شارح الدرس: المخاليط الكيمياء

في هذا الشارح، سوف نتعلَّم كيف نحدِّد ونَصِف الأنواع المختلفة من المخاليط، وخواصها الفيزيائية.

الكيمياء هي دراسة المادة التي لها كتلة وحجم. يمكن أيضًا تصنيف المادة على أنها مادة نقية أو خليط. تشمل المواد النقية عناصر مثل الألومنيوم ()، والكربون ()، والحديد (). عندما تترابط العناصر كيميائيًّا معًا، تتكوَّن مركبات مثل الماء ()، وثاني أكسيد الكربون ()، وكلوريد الصوديوم (). تُصنَّف المركبات أيضًا على أنها مواد نقية.

وعند اتحاد اثنين أو أكثر من المواد أو العناصر أو المركبات فيزيائيًّا، وليس كيميائيًّا، يتكوَّن خليطٌ. ولكي تُصنَّف المواد على أنها خليط، يجب أن تحتفظ بهويتها المميزة، وأن يمكن فصلها بعضها عن بعض باستخدام طرق فيزيائية. والأمثلة على المخاليط تشمل الهواء والحليب والماء المالح والأسمنت.

يوضِّح الشكل الآتي العديد من الذرات والمركبات والمخاليط على مستوى جزيئي.

عندما تتحد مادتان أو أكثر لتكوين خليط له تركيب متماثل، يمكن تصنيف الخليط على أنه متجانس. كلمة متجانس تعني متماثلًا، وتُشير إلى أن الخليط له نفس التركيب والخواص في جميع أجزائه. ويُسمَّى الخليط المتجانس محلولًا أيضًا.

والماء المالح أحد الأمثلة على المحاليل المتجانسة. يتكوَّن الخليط من كلوريد الصوديوم ()، والماء (). فور اتحاد المركبين، يكون الخليط الناتج متماثلًا في جميع أجزائه، ولا يمكن تمييز الملح عن الماء.

ويُعَد الهواء مثالًا آخر على المخاليط المتجانسة. يتكوَّن الهواء من النيتروجين والأكسجين والأرجون وثاني أكسيد الكربون وبخار الماء وغازات أخرى. تركيب الهواء متماثل، ولا يمكن تمييز الغازات المختلفة بعضها من بعض.

يتكوَّن المحلول من مذيب، وهو المكوِّن ذو النسبة الكبرى؛ ومن مذاب، وهو المكوِّن ذو النسبة الصغرى. يمكن أيضًا وصف المذاب بأنه المادة التي تذوب، ويُوصَف المذيب بأنه المادة التي تقوم بالإذابة.

في مثال الماء المالح، الملح هو المذاب، والماء هو المذيب. وفي الهواء، يكون النيتروجين هو المذيب؛ لأنه يشكِّل من التركيب الكلي للخليط. لذا، عند التفكير في الهواء على أنه خليط، يُعَد كلٌّ من الأكسجين والأرجون وثاني أكسيد الكربون وبخار الماء مادةً مذابةً.

عادةً ما نفكِّر في المحاليل على أنها سوائل تتكوَّن من مادة صلبة مذابة في الماء، لكن المذيب والمذاب يمكن أن يكونا مادتين صلبتين أو سائلين أو غازين. يوضِّح الجدول الآتي أمثلة على محاليل مختلفة.

لا يذوب سوى كمية محدَّدة من المذاب في مذيب عند درجة حرارة معيَّنة. المحاليل التي تحتوي على أقصى كمية من المذاب يمكن إذابتها في المذيب عند درجة حرارة معيَّنة تُسمَّى المحاليل المشبعة.

عند ذوبان كمية أقل من أقصى كمية من المذاب يمكن إذابتها في مذيب، عند درجة حرارة معيَّنة، يُعَد المحلول غير مشبع.

يمكن أن تزيد كمية المذاب عن أقصى كمية يمكن للمذيب احتواؤها. إذا سخَّنَّا محلولًا مشبعًا، فقد يستطيع المذيب إذابة كمية أكبر من المذاب. فور ذوبان الكمية الإضافية من المذاب، يُبرَّد المحلول ببطء إلى أن يعود إلى درجة حرارته الأصلية. يحتوي المحلول البارد الناتج على كمية من المذاب أكثر من أقصى كمية يمكن إذابتها في المذيب، ويُسمَّى محلولًا فوق المشبع.

تكون المحاليل فوق المشبعة غير مستقرة. يمكن أن تتسبَّب الاهتزازات الطفيفة أو جسيمات الغبار في تبلور المقدار الفائض من المذاب وترسُّبه في المحلول. على سبيل المثال، يحتوي مسخِّن اليد القابل لإعادة الاستخدام على محلول فوق مشبع من أسيتات الصوديوم. عند الضغط على القرص المعدني الموجود داخل الكيس، تترسَّب أسيتات الصوديوم الفائضة خارج المحلول على صورة بلورات بيضاء، وتتولَّد حرارة.

