الصيغة الأولية والصيغة الجزيئية

يقوم هذا الدرس على تحويل النسب المئوية الكتلية أو كتل العناصر في المركب إلى صيغة كيميائية دقيقة. تعبر الصيغة الأولية عن أبسط نسبة عددية صحيحة لذرات العناصر، بينما تمثل الصيغة الجزيئية العدد الفعلي لذرات كل عنصر في جزيء المادة، وتكون دائماً مضاعفاً صحيحاً للصيغة الأولية. لحساب الصيغة الأولية، نفترض عينة كتلتها 100 g ونحول النسب إلى كتل ثم إلى مولات، ثم نقسم على أصغر عدد مولات لنحصل على أبسط نسبة. فمثلاً لو نتج لدينا مول واحد من الكبريت وثلاثة مولات من الأكسجين، تكون الصيغة الأولية $SO_3$. وإذا أردنا إيجاد الصيغة الجزيئية، فإننا نقسم الكتلة المولية التجريبية للمركب على كتلة الصيغة الأولية لنعرف معامل المضاعفة ن، ثم نضرب أرقام الصيغة الأولية في هذا المعامل.

الفكرة الأساسية

تقوم الفكرة على ربط كتلة العناصر أو نسبتها المئوية في المركب بصيغته الكيميائية. فالنسبة المئوية بالكتلة تقسم كتلة العنصر على كتلة المركب وتضرب في 100 لتوضح نصيب كل عنصر من المادة. والصيغة الأولية تعطي أبسط نسبة صحيحة لذرات العناصر، بينما الصيغة الجزيئية تبين العدد الفعلي والكامل لذرات كل عنصر في جزيء واحد.

الشرح

نبدأ دائماً بافتراض عينة كتلتها 100 g عند التعامل مع النسب المئوية، فتصبح قيمة النسبة المئوية لكل عنصر مساوية لكتلته بالجرام تماماً. نحسب النسبة المئوية بالكتلة لأي عنصر بالعلاقة: النسبة المئوية بالكتلة = (كتلة العنصر ÷ كتلة المركب) × 100. ولتحويل الكتل إلى مولات، نضرب كتلة العنصر في مقلوب كتلته المولية التي تربط الجرامات بالمولات: عدد المولات = الكتلة ÷ الكتلة المولية. بعد إيجاد مولات جميع العناصر، نقسم كل قيمة على أصغر عدد مولات نتج لدينا لنحصل على نسبة مبدئية. وإذا لم تكن هذه النسبة أعداداً صحيحة، نضرب جميع القيم في أصغر رقم يحولها إلى أعداد صحيحة لنحصل على الصيغة الأولية. أما الصيغة الجزيئية، فهي مرتبطة بالصيغة الأولية عبر مضاعف عددي صحيح يسمى ن، ونحسبه بقسمة الكتلة المولية التجريبية للمركب على كتلة الصيغة الأولية: ن = الكتلة المولية التجريبية ÷ كتلة الصيغة الأولية، ثم نضرب أرقام الصيغة الأولية في قيمة ن.

مثال محلول خطوة بخطوة

خذ مركب يتكون من نسب مئوية كتلية هي 48.64% كربون، و8.16% هيدروجين، و43.20% أكسجين، والمطلوب تحديد صيغته الأولية.

1. تحليل المسألة: نفترض عينة كتلتها 100 g، إذن كتل العناصر هي: كتلة C تساوي 48.64 g، وكتلة H تساوي 8.16 g، وكتلة O تساوي 43.20 g.
2. حساب المولات لكل عنصر بتحويل الكتلة إلى مولات بالضرب في مقلوب الكتلة المولية:

• مولات C = $48.64 g \times \frac{1 mol C}{12.01 g} = 4.050 mol C$
• مولات H = $8.16 g \times \frac{1 mol H}{1.008 g} = 8.10 mol H$
• مولات O = $43.20 g \times \frac{1 mol O}{16.00 g} = 2.70 mol O$

3. قسمة النواتج على أصغر قيمة مولارية وهي 2.700:

• للمادة C: $4.050 \div 2.700 = 1.5 mol C$
• للمادة H: $8.10 \div 2.700 = 3 mol H$
• للمادة O: $2.700 \div 2.700 = 1 mol O$

4. تعديل النسب بضربها في أصغر رقم لتبدو أعداداً صحيحة، وهو الرقم 2 لأن وجود 1.5 يتطلب الضرب في 2:

• $2 \times 1.5 mol C = 3 mol C$
• $2 \times 3 mol H = 6 mol H$
• $2 \times 1 mol O = 2 mol O$ تكون الصيغة الأولية للمركب هي $C_3H_6O_2$.

أخطاء شائعة

• نسيان افتراض أن كتلة العينة الكلية تساوي 100 g عند التعامل مع النسب المئوية.
• قسمة مولات العناصر على قيمة عشوائية بدلاً من قسمتها حصراً على أصغر قيمة مولارية بين العناصر الناتجة.
• كتابة الصيغة الجزيئية بشكل مباشر دون التأكد من حساب كتلة الصيغة الأولية وقسمة الكتلة المولية التجريبية عليها لإيجاد العامل ن.
• الاعتقاد بأن الصيغة الأولية والصيغة الجزيئية للمركب يجب أن تكونا مختلفتين دائماً، مع أنهما قد تتطابقان في بعض المركبات.

سؤالان للتدريب مع الإجابة

السؤال الأول: ما التركيب المئوي لعنصر الكربون في ثاني أكسيد الكربون $CO_2$ علماً بأن كتلته المولية تبلغ 44.01 g/mol، وكتلة الكربون المولية 12.01 g/mol؟ الإجابة: نسبة الكربون المئوية = $(\frac{12.01 g}{44.01 g}) \times 100 = 27.29\%$.

السؤال الثاني: مركب صيغته الأولية $CH$ وكتلته المولية التجريبية تساوي 26.04 g/mol، وكتلة صيغته الأولية تساوي 13.02 g/mol، فما صيغته الجزيئية؟ الإجابة: نحسب العامل ن بقسمة الكتلة المولية التجريبية على كتلة الصيغة الأولية فيكون $26.04 \div 13.02 = 2.00$، ثم نضرب أرقام الصيغة الأولية في 2 فتصبح الصيغة الجزيئية $C_2H_2$.