الباب الثاني: التحليل الكيميائي
التحليل الكيميائي الكمي (المعايرة والتحليل الوزني)
معايرة — OCR + titration sim + SVG.
اضغط أي أداة — لتوليد اختبارات وفلاش كارد وملخصات وتجارب من الدرس تفاعلياً
معايرة — OCR + titration sim + SVG.
- ✓يصف المعايرة ونقطة نهاية التفاعل
- ✓يطبق MaVa/na = MbVb/nb
- ✓يقارن الأدلة الكيميائية
- ✓يفسر التحليل الكتلي بالتطاير والترسيب
| الدليل | اللون في الوسط الجامعي | اللون في الوسط القاعدي | اللون في الوسط المتعادل |
|---|---|---|---|
| الميثيل البرتقالي | أصفر | أحمر | برنقالي |
| الفيتولمانثين | أحمر (وردي) | عديم اللون | عديم اللون |
| عياد الشمس | أزرق | أحمر | أرجواني |
| أزرق بروكيمول | أزرق | أصفر | أخضر فاتح |
| (ب) | (أ) |
|---|---|
| الفوسفات | ١- أسود لا يذوب في محلول النشادر المركز |
| البروميد | ٢ أبيض يذوب في محلول النشادر المركز |
| الكلوريد | ٣ أبيض مصفر يذوب ببطء في محلول النشادر المركز |
| الكبريتيك | ٤- أصفر لا يذوب في محلول النشادر |
| ٥- أصفر يذوب في حمض النيتيريك ومحلول النشادر |
لماذا نستخدم المعايرة للأحماض/القواعد بينما نستخدم الترسيب أو التطاير لتقدير كتلة مكون؟
تعادل — أحماض/قواعد
أكسدة-اختزال
ترسيب — راسب
حمض → محلول قياسي قلوي (NaOH أو Na₂CO₃). قاعدة → محلول قياسي حمض. End Point = تمام التعادل — تُحدد بـ Indicators بتغير اللون.
إذا Va = 21 mL HCl 0.1 M و Vb = 25 mL NaOH:
0.1 g مخلوط · 10 mL HCl 0.1 M → تعادل كامل
كتلة NaOH = g
Volatilization
جمع المتطاير أو نقص الكتلة
Precipitation
راسب + ترشيح + حرق الورق
كتلة BaCl₂·xH₂O = 2.6903 g · بعد التسخين = 2.2923 g
ماء التبلور = g (≈0.3989)
BaCl₂ (208 g/mol) + xH₂O →
الصيغة: BaCl₂·2H₂O
208 g BaCl₂ → 233 g BaSO₄ · الراسب = 2 g
📌 ورقة ترشيح عديمة الرماد — تحرق في بوتقة → يبقى الراسب.
الجهاز اللازم لإجراء التجربة موضَّح في الآتي.
تُستخدم سحاحة في هذه التجربة؛ لأننا غير متأكدين بالضبط من مقدار حجم المحلول المعلوم التركيز اللازم للتجربة. يتيح لنا المحبس أو الصنبور الموجود في أسفل السحاحة إضافة كمية صغيرة من المحلول بسهولة في كل مرة. يُستخدم دورق مخروطي، ويُسمَّى أحيانًا بدورق إيرلنماير؛ لأن هذا الدورق يمكن رجُّه بشكل دائري بسهولة دون انسكاب المحلول. لاحظ أن السحاحة والدورق المخروطي وُضِعا فوق قاعدة الحامل؛ وذلك لمنع الجهاز من السقوط. يُعَد استخدام البلاطة البيضاء أمرًا اختياريًّا، لكنها يمكن أن تساعدنا في التعرُّف بسهولة على التغيُّرات اللونية الدقيقة.
عند إضافة محلول قياسي إلى السحاحة، من المهم أن نتأكَّد من أن المحبس الموجود في أسفل السحاحة في الوضع المغلق ومتعامد على عمود السحاحة.
يجب دائمًا ملء السحاحة عند مستوى النظر للحيلولة دون تناثر الأحماض أو القواعد المسبِّبة للتآكل على وجهك أو عينيك. يُمكن وضع قمع في أعلى السحاحة ليساعد أكثر في منع حدوث الانسكاب عند الملء. لملء السحاحة نُضيف محلول المعايرة ببطء حتى يصل إلى علامة 0 mL. بعد ذلك نزيل القمع. ليس من الضروري أن تبدأ المعايرة بالضبط عند علامة 0.00 mL.
