شارح الدرس: اختبارات إضافية للكشف عن الأنيونات الكيمياء • الصف الثالث الثانوي

في هذا الشارح، سوف نتعلَّم كيف نُحدِّد مجموعة من الأيونات السالبة في المحاليل المائية بناءً على تفاعليتها ولون وذوبانية أملاحها.

في الكيمياء، يتضمَّن التحليل الكيفي تحديد مكوِّنات مادة كيميائية مجهولة. قد تكون المادة الكيميائية نقية، وفي هذه الحالة يمكن استخدام القياسات الفيزيائية، مثل درجة الغليان أو درجة الانصهار، لتحديد المركب المجهول. إذا كانت المادة المجهولة خليطًا، فإنه يجب تحديد مكوِّناتها باستخدام الطرق الكيميائية.

الاختبارات الكيميائية التي اختيرت لتحليل مادة مجهولة لها ترتيب وضوابط محدَّدة، والهدف من ذلك هو تحديد الأنيونات بسهولة ودقة، وتُعرَف الأنيونات أيضًا باسم «الجذور الحمضية»، أما الكاتيونات فتُعرَف باسم «الجذور القاعدية».

عند حدوث تفاعل كيميائي، قد نلاحظ عدة تغيُّرات محتملة، أو حتى مزيجًا من التغيُّرات، مثل تلك الموضَّحة في الشكل الآتي:

على الرغم من أن الاختبار الأوَّلي قد يُعطينا مؤشرًا جيدًا لأنيون معيَّن، فإن الاختبارات السلبية الأخرى عادةً ما تُعطينا النتيجة نفسها. ولذلك، فإننا نستخدم الاختبارات التأكيدية التي تؤكد نتائج الاختبارات الأوَّلية لتحديد الأيونات المجهولة بدقة في المواد الصلبة أو محاليلها.

تُستخدم مركبات كيميائية مختلفة في هذا النوع من التحليل الكيفي لتصنيف الأنيونات المجهولة، التي تُعرَف أيضًا باسم «الجذور الحمضية». الأنيونات عبارة عن أيونات أحادية الذرة أو متعدِّدة الذرات شحنتها سالبة. وبما أن إجمالي عدد الإلكترونات في هذا النوع يكون أكبر من إجمالي عدد البروتونات، فإن الأنيونات تكون لها شحنة سالبة صافية.

يُشار إلى الأنيون الذي يتبقَّى من الحمض بعد فَقْد أيونات الهيدروجين بأنه جذر حمضي. أما الكاتيون الذي يتبقَّى من مركب الهيدروكسيد بعد فَقْد أيونات الهيدروكسيد، فيُعرَف بأنه جذر قاعدي. ويتكوَّن الملح عندما تتفاعل الجذور الحمضية والجذور القاعدية كيميائيًّا.

يمكننا استخدام مواد كيميائية مختلفة في التحليل الكيفي لتحديد الجذور الحمضية المجهولة. وبإمكاننا الكشف عن الأنيونات عن طريق استخدام حمض الهيدروكلوريك المخفَّف أولًا، ثم استخدام حمض الكبريتيك المركَّز، وأخيرًا استخدام محلول كلوريد الباريوم إذا لم يكُن قد حُدِّد الأنيون بعدُ.

إن الترتيب الذي تُجرى به اختبارات الكشف عن الأنيونات المجهولة باستخدام الكواشف يتم وفقًا لضوابط معيَّنة. يمكن استخدام حمض الهيدروكلوريك المخفَّف لاختبار أي أنيون مجهول. وإذا لم ينجح حمض الهيدروكلوريك في تحديد الجذر الحمضي المجهول، فسيكون من الضروري استخدام حمض الكبريتيك المركَّز. وإذا لم يكُن حمض الكبريتيك المركَّز كافيًا للكشف عن الأنيون المجهول، يمكن استخدام محلول كلوريد الباريوم بدلًا منه.

