شارح الدرس: الأدوات العلمية الكيمياء • الصف الأول الثانوي

في هذا الشارح، سوف نتعلم كيف نحدد الأدوات المعملية المختلفة، ونعلم كيف ومتى يجب أن نستخدمها.

لنبدأ بتعلم كيفية قياس الكتلة والحجم وحجم الغاز في المعمل. نحن نقيس الكتلة باستخدام الميزان. يوجد نوعان رئيسيان من الموازين يمكننا الاختيار من بينهما: الموازين ذات الكفة العلوية والموازين الحساسة. مثالان لنوعي الموازين موضحان فيما يأتي.

عادة ما تكون الموازين ذات الكفة العلوية أقل دقة وتعطي قياسًا للكتل إلى أقرب جرام، أو عُشر جرام، أو جزء من مائة من الجرام حسب الميزان. توضع الموازين الحساسة في حاوية زجاجية لحمايتها، وعادة ما تعطي قياسًا للكتل لأقرب جزء من عشرة آلاف من الجرام.

يجب عدم وزن المواد الكيميائية بوضعها مباشرة في كفة الميزان. وإنما بدلًا من ذلك، يجب وضعها في وعاء وزن أو وعاء مفتوح آخر، مثل الوعاء الموضح فيما يأتي.

يمكننا استخراج المواد الكيميائية الصلبة من زجاجة الكاشف وإضافتها إلى وعاء الوزن باستخدام ملعقة الوزن، الموضحة فيما يأتي.

يمكننا قياس حجم السائل باستخدام مجموعة متنوعة من الأدوات. المخبار المدرج هو أداة زجاجية أسطوانية ضيقة بها علامات أو تدريج للإشارة إلى حجم السائل في المخبار. توضح الصورة الآتية مخبارًا مدرجًا نموذجيًّا.

عادة، يمكن أن يستخدم المخبار المدرج لقياس أي حجم في المدى من 10 mL إلى 1‎ ‎000 mL. ونظرًا لاختلاف الأحجام، يتغير التدريج. من المهم دائمًا أن نكون على علم بكل من التدريج الصغير والتدريج الكبير للمخبار المستخدم.

عندما نريد نقل كمية صغيرة محددة من السائل بدقة، يجب أن نستخدم ماصة. يوجد العديد من أنواع الماصات، لكن كلها تعمل عن طريق سحب سائل في أسطوانة ضيقة باستخدام الشفط. قد تكون الماصات الزجاجية أو البلاستيكية مدرجة أو حجمية. الماصات المدرجة لها العديد من علامات التدريج، ويمكن استخدامها لقياس العديد من الأحجام، بينما تحتوي الماصة الحجمية على علامة تدريج واحدة فقط، ولا يمكن استخدامها إلا لقياس حجم معين. توضح الصورة الآتية الماصتين المدرجة والحجمية.

يمكن إجراء الشفط من الجزء العلوي للماصة باستخدام مالئة الماصة، أو مالئة الماصة الثلاثية، أو المضخة، كما هو موضح فيما يأتي.

عند عدم التأكد من حجم السائل اللازم في تجربة ما، كما هو الحال في تجربة المعايرة، يمكننا استخدام سحاحة. تبدو السحاحة، الموضحة فيما يأتي، مشابهة جدًّا للماصة المدرجة.

ومع هذا، لا نستخدم الشفط لسحب السائل إلى السحاحة. بدلًا من ذلك، نملأ السحاحة بالسائل ونفتح المحبس في أسفل السحاحة؛ بحيث نسمح بخروج السائل. السحاحات مرقمة من أعلى لأسفل بحيث يمكننا تحديد كمية السائل الخارجة بسهولة. عند ملء السحاحة، من المهم أن نتأكد دائمًا من أن المحبس في موضع الإغلاق، بحيث يكون عموديًّا على عمود السحاحة، قبل إضافة أي سائل. الشكل الآتي يوضح ذلك.

يمكن قياس حجم الغاز باستخدام محقنة الغاز، كما هو موضح فيما يأتي. يُدرَّج أنبوب المحقنة للإشارة إلى الحجم. يُستخدم أنبوب التوصيل لربط المحقنة بوعاء التفاعل. وبينما يُنتَج الغاز، سوف يزيح المكبس، ويمكن تسجيل الحجم.

