تم إلغاء تنشيط البوابة. يُرجَى الاتصال بمسؤول البوابة لديك.

شارح الدرس: تحديد النقاء الكيمياء

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 100%؛ 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.

تعريف: المادة النقية

هي مادة تحتوي على نوع واحد فقط من العناصر أو المركبات.

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 (CHO122211) 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.

تعريف: المواد غير النقية

هي مزيج أو خليط من مادتين مختلفتين أو أكثر، وهذه المواد غير مرتبطة معًا كيميائيًّا.

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 100%؟
    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 100%؛ 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 100%، ولا تتكوَّن من هذه المادة فقط لا غير، فهي تُعتبر غير نقية.

ودرجة نقاء المادة يمكن أن نُسمِّيها بالنقاء.

تعريف: النقاء

هو مقياس مدى خلو المادة من الشوائب.

افترض كأسًا زجاجية تحتوي فقط على جزيئات الإيثانول، وعدة كئوس زجاجية تحتوي على الماء والإيثانول بنسب مختلفة (30%70% و50%50% و70%30%)، 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 0% و100%. عندما يوجد الإيثانول فقط، تكون نسبة نقاء الماء 0%. وعندما يوجد الماء فقط، تكون نسبة نقائه 100%. وعندما يكون 70% من السائل ماءً، فإن نسبة نقاء الماء 70%، وهكذا.

من الصعب جدًّا والمكلِّف جدًّا على الكيميائي أن ينقِّي مادة كيميائية بنسبة 100%. عادةً فإن أقصى نسبة نقاء يمكن أن يحقِّقها الكيميائي تقترب من 99%، وأي مادة تزيد نسبة نقائها على 95% تُعتبر نقية للغاية.

والنقاء الفائق (الذي تزيد نسبته على 99.99%) 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.

تعريف: الشائبة

هي مادة غير مرغوب فيها مخلوطة مع المادة المطلوبة وتجعلها غير نقية.

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.

مثال ٢: وصف ماهية الشوائب

أيُّ عبارة من العبارات الآتية تَصِف ما المقصود بالشوائب؟

  1. مادة غير مرغوب فيها مختلطة بالمادة المطلوبة
  2. مادة ضرورية مختلطة بالمادة المطلوبة
  3. مادة موزَّعة في صورة حبيبات دقيقة في مادة أخرى
  4. مادة مُذابة في مادة أخرى
  5. مادة يمكن فصْلها عن مادة أخرى

الحل

الشائبة مادة تلوِّث المادة المطلوبة وتجعلها غير نقية. يمكن أن تكون الشوائب في الحالة نفسها للمادة المطلوبة أو في حالة مختلفة، ويمكن أن تكون بنسبة كبيرة أو صغيرة، ويمكن أن تكون باللون نفسه أو بلون مختلف. الأمر المهم هو أنها غير مرغوب فيها. إذن الإجابة الصحيحة هي الخيار (أ): مادة غير مرغوب فيها مختلطة بالمادة المطلوبة.

صيغة حساب النسبة المئوية لنقاء العيِّنة هي: 100%×=ادةاااااء أو: .100%×=ااباااااء

يمكننا تحسين هذه الصيغة بحذف كلمة «كمية» ووضع كلمة «كتلة» أو «حجم» أو «مولات». ومن ثَمَّ، فإن مقدار النسبة المئوية للكتلة هو: .100%×=ااباااااء

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: ااااا=0.2519=.18.75=ggg

بعد ذلك، يمكننا استخدام صيغة نسبة النقاء: ،ااباااااء100%×= والتعويض بكتلة الكبريت النقي التي تُساوي 18.75 g، والتعويض عن الكتلة الإجمالية للعيِّنة غير النقية بـ 19 g. وبذلك تصبح المعادلة: .100%×18.7519=ggاء

نحذف وحدتَي الجرام من البسط والمقام، لنحصل على: 98.68%=.99%

من العملية الحسابية، يمكننا ملاحظة أن 99% من العيِّنة كبريت. وتعني نسبة النقاء التي تبلغ 99% أن عيِّنة الكبريت عالية النقاء.

مثال ٣: حساب نقاء عيِّنة من كلوريد المغنيسيوم

عيِّنة غير نقية من كلوريد المغنيسيوم كتلتها 50 g. بعد التنقية التامة، تم الحصول على 45 g من كلوريد المغنيسيوم. ما نسبة نقاء العيِّنة الأصلية؟

الحل

تُشير نسبة نقاء العيِّنة إلى النسبة المئوية لمركب معيَّن مطلوب في العيِّنة. بعبارة أخرى، هي النسبة المئوية للعيِّنة التي تتكوَّن من مادة معيِّنة. صيغة حساب نسبة النقاء باستعمال الكتلة: .100%×=ااباااااء

تخبرنا المسألة أننا نحصل على 45 g من مركب كلوريد المغنيسيوم النقي من عيِّنة غير نقية لكلوريد المغنيسيوم كتلتها 50 g. يمكننا التعويض بهذه القيم في المعادلة وحلها: 100%×4550=.90%=ggاء

ونجد أن نسبة نقاء كلوريد المغنيسيوم 90%. وهذا يعني أن 90% من العيِّنة الأصلية غير النقية يتكوَّن من مركب كلوريد المغنيسيوم.