بعد ذلك، يجب علينا فحص السحاحة بحثًا عن فقاعات الهواء، ثم ننقرها برفق لإزالة تلك الفقاعات. بعد ذلك نضع وعاء مخلفات أسفل السحاحة، ونفتح السدادة لنسمح بتصريف بضعة ملليلترات من السائل. يجب أن نستخدم زجاجة غسل لشطف عنق السحاحة بالماء المزال الأيونات. ويمكننا بعد ذلك تسجيل الحجم الابتدائي لمحلول المعايرة. يجب أن نتذكَّر أن قراءة الحجم من أسفل السطح الهلالي.
مثال ٢: فهم المخاطر المصاحبة لملء السحاحة
لماذا ينبغي دائمًا ملء السحاحة عند مستوى النظر وليس فوقه أبدًا؟
لتقليل مخاطر تناثر الحمض أو القاعدة على الوجه أو العينين
يُريد طالب استخدام المعايرة لتحديد مقدار الحمض اللازم لمعادلة كمية معلومة من إحدى القواعد. أعَدَّ الطالب التجربة كما هو موضَّح في الشكل. في بداية التجربة، أيُّ محلول يجب وضعه في الدورق المخروطي، وأيُّ محلول يجب استخدامه لملء السحاحة؟
وتوجد نقطة التكافؤ في التفاعل بين الحمض القوي والقاعدة القوية عندما تساوي قيمة الأس الهيدروجيني 7. ومع هذا، يحدث تغيُّر كبير في قيمة الأس الهيدروجيني عند إضافة قطرات فردية من محلول المعايرة في نطاق أس هيدروجيني 3.5 و10.5 تقريبًا. ومن ثَمَّ، علينا اختيار دليل يتغيَّر لونه في هذا النطاق.
يوجد دليلان يشيع استخدامهما في معايرة القواعد القوية والأحماض القوية. الدليلان هما الفينولفثالين والميثيل البرتقالي. عادةً ما نقول إن الفينولفثالين يكون عديم اللون في الأحماض ووردي اللون في القاعدة؛ على الرغم من أن هذا التغيُّر في اللون يحدث فعليا عند الأس الهيدروجيني بين 8.2 و10. ونقول عادةً إن الميثيل البرتقالي يكون أحمر اللون في الاحماض وأصفر اللون في القواعد؛ على الرغم من أن هذا التغيُّر في اللون يحدث فعليا عند الأس الهيدروجيني بين 3.2 و4.4.
يوجد دليلان يشيع استخدامهما في معايرة القواعد القوية والأحماض القوية. الدليلان هما الفينولفثالين والميثيل البرتقالي. عادةً ما نقول إن الفينولفثالين يكون عديم اللون في الأحماض ووردي اللون في القاعدة؛ على الرغم من أن هذا التغيُّر في اللون يحدث فعليا عند الأس الهيدروجيني بين 8.2 و10. ونقول عادةً إن الميثيل البرتقالي يكون أحمر اللون في الاحماض وأصفر اللون في القواعد؛ على الرغم من أن هذا التغيُّر في اللون يحدث فعليا عند الأس الهيدروجيني بين 3.2 و4.4.
يوجد الدليل العام بشكل شائع في المختبر الكيميائي، وعادةً ما يُستخدم لاختبار أحد المحاليل لإيجاد قيمة الأس الهيدروجيني التقريبية.
يوجد الدليل العام بشكل شائع في المختبر الكيميائي، وعادةً ما يُستخدم لاختبار أحد المحاليل لإيجاد قيمة الأس الهيدروجيني التقريبية.
ومع ذلك، فإن الدليل العام لا يُستخدم في المعايرة؛ لأن لونه يتغيَّر على نطاق واسع من قيم الأس الهيدروجيني، وتغيُّرات اللون تكون أبطأ مقارنةً بالأدلة الأخرى.
يوضِّح الجدول الآتي نطاق ألوان العديد من الأدلة المُختلِفة.
