شارح الدرس: الترشيح والتبلور الكيمياء • الصف الأول الثانوي

في هذا الشارح، سوف نتعلَّم كيف نفصل المخاليط باستخدام الترشيح والتبلور، ونحدِّد الأجهزة اللازمة، ونحدِّد متى يتعيَّن استخدام كل جهاز على حدة.

نحتاج عادة إلى فصل خليط أو تنقية مادة في مختبر الكيمياء. وهناك العديد من التقنيات التي يمكننا استخدامُها. بعضها مناسب لفصل أنواع محددة من المخاليط، وتنقية موادَّ بعينها. والبعض الآخر مناسب أكثر لفصل أنواع مختلفة تمامًا من المخاليط ، وتنقية أنواع مختلفة تمامًا من المواد. وتعد تقنية الترشيح مثالية لفصل المخاليط التي تحتوي على مادة صُلبة غير قابلة للذوبان ومادة سائلة. يمكن استخدام تقنية الترشيح في فصل خليط من الرمل والماء.

تُجرى عملية الترشيح بسكب خليط على ورقة ترشيح مسامية. ويجب وضع ورقة الترشيح المسامية في قمع. وتفصل تقنية الترشيح المواد الصلبة عن السائلة بناء على حجم جسيماتها. الجزيئات السائلة والأيونات المذابة صغيرة جدًّا ويمكنها أن تمر عبر ورقة الترشيح بينما لا يمكن للجسيمات الصُّلبة ذلك. فالسائل الذي يمر عبر ورقة الترشيح يسمى المُرشَّح، والمادة الصُّلبة التي تبقى في ورقة الترشيح تسمى الراسب.

هناك طريقتان للترشيح. لكل منها مجموعة من المزايا والعيوب. النوع الأول هو الترشيح بالجاذبية، وهي طريقة تُستخدم عندما توجد كمية كبيرة من الخليط المراد فصله. وتُستخدم أيضًا طريقة الترشيح بالجاذبية عندما نريد جمع المُرشَّح، وترشيح الخليط وهو ساخن.

يمكن إجراء تجارب الترشيح بالجاذبية بوضع قمع فوق دورق مخروطي وتثبيته بحلقة حديدية أو ماسك.

يجب أن نستخدم قمعًا بدون عنق إذا كنا نرشِّح خليطًا ساخنًا؛ لأن البلورات قد تتكوَّن في العنق، وهذا قد يمنع عمليات الترشيح.

توضع دائمًا أوراق الترشيح داخل القمع قبل ترشيح أي مخاليط. يمكن طي ورقة الترشيح على صورة مخروط أو جعلها مخدَّدة الشكل قبل وضعها في القمع.

توجد بعض الفروق الواضحة بين ورقة الترشيح المخروطية الشكل وورقة الترشيح المخدَّدة الشكل. يميل الكيميائيون إلى استخدام أوراق الترشيح المخدَّدة عند إجراء تجارب الترشيح بالجاذبية؛ لأنها توفر مساحة سطح أكبر يمكن للمذيب أن يتسرَّب من خلالها. كما تساعد الأجزاء المخدَّدة من ورقة الترشيح في تسريع عمليات الترشيح.

وبمجرد وضع ورقة الترشيح على القمع، يجب رج الخليط بحركة دائرية حتى تنتشر الجسيمات الصُّلبة في السائل. ويُتيح هذا انسكاب المواد الصُّلبة على نحو أكثر سهولة، ويساعد في منع بقاء الجسيمات الصُّلبة في الجزء السفلي من الأدوات الزجاجية.

يمكننا بعد ذلك سكب الخليط في ورقة الترشيح. يجب أن نسكب الخليط ببطء لتجنُّب التناثر و/ أو غمر ورقة الترشيح بالسائل. من المهم أن يُسكب الخليط في منتصف ورقة الترشيح المخدَّدة. ويجب عدم سكب الخليط بين الأحرف المطوية والقمع.

ستظل الرواسب الصُّلبة على ورقة الترشيح، وسوف يمر المُرشَّح من خلال ورقة الترشيح.

مثال ١: التعرُّف على المصطلحات المعطاة للمادة الصُّلبة والسائلة أثناء الترشيح

يوضح الشكل الآتي الإعداد التجريبي لعملية الترشيح.

