نسخة الفيديو النصية
في هذا الفيديو، سوف نتعلم كيف نحدد مجموعة مختلفة من الأيونات الموجبة الشحنة في المحاليل المائية بناء على ألوان محاليلها وطريقة تفاعلها مع محاليل هيدروكسيد الصوديوم وهيدروكسيد الأمونيوم. كما سنتطرق إلى اختبار خاص بالكشف فقط عن كاتيونات الأمونيوم. وسنكتفي بدراسة بعض الأيونات الأكثر شيوعًا، التي قد تجدها في محلول بالمختبر. هناك، بالتأكيد، المزيد من الكاتيونات، ولكن هذه المجموعة ستعرض لنا نطاقًا واسعًا من التفاعلات المميزة. وإذا استعنت بمهاراتك الاستكشافية، سيمكنك تحديد أي من هذه الكاتيونات موجود في محلول معين.
والآن، لنتعرف على الأيونات. أولًا، لدينا أيون الألومنيوم وشحنته ثلاثة موجب. وبعد ذلك لدينا أيون الكالسيوم وشحنته اثنان موجب. ثم أيون الكروم الثلاثي وشحنته ثلاثة موجب، ولدينا بعد ذلك نوعان مختلفان من أيونات الحديد، وهي: أيون الحديد الثنائي والحديد الثلاثي، وشحنتاهما اثنان موجب وثلاثة موجب، على الترتيب. ويأتي بعد ذلك، أيون النحاس الثنائي وشحنته اثنان موجب، ثم آخر الكاتيونات الفلزية، وهو الزنك وشحنته اثنان موجب. وسنتعرف أيضًا على أيون الأمونيوم NH4+. وبالطبع، للحصول على أي من هذه الكاتيونات في محلول، فلا بد أن نتعامل مع مركبات أيونية تذوب في الماء. هذا يعني أنه في وجود هذه الكاتيونات الموجبة، سنحتاج إلى مجموعة من الأنيونات، ذات الشحنة السالبة، مثل أنيونات الكلوريد أو النيترات.
في هذا الفيديو، سأفترض أننا نتعامل مع أملاح الكلوريد لجميع هذه الكاتيونات. وتتميز أملاح الكلوريد بقابليتها للذوبان في الماء، أو على الأقل بكونها شحيحة الذوبان. سنبدأ بدراسة لكل أيون على حدة، وبعدها سنقارن بينها. ولكن قبل ذلك، دعونا نلق نظرة على هذه الاختبارات. الاختبارات التي سنجريها هي: ألوان محاليل الأيونات، ولكننا سنركز أكثر على نتائج الاختبارات الكيمائية. الاختبار الكيميائي الأول سيتضمن المعالجة بمحلول هيدروكسيد الصوديوم، أولًا في صورته المخففة، وبعدها بإضافة كمية فائضة منه. وستبدأ كاتيونات الفلز التي أمامنا في تكوين رواسب عند إضافة محلول هيدروكسيد الصوديوم المخفف لها. وسيذوب بعض هذه الرواسب عند إضافته بكمية فائضة. أما الاختبار الكيميائي الثاني فيتضمن إضافة هيدروكسيد الأمونيوم المخفف أولًا، ثم إضافته بكمية فائضة.
تختلف بعض الأيونات في تفاعلها مع محلول هيدروكسيد الأمونيوم مقارنة بمحلول هيدروكسيد الصوديوم، وهو ما يتيح لنا التفرقة بينهما. وهناك أيضًا اختبار خاص للكشف عن أيون الأمونيوم، سنذكره لاحقًا. في المختبر، من الممكن أن ترى هيدروكسيد الصوديوم في عدة أشكال؛ فتجده على سبيل المثال على هيئة مسحوق أبيض أو حبيبات أو محلول رائق عديم اللون. ويبدو هيدروكسيد الأمونيوم بهذه الصورة. فهو أيضًا محلول رائق عديم اللون. وإذا أضفت الأمونيا، NH3، إلى الماء، سيتكون لديك هيدروكسيد الأمونيوم. في بعض الأحيان، ستجد مصطلح محلول الأمونيا أو هيدروكسيد الأمونيوم أو محلول هيدروكسيد الأمونيوم، ولكن جميعها يشير إلى الشيء ذاته.