تحدِّد قوة الجذور الحمضية ترتيب هذه الاختبارات. الكاشف الأوَّلي في المجموعة الأولى هو حمض الهيدروكلوريك المخفَّف. وهذا الحمض أكثر استقرارًا من الأنيونات التي يُستخدَم للكشف عنها، مثل أنيون الكربونات. أما حمض الهيدروكلوريك، فسيحل محل الأنيونات الأقل استقرارًا في هذه الحالة، وهو ما يؤدِّي إلى تصاعد الغازات التي يمكننا اختبارها.

حمض الكبريتيك المركَّز موجود في المجموعة الثانية. والأنيونات التي يُكشَف عنها باستخدام هذا الحمض، مثل أنيون الكلوريد الذي كان الكاشف في الاختبار بالمجموعة الأولى، أقل استقرارًا من حمض الكبريتيك.

لا يوجد لدينا كاشف مناسب للمجموعة الأخيرة أكثر استقرارًا من أنيونات الكبريتات والفوسفات؛ لذا، تُختبر هذه المجموعة باستخدام محلول كلوريد الباريوم.

في هذا الشارح، سنتناول مجموعتين منفصلتين من الأنيونات:

• الأنيونات التي يُكشَف عنها باستخدام حمض الهيدروكلوريك المخفَّف
• الأنيونات التي يُكشَف عنها باستخدام كلوريد الباريوم

يمكن استخدام حمض الهيدروكلوريك المخفَّف لتحديد الأنيونات الآتية:

• الكربونات ()
• الكبريتيت ()
• البيكربونات ()
• الكبريتيد ()
• الثيوكبريتات ()
• النيتريت ()

في هذا الشارح، سنركِّز على الآتي:

• البيكربونات ()
• الكبريتيد ()
• الثيوكبريتات ()
• النيتريت ()

يُستخدَم هنا حمض الهيدروكلوريك؛ لأن هذا الحمض أكثر استقرارًا من الأحماض المرتبطة بهذه الأنيونات. على سبيل المثال، حمض الهيدروكلوريك أكثر استقرارًا من حمض الكربونيك (). وأثناء التفاعلات الكيميائية المستخدَمة لتحديد الأنيونات المجهولة، يحل أنيون الكلوريد الأكثر استقرارًا محل الأنيون المجهول، ما ينتج عنه تصاعد غاز أو تكوُّن راسب. في حالة تصاعد الغاز في الاختبارات، يكون من الضروري تسخين أنبوب الاختبار قليلًا.

التفاعل الكلي الذي يحدُث لأنيونات المجموعة الأولى، التي يُكشَف عنها باستخدام حمض الهيدروكلوريك المخفَّف، يتضمَّن إضافة حمض المخفَّف إلى الملح في صورته الصلبة.

تتفاعل أيونات البيكربونات مع الأحماض لإنتاج غاز ثاني أكسيد الكربون والماء.

يُعرَف أيون البيكربونات أيضًا باسم أيون كربونات الهيدروجين. وهو مشابه لأيون الكربونات () في بعض الجوانب، ومختلف في جوانب أخرى. الطريقة الأولى للتمييز بين كربونات الفلز وبيكربونات الفلز هي محاولة إذابتها في الماء؛ فجميع أملاح بيكربونات الفلز مستقرة وقابلة للذوبان في الماء، لكن العديد من كربونات الفلز ليست كذلك. جميع أملاح الكربونات غير قابلة للذوبان في الماء، باستثناء كربونات الصوديوم وكربونات البوتاسيوم وكربونات الأمونيوم.

بالنسبة إلى الفلز المرتبط بأملاح الكربونات والبيكربونات القابلة للذوبان في الماء، مثل الصوديوم، فإن اختبارات أيونات البيكربونات تُطابِق اختبارات أيونات الكربونات.

