فيديو الدرس: الغرويات والمعلقات الكيمياء

نسخة الفيديو النصية

في هذا الفيديو، سوف نتعرف على المعلقات والغرويات، ونستكشف بعض خواصهما. لفهم المعلقات والغرويات، يجب علينا أولًا فهم المخاليط. الخليط ببساطة هو اتحاد مادتين أو أكثر من المواد الكيميائية المختلفة التي لا تتفاعل معًا. وبشكل عام، في الخليط الكيميائي، تحتفظ المواد بسلوكها الكيميائي الأساسي. يمكن أن تكون المخاليط متجانسة، بحيث يكون تركيبها منتظمًا في الخليط بأكمله. ويمكن أن تكون غير متجانسة، بحيث يتغير تركيبها وفقًا للجزء الذي تنظر إليه في الخليط.

ثمة مصطلح آخر نستخدمه عندما نصف المخاليط، وهو «الاستقرار». فيمكن أن تكون المخاليط مستقرة، حيث يظل تركيبها ثابتًا بمرور الزمن؛ أو غير مستقرة، حيث يتغير تركيبها مع الزمن. المعلق والغروي هما كلمتان أخريان نستخدمهما لوصف أنواع معينة من المخاليط. لكن قبل أن نتناول هاتين الفئتين، دعونا نتذكر ما هو المحلول.

المحلول هو خليط من مادة أو أكثر مذابة في مادة أخرى. تعرف المادة الذائبة بالمذاب، والمادة التي يذوب فيها المذاب تسمى المذيب. إذا كان لدينا خليط من مادتين أو أكثر على المستوى الذري، يصبح لدينا محلول. توجد بعض المحاليل الشائعة مثل المياه الغازية، وماء المحيطات، ومزيل طلاء الأظافر. ومع ذلك، لا ينبغي أن تكون المحاليل سوائل بالضرورة، لكننا سنتناول بعض الأمثلة الأخرى لاحقًا.

يصبح مصطلحا الغروي والمعلق مهمين عندما نتجاوز مستوى الذرات، وتزداد كتلة المادة. الغروي هو الاسم الذي نطلقه على خليط يحتوي على كميات كبيرة نسبيًّا من مادة ما في وسط مستمر لمادة أخرى. وعادة، يتراوح قطر الجسيمات في الغروي بين واحد و1000 نانومتر. الغرويات بطبيعتها متجانسة؛ أي إن لها تركيبًا ثابتًا في الخليط بأكمله. عندما نتحدث عن الغرويات والمعلقات، علينا أن نبتعد بنظرنا قليلًا عندما نصف تركيبها. هذا يعطينا متوسط مساحة أكبر قليلًا عما إذا كنا نتحدث عن المحاليل. الغرويات بطبيعتها مستقرة أيضًا. فهي لا تنفصل من تلقاء نفسها. ويمكننا إزالة استقرار الغروي بطريقة ما، لكننا سنتناول ذلك لاحقًا.

يطلق على المادة أو المواد التي تنتشر في صورة كتل مجهرية عبر الوسط اسم الطور المنتشر. ويسمى الوسط المستمر الذي يحيط بها وسط الانتشار. إذن ينتشر الطور المنتشر في وسط الانتشار. سنتناول بعض الأمثلة بعد قليل. المصطلحات الخاصة بالخليط المعلق مشابهة لمصطلحات الخليط الغروي. فما زال لدينا الطور المنتشر ووسط الانتشار، لكن الجسيمات تكون عادة أكبر قليلًا. ويتمثل الفارق الرئيسي بين الخليط المعلق والخليط الغروي في أن المعلقات غير مستقرة. في النهاية، تتجمع كتل المادة معًا وتشكل مناطق عالية التركيز، تاركة وراءها مناطق أخرى منخفضة التركيز. ومن ثم، فالمعلقات غير متجانسة بطبيعتها أيضًا. فلا يكون تركيب الخليط ثابتًا عند النظر إلى أماكن مختلفة.

