فيديو الدرس: تجارب المعايرة الكيمياء • الصف الثالث الثانوي

نسخة الفيديو النصية

في هذا الفيديو سوف نتعلم كيف نصف طرق معايرة الحمض والقاعدة واستخدامها في تعيين تركيزات الأحماض والقواعد. في هذا الفيديو، سنتناول تحديدًا تجارب معايرة الحمض والقاعدة. ما الغرض إذن من معايرة الحمض والقاعدة؟

عند إجراء معايرة الحمض والقاعدة، هدفنا الأساسي هو إيجاد تركيز حمض أو قاعدة قيمته مجهولة في الوقت الحالي. ونفعل ذلك باستخدام حمض أو قاعدة معلوم تركيزها. وبالطبع إذا كان المحلول المجهول التركيز حمضًا، يجب أن يكون المحلول المعلوم التركيز قاعدة، والعكس بالعكس. لنلق نظرة إذن على كيفية إعداد ذلك.

إليك مثالًا على إعداد الأدوات التي ستحتاج إليها لإجراء معايرة الحمض والقاعدة. في الأسفل، ستحتاج إلى دورق مخروطي. وهو ما يسمى أحيانًا بدورق إيرلنماير. شكل هذا الدورق يجعله مثاليًّا لرج السوائل بشكل دائري. وهو ما ستحتاج إلى فعله أثناء المعايرة. باستخدام دورق مخروطي لرج السوائل، تقل احتمالات تناثر أي رذاذ من الدورق عما لو كنت تستخدم وعاء واسع العنق مثل الكأس الزجاجية. ستحتاج أيضًا إلى سحاحة. تصلح السحاحات لإجراء القياسات الدقيقة للسوائل في الحالات التي لا تعرف في بدايتها كمية السائل التي ستحتاج إليها. وبالطبع، إذا كنت تعرف كمية السائل التي ستحتاج إليها بالضبط، فستستخدم ماصة.

ستحتاج كذلك إلى حامل، وهو ما يسمى أحيانًا بالحامل ذي الماسك. يتكون هذا الحامل من قاعدة معدنية ثقيلة وعمود معدني يمتد إلى أعلى. على هذا العمود يمكنك ربط الماسكات التي تمكنك من إحكام السحاحة. بالطبع، لا يجدر بك إحكام ربط الماسكات أكثر من اللازم كي لا تعرض السحاحة للتلف. عند إعداد الحامل، عليك مراعاة الاتجاه الذي تضعه فيه. فيجب أن تتحقق من أن كل ما تثبته معلق فوق الجزء العريض من القاعدة. وإذا نفذت ذلك بشكل خطأ، فستخاطر بسقوط كل شيء. وهذا قد يكون خطيرًا ومكلفًا. يمكنك أيضًا وضع بلاطة بيضاء أسفل الدورق المخروطي مباشرة. فيمكن أن يفيدك ذلك إذا كنت تبحث عن التغيرات الدقيقة في اللون.

والآن بعد أن أجرينا الإعداد الأساسي، علينا معرفة كيفية إجراء هذه المعايرة. لنبدأ بإلقاء نظرة على المحلولين الأساسيين. يشار إلى هذين المحلولين باسم محلول المعايرة والمحلول المراد معايرته. وقد تجد أن محلول المعايرة يشار إليه باسم المحلول القياسي. هو المحلول الذي نعرف تركيزه، كما أنه المحلول الذي علينا وضعه في السحاحة. قد يشار إلى المحلول المراد معايرته باسم المادة المراد تحليلها. وهو المحلول المجهول التركيز، يجب وضعه في الدورق المخروطي. ضع في اعتبارك أنه حتى لو لم نكن متأكدين من تركيز المحلول المراد معايرته، يجب أن نستخدم حجمًا معلومًا تمامًا منه. فسيكون ذلك مهمًّا لإجراء العمليات الحسابية بعد الانتهاء من التجربة. لن نتطرق إلى العمليات الحسابية في هذا الفيديو.

كيف تتذكر موضع كل شيء في التجربة؟ يمكنك أن تتذكر أن المحلول المجهول التركيز له حجم معلوم. وبما أنه عليك معرفة الحجم في البداية، فلا بد أن يوضع هذا المحلول في الدورق المخروطي. فلا جدوى من استخدام السحاحة لإضافة حجم معلوم تمامًا. ويمكنك بدلًا من ذلك أن تتذكر أن محلول المعايرة يوضع في الأعلى والمحلول المراد معايرته يوضع في الأسفل. بمجرد إضافة هذين المحلولين إلى الزجاجيات الصحيحة، نضيف بضع قطرات من الدليل. وسنرى كيف نختار الدليل الصحيح لاحقًا. أصبحنا مستعدين الآن لإجراء المعايرة.