ما الدليل الذي يكون أزرق اللون عند أس هيدروجيني يساوي 5؟
نتناول تجربة المعايرة التي يُستخدم فيها محلول معايرة قاعدي، ومحلول حمضي مراد معايرته، ودليل الفينولفثالين. في بداية التجربة، يُوضَع الفينولفثالين والمحلول الحمضي المراد معايرته في الدورق المخروطي. ونظرًا لأن الفينولفثالين يكون عديم اللون في الأحماض، فإن الدورق سيبدو عديم اللون.
عند إضافة محلول المعايرة القاعدي، ستظهر بقعة من اللون الوردي الفاتح داخل الدورق المخروطي حيث يتفاعل الفينولفثالين مع القاعدة ويتحوَّل إلى اللون الوردي. وبالرغم من ذلك، سيختفي اللون سريعًا عندما يتفاعل المحلول الحمضي المراد معايرته الموجود في الدورق مع القاعدة؛ ممَّا يؤدي إلى معادلتها. من المهم أن نواصل رج الدورق بشكل دائري؛ وذلك لكي نسمح للحمض والقاعدة بأن يتفاعلا تفاعلًا تامًّا أثناء هذه العملية.
عند إضافة محلول المعايرة القاعدي، ستظهر بقعة من اللون الوردي الفاتح داخل الدورق المخروطي حيث يتفاعل الفينولفثالين مع القاعدة ويتحوَّل إلى اللون الوردي. وبالرغم من ذلك، سيختفي اللون سريعًا عندما يتفاعل المحلول الحمضي المراد معايرته الموجود في الدورق مع القاعدة؛ ممَّا يؤدي إلى معادلتها. من المهم أن نواصل رج الدورق بشكل دائري؛ وذلك لكي نسمح للحمض والقاعدة بأن يتفاعلا تفاعلًا تامًّا أثناء هذه العملية.
وكلما أضفنا مزيدًا من القاعدة إلى الدورق، ظل اللون الوردي لفترات زمنية أطول. هذا لأنه خلال تقدُّم التجربة، تقل كمية الحمض في المحلول، ويحتاج تفاعل تعادُل الحمض والقاعدة إلى وقت أطول. وفَوْر معادلة الحمض كله، تظل أي قاعدة أُضيفت موجودة في المحلول، ويمكنها أن تتفاعل مع الفينولفثالين. عندما تتسبَّب إضافة قطرة من القاعدة في أن يصبح لون المحلول ورديًّا باهتًا، تكون التجربة قد وصلت إلى نقطة نهاية التفاعل.
وكلما أضفنا مزيدًا من القاعدة إلى الدورق، ظل اللون الوردي لفترات زمنية أطول. هذا لأنه خلال تقدُّم التجربة، تقل كمية الحمض في المحلول، ويحتاج تفاعل تعادُل الحمض والقاعدة إلى وقت أطول. وفَوْر معادلة الحمض كله، تظل أي قاعدة أُضيفت موجودة في المحلول، ويمكنها أن تتفاعل مع الفينولفثالين. عندما تتسبَّب إضافة قطرة من القاعدة في أن يصبح لون المحلول ورديًّا باهتًا، تكون التجربة قد وصلت إلى نقطة نهاية التفاعل.
نقطة نهاية التفاعل
يجب تسجيل الحجم النهائي لمحلول المعايرة في السحاحة عند الوصول إلى نقطة نهاية التفاعل. إذا ظهر الدورق المخروطي باللون الوردي الغامق، فهذا يعني أنه أضيفت كمية كبيرة للغاية من القاعدة، ويجب إعادة التجربة.
يوضِّح الجدول الآتي نقطة نهاية التفاعل المطلوبة لدليل الفينولفثالين ودليل الميثيل البرتقالي.
يوضِّح الجدول الآتي نقطة نهاية التفاعل المطلوبة لدليل الفينولفثالين ودليل الميثيل البرتقالي.
مثال ٥: تذكُّر ألوان الميثيل البرتقالي
الميثيل البرتقالي دليلٌ يكون أحمر اللون في محلول له أس هيدروجيني أقل من 3.1، ويكون أصفر اللون في محلول له أس هيدروجيني أكبر من 4.4. وتكون المحاليل حمضية عندما يكون الأس الهيدروجيني أقل من 7، ومتعادلة عندما يساوي الأس الهيدروجيني 7، وقاعدية عندما يكون الأس الهيدروجيني أكبر من 7.