مثال ٣: وصف نوع المحلول الناتج عن إذابة أسيتات الصوديوم في الماء

في إحدى التجارب، أضاف طالبٌ أسيتات الصوديوم إلى حجم ثابت من الماء. في النهاية، وصل الطالبُ إلى نقطة لا يمكن عندها إذابة المزيد من أسيتات الصوديوم. سخَّن الطالب المحلول إلى أن أصبحت بلورات أسيتات الصوديوم غير مرئية. تُرِكَ المحلول بعد ذلك حتى يبرد طفيفًا. يوضِّح الشكل ملاحظات الطالب.

1. أيُّ المصطلحات الآتية يَصِف المحلول B؟
   1. غروي
   2. مشبع
   3. عائم
   4. فوق مشبع
   5. غير مشبع
2. أيُّ المصطلحات الآتية يَصِف المحلول D؟
   1. غروي
   2. لا مشبع
   3. غير مشبع
   4. عائم
   5. فوق مشبع

الحل

الجزء الأول

المحلول عبارة عن خليط متجانس يتكوَّن من مادة مذابة أو أكثر ذائبة في مذيب. المذيب هو المكوِّن الرئيسي للمحلول، والمذاب هو المكوِّن الثانوي للمحلول. في هذا المثال، أسيتات الصوديوم هو المذاب، والماء هو المذيب.

عند تكوين المحاليل، يمكن للمذيب إذابة كمية محدَّدة فقط من المذاب عند درجة حرارة معيَّنة. عندما تذوب أقصى كمية من المذاب في المذيب عند درجة الحرارة المطلوبة، يُعَد المحلول مشبعًا. وعندما تذوب كمية أقل من أقصى كمية من المذاب في المذيب، يكون المحلول غير مشبع.

في بداية التجربة، المحلول A، تُضاف أسيتات الصوديوم إلى حجم ثابت من الماء. في البداية، ذابت كمية أكبر من أسيتات الصوديوم. وهذا يعني أن المحلول كان غير مشبع. وفي النهاية، وصل المحلول إلى نقطة لا يمكن عندها إذابة المزيد من أسيتات الصوديوم، وذلك في المحلول B. ذابت أقصى كمية من أسيتات الصوديوم في الماء. يمكن وصف المحلول B بأنه مشبع، وهذا يعني أن الإجابة هي الخيار (ب).

الجزء الثاني

عندما تذوب كمية من المذاب أكبر من أقصى كمية يمكن إذابتها في المذيب عند درجة حرارة معيَّنة، يكون المحلول فوق مشبع. تسمح زيادة درجة حرارة المذيب عادةً بإذابة كمية أكبر من المذاب. إذا برد المحلول الناتج ببطء، يمكن أن يبقى المذاب الفائض في المذيب، وهو ما ينتج عنه محلول فوق مشبع.

في التجربة، سُخِّن المحلول B إلى أن ذابت بلورات أسيتات الصوديوم الفائضة، مكوِّنةً المحلول C. بعد ذلك، تُرِك المحلول لكي يبرد؛ أي المحلول D. لاحظ أنه لا توجد أي بلورات أسيتات الصوديوم في المحلول D. هذا يعني أن أسيتات الصوديوم الفائضة لا تزال ذائبة في المذيب. يمكن وصف المحلول D بأنه فوق مشبع، وهذا يعني أن الإجابة هي الخيار (هـ).

عندما تذوب بعض المواد المذابة في الماء، تتأيَّن أو تتفكَّك إلى أيونات. تُسمَّى هذه المذيبات إلكتروليتات؛ لأن المحلول الناتج موصِّل للكهرباء.

قد تكون الإلكتروليتات قوية أو ضعيفة. الإلكتروليتات القوية موادُّ مذابةٌ تتأيَّن أو تتفكَّك تمامًا عند ذوبانها في الماء. ومن الأمثلة على ذلك كلوريد الصوديوم الأيوني () وحمض الهيدروكلوريك القطبي التساهمي ():

لا تظل أيونات () حرة في المحلول، وتكتسبها جزيئات الماء مكوِّنةً أيونات الهيدرونيوم (). المعادلة الكيميائية لتأيُّن () المذكورة سابقًا تُستخدَم عادةً لاختصار التفاعل، على الرغم من أن المعادلة الكيميائية الآتية أكثر دقةً:

الإلكتروليتات الضعيفة موادُّ مذابةٌ تتأيَّن جزئيًّا فقط عند ذوبانها في الماء. ومن أمثلتها حمض الأسيتيك (). في المعادلة الآتية، لاحظ أن سهم الاتزان يُستخدَم محل السهم الأمامي للإشارة إلى تأيُّن بعض جزيئات حمض الأسيتيك فقط:

المواد المذابة التي لا تُنتِج أيونات عند ذوبانها في الماء تُسمَّى لا إلكتروليتات.

