تم إلغاء تنشيط البوابة. يُرجَى الاتصال بمسؤول البوابة لديك.

شارح الدرس: قياس المواد الكيمياء

في هذا الشارح، سوف نتعلَّم كيف نتعرَّف على أجهزة القياس، ونَصِف طرق القياس الدقيقة والموثوقة للتجارب المُعطاة.

من المهم أن نفهم الفرق بين صحة القياس والدقة. صحة القياس تَصِف مدى اقتراب القياس من القيمة الحقيقية أو المقبولة. ويختلف مفهوم الدقة اختلافًا تامًّا عن صحة القياس؛ حيث إنه يَصِف مدى اقتراب القياسات لنفس العنصر بعضها من بعض. يمكن للقياس أن يكون دقيقًا وغير صحيح، وقد يكون أيضًا صحيحًا وغير دقيق.

يمكننا فهم الفرق بين هذين المفهومين بالنظر إلى مواضع الأسهم على لوحة الأسهم. نفترض أن مركز الهدف (مركز لوحة الأسهم) هو القيمة الحقيقية أو المقبولة للوحة الأسهم. تُصيب الرمياتُ الصحيحةُ القياسِ مركزَ الهدف، وتُخطئ الرميات التي ليست صحيحة القياس مركز لوحة الأسهم بمقدار كبير.

تعريف: صحة القياس

«صحة القياس» هي مدى اقتراب القياس العلمي من القيمة الحقيقة أو المقبولة.

قد يكون مصوِّب الأسهم دقيقًا وليس صحيح القياس في الوقت نفسه إذا أصاب بشكل متكرِّر نقطة بعيدة عن مركز الهدف. يستخدم الشكل الآتي أسهمًا حمراء اللون لبيان كيف يمكن لمصوِّب السهم أن يكون دقيقًا وليس صحيحًا في الوقت نفسه.

يمكننا أيضًا فهم الاختلافات بين الدقة وصحة القياس بالنظر إلى القياسات التي تؤخذ أثناء التجارب العلمية. نفترض أنه يُسكب 15.0 mL من محلول حمضي مائي في مخبار مدرَّج (مخبار قياس). نفترض أيضًا أن بعض الطلاب يأخذون قياسات هذا المحلول الحمضي المائي واحدًا تلو الآخر.

سيحصل الطلاب على قياسات صحيحة إذا قاسوا حجمًا يساوي تمامًا أو تقريبًا 15.0 mL. في حين، سيحصل الطلاب على قياسات غير صحيحة إذا قاسوا حجمًا أقل بكثير أو أكبر بكثير من 15.0 mL.

يمكن وصف قياسات الطلاب بأنها دقيقة وغير صحيحة القياس، إذا كانت جميع القيم المقيسة متجمِّعة حول قيمة واحدة تختلف اختلافًا كبيرًا عن 15.0 mL. يستخدم الشكل الآتي أسهمًا حمراء اللون لتوضيح كيف يمكن أن تكون مجموعة قياسات دقيقة وغير صحيحة في الوقت نفسه. تُستخدم الأسهم الزرقاء اللون لتوضيح كيف يمكن أن تكون مجموعة القياسات صحيحة وغير دقيقة في الوقت نفسه. الأسهم الزرقاء لها قيمة متوسطة تساوي 15.0 mL تقريبًا، ولكن جميع القياسات ليست متجمِّعة حول النقطة نفسها على مقياس الأعداد.

تعريف: الدقة

«الدقة» هي مدى تقارب القياسات العلمية بعضها من بعض.

من المهم ألَّا نخلط بين استخدام المصطلحين «صحة القياس» و«الدقة» أو نستخدم أحدهما محل الآخر بحرية عندما نتحدَّث عن التجارب العلمية والقياسات العلمية. كل مصطلح منهما له معنى مختلف تمامًا عن الآخر، ويجب علينا دائمًا أن نكون حريصين على كيفية الحديث عن العلم أو ممارستنا له.

مثال ١: تحديد البيانات الصحيحةِ القياسِ والدقيقة

توضِّح الصورة الآتية مواضع ثلاث نقاط على مجموعة من ألواح التصويب. تتمثَّل القيمة الحقيقية عند مركز لوحة التصويب، وهي الدائرة الحمراء.

