شارح الدرس: تحديد النقاء الكيمياء • الصف الثالث الثانوي

في هذا الشارح، سوف نتعلَّم كيف نُحدِّد نسبة نقاء مادة وفقًا لنسبة كتلتها وخواصها الفيزيائية.

في حياتنا اليومية، نستخدم كلمة «نقي» في وصف عدة أمور. على سبيل المثال، يمكننا وصف الصوت النقي من آلة ما بأنه نغمة نقية. وبعض الأنسجة تُوضَع عليها علامة بأنها من القطن النقي أو قطن ؛ لأن القطن لم يُخلَط بألياف صناعية لصنع الملابس.

وأحيانًا ما نقول عن بعض الأطعمة إنها نقية. على سبيل المثال، تخبرنا مُلصقات على بعض المواد الغذائية بأنها عصير تفاح نقي، أو زيت زيتون نقي، أو عسل نحل نقي.

وحين يُشار إلى منتج مثل عصير التفاح بأنه نقي، فهذا يعني أن العصير مصنوعٌ من التفاح فقط. وزيت الزيتون النقي مصنوعٌ من الزيتون فقط، وعسل النحل النقي عسل مستخرجٌ مباشرةً من قُرص العسل، دون إضافة أي شيء. ومن ذلك نلاحظ أن مصطلح «نقي» يُستخدم بعدة طرق، بمعانٍ مختلفة قليلًا.

في مجال الكيمياء، لمصطلح «نقي» معنى محدَّد جدًّا. المادة النقية كيميائيًّا هي المادة التي تحتوي على نوع واحد فقط من العناصر أو المركبات، ولها تركيب كيميائي واحد فقط.

وعصير التفاح ليس مادة نقية، حتى إذا كان مصنوعًا من التفاح فقط. يحتوي عصير التفاح على مواد مختلفة، من بينها الماء والسكروز والفركتوز والجلوكوز والنشا والتانين والبكتينات وفيتامين (ج) ومعادن. ويحتوي زيت الزيتون على عدة مواد مختلفة، وكذلك العسل. إذن زيت الزيتون والعسل ليسا مادتين نقيتين كيميائيًّا.

ويوضِّح الجدول الآتي بعض المواد النقية كيميائيًّا.

تحتوي البلورات النقية من سكر المائدة على جزيئات السكروز () فقط. ويحتوي السلك النحاسي النقي على ذرات عنصر النحاس فقط. وتحتوي علبة الغاز الفضية في الصورة السابقة على الهليوم السائل النقي.

يمكن تصنيف المواد كلها إلى فئة من فئتين، وهما المواد النقية والمخاليط. يتكوَّن أي خليط من أكثر من مادة واحدة؛ لذا يمكن اعتبار المخاليط مواد غير نقية. المواد الموجودة في الخليط غير مرتبطة كيميائيًّا؛ ومن ثَمَّ، يمكن فصل المكوِّنات بطرقٍ فيزيائية.

مثال ١: استخدام المعنى الدارج والمعنى العلمي لمصطلح «نقي»

توضِّح الصورة الآتية زجاجة عصير برتقال عليها مُلصَق.

1. لماذا يُمكِن أن تدَّعي الشركة أن عصير البرتقال نقي ؟
   1. لأن المحلول لونه برتقالي بالكامل.
   2. لعدم احتوائه على مُنتَجات إضافية أو صناعية.
   3. لأنه مصنوع من نوع واحد من المُركَّبات.
   4. لأن له أسًّا هيدروجينيًّا يساوي 7؛ ولذا فهو مُتعادِل.
   5. لأن البرتقال قد نضج طبيعيًّا.
2. لماذا يُمكِن أن يقول كيميائي: إن عصير البرتقال ليس نقيًّا؟
   1. لأنه لا يحتوي على مادة واحدة فقط.
   2. لأنه حمضي قليلًا.
   3. لأن الجُسيمات حرة الحركة بعضها حول بعض.
   4. لأنه يحتوي على مادة صناعية فقط.
   5. لأن المحلول ليس عديم اللون.