وهذا يعني أن الميثيل البرتقالي سيَظهر باللون الأصفر في جميع المحاليل القاعدية، وباللون الأحمر في المحاليل الحمضية القوية. علينا أن نملأ الفراغ الأول بكلمة «أحمر»، والفراغ الثاني بكلمة «أصفر».
التحليل بالمعايرة هو إحدى طُرق التحليل الكمي التي تُستخدَم لتحديد تركيز المادة المقيسة باستخدام تركيز معلوم لمحلول آخَر.
فيما يأتي أمثلة على التحليل بالمعايرة:
يوضِّح الشكل الآتي إعداد تجربة معايرة التعادُل المعتادة. لنفترض أن المادة المقيسة حمض ومحلول المعايرة قاعدة.
يتدفَّق حجم معروف بدقَّة من مادة مقيسة حمضية تركيزها غير معروف، من خلال ماصَّة إلى دورق مخروطي. تركيز محلول المعايرة القاعدي معروف بالضبط؛ ومن ثَمَّ يُوصَف هذا المحلول بأنه قياسي. يُضاف محلول المعايرة ببطء إلى المادة المقيسة من خلال السحاحة حتى يتغيَّر لون الدليل عند نقطة نهاية التفاعُل، وهو ما يُشير إلى اكتمال التفاعُل، وإلى تعادُل كلِّ المادة المقيسة في الدورق المخروطي.
من المُهِمِّ التأكُّد من أن معادلة تفاعُل الحمض والقاعدة موزونة قبل إجراء العمليات الحسابية؛ لأن النسبة التكافئية للمتفاعِلات تؤثِّر على العمليات الحسابية. يوضِّح الشكل الآتي معادلة التفاعُل الموزونة، والنسبة المولارية لمواد التفاعُل (من المعاملات التكافئية)، والخطوات الثلاث لتحديد تركيز المادة المقيسة:
في الخطوة الأولى، يُحسَب عدد مولات محلول المعايرة. لكنْ قبل أن نفعل ذلك، لا بدَّ من حساب متوسط المحلول المعاير من خلال قِيَم المحلول المعايِر التي حصلنا عليها من المرَّات الثلاث، ثم تحويل وحدة الحجم من ملليلتر إلى لتر؛ حيث إن تركيز المحلول معبَّر عنه بالمولارية، ووحدته mol/L. تذكَّر أنه في بعض الأحيان يُعبَّر عن المولارية بوحدة: mol/dm 3، وهو ما يُكافئ الوحدة mol/L؛ حيث إن 1 = 1 d m L .
من المُهِمِّ التأكُّد من أن معادلة تفاعُل الحمض والقاعدة موزونة قبل إجراء العمليات الحسابية؛ لأن النسبة التكافئية للمتفاعِلات تؤثِّر على العمليات الحسابية. يوضِّح الشكل الآتي معادلة التفاعُل الموزونة، والنسبة المولارية لمواد التفاعُل (من المعاملات التكافئية)، والخطوات الثلاث لتحديد تركيز المادة المقيسة:
في الخطوة الأولى، يُحسَب عدد مولات محلول المعايرة. لكنْ قبل أن نفعل ذلك، لا بدَّ من حساب متوسط المحلول المعاير من خلال قِيَم المحلول المعايِر التي حصلنا عليها من المرَّات الثلاث، ثم تحويل وحدة الحجم من ملليلتر إلى لتر؛ حيث إن تركيز المحلول معبَّر عنه بالمولارية، ووحدته mol/L. تذكَّر أنه في بعض الأحيان يُعبَّر عن المولارية بوحدة: mol/dm 3، وهو ما يُكافئ الوحدة mol/L؛ حيث إن 1 = 1 d m L .