والآن سنتناول بعض الأمثلة على المحاليل، والغرويات، والمعلقات. عندما نصنع مخاليط، نخلط بشكل عام مادة صلبة أو سائلًا أو غازًا مع مادة صلبة أو سائل أو غاز آخر. بينما نملأ هذا الجدول، سنضع المحاليل في الأسفل، والغرويات في المنتصف، والمعلقات في الأعلى. إذن على طول الجزء العلوي، لدينا إما المذاب وإما الطور المنتشر. وعلى طول الطرف الأيسر، لدينا حالة المذيب أو وسط الانتشار. غالبًا ما تكون المواد الصلبة مستقرة على مدار فترات طويلة، لذا لا نعتبر المخاليط المكونة من مادتين صلبتين معلقات، لكنها يمكن أن تكون غرويات. على سبيل المثال، يمكن تصنيع الزجاج الملون بإضافة جسيمات صغيرة جدًّا من مواد أخرى إلى الزجاج. ويمكن أيضًا أن نحصل على محاليل مكونة من مادتين صلبتين. على سبيل المثال، تصنع السبائك من أنواع مختلفة من الفلزات مخلوطة معًا على المستوى الذري.

بعد ذلك، سنلقي نظرة على المخاليط المكونة من سائلين. الزيت والماء سائلان لا يختلطان معًا بطبيعة الحال. ومع ذلك، إذا حركت هذا الخليط، يمكنك الحصول على قطرات صغيرة من أحد الطورين داخل الطور الآخر. اللبن غروي، والدهون والبروتينات المختلفة تعلق في الماء. لذا يمكننا أن نسمي اللبن غرويًّا؛ لأنه يخضع في الواقع لتغيرات كيميائية عندما يصبح حامضًا. ويمكن اعتبار المواد التي نبدأ بها مستقرة في حد ذاتها. لدينا أيضًا مثال لمحلول مكون من سائلين، وهو الخل، وهو خليط من حمض الإيثانويك أو حمض الأسيتيك والماء. توجد أنواع قليلة متنوعة من المخاليط المكونة من غازين. يتكون الغاز بطبيعته من جسيمات منفصلة، لذا يمكننا أن نكون محلولًا فقط منه، وليس معلقًا أو غرويًّا.

يمكننا وصف الهواء بأنه بضعة غازات مختلفة ذائبة في النيتروجين. ونعتبر أن النيتروجين هو المذيب، ببساطة لأنه الجزء الأكبر من الهواء. ماذا عن المركبات الأخرى؟ يعتبر الدم مثالًا جيدًا على انتشار مادة صلبة في سائل. تعلق أنواع مختلفة من الخلايا في الماء، لكنها تنفصل بمرور الوقت. يمكننا ملاحظة ذلك عند إجراء عملية طرد مركزي للدم، وتجزئته إلى طبقات مختلفة. كما تعد الأحبار مثالًا جيدًا على الغرويات المكونة من مادة صلبة وسائل. فهي تتكون عادة من جسيمات صلبة منتشرة في الماء. وبالنسبة إلى المحلول، لدينا محلول الماء والسكر، حيث يكون السكر، وهو مادة صلبة عادة، ذائبًا في الماء. لكن يمكننا بالطبع الحصول على مخاليط مكونة من سائل في مادة صلبة.

معلقات السوائل في المواد الصلبة ليست شائعة، لكن توجد أمثلة على غرويات مثل الهلام، وهو ماء منتشر في الجيلاتين. توجد أيضًا محاليل مكونة من سائل في مادة صلبة، مثل الزئبق المخلوط مع الذهب الصلب. بعد ذلك، لدينا السوائل في الغازات. يمكننا الحصول على معلقات من مواد سائلة في غازات باستخدام زجاجة رش، في حين يمكننا أيضًا تكوين غرويات من سائل وغاز مثل الضباب. في ظل الظروف المناسبة، تستقر قطرات صغيرة جدًّا من الماء في الهواء. والطريقة الوحيدة لتكوين محلول من سائل في غاز هي تبخير السائل، وتحويله إلى غاز، لذا هذا لا يحتسب.