ولذلك، إذا استخدمنا حمض الهيدروكلوريك المخفَّف مع أي مادة وحدث فوران أو ظهرت فقاعات غاز، فهذا يعني أن المادة تحتوي على أيونات البيكربونات أو أيونات الكربونات. وعلى الرغم من أنه بإمكاننا اختبار إذا ما كان الغاز الناتج هو ثاني أكسيد الكربون أو لا باستخدام ماء الجير، فإن علينا إجراء اختبار للتأكد من وجود البيكربونات.

يتضمَّن الاختبار التأكيدي الذي نُجريه إضافة أيونات فلز؛ بحيث يكون ملح بيكربونات هذا الفلز قابلًا للذوبان في الماء، في حين يكون ملح كربونات هذا الفلز غير قابل للذوبان في الماء. ويمكن فعل ذلك عن طريق استخدام أيونات المغنيسيوم، وذلك بإضافة كبريتات المغنيسيوم () في صورة محلول.

في حالة أيونات البيكربونات، ففَوْر خلطها مع أيونات المغنيسيوم يلزم تسخين خليط المحلول. وتتحلَّل بذلك بيكربونات المغنيسيوم، وينتج راسب أبيض من كربونات المغنيسيوم.

فيما يلي الاختبار بالكامل.

يمكننا معرفة الفرق بين ملح الكربونات وملح كربونات الهيدروجين من خلال هذا الاختبار. إذا انتظرنا قليلًا قبل تسخين الخليط، وتكوَّن راسب أبيض على الفور، فسنَعرِف بذلك أن أيونات الكربونات موجودة. إذا لم يظهر الراسب الأبيض إلا بعد التسخين، فهذا يعني أن أيونات كربونات الهيدروجين هي الموجودة لدينا.

يمكن أيضًا إجراء الاختبار باستخدام حمض الهيدروكلوريك المخفَّف للكشف عن وجود أنيونات الكبريتيد.

أيون الكبريتيد () هو مكافئ الكبريت لأيون الأكسيد (). والعديد من الفلزات التي تكوِّن أكاسيد تكوِّن أيضًا كبريتيدات.

في الاختبار الأوَّلي، يُكشَف عن أيونات الكبريتيد باستخدام حمض الهيدروكلوريك المخفَّف (). تتحوَّل أيونات الكبريتيد إلى كبريتيد الهيدروجين، وهو ما يمكن الكشف عنه بتفاعله مع إيثانوات الرصاص الثنائي (ويُعرَف أيضًا باسم أسيتات الرصاص الثنائي).

كبريتيد الرصاص غير قابل للذوبان وله لون قوي؛ ولذلك يمكن التأكد من وجود كبريتيد الهيدروجين بمجرد النظر.

فيما يلي الاختبار بالكامل.

يمكن إجراء اختبار التأكد من وجود أيونات الكبريتيد في المحلول بإضافة محلول نيترات الفضة. إذا كانت أيونات الكبريتيد موجودة، فسيتكون راسب أسود من كبريتيد الفضة.

فيما يلي الاختبار بالكامل.

ويمكن تكوُّن رواسب أخرى في حالة وجود أنيونات أخرى بخلاف الكبريتيد، وعلى سبيل المثال، أيونات الفضة وأيونات الكربونات تكوِّنان معًا راسبًا أبيض من كربونات الفضة. ومع ذلك، يظل اللون المميِّز لراسب كبريتيد الفضة واضحًا في حالة وجود أيونات الكبريتيد.

مثال ١: التعرُّف على الأيون المضاد للصوديوم في الاختبارات الكيميائية للأملاح

توضِّح الصورة سلسلة من الاختبارات أُجريت على ملح مجهول من أملاح الصوديوم، .

ما صيغة ملح الصوديوم المجهول على الأرجح؟

الحل

موضَّح لدينا في الصورة أنه تم تفاعل محلول بنيترات الفضة ()، ما ينتج عنه خليط أسود اللون. هناك عيِّنة أخرى من محلول تم تفاعلها أولًا مع حمض الهيدروكلوريك ()، ما ينتج عنه غاز ذو رائحة كريهة. وبعد ذلك، تم تفاعل الخليط مع أسيتات الرصاص ()، ما ينتج عنه خليط مختلف أسود اللون.

