شارح الدرس: اختبارات الكشف عن الأنيونات الكيمياء • الصف الثالث الثانوي

في هذا الشارح، سوف نتعلَّم كيف نُحدِّد الأيونات السالبة المائية وفقًا لتفاعليتها ولون وذوبانية أملاحها.

يعتمد الاختبار الكيميائي في المختبر بوجهٍ عام على حدوث أيٍّ من الآتي. وهذه إشارات أساسية تدل على حدوث تفاعل كيميائي:

• تغيُّر اللون
• إنتاج رائحة
• تغيُّر في درجة الحرارة
• إنتاج غاز (تكوُّن فقاعات على سبيل المثال)
• إنتاج راسب

يمكن أن تكون نتيجة الاختبار إيجابية أو سلبية.

نتيجة الاختبار الإيجابية (أ) تعني أننا نلاحظ التغيُّر الذي توقَّعنا حدوثه إذا كانت المادة التي نحاول الكشف عنها موجودة. تُعطي الاختبارات ب، ج، د نتائج سلبية؛ في حين أن بعض الاختبارات الكيميائية تُعطي النتائج نفسها لمواد أخرى أيضًا، كما هو موضَّح في الاختبار (هـ)؛ لذا، علينا استخدام طرق أخرى للتأكُّد من الأفكار الأوَّلية:

نتيجة اختبار سلبية تعني أن تفاعلًا آخر قد حدث أو عدم حدوث أي تفاعل على الإطلاق. عمومًا، تُشير النتيجة السلبية إلى أنه يمكننا التأكد من أن المادة التي نحاول الكشف عنها غير موجودة في نهاية الاختبار:

بتطبيق الاختبارات المناسبة واستخدام كلٍّ من النتائج الإيجابية والسلبية، يمكننا تضييق نطاق المواد موضوع الاختبار إلى أن نتأكَّد من المواد التي كانت موجودة أو لم تكُن كذلك في البداية.

في هذا النوع من التحليل الكيفي، تُستخدَم مواد كيميائية مختلفة لتحديد الأنيونات المجهولة، وتُعرَف أيضًا باسم الجذور الحمضية. ويُشار عادةً إلى الأيونات السالبة الأحادية الذرة والأيونات السالبة المتعددة الذرات باسم الأنيونات. لدى الأنيونات شحنة سالبة صافية؛ لأن إجمالي عدد الإلكترونات في الأنيونات المختلفة يفوق إجمالي عدد البروتونات.

عندما يفقد الحمض أيونات الهيدروجين، يُشار إلى الأنيون المتبقي بالجذر الحمضي. وبالمثل، عندما تفقد مركبات الهيدروكسيد أيونات الهيدروكسيد، فإن الكاتيون الذي يُعرَف أيضًا بالجذر القاعدي يظل موجودًا. وعندما تتَّحد الجذور الحمضية والجذور القاعدية كيميائيًّا، يتكوَّن الملح.

في هذا الشارح، سنتناول ثلاث مجموعات منفصلة من الأنيونات:

• الأنيونات التي يمكن الكشف عنها باستخدام حمض الهيدروكلوريك المخفَّف
• الأنيونات التي يمكن الكشف عنها باستخدام حمض الكبريتيك المركَّز
• الأنيونات التي يمكن الكشف عنها باستخدام محلول كلوريد الباريوم

إن ترتيب الاختبارات في هذه المجموعات له نتائج. يجب مبدئيًّا اختبار أي أنيون مجهول باستخدام حمض الهيدروكلوريك المخفَّف. وإذا ثبت أن حمض الهيدروكلوريك غير فعال في تحديد هوية الجذر الحمضي المجهول، فعندئذٍ يجب استخدام حمض الكبريتيك المركَّز. وبالمثل، إذا ثبت أن حمض الكبريتيك المركَّز غير كافٍ لتحديد هوية الأنيون المجهول، فعندئذٍ يجب استخدام محلول كلوريد الباريوم.