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 N2، O2، He، Ne، Ar، CO2، 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.

تعريف: درجة الغليان

درجة الغليان هي درجة الحرارة التي تتحوَّل عندها المادة من الحالة السائلة إلى الحالة الغازية.

تعريف: درجة الانصهار

درجة الانصهار هي درجة الحرارة التي تتحوَّل عندها المادة من الحالة الصلبة إلى الحالة السائلة.

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 100C. 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 (100.5C). 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 186C. 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.

مثال ٤: علاقة قيم درجات الانصهار والغليان بنقاء مادة ما

حصَل طالب على عيِّنة من الماء، وأراد أن يختبر مدى نقائها بتحديد درجات انصهارها وغليانها.

  1. ما النتائج التي يجب أن يتوقَّعها الطالب إذا ما كانت العيِّنة نقية؟
    1. غليان العيِّنة وتجمُّدها عَبْرَ نطاق واسع من درجات الحرارة.
    2. غليان العيِّنة بين 99C و101C، وتجمُّدها بين 1C و1C.
    3. غليان العيِّنة عند 100C بالضبط، وتجمُّدها عند 0C بالضبط.
    4. غليان العيِّنة عبر نطاق واسع من درجات الحرارة، وتجمُّدها بالضبط عند درجة حرارة 0°C.
  2. كيف يُمكِن للطالب أن يحصل على ماء نقي إذا وجد أن العيِّنة تحتوي على شوائب ذائبة؟
    1. المعايرة
    2. الترشيح
    3. التبلور
    4. التقطير

الحل

الجزء الأول

للمواد النقية خواصها الفريدة التي تساعدنا على تحديدها. يغلي الماء النقي عند درجة حرارة 100C عند ضغط ضغط جوي واحد. ويذوب الثلج النقي عند 0C. يتوقَّع الطالب أن تغلي عيِّنة الماء عند 100C بالضبط، وأن تذوب عند 0C بالضبط إن كان الماء نقيًّا. الإجابة الصحيحة هي الخيار (ج). غليان العيِّنة عند 100C بالضبط، وتجمُّدها عند 0C بالضبط.

الجزء الثاني

إحدى طرق الحصول على سائل نقي من سائل غير نقي هي عملية التقطير. يمكن للطالب غلي الماء الذي يحتوي على الشوائب المذابة. ويمكن تجميع بخار الماء المنبعث من السائل المغلي، وتبريده، وإعادة تكثيفه إلى ماء سائل نقي. إذن الإجابة الصحيحة هي (د): التقطير.

هيا نلخِّص ما تعلَّمناه في هذا الشارح.

النقاط الرئيسية

  • في الكيمياء، المادة النقية عبارة عن مادة كيميائية تحتوي على نوع واحد فقط من الجسيمات، ولها تركيب كيميائي واحد فقط.
  • أيُّ مادة غير نقية عبارة عن مزيج أو خليط من مادتين مختلفتين أو أكثر من المواد غير المترابطة كيميائيًّا.
  • النقاء هو مدى نقاء المادة أو درجة خلوها من التلوث.
  • الشوائب مواد تُخلَط مع المادة المطلوبة وتلوِّثها.
  • نسبة النقاء يمكن حسابها باستخدام المعادلة: 100%×=ادةاااااء أو: .100%×=ااباااااء
  • لا يكفي مظهر المادة لتحديد إذا ما كانت نقية أو لا.
  • يمكننا استخدام اختبار درجة انصهار المواد الصلبة واختبار درجة غليان السوائل لتحديد إذا ما كانت نقية أو لا.
  • درجة انصهار المادة الصلبة النقية دقيقة، لكن درجة انصهار المادة الصلبة غير النقية عادةً ما تقل عنها، ويحدث الانصهار عبر نطاق واسع من درجات الحرارة.
  • تكون درجة غليان السائل النقي دقيقة، ولكن درجة غليان السائل غير النقي تزيد عليها عادةً، ويحدث الغليان عبر نطاق واسع من درجات الحرارة.
  • تشمل طرق التنقية التقطير والترشيح وإعادة التبلور.

تستخدم نجوى ملفات تعريف الارتباط لضمان حصولك على أفضل تجربة على موقعنا. معرفة المزيد حول سياسة الخصوصية لدينا.