من المفيد أن تجري محاولتك الأولى دون التزام الكثير من الدقة. لذا بدلًا من إضافة محلول المعايرة قطرة بقطرة منذ البداية، أضف بضعة سنتيمترات مكعبة منه في المرة الواحدة حتى تلاحظ تغير الدليل. وبمجرد أن يغير الدليل لونه ولا يجعله الرج يعود كما كان، تصبح لديك فكرة تقريبية عن كمية محلول المعايرة التي تحتاج إليها. لنفترض أنه في هذا المثال، تطلب الأمر حوالي 40 ملليلترًا قبل وقوع التغير الناتج عن الدليل. علينا الآن تنظيف الدورق المخروطي وإعادة ملء كل شيء. ستتطلب التجارب التالية أن نكون أكثر انتباهًا. يمكننا البدء بإجراء تجربة أكثر دقة من خلال إضافة كمية أقل بعض الشيء من تلك المستخدمة في الخطوة الأولى. على سبيل المثال، لنفترض أننا سنضيف حوالي 35 ملليلترًا.

بعد ذلك، علينا إضافة محلول المعايرة بمقدار قطرتين في المرة الواحدة، مع التأكد من رج الدورق المخروطي جيدًا. نستمر في إضافة قطرة أو قطرتين من محلول المعايرة في المرة الواحدة مع الرج، ثم نضيف عددًا أكبر من القطرات ونرجها حتى يصل الدليل إلى نقطة نهاية التفاعل. هذا يعني أن الدليل بدأ لتوه في التحول إلى اللون الذي من المفترض أن يصل إليه. لا شك في أنك ستحتاج إلى تكرار هذه التجربة عدة مرات للتأكد من توصلك إلى النتيجة الصحيحة. فينبغي أن تكون نتائجك دقيقة ومضبوطة.

والآن، بعد أن تكونت لدينا فكرة عامة عن كيفية إجراء معايرة الحمض والقاعدة، لنتناول محلول المعايرة بمزيد من التفصيل. تذكر أن محلول المعايرة يسمى أيضًا بالمحلول القياسي، وهو المحلول الذي نعرف تركيزه بالضبط. كيف نعد إذن محلولًا قياسيًّا؟ غالبًا يعتمد الأمر على نوع المحلول الذي تعده. فقد تحتاج إلى إضافة كتلة معلومة بالضبط من مادة صلبة إلى دورق حجمي، وخلطها مع السائل بدقة. على سبيل المثال، قد تحتاج إلى كتلة معلومة بالضبط من حبيبات هيدروكسيد الصوديوم وخلطها بالماء حتى تصل إلى الخط الموجود على الدورق. ويمكن أن تحتاج، بدلًا من ذلك، إلى مزج سائلين معًا. وقد يكون هذا هو الحال إذا كنت تحتاج إلى تحضير محلول حمض الهيدروكلوريك، على سبيل المثال. فيمكن أن يكون حمض الهيدروكلوريك الذي لديك عالي التركيز، وبالتالي عليك مزجه ببعض الماء لتخفيفه.

في كلتا الحالتين، النقطة الأساسية هي أنه عليك أن تعرف بالضبط كمية كل مادة تضعها في المحلول القياسي. لقياس الكتل بدقة، ستحتاج بالطبع إلى استخدام ميزان. ولقياس الحجم، ستحتاج إلى ماصة أو دورق حجمي. أيًّا كانت كيفية تحضيرك للمحلول القياسي، تأكد من تحضير كمية وفيرة منه. فقد تضطر إلى إجراء المعايرة نحو خمس مرات، ومن ثم ستحتاج إلى كمية من المحلول القياسي تكفي لإجراء هذا العدد من التجارب. وقد تحتاج إلى كمية أكبر بعض الشيء، فقط من باب الاحتياط.

أما تحضير المحلول المراد معايرته، فهو أكثر سهولة. كل ما عليك فعله هو إضافة قسامة من المحلول المراد معايرته إلى الدورق المخروطي. القسامة هي مصطلح علمي يعني عينة صغيرة. تذكر أنه بما أن تركيز المحلول المراد معايرته مجهول، يجب علينا استخدام حجم معلوم منه. يمكنك استخدام شيء يشبه المخبار المدرج، لكن الماصة الحجمية أكثر دقة بكثير. كما يمكنك استخدام ماصة مدرجة.

