز الفيزيائي والميكانيكي
ابدأ →
15. التحميص والتجهيز الكيميائي
ابدأ →
16. اختزال خامات الحديد (الأفران)
ابدأ →
١٧- معمل: محاكاة فرن الاختزال العالي
ابدأ →
١٨- إنتاج الصلب والمحولات
ابدأ →
١٩- أنواع السبائك وتقنياتها
ابدأ →
٢٠- الخواص الكيميائية للحديد
ابدأ →
٢١- معمل: استكشاف تفاعلات الحديد
ابدأ →
٢٢- أكاسيد الحديد وتحولاتها
ابدأ →
٢٣- مراجعة شاملة للباب الأول
ابدأ →
💡 ملخص سريع — النقاط الأهم
- 🔹 Cr و Cu يشذان عن التركيب الإلكتروني المتوقع (نصف امتلاء وامتلاء تام)
- 🔹 أعلى حالة تأكسد في السلسلة = Mn (+7) في KMnO₄
- 🔹 Fe²⁺ → Fe³⁺ سهل لأن d⁵ أكثر استقرارًا • Mn²⁺ → Mn³⁺ صعب لنفس السبب
- 🔹 d¹⁰ أو لا إلكترونات مفردة = ديامغناطيسي • وجود إلكترونات مفردة = بارامغناطيسي
- 🔹 Fe + خامات: هيماتيت (أحمر) • محتيت (أسود+مغناطيسي) • ليمونيت (أصفر)
- 🔹 Fe₃O₄ = أكسيد مختلط → يعطي أملاح Fe(II) + Fe(III) مع الأحماض
