شارح الدرس: التحليل الوزني بالتطاير الكيمياء

في هذا الشارح، سوف نتعلَّم كيف نستخدم التحليل الوزني بالتطاير لحساب كمية المادة المُراد تحليلها في إحدى العيِّنات، أو تحديد صيغة مركَّب مُماه.

يُشير التحليل الوزني بالتطاير إلى طرق التحليل الوزني التي تَستخدم الطاقة الحرارية أو الكيميائية لفصل مواد خليط أو مركب كيميائي. وتُستخدم الطاقة الحرارية أو الكيميائية لتحويل بعض الجزيئات المتفاعلة الصلبة إلى جزيئات غازية. تتحرَّر الجزيئات الغازية عادةً من المواد الصلبة بسهولة شديدة؛ لكونها متطايرة ويمكنها أن تتبخَّر بسهولة نسبيًّا. ويختلف التحليل الوزني بالتطاير عن طرق التحليل الوزني الأخرى التي تستخدم الترسيب أو التيار الكهربي لفصل مكوِّنات خليط أو مادة كيميائية.

قد يتضمَّن التحليل الوزني بالتطاير فصل العديد من الجزيئات المتطايرة المختلفة، مثل ثاني أكسيد الكربون أو غاز الكلور أو غاز النيتروجين.

فعلى سبيل المثال، يمكن استخدام الطاقة الكيميائية في إنتاج غاز ثاني أكسيد الكربون من كربونات الصوديوم الهيدروجينية، وقد يتحوَّل غاز ثاني أكسيد الكربون بعد ذلك إلى نواتج كيميائية مختلفة. وقد تكون هذه النواتج مركبات كيميائية يسهل وزنها وقياسها. توضِّح المعادلة الكيميائية الآتية كيفية استخدام محلول مائي من حمض الكبريتيك لفصل جزيئات غاز ثاني أكسيد الكربون عن بيكربونات الصوديوم.

لكننا سنركِّز هنا على عملية التحليل الوزني بالتطاير التي تتضمَّن فقد الماء.

من الممكن أن تتضمَّن الهيئة البلورية لبعض الأملاح جزيئات ماء في بِنيتها. وتُعرَف جزيئات الماء هذه باسم ماء التبلور أو ماء الإماهة.

عندما يحتوي ملح على جزيئات ماء في بنيته، يُطلَق عليه اسم ملح مُماه، أو مركب معقَّد مُماه. ويمكننا كتابة الصيغة الكيميائية للملح المُماه بكتابة عدد جزيئات الماء المرتبطة بوحدة واحدة من الملح. وأحد أنواع الأملاح المُماهة الشائعة هو كبريتات النحاس الثنائي، . يمكننا أن نلاحظ من الصيغة الكيميائية أن كل وحدة من ترتبط بخمسة جزيئات ماء.

إذا نزعنا جزيئات الماء من ملح مُماه، فسنحصل على الملح في صورته اللامائية. وبالتخلص من الماء أثناء عملية التحليل الوزني بالتطاير، فإننا نحوِّل الملح المُماه إلى ملح لا مائي.

يمكن أن تتحوَّل البلورات الزرقاء من كبريتات النحاس الثنائي المُماهة إلى بلورات بيضاء من كبريتات النحاس الثنائي اللامائية في حالة تسخينها باستخدام موقد لهب بنسن. ويمكن تحويل بلورات كبريتات النحاس الثنائي اللامائية مرةً أخرى إلى كبريتات النحاس الثنائي المُماهة إذا شُبِّعت بعدد كافٍ من جزيئات الماء، كما هو موضَّح في الآتي.

يمكننا استخدام التغيُّر في الكتلة للتعرُّف على خواص مثل عدد جزيئات الماء لكل وحدة صيغة في العيِّنة، أو كتلة الماء في العيِّنة، أو حتى النسبة المئوية لكتلة مركب مُماه في خليط.

يمكن إجراء عملية التحليل الوزني بالتطاير في المختبر باستخدام معدات علمية بسيطة نسبيًّا أو شديدة التعقيد. وقد لا يَتطلَّب إجراء بعضٍ من أبسط تجارب التحليل الوزني بالتطاير سوى توافر حامل ذي ماسك، وبوتقة من السليكون أو البورسلين، وموقد بنسن.

كيفية تحديد كمية الماء في مادة باستخدام التحليل الوزني بالتطاير

نُجري فيما يلي تجربة بسيطة وشائعة لإجراء التحليل الوزني بالتطاير.

يُعَد هذا الإعداد العلمي البسيط نسبيًّا مثاليًّا لتحديد كمية الماء التي تُحرَّر من مركب كيميائي معقَّد مُماه، مثل الأملاح المُماهة. وفيما يلي الخطوات اللازمة لإجراء هذا التحليل:

1. ضع عيِّنة من مادة سبق وزنها في البوتقة.
2. زِنِ البوتقة. يُعطينا هذا كتلة البوتقة مضافةً إليها كتلة العيِّنة.
3. ثبِّت البوتقة بإحكام عند نقطة أعلى موقد بنسن باستخدام حامل به فتحة دائرية ومثلث خزفي.
4. أشعل موقد بنسن وسخِّن البوتقة.
5. قِسْ كتلة البوتقة، واستمر في التسخين حتى تحصل على كتلة ثابتة.
6. قِسِ الكتلة النهائية للبوتقة. هذا يُعطينا كتلة البوتقة مضافةً إليها كتلة العيِّنة بعد التخلُّص من الجزيئات المتطايرة.