والسكر مثال على اللا إلكتروليتات. يذوب السكر في الماء لكي يكوِّن محلولًا، لكن جزيئات السكر لا تتأيَّن. ولذا، فإن المحلول الناتج لا يوصِّل الكهرباء.

جهاز اختبار التوصيل الكهربي جهازٌ بسيطٌ يتكوَّن من مصباح وأقطاب ومصدر طاقة. عندما تُوضَع الأقطاب في محلول يحتوي على إلكتروليت، يمكن أن يتدفَّق التيار الكهربي خلال المحلول لإكمال الدائرة، ويضيء المصباح. يصبح ضوء المصباح أكثر سطوعًا عندما يُوضَع جهاز اختبار التوصيل الكهربي في محلول يحتوي على إلكتروليت ضعيف، ثم يُوضَع في محلول يحتوي على إلكتروليت قوي. إذا وُضِعت الأقطاب في محلول يحتوي على لا إلكتروليت، فلن يتمكَّن التيار الكهربي من التدفُّق، ولن يضيء المصباح. يوضِّح الشكل الآتي نتائج استخدام جهاز اختبار التوصيل الكهربي في ثلاثة محاليل مختلفة.

مثال ٤: تحديد أيٌّ من المواد الثلاث هو إلكتروليت قوي

يوضِّح الشكل ثلاثة محاليل. ما المحلول الذي يحتوي على إلكتروليت قوي؟

الحل

الإلكتروليت مادةٌ توصِّل الكهرباء عند ذوبانها في الماء. يرجع ذلك إلى إنتاج الأيونات عندما يتفكَّك المذاب أو يتأيَّن لتكوين المحلول. يمكن تمثيل عملية ذوبان الجلوكوز () و() و() في الماء بالمعادلات الآتية:

عند ذوبان الجلوكوز في الماء، فإنه لا يتأيَّن؛ أي لا يُنتِج أيونات في المحلول. ومن ثَمَّ، يمكننا استبعاد الكأس الزجاجية A.

يُعَد كلٌّ من هيدروكسيد الأمونيوم ()، وهيدروكسيد الصوديوم () إلكتروليتًا. يمكن للإلكتروليتات أن تكون قوية أو ضعيفة. تتفكَّك الإلكتروليتات القوية تمامًا عند ذوبانها، وتتفكَّك الإلكتروليتات الضعيفة جزئيًّا فقط عند ذوبانها. ويمكن ملاحظة الفرق بين هذين النوعين من الإلكتروليتات في معادلات التفاعل؛ إذ يُستخدَم سهم الاتزان عند ذوبان إلكتروليت ضعيف، في حين يُستخدَم السهم الأمامي عند ذوبان إلكتروليت قوي.

يمكننا أن نلاحظ من معادلات التفاعل أن () إلكتروليت ضعيف، في حين أن () إلكتروليت قوي. إذن المحلول الذي يحتوي على إلكتروليت قوي هو المحلول الموجود في الكأس الزجاجية C.

عند اتحاد مادتين أو أكثر لتكوين خليط له تركيب غير متماثل، يمكن تصنيف الخليط على أنه غير متجانس. كلمة غير متجانس تعني مختلفًا، وتُشير إلى أن تركيب وخواص الخليط مختلفة في جميع أجزائه.

ويُعَد الكبريت المخلوط مع برادة الحديد مثالًا على الخليط غير المتجانس. يظل الكبريت وبرادة الحديد منفصلين، ولا يبدو الخليط بالشكل نفسه في جميع أنحائه.

الزيت المخلوط بالماء مثالٌ آخر على الخليط غير المتجانس.

في المخاليط غير المتجانسة، غالبًا ما تكون المواد المختلفة في الخليط مرئية بالعين المجردة، لكن هذا لا ينطبق على جميع المخاليط غير المتجانسة. الغرويات مخاليطُ غير متجانسة يبدو تركيبها متماثلًا في جميع أنحاء الخليط عند فحصها بالعين المجردة. ولهذا تُصنَّف غالبًا على أنها مخاليط متجانسة عن طريق الخطأ. لكن عند النظر إليها باستخدام عدسة مكبرة أو تحت المجهر، يتضح أن الغرويات ليس لها تركيب منتظم. ومن أمثلة الغرويات الضباب والمارينج والحليب.

المعلَّقات نوعٌ من المخاليط غير المتجانسة التي تتكوَّن من جسيمات كبيرة جدًّا معلَّقة في وسط، ومع مرور الوقت تترسَّب تلك الجسيمات في قاع الوعاء الحاوي لها. من أمثلة المعلقات؛ الدقيق، ومسحوق الطباشير، والأتربة الممزوجة بالماء.

يقارِن الشكل الآتي بين المحاليل والغرويات والمعلَّقات.

يلخِّص الشكل الآتي المصطلحات المتعلِّقة بالمخاليط.