الحل

الجزء الأول

يُشير الملصق إلى أن عصير البرتقال مصنوع من مُركَّز البرتقال. مركَّز البرتقال عصير برتقال مستخلص من ثمار البرتقال، ويُزال بعض الماء لتركيز العصير، ثم يُضاف إليه بعد ذلك الماء لإعادة تكوينه. وعصير البرتقال، في الصورة المركَّزة والمُعاد تكوينها، يحتوي على العديد من المركبات، من بينها الماء والسكروز والجلوكوز والفركتوز، وحمض الأسكوربيك وحمض الستريك وفيتامينات أخرى ومعادن. العبارة (ج): «لأنه مصنوع من نوع واحد من المُركَّبات» عبارة خطأ.

ولا يمكننا تحديد إذا ما كانت ثمار البرتقال قد نضجت طبيعيًّا أو لا من المعلومات المتوافرة على الملصق. وكونها نضجت طبيعيًّا لا يعني أنها نقية بالمعنى العلمي. تنضج المحاصيل المزروعة طبيعيًّا دون استعمال مبيدات الآفات الزراعية ومبيدات الحشائش. إذن العبارة (هـ)، «لأن البرتقال قد نضج طبيعيًّا»، ليست صحيحة.

ولا يُشير لون العصير البرتقالي، وكذلك لون المخاليط الأخرى، إلى النقاء. عادةً ما يكون للسوائل ألوان واحدة، لكنها مثل عصير البرتقال قد تكون مخلوطًا من مواد عديدة. لذا، فالعبارة (أ)، «لأن المحلول لونه برتقالي بالكامل»، لا تُشير إلى النقاء.

ويرتبط الأس الهيدروجيني لمحلول بالحمضية أو القاعدية. يحتوي عصير البرتقال على عدة أحماض مختلفة؛ لذا، فإن له أسًّا هيدروجينيًّا حمضيًّا قليلًا أو منخفضًا قليلًا. فالأس الهيدروجيني له لا يساوي سبعة، وهو غير متعادل. ولا يُشير الأس الهيدروجيني لعصير البرتقال إلى درجة النقاء، وإنما فقط إلى أنه محلول حمضي. إذن العبارة (د)، «لأن له أسًّا هيدروجينيًّا يساوي 7؛ ولذا فهو مُتعادِل»، خطأ.

يقول الملصق إن عصير البرتقال نقي ؛ لذا، يمكننا أن نفترض من ذلك أن الشركة المصنِّعة تعني أن العصير مصنوع فقط من ثمار البرتقال، بلا أي مواد إضافية أو صناعية أخرى. إذن الإجابة الصحيحة هي الخيار (ب): «لعدم احتوائه على مُنتَجات إضافية أو صناعية».

الجزء الثاني

المعنى العلمي لمصطلح «نقي» هو مادة تحتوي على نوع واحد فقط من العناصر أو المركبات. عصير البرتقال لا يحتوي على مادة واحدة فقط؛ فهو يحتوي على العديد من المواد المختلفة. والعبارة (أ)، «لأنه لا يحتوي على مادة واحدة فقط»، هي وصف دقيق قد يقدِّمه الكيميائي لشرح سبب أن عصير البرتقال ليس نقيًّا. الإجابة الصحيحة هي (أ).

فحتى إن كانت المادة تحتوي على كمية ضئيلة جدًّا من مادة أخرى، فهي تُعتبر غير نقية. بعبارة أخرى، إذا كانت المادة ليست نقية بنسبة ، ولا تتكوَّن من هذه المادة فقط لا غير، فهي تُعتبر غير نقية.

ودرجة نقاء المادة يمكن أن نُسمِّيها بالنقاء.

افترض كأسًا زجاجية تحتوي فقط على جزيئات الإيثانول، وعدة كئوس زجاجية تحتوي على الماء والإيثانول بنسب مختلفة ( و و)، وكأسًا تحتوي على جزيئات الماء فقط. نفترض أنه لا توجد مواد أخرى، مثل جزيئات الغاز، مخلوطة في الكئوس. يوضِّح الشكل الآتي هذه المعلومات بيانيًّا.

يمكننا قياس نقاء الماء في كل كأس ليتراوح بين و. عندما يوجد الإيثانول فقط، تكون نسبة نقاء الماء . وعندما يوجد الماء فقط، تكون نسبة نقائه . وعندما يكون من السائل ماءً، فإن نسبة نقاء الماء ، وهكذا.