  1. ما لوحة التصويب التي تُمثِّل صحة قياس ضعيفة ودقَّة قياس جيدة؟
  2. ما لوحة التصويب التي تُمثِّل صحة قياس ودقَّة قياس جيدتين؟
  3. ما لوحة التصويب التي تُمثِّل صحة قياس ودقَّة قياس ضعيفتين؟

الحل

الجزء الأول

عندما تُستخدَم صحة القياس في مجالات العلوم، فإنها ترتبط بمدى اقتراب القياسات من القيمة الحقيقية. وفي حالة وجود هدف، مثل الهدف المذكور في السؤال، فهذا يعني أن النقاط تقع بالقرب من الدائرة الحمراء التي في مركز لوحة التصويب. إذن لوحة التصويب (ب) ليست هي الإجابة الصحيحة. ترتبط الدقة الجيدة بالقياسات المتكرِّرة التي يقترب بعضها من بعض، إذن الإجابة الصحيحة هي لوحة التصويب (ج).

الجزء الثاني

الجزء الثاني من السؤال يطلب منا تحديد لوحة التصويب التي تُمثِّل صحة قياس ودقَّة قياس جيدتين. في هذا الجزء من السؤال، نحن نبحث عن نتائج تقترب من الدائرة الحمراء التي في مركز لوحة التصويب أو تتطابق معها، وتكون أيضًا قريبةً بعضها من بعض. هذا يعني أن الإجابة الصحيحة هي لوحة التصويب (ب).

الجزء الثالث

في الجزء الأخير من هذا السؤال، نحن نبحث عن لوحة التصويب التي تُمثِّل صحة قياس ودقَّة قياس ضعيفتين؟ وإذا عبَّرنا عن ذلك علميًّا، نقول إن العلامات الثلاث السوداء ليست في مجموعة قريبة بعضها من بعض، وبعيدة عن الدائرة الحمراء التي في مركز لوحة التصويب. يمكننا ملاحظة ذلك موضَّحًا في لوحة التصويب (أ)، وهي الإجابة الصحيحة.

عادةً ما يَستخدم العلماء ميزانًا لقياس كتلة جسم ما؛ لأن الميزان آلة دقيقة للغاية. توجد أنواع مختلفة من الموازين الإلكترونية التي يمكن استخدامها لقياس كتلة مادة ما، ولكل ميزان قيم مقروئية مختلفة.

أكثر الموازين المستخدَمة شيوعًا هي الموازين ذات الدقة التي تصل لأقرب منزلتين عشريتين. ويُعرَف هذا الميزان باللغة الدارجة باسم «الميزان الرقمي ذي دقة الرقمين العشريين». يتكوَّن هذا الميزان من كفة معدنية أعلى الجسم الرئيسي وشاشة رقمية تَعرض القيم لأقرب منزلتين عشريتين. ويُعَدُّ هذا الميزان مثاليًّا لمعظم التجارب التي تُجرى في الفصول الدراسية.

يد عالمٍ موضوعة على ميزان إلكتروني

هناك أنواع أخرى من الموازين التي تُعرَف باللغة الدارجة باسم «الميزان الرقمي ذي دقة الأرقام الأربعة العشرية»؛ لأنه يعرض قيم الكتلة لأقرب 0.0001 جرام (g). الميزان الرقمي ذو دقة الأرقام الأربعة العشرية يُشبه الميزان الرقمي ذا دقة الرقمين العشريين، لكن الميزان الرقمي ذا دقة الأرقام الأربعة العشرية مُحاط بما يُشبه الغطاء الواقي. وقد صُمِّم الغطاء الواقي لمنع أي تيارات هوائية في الغرفة تؤثِّر على عمل الميزان التحليلي.

قد يكون الميزان الرقمي ذو دقة الأرقام الأربعة العشرية أصعب في الاستخدام، وعادةً ما يكون أغلى من الميزان الرقمي ذي دقة الرقمين العشريين. عادةً ما يُختَص الميزان الرقمي ذو دقة الأرقام الأربعة العشرية بالقياسات الدقيقة جدًّا أو لقياس مواد منخفضة الكتلة جدًّا. على سبيل المثال، علينا استخدام ميزان رقمي بدقة أربعة أرقام عشرية لقياس 0.0255 g من عيِّنة مادة ما؛ لأن الميزان الرقمي ذا دقة الرقمين العشريين لا يعرض إلا 0.02 أو 0.03 جرام.

توضِّح الصورة الآتية كيف يمكن استخدام ميزان رقمي بدقة أربعة أرقام عشرية لقياس كتلة مادة صلبة برتقالية اللون. من المهم هنا ملاحظة أن الغطاء الواقي مصنوع مع جدار واحد شفاف يمكن أن ينزلق للخلف والأمام. يجب دائمًا إغلاق الباب المنزلق لأي ميزان قبل الضغط على زر الصفر أو الوزن الفارغ قبل إجراء أي قياسات لقيم الكتلة.

كاشف يُوزَن بدقَّة على ميزان المختبر الإلكتروني.

يشرح الدليل الآتي كيفية قياس كتلة مادة صلبة باستخدام ميزان تحليلي.

خطوات: قياس كتلة مادة صلبة باستخدام الميزان

  1. ضع وعاءً على الميزان. يجب أن يكون دائمًا ذا عنق عريض لتسهيل عملية القياس وتقليل مخاطر الانسكابات. وعاء الوزن مثالي لهذا الميزان.
  2. اضغط على زر الصفر. بالضغط على هذا الزر، ستُضبَط قراءة الميزان على الصفر تمامًا.
  3. أزِل الوعاء من على كفة الميزان.
  4. ضع بعضًا من المادة الصلبة في الوعاء باستخدام ملعقة مسطحة.
  5. أَعِد وضع الوعاء على كفة الميزان مرةً أخرى.
  6. انتظر حتى تستقر قراءة الميزان قبل قراءة القيمة.
  7. إذا كانت القيمة النهائية ليست هي القيمة التي تحتاج إليها، فكرِّر الخطوات من الخطوة 3 إلى 6 حتى تحصل على القيمة الصحيحة. فَوْر أن تحصل على القيمة النهائية، لا تنسَ أن تكتبها!

قد يكون لديك انطباع خاطئ بأن الخطوتين 3 و5 غير ضروريتين، وأنه يمكن وزن المادة الصلبة دون إزالة الوعاء أولًا ثم إعادة وضعه مرةً أخرى على كفة الميزان. ومع هذا، فإن هذه ليست أفضل طريقة. أولًا، يُمكنك أن تُسقِط المادة على كفة الميزان. ثانيًا، قد تتسبَّب موجات الصدم الناتجة عن سقوط المادة الصلبة على كفة الميزان مباشرةً في إتلاف ميكانيكية عمل الميزان في الداخل.

مثال ٢: وصف كيفية استخدام الميزان لقياس كتلة مادة صلبة

رتِّب العبارات الآتية ترتيبًا صحيحًا لوصف كيفية استخدام الميزان لقياس كتلة مادة صلبة:

  1. ضبط الميزان على الصفر.
  2. تسجيل الكتلة النهائية للعيِّنة.
  3. وضع الوعاء على ميزان الكتلة.
  4. وزن المادة داخل الوعاء.

الحل

من المهم اتباع إجراء معيَّن عندما نستخدم الميزان لقياس كتلة مادة صلبة.

الخطوة الأولى هي وضع وعاء الوزن على كفة الميزان. عادةً ما يكون وعاء الوزن عبارة عن وعاء وزن عادي أو قطعة من ورقة الترشيح. الخطوة التالية هي الضغط على زر الصفر أو الوزن الفارغ، الذي يضبط الميزان على قيمة 0.0 g. بعد ذلك، نرفع وعاء الوزن من على كفة الميزان، ثم نملؤه بالمادة الكيميائية التي يجب وزنها. ثم نُضيف المادة الصلبة إلى وعاء الوزن بهذه الطريقة لكي نضمن عدم انسكاب أي جزيئات كيماوية على الميزان، ولضمان عدم تلف ميكانيكية عمل الميزان.

وأخيرًا، نضع وعاء الوزن مرةً أخرى على الميزان ونُسجِّل قيمة الكتلة النهائية. يمكن استخدام هذه العبارات لتحديد أن ترتيب العبارات على النحو: ج، أ، د، ب، هو الإجابة الصحيحة لهذا السؤال.

ثمة مجموعة كبيرة من الزجاجيات العلمية التي يمكن استخدامها لقياس حجم السائل. تحتوي العديد من الكئوس الزجاجية والدوارق على تدريج قياس بسيط محفور على سطحها، وقد نعتقد في البداية أنها ستكون أجهزة مناسبة للاستخدام في قياس حجم السوائل. ومع هذا، فإن هذه الأنواع من الزجاجيات غير مخصَّصة لقياس حجم السوائل بدقة، ويجب عدم استخدامها لهذا الغرض.

يحتوي المخبار المدرَّج على الكثير من العلامات التي تمتد على طول محوره الطويل، ويمكن استخدامها لقياس حجم السائل بدقة أكبر. توفِّر الماصات والسحاحات المدرَّجة أيضًا مستوًى عاليًا من الصحة، وتُستخدَم استخدامًا متكرِّرًا في تجارب المعايرة العالية الدقة. الماصات الحجمية أدوات يدوية لمناولة السوائل تُستخدَم لإفراغ كمية واحدة محدَّدة من السائل بدرجة عالية جدًّا من صحة القياس. يوضِّح الشكل الآتي بعض الزجاجيات العلمية المتطوِّرة.

مثال ٣: اختيار القطعة الأكثر صحةَ قياسٍ من الأواني الزجاجية

توضِّح الصورة الآتية الأجزاء العلوية للعديد من المخابير المُدرَّجة. أيُّ المخابير المُدرَّجة الآتية يمكن أن تُعطي القياس الأكثر صحةً؟

الحل

عند مناقشة صحة القياس في العلوم، فإننا نُشير إلى أن القياس قريب جدًّا من القيمة الحقيقة أو المقبولة. يحتوي المخبار (ب) على علامات التدرُّج الأكثر من بين المخابير الأربعة المتدرِّجة (مخابير القياس). يمكن استخدام المخبار (ب) لإجراء قياسات ذات هامش خطأ أقل. يمكن استخدام المخبار (ب) لتحديد حجم أقرب إلى الحجم الفعلي أو الحقيقي للسائل في مخبار القياس. يمكننا استخدام هذا المنطق لتحديد أن الخيار (ب) هو الإجابة الصحيحة لهذا السؤال.

السحاحة أداة متطورة نسبيًّا من الأدوات العلمية التي تُستخدَم في تجارب المعايرة. تعتبر السحاحة مناسبة على نحو مثالي لتجارب المعايرة؛ لأنها تحتوي على محبس أو صنبور يمكن استخدامه للتحكُّم في تدفُّق السائل من السحاحة إلى مخبار أو دورق. يمكن استخدام السحاحة لإضافة سائل ببطء إلى دورق مخروطي، وتحديد المقدار الصحيح لسائل متفاعل يتطلَّب إضافته إلى سائل متفاعل آخر. يمكن إعادة صياغة هذه العبارة لنقول إنه «يمكن استخدام السحاحة لإضافة الكمية المناسبة من سائل إلى آخر».

السحاحة أداة علمية رقيقة للغاية قابلة للكسر. الأداة رقيقة للغاية، فلا يمكن أن يشكِّل سطح الماء خطًّا مسطحًا واحدًا. يشكِّل سطح الماء سطحًا هلاليًّا مقعرًا، ويتعيَّن على العلماء قياس أحجام السحاحة من خلال فحص موضع القاع للسطح الهلالي. أيضًا، تميل السحاحة ميلًا غير معتاد لتكوين قطرات معلَّقة من محلول المعايرة عند نقطة نهاية التفاعل. من المهم تحريك فوهة السحاحة أو هزها برفق؛ فتنتقل أي قطرات معلَّقة من فوهة السحاحة إلى الدوارق المخروطية أو أوعية التفاعلات.

عمليًّا، يمكننا أيضًا قياس السوائل من خلال وزنها على ميزان كما نفعل مع المواد الصلبة. ومع هذا، قد تكون هذه الطريقة أصعب من وزن المواد الصلبة؛ لأنك يجب أن تضع في الاعتبار كثافة السائل أيضًا. من السهل قياس الحجم مباشرةً بدلًا من قياس قيم الكتلة أولًا، ثم تحويلها إلى قيم الحجم.

مثال ٤: تحديد ما الحجم، وكيف ينبغي قياس الحجم

توضِّح الصورة الآتية حجم سائل في مخبار مدرَّج.

  1. من أين تجب قراءة حجم السائل؟
  2. ما حجم السائل في المخبار المدرَّج؟

الحل

الجزء الأول

السطح الهلالي هو المنحنى التصاعدي أو التنازلي الذي يظهر في الجزء العلوي من السائل في وعاء. يتكوَّن السطح الهلالي بسبب آثار التوتر السطحي في السطح العلوي للسائل. يجب دائمًا تحديد قيم الحجم من موضع القاع للسطح الهلالي. سوف تُحدَّد الأحجام تحديدًا غير صحيح في حالة عدم تحديدها من أدنى نقطة في السطح الهلالي. من ثَمَّ، فإن الإجابة الصحيحة هي قاع السطح الهلالي للسائل.

الجزء الثاني

يحتوي المخبار المُدرَّج في المخطط على مجموعتين من علامات التدرُّج. يحتوي المخبار المدرَّج على علامات مدرَّجة كبيرة ومرقَّمة لمضاعفات العدد خمسة، تتراوح من 5 mL إلى 50 mL. والمجموعة الثانية من علامات التدرُّج مقيسة بزيادات مقدارها 1 mL بين كل علامة من العلامات الكبيرة. في هذه الحالة، يمكننا ملاحظة أن لدينا أكثر من 45 mL من السائل في المخبار المُدرَّج، وعند النظر إلى مجموعة التدرُّج الأصغر، نلاحظ أن حجم السائل هو 47 mL.

