فيديو الدرس: التحليل الوزني بالتطاير الكيمياء • الصف الثالث الثانوي

نسخة الفيديو النصية

في هذا الفيديو، سوف نتعلم كيف نستخدم التحليل الوزني بالتطاير لحساب كمية المادة المراد تحليلها في إحدى العينات، أو تحديد صيغة مركب مماه.

ما المقصود بالتحليل الوزني بالتطاير؟ التطاير، وهو مصطلح مشتق من كلمة «متطاير»، يعني تحول مادة أو ومواد إلى الحالة الغازية. تخضع العينة عادة، سواء كانت مركبًا واحدًا أو خليطًا، للتسخين أو يسمح لها بالدخول في تفاعل كيميائي. وتتحرر المركبات المتطايرة، ومن ثم تنفصل عن باقي مكونات العينة. التحليل الوزني هو إحدى طرق التحليل المستخدمة لقياس الكتلة أو التغير في الكتلة من أجل قياس كمية المادة المراد تحليلها. وبدمج هذين التعريفين معًا، نحصل على تعريف جديد. التحليل الوزني بالتطاير هو طريقة لتحليل الكتلة تستخدم الطاقة الحرارية أو الكيميائية لفصل المواد من أجل قياس كتلها.

إذا كانت كتلة العينة الابتدائية الأصلية معلومة قبل الفصل وتحررت المكونات المتطايرة بفعل الطاقة الحرارية أو تفاعل كيميائي، فيمكننا قياس كتلة المواد المتبقية بعد الفصل عن طريق وزن الوعاء. إذا أوجدنا بعد ذلك الفرق بين هاتين الكتلتين، فسنحصل على كتلة المواد المتطايرة التي تحررت. وتمثل هذه العملية الحسابية البسيطة المبدأ الرئيسي للتحليل الوزني بالتطاير. تشمل أمثلة المركبات المتطايرة التي يمكن تحررها أثناء التحلل الكيميائي أو الحراري لعينة ما غاز النيتروجين وغاز الكلور وغاز ثاني أكسيد الكربون وبخار الماء. والآن دعونا نلق نظرة على فقد بخار الماء من ملح مماه، باعتباره مثالًا محددًا على التحليل الوزني بالتطاير.

عندما يحتوي ملح على جزيئات ماء في بنيته، يطلق عليه ملح مماه. ويشار إلى جزيئات الماء التي تشكل جزءًا من بنية الشبيكة البلورية للملح بماء التبلور، أو أحيانًا ماء الإماهة. على سبيل المثال، يحتوي ملح كبريتات النحاس الثنائي المماه على جزيئات ماء داخل بنيته، مما يعطي البلورات مظهرًا أزرق. صيغة هذا المركب هي ‪CuSO4.5H2O‬‏. تحتوي كبريتات النحاس المماهة عادة على خمسة جزيئات ماء في شبيكتها البلورية لكل وحدة صيغة من كبريتات النحاس. ومن ثم، فالتسمية الصحيحة لهذا المركب هي خماسي هيدرات كبريتات النحاس الثنائي، على الرغم من أننا نكتفي عادة بالإشارة إلى هذا المركب بكبريتات النحاس الثنائي المماهة. ويمكننا تحديد كتلة ماء التبلور في ملح ما، كهذا الملح، باستخدام التحليل الوزني بالتطاير.

