مراقبة تطور جملة كيميائية (الأسترة)

الأسترة والإماهة والتصبن

I. الأسترة

---

1. الإستر $E$

• **تعريف الإستر:** هو مركب عضوي يمكن اصطناعه من تفاعل حمض كربوكسيلي مع كحول.
• **الصيغة العامة:** $\text{C}_n\text{H}_{2n}\text{O}_2$ حيث $n \ge 2$
• **الكتلة المولية:** $M = 14n + 32$
• **التسمية:** على وزن "ألكانوات الألكيل"
• من الحمض: نحذف «حمض» ونستبدل «ويك» بـ «وات» ، ومن الكحول: نستبدل «انول» بـ «يل».

---

2. معادلة تفاعل الأسترة

$\text{حمض كربوكسيلي} + \text{كحول} \rightleftharpoons \text{أستر} + \text{ماء}$

$\text{R} - \text{COOH} + \text{R}' - \text{OH} \rightleftharpoons \text{R} - \text{COO} - \text{R}' + \text{H}_2\text{O}$

مثال:

$\text{HCOOH} + \text{C}_2\text{H}_5 - \text{OH} \rightleftharpoons \text{HCOO} - \text{C}_2\text{H}_5 + \text{H}_2\text{O}$

$\text{حمض الميثانويك} + \text{الإيثانول} \rightleftharpoons \text{ميثانوات الإيثيل} + \text{ماء}$

3. خصائص تفاعل الأسترة

• **للخصائص في كلمة "ملاعب":**
• محدود.
• لا حراري.
• عكوس.
• بطيء.

---

4. جدول التقدم

المزيج متساوي المولات : $n_0(\text{كحول}) = n_0(\text{حمض كربوكسيلي})$

---

5. مردود الأسترة $r$

• **حساب المردود:**

$r = \frac{x_f}{x_{max}} \cdot 100 \quad \Rightarrow \quad r = \frac{x_f}{n_0} \cdot 100$

• **علاقة المردود $r$ بصنف الكحول في حالة المزيج المتساوي المولات:**
• الكحول الأولي: $r = 67\%$
• الكحول الثانوي: $r = 60\%$
• الكحول الثالثي: $r \in [5\%; 10\%]$

• **العوامل المؤثرة على المردود:**
• تغير صنف الكحول: كحول أولي $r = 67\%$ ، كحول ثانوي $r = 60\%$ ...
• حذف أحد النواتج: حذف الأستر بجهاز التقطير أو حذف الماء بجهاز دين ستارك.
• استعمال مزيج غير متساوي المولات: $\text{n(كحول)} \neq \text{n(حمض كربوكسيلي)}$
• استعمال كلور الأسيل بدلا من حمض كربوكسيلي:
• $\text{R} - \text{CO} - \text{Cl} + \text{R}' - \text{OH} \to \text{R} - \text{COO} - \text{R}' + \text{HCl}$ (كلور الألكانويل $+$ ألكانول $\to$ ألكانوات الألكيل $+$ كلور الهيدروجين)
• $\text{CH}_3 - \text{CO} - \text{Cl} + \text{C}_2\text{H}_5 - \text{OH} \to \text{CH}_3 - \text{COO} - \text{C}_2\text{H}_5 + \text{HCl}$
• **خواصه:** سريع و تام، مردوده $r = 100\%$.

---

6. ثابت توازن الأسترة $K$

• **علاقة ثابت توازن الأسترة $K$ بصنف الكحول:**
• كحول أولي: $K = 4$
• كحول ثانوي: $K = 2.25$
• **عبارة ثابت التوازن:** $K = \frac{[n_f(\text{أستر})] \cdot [n_f(\text{ماء})]}{[n_f(\text{حمض})] \cdot [n_f(\text{كحول})]}$

---

7. جهة تطور التفاعل

• إذا كان $Q_{r,i} < K$ : الجملة تتطور في الاتجاه المباشر (أسترَة)
• إذا كان $Q_{r,i} > K$ : الجملة تتطور في الاتجاه المعاكس (إماهة)
• إذا كان $Q_{r,i} = K$ : الجملة في حالة توازن