1. ما اسم المادة الصُّلبة المتبقية في ورقة الترشيح؟
2. ما اسم السائل الذي يمر من خلال ورقة الترشيح؟

الحل

الجزء الأول

الترشيح هو تقنية الفصل بين مادة صُلبة غير ذائبة ومادة سائلة من خلال سكب الخليط في ورقة ترشيح. تُسمى المادة الصُّلبة التي تبقى في ورقة الترشيح الراسب.

الجزء الثاني

ويُسمى السائل الذي يمر من خلال ورقة الترشيح المُرشَّح.

النوع الثاني من الترشيح هو الترشيح بالتفريغ، وهي طريقة تُستخدم عندما نريد جمع المادة الصُّلبة كلها، وعندما يكون هناك كمية صغيرة نسبيًّا من الخليط المراد فصله. يُستخدم قمع بوخنر للقيام بتقنية الترشيح بالتفريغ. يعمل قمع بوخنر نفس عمل القمع طويل العنق. ولكنَّ الاختلافين الرئيسيين بينهما هما أن قمع بوخنر عادة ما يكون مصنوعًا من السيراميك بدلًا من الزجاج، وله أيضًا لوح مسطح به العديد من الثقوب في الداخل.

توضع قطعة دائرية من ورقة ترشيح على اللوح المسطح لتغطية كل الثقوب. يجب أن يكون قطر ورقة الترشيح مماثلًا لقطر قمع بوخنر. ويجب أن تكون ورقة الترشيح مستوية وغير مكدَّسة عند أي نقطة على سطح القمع. يمكننا التأكُّد من أن ورقة الترشيح مستوية تمامًا على الثقوب من خلال تبليل الورقة بالقليل من المذيب.

سنحتاج أيضًا إلى دورق بوخنر، والذي يُسَمَّى أحيانًا دورقًا ذا ذراع جانبي.

يُمكن توصيل أنبوب سميك في ذراع الدورق. وتوصيل الطرف الآخر من الأنبوب بخط تفريغ أو شفاط. يجب أن يكون قمع بوخنر متصلًا بدورق بوخنر باستخدام سدادة مطاطية، أو حلقة، أو مانع تفريغ.

عندما يكون مانع التفريغ محكمًا، ويتم تشغيل التفريغ، فستؤثر قوى شفط قوية على قمع بوخنر. بعد تشغيل التفريغ، يمكننا سكب الخليط الذي رُجَّ بحركة دائرية على ورقة الترشيح. وسيسحب الشفطُ السائلَ إلى دورق بوخنر، تاركًا المادة الصُّلبة على ورقة الترشيح. وهذه الطريقة أسرع بكثير من استخدام تقنية الترشيح بالجاذبية لفصل المخاليط؛ لأنها تعتمد على قوى شفط قوية للغاية بدلًا من قوى الجاذبية الأضعف.

عند إجراء عملية الترشيح بالتفريغ، يجب أن نتأكد من أن الجهاز مُؤَمَّن عن طريق تثبيت عنق دورق بوخنر. علينا أيضًا الانتباه لعدم امتلاء دورق بوخنر بالكامل. لأن السائل في دورق بوخنر إذا وصل إلى الذراع، فسيُسحب داخل خط التفريغ.

عندما يحتوي الخليط على سائل، ومادة صُلبة قابلة للذوبان، على سبيل المثال، ماء مالح، يمكننا فصل المكونين عن طريق السماح للمادة الصُّلبة الذائبة بالتبلوُر. وفي طريقة الفصل هذه، يتطاير السائل، والذي يُسمَّى أيضًا المذيب، عن طريق تعريض الخليط للحرارة. هذا يعني أنه لا يمكن تجميع سوى المادة الصُّلبة الذائبة. ويمكن أن تُسمى هذه المادة الصُّلبة الذائبة أيضًا بالمذاب.

هناك طريقتان لإنتاج البلورات. كل طريقة لها مجموعة من المزايا والعيوب. الطريقة الأولى هي تقنية التبخير، التي تُستخدم إذا كان معروفًا أن المحلول يحتوي على مذاب واحد فقط. يمكن استخدام تقنية التبخير أيضًا إذا كان المحلول لا يحتوي على أي شوائب، ولا نحتاج إلى تكوين بلورات منتظمة كبيرة.