إذا عرفنا كتلة الملح المماه ونزعنا ماء التبلور باستخدام الطاقة الحرارية عن طريق التسخين، فسيهرب الماء في صورة بخار تاركًا مسحوق أبيض. هذا المسحوق هو كبريتات النحاس الثنائي منزوعة الماء أو كبريتات النحاس الثنائي اللامائية، حيث يشير مصطلح «اللامائي» إلى ملح يخلو من ماء التبلور. ومن ثم، فصيغة كبريتات النحاس الثنائي اللامائية هي ‪CuSO4‬‏. ويمكن تحديد كتلة هذا الملح اللامائي عن طريق الوزن. كتلة الملح اللامائي أصغر من كتلة الملح المماه بسبب فقد الماء. يمكن تحديد كتلة هذا الماء المفقود عن طريق حساب الفرق بين كتلتي الملح المماه والملح المنزوع الماء. والمعادلة الكيميائية الموزونة لهذا التفاعل هي ‪CuSO4.5H2O‬‏ الصلب يسخن ليعطي ‪CuSO4‬‏ الصلب زائد 5H2O الغاز.

وبالمناسبة، هذا التفاعل انعكاسي في الواقع. إذ ينشط التفاعل العكسي من خلال إضافة الماء والتبريد. يجري إعداد عملية التطاير هذه على النحو التالي. تثبت حلقة حديدية على حامل. ويوضع مثلث فخاري على الحلقة الحديدية، وتوضع بوتقة تحتوي على الملح المماه فوق المثلث الفخاري. تسخن المحتويات بشدة. ويترك غطاء البوتقة مفتوحًا قليلًا للسماح لبخار الماء بالخروج. وبصورة دورية، يعاد الغطاء إلى مكانه، ويزال مصدر الحرارة، وتترك البوتقة كي تبرد. وبعد ذلك، يقاس وزن البوتقة ومحتوياتها وتسجل الكتلة. تكرر عمليات تسخين وتبريد متتالية إلى أن تصبح كتلة البوتقة ومحتوياتها ثابتة.

عند هذه المرحلة، نعلم أنه تمت إزالة الماء كله، وتبدو محتويات البوتقة باللون الأبيض بدلًا من الأزرق. هذه الكتلة الثابتة غير المتغيرة لكبريتات النحاس اللامائية هي التي سنستخدمها في العمليات الحسابية. ويعد التحليل الوزني بالتطاير مفيدًا كذلك في معرفة معامل ماء التبلور إذا كان مجهولًا. بما أننا نعرف كتلة المادة المماهة الابتدائية، ولأن بإمكاننا تحديد كتلة الملح اللامائي بعد تسخينه حتى تصبح كتلته ثابتة، نعلم أنه بإمكاننا تحديد كتلة بخار الماء المحرر أثناء التسخين، وأنها هي نفسها قيمة كتلة ماء التبلور في الملح المماه الأصلي. يمكننا بعد ذلك تحديد الكتلة المولية للماء. وباستخدام الكتلة والكتلة المولية معًا، يمكننا تحديد عدد مولات الماء.

يمكننا استخدام المعادلة الأساسية وهي؛ عدد المولات يساوي الكتلة مقسومة على الكتلة المولية. بعد ذلك، يمكننا استخدام عدد مولات الماء لتحديد عدد مولات الملح المماه. يمكننا فعل ذلك باستخدام النسبة المولية واحد بالنسبة إلى ‪n‬‏. سنتدرب على هذا النوع من العمليات الحسابية بعد قليل. لكن قبل القيام بذلك، دعونا نلق نظرة على معلومة مفيدة أخرى يمكننا الحصول عليها باستخدام التحليل الوزني بالتطاير. يمكننا أيضًا استخدام الكتل المختلفة المحددة من خلال تجربة التطاير لحساب النسبة المئوية لماء التبلور في ملح مماه.

النسبة المئوية لماء التبلور في الملح المماه تساوي كتلة ماء التبلور مقسومة على كتلة المركب المماه في 100 بالمائة. وقد رأينا بالفعل أنه يمكن إيجاد هاتين الكتلتين بسهولة باستخدام التحليل الوزني بالتطاير. والآن، حان وقت التدريب.