---

8. السرعة $v$

• **سرعة التفاعل:** $v = -\frac{dn_{\text{حمض}}}{dt} = -\frac{dn_{\text{كحول}}}{dt} = \frac{dn_{\text{أستر}}}{dt} = \frac{dn_{\text{ماء}}}{dt} = \frac{dx}{dt}$
• **سرعة اختفاء الحمض:** $v_{\text{اختفاء}} = -\frac{dn_{\text{حمض}}}{dt}$
• **سرعة تشكل الأستر:** $v_{\text{تشكل}} = \frac{dn_{\text{أستر}}}{dt}$

---

9. السرعة الحجمية $v_{\text{vol}}$

• **السرعة الحجمية للتفاعل:** $v_{\text{vol}} = \frac{1}{V} \frac{dx}{dt} = \frac{1}{V} \frac{dn_{\text{أستر}}}{dt} = -\frac{1}{V} \frac{dn_{\text{حمض}}}{dt}$
• **السرعة الحجمية لتشكل الأستر:** $v_{\text{vol}} = \frac{1}{V} \frac{dn_{\text{أستر}}}{dt}$
• **السرعة الحجمية لاختفاء الحمض:** $v_{\text{vol}} = -\frac{1}{V} \frac{dn_{\text{حمض}}}{dt}$

---

10. العوامل المؤثرة على سرعة التفاعل

• تزداد سرعة التفاعل بـ:
• رفع درجة حرارة المزيج.

• إضافة وسيط مناسب (إضافة حمض الكبريت المركز).

• **التسخين بالارتداد:**
• تركيب التسخين بالارتداد دوره:
• تسريع التفاعل.
• الحفاظ على الأنواع الكيميائية من الضياع.

---

II. الإماهة

---

1. معادلة تفاعل الإماهة

• **الصيغة العامة:** $\text{R} - \text{COO} - \text{R}' + \text{H}_2\text{O} \rightleftharpoons \text{R} - \text{COOH} + \text{R}' - \text{OH}$
• **مثال:** $\text{HCOO} - \text{C}_2\text{H}_5 + \text{H}_2\text{O} \rightleftharpoons \text{HCOOH} + \text{C}_2\text{H}_5 - \text{OH}$
• (ميثانوات الإيثيل + ماء $\rightleftharpoons$ حمض الميثانويك + الإيثانول)

---

2. جدول التقدم

---

3. مردود الإماهة $r'$

• **حساب المردود:** $r' = \frac{x_f}{x_{\text{max}}} \cdot 100 \implies r' = \frac{x_f}{n_0} \cdot 100$
• **علاقة مردود الإماهة $r'$ بصنف الكحول:**
• كحول أولي: $r' = 33\%$
• كحول ثانوي: $r' = 40\%$
• كحول ثالثي: $r' \in [90\% ; 95\%]$
• **العلاقة بين مردود الأسترة والإماهة:** $r + r' = 100\%$

---

4. ثابت توازن الإماهة $K'$

• **عبارة ثابت التوازن:** $K' = \frac{1}{K} = \frac{[n_f(\text{حمض})] \cdot [n_f(\text{كحول})]}{[n_f(\text{أستر})] \cdot [n_f(\text{ماء})]}$
• **علاقة ثابت توازن الإماهة $K'$ بصنف الكحول:**
• كحول أولي: $K' = 0.25$
• كحول ثانوي: $K' = 0.44$

---

III. التصبن

---

1. تفاعل التصبن

• **تعريف التصبن:** هو تفاعل أستر مع محلول مائي لأساس قوي مثل هيدروكسيد الصوديوم $(\text{Na}^+ + \text{OH}^-)$.
• **خصائصه:** سريع، تام، حراري.
• **معادلة التصبن العامة:**

$\text{R} - \text{COO} - \text{R}' + \text{NaOH} \to \text{R} - \text{COONa} + \text{R}' - \text{OH}$