مثال ١: تحديد الغرض من الميزان

ما الغرض الذي يُستخدَم لأجله الإعداد المعملي الآتي؟

1. قياس الأس الهيدروجيني لمحلول.
2. قياس درجة حرارة مادة.
3. قياس كتلة مادة.
4. قياس حجم سائل أو غاز.
5. قياس الزمن.

الحل

يمكن قياس الأس الهيدروجيني لمحلول باستخدام مجس الأس الهيدروجيني. تقاس درجة حرارة مادة باستخدام الترمومتر. تقاس كتلة مادة باستخدام الميزان. يمكن قياس حجم السائل باستخدام مخبار مدرج أو ماصة أو سحاحة، بينما يمكن قياس حجم الغاز باستخدام محقنة الغاز. يقاس الزمن باستخدام ساعة أو ساعة إيقاف.

في الصورة، ميزان ذو كفة علوية مع كأس زجاجية. يُستخدم هذا الإعداد لقياس كتلة مادة. الإجابة الصحيحة هي الخيار (ج).

مثال ٢: التعرف على سحاحة

أيُّ الصور الآتية تمثِّل سحاحة؟

الحل

السحاحة هي أداة أسطوانية تُستخدم لإفراغ سائل، خاصة عند عدم التأكد من الحجم الكلي للسائل اللازم للاستخدام في تجربة. يكون للسحاحة تدريج على الزجاج، وهو يشير إلى الحجم، إضافةً إلى محبس، وهو صمام يمكن تعديله لإخراج السائل.

الإجابة (أ) بها تدريج؛ لكن ليس بها محبس. إنها صورة محقنة. أما الإجابة (ب)، فليس بها أي تدريج واضح، أو محبس. هذه صورة ماصة حجمية مع مضخة ماصة ملحقة بها. أما الإجابة (ج)، بها تدريج، ولكن ليس بها محبس، ولا طريقة لإخراج السائل من أسفل الوعاء. هذه صورة لمخبار مدرج. الإجابة (د) بها تدريج ومحبس. الإجابة (د) هي سحاحة.

هناك العديد من الأدوات التي يمكننا اختيارها عندما نحتاج إلى نقل أو احتواء مواد كيميائية أو تفاعلها معًا. الكئوس الزجاجية هي أوعية أسطوانية الشكل ولها فوهة. الصورة الآتية توضح كأسًا زجاجية نموذجية.

تُستخدم الكئوس الزجاجية عادة أوعية للتخزين المؤقت عند إجراء تجربة أو تُستخدم أوعية لتسخين الماء. أحيانًا، توجد علامات مدرجة على جانب الكئوس الزجاجية، ومع هذا، تكون هذه العلامات غير دقيقة. وعلى هذا النحو، لا ينبغي أبدًا استخدام كأس زجاجية في قياسات الحجوم الدقيقة.

لا توجد أغطية للكئوس الزجاجية، ولكن يمكننا وضع زجاجة ساعة على الكأس الزجاجية كغطاء.

أيضًا، يمكن استخدام زجاجة الساعة بدلًا من وعاء الوزن عند قياس كتلة المواد الصلبة أو باعتبارها أسطحًا تتبخر عليها كميات صغيرة من السائل.

إذا أردنا تبخير كميات أكبر من السائل (10 mL -100 mL) يمكننا استخدام طبق تبخير. عادة، تكون أطباق التبخير من السيراميك ولها سطح كبير يشغله السائل للمساعدة في عملية التبخير، مثل الطبق الموضح فيما يأتي.

في كثير من الأحيان نحتاج إلى إذابة مادة صُلبة في سائل لإنتاج محلول له حجم معين. في هذه الحالات، يمكننا استخدام دورق حجمي، كما هو موضح في الصورة الآتية.

يسمح شكل الدورق بخلط المادة الصلبة بسهولة في السائل دون تناثر المادة. يوجد تدريج واحد على عنق الدورق. ينتج عن الملء حتى التدريج محلول له حجم دقيق للغاية. وبما أن الدوارق الحجمية لا يمكن أن تنتج إلا محلولًا من حجم محدد، فإن لها أحجامًا مختلفة تتراوح ما بين واحد ملليلتر إلى عدة لترات.

دورق إرلنماير ويعرف أيضًا بالدورق المخروطي هو وعاء تفاعل شائع. توضح الصورة الآتية نوعين مختلفين من الدوارق المخروطية.

