شارح الدرس: تجارب المعايرة الكيمياء

في هذا الشارح، سوف نتعلَّم كيف نَصِف طرق معايرة الحمض والقاعدة واستخدامها في تعيين تركيزات الأحماض والقواعد.

عندما نريد إيجاد تركيز حمض أو قاعدة، يمكننا إجراء تجربة معايرة. في تجربة المعايرة، يُضاف محلول معلوم التركيز إلى حجم محدَّد بدقة من محلول مجهول التركيز في وجود دليل.

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.

يُوضَع المحلول القياسي في السحاحة، ويُسمَّى أيضًا محلول المعايرة. المحلول القياسي محلولٌ معلوم التركيز.

إذا كان المحلول الذي نحاول تحديد تركيزه حمضًا، يجب أن يكون المحلول القياسي قاعدة، والعكس بالعكس. يمكن شراء المحاليل القياسية، لكنها عادةً تُصنع بسهولة في المعمل.

غالبًا ما تُجرى تجارب المعايرة أربع مرات أو أكثر، ومن ثَمَّ، يجب تحضير كمية كافية من المحلول القياسي لإجراء جميع التجارب.

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؟

1. لتقليل مخاطر تناثر الحمض أو القاعدة على الوجه أو العينين
2. لمعرفة متى تكون الكأس الزجاجية أو المخبار المدرَّج فارغًا
3. للتأكُّد من صب المحلول في السحاحة وليس على الأرض
4. لمشاهدة المحلول وهو يتحرَّك أسفل السحاحة
5. للسماح بملء السحاحة أثناء الجلوس

الحل

كثيرًا ما تُستخدَم السحاحة عند إجراء معايرة الحمض والقاعدة؛ ومن ثَمَّ فهي تُملأ غالبًا بحمض أو قاعدة. الأحماض والقواعد مسبِّبة للتآكل. يمكن أن تسبِّب تهيُّج العينين والجلد أو تحرقهما، ويمكن أن تسبِّب ضيقًا في التنفس. وللتقليل من احتمال تناثر مثل هذه المواد على العينين أو الوجه، يجب ألَّا تُملأ السحاحة أبدًا فوق مستوى النظر. إذن الإجابة الصحيحة هي الخيار أ.

يُسمَّى المحلول المجهول التركيز بالمحلول المراد معايرته أو المادة المقيسة.

يجب أن يُضاف حجم دقيق من المحلول المراد معايرته إلى دورق مخروطي باستخدام الماصة الحجمية. وأحيانًا ما يُسمَّى حجم المحلول المراد معايرته المستخدَم بالحجم المعاير.

مثال ٣: تحديد أي المحاليل يجب وضعها في الدورق المخروطي والسحاحة في معايرة الحمض والقاعدة

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؟

الحل

يُملأ الدورق المخروطي باستخدام ماصة. الماصة أداة زجاجية تُستخدم للوصول إلى حجم محدَّد من سائل. السحاحة أداة زجاجية تُملأ بسائل يمكن تصريفه بعد ذلك. تُستخدم السحاحات عندما لا يكون حجم السائل اللازم معلومًا؛ حيث يمكن فتح المحبس الموجود في أسفل السحاحة أو غلقه بسهولة للتحكُّم في حجم السائل المنقول.

في تجربة المعايرة المذكورة، يَستخدم الطالب كمية معلومة من إحدى القواعد، لكنه لا يعرف الحجم الإجمالي للحمض اللازم. ومن ثَمَّ، يجب وضع القاعدة في الدورق المخروطي والحمض في السحاحة.

خلال تجربة المعايرة، يُضاف محلول المعايرة إلى المحلول المراد معايرته إلى أن يُعادِل كلٌّ من القاعدة والحمض أحدهما الآخر تمامًا. وهذا يُسمَّى نقطة التكافؤ.

يمكن تحديد الحجم التقريبي لمحلول المعايرة اللازم للوصول إلى نقطة التكافؤ بصريًّا عن طريق إضافة دليل حمض وقاعدة إلى الدورق المخروطي. الدليل عبارة عن حمض ضعيف أو قاعدة ضعيفة، يتغيَّر لونه على نطاق محدَّد من الأس الهيدروجيني.

هناك مجموعة متنوعة من الأدلة التي يمكن اختيارها لإجراء تجربة المعايرة بناءً على الحمض والقاعدة المستخدَمَيْن باعتبارهما محلول المعايرة ومحلولًا مراد معايرته. بالقرب من نقطة التكافؤ، تتسبَّب إضافة قطرة واحدة من محلول المعايرة في تغيُّر كبير للأس الهيدروجيني للمحلول الموجود في الدورق المخروطي. أيُّ دليل حمض وقاعدة جيد سيُظهِر تغيُّر لون مفاجئًا خلال هذه النقطة في التجربة.

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 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.

مثال ٤: تحديد لون دليل ما عند قيمة واحدة للأس الهيدروجيني، وتحديد نوع الدليل الذي سنستخدمه عندما يتغيَّر الأس الهيدروجيني من 8 إلى 11

يوضِّح الجدول الآتي نطاق ألوان العديد من الأدلة المُختلِفة.