أهم البروتوكولات التجريبية لتفاعلات الأسترة

أهم البروتوكولات التجريبية لتفاعلات الأسترة

---

1. عملية التسخين بالارتداد

• **البروتوكول التجريبي:**
• **الهدف من التجربة:** تسريع التفاعل و عدم ضياع كمية مادة المتفاعلات و النواتج.
• **الأدوات المستعملة:**
• **الزجاجيات:** حوجلة + سدادة، مكثف مقبب، ماصة عيارية، بيشر.
• **المحاليل:** الحمض الكربوكسيلي، الكحول، الماء المقطر، ماء الحنفية، حمض الكبريت المركز، الحجر الهش.
• **الأجهزة:** سخان كهربائي، حامل.
• **خطوات العمل:**
• نضع الحمض الكربوكسيلي و الكحول مع إضافة قطرات من حمض الكبريت المركز ونضيف الحجر الهش (لموازنة درجة حرارة المزيج ) في حوجلة ثم نسدها بسدادة و نوصلها بالمبرد ( المكثف).
• نضع الحوجلة فوق السخان الكهربائي و نبدأ في عملية التسخين فيبدأ تشكل الأستر.
• نوصل المبرد بماء الحنفية للتبريد والمحافظة على المتفاعلات والنواتج.
• لجمع الأستر الناتج: بعد نهاية التفاعل نترك الحوجلة تبرد ثم نضيف لها ماءً بارداً مالحاً بكلور الصوديوم.
• نضيف كربونات الكالسيوم للتخلص من الأحماض ثم نضيف كبريتات المغنزيوم اللامائية لتجفيف الأستر ثم نقوم بعملية الترشيح فنحصل على أستر نقي.

---

2. عملية التقطير المجزأ

• **البروتوكول التجريبي:**
• **الهدف من التجربة:** نزع الأستر أثناء تشكله و رفع مردود الأسترة.
• **الأدوات المستعملة:**
• **الزجاجيات:** حوجلة + سدادة، عمود التقطير، مكثف ( مبرد )، ماصة عيارية، بيشر.
• **المحاليل:** الحمض الكربوكسيلي، الكحول، الماء المقطر، ماء الحنفية، حمض الكبريت المركز، الحجر الهش.
• **الأجهزة:** سخان كهربائي ، حامل ، حامل قابل للطي.
• **خطوات العمل:**
• نستعمل هذه الطريقة إذا كانت درجة غليان الأستر أقل من درجة غليان الحمض و الكحول و الماء.
• نضع الحمض الكربوكسيلي و الكحول مع إضافة قطرات من حمض الكبريت المركز ونضيف الحجر الهش (لموازنة درجة حرارة المزيج ) في حوجلة ثم نسدها بسدادة و نوصلها بعمود التقطير ثم بالمبرد ( المكثف).
• نضع الحوجلة فوق السخان الكهربائي و نبدأ في عملية التسخين فيبدأ تفاعل الأسترة.
• نوصل المبرد بماء الحنفية للتبريد.
• يتبخر الأستر المتشكل ثم يتكثف في المبرد ونجمعه في بيشر به ماء بارد مالح.
• نضيف كربونات الكالسيوم للتخلص من الأحماض ثم نضيف كبريتات المغنزيوم اللامائية لتجفيف الأستر ثم نقوم بعملية الترشيح فنحصل على أستر نقي.

---

3. عملية التقطير ( جهاز دين ستارك )

• **البروتوكول التجريبي:**
• **الهدف من التجربة:** نزع الماء أثناء تشكله و رفع مردود الأسترة.
• **الأدوات المستعملة:**
• **الزجاجيات:** حوجلة + سدادة، مكثف مقبب، جهاز دين ستارك، ماصة عيارية، بيشر.
• **المحاليل:** الحمض الكربوكسيلي، الكحول، السيكلوهكسان، الماء المقطر، ماء الحنفية، حمض الكبريت المركز، الحجر الهش.
• **الأجهزة:** سخان كهربائي ، حامل ، حامل قابل للطي.
• **خطوات العمل:**
• نضع الحمض الكربوكسيلي و الكحول مع إضافة قطرات من حمض الكبريت المركز ونضيف الحجر الهش ثم نضيف السيكلوهكسان في حوجلة ثم نسدها بسدادة و نوصلها بجهاز دين ستارك ثم بالمبرد ( المكثف).
• نضع الحوجلة فوق السخان الكهربائي و نبدأ في عملية التسخين فيبدأ تفاعل الأسترة.
• نوصل المبرد بماء الحنفية للتبريد.
• يتبخر الماء المتحد مع السيكلوهكسان لأن درجة غليانه أقل ثم يتكاثف و ينزلان في جهاز دين ستارك بحيث يكون الماء في الأسفل.
• نفتح صنبور جهاز دين ستارك فينزل الماء في البيشر .