في الوقت ذاته فإن مصطلح مخفف يعتبر مصطلحًا نسبيًّا. ولكن عند ذكره مع هيدروكسيد الصوديوم أو هيدروكسيد الأمونيوم، فإننا نتحدث عن تركيز يساوي 0.1 مولار تقريبًا، بينما يبلغ تركيز المحلول المركز مولارًا واحدًا أو أكثر. وإذا استخدمنا محلولًا مركزًا بدلًا من المحلول المخفف، فربما نقفز بذلك مباشرة إلى نتائج اختبار إضافة الكمية الفائضة. ومع هذا، عليك الانتباه إلى أن هذه التركيزات إرشادية فقط. وتعتمد نتائج هذه الاختبارات على الكميات المضافة، وعلى تركيز الكاتيون في المحلول.
والآن، لنتعرف على الكاتيون الأول. يتميز محلول كلوريد الألومنيوم بأنه محلول رائق عديم اللون. إذا كان لدينا محلول يحتوي على أيونات Al3+، وأضفنا إليه محلول هيدروكسيد الصوديوم المخفف سيتكون لدينا راسب أبيض من هيدروكسيد الألومنيوم Al(OH)3. ولكن يطرأ تغيير طفيف بإضافة كمية فائضة من هيدروكسيد الصوديوم. ففي حال وجود وفرة من هيدروكسيد الصوديوم في المحلول، يستمر راسب هيدروكسيد الألومنيوم في التفاعل حتى يذوب. لكننا لن نتطرق في هذا الفيديو إلى طبيعة المواد الناتجة من ذوبان تلك الرواسب مرة أخرى. وسنركز هنا على نمط الرواسب ولونها.
والآن، لنبدأ بإحضار أنبوبة اختبار جديدة، ونضع فيها المحلول لإجراء الاختبار الآتي. إذا أضفنا محلول هيدروكسيد الأمونيوم المخفف إلى محلول يحتوي على أيونات Al3+، سيتكون لدينا نفس الراسب الأبيض من هيدروكسيد الألومنيوم، مثلما حدث عند إضافة هيدروكسيد الصوديوم. وتمامًا مثل محلول هيدروكسيد الصوديوم، يعد هيدروكسيد الأمونيوم مصدرًا لأيونات الهيدروكسيد. ولكن إذا أضفت كمية فائضة من هيدروكسيد الأمونيوم أو هيدروكسيد الأمونيوم المركز، لن يذوب الراسب المتكون مرة أخرى.
ومرة أخرى، لن نتطرق لأسباب ذلك، ولكن لا بد من ذكر الأمر. في كلا الاختبارين الكيميائيين، أضيفت أيونات الهيدروكسيد إلى أيونات الألومنيوم لتكون راسبًا من هيدروكسيد الألومنيوم. أنيونات الهيدروكسيد شحنتها واحد سالب؛ لذا نحتاج إلى ثلاثة منها لمعادلة شحنة الألومنيوم ثلاثة موجب. إذن هذه هي معادلتنا الأيونية الموزونة، ونحتاج إلى إضافة رموز الحالة، مع الحرص على تضمين رمز صلب للراسب المتكون.
والآن بعدما انتهينا من الكاتيون الأول، يمكننا استعراض بقية الكاتيونات سريعًا. وإليك كل ما نحتاج إلى معرفته عن الكاتيون الآتي، وهو الكالسيوم اثنان موجب. يتميز محلول كلوريد الكالسيوم، الحديث التحضير، بأنه محلول رائق عديم اللون. وبإضافة هيدروكسيد الصوديوم المخفف إلى محلول يحتوي على أيونات الكالسيوم اثنين موجب، يتكون لدينا راسب أبيض من هيدروكسيد الكالسيوم. وإضافة كمية فائضة منه لا تؤثر في الراسب، ولن يذوب مرة أخرى. وفي المقابل، عند إضافة محلول هيدروكسيد الأمونيوم إلى محلول يحتوي على أيونات الكالسيوم اثنين موجب لا ينتج أي راسب من الأساس. وإضافة كمية فائضة لا ينتج عنها أي تأثير مختلف. وعلى عكس أيونات الألومنيوم، فأيونات الكالسيوم شحنتها اثنان موجب فقط؛ لذا فإننا نحتاج إلى أيونين فقط من أيونات الهيدروكسيد لمعادلة الشحنات.