قاعدة الدورق المخروطي تشبه قاعدة الكأس الزجاجية. وبالمثل، على الرغم من أن الدوارق المخروطية تحتوي عادة على علامات متدرجة للحجم، يجب عدم استخدامها للقياس الدقيق. على عكس الكئوس الزجاجية، تكون الدوارق المخروطية مستَدَقَّة العنق. وهذا يجعل الدورق اختيارًا ممتازًا للتفاعلات التي يجب تقليبها أو تدويرها؛ لأن العنق الضيق يساعد في الحد من التناثر.

تُستخدم الدوارق المستديرة القاع عادةً في إعداد أجهزة معملية تتضمن توصيلات زجاجية متعددة أو عندما يحتاج التفاعل إلى التسخين بشكل أكثر انتظامًا. وفيما يأتي مثال يوضح الدورق المستدير القاع.

وبما أن القاع مستدير، فيجب إمساك الدورق بماسك أو وضعه على حلقة من الفلين للثبات في وضع مستقيم.

بالنسبة للتفاعلات ذات الحجم الأصغر، أو تخزين عدة عينات، أو تسخين كميات صغيرة من المواد، يمكننا استخدام أنبوب اختبار. عند تسخين كمية صغيرة من المادة، من الأفضل اختيار أنبوب غليان، وهو نسخة أكبر قليلًا من أنبوب الاختبار. نوعا أنبوب الاختبار موضَّحان فيما يأتي. زيادة حجم أنبوب الغليان تحول دون خروج أو تناثر المادة المسخنة والفقاعات المحتملة خارج الأنبوب.

تُستخدم أرفف أنابيب الاختبار لتخزين عدة مجموعات من أنابيب الاختبار.

عند نقل المواد من وعاء إلى آخر، يمكننا استخدام قمع طويل العنق، كما هو موضح فيما يأتي؛ وذلك لمنع الانسكاب.

على الرغم من أنه يمكننا تسخين الكئوس الزجاجية، والدوارق المخروطية، والدوارق مستديرة القاع، وأنابيب الاختبار، فإننا يمكننا فقط رفع درجة حرارتها إلى ما يقرب من . وإذا أردنا تجاوز ، فعلينا استخدام بوتقة.

عادة ما تُصنع البوتقة من الخزف أو الصلب المقاوم للصدأ، ويمكنها تحمل درجات حرارة حتى .

مثال ٣: تحديد أداة معمل

ما أداة المعمل الموضَّحة في الصورة الآتية؟

الحل

أداة المعمل هذه مسطحة القاع. الكأس الزجاجية، والمخبار المدرج، والدورق الحجمي، والدورق المخروطي، مسطحة القاع. الجزء العلوي من أداة المعمل مستدق العنق وصولًا إلى عنق ضيق. الدوارق الحجمية والدوارق المخروطية مستدقة العنق. قاعدة الدورق الحجمي أكثر استدارةً من قاعدة الدورق المخروطي. عنق الدورق الحجمي طويل ورفيع، بينما عنق الدورق المخروطي قصير وعريض. الدوارق الحجمية، بها علامة مدرجة واحدة على العنق، بينما قد لا تحتوي الدوارق المخروطية على علامات أو تدريج متعدد على القاعدة. في الصورة هنا دورق مخروطي.

هناك عدة طرق لتسخين المواد في المعمل. يمكن تسخين الكئوس الزجاجية، وأطباق التبخير، والدوارق المخروطية بسهولة من خلال وضعها على لوح التسخين.

يحتوي لوح التسخين البسيط على مفتاح واحد يزيد من الحرارة الناتجة عند تشغيله. في بعض ألواح التسخين، يوجد مفتاح آخر يمكن استخدامه للتحكم في قضيب تقليب مغناطيسي للتحريك الثابت والمستمر.

يمكن تسخين الكئوس الزجاجية، والدوارق المخروطية، والدوارق المستديرة القاع، وأنابيب الاختبار، والبوتقات باستخدام موقد بنسن. موقد بنسن الشائع يشبه الصورة الآتية.

ذراع تثبيت الخرطوم الموجود بالقرب من قاعدة موقد بنسن يوصَل عبر أنبوب توصيل غاز بمصدر الغاز، الذي يوفر غازًا قابلًا للاشتعال، وعادة ما يكون غاز البروبان أو البيوتان.