يُحدَّد ترتيب هذا التسلسل بحسب قوة الجذور الحمضية. في المجموعة الأولى، يكون الكاشف الرئيسي هو حمض الهيدروكلوريك المخفَّف. ويكون هذا الحمض أكثر استقرارًا مقارنةً بالأنيونات التي يُستخدَم الحمض للكشف عنها، مثل أنيون الكربونات. في هذه الحالة، سيحل حمض الهيدروكلوريك محل الأنيونات الأقل استقرارًا، وهذا ما ينتج عنه تصاعد الغازات التي يمكننا الكشف عنها.

في المجموعة الثانية، يُستخدم حمض الكبريتيك المركَّز. ويكون حمض الكبريتيك أكثر استقرارًا مقارنةً بالأنيونات التي يُكشَف عنها، ومنها أنيون الكلوريد الذي كان عامل الاختبار في المجموعة الأولى.

في المجموعة الأخيرة، لا يوجد لدينا كاشف مناسب أكثر استقرارًا من أنيونات الكبريتات والفوسفات، وبناءً على ذلك يتم الكشف عن هذه المجموعة باستخدام محلول كلوريد الباريوم.

يمكن استخدام حمض الهيدروكلوريك المخفَّف لتحديد الأنيونات الآتية:

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

في هذا الشارح، سنركِّز على:

• الكربونات ()
• الكبريتيت ()

بوجهٍ عام، يكون أنيون الكربونات () شحيح الذوبان في الماء، عكس كلٍّ من كربونات الصوديوم وكربونات البوتاسيوم وكربونات الأمونيوم القابلة للذوبان في الماء. وسينطبق الاختبار الأوَّلي الآتي على المحاليل والكربونات الصلبة.

تتفكَّك أيونات الكربونات عندما تتفاعل مع الأحماض، لينتج عنها ثاني أكسيد الكربون والماء.

ومن ثَمَّ، إذا فاعلنا مادة معيَّنة مع حمض الهيدروكلوريك المخفَّف، ونتج عن ذلك فقاعات غازية، فمن الممكن أن تحتوي المادة على أيونات الكربونات. ويمكننا اختبار إذا ما كان هذا الغاز هو ثاني أكسيد الكربون أو لا باستخدام اختبار ماء الجير. يمكن استخدام أي حمض تقريبًا، ولكن يُفضَّل استخدام حمض الهيدروكلوريك؛ لأنه يمتاز باستقرار الأكسدة والاختزال بوجهٍ عام، كما أنه رخيص. إذن هذا هو الاختبار الكامل.

ومع ذلك، فإن أيونات البيكربونات تتفاعل بطريقة مماثلة أيضًا؛ ومن ثَمَّ، يلزم إجراء اختبار للتحقُّق. بدايةً، يمكن خلط المادة المجهولة مع الماء؛ وتكون معظم الكربونات غير قابلة للذوبان، وإذا كان الملح غير قابل للذوبان في الماء البارد، فهذا قد يُشير إلى وجود الكربونات. ولكن بعض الكربونات تذوب، وجميع البيكربونات تذوب أيضًا؛ لذا، فقد لا يكون ذلك كافيًا. في حالة تكوُّن محلول، سيلزم إجراء اختبار للتحقُّق باستخدام كبريتات المغنيسيوم.

إذا أُضيفت كبريتات المغنيسيوم إلى محلول بارد على الصورة السائلة، فإن أيونات المغنيسيوم ستتفاعل على الفور مع أيونات الكربونات القابلة للذوبان لتكوِّن راسبًا أبيض من ، وهو مادة قابلة للذوبان في حمض الهيدروكلوريك المخفَّف البارد:

في حالة محلول البيكربونات، فلن يتكوَّن راسب أبيض ما لم يُسخَّن المحلول. أثناء عملية التسخين، يتفكَّك أنيون البيكربونات مكوِّنًا بذلك أنيون الكربونات، الذي يتفاعل على النحو الموضَّح سابقًا.

كما يُستخدم الاختبار بواسطة حمض الهيدروكلوريك المخفَّف للكشف عن وجود أنيونات الكبريتيت.

في الاختبار الأوَّلي، يمكن تحويل أيونات الكبريتيت إلى ثاني أكسيد الكبريت () من خلال التفاعل مع حمض الهيدروكلوريك:

غاز عديم اللون وسام وحمضي، وتنبعث منه رائحة مثل رائحة أعواد الثقاب المحترقة.