بدلًا من ذلك، لننظر إلى مخاليط مكونة من غاز في سائل. في حمام الفقاعات، لدينا الرغوة، وهي أغشية رقيقة من الصابون والماء يحيط بها الهواء. لكن هذه الفقاعات ستختفي بسرعة. إذا أردنا رغوة مستقرة، فسنحتاج إلى فقاعات أصغر مثل تلك الموجودة في رغوة الحلاقة أو بياض البيض المخفوق. وبالنسبة إلى المحاليل المكونة من غاز في سائل، لدينا المياه الغازية، وهي عبارة عن ثاني أكسيد كربون مذاب في الماء. وأخيرًا، توجد مخاليط أقل شيوعًا إلى حد كبير، وهي مخاليط من المواد الصلبة والغازات. غبار الهواء هو خليط غير مستقر من مادة صلبة وغاز. فهو معلق. لكن الجسيمات الأدق حجمًا مثل تلك الموجودة في الدخان يمكن أن تكون غرويات، وهي مستقرة. لكن كما هو الحال مع مخاليط السائل والغاز، لا يمكن أن نحصل على محلول مكون من مادة صلبة في غاز.

لن نتطرق إلى المعلقات المكونة من غاز في مادة صلبة. فبدلًا من ذلك، تعتبر المادة الصلبة تركيبًا مستقرًّا. هذا يعني أنه يمكننا تكوين غرويات، وأحد أمثلة ذلك الرغوة البلاستيكية. ويمكن أيضًا تكوين محاليل من غاز ومادة صلبة. على سبيل المثال، البالاديوم فلز ثقيل يمتص غاز الهيدروجين. هذه مجرد بعض الأمثلة، وقد يختلف بعض الأشخاص حول أي منها بالفعل غرويات وأيها معلقات. عندما يكون لدينا مادة صلبة معلقة في غاز، يمكن أن يكون لها اسم خاص، وهو الهباء الجوي الصلب. الضباب هو أحد أمثلة الهباء الجوي السائل. وإجمالًا، يعرف هذان النوعان بالهباء الجوي.

بعد ذلك، سنتناول بعض الخواص الأساسية للغرويات والمعلقات. الماء عديم اللون، وعادة ما يكون لون الدهون والزيوت خافتًا جدًّا، ربما أصفر فاتحًا. إذن لماذا اللبن أبيض، وهو خليط يتكون أساسًا من الدهون والماء؟ يحتوي اللبن بالفعل على مواد أخرى غير الدهون والماء، لكن ليس لأي منها لون قوي. اللبن غروي، حيث تتواجد كريات دهنية معلقة في وسط متصل من الماء. الماء هو وسط الانتشار، والدهون والمواد الكيميائية الأخرى هي الطور المنتشر. عندما يمر الضوء عبر اللبن، يتشتت الضوء. هذا يعني أن كل ألوان الضوء التي تصطدم باللبن تنعكس بشكل متساو، ونحصل على لون يبدو أبيض.

ظاهرة تندال هي ظاهرة خاصة نلاحظها مع الغرويات وبعض المعلقات الدقيقة، لكن هذه الحالة لا تعكس ظاهرة تندال. بدلًا من ذلك، تتمحور ظاهرة تندال حول كيفية تفاعل الأطوال الموجية المختلفة للضوء على نحو مختلف قليلًا مع غروي أو معلق. نلاحظ ظاهرة تندال إذا كان لدينا جسيمات يتراوح قطرها من 40 إلى 900 نانومتر، أي قريبة جدًّا من الأطوال الموجية للضوء المرئي. فالأطوال الموجية الأقصر، مثل الضوء الأزرق، تتشتت بصورة أكبر عندما تصطدم مع هذه الغرويات أو المعلقات.

إذا وجهنا ضوءًا أبيض من الجانب نحو اللبن، تمر نسبة أكبر من الضوء الأحمر مباشرة عبر اللبن. وإذا نظرنا من هذا الجانب، فسنجد أن لون اللبن يبدو أزرق قليلًا؛ حيث تتشتت نسبة أكبر من الضوء الأزرق على الجانب. وهذا دليل على ظاهرة تندال. تتشتت الأطوال الموجية المختلفة للضوء بدرجات متفاوتة، ما ينتج عنه لون مختلف عن اللون الأبيض النقي.