وعندما يتدفق الغاز، يمكن إشعال موقد بنسن باستخدام عود ثقاب أو ولاعة مطبخ، أو شظية خشبية، أو ولاعة بشرارة، التي تُعرف أيضًا باسم القداحة.

قد يتغير لون اللهب الناتج من البرتقالي إلى الأزرق الداكن، بناء على كمية الهواء التي يمكن خلطها بالغاز القابل للاشتعال. يمكننا التحكم في كمية الهواء من خلال تدوير حلقة عمود الموقد.

عندما تكون فتحة الهواء مغلقة، يكون الاحتراق غير تام، ويظهر اللهب باللون البرتقالي. وعندما تكون فتحة الهواء مفتوحة بالكامل، سيكون الاحتراق تامًّا، ويظهر اللهب باللون الأزرق. اللهب البرتقالي، الذي يطلق عليه أحيانًا لهب الأمان، يكون أقلَّ حرارة من اللهب الأزرق. يجب أن نستخدم لهبًا أزرق عند تسخين المواد والعودة إلى اللهب البرتقالي بين عمليات التسخين.

عند استخدام موقد بنسن، علينا التأكُّد من وضعه على بساط أو منضدة مقاومة للحرارة وأن المنطقة المحيطة بالموقد خالية. يجب عدم استخدام موقد بنسن لتسخين المواد القابلة للاشتعال، ولكن علينا استخدام لوح تسخين بدلًا من ذلك. بصرف النظر عن مصدر التسخين، من المهم ألا نسخن وعاءً مغلقًا أبدًا؛ لأن الضغط يمكن أن يزداد، وقد ينفجر الوعاء.

ثمة عدة طرق لوضع الزجاجيات أعلى موقد بنسن. يمكن وضع شبكة سلكية على حامل ثلاثي موضوع أعلى موقد بنسن، ثم يمكننا وضع الأوعية مسطحة القاع على الشبكة السلكية. الإعداد موضَّح في الصورة الآتية.

يمكن وضع مثلث تسخين على الحامل الثلاثي لحمل البوتقات.

يجب الانتباه دائمًا عند تسخين المواد. تبدو الزجاجيات الساخنة والباردة بالشكل نفسه. يمكن أيضًا استخدام الملقط لحمل الزجاجيات الساخنة ونقلها. فيما يأتي مجموعة من الملاقيط المختلفة.

يمكن أيضًا استخدام ملقاط أنبوب الاختبار لحمل أنبوب الاختبار فوق موقد بنسن. يجب أن يمسك أنبوب الاختبار بزاوية على أن يكون اتجاه الفتحة بعيدًا عن الموجودين في المعمل، كما هو موضح فيما يأتي.

يمكننا أيضًا استخدام الماسك لحمل الأدوات فوق موقد بنسن. يمكن ربط الماسك والدعامات العديدة التي يمكننا الاختيار من بينها، بحامل أو حامل مع حلقة، كما هو موضح فيما يأتي.

يمكن تثبيت حلقة حديدية على الحامل مباشرة عن طريق إحكام ربط مشبك بمسمار، كما هو موضح فيما يأتي.

وكما هو الحال مع الحامل الثلاثي، يمكن وضع الشبكة السلكية ومثلثات التسخين على الحلقة لحمل الكئوس الزجاجية والبوتقات.

يمكن توصيل الماسك ذي الطرفين والماسك ذي الثلاثة أطراف بالحامل لحمل أنابيب الاختبار، والدوارق المستديرة القاع، وغيرها من الزجاجيات ضيقة العنق. قد يكون لأنواع الماسك المختلفة مسمار للتثبيت المباشر، أو قد تحتاج إلى توصيلها بحامل ذي قاعدة من خلال صامولة دوَّارة.

الصامولة الدوَّارة هي ببساطة مشبكان بمسمار. أحدهما مثبت حول الحامل، والآخر مثبت حول ذراع الماسك. يجب أن يكون مشبك المسمار الذي يحمل الذراع موجهًا دائمًا على أن تكون الفتحة في اتجاه الأعلى؛ بحيث إذا فشل المشبك وسقط، يكون احتمال سقوط الجسم المحمول أقل.

يجب وضع أي ماسك مضاف إلى الحامل ذي القاعدة بحيث تكون الأدوات التي يمسك بها أعلى قاعدة الحامل مباشرة. وهذا سيساعد على منع سقوط الحامل.

دعونا نلخص ما تعلمناه عن الأدوات العلمية.