إن غاز ليس حمضيًّا فحسب، بل يمكن أن يتأكسد أيضًا. ويهدف الاختبار الأوَّلي للكبريتيت إلى الكشف عن غاز باستخدام عوامل مؤكسدة مثل برمنجنات البوتاسيوم () أو ثاني كرومات البوتاسيوم ().

يُختبَر الغاز الناتِج عندما يُضاف إلى المادة الصلبة المجهولة باستخدام أشرطة من ورق الترشيح المبلَّل بأحد المحلولين المحمَّضين سواءٌ أو .

يتسبَّب غاز في تغيُّر لون محلول برمنجنات البوتاسيوم من اللون الأرجواني الداكن إلى اللون الوردي الباهت:

كما يتسبَّب أيضًا في تغيُّر لون محلول ثاني كرومات البوتاسيوم من اللون البرتقالي الفاتح إلى اللون الأخضر:

ومن ثَمَّ، إذا نتجت حرارة عن تفاعُل محلولٍ مع حمض الهيدروكلوريك وتصاعُد غازٍ حمضي قابل للأكسدة، فإن المحلول الأصلي قد يحتوي على أيونات الكبريتيت.

يتضمَّن اختبار التحقُّق للكشف عن أيون الكبريتيت إذابة المادة الصلبة المجهولة، ثم يليه خلط المحلول مع نيترات الفضة. وفي حالة وجود الكبريتيت، يتكوَّن راسب أبيض من كبريتات الفضة الذي يتحوَّل إلى اللون الأسود عند التسخين:

إذا ثبت أن الاختبار باستخدام حمض الهيدروكلوريك غير فعال، فإن المرحلة الثانية من الاختبار تتضمَّن استخدام حمض الكبريتيك المركَّز.

يمكن أن يحدِّد حمض الكبريتيك المركَّز الأنيونات الآتية:

• الهاليدات ( و و و)
• النيترات ()

بصفةٍ عامة، يُستخدم الاختبار الأوَّلي للكشف عن أيونات الهاليد على المواد الصلبة، في حين يُستخدم اختبار التحقُّق الثاني على محاليل هذه المواد الصلبة.

عندما يُستخدم حمض الكبريتيك المركَّز () للكشف عن أيونات الهاليد، يُضاف حمض الكبريتيك المركَّز قطرة بقطرة إلى العيِّنة الصلبة. ويمكن مبدئيًّا اختبار أيِّ غاز ناتِج بورقة عباد الشمس الزرقاء الرطبة.

ينتج عن الأملاح التي تحتوي على أيونات الفلوريد أو الكلوريد نتائج متطابقة بصريًّا. وتفاعُل هذه الأنواع من الأملاح هو ببساطة تفاعُل حمض مع قاعدة:

يرجع الفرق بين المعادلتين إلى أن حمضٌ أضعف من حمض ، لكنه حمضٌ أقوى من حمض . أما فيكون حمضًا أضعف من كِليهما.

يُكوِّن غاز الناتج سحبًا بيضاء عند تعرُّضه لقضيب زجاجي مبلَّل بمحلول الأمونيا؛ وذلك نظرًا لتكوُّن كلوريد الأمونيوم، :

عندما يتفاعل حمض الكبريتيك المركَّز مع أملاح البروم أو اليود، يحدث تفاعل الحمض مع القاعدة نفسه:

ومع ذلك، يحدث تفاعل الأكسدة والاختزال أيضًا. حمض الكبريتيك ليس عاملًا مؤكسدًا قويًّا بما يكفي لأكسدة أو ، لكنه قوي بما يكفي لأكسدة أو :

يتم اختزال حمض الكبريتيك باستخدام لتكوين ثاني أكسيد الكبريت (). وأيونات عبارة عن عوامل مختزِلة أقوى من أيونات ، وتختزل حمض الكبريتيك بقدر أكبر لتكوين كبريتيد الهيدروجين ().