الكاتيون الآتي لدينا، هو الكروم الثلاثي. يتميز محلول كلوريد الكروم الثلاثي بلون أخضر داكن، ولكنه شحيح الذوبان في الماء. وبإضافة محلول مخفف من هيدروكسيد الصوديوم إلى محلول يحتوي على أيونات الكروم ثلاثة موجب، يتكون لدينا راسب أخضر مائل للرمادي من هيدروكسيد الكروم الثلاثي. وتتسبب إضافة كمية فائضة من محلول هيدروكسيد الصوديوم في ذوبان هذا الراسب الأخضر المائل للرمادي. وإذا أضفنا محلول هيدروكسيد الأمونيوم المخفف بدلًا منه، سيتكون لدينا الراسب الأخضر المائل للرمادي ذاته من هيدروكسيد الكروم الثلاثي. ولكن لا يكون لإضافة كمية فائضة أي تأثير وسيظل الراسب كما هو. وبما أن أيون الكروم شحنته ثلاثة موجب، تكون صيغة الهيدروكسيد التي توصلنا إليها هي Cr(OH)3.
وبعد ذلك، لدينا كاتيون الحديد الثنائي Fe2+. تتميز محاليل كلوريد الحديد الثنائي بلون أخضر. وعند إضافة محلول هيدروكسيد الصوديوم المخفف إلى محلول يحتوي على أيونات Fe2+، يتكون لدينا راسب أخضر باهت من هيدروكسيد الحديد الثنائي، ولا يكون لإضافة كمية فائضة أي تأثير مختلف. وإذا أضفنا محلول هيدروكسيد الأمونيوم المخفف، سيتكون لدينا الراسب الأخضر الباهت ذاته، وبالمثل، لا يكون لإضافة كمية فائضة أي تأثير. وكما هو الحال مع الكالسيوم، سنحتاج فقط إلى اثنين من أيونات الهيدروكسيد مقابل كل شحنتين موجبتين لمعادلة الشحنات. الكاتيون الآتي، هو أيون الحديد الثلاثي Fe3+ ويبدو لونه مختلفًا تمامًا عن أيون Fe2+، فاحرص على التفرقة بينهما.
وبدلًا من اللون الأخضر، يتميز محلول كلوريد الحديد الثلاثي بلون أصفر أو بني. وينتج عن اختبار تفاعله مع محلول هيدروكسيد الصوديوم المخفف، تكون راسب بني محمر من هيدروكسيد الحديد الثلاثي، وبإضافة كمية فائضة لا ينتج أي تأثير مختلف. وعند إضافة هيدروكسيد الأمونيوم المخفف، يتكون لدينا الراسب البني المحمر ذاته، من هيدروكسيد الحديد الثلاثي. ولا يكون لإضافة كمية فائضة أي تأثير. وهكذا نلاحظ تماثل نمط الرواسب المتكونة في حالة الحديد الثنائي والحديد الثلاثي، ولكن مع اختلاف الألوان. وكما هو الحال مع الألومنيوم الثلاثي والكروم الثلاثي، سنحتاج إلى ثلاثة أيونات هيدروكسيد لمعادلة الشحنات الثلاث الموجبة في أيون Fe3+، لنحصل على الصيغة Fe(OH)3.
ننتقل الآن إلى كاتيون النحاس الثنائي. تتميز محاليل كلوريد النحاس الثنائي بلون أزرق. وبإضافة محلول مخفف من هيدروكسيد الصوديوم إلى محلول به أيونات النحاس اثنين موجب، يتكون لدينا راسب أزرق باهت من هيدروكسيد النحاس الثنائي. ولا ينتج عن إضافة كمية فائضة أي تأثير. وفي حالة إضافة محلول هيدروكسيد الأمونيوم المخفف بدلًا من ذلك، يتكون لدينا الراسب الأزرق الباهت ذاته من هيدروكسيد النحاس الثنائي. ولكن بإضافة كمية فائضة من هيدروكسيد الأمونيوم، يتفاعل الراسب، ويذوب ويتحول لون المحلول إلى الأزرق الداكن. وتكون المعادلة الأيونية لتكوين الراسب الأول على الشكل الآتي: Cu2+ زائد 2OH− يتفاعلان ليكونا CuOH2. ومرة أخرى، لن نركز على طبيعة الناتج عن ذوبان الراسب.
والآن لنتناول آخر الكاتيونات الفلزية. تتميز محاليل كلوريد الزنك بأنها عديمة اللون. وعند إضافة محلول مخفف من هيدروكسيد الصوديوم إلى محلول يحتوي على أيونات الزنك الثنائي Zn2+، يتكون لدينا راسب أبيض من هيدروكسيد الزنك. وعند إضافة كمية فائضة من محلول هيدروكسيد الصوديوم، يتفاعل هذا الراسب ويذوب. ونحصل على الناتج ذاته بالضبط عند إضافة محلول هيدروكسيد الأمونيوم وكمية فائضة من محلول هيدروكسيد الأمونيوم؛ حيث يذوب الراسب الأبيض من هيدروكسيد الزنك في كمية فائضة من هيدروكسيد الأمونيوم. وفي معادلتنا الأيونية الموزونة، نجد أن كل أيونات الزنك اثنين موجب تعادل أيونات الهيدروكسيد OH− بنسبة واحد إلى اثنين.
