فيديو الدرس: تحديد النقاء الكيمياء

نسخة الفيديو النصية

في هذا الفيديو، سوف نتعلم ما المقصود بنقاء العينة، وكيف نستخدم النقاء لوصف عينة غير نقية. وسنتعلم أيضًا كيف نحسب نقاء مادة وفقًا لنسبة كتلتها. وسنرى أيضًا كيف تؤثر الشوائب على درجتي الانصهار والغليان.

أولًا، ماذا تعني كلمة «نقي»؟ في الحياة اليومية، قد تستخدم هذه الكلمة لوصف شخص يتمتع بالأخلاق الحميدة. وقد تجدها مكتوبة على علبة أحد المنتجات في المتجر، مثل مفروم بقري نقي 100 بالمائة. في الحياة اليومية تعني كلمة «نقي» أن الكل مكون من شيء ما فقط ولا شيء غيره. ومن ثم، فاللحم البقري النقي يعني لحمًا بقريًّا فقط ولا شيء غيره. لكن الكيميائيين يستخدمون كلمة «نقي» بمعنى آخر أكثر تحديدًا. فاللحم البقري يتكون من بروتينات ودهون وماء والعديد من المواد الأخرى. ما زال لحمًا بقريًّا نقيًّا، لكنه ليس مادة نقية لأنه يتكون من العديد من المواد المختلفة. وهكذا من وجهة نظر الكيميائي، تكون العينة الكيميائية نقية إذا كانت تحتوي على مادة واحدة فقط. ليس هناك خطأ في وصف اللحم البقري بالنقي، لكن إذا كنت كيميائيًّا فستحتاج إلى التفكير في النقاء من منظور الكيمياء.

بالنسبة إلى الكيميائي، العينة إما أن تكون نقية تمامًا أو غير نقية. وإذا كانت العينة غير نقية، نصفها بأنها محملة بالشوائب. لكن هذا تبسيط شديد بين طرفي نقيض. فأقل قدر من الشوائب يجعل العينة غير نقية. ومن ثم، يمكننا التحدث بمزيد من التفصيل. يمكننا اعتبار النقاء يتراوح بين طرفي نقيض، هما عدم النقاء التام والنقاء التام. إذا كانت لدينا عينة تحتوي على 99 في المائة من المادة الكيميائية المرادة، فيكون ذلك عادة كافيًا. وقد تكون العينة أقل نقاء من ذلك بكثير، ومن ثم يمكننا تصور نطاق يقاس بالدرجة المئوية. فالعينة النقية تكون نقية بنسبة 100 في المائة. ويمكننا القول إن العينة التي لا تحتوي على أي من المادة الكيميائية المرادة تكون نقية بنسبة صفر في المائة، لكننا لا نستخدم غالبًا هذه الطريقة في الوصف.

عند الوصول إلى نسبة 95 في المائة تقريبًا، يمكن وصف المواد الكيميائية بشبه النقية لأن هذه النسبة كافية في الكثير من الاستخدامات. والحصول على مادة كيميائية نقية نسبيًّا لا يكون مرتفع التكلفة في بعض الأحيان. لكن الحصول على مواد كيميائية نقية تمامًا قد يكون مرتفع التكلفة للغاية. أحيانًا تكون المنتجات المنخفضة النقاء لا بأس بها في بعض الاستخدامات، مثل التنظيف. لكن في بعض الاستخدامات الأخرى، يمكن لأقل قدر من الشوائب أن يجعل العينة عديمة الجدوى تمامًا. على سبيل المثال، إذا كان لدينا دواء نقي بنسبة 99 في المائة فقط، ولا نعلم ماهية نسبة الواحد في المائة المتبقية، فقد يكون من غير الآمن تناول هذا الدواء.