لذا إذا لاحظت وجود لون أزرق في اللبن في الثلاجة، فربما لا يكون ذلك بسبب أنه منتهي الصلاحية. إنها فقط ظاهرة تندال. يمكننا استخدام ظاهرة تندال للتحقق سريعًا إذا ما كان السائل محلولًا أو معلقًا أو غرويًّا. إذا لم يمتص المحلول الضوء، فسيمر عبره مباشرة. من ناحية أخرى، إذا كان الخليط غرويًّا، فسيتشتت الضوء ويظهر السائل باللون الأبيض مع مسحة زرقاء إذا نظرنا إليه بعيدًا عن المحور. وإذا كان لدينا معلق يحتوي على جسيمات كبيرة بما يكفي، فسيظل الضوء مشتتًا، لكن ظاهرة تندال لن تحدث، ومن ثم لن نحصل على مسحة زرقاء.

التأثير التالي الذي سنتناوله هو ما يسمى التسييل بالرج، وهي خاصية تجعل المادة أقل لزوجة كلما زادت مدة الضغط المبذول عليها. هذه خاصية غريبة تحدث عند رج الغرويات والمعلقات. بداية، قد يكون رج الخليط صعبًا. ولكن بعد فترة قصيرة من الرج، يصبح من الأسهل رج الخليط لأنه يصبح أقل لزوجة. ينتج السمك الابتدائي لأن الجسيمات في الخليط المعلق أو الغروي تتجمع معًا وتكون بنى منتظمة. أثناء الرج، نبدأ في تفكيك هذه البنى، ما يسهل على الجسيمات أن تتدفق داخل وحول بعضها. ولهذا السبب يؤدي رج زجاجة من الكتشب إلى تسهيل إخراج الكتشب منها. فيساعد الرج في تدفق الكتشب بشكل أفضل.

والآن الخاصية العامة الأخيرة للغرويات والمعلقات التي سنتناولها هي الاستقرار. ذكرنا من قبل أن المعلقات غير مستقرة، والغرويات مستقرة. لكننا لم نوضح السبب. أولًا، عدم الاستقرار يعني أن الخليط سينفصل في النهاية. لكننا لا نعرف الزمن المستغرق لحدوث ذلك. عمليًّا، أي انتشار جسيمي ينفصل في النهاية هو معلق. يعتمد استقرار انتشار الجسيم على عدة أمور، بعضها أكثر دقة من غيرها، مثل التداخلات بين الجسيمات، والتداخلات بين الجسيم والمذيب، والتداخلات بين المذيبات، وهكذا. لكننا سنلقي نظرة هنا على السمتين الرئيسيتين.

إذا تناولنا انتشارًا جسيميًّا وكبرنا حجم الجسيمات، فسيسهل على هذه الجسيمات الالتصاق معًا؛ لأنه يصعب إبقاؤها معلقة. وهذا سيجعل الخليط المعلق غير مستقر بشكل أكبر. وإذا كان لدينا النوع نفسه بالضبط من الجسيمات، لكننا غيرنا أسطحها بحيث تجذب بعضها بعضًا بقوة أكبر، فستحافظ على بقائها معًا وتسقط في المحلول. وسيكون الخليط أقل استقرارًا. إذا أردنا جعل الانتشار أكثر استقرارًا، يمكننا شحن الجسيمات، ما يجعلها تتنافر. إذا كان للجسيمات نوع الشحنة نفسه، فكلما زادت الشحنة، زاد التنافر بينها. ويمكننا التأثير على استقرار الجسيمات عن طريق تغيير درجة الحرارة، أو تركيز الملح في المحلول، أو تغيير الأس الهيدروجيني، على سبيل المثال.

آخر ما سنتناوله هو طريقتا تحضير الغرويات والمعلقات. تتضمن طرق الانتشار أخذ كتل أكبر من المادة وتقسيمها إلى جسيمات أصغر حجمًا يمكنها الانتشار. وتتضمن طرق التكثيف أخذ جسيمات أصغر حجمًا أو مواد مذابة وجعلها جسيمات أكبر. يمكننا أن نبدأ بمحلول أو غروي لنحصل على غروي أو معلق. ويمكننا تطبيق طريقة الانتشار على مسحوق النشا، وإضافته إلى الماء لإنتاج معلق أو غروي. كما يمكننا رؤية طريقة التكثيف عمليًّا عند تمرير فقاعات من غاز ثاني أكسيد الكربون في محلول من هيدروكسيد الكالسيوم الذي يعرف أحيانًا باسم ماء الجير. ينتج معلق دقيق من كربونات الكالسيوم في صورة صلبة. تنتج هذه العملية ماء أيضًا، لكننا استبعدناه من المعادلة.