سخنت عينة من هيدرات كلوريد الكوبالت الثنائي المماه ‪(CoCl2.𝑥H2O)‬‏ حتى أصبحت كتلتها ثابتة. مقابل كل 1.00 جرام من كلوريد الكوبالت الثنائي الناتج، أطلق 0.831 جرام من الماء. ما قيمة ‪𝑥‬‏؛ حيث ‪𝑥‬‏ عدد صحيح؟ ولدينا الكتلة المولية للكوبالت، وتساوي 59 جرامًا لكل مول، وللكلور 35.5 جرامًا لكل مول، وللهيدروجين جرام واحد لكل مول، وللأكسجين 16 جرامًا لكل مول.

نعلم من المعطيات أن ثمة ملحًا مماهًا، وهو كلوريد الكوبالت الثنائي، يسخن حتى تصبح كتلته ثابتة. لا يشير اسم هيدرات كلوريد الكوبالت الثنائي ولا صيغته إلى عدد جزيئات الماء لكل وحدة من كلوريد الكوبالت. أخبرتنا المعطيات فقط بعدد مولات ماء التبلور بدلالة ‪𝑥‬‏. يتضمن تسخين الملح المماه حتى يصل إلى كتلة ثابتة عادة تسخين الملح بشدة في بوتقة بلا غطاء للسماح لماء التبلور بالهروب.

معادلة التفاعل لهذه العملية هي ‪CoCl2‬‏‪𝑥H2O‬‏ الصلب يسخن ليعطي ‪CoCl2‬‏ الصلب زائد ‪𝑥H2O‬‏ الغاز. بمرور الوقت، يتم التخلص من كل ماء التبلور. يتحول الملح المماه إلى ملح لا مائي. لا يحتوي الملح اللامائي على أي ماء تبلور. في أثناء عمليتي التبريد والوزن، يتعين أن يكون غطاء البوتقة محكمًا في مكانه، وذلك لمنع دخول بخار الماء من الهواء إلى البوتقة مرة أخرى.

هذا أمر مهم، لأن هذا التفاعل انعكاسي، ونريد منع حدوث التفاعل العكسي. وبخلاف ذلك، ستكون كتل جميع المواد مجهولة. علينا التأكد من أن كلوريد الكوبالت الثنائي لا مائي تمامًا بالفعل. لحل هذا الأمر، يمكننا وضع البيانات التي لدينا والبيانات التي علينا إيجادها في جدول. هذا الجدول ليس ضروريًّا على الإطلاق، لكنه يساعد أحيانًا عندما نتعامل مع قدر كبير من المعلومات.

علمنا من السؤال أنه مقابل كل 1.00 جرام من كلوريد الكوبالت الثنائي الناتج، يتحرر 0.831 جرام من الماء، لذا دعونا نضع هذه الكتلة في الجدول تحت ‪CoCl2‬‏. إذن، هذه الكتلة هي كتلة الماء. تخبرنا الكلمتان «مقابل كل» أن 1.00 جرام من كلوريد الكوبالت الثنائي و 0.831 جرام من الماء ليسا بالضرورة الكتلتين الفعليتين لهاتين المادتين الناتجتين، ولكنهما نسبتا تكونهما.

نعلم أن المعاملات التكافئية واحدًا إلى ‪𝑥‬‏ هي النسبة المولية لهاتين المادتين. إذن أولًا، علينا تحويل كتل هذين الناتجين إلى مولات. نبدأ بحساب الكتلة المولية لكلوريد الكوبالت الثنائي، والتي تساوي الكتلة المولية للكوبالت زائد اثنين في الكتلة المولية للكلور، نظرًا لوجود ذرتي كلور. بالتعويض بالكتلة المولية للكوبالت، والتي تساوي 59 جرامًا لكل مول من المعطيات، وبكتلة الكلور، وهي 35.5 جرامًا لكل مول، نحصل على الكتلة المولية لكلوريد الكوبالت الثنائي، والتي تساوي 130 جرامًا لكل مول. يمكننا وضع هذه القيمة في الجدول.