تستخدم في المختبرات عادة مواد كيميائية تتراوح ما بين هذين النقيضين للنقاء. وبالطبع لا نحتاج إلى الحديث عن مادة واحدة فقط عند مناقشة نقاء العينة. بل يمكننا التحدث عن نقاء كل المواد الكيميائية الموجودة في العينة. ومن ثم، فالخليط المكون من المادة الكيميائية ‪X‬‏ والمادة الكيميائية ‪Y‬‏ سيقع بين 100 في المائة من المادة ‪X‬‏ و 100 في المائة من المادة ‪Y‬‏. فقد يكون 50 في المائة من إحداهما أو 50 في المائة من الأخرى أو أي قيمة أخرى بينهما. لكن بم تتعلق هذه النسب المئوية بالضبط؟

عند التحدث عن نسبة النقاء، يمكننا التحدث عن عدة أمور مثل الكتلة أو الحجم أو الكمية بالمول. لكن الأكثر شيوعًا هو الكتلة. وهكذا فإننا نحسب نسبة النقاء من خلال أخذ كتلة المادة الكيميائية التي ندرسها، وقسمتها على الكتلة الكلية للعينة، وضربها في 100 بالمائة.

إليكم مثالًا تبلغ فيه كتلة العينة 10 جرامات. لدينا ثمانية جرامات من المادة المرادة وجرامان من الشوائب. يمكننا حساب نسبة النقاء من خلال أخذ كتلة المادة التي ندرسها، وقسمتها على الكتلة الكلية للعينة، وضربها في 100 بالمائة، ما يعطينا نسبة نقاء للمادة المرادة تبلغ 80 بالمائة في هذه العينة. عند التعامل مع النقاء بهذه الطريقة، قد ترى هذا الرمز ‪w/w‬‏ الذي يرمز إلى وزن المادة الكيميائية على وزن العينة.

تناولنا نسبة النقاء، لكننا لم نتطرق فعليًّا إلى معنى الشوائب. إذا كان المرح النقي أو الخالص يتمثل في ساعة تقضيها في لعبة المطاردة بمسدسات الليزر، فإن الشائبة هي الـ 20 دقيقة التي تستغرقها للوصول إلى مكان اللعب. ما نطلق عليه شوائب يعتمد على الموقف. تخيل أنك في المطبخ تعد بعض المخبوزات، وتريد استخدام السكر أو الملح. والآن تخيل أنك رششت قليلًا من الملح على كومة من السكر، وقليلًا من السكر على كومة من الملح. إذا كنت تريد سكرًا نقيًّا ويوجد القليل من الملح فيه، فسيكون الملح هو الشائبة. أما إذا كنت تريد ملحًا نقيًّا ويوجد القليل من السكر فيه، فسيكون السكر هو الشائبة.

في أغلب الأحيان تكون الشوائب شديدة الشبه بالمادة الكيميائية المرادة. على سبيل المثال، قد يوجد في مسحوق كربونات الكالسيوم قدر قليل من أكسيد الكالسيوم. فكلاهما مركبان أيونيان يحتويان على الكالسيوم والأكسجين. وقد لا يكون للشوائب أي علاقة بالمادة الكيميائية المرادة. فالسكر والملح، مثلًا، مادتان مختلفتان تمامًا. إحداهما مركب عضوي ذو روابط تساهمية بين الكربون والهيدروجين والأكسجين. والأخرى مركب غير عضوي ذو روابط بين أيونات الصوديوم وأيونات الكلوريد.

والشوائب قد تكون ضارة؛ فقد يوجد هيدروكسيد الصوديوم المسبب للتآكل مخلوطًا مع الملح. وقد تكون غير ضارة كما هو الحال مع الملح القليل الموجود في السكر، وإن كان الخباز قد يعترض على ذلك. في النهاية، يعتمد الأمر على الموقف وطبيعة الشوائب.

تناولنا حتى الآن وصف النقاء والشوائب. لكن كيف نختبر النقاء؟ ملح الطعام الناعم مسحوق أبيض. والسكر الناعم قد يبدو شديد الشبه به. تخيل أن لديك خليطًا ناعمًا جدًّا من الاثنين. وتخيل أنك لا تعلم كمية السكر وكمية الملح الموجودتين فيه. في حالة المواد الصلبة الشديدة الاختلاف كيميائيًّا مثل ملح الطعام والسكر، يكون اختبار النقاء صعبًا للغاية. إلا أن أمرًا مثيرًا للاهتمام يحدث إذا كانت المواد الكيميائية على قدر كاف من التشابه، مثل خليط سكر المائدة والجلوكوز، وهو الجزيء الذي يمكن أن يتكون من السكر.