والآن، لنتناول سؤالًا تدريبيًّا.

أي من المواد أو الظواهر التالية مثال للهباء الجوي الصلب، وهو مادة صلبة منتشرة في غاز؟ (أ) الغيم، (ب) الضباب، (ج) الدهان، (د) الهواء، (هـ) الدخان.

العبارة الرئيسية في السؤال هي الهباء الجوي الصلب، وهو ما عرفناه بالفعل، لحسن الحظ. فهو مادة صلبة منتشرة في غاز. «منتشرة» هنا تعني أن الجسيمات الصلبة متفرقة داخل الغاز. لدينا هنا صندوق يحتوي على كتلة صلبة محاطة بالغاز. وتتركز المادة الصلبة في كتلة واحدة. إذن فهي ليست منتشرة. بدلًا من ذلك، نبحث عن جسيمات دقيقة من مادة صلبة منتشرة في جميع أنحاء الغاز.

والآن لننظر إلى الخيارات الخمسة ونحاول معرفة الإجابة الصحيحة. يتكون الغيم من قطرات من الماء معلقة في الهواء، في حين أن الضباب هو الشيء نفسه ولكنه أكثر كثافة، لذا لا يمكنك رؤية الأجسام البعيدة. الماء في هذه الظروف سائل وليس مادة صلبة. إذن نحن نتعامل مع هباء سائل وليس مع هباء صلب، إذن هاتان الإجابتان غير صحيحتين. من ناحية أخرى، يتكون الدهان عادة من جسيمات صلبة من الصبغة معلقة في الزيت أو الماء. إذن فالدهانات مخاليط مكونة من مادة صلبة في سائل، وقد تكون غرويات أو معلقات. في كلتا الحالتين، وسط الانتشار في الدهانات ليس غازًا. لكنه سائل، لذا فإن الدهان ليس إجابة صحيحة.

الخيار الرابع، الهواء، هو خليط من عدة غازات مختلفة. لذا نعتبره خليطًا غازيًّا، ويمكننا أن نسميه محلولًا غازيًّا؛ بسبب وجود كمية من النيتروجين أكثر بكثير من الغازات الأخرى. ومن ثم فالهواء ليس إجابة صحيحة، حيث لا يحتوي على أي مادة صلبة منتشرة فيه. لو كان لدينا هواء ترابي أو هواء دخاني، لكانت تلك هي الإجابة الصحيحة. وأخيرًا، الدخان، وهو يتكون من جسيمات دقيقة ناتجة عن الاحتراق منتشرة في الهواء. إذن من بين هذه الخيارات الخمسة، الخيار الوحيد الذي يعد مثالًا على هباء جوي صلب، أي مادة صلبة منتشرة في غاز، هو الدخان.

والآن لنلق نظرة على النقاط الرئيسية. المعلقات والغرويات مخاليط تتكون من طور منتشر داخل وسط انتشار. يتكون الطور المنتشر من فقاعات أو جسيمات منفردة منتشرة في طور مستمر لمادة صلبة أو سائل أو غاز. أي خليط غير مستقر، ومن ثم غير متجانس، يعتبر معلقًا. ويعني مصطلح «غير مستقر» أن الخليط ينفصل بمرور الوقت، و«غير متجانس» يعني أن التركيب غير منتظم. وأي خليط مستقر ومتجانس أيضًا يكون غرويًّا.

المعلقات والغرويات قابلة للتسييل بالرج، ما يعني أنها تصبح أقل سمكًا عند تحريكها. تظهر الغرويات وبعض المعلقات الدقيقة ظاهرة تندال، حيث تشتت بعض ترددات الضوء أكثر من غيرها. وهو التأثير الذي يمكن أن يعطي اللبن لونًا أزرق. توجد طريقتان لإنتاج هاتين المادتين، الأولى هي طريقة الانتشار حيث نكون أولًا الجسيمات الدقيقة ثم نوزعها خلال وسط الانتشار بالخلط. والطريقة الثانية هي التكثيف حيث نستخدم تفاعلات كيميائية لتكوين جسيمات من محلول أو من جسيمات أصغر.