يوضِّح هذان الاختباران الكيميائيان وجود أيونات الكبريتيد (). إذا كان الملح يحتوي على أيونات ، فإن إضافة نيترات الفضة تؤدِّي إلى تكوُّن راسب أسود من كبريتيد الفضة ().

وأيضًا في حالة وجود حمض الهيدروكلوريك، فإن أيونات الكبريتيد تتفاعل لإنتاج غاز كبريتيد الهيدروجين الذي تنطلق منه رائحة تشبه رائحة البيض الفاسد. وتؤدِّي إضافة أسيتات الرصاص إلى تكوُّن راسب أسود من كبريتيد الرصاص (في حالة وجود قدر كافٍ من كبريتيد الهيدروجين، أو وجود أيونات من الكبريتيد).

ومن ثَمَّ، فإنه من المؤكد أن ملح الصوديوم يحتوي على أيونات الكبريتيد.

إذن الصيغة المحتملة للملح هي .

يمكن أيضًا إجراء اختبار باستخدام حمض الهيدروكلوريك المخفَّف للكشف عن وجود أنيونات الثيوكبريتات.

أيون الثيوكبريتات () يُشبه في تركيبه أيون الكبريتات () وأيون الكبريتيت (). يمكننا التفكير في أيون الثيوكبريتات على أنه أيون كبريتات تحل فيه ذرة كبريت محل ذرة أكسجين واحدة. ومع ذلك، فإن حالة تأكسد الكبريت في الثيوكبريتات هي نفسها حالة تأكسد الكبريت في الكبريتيت:

من المهم تذكُّر ذلك؛ لأن اختبار الكبريتيت واختبار الثيوكبريتات متشابهان جدًّا؛ فكلاهما يبدأ بإضافة حمض الهيدروكلوريك. وفي حالة وجود أيونات الثيوكبريتات، يُنتَج غاز ثاني أكسيد الكبريت، بالإضافة إلى تكوُّن راسب أصفر من الكبريت، وهو ما يميِّز أيون الثيوكبريتات.

بما أنه يمكن أكسدة ، فإنه يُختبَر باستخدام ثاني كرومات البوتاسيوم. وبشكل مبدئي، فإن وجود راسب أصفر كافٍ للدلالة على وجود أيونات الثيوكبريتات.

فيما يلي الاختبار بالكامل.

إن الاختبار التأكيدي للكشف عن أيون الثيوكبريتات يعتمد على قدرته على اختزال عنصر اليود إلى أيونات اليوديد. إذا أضفنا محلولًا من اليود إلى محلول الاختبار، وكان به قدر كافٍ من أيونات الثيوكبريتات، فسيتلاشى لون محلول اليود وتُأكسَد أيونات الثيوكبريتات () لتكوين أيونات رباعي الثيونات (). وبما أن اليود مادة غير قابلة للذوبان في الماء، فإن محاليل اليود عادةً ما تحتوي على القليل من يوديد البوتاسيوم، وهو ما يساعد في إذابة جزيئات .

فيما يلي الاختبار بالكامل.

يمكن أيضًا إجراء الاختبار باستخدام حمض الهيدروكلوريك المخفَّف للكشف عن وجود أنيونات النيتريت.

أيونات النيتريت () تكون غير مستقرة في الأوساط الحمضية. ويمكن الكشف عنها من خلال تفاعلها مع حمض الهيدروكلوريك. يتفكَّك أحد النواتج، وهو حمض النيتروز، وينطلق منه غاز أول أكسيد النيتروجين غير القابل للذوبان في الماء. إلا أن غاز أول أكسيد النيتروجين سيتفاعل مع الأكسجين الموجود في الهواء لإنتاج غاز ثاني أكسيد النيتروجين الذي يتميَّز بلونه البرتقالي القوي.