يُفضَّل كتابة البيانات بصورة تجعل استخدامها أسهل. تتمثَّل إحدى هذه الطُّرق في كتابة البيانات الموجودة أسفل المادة المتعلِّقة بها في المعادلة الموزونة، كما يأتي:
هناك طُرق مختلفة لحلِّ هذا السؤال. إحدى هذه الطُّرق هي اتِّباع الخطوات الثلاث، كما في الشكل الآتي:
هناك طُرق مختلفة لحلِّ هذا السؤال. إحدى هذه الطُّرق هي اتِّباع الخطوات الثلاث، كما في الشكل الآتي:
قبل البدء في الخطوة الأولى من العملية الحسابية، تأكَّد من أن حجم القاعدة معبَّر عنه بوحدات متوافقة مع وحدات تركيز القاعدة. التركيز مُعطًى بوحدة مول لكل لتر ( mol/L )، إذن يُمكن التعبير عن الحجم بوحدة لتر، ويُمكن تحويل وحدة ملليلتر إلى لتر، كما يأتي: 2 6. 6 × 1 1 0 0 0 = 0. 0 2 6 6. m L L m L L
هناك طُرق مختلفة لحلِّ هذا السؤال. إحدى هذه الطُّرق هي اتِّباع الخطوات الثلاث، كما في الشكل الآتي:
قبل البدء في الخطوة الأولى من العملية الحسابية، تأكَّد من أن حجم القاعدة معبَّر عنه بوحدات متوافقة مع وحدات تركيز القاعدة. التركيز مُعطًى بوحدة مول لكل لتر ( mol/L )، إذن يُمكن التعبير عن الحجم بوحدة لتر، ويُمكن تحويل وحدة ملليلتر إلى لتر، كما يأتي: 2 6. 6 × 1 1 0 0 0 = 0. 0 2 6 6. m L L m L L
الطريقة الأولى: عملية الخطوات الثلاث وفقًا للخطوات الموضَّحة في هذا الشكل.
الخطوة الأولى: يُمكن حساب عدد مولات محلول المعايرة، وهو H S O 2 4 في هذا السؤال من تركيزه، الذي يساوي 0.25 mol/L، وحجمه وهو 143 mL. يجب تحويل الحجم 143 mL أولًا إلى وحدة لتر.
الطريقة الأولى: عملية الخطوات الثلاث وفقًا للخطوات الموضَّحة في هذا الشكل.
الخطوة الأولى: يُمكن حساب عدد مولات محلول المعايرة، وهو H S O 2 4 في هذا السؤال من تركيزه، الذي يساوي 0.25 mol/L، وحجمه وهو 143 mL. يجب تحويل الحجم 143 mL أولًا إلى وحدة لتر.
أولًا: يجب أن تكون معادلة التفاعُل موزونة على النحو الآتي:
إذن يُمكن اتِّباع الخطوات الموضَّحة في الشكل السابق لتحديد النسبة المئوية للقاعدة C a ( O H ) 2 في الخليط الصُّلب الأصلي.
أولًا: يجب أن تكون معادلة التفاعُل موزونة على النحو الآتي:
إذن يُمكن اتِّباع الخطوات الموضَّحة في الشكل السابق لتحديد النسبة المئوية للقاعدة C a ( O H ) 2 في الخليط الصُّلب الأصلي.
يمكن أن تتحوَّل البلورات الزرقاء من كبريتات النحاس الثنائي المُماهة إلى بلورات بيضاء من كبريتات النحاس الثنائي اللامائية في حالة تسخينها باستخدام موقد لهب بنسن. ويمكن تحويل بلورات كبريتات النحاس الثنائي اللامائية مرةً أخرى إلى كبريتات النحاس الثنائي المُماهة إذا شُبِّعت بعدد كافٍ من جزيئات الماء، كما هو موضَّح في الآتي.
يمكننا استخدام التغيُّر في الكتلة للتعرُّف على خواص مثل عدد جزيئات الماء لكل وحدة صيغة في العيِّنة، أو كتلة الماء في العيِّنة، أو حتى النسبة المئوية لكتلة مركب مُماه في خليط.
نُجري فيما يلي تجربة بسيطة وشائعة لإجراء التحليل الوزني بالتطاير.
يُعَد هذا الإعداد العلمي البسيط نسبيًّا مثاليًّا لتحديد كمية الماء التي تُحرَّر من مركب كيميائي معقَّد مُماه، مثل الأملاح المُماهة. وفيما يلي الخطوات اللازمة لإجراء هذا التحليل:
أسئلة تطبيقية
٠ / ٦21 mL HCl 0.1 M + 25 mL NaOH → M_b:
مثال Ca(OH)₂ M_b:
BaCl₂·2H₂O — x:
BaSO₄ 2 g → g BaCl₂:
End Point:
NaOH % في مخلوط: