شارح الدرس: اختبار اللهب الكيمياء

في هذا الشارح، سوف نتعلَّم كيف نحدِّد استخدامات اختبار اللهب والألوان الناتجة عن الفلزات القلوية والفلزات القلوية الأرضية والذرات الفلزية الأخرى خلال اختبار اللهب.

تُثير الألعاب النارية إعجاب الناظرين؛ لأنها تضيء سماء الليل بالضوء الملون الساطع، كما هو موضَّح في الصورة الآتية.

تنبعث الألوان عندما يُشعَل البارود في الألعاب النارية. يتسبَّب اشتعال البارود في زيادة درجة الحرارة، ويمكن لدرجة الحرارة المرتفعة هذه أن تُثير عناصر كيمائية معيِّنة وتجعلها ينبعث منها ضوء ملون.

كما يمكن جعل العديد من العناصر الكيميائية تُصدِر ضوءًا ملونًا عند تسخينها بلهب بنسن. إن لهب نيران بنسن الساخن المعتاد يبعث لهبًا باللون الأزرق الباهت الذي يُسمَّى عادةً لهبًا غير مضيء. يمكن أن يتحوَّل اللهب غير المضيء إلى لهب ملون مختلف عندما يلامس أنواعًا مختلفة من مركبات وعيِّنات من الفلزات النقية.

ينبعث من كلوريد الصوديوم لون أصفر كثيف عند تسخينه بلهب بنسن قوي. وتُنتج مصابيح الإنارة في الشوارع لونًا أصفر ساطعًا مماثلًا عند تشغيلها؛ لأنها تحتوي أيضًا على ذرات الصوديوم. وفي كلتا الحالتين، تتسبَّب الطاقة الحرارية الناتجة عن اللهب، أو الطاقة الكهربية في المصباح في انبعاث ضوء أصفر ساطع من ذرات الصوديوم. يمكن فهم انبعاث الضوء من أي عنصر من خلال النظر في كيفية تحرُّك الإلكترونات بين مستويات الطاقة المنفصلة في الذرات.

الإلكترونات الموجودة في الذرات لا يمكن أن تُوجَد إلا عند مستويات طاقة معيِّنة. فتَملأ الإلكترونات دائمًا أقل مستوى طاقة في أي ذرة أولًا، ثم تَملأ مستويات الطاقة الأعلى الأخرى. يمكن أن تُثار الإلكترونات من مستوى طاقة منخفض إلى مستوى طاقة أعلى إذا امتصت كميات محدَّدة من الطاقة.

الإلكترونات المُثارة غير مستقرة، وغالبًا ما ترجع مرةً أخرى إلى مستوى طاقة أقل. وهذا يمكن أن يحدث على مراحل عندما تنبعث كميات من الطاقة واحدة تلو الأخرى، أو يمكن أن تحدث في لحظة قصيرة عندما ينبعث من الإلكترون المُثار فوتون عالي الطاقة.

وتتحرَّر الطاقة في صورة إشعاع كهرومغناطيسي عندما ينتقل الإلكترون المثار من مستوى طاقة عالٍ إلى مستوى طاقة أقل. يمكن حساب الطاقة الكهرومغناطيسية المنبعثة باستخدام المعادلة الآتية: في هذه المعادلة، هي الطاقة، هو ثابت بلانك، هو تردُّد الموجة. عادةً ما تُقاس الطاقة بالوحدة جول (J)، ويُقاس تردُّد الموجة عادةً بالوحدة هرتز (Hz).

يمكننا أن نلاحظ أن طاقة الإشعاع الكهرومغناطيسي المنبعث تتناسب طرديًّا مع تردُّد الموجات الكهرومغناطيسية.

الطيف الكهرومغناطيسي طيفٌ مستمر يتكوَّن من أنواع مختلفة من الإشعاع الكهرومغناطيسي. ويمثِّل الضوء المرئي جزءًا صغيرًا نسبيًّا من الطيف الكهرومغناطيسي. أما الأجزاء الأخرى من الطيف، فهي مكوَّنة من صور منخفضة التردُّد من الطاقة مثل الموجات الراديوية، والصور العالية التردُّد من الطاقة مثل أشعة جاما. يوضِّح الشكل الآتي الطيف الكهرومغناطيسي.

يمكن للعناصر الكيميائية أن تنتج إشعاعًا ضوئيًّا مرئيًّا إذا كان فرق الطاقة بين مستويين من الطاقة يساوي طاقة حزمة من إشعاع الضوء المرئي. ولكل عنصر مجموعة فريدة من مستويات الطاقة، ويُنتِج أشكاله الخاصة من إشعاع الضوء المرئي. تُنتِج بعض العناصر الكيميائية عادةً إشعاعًا ضوئيًّا ذا طاقة عالية، وتُنتج عناصرُ أخرى أشكالًا منخفضة الطاقة من إشعاع الضوء المرئي.

الضوء الأزرق له قيمتا تردُّد وطاقة أكبر من الضوء الأخضر. وللضوء الأخضر قيمتا تردُّد وطاقة أكبر من الضوء الأحمر. ويَنتج الضوء الأزرق عندما تتحرَّك الإلكترونات المُثارة بين حالات لها قيم طاقة مختلفة إلى حدٍّ كبير. ويَنتج الضوء الأحمر عندما تتحرَّك الإلكترونات بين مستويات الطاقة التي تحتوي على قيم الطاقة الأكثر تشابهًا.

يوضِّح شكل مستويات الطاقة الآتي التوزيع الإلكتروني لذرة الصوديوم. التوزيع الإلكتروني للحالة الأرضية للصوديوم هو . لذا، فإن ذرات الصوديوم تحتوي على إلكترون تكافؤ واحد. وعند تسخين هذه الذرات، تكون هناك طاقة كافية لإثارة إلكترون من الغلاف الفرعي إلى الغلاف الفرعي ، كما هو موضَّح في الشكل الأيمن.

ينبعث من ذرات الصوديوم التي تم تسخينها ضوء أصفر ساطع عندما تسقط الإلكترونات المُثارة من مستوى الطاقة الفرعي ذي الطاقة العالية إلى مستوى الطاقة الفرعي الأقل طاقة. وتَنتج عن هذا اللون المميز للَّهب ذرات الصوديوم.

اختبارات اللهب اختباراتٌ وصفية تُستخدَم لاكتشاف وجود الفلزات من أطياف الانبعاث. من السهل نسبيًّا إعداد اختبار اللهب وإجراؤه، وهذا ما يفسِّر لماذا يَستخدمه الكثير من الكيميائيين المختلفين.

من المهم أن نؤكِّد هنا أنه ليست جميع الفلزات تُنتج لهبًا ملونًا، ولا يمكننا استخدام اختبارات اللهب لاختبار وجود جميع الفلزات. فبعض الفلزات لا تنتج لهبًا ملونًا؛ لأن الطاقة الحرارية للهب بنسن ليست كافية لإثارة إلكترونات هذه العناصر بما يكفي لتحرير طاقة في المدى المرئي.

ويُجرى اختبار اللهب عن طريق غمس سلك نيكروم أولًا في محلول من حمض الهيدروكلوريك المركَّز. النيكروم سبيكةٌ من النيكل والكروم، لا يتفاعل مع حمض الهيدروكلوريك. يمكن استخدام سلك بلاتيني بدلًا من ذلك؛ لأن البلاتين فلز خامل للغاية، لكنه الخيار الأغلى. يُستخدم حمض الهيدروكلوريك في تنظيف السلك، وإزالة أي رواسب من أيونات الفلز. ويُستخدَم حمض الهيدروكلوريك أيضًا لأنه يجعل الفلزات تتحوَّل إلى أملاح كلوريد فلز. وأملاح كلوريد الفلزات تكون عادةً متطايرة للغاية، ويمكن تبخيرها بسهولة نسبيًّا. بعد ذلك يُوضَع السلك في لهب بنسن غير المضيء الساخن أو الذي لونه أزرق فاتح. يجب عدم استخدام اللهب الأصفر أو اللهب المضيء، لإجراء اختبار لهب.

يجب تكرار عملية التنظيف هذه حتى لا يضفي السلك أي لون على لهب بنسن. بعد ذلك يُغمَر السلك في محلول من المركب الفلزي. ويمكن بدلًا من ذلك ترطيب السلك بحمض حديث التحضير لالتقاط بعض البلورات الصلبة من المركب الفلزي. بعد ذلك يُعاد طرف السلك إلى اللهب مرة أخرى. إذا لاحظنا لونًا للهب، فإننا ننظِّف السلك مرة أخرى ويصبح جاهزًا لاختبار لهب آخر. يمكن أن تكون ألوان اللهب فاتحة إلى حدٍّ ما، وتدوم أحيانًا لبضع ثوانٍ. وأفضل طريقة لإجراء الاختبار تكون في غرفة مظلمة أو معمل مظلم.