الآن وبعد أن أصبح المحلولان الرئيسيان جاهزين، دعونا نلق نظرة على الأدلة. لماذا نحتاج إلى دليل لمعايرة الحمض والقاعدة؟ في هذا المثال، لنفترض أن محلول المعايرة، وهو المحلول الموجود في السحاحة، قاعدة، والمحلول المراد معايرته أو المادة المراد تحليلها الموجودة في الدورق المخروطي حمض. ولنفترض أن قيمة الأس الهيدروجيني للحمض في البداية تساوي أربعة. عند إضافة قطرات من القاعدة والرج، تبدأ قيمة الأس الهيدروجيني في الزيادة. هدفنا هو إضافة كمية كافية من القاعدة لمعادلة الحمض، أي الوصول إلى قيمة أس هيدروجيني تساوي سبعة. عندما نقترب من نقطة التعادل، قد يبدأ الدليل في تغيير لونه. لكن مع الرج، يزول تغير اللون. وبما أننا نعادل الحمض بالقاعدة بصورة تامة، نتوقع أن يبقى اللون ثابتًا حتى مع الرج. وكل ما نريده هو رؤية لمحة فقط من تغير اللون. وتكون هذه اللحظة هي نقطة نهاية التفاعل. إذا واصلنا إضافة محلول المعايرة، فسيواصل الأس الهيدروجيني الارتفاع، ويصبح اللون أدكن. هذا يعني أننا تمادينا أكثر من المفترض. إذا حدث ذلك، فسيكون علينا البدء من جديد.

تساعدنا الأدلة في معرفة نقطة نهاية التفاعل. الدليل في هذا المثال هو الفينولفثالين. يكون الفينولفثالين عديم اللون في الأحماض، ولكنه يتحول إلى اللون الوردي في القواعد. لذا عند استخدام الفينولفثالين دليلًا، يمكنك التعرف على نقطة نهاية التفاعل عند رؤية لمحة بسيطة من اللون الوردي لا تزول مع الرج. وبالطبع إذا كنت تجري هذه المعايرة بالعكس، وكان محلول المعايرة حمضًا والمحلول المراد معايرته قاعدة، فإن ما تبحث عنه هو اختفاء هذا اللون الوردي تمامًا. ثمة دليل آخر شائع الاستخدام، وهو الميثيل البرتقالي. والميثيل البرتقالي يكون لونه أحمر في الحمض، وأصفر في القاعدة. ونقطة نهاية التفاعل لهذا الدليل هي بداية تغير لون المحلول إلى البرتقالي. تتمثل طريقة عمل هذه الأدلة في أنها نفسها أحماض أو قواعد ضعيفة، وهذا ما يساعدها في تغيير اللون.

لا شك أن هناك العديد من الأدلة الأخرى، لكن هذين الدليلين هما الأكثر شيوعًا. جدير بالملاحظة أيضًا أنه ليست جميع الأدلة يتغير لونها عندما تصبح قيمة الأس الهيدروجيني سبعة، كما يمكنك استخدام مقياس الأس الهيدروجيني بدلًا من الأدلة. لا نستخدم عادة ورقة عباد الشمس أو الدليل العام لإجراء تجارب معايرة الحمض والقاعدة. فاستخدام ورقة عباد الشمس شديد الصعوبة وغير دقيق بما يكفي. والدليل العام يغير لونه مع الكثير من قيم الهيدروجيني، الأمر الذي لا يفيد كثيرًا في عمليات المعايرة.

والآن بعد أن فهمنا تجارب المعايرة جيدًا، دعونا نلق نظرة على بعض الأمور التي قد تتسبب في حدوث أخطاء. المصدر الأول المحتمل للمشكلات في تجارب المعايرة هو الأدوات. فقد يتسبب الاستخدام غير الصحيح للأدوات في الوصول إلى نتائج خطأ. وقراءة السحاحة بشكل غير دقيق من المشكلات الشائعة أيضًا، وهناك العديد من الأسباب التي قد تجعلك تحصل على قراءة غير دقيقة. تخيل أن عليك قراءة القيمة من هذه السحاحة. من أين نأخذ القراءة؟ أي هاتين القراءتين صحيحة؟ الإجابة هي القراءة السفلية. يجب دائمًا أن تأخذ قراءتك من الجزء السفلي من السطح الهلالي.

تشمل النصائح الأخرى التي تساعد دائمًا في قراءة السحاحة بشكل دقيق ما يلي: تخلص من أي فقاعات، وتأكد دائمًا من معرفة القيمة الابتدائية قبل بدء المعايرة، والتي تكون عادة صفرًا لكن ليس دائمًا، ولا تبدأ أبدًا في استخدام السحاحة إذا كانت قراءة السائل أعلى من صفر ملليلتر، وإذا ملأت السحاحة بقمع، فتأكد دائمًا من إزالة القمع قبل بدء التجربة. هذا لأن نهاية القمع يمكن أن تحل محل جزء من السائل، وبالتالي تغير القراءات، أو قد يحتوي القمع على قطرات إضافية من السوائل، وهو ما سيغير القراءات أيضًا.