ثمة ملاحظة بسيطة موثوقة للغاية عند التعامل مع هذا النوع من المخاليط يمكن استخدامها لمعرفة إذا ما كانت المادة قريبة من النقاء من ناحية أو أخرى. درجة انصهار السكر هي 186 درجة سلزية. بوجه عام، في حالة المادة الكيميائية النقية، تكون درجة الانصهار دقيقة للغاية. وتحت درجة الانصهار هذه تكون المادة صلبة. وفوقها، تكون المادة سائلة. لكن في حالة العينة التي تحتوي في الغالب على المادة الكيميائية المرادة وقدر قليل من الشوائب، تكون درجة الانصهار عامة نسبيًّا وأقل منها في حالة النقاء.

وهذا ما قد نراه في عينة تحتوي على السكر بنسبة 99 في المائة. فربما تحت 184 درجة سلزية تكون صلبة. وفوق 185 درجة سلزية تكون سائلة. وبين الدرجتين نرى خليطًا من الحالة الصلبة والحالة السائلة، مهما استمر التسخين عند درجة الحرارة هذه. حسبت هذه الأرقام بالنسبة إلى السكر غير النقي نسبيًّا. ولا يمكن أن نعرف على وجه التحديد درجة انصهار السكر النقي بنسبة 99 في المائة لأن هذا قد يعتمد على الشوائب. أما بالنسبة إلى المادة النقية في معظمها، فيمكننا أن نكون متأكدين من درجة انصهار عامة أقل من القيمة القياسية.

تناولنا هنا السكر والسكر غير النقي نسبيًّا. لكن كان بإمكاننا تناول الجلوكوز، وكنا سنرى التأثير نفسه المتمثل في أن درجة انصهار الخليط غير النقي تكون أقل نسبيًّا من درجة انصهار الجلوكوز النقي. كل هذا يعني أن اختبار النقاء بسيط. إذا كانت لدينا عينة نعتقد أنها نقية، فإن درجة انصهارها يجب أن تكون مساوية بالضبط لدرجة انصهار المادة الكيميائية النقية. ومن ثم إذا قسنا درجة انصهار العينة التي نعتقد أنها سكر نقي، ووجدنا أنها 186 درجة سلزية ومحددة تمامًا، فإننا على الأرجح نتعامل مع سكر نقي. أما إذا كانت درجة الانصهار أقل من 186 درجة سلزية وكانت عامة نسبيًّا، فإننا على الأرجح نتعامل مع سكر غير نقي. وعلينا إجراء اختبارات أخرى لتحديد ماهية الشوائب.

لم نتناول حتى الآن سوى مخاليط المواد الصلبة. لكن ماذا عن مخاليط السوائل؟ بالنسبة إلى السوائل النقية، تكون درجة الغليان قيمة متكررة دقيقة للغاية، كما هو الحال مع الماء الذي درجة غليانه 100 درجة سلزية. وإذا أضفنا بعضًا من كلوريد الصوديوم المعروف بملح الطعام، فقد ترتفع درجة الغليان لتصل إلى 104 درجات سلزية. لكن تذكر أنه توجد بعض الاستثناءات التي تؤدي فيها إضافة مادة ما إلى الماء إلى انخفاض درجة الغليان بدلًا من ارتفاعها. لكن في العموم، عند النظر إلى العينات غير النقية نتوقع درجة انصهار عامة أقل منها في حالة النقاء، ودرجة غليان أعلى.