والآن لننتقل إلى الكاتيون اللافلزي الوحيد في هذا الفيديو. محاليل كلوريد الأمونيوم عديمة اللون. ويمكننا البدء في الكشف عن أيونات الأمونيوم بإضافة هيدروكسيد الصوديوم، إما في صورته الصلبة وإما في صورته السائلة. ما يحدث هو في الأساس تفاعل حمض وقاعدة؛ حيث يتفاعل أيون الأمونيوم الحمضي مع أيون الهيدروكسيد القاعدي منتجًا غاز الأمونيا، والماء السائل. ربما تلاحظ تكون فقاعات، ولكن الأمونيا عديمة اللون، فكيف نتعرف عليها؟ الطريقة الأكثر وضوحًا تكون عن طريق حاسة الشم؛ لأن الأمونيا تتميز برائحة نفاذة مميزة. ولكن بقدر الإمكان، ينبغي عليك تجنب استنشاق الأمونيا. وبدلًا من ذلك، فإن الخيار الأفضل للتأكد إذا ما كان الغاز الناتج قاعديًّا أو ليس كذلك باستخدام ورقة عباد الشمس الحمراء المبللة. إذا كان الناتج هو غاز الأمونيا، ستذوب الأمونيا في الماء، ويتحول لون ورقة عباد الشمس إلى اللون الأزرق. وفي بعض الأحيان، قد تحتاج إلى قدر من الحرارة لإنتاج كمية كافية من الأمونيا للاختبار.
وبعد أن انتهينا من جميع الأيونات التي لدينا في هذا الفيديو. لنستعرضها جميعًا. ها هي الكاتيونات، وها هي الاختبارات، ولكن لنفصل أيونات الأمونيوم الآن. وسنضع علامة صواب أمام الاختبار الذي ينتج راسبًا، وخلاف ذلك سنضع علامة خطأ. بالنسبة إلى جميع أيونات الفلزات التي تناولناها في هذا الفيديو، يتكون لدينا راسب عند إضافة محلول هيدروكسيد الصوديوم المخفف إلى محاليلها. يتكون مع الألومنيوم والكالسيوم والزنك راسب أبيض اللون، بينما رواسب الكروم الثلاثي والحديد الثنائي والحديد الثلاثي والنحاس الثنائي مختلفة اللون. وفي حالة أيونات الألومنيوم والكروم الثلاثي والزنك، فإن إضافة كمية فائضة من هيدروكسيد الصوديوم ينتج عنها ذوبان الراسب. أما بالنسبة إلى بقية الأيونات؛ فإن إضافة كمية فائضة من محلول هيدروكسيد الصوديوم لا تؤثر في الرواسب المتكونة.
وإذا استخدمنا محلول هيدروكسيد الأمونيوم بدلًا من محلول هيدروكسيد الصوديوم، سنحصل على النتائج ذاتها مع جميع الأيونات عند استخدام هيدروكسيد الأمونيوم المخفف، باستثناء الكالسيوم، الذي لا ينتج أي راسب. ويستمر عدم تكون أي راسب، حتى مع إضافة كمية فائضة. وفي حالة أيونات النحاس الثنائي، والزنك الثنائي، عند إضافة كمية فائضة من هيدروكسيد الأمونيوم، فإن الراسب يتفاعل ويذوب مرة أخرى. وفي حالة كاتيون النحاس الثنائي، يصبح لون المحلول أزرق داكنًا أكثر من ذي قبل. أما كاتيونات بقية الفلزات، فلا تتأثر رواسبها إطلاقًا بإضافة كمية فائضة من هيدروكسيد الأمونيوم. وأخيرًا، للكشف عن أيونات الأمونيوم، فإن كل ما سنحتاج إلى فعله هو إضافة هيدروكسيد الصوديوم، مع قليل من التسخين. وبعدها يمكننا تعريض أي غاز متصاعد لورقة عباد الشمس الحمراء المبللة، التي من المفترض أن يتحول لونها إلى اللون الأزرق. والآن، حان الوقت لحل بعض التدريبات.