من الصعب جدًّا والمكلِّف جدًّا على الكيميائي أن ينقِّي مادة كيميائية بنسبة . عادةً فإن أقصى نسبة نقاء يمكن أن يحقِّقها الكيميائي تقترب من ، وأي مادة تزيد نسبة نقائها على تُعتبر نقية للغاية.

والنقاء الفائق (الذي تزيد نسبته على ) مهم وضروري في بعض التطبيقات، خاصةً في الأدوية. يُحتمل أن تكون النسب المئوية الصغيرة من الشوائب في الأدوية ضارة، ويتوقف ذلك على ماهية هذه الشوائب.

لكننا لا نحتاج دومًا إلى مواد فائقة النقاء. على سبيل المثال، العديد من أدوات التنظيف نقاؤها منخفض، لكن هذا لا يهم؛ إذ يظل بإمكانها أداء المهمة المطلوبة.

يمكن أن تحدث الشوائب بصورٍ عديدة. قد تكون الشائبة في نفس حالة المادة المطلوبة أو في حالة مختلفة عنها، وقد تكون نسبتها كبيرة أو صغيرة. أحيانًا، قد يكون من السهل ملاحظة الشوائب؛ لأن لها لونًا مختلفًا عن المنتج المطلوب، لكن غالبًا ما يكون لها اللون نفسه، ما يجعل ملاحظتها أصعب.

لكن وجود الشوائب ليس دائمًا عيبًا. وجود ذرات لعناصر أخرى في الفلزات يمكن أن يصنع سبائك لها خواص فيزيائية أفضل بكثير من الفلزات النقية. الحديد النقي بمفرده لين جدًّا، وهذا يجعله بلا فائدة في كثير من الاستخدامات. لكن إضافة الكربون باعتباره شائبة تنتج عنها سبيكة الصلب. في هذه الحالة، الشوائب مفيدة؛ لأنها تزيد من صلابة الفلز، ما يجعله أكثر فائدة. بالإضافة إلى الكربون، يمكن إضافة بعض الكروم إلى الصلب لإنتاج الصلب المقاوم للصدأ. فائدة شوائب الكروم هنا هي إبطاء أو منع تكوُّن الصدأ.

والأحجار الكريمة مثل الياقوت الأزرق والأحمر عبارة عن معادن أكسيد الألومنيوم محتوية على شوائب، مثل الكروم أو الحديد أو التيتانيوم.

صيغة حساب النسبة المئوية لنقاء العيِّنة هي: أو:

يمكننا تحسين هذه الصيغة بحذف كلمة «كمية» ووضع كلمة «كتلة» أو «حجم» أو «مولات». ومن ثَمَّ، فإن مقدار النسبة المئوية للكتلة هو:

وُجِد أن عيِّنة وزنها 19 g من مسحوق الكبريت وبرادة الحديد تحتوي على 0.25 g من برادة الحديد. يمكننا حساب النسبة المئوية لنقاء الكبريت في هذا الخليط.

الكتلة الإجمالية للعيِّنة غير النقية تُساوي 19 g، أما كتلة شوائب الحديد فتساوي 0.25 g. باستخدام هذه المعطيات، يمكننا حساب النسبة المئوية للكبريت في العيِّنة؛ ومن ثَمَّ نسبة نقاء الكبريت.

نبدأ بحساب كتلة الكبريت. للقيام بذلك، نطرح كتلة الحديد من الكتلة الإجمالية للعيِّنة غير النقية:

بعد ذلك، يمكننا استخدام صيغة نسبة النقاء: والتعويض بكتلة الكبريت النقي التي تُساوي 18.75 g، والتعويض عن الكتلة الإجمالية للعيِّنة غير النقية بـ 19 g. وبذلك تصبح المعادلة:

نحذف وحدتَي الجرام من البسط والمقام، لنحصل على:

من العملية الحسابية، يمكننا ملاحظة أن من العيِّنة كبريت. وتعني نسبة النقاء التي تبلغ أن عيِّنة الكبريت عالية النقاء.