من المهم أن نوضِّح هنا أن ألوان اللهب تَنتج عادةً من الذرات وليس الأيونات. تمتص الأيونات الفلزية الإلكترونات عادةً وتحوِّلها إلى ذرات متعادلة الشحنة قبل أن ينبعث منها أي إشعاع للضوء المرئي. تميل معظم أيونات الحالة المثارة إلى إطلاق حزم من الطاقة لا يمكن أن تراها عين الإنسان. وتميل الأيونات إلى إطلاق نوع من الإشعاع غير المرئي عندما تنتقل إلكتروناتها من مستوى طاقة مرتفع ومُثار إلى مستوى طاقة أقل.

الفلزات القلوية هي عناصر المجموعة الأولى التي تشغل العمود على أقصى اليسار في الجدول الدوري. تنتج ذرات الفلزات القلوية ألوان لهب غير عادية ومثيرة للاهتمام للغاية عندما تلامس لهب موقد بنسن الساخن. توضِّح الصورة الآتية خمسة ألوان لهب لفلزات قلوية مختلفة.

تُنتج ذرات الليثيوم لهبًا أحمر ساطعًا أو قرمزيًّا. وتُنتج ذرات الصوديوم لهبًا لونه أصفر ذهبي. وتُنتج ذرات البوتاسيوم لهبًا أرجوانيًّا أو ورديًّا أو بنفسجيًّا فاتحًا. أما ذرات الروبيديوم فتنتج لهبًا يتدرَّج لونه بين الأحمر والبنفسجي، وتُنتج ذرات السيزيوم لهبًا يتدرَّج بين الأزرق والبنفسجي.

فلزات المجموعة الثانية تُعرَف باسم الفلزات القلوية الأرضية، ويمكنها أيضًا إنتاج ألوان لهب مثيرة للاهتمام عند تسخينها باستخدام لهب بنسن. توضِّح الصورة الآتية ألوان لهب الكالسيوم والسترونشيوم والباريوم.

تُنتج ذرات الكالسيوم لهبًا يُوصَف عادةً بأنه أحمر طوبي، وتنتج ذرات السترونشيوم لهبًا أحمر ساطعًا. وتُنتج ذرات الباريوم لهبًا لونه أخضر مصفر فاتح.

عادةً ما تُستخدم أملاح كلوريد العناصر الفلزية لإنتاج ألوان اللهب لأنها متطايرة، ولا تُنتج أيونات الكلوريد أي لون لهب خاص بها من شأنه أن يتداخل مع اختبار اللهب. فمن السهل اختبار وجود فلزَّي الكالسيوم أو الباريوم إذا كنا نستخدم كلوريد الكالسيوم أو الباريوم ( و) بدلًا من مركبات الكالسيوم أو الباريوم الأخرى.

يمكن إثارة العديد من العناصر الفلزية الأخرى بلهب موقد بنسن لإنتاج ألوان مميزة للهب، مثل ذرات الرصاص التي تُعطي لون لهب أبيض رماديًّا. يُعَد النحاس من الأمثلة الأكثر إثارة للاهتمام؛ لأنه ينتج لهبًا أخضر مميزًا. يوضِّح الشكل الآتي اختبار اللهب لهذين العنصرين.

عادةً لا تُستخدم اختبارات اللهب لتحليل مخاليط المركبات؛ لأن ألوان لهب العناصر المختلفة يمكن أن تتداخل بعضها مع بعض. قد يكون هذا الأمر محيِّرًا بشكلٍ خاص عندما يتضمَّن الخليط أنواعًا مختلفة من العناصر الفلزية التي يَنتج عنها ألوان لهب مماثلة في نتائج الاختبار. ينتج عن فلزات الليثيوم والكالسيوم والسترونشيوم ألوان لهب حمراء، وقد يكون من الصعب جدًّا التمييز بينها. سيكون من الصعب محاولة اكتشاف وجود عنصرين أو ثلاثة من هذه العناصر إذا أردنا تحليل لون لهب واحد فقط.

يَنتج عن فلزَّي الباريوم والنحاس ألوان لهب متشابهة أيضًا. فيَنتج عن عنصرَي الباريوم والنحاس لهب أخضر اللون، لكن من المثير للاهتمام أن نلاحظ أن الباريوم يُنتج لهبًا أخضر فاتحًا لا يظل طويلًا. ومن ثَمَّ، فإن اختبار اللهب ليس اختبارًا دقيقًا لتحديد عناصر الفلزات، وقد تكون هناك حاجة إلى اختبارات وصفية أخرى للتأكُّد من هوية العنصر الفلزي.