فيما يلي الاختبار بالكامل.

ويمكن إجراء الاختبار التأكيدي بتمرير الغاز المنطلق عند خلط بالمادة الصلبة المجهولة في محلول المحمَّض بحمض الكبريتيك المركَّز. ونلاحظ بذلك تحوُّل اللون الأرجواني الداكن للبرمنجنات إلى لون وردي فاتح؛ حيث يكون المحلول عديم اللون تقريبًا، وذلك بسبب اختزال أيونات المنجنات، كما هو موضَّح في الشكل الآتي:

وبذلك، نجد أن تصاعد غاز يتحوَّل إلى اللون البُني وقابل للأكسدة يُعَد تأكيدًا على وجود أيون النيتريت.

إذا لم تَثبُت فعالية الاختبار باستخدام حمض الهيدروكلوريك، فإن المرحلة الثانية من الاختبار تتضمَّن استخدام حمض الكبريتيك المركَّز. يُستخدَم حمض الكبريتيك المركَّز لتحديد الهاليدات (، ، ، ) والنيترات ().

إذا كانت نتائج الاختبار في المرحلتين الأولى والثانية باستخدام حمض الهيدروكلوريك المخفَّف وحمض الكبريتيك المركَّز سلبية، فسيتم إجراء المرحلة الثالثة من الاختبار باستخدام محلول كلوريد الباريوم.

يمكن استخدام محلول كلوريد الباريوم لتحديد الأنيونات الآتية:

• الفوسفات ()
• الكبريتات ()

لا يمكن استخدام أحماض أخرى تحل محل أنيونات الكبريتات والفوسفات؛ فكلتاهما أنيونات لأحماض قوية جدًّا. حمض الهيدروكلوريك، على سبيل المثال، أقل استقرارًا من حمض الكبريتيك؛ ومن ثَمَّ، لا يمكنه أن يحل محل أنيون الكبريتات في المحاليل الملحية. ونتيجةً لذلك، لن نتحقَّق من انطلاق غاز في هذه المجموعة المتنوعة، لكن سنتحقَّق من تكوُّن راسب.

في هذا الشارح، سنركِّز على الفوسفات ().

يمكننا الكشف عن أيونات الفوسفات باستخدام كلوريد الباريوم. ستتفاعل أيونات الباريوم مع أيونات الفوسفات، ما ينتج عنه راسب أبيض من فوسفات الباريوم. يتكوَّن أيضًا راسب أبيض مماثل من كبريتات الباريوم عند إضافة كلوريد الباريوم إلى محلول مجهول يحتوي على أيونات الكبريتات. ولذلك، فإن الخطوة التالية التي يُضاف فيها حمض الهيدروكلوريك المخفَّف ويُتحقَّق من الذوبان هي جزء مهم جدًّا من عملية الاختبار.

فيما يلي الاختبار.

يمكننا التأكد من طبيعة هذا الراسب بإضافة حمض الهيدروكلوريك المخفَّف. سنجد أن راسب فوسفات الباريوم الأبيض يذوب مرة أخرى كما هو موضَّح في الآتي. في حين، لن يتأثَّر راسب كبريتات الباريوم الأبيض بالحمض المعدني.

فيما يلي الاختبار بالكامل.

يمكننا هنا إجراء اختبار تأكيدي مختلف يتضمَّن استخدام محلول نيترات الفضة. تتفاعل أيونات الفوسفات مع أيونات الفضة لتكوين راسب أصفر من فوسفات الفضة، وهو ما يمكن إذابته مرةً أخرى عن طريق إضافة حمض النيتريك أو الأمونيا.

فيما يلي الاختبار بالكامل.

فيما يلي ملخَّص لما تعلَّمناه عن الاختبارات الإضافية للكشف عن الأنيونات.