شارح الدرس: اختبارات الكشف عن الكاتيونات الكيمياء • الصف الثالث الثانوي

في هذا الشارح، سوف نتعلَّم كيف نحدِّد الأيونات الموجبة في المحاليل المائية بناءً على تفاعليتها ولونها وذوبانية أملاحها.

على الكيميائي أن يكون قادرًا على الكشْف عن المواد المجهولة. يُمكنه فعل ذلك من خلال ملاحَظة خواصِّها المُميِّزة. فاللَّوْن، والحالة الفيزيائية في درجة حرارة الغرفة، والكثافة، والذوبانية، ودرجة الانصهار، والتوصيلية الكهربية، جميعها خواصُّ فيزيائية تُميِّز كلَّ مادة عن غيرها. ويُمكن أيضًا أن تدلَّنا الخواصُّ الكيميائية، أو طريقة تفاعل المواد، على نوع المادَّة أو المجموعة التي تنتمي إليها.

يُمكننا استخدام الخواصِّ المُميِّزة والتفاعلية دليلًا لوجود بعض الكاتيونات في المحلول المائي. وغالبًا ما تُوجَد الكاتيونات مع أنيون مضادٍّ مثل أيونات الكلوريد أو النيترات، لكن هذا الشارح لن يتناول اختبارات الكشْف عن هذه الأنيونات. إلَّا أن بعض الفلزات مثل الفضة الأحادي والزئبق الأحادي والرصاص الثنائي تُكوِّن كلوريدات شحيحة الذوبان، وهكذا يُمكن استخدام ذلك اختبارًا أوَّليًّا للكشْف عن هذه الفلزات.

جميع الكاتيونات الأخرى، ومنها ، ، ، ، ، ، ، وكذلك الكاتيون المتعدِّد الذرات، تكوِّن كلوريدات أيونية، على سبيل المثال: و القابلان للذوبان كليًّا أو جزئيًّا في الماء.

يوضِّح الجدول الآتي ألوان هذه الكاتيونات في المحلول المائي.

يُمكننا أن نلاحِظ أن بعض الكاتيونات تكوِّن محاليل ملوَّنة متشابِهة. على سبيل المثال: يكوِّن كلٌّ من ، ، ، محاليل عديمة اللَّوْن، بينما تبدو المحاليل الأخرى مختلفة اللون. مع ذلك، ، كلاهما له لون أخضر. يُمكننا ملاحَظة أن اللون وحدَه في المحلول المائي لا يكفي للكشْف عن الكاتيونات. فعلينا إجراء اختبارات أخرى للتمييز بينها.

ويُمكننا التأكُّد من وجود كاتيون معيَّن في المحلول عن طريق إجراء اختبارات كيميائية. نعرِض فيما يأتي اثنين من هذه الاختبارات:

1. أضِف بضْع قطرات من هيدروكسيد الصوديوم المخفَّف () في محلول مجهول، وراقِب حدوث أيِّ تغيُّرات. يُمكننا إجراء المزيد من الاختبارات بإضافة كمية فائضة من ، وتسجيل أيِّ تغيُّرات تحدث.

   

2. أضِف بضْع قطرات من هيدروكسيد الأمونيوم المخفَّف () إلى محلولٍ مجهولٍ، وراقِب حدوث أيِّ تغيُّرات. يُمكننا إجراء المزيد من الاختبارات بإضافة كمية فائضة من ، وتسجيل أيِّ تغيُّرات تحدث.

   

يُوجَد العديد من الكاتيونات التي تكوِّن رواسب عند إضافة المخفَّف أو المخفَّف. وتكوُّن الراسب (أو عدم تكوُّنه)، إضافة إلى لونه، يُمكن أن يُساعِدنا في الكشف عن الكاتيون.

ويُمكن الكشْف عن بعض الكاتيونات عن طريق إضافة محلول مخفَّف من . لكنْ لمزيد من التأكُّد، علينا اختبار العيِّنة باستخدام محاليل من أيضًا.