يُعَدُّ كلٌّ من و من الغازات السامة الكريهة الرائحة؛ كما أن الأبخرة الحمضية مثل و و و جميعها خطرة؛ لذا يجب توخِّي قدر كبير من الحذر عند إجراء هذه الاختبارات التي دائمًا ما يجب إجراؤها أسفل جهاز شفط الأبخرة.

فيما يلي نتائج اختبارات التحقُّق باستخدام نيترات الفضة للكشف عن الهاليدات الشائعة.

لا تتفاعل أيونات الفلوريد مع محلول الاختبار، ولا ينتج عن ذلك أيُّ راسب. بعبارةٍ أخرى، لا توجد نتيجة اختبار إيجابية للكشف عن أيونات الفلوريد باستخدام نيترات الفضة.

وفيما يخص الهاليدات الأخرى، يحدث التفاعل الآتي:

يمكننا تبسيط ذلك بحذف أيون النيترات الذي يكون أيونًا متفرِّجًا:

أملاح الفضة للكلور والبروم واليود جميعها أملاح غير قابلة للذوبان في الماء؛ ومن ثَمَّ، فإنها ستترسَّب. ولكن فلوريد الفضة شديد الذوبانية في الماء؛ ومن ثَمَّ، فلن يترسَّب.

على سبيل المثال، إذا كان لدينا محلول يحتوي على ملح هاليد الصوديوم، لكننا لا نعرف أي نوع من الهاليدات، فيمكننا استخدام هذا الاختبار. وإذا حصلنا على راسب كريمي اللون، فإننا نعلم أن هذا الملح هو بروميد الصوديوم.

ومن المسائل التي تهم هذا الاختبار، حتى لو أُجري بطريقة صحيحة، هو أنه يكون من الصعب أحيانًا تحديد الفرق بين الرواسب الممكنة. في بعض أنواع الإضاءة، قد يبدو اللون الأبيض كريميًّا، واللون الكريمي قد يبدو أصفر. ويمكن ملاحظة التشابه بين لون الرواسب المختلفة في الصورة الآتية (من اليسار إلى اليمين: و و).

إحدى طرق حل هذه المشكلة هي إجراء اختبار التحقُّق على هذا المحلول المجهول جنبًا إلى جنب باستخدام محاليل معروفة تحتوي على الهاليدات (على سبيل المثال، محلول ، ومحلول ، ومحلول ). عندئذٍ يمكننا المقارنة بين ألوان الرواسب بموجب الشروط نفسها.

هناك طريقة أخرى تتمثَّل في استخدام محلول الأمونيا. إذ يُكوِّن الأمونيا أيونًا معقَّدًا مع أيونات الفضة الأحادية، وعندما نضيف الأمونيا إلى محلول يحتوي على راسب من الفضة، يمكن أن يُعيد الفضة مرة أخرى إلى المحلول، ما يجعل الراسب يختفي.

باستخدام أملاح هاليد الفضة، نحصل على نتائج مختلفة عندما نُضيف محلول الأمونيا المخفَّف أو كمية فائضة من محلول الأمونيا.

إذا استخدمنا الأمونيا المركَّزة، فقد نصل إلى كمية فائضة بسرعة كبيرة. ولكن، إذا أضفنا الأمونيا المركَّزة بعناية بكميات صغيرة، يمكننا أن نحصل على النتائج نفسها التي نتوصَّل إليها باستخدام محلول الأمونيا المخفَّف.

يُستخدم الاختبار بحمض الكبريتيك المركَّز أيضًا للكشف عن وجود أنيونات النيترات.

أنيون النيترات () شديد الذوبانية في الماء في وجود العديد من الكاتيونات المختلفة؛ لذا يصعب الكشف عنه باستخدام الترسيب.