1. ما الدليل الذي يكون أزرق اللون عند أس هيدروجيني يساوي 5؟
2. ما الدليل الذي يُظهِر جيدًا تغيُّر الأس الهيدروجيني لأحد المحاليل من 8 إلى 11؟

الحل

الجزء الأول

يوضِّح التمثيل البياني نطاق الأس الهيدروجيني الذي يتغيَّر عنده لون كل دليل. على سبيل المثال، يتغيَّر لون البروموفينول الأزرق من الأصفر إلى الأزرق عند أس هيدروجيني بين 3 و4.6. عند أس هيدروجيني أقل من 3، سيكون البروموفينول الأزرق باللون الأصفر، وعند أس هيدروجيني أكبر من 4.6 سيكون البروموفينول الأزرق باللون الأزرق.

وعند الأس الهيدروجيني 5، فإن البروموفينول الأزرق سيكون أزرق اللون، وسيكون البروموثيمول الأزرق أصفر اللون، وسيكون الكريسولفيثالين عديم اللون، والأليزارين الأصفر سيكون أصفر اللون. ومن ثَمَّ، فإن الدليل الذي يكون أزرق اللون عند أس هيدروجيني يساوي 5 هو البروموفينول الأزرق.

الجزء الثاني

الدليل الذي يُظهِر جيدًا تغيُّر الأس الهيدروجيني لأحد المحاليل من 8 إلى 11 هو الدليل الذي يتعرَّض لتغيُّر لون في نطاق الأس الهيدروجيني المذكور. سيظل البروموفينول الأزرق والبروموثيمول الأزرق باللون الأزرق، بينما يتغيَّر الأس الهيدروجيني من 8 إلى 11. سيكون الأليزارين الأصفر باللون الأصفر عند الأس الهيدروجيني بين 8 و10، وسيبدأ في التغيُّر إلى اللون البرتقالي في حين يقترب الأس الهيدروجيني من 11. يوجد تغيُّر في اللون، ومع ذلك، فهو يحدث عند قيمة عالية جدًّا من الأس الهيدروجيني. يكون الكريسولفيثالين عديم اللون عندما تكون قيمة الأس الهيدروجيني 8، ويصبح بنفسجيًّا عند الأس الهيدروجيني 10. وبما أن الكريسولفيثالين يتغيَّر لونه بشكل كبير في نطاق الأس الهيدروجيني المطلوب، إذن سيكون أفضل دليل يمكن استخدامه في هذه التجربة.

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.

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.

من المهم معرفة أن نقطة نهاية التفاعل في التجربة ونقطة التكافؤ لا تكونان متساويتين عادةً. تحدث نقطة التكافؤ عندما يتعادل كلٌّ من الحمض والقاعدة، لكن نقطة نهاية التفاعل تحدث عندما يتغيَّر لون الدليل.

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.

مثال ٥: تذكُّر ألوان الميثيل البرتقالي

املأ الفراغات: الميثيل البرتقالي دليل مفيد، خاصةً في معايرة الأحماض. يكون في المحاليل الحمضية القوية، ويكون في المحاليل القلوية.

الحل

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».

من السهل جدًّا إضافة كمية كبيرة من محلول المعايرة خلال المعايرة. يمكننا تقدير كمية محلول المعايرة اللازمة للوصول إلى نقطة نهاية التفاعل عن طريق إجراء معايرة تقريبية أولًا.

بطرح خمسة ملليلترات من حجم محلول المعايرة الذي استُخدم في المعايرة التقريبية، يمكن معرفة مقدار محلول المعايرة الذي يمكننا إضافته سريعا بأمان خلال المعايرة الجيدة. لا تَستخدم حجم محلول المعايرة المستخدَم في المعايرة التقريبية مطلقًا في أي حسابات للمعايرة.

توجد عدة أخطاء شائعة قد تحدث عند إجراء تجربة المعايرة. تتضمَّن أخطاء القياس القياس غير الدقيق للمحلول المراد معايرته، أو القراءة الخاطئة للحجم الابتدائي أو النهائي في السحاحة. تؤثِّر فقاعات الهواء التي توجد في السحاحة على قراءات الحجم أيضًا. يمكننا إزالة فقاعات الهواء من خلال النقر بخفة على السحاحة. إضافةً إلى ذلك، إذا كانت هناك كمية إضافية من محلول المعايرة الذي لم يتفاعل على طرف السحاحة أو في عنق الدورق المخروطي، فقد نسجِّل حجمًا كبيرًا جدًّا من محلول المعايرة. يمكننا تفادي هذا الخطأ عن طريق شطف طرف السحاحة وعنق الدورق بالماء المزال الأيونات عندما نقترب من نقطة نهاية التفاعل في المعايرة.

وإذا لم يتغيَّر لون الدليل أثناء المعايرة أبدًا، فقد يكون الاختيار قد وقع على الدليل الخطأ، أو قد يكون المحلول نفسه قد وُضِع في كلٍّ من السحاحة والدورق المخروطي. إذا بقي الدورق المخروطي عديم اللون خلال المعايرة التي تحتوي على الفينولفثالين، فتحقَّقْ من إضافة الدليل إلى الدورق.