أثناء عملية التسخين، تتحرَّر جزيئات الماء من المركب المعقَّد المُماه ليتكوَّن ناتج لا مائي. ومن ثَمَّ، يمكننا أن نستخدم كتلتَي العيِّنة والبوتقة قبل وبعد التسخين لحساب كمية الماء المفقود.

يتضح إلى حدٍّ ما الآن أنه من الممكن وزن مركبات كيميائية معقَّدة مُماهة وتسخينها لحساب الوفرة النسبية للمركبات المتطايرة مثل جزيئات الماء. يمكن تسخين المركبات الكيميائية المعقَّدة المُماهة باستخدام موقد بنسن لتحديد كتلة جزيئات الماء التي تتحرَّر من المركبات الكيميائية المعقَّدة المُماهة؛ ومن ثَمَّ يمكن استخدام هذه الكتلة لتحديد درجة الإماهة.

نتناول مركب كبريتات الكوبالت الثنائي المعقَّد المُماهة، الذي يتخذ الصيغة الجزيئية ؛ حيث تمثِّل قيمة صحيحة مجهولة. سُجِّلت كتلة عيِّنة من المركب المعقَّد، ومقدارها 4.97 جرامات. وبعد تسخين المركب والوصول إلى حالته اللامائية، أصبحت لدينا كتلة ثابتة مقدارها 2.74 جرام. يلخِّص الجدول الآتي المُعطيات.

تُحسَب كتلة جزيئات الماء المتحرِّرة ببساطة بحساب الفرق بين كتلة العيِّنة قبل التسخين وكتلتها بعد التسخين. ومن ثَمَّ، تُحسَب كتلة الماء المفقود وفقًا للمعادلة الآتية.

علينا الآن أن نحدِّد عدد مولات جزيئات الماء الموجودة في 2.23 جرام من الماء. يمكن حساب عدد مولات الماء باستخدام الصيغة: حيث هو عدد المولات، و هو الكتلة بالجرام، و هو الكتلة المولية بالجرام لكل مول. إذن الكتلة المولية للماء تساوي 18 g/mol.

ومن ثَمَّ، يمكننا حساب عدد مولات جزيئات كبريتات الكوبالت الثنائي الموجودة في 2.74 جرام من مركب كبريتات الكوبالت الثنائي المعقَّد اللامائي. ويمكن حساب الكتلة المولية لكبريتات الكوبالت الثنائي عن طريق جمع متوسط الكتل المولية للذرات المكوِّنة له:

وباستخدام الصيغة، نحصل على:

تُظهر الحسابات وجود 0.124 مول من جزيئات الماء، و0.0177 مول من كبريتات الكوبالت الثنائي في مركب كبريتات الكوبالت الثنائي المعقَّد المُماهة.

يمكن قسمة القيم المولية لإيجاد النسبة بين عدد جزيئات الماء وجزيئات كبريتات الكوبالت الثنائي في المركب الأصلي لكبريتات الكوبالت الثنائي المعقَّد المُماهة. ويمكن تقريب هذه القيمة إلى أقرب عدد صحيح، لتساوي .

تُشير نتائج التحليل الوزني بالتطاير إلى وجود سبعة جزيئات من الماء لكل وحدة من كبريتات الكوبالت الثنائي. وبذلك، تكون صيغة الجزيء هي .

في كل مرة نستخدم فيها التحليل الوزني بالتطاير مع المواد المُماهة، نستند إلى فرضيات معيَّنة. إحدى هذه الفرضيات أن الماء هو الجزيء الوحيد المتطاير. غير أن فقد أي مركب متطاير آخر سيؤدي أيضًا إلى نقص الكتلة.

يمكننا أيضًا استخدام نتائج التحليل الوزني بالتطاير لإيجاد النسبة المئوية لماء التبلور. نحصل من النسبة المئوية لماء التبلور على كمية الماء الموجودة، على أساس الكتلة، في البلورة المُماهة.

يمكننا حساب النسبة المئوية لماء التبلور في ملح كبريتات الكوبالت الثنائي المُماه. لقد عرفنا الصيغة الكيميائية لهذا الملح، وهي .

بأخذ الكتلة المولية للماء ومقدارها 18 g/mol، والكتلة المولية لـ ومقدارها 155 g/mol، يمكننا إيجاد الكتلة المولية للمركب المعقَّد المُماه .

صيغة حساب النسبة المئوية لماء التبلور هي:

وبذلك نكون قد حدَّدنا النسبة المئوية لماء التبلور، وتبلغ للمركب المعقَّد كبريتات الكوبالت الثنائي السباعي الماء. وهذا العدد يعني أن ملح كبريتات الكوبالت الثنائي المُماه يحتوي على من الماء، على أساس الكتلة.