يمكن أن تبدو المادة الكيميائية نقية، لكنها عادةً لا تكون كذلك. نتناول الأمثلة الآتية:

• يبدو الهواء نقيًّا، لكنه يتكوَّن من العديد من المواد المختلفة، ومنها غازات ، ، ، ، ، ، بالإضافة إلى قطرات صغيرة من المياه في صورة رطوبة.
• ويمكن أن يبدو ماء الصنبور صافيًا، لا لون له؛ ومن ثمَّ يبدو نقيًّا. لكن ماء الصنبور يحتوي على عدة مواد أيونية مذابة (معادن)، وجسيمات غازية مذابة، وبعض جسيمات الأتربة المجهرية، وكميات صغيرة جدًّا من الشوائب الكيميائية الأخرى الناتجة عن محطات معالجة الماء.
• والمواد المنزلية الشائعة الاستخدام مثل الملح تبدو نقية، لكنها تحتوي على كمية صغيرة من الشوائب، مثل العوامل المانعة للتكتُّل التي تَحُول دون تكتُّل الملح.

وتحدِّد عوامل منها الأحوال الجوية، وكذلك كيفية تصنيع المادة وتنقيتها، إذا ما كان ستتبقى شوائب في المادة أو لا. وقد تبدو عيِّنة من السكر نقية، لكنها تحتوي على كمية ضئيلة من الماء مصدرها الرطوبة في الهواء.

فلا يمكننا التأكد من أن المادة نقية بمجرد النظر إليها أو لمسها. علينا اختبار خواص أخرى للتأكد من نقائها. يمكننا اختبار درجة غليان السوائل ودرجة انصهار المواد الصلبة للتأكد من نقائها.

نتناول سائلين صافيين عديمَي اللون. الأول هو الماء النقي، والآخر هو الماء المالح. لكننا لن نميزهما عن طريق الفحص؛ لأنهما يتشابهان فى المظهر.

وبعيدًا عن تذوق السائلين؛ إذ لا يصح أن نفعل ذلك في المعمل، يمكننا التمييز بينهما باختبار درجة الغليان، الموضَّح في الشكل الآتي:

عند ضغط قيمته ضغط جوي واحد يغلي الماء النقي عند . هذه إحدى خواص الماء النقي. لكن، عندما يحتوي الماء على بعض الشوائب المذابة (على سبيل المثال، ملح الطعام)، فإنه يغلي عند درجة حرارة أعلى قليلًا (). تكون درجة الغليان عادةً أعلى إذا كان السائل غير نقي.

بالنسبة إلى المادة الصلبة، يمكننا تحديد نقائها من عدمه باختبار درجة الانصهار. وتقع درجة انصهار أي مادة نقية عند درجة حرارة مميزة لهذه المادة. ويذوب سكر المائدة، أو السكروز، عند . درجة الانصهار هذه مميزة للسكروز، كما هو موضَّح بالشكل الآتي:

لكن، عندما يتلوَّث السكروز بشوائب، تقل درجة الانصهار قليلًا، وتذوب المادة عند نطاق أقل من قيم درجات الحرارة، بدلًا من ذوبانها عند قيمة واحدة محدَّدة.

وعادةً ما تكون درجة انصهار أي مادة صلبة غير نقية أقل قليلًا، وعلى نطاق من درجات الحرارة، على العكس من المادة الصلبة النقية. ثمة اختبار شائع لنقاء المادة، وهو تحديد إذا ما كانت درجة الانصهار دقيقة أو تقع على نطاق من درجات الحرارة.

ولحذف الشوائب من العيِّنة، يمكننا إجراء عمليات التنقية. يتضمَّن ذلك الآتي:

• التقطير لتنقية سائل غير نقي: يتم ذلك بغلي السائل المطلوب، وتكثيف الأبخرة لينتج السائل النقي.
• الترشيح لفصل الجسيمات غير القابلة للذوبان من السائل: يتم ذلك بصب العيِّنة غير النقية في قمع به ورقة ترشيح. تعلَّق المادة غير القابلة للذوبان على ورقة الترشيح، وتمر المادة القابلة للذوبان من القمع إلى المحلول لينتج السائل المُرشح. وقد تكون المادة المطلوبة هي المادة الصلبة غير القابلة للذوبان، ويمكن جمعها من ورقة الترشيح، أو قد تكون مادة صلبة مذابة في محلول المُرشح، الذي يمكن تبخيره بعد ذلك لإزالة المذيب.
• إعادة التبلور لتنقية مادة صلبة: هي عملية تبريد محلول مشبع من أجل تبلور المادة المطلوبة، ليمكن فصلها لاحقًا بالترشيح.

هيا نلخِّص ما تعلَّمناه في هذا الشارح.