المحلولان المُستخدَمان في اختبارات الكشْف عن الكاتيونات، ، و، كلاهما رائق وعديم اللون، وهو ما يعني أنهما لا يؤثِّران على لون الكاتيونات.

يوضِّح الجدول الآتي الملاحَظات التي سنتَّخِذها عند إضافة بضْع قطرات من محلول إلى محلول الكاتيونات، وكذلك الصيغة الكيميائية للرواسب المتكوِّنة.

لاحِظ أن جميع كاتيونات الفلزات تتفاعل مع المخفَّف لتكوِّن رواسب، ما عدا .

معظم الرواسب لها لون مُميِّز لها يُساعِدنا في الكشْف عن الكاتيون. يُمكننا الكشْف عن ، ، ، ، من خلال ألوان رواسبها المُميِّزة. كما يُمكننا الكشْف عن ؛ لأنه الوحيد من بين الكاتيونات المذكورة الذي لا يكوِّن راسبًا. ومع ذلك، فكلٌّ من ، ، تكوِّن رواسب بيضاء، وهو ما يعني أن المخفَّف لا يُمكن استخدامه للتمييز بين هذه الكاتيونات الثلاثة. لكنْ قد يُساعِد إجراء المزيد من الاختبارات باستخدام كمية فائضة من في الكشْف عنها.

وتتشابَه التفاعلات الكيميائية التي تَنتُج عنها هذه الرواسب إلى حدٍّ كبير. وبوجهٍ عامٍّ، يتفاعل كاتيون الفلز مع أنيون الهيدروكسيد لتكوين هيدروكسيد الفلز.

هيَّا نلقِ نظرةً على المعادلات الأيونية المحدَّدة لجميع كاتيونات الفلز التي تكوِّن الهيدروكسيدات الصُّلبة. الجدول الآتي يوضِّح هذه التفاعلات.

في بعض الكاتيونات، يُمكن أن تؤدِّي إضافة كمية فائضة من إلى كلِّ محلول إلى حدوث تغيُّرات في الرواسب. يوضِّح الجدول الآتي هذه الملاحَظات.

ويَنتُج مركَّب معقَّد عن التفاعل الكيميائي بين الراسب والكمية الفائضة من ، ولكنْ يُمكننا أن نلاحِظ أن بعض الرواسب تذوب مرَّة أخرى بإضافة كمية فائضة من .

ولا تختلف النتائج بالنسبة إلى ، ؛ إذ تذوب رواسبهما البيضاء مرَّة أخرى بإضافة كمية فائضة من . وإذا ساوَرَنا الشكُّ أن محلولًا يحتوي على أو ، فإن اختبار لن يُساعِدنا في الكشْف عن نوع هذا المحلول.

مع ذلك، يُمكننا ملاحَظة أن الراسب لا يذوب مرَّة أخرى عند إضافة كمية فائضة من . يُمكننا إذن استنتاج أنه إذا أضفْنا محلولًا مخفَّفًا من إلى محلول من كاتيون الفلز وتكوَّن راسب أبيض لا يذوب مرَّة أخرى بإضافة كمية فائضة من ، فإن قد يكون هو الكاتيون المجهول.

وعند إضافة محلول المخفَّف إلى محلول من أيونات تتكوَّن بعض الفقاعات الصغيرة. وقد يلزم تسخين المحلول قليلًا لتحفيز التفاعل بين وأيونات الهيدروكسيد الموجودة في :