من المهم أن تدرك دائمًا أنه حتى أكثر الزجاجيات تطورًا لها حدودها. لا يمكن استخدام جهاز من الأجهزة العلمية لإجراء أي قياس واحد مثالي وخالٍ تمامًا من أي نوع من الأخطاء على الإطلاق. يوضِّح الشكل الآتي كيفية تصميم الأدوات العلمية لتوضِّح لمستخدميها أن الأداة ليست مثالية وأن لها درجة صحة قياس معروفة. يوضِّح الشكل ماصة حجمية بدرجة صحة قياس تبلغ 0.04 mL. يمكن استخدام الماصة الحجمية لقياس 25±0.04mLmL من السائل بالضبط، ولكن لا يمكن أن تُستخدم لقياس 25±0.00mLmL من السائل بالضبط.

ماصة حجمية ۲٥ مل

يمكن قياس حجم الغاز الناتج باستخدام محقنة الغاز. كذلك يمكن قياسه عن طريق وضع مخبار مدرَّج مقلوب في كأس زجاجية تحتوي على محلول مائي غير متفاعل.

في كلتا الحالتين، نستخدم أنبوبًا مطاطيًّا لربط وعاء التفاعل بجهاز القياس. بعد ذلك، نُراقب تكوين الغاز عن طريق فحص المسافة التي يتحرَّكها المكبس في محقنة الغاز، أو من خلال ملاحظة المسافة التي يتحرَّكها عمود من السائل في المخبار المدرَّج المقلوب. تعمل الطريقتان بأسلوب مماثل، على الرغم من أن محقنة الغاز قد تكون أسهل قليلًا في الاستخدام. عمومًا، محقنة الغاز هي الخيار المفضَّل لقياس تكوين الغاز أثناء التفاعل؛ لأنها يمكن أن توفِّر عادةً مستوًى أعلى من صحة القياس.

صُمِّمت الأجهزة العلمية لغرض معيَّن، وحسب الاستخدام نحدِّد أنسب الأجهزة للتجارب العلمية. على سبيل المثال، نفترض أننا نريد قياس حجم غاز ثاني أكسيد الكربون الذي يَنتج عندما تتفاعل كربونات الكالسيوم مع حمض الهيدروكلوريك. يمكننا في البداية تحديد كتلة كربونات الكالسيوم بميزان رقمي بدقة رقمين عشريين. يمكننا بعد ذلك استخدام مخبار مُدرَّج لقياس حجم معلوم من حمض الهيدروكلوريك يمكن أن يتفاعل مع جميع كربونات الكالسيوم الصلبة. يمكننا بعد ذلك استخدام محقنة الغاز لتحديد كمية غاز ثاني أكسيد الكربون التي تُنتَج عندما تتفاعل صخور كربونات الكالسيوم مع الحجم المعروف من حمض الهيدروكلوريك. سيُمكِّننا الجهاز من معرفة عدد جزيئات المتفاعل الموجودة قبل التفاعل الكيميائي، وعدد جزيئات الناتج بعد التفاعل الكيميائي. يمكن استخدام أدوات علمية أكثر تطورًا إذا أردنا إنتاج بيانات أكثر صحةً في القياس.

النقاط الرئيسية

  • صحة القياس هي مدى اقتراب القياس من القيمة الحقيقية.
  • الدقة هي مدى اقترب القياسات بعضها من بعض.
  • يجب قياس المواد الصلبة باستخدام ميزان. تذكَّر أن تزن في وعاء بعنق عريض، مثل وعاء الوزن، ثم احمِ الميزان عن طريق إبقائه نظيفًا وإضافة المواد إلى وعاء الوزن على المنضدة بدلًا من وضعها مباشرةً على الكفة.
  • يمكن قياس السوائل باستخدام مخبار مدرَّج، أو باستخدام الماصات، للحصول على قياسات أكثر صحةً في القياس. يمكن أن تكون الماصات متدرِّجة أو حجمية.
  • يمكن قياس الغازات باستخدام محقنة غاز أو جهاز إزاحة الماء.

تستخدم نجوى ملفات تعريف الارتباط لضمان حصولك على أفضل تجربة على موقعنا. معرفة المزيد حول سياسة الخصوصية لدينا.