يحدث التبخير عن طريق وضع محلول الاختبار أولًا في طبق التبخير أو حوض التبخير. ويمكن بعد ذلك وضع المحلول في مكان مفتوح ليتسنى للمذيب أن يتبخر طبيعيًّا. يمكن أيضًا وضع المحلول فوق مصدر للحرارة لتسريع عملية التبخير.

لكن، لا ينبغي أبدًا تسخين المحلول بسرعة كبيرة. فالتسخين الهادئ يساعد على منع الغليان السريع والاهتزاز، اللذين يتسببان في خروج بعض المحلول من الطبق. يبدأ المذيب في التبخُّر عند تعرضه للحرارة، ويُصبح المحلول أكثر تركيزًا.

وأخيرًا، يتم الوصول إلى النقطة التي يُصبح فيها المحلول فوق مشبَّع ولم يعد يمكنه الاحتفاظ بكل المادة المذابة. عند هذه النقطة، يبدأ تكوُّن بلورات صغيرة على سطح السائل أو على أطراف طبق التبخير.

يجب أن نستمر في تسخين المحلول حتى يتبخر الجزء الأكبر من المذيب. يجب عدم تسخين البلورات حتى تصبح جافة تمامًا؛ حيث تتفكك بعض البلورات بسهولة عند تعرضها للمزيد من الحرارة. ستتكوَّن طبقة من البلورات الصغيرة في الطبق، ويمكن فصلها عن المحلول المتبقي باستخدام تقنية الترشيح. وبما أن هذه البلورات تتكون بسرعة، فإنها ستكون صغيرة. بالإضافة إلى ذلك، إذا كانت هناك أي شوائب في المحلول، فستتبلور أيضًا أو تصبح محصورة في البنية البلورية للمذاب.

أما الطريقة الثانية، وهي تقنية التبلوُر، فتستخدم إذا كان معروفًا أن المحلول يحتوي على اثنين أو أكثر من المواد المذابة التي لها ذوبانيات مختلفة. يجب أيضًا استخدام تقنية التبلوُر إذا كان المحلول يحتوي على الشوائب أو إذا أردنا تكوين بلورات منتظمة كبيرة.

تبدأ عملية التبلوُر مثلما يحدث في عملية التبخير. إلا أنه في هذه العملية يُرفع طبق التبخير عن مصدر الحرارة فور بدء تكون البلورات الصغيرة على سطح السائل أو على أطراف طبق التبخير. علينا بعد ذلك وضع طبق التبخير جانبًا حتى يبرد.

ستقل قدرة المحلول على الاحتفاظ بالمذاب شيئًا فشيئًا كلما بَرد المحلول. وسيترسب المذاب الزائد في صورة بلورات منتظمة كبيرة. ويمكننا تكوين المزيد من البلورات عن طريق وضع طبق التبخير في حمام ثلج. توضح الصورة الآتية بعض بلورات كبريتات النحاس التي تم فصلها عن محلول كبريتات النحاس باستخدام تقنية التبلور.

بمجرد أن تبرد البلورات الناتجة والمحلول المتبقي يمكن فصلهما باستخدام تقنية الترشيح. تُعد عملية التبلور طريقة ممتازة لتنقية المحلول إذا كان يحتوي على أي شوائب. فعندما تتكون البلورات ببطء، يمكن الحصول على بنية بلورية منتظمة دون انحصار الشوائب بها. ستظل الشوائب في المحلول، ويمكن ترشيحها بعد ذلك.

إذا كان هناك أكثر من مذاب واحد قابل للذوبان في المحلول الأصلي، فسيترسب أولًا المذاب الأقل ذوبانًا على صورة بلورات. قد نحتاج إلى العديد من عمليات التبلور لفصل المواد المذابة بالكامل.

مثال ٤: تذكر طريقة القيام بتقنية التبلور

يوضِّح الشكل الآتي الإعداد لإجراء إحدى عمليات التبلور. متى يجب إزالة الحرارة عن طبق التبخير؟

الحل

عند إجراء التبلور، يكون الهدف هو الحصول على محلول فوق مشبع؛ ومن ثَمَّ تركه ليبرد ببطء ليكون بلورات منتظمة كبيرة. نقوم بتسخين المحلول ليتطاير بعض من المذيب. ونعلم أن المحلول قد أصبح فوق مشبع عندما تبدأ البلورات في التكون على سطح السائل أو على أطراف الطبق. ويجب أن نتوقف عن التسخين عندما يبدأ تكون البلورات في الطبق.