وتتكوَّن فقاعات من غاز الأمونيا (). وإذا تكوَّنت كمية كافية من غاز الأمونيا، فقد نتمكَّن من التعرُّف عليه من خلال رائحته النفَّاذة. إلَّا أن غاز يكون سامًّا عند استنشاقِه بكميات كبيرة؛، لذلك لا يُنصَح بشمِّ أنبوب الاختبار مباشرة. والطريقة الأكثر أمانًا للكشْف عن هي وضْع قطعة مبلَّلة من ورق عباد الشمس الأحمر بالقُرْب من فوهة أنبوب الاختبار. إذا تحوَّلتْ ورقة عباد الشمس إلى الأزرق، نعلم حينها أن الغاز يكوِّن قلويًّا على ورقة عباد الشمس. فعند تفاعل مع الماء على ورقة عباد الشمس الزرقاء فإنه يكوِّن القلوي وفقًا للمعادلة الآتية:

وهذا بالتأكيد عكس التفاعل السابق.

يُمكننا أيضًا تسجيل الملاحَظات عند إضافة بضْع قطرات من المخفَّف ثم إضافة كمية فائضة من إلى المحلول المائي لكاتيونات الفلزات. الجدول الآتي يلخِّص النتائج المتوقَّعة.

لاحِظ أن إضافة المخفَّف إلى كاتيونات الفلز يؤدِّي إلى تكوين راسب بنفس اللَّوْن لكلِّ كاتيون، ما عدا . مع ذلك، يُمكننا استخدام كلا الاختبارين للكشْف عن في المحاليل، فالتفاعل مع المخفَّف هو الوحيد الذي يَنتُج عنه راسب.

ويَنتُج عن ، فقط راسب بنفس اللَّوْن عند التفاعل مع محلول المخفَّف. يُمكننا التمييز بين هذين الكاتيونين عن طريق إضافة كمية فائضة من . إذا لم يَذُبِ الراسب مرَّة أخرى، فإن الكاتيون هو . لكنْ إذا ذاب الراسب مرَّة أخرى، نعلم حينَها أن هو الكاتيون.

ولا تختلف المعادلات التي تَصِف تكوُّن هذين الراسبين عن المعادلات في حالة التفاعل مع . وهي كالآتي:

لكنْ هذه المرَّة، ليس مصدر أيونات الهيدروكسيد، وإنما .

لا يُمكننا إجراء اختبار للكشْف عن بإضافة ؛ فلا تُوجَد بيانات عن هذه الملاحَظة في الجدول السابق.

تُوجَد اختبارات أخرى أقلُّ شيوعًا للكشْف عن الكاتيونات المجهولة. فيُمكن أن تترسَّب كاتيونات معيَّنة في صورة كبريتيدات من المحاليل الحمضية.

باستخدام النحاس على سبيل المثال، يُذاب ملح النحاس القابل للذوبان في الماء ويُحمَّض باستخدام حمض مخفَّف. في هذه المرحلة، تتكوَّن فقاعات من غاز كبريتيد الهيدروجين في المحلول المحمَّض، ويتكوَّن راسب أسود من كبريتيد النحاس الثنائي:

يذوب كبريتيد النحاس الأسود هذا في حمض النيتريك الساخن.

ثَمَّة اختبار إضافي للكشْف عن كاتيونات الكالسيوم، وهو إضافة كربونات الأمونيوم. عندما تُخلَط كربونات الأمونيوم مع أحد أملاح الكالسيوم القابِلة للذوبان، مثل كلوريد الكالسيوم، يتكوَّن راسب أبيض من كربونات الكالسيوم غير القابلة للذوبان:

يُمكن الكشْف عن نوع الراسب الأبيض؛ حيث تتفاعَل كربونات الكالسيوم مع حمض الهيدروكلوريك المخفَّف ليتكوَّن ثاني أكسيد الكربون، وهذا يُمكن الكشْف عنه باستخدام ماء الجير الرائق:

يُمكن أيضًا استخدام الأملاح الصُّلبة المحتوية على الكالسيوم في اختبارات اللهب؛ حيث يُعطِي الكالسيوم لونًا أحمر طوبيًّا.

دعونا نلخِّص الاختبارات التي تعلَّمناها هنا عند الكشْف عن الكاتيونات المجهولة.