لكن ما الأخطاء الأخرى التي يمكن أن تحدث بسبب الأدوات؟ إذا لم تستخدم حجمًا دقيقًا من المحلول المراد معايرته في الدورق المخروطي، فقد يؤثر ذلك أيضًا على النتائج، حيث قد يجعل الخلط غير تام. إذا انتهى بك المطاف بوجود قطرات صغيرة من المحلول المراد معايرته عالقة بعنق الدورق المخروطي، فإن هذه القطرات الصغيرة تكون قد حسبت في قراءة السحاحة لكنها لم تختلط بالمحلول المراد معايرته. هذا يعني أن النتائج غير دقيقة. يمكنك تجنب هذه القطرات الصغيرة من خلال مراعاة طريقة استخدامك للسحاحة، والتأكد من رج المحلول المراد معايرته جيدًا.

ينبغي عليك أيضًا تجنب القطرات الصغيرة التي تعلق بنهاية السحاحة. إذا حدث ذلك، فحرك السحاحة بلطف إلى داخل الدورق المخروطي، ورج المحلول داخله. يعد الخلط بين المحاليل أيضًا احتمالًا وارد الحدوث في تجارب المعايرة. ولتفادي ذلك، تأكد من تصنيف كل شيء بدقة. فسيساعدك ذلك على عدم وضع المحلول الخطأ في الزجاجيات غير الصحيحة.

يمكن أن يتسبب الدليل أيضًا في حدوث بعض المشكلات. على سبيل المثال، قد تختار دليلًا يصعب للغاية الكشف عن تغير لونه. وقد يؤدي استخدام الدليل غير المناسب أو عدم اتباع خطوات التجربة بعناية إلى عدم انتباهك لنقطة نهاية التفاعل. كما توجد أخطار تتعلق بالسلامة في تجارب المعايرة. فيتضمن إجراء هذه التجارب استخدام الأحماض والقواعد التي يعد الكثير منها ضارًّا أو مسببًا للتآكل، لذا يجب توخي الحذر. يجب عليك أن تتأكد دائمًا من أن الأدوات محكمة الربط وآمنة قبل بدء التجربة. فسيحول ذلك دون سقوط السحاحة وجميع الأدوات الأخرى.

يجب عليك أيضًا ملء السحاحة دائمًا بشكل آمن. هذا يعني عدم ملء السحاحة فوق مستوى النظر أبدًا. لتحقيق ذلك، يمكنك وضع السحاحة على كرسي مختبر أو على الأرض. فسيحول ذلك دون تناثر المواد الكيميائية التي قد تكون ضارة على رأسك أو وجهك أو عينيك. يمكنك أيضًا استخدام قمع لملء السحاحة لتجنب أي تسريبات. لا بأس بذلك، لكن تذكر أن تزيل القمع قبل بدء التجربة. والآن، لنلق نظرة على بعض الأسئلة.

يريد طالب استخدام المعايرة لتحديد مقدار الحمض اللازم لمعادلة كمية معلومة من إحدى القواعد. أعد الطالب للتجربة كما هو موضح في الشكل. في بداية التجربة، أي محلول يجب وضعه في الدورق المخروطي، وأي محلول يجب استخدامه لملء السحاحة؟

يتناول هذا السؤال تجربة معايرة حمض وقاعدة. يستخدم هذا النوع من التجارب لتحديد تركيز مجهول. يسمى المحلول الذي يملأ السحاحة محلول المعايرة. تذكر أن محلول المعايرة يوضع في الأعلى، أي يجب أن يكون في مستوى عال في التجربة. ومحلول المعايرة له تركيز معلوم، ويشار إليه أحيانًا بالمحلول القياسي. يوضع المحلول المراد معايرته في دورق إيرلنماير الذي يسمى أحيانًا بالدورق المخروطي. وهو المحلول المجهول التركيز، ويسمى أحيانًا المادة المراد تحليلها.

يخبرنا السؤال أن لدينا حجمًا معلومًا من إحدى القواعد. والمحلول المراد معايرته المجهول التركيز يجب أن يكون له حجم معلوم بدقة. في هذه الحالة، القاعدة هي المحلول المراد معايرته ويجب وضعها في دورق إيرلنماير. هذا يعني أنه يجب وضع الحمض في السحاحة.

والآن، لنلخص ما تعلمناه. عرفنا أن محلول المعايرة المعلوم التركيز يجب أن يوضع في السحاحة، بينما يوضع المحلول المراد معايرته المجهول التركيز في الدورق. وعرفنا أيضًا أن هناك مجموعة من الأدلة التي يمكننا استخدامها لإيجاد نقطة نهاية التفاعل. وأسس نجاح المعايرة هي الإعداد الدقيق، وإضافة المحلول قطرة بقطرة، وكثرة الرج بشكل دائري.