توازن FeSCN²⁺: تفسير التغيرات وضبط الشاهد
في مختبر المدرسة، يحضر طالب محلولاً أحمر من تفاعل Fe3+ مع SCN− وفق التوازن: Fe3+(aq) + SCN−(aq) ⇌ FeSCN2+(aq). بدأ بـ50 mL من FeCl3 0.1 M و50 mL من KSCN 0.1 M، وكان اللون أحمر واضحاً. أضاف إلى أنبوب أول 5 mL من NaOH 0.1 M فبهت اللون، وإلى أنبوب ثانٍ 5 mL من الماء المقطر فصار اللون أفتح قليلاً، وإلى أنبوب ثالث سخانه في حمام مائي 60°C فبهت اللون أيضاً. ادّعى طالب أن تسخين الأنبوب الثالث يزيد سرعة التفاعل فقط ولا يغيّر موضع التوازن. وطلب المعلم تفسيراً لكل تغيّر، مع ضبط تجربة شاهدة لفصل أثر NaOH عن أثر التخفيف، ثم تقييم الادعاء. المحاليل كلها عند 25°C قبل التسخين، وحجم الأنابيب متساوٍ. ويُفترض أن NaOH لا يتفاعل مع SCN−. اللون يقاس بالعين.
1. فسّر سبب بهتان اللون عند إضافة NaOH، واكتب معادلة الأثر، ثم بيّن لماذا لا يكفي هذا التفسير وحده.
Read the worked answer
أيونات OH− تزيل Fe3+ من المحلول بترسيب هيدروكسيد الحديد(III): Fe3+ + 3OH− → Fe(OH)3(s). نقص [Fe3+] يجعل حاصل التفاعل Q أصغر من K، فيزيح التوازن نحو اليسار (المواد المتفاعلة)، وبالتالي تقل [FeSCN2+] ويبهت اللون الأحمر. لكن الإضافة نفسها تضيف حجماً وتخفف كل التركيزات، والتخفيف وحده يبهت اللون أيضاً. لذلك لا يكفي تفسير «البهتان» بالترسيب وحده؛ يجب مقارنة أثر NaOH بأثر حجم مساوٍ من سائل لا يزيل Fe3+، وإلا اختلط أثر التخفيف بأثر نقص Fe3+.
2. اقترح تجربة شاهدة مناسبة لفصل أثر NaOH عن أثر التخفيف، وحدّد المتغير المستقل والضابط.
Read the worked answer
نأخذ أنبوبين متماثلين في الحجم والتركيز ودرجة الحرارة، ونضيف إلى الأول 5 mL من NaOH 0.1 M، وإلى الثاني 5 mL من NaCl 0.1 M (أو محلول لا يرسّب Fe3+ ولا يتفاعل مع SCN−). بذلك يتساوى حجم الإضافة والتخفيف والأيونات الخاملة تقريباً، ويبقى الفرق الأساسي هو وجود OH−. المتغير المستقل: نوع الكاشف المضاف (NaOH مقابل NaCl). المتغيرات الضابطة: حجم الإضافة، تركيز الكاشف، حجم المحلول الأصلي، درجة الحرارة، زمن القياس، وطريقة ملاحظة اللون. إذا كان لون أنبوب NaOH أفتح بكثير من أنبوب NaCl، فالسبب الرئيس هو إزالة Fe3+ بالترسيب وليس التخفيف وحده.
3. قيّم ادعاء الطالب بأن التسخين يزيد السرعة فقط ولا يغيّر موضع التوازن.
Read the worked answer
الادعاء غير صحيح. التسخين يزيد سرعة الوصول إلى التوازن، لكنه قد يغيّر أيضاً موضع التوازن إذا كان التفاعل ماصاً أو باعثاً للحرارة. هنا بهت اللون عند 60°C، أي قلت [FeSCN2+]؛ هذا يعني أن التسخين يزيح التوازن نحو المواد المتفاعلة، ومن ثم فالتفاعل الأمامي باعث للحرارة (exothermic) في هذه الظروف. لا يمكن الفصل بين أثر السرعة وأثر الموضع بمجرد ملاحظة اللون أثناء التسخين؛ يلزم ترك المحلول يصل إلى توازن حراري ثم قياس اللون، ومقارنته بمرجع عند 25°C. لذلك العبارة «يزيد السرعة فقط» مرفوضة؛ الصحيح: يزيد السرعة ويغيّر موضع التوازن، والملاحظة تدعم أن الاتجاه الأمامي باعث للحرارة.