الكتلة المولية للماء تساوي اثنين في الكتلة المولية للهيدروجين، نظرًا لوجود ذرتي هيدروجين، زائد الكتلة المولية للأكسجين، ولدينا هاتان القيمتان. إذن، بالتعويض بواحد جرام لكل مول للهيدروجين و 16 جرامًا لكل مول للأكسجين، نحصل على 18 جرامًا لكل مول، وهي الكتلة المولية للماء، والتي يمكننا وضعها في الجدول.

تتمثل الخطوة التالية في حساب عدد مولات كلوريد الكوبالت الثنائي والماء. يمكننا استخدام المعادلة الأساسية وهي عدد المولات يساوي الكتلة مقسومة على الكتلة المولية. ومن ثم، فإنه بالنسبة إلى كلوريد الكوبالت الثنائي، بأخذ كتلته وكتلته المولية من الجدول، نحصل على 1.00 جرام مقسومًا على 130 جرامًا لكل مول، وذلك يساوي 0.00769 مول. بالنسبة إلى الماء، فإن عدد المولات يساوي كتلته، أي 0.831 جرام، مقسومًا على كتلته المولية، وتساوي 18 جرامًا لكل مول، فيكون الناتج 0.04616 مول.

بما أن نسبة مولات كلوريد الكوبالت الثنائي بالنسبة إلى الماء، هي نفس النسبة التكافئية واحد إلى ‪𝑥‬‏، فيمكننا الآن إيجاد قيمة ‪𝑥‬‏. والطريقة التي نفعل بها ذلك هي أن نأخذ مولات كلوريد الكوبالت الثنائي بالنسبة إلى مولات الماء، ثم نقسم كلًّا منهما على مولات كلوريد الكوبالت الثنائي. تحذف هاتان القيمتان، فيكون الناتج واحدًا. وتحذف وحدتا المول من كلا الطرفين، وبحل هذه القسمة، فإن الناتج يساوي 6.00166.

حتى الآن، لم نقرب القيمة في هذه العملية الحسابية، لكن حان وقت القيام بذلك. علينا التقريب إلى قيمة لا تحتوي على منازل عشرية، لأن ‪𝑥‬‏ لا يمكن أن يكون كسرًا. لا يمكن أن يكون لدينا كسر من جزيء الماء. ونعلم من السؤال تحديدًا أن ‪𝑥‬‏ عدد صحيح. أخيرًا، نحصل على إجابة تساوي واحدًا إلى ستة. وهذه هي النسبة المولية لكلوريد الكوبالت بالنسبة إلى الماء. تمثل هاتان القيمتان أيضًا المعاملين في صيغة المركب المماه. ومن ثم، فقيمة ‪𝑥‬‏ تساوي ستة. وصيغة المركب المماه هي ‪CoCl2.6H2O‬‏، وهو سداسي هيدرات كلوريد الكوبالت الثنائي.

دعونا نلخص ما تعلمناه عن التحليل الوزني بالتطاير. تعلمنا أن التحليل الوزني بالتطاير يتضمن فصل المركبات المتطايرة عن العينة، وقياس التغير في الكتلة. يمكن استخدام طريقة التحليل الكمي هذه لتحديد كتلة المواد غير المتطايرة المتبقية، ثم نحسب منها كتلة المواد المتطايرة المحررة.

تناولنا أمثلة محددة على أملاح مماهة، حيث تكون المادة غير المتطايرة المتبقية عبارة عن ملح لا مائي، والمادة المتطايرة المتحررة هي بخار الماء الذي يأتي من ماء التبلور في الملح المماه. ويمكن استخدام قيمتي هاتين الكتلتين لتحديد عدد جزيئات ماء التبلور في صيغة الملح المماه. تعلمنا أيضًا بإيجاز أنه يمكن استخدام التحليل الوزني بالتطاير لتحديد النسبة المئوية لماء التبلور في ملح مماه.