أي كاتيونات الفلز الآتية لا ينتج راسبًا عند إضافة بضع قطرات من الأمونيا المائية إلى ملح أو محلول كاتيون الفلز هذا؟ (أ) Zn2+، (ب) Al3+، (ج) Ca2+، (د) Cr3+، (هـ) Cu2+.
يصف السؤال الخيارات الخمسة بأنها كاتيونات فلزية. هناك كاتيونات الزنك والألومنيوم والكالسيوم والكروم والنحاس. ويطلب منا في هذا السؤال تحديد أي من كاتيونات الفلز هذه، سواء في صورة ملح أم محلول، لا يتفاعل مع الأمونيا المائية لينتج راسبًا. صيغة الأمونيا هي NH3. يمكن أن تتفاعل الأمونيا مع الماء لينتج هيدروكسيد الأمونيا، الذي يعد مصدرًا جيدًا لأيونات الهيدروكسيد. السؤال لا يخبرنا بوضوح إذا ما كان هيدروكسيد الأمونيوم مخففًا، أو كان كمية فائضة، أو كان مركزًا. ولكن، بما أنه مجرد بضع قطرات، فيمكننا افتراض أنه مخفف.
إذن ما الذي سيحدث عند إضافة الأمونيا المائية المخففة إلى أي من هذه الأيونات؟ ستتفاعل أيونات Zn2+ لينتج راسبًا أبيض اللون من هيدروكسيد الزنك، ويحدث تفاعل مماثل مع أيونات Al3+؛ بحيث ينتج هيدروكسيد الألومنيوم. ولكن لا يتفاعل أيون الكالسيوم اثنان موجب مع هيدروكسيد الأمونيوم المائي، مهما اختلف التركيز. وليس هناك طريقة مبسطة لشرح السبب وراء ذلك، فاحرص فقط على تذكر الأمر. وبينما يتفاعل أيون الكروم الثلاثي، مكونًا راسبًا أخضر مائلًا للرمادي من هيدروكسيد الكروم الثلاثي، والراسب المتكون من أيون النحاس اثنين موجب هو أكسيد النحاس الثنائي ذو اللون الأزرق الباهت.
والآن، يتبقى لدينا نقطة أخيرة محيرة بشأن هذا السؤال، وهي إذا لم نكن متأكدين إذا ما كان لدينا محلول مخفف أو كمية فائضة من هيدروكسيد الأمونيوم. في حالة الكمية الفائضة من هيدروكسيد الأمونيوم، يذوب الراسب المتكون من أيونات Zn2+ وCu2+. ولكن، بما أننا نستخدم بضع قطرات فقط، فيمكننا التأكد من أننا لا نتعامل مع محلول مخفف. من ثم، من بين الخيارات الخمسة، يكون كاتيون الفلز الوحيد الذي لا ينتج راسبًا عند إضافة بضع قطرات من الأمونيا المائية إليه هو الكالسيوم اثنان موجب.
والآن، لنختتم الدرس بذكر النقاط الرئيسية. يمكن الكشف عن الكاتيونات المختلفة بناء على الرواسب التي تكونها أو لا تكونها. وها هي الأيونات والاختبارات التي استعرضناها. وهذه هي ألوان الرواسب التي تكونت عند إضافة محلول هيدروكسيد الصوديوم المخفف إلى كل من هذه الأيونات. وإذا أضفنا كمية فائضة من محلول هيدروكسيد الصوديوم، ستذوب مرة أخرى الرواسب المتكونة في حالة الألومنيوم ثلاثة موجب، والكروم ثلاثة موجب، والزنك اثنين موجب. وإذا استخدمنا هيدروكسيد الأمونيوم المخفف، المعروف باسم الأمونيا المائية، بدلًا من هيدروكسيد الصوديوم المخفف، فسنحصل على الرواسب ذاتها، بخلاف الكالسيوم، الذي لا ينتج عنه أي رواسب.
وإذا استمررنا في إضافة هيدروكسيد الأمونيوم بكمية فائضة، يذوب الراسب المتكون مرة أخرى في حالة النحاس اثنين موجب والزنك اثنين موجب. أما بقية الكاتيونات فتظل كما هي. الكاتيون الأخير، وهو الأمونيوم، يمكن الكشف عنه بإضافة هيدروكسيد الصوديوم إليه وبقليل من التسخين. ويمكننا تمييز رائحة غاز الأمونيا المتصاعد، أو الكشف عنه باستخدام ورقة عباد الشمس الحمراء المبللة، التي من المفترض أن تتحول إلى اللون الأزرق.