آخر نقطة سنتطرق إليها هي كيفية الضبط للتعامل مع العينة غير النقية. في الواقع، على امتداد أغلب التاريخ البشري، قلما وجدنا عينات يمكن أن نطلق عليها اليوم مواد كيميائية نقية. فماء المحيطات يحتوي على الكثير من الشوائب المختلفة. وحتى ماء المطر يحتوي على تراب من الجو وغازات ذائبة فيه. وتصعب تنقية المعادن أو خاماتها المستخرجة من الأرض. والتكنولوجيا اللازمة لجعلها مواد نقية لم تتوفر إلا منذ بضع مئات السنوات. لطالما مورست الكيمياء بلا مشكلات دون وجود مواد كيميائية نقية. وذلك يرجع إلى عدم تدخل الشوائب في التفاعل في كثير من الأحيان.

لكن إذا أردت إنتاج ماء المطر أو جعل أحد المعادن نقيًّا تمامًا من أجل استخدام معين، فهناك بعض الأمور التي يمكنك فعلها. يوجد الكثير من أنواع التنقية، لكن كلها يساعد في التخلص من الشوائب والحصول على عينة أكثر نقاء. يعد الترشيح والبلورة والتقطير بعض أمثلة التنقية المناسبة لاستخدامات مختلفة. والبديل هو استخدام المزيد من العينة.

لنفترض مثلًا أنك تحتاج إلى جرام واحد بالضبط من بيكربونات الصوديوم لتفاعل ما. لكن ليس لديك إلا بيكربونات صودا نقية بنسبة 95 في المائة والبقية ربما تكون مادة غير مهمة، مثل كلوريد الصوديوم. كل ما عليك فعله هو ضبط العينة. نعلم أن المادة نقية بنسبة 95 في المائة، ومن ثم كل ما علينا فعله هو إضافة قدر قليل منها بحيث تصبح الكتلة الكلية لبيكربونات الصودا جرامًا واحدًا. في هذه الحالة، سنحتاج إلى إضافة 1.05 جرام من بيكربونات الصوديوم النقي بنسبة 95 في المائة لنحصل على جرام واحد من بيكربونات الصوديوم. هذا هو المبدأ فحسب، ولن نتطرق للعمليات الرياضية ذات الصلة في هذا الفيديو. والآن حان وقت التدريب.

توضح الصورة الآتية زجاجة عصير برتقال عليها ملصق. لماذا يمكن أن تدعي الشركة أن عصير البرتقال نقي 100 في المائة؟

هذه هي الزجاجة، وهذا هو الملصق، ونرى هنا ادعاء مطبوعًا على الزجاجة بأن عصير البرتقال نقي بنسبة 100 في المائة. في لغتنا اليومية، عندما نرى كلمة «نقي» نعلم أننا نتعامل مع ذلك الشيء ولا شيء سواه. ومن ثم، هذا عصير برتقال ولا شيء سواه. هذا يعني أنه لا يحتوي على عصير تفاح أو توت أسود أو موز. فكل العصير الموجود في الزجاجة جاء من البرتقال. ثمة أمر آخر يمكننا توقعه عندما نرى كلمة «نقي» على الأطعمة أو المشروبات، وهو عدم إضافة أي شيء آخر. هذا يعني عدم إضافة السكريات والمحليات الصناعية وغيرها. الاستثناء الذي يمكن أن نجيزه في حالة عصير البرتقال هو إضافة الماء. ومن ثم، يمكن للشركة أن تدعي أن عصير البرتقال طبيعي بنسبة 100 في المائة لعدم احتوائه على منتجات إضافية أو صناعية.

لماذا يمكن أن يقول كيميائي إن عصير البرتقال ليس نقيًّا؟

بالنسبة إلى الكيميائي، كلمة «نقي» لها معنى أكثر تحديدًا نسبيًّا. فنستخدم كلمة «نقي» عند الإشارة إلى عينة تحتوي على مادة كيميائية واحدة فقط. تتضمن المواد الموجودة في عصير البرتقال الماء، وأنواعًا مختلفة من الأحماض، والسكريات، وربما أليافًا كثيرة أو قليلة من اللب حسب نوع العصير. وهذه ليست سوى قائمة قصيرة من المواد الكثيرة التي قد تجدها في عصير البرتقال. كل هذه المواد مواد كيميائية مختلفة، لذلك فإن عصير البرتقال ليس مادة كيميائية نقية. ومن ثم يمكن للكيميائي أن يقول إن عصير البرتقال ليس نقيًّا لأنه لا يحتوي على مادة واحدة فقط.