• الاختبار الأوَّلي: إنتاج ثاني أكسيد النيتروجين من خلال إضافة حمض الكبريتيك المركَّز
• اختبار التحقُّق: كبريتات الحديد الثنائي حمض الكبريتيك

يتمثَّل الاختبار الأوَّلي في تفاعل مادة صلبة قد تحتوي على أيونات النيترات، مع حمض الكبريتيك المركَّز، لتكوين حمض النيتريك:

بعد ذلك، يبدأ حمض النيتريك المتكوِّن في التفكُّك عند تسخينه، ما يؤدِّي إلى إطلاق ثاني أكسيد النيتروجين الذي يتميَّز بلونه البني:

يمكن زيادة معدل إنتاج الغاز من خلال إضافة برادة النحاس:

يتمثَّل اختبار التحقُّق في اختزال أيونات النيترات باستخدام أيونات الحديد الثنائي (). وأحد نواتج اختزال أيونات النيترات هو أول أكسيد النيتروجين ()، الذي يمكن أن يُكون مركبًا معقَّدًا مع أيونات الحديد الثنائي المتبقي لتكوين مادة صلبة بنية اللون. ويُعَدُّ حمض الكبريتيك ضروريًّا للتفاعل. إذا لم يُخلَط محلول حمض الكبريتيك المركَّز مع المحلول، فسيُكوِّن بدلًا من ذلك طبقة في قاع وعاء التفاعل (لأن حمض الكبريتيك المركَّز أكبر كثافة من الماء). وتتشكَّل حلقة بنية اللون من مركب الحديد الثنائي المعقَّد بين طبقة المحلول وطبقة حمض الكبريتيك؛ ولهذا السبب يُعرَف هذا الاختبار عادةً باختبار الحلقة البنية.

التفاعلات الأساسية المتضمَّنة هي اختزال أيونات النيترات باستخدام أيونات الحديد الثنائي: وتكوين مركب الحديد الثنائي المعقَّد البُني اللون:

من المهم ألا تتأكسد أيونات الحديد الثنائي في محلول الكبريتات إلى أيونات الحديد الثلاثي بفعل الهواء؛ وإلا فلن يتحقَّق الاختبار. ومن الأفضل أن يتم تحضير محلول كبريتات الحديد الثنائي حديثًا؛ أيْ مباشرة قبل إجراء الاختبار.

إذا ثبت أن الاختبار باستخدام محلول حمض الهيدروكلوريك المخفَّف وحمض الكبريتيك المركَّز غير فعال، فإن المرحلة الثالثة من الاختبار ستتضمَّن استخدام محلول كلوريد الباريوم.

يُستخدم الاختبار بمحلول كلوريد الباريوم لتحديد الأنيونين الآتيين:

• الكبريتات ()
• الفوسفات ()

لا يمكن استخدام حمض آخر لاستبدال كلٍّ من أنيون الكبريتات وأنيون الفوسفات، الذي ينشأ كلٌّ منهما من أحماض شديدة القوة. على سبيل المثال، حمض الهيدروكلوريك أقل استقرارًا من حمض الكبريتيك؛ لذا، لا يمكنه أن يحل محل أنيون الكبريتات في المحاليل المائية للأملاح. وبناءً على ذلك، فإننا في هذه المجموعة المتنوعة، لن نُجري اختبارًا للكشف عن غاز متصاعد، ولكن سنحاول بدلًا من ذلك الكشف عن تكوين راسب.

في هذا الشارح، سنركِّز على الكبريتات ().

يمكننا الكشف عن أنيون الكبريتات في المحلول عن طريق التفاعل مع أيونات الباريوم (). تتفاعل هذه الأيونات مع أيونات الكبريتات لإنتاج راسب أبيض من كبريتات الباريوم (). كبريتات الباريوم غير قابلة للذوبان حتى في الأحماض المعدنية المخفَّفة مثل حمض الهيدروكلوريك وحمض النيتريك. وفوسفات الباريوم عبارة عن راسب أبيض مماثل لكبريتات الباريوم؛ ومع ذلك، فإن هذا الراسب الأبيض قابل للذوبان في حمض الهيدروكلوريك المخفَّف:

يتمثَّل اختبار التحقُّق للكشف عن أنيون الكبريتات في إضافة محلول أسيتات الرصاص. وفي تفاعل الترسيب هذا، يتكوَّن راسب أبيض من كبريتات الرصاص، كما هو موضَّح في المعادلة الكيميائية الآتية:

نلخِّص ما تعلَّمناه عن اختبار الكشف عن الأنيونات.