والآن لنلق نظرة على حساب نسبة النقاء.

عينة غير نقية من كلوريد المغنيسيوم كتلتها 50 جرامًا. بعد التنقية التامة، تم الحصول على 45 جرامًا من كلوريد المغنيسيوم. ما نسبة نقاء العينة الأصلية؟

كلوريد المغنسيوم هو ملح صيغته الكيميائية ‪MgCl2‬‏. وتشير المعطيات إلى عينة تحتوي على كلوريد المغنيسيوم كتلتها 50 جرامًا. لكنها غير نقية. فبعض العينة يتكون من كلوريد المغنيسيوم، والبعض الآخر لا. وبعد ذلك يذكر السؤال أن العينة خضعت لتنقية تامة. عندما نجري عملية التنقية يكون هدفنا إزالة الشوائب. في التنقية التامة نزيل كل الشوائب ولا نفقد أيًّا من المادة الكيميائية المرادة. في هذه الحالة، ما حصلنا عليه هو 45 جرامًا من كلوريد المغنيسيوم النقي بنسبة 100 في المائة.

والسؤال المطروح هو: ما نسبة نقاء العينة الأولية؟ تلخيصًا لما سبق، لدينا عينة أولية وزنها 50 جرامًا. ثم خضعت للتنقية وأزيلت الشوائب، ما نتج عنه 45 جرامًا من كلوريد المغنيسيوم. ومن ثم، لا بد أننا أزلنا خمسة جرامات من الشوائب لأنه لا يمكن اكتساب كتلة أو فقدانها في مثل هذه الحالات. وعلمنا أنه كان يوجد خمسة جرامات من الشوائب لأن 50 جرامًا ناقص 45 جرامًا يساوي خمسة جرامات.

لكن السؤال لا يتعلق بكتلة الشوائب. وإنما بنسبة نقاء العينة الأصلية. نحسب نسبة النقاء من خلال أخذ كتلة المادة الكيميائية في العينة، وقسمتها على الكتلة الكلية للعينة، وضرب النتيجة في 100 بالمائة. كتلة المادة الكيميائية هي كتلة كلوريد المغنيسيوم المتبقي. وكتلة العينة الأصلية كانت 50 جرامًا. وبعد ذلك يمكننا ضرب ذلك في 100 بالمائة. هذا يعطينا 0.9 مضروبًا في 100 بالمائة، أي 90 بالمائة. ومن ثم، فإن نسبة كلوريد المغنيسيوم في كتلة العينة الأصلية هي 90 بالمائة.

والآن لنراجع النقاط الرئيسية. في الكيمياء، عندما نستخدم كلمة «نقي» لوصف عينة ما، نعني أنها مكونة من مادة كيميائية واحدة فقط. ويمكننا وصف هذه العينة بأنها نقية بنسبة 100 في المائة. ونصف عادة النقاء باستخدام نسبة النقاء التي تعطينا نسبة المادة الكيميائية المعنية في كتلة العينة. ونحسب ذلك من خلال أخذ كتلة المادة الكيميائية في العينة، وقسمتها على الكتلة الكلية للعينة، وضرب النتيجة في 100 بالمائة.

الشوائب هي أي مادة أخرى بخلاف المادة المرادة. وإذا أضفنا شوائب إلى عينة نقية، فسنقلل درجة الانصهار. وفعل ذلك سيؤدي أيضًا إلى زيادة الفرق بين درجة الحرارة التي نحصل عندها على سائل بنسبة 100 في المائة، وتلك التي نحصل عندها على مادة صلبة بنسبة 100 في المائة. وبوجه عام، إذا أضفنا إحدى الشوائب إلى الماء، فسنرفع درجة غليان الماء. وهذا يحدث مع السوائل الأخرى أيضًا.