شارح الدرس: التحليل الكيميائي الكيمياء

في هذا الشارح، سوف نتعلَّم كيف نُحدِّد ونَصِف الأنواع المختلفة للتحليل الكيميائي، ونفسِّر أهميتها في المجالات العلمية.

في كل فرع أو مجال من الكيمياء، من المهم التعرُّف على المواد الموجودة في مادة أو خليط ما وتحديد كميتها. تُسمَّى المادة التي يتم التعرُّف عليها أو تحديد كميتها، أو هما معًا، بالمادة المراد تحليلها.

فيما يلي بعض الأمثلة لعلماء وباحثين يحدِّدون تركيب مواد كيميائية مختلفة:

• يحلِّل الأطباء والصيادلة والكيميائيون المُركَّبات الموجودة في الأدوية وكمياتها وتركيزاتها. يحلِّل المختصون في مجال الطب أيضًا تركيب الدم وسوائل الجسم لتشخيص أمراض مختلفة. يمكن للأطباء، على سبيل المثال، تحليل محتوى الليبيدات في عيِّنات الدم لتحديد إذا ما كان المريض سيعاني من مرض قلبي وعائي، وإذا ما كان يحتاج إلى تناول أي دواء.
• يحلِّل المزارعون وعلماء التربة خواص التربة القابلة للزراعة. يمكن أن تختلف أنواع التربة بعدة طرق، ويجب على المزارعين فهم التركيب العنصري لتربة معيِّنة وحمضيتها أو قاعديتها. وهذا يساعد المزارعين على اختيار أفضل الأسمدة لحقولهم.
• يحلِّل كيميائيو الأغذية ومختصو التغذية تركيب الأغذية لتحديد العناصر الغذائية التي تحتويها وبأي نسب.
• يدرس الكيميائيون البيئيون المواد البيئية، مثل: أنواع التربة والغازات والمسطحات المائية، لتحديد إذا ما كان يوجد ملوِّثات وبأي نسب. كذلك يحلِّلون المواد السامة مثل غازَي أول أكسيد الكربون وثاني أكسيد الكبريت، والمعادن الثقيلة أيضًا مثل الزرنيخ والزئبق، ويحلِّلون تلوث المواد الغذائية بالمبيدات الحشرية ومبيدات الأعشاب.
• يدرس مهندسو الميكانيكا وعلماء المعادن الفلزات والمُركَّبات الكيميائية الموجودة في الخامات ومكوِّنات الآلات. وهذا يساعدهم على تحسين قوة الآلات وتحسين عمليات استخلاص المعادن.

العيِّنة الكيميائية عبارة عن كمية صغيرة يسهل التعامل معها مأخوذة من كمية أكبر. تُعَد العيِّنات دائمًا لتكون نسخًا مقبولة من الكمية الكبرى التي تمثِّلها. يجب أن يكون للعيِّنة والكمية الكبرى الخواص الفيزيائية والكيميائية نفسها.

يمكن تحليل العيِّنات الكيميائية باستخدام طرق التحليل الكيفي أو الكمي. تُستخدَم طرق التحليل الكيميائي الكيفي لتحديد ماهية المادة أو المواد الموجودة في عيِّنة كيميائية.

تُعرَف العيِّنة بأنها نقية إذا كانت تحتوي على مادة كيميائية واحدة. وتُعرَّف بأنها خليط إذا كانت تحتوي على أكثر من مادة كيميائية واحدة. يمكن تصنيف معظم المواد الصلبة والسوائل والغازات إلى مخاليط؛ لأنها تتكوَّن من مادتين كيميائيتين مختلفتين على الأقل. يمكن استخدام طرق التحليل الكيفي لتحديد ماهية المواد التي اتحدت معًا لتكوين خليط. ويمكن أن تكون المكوِّنات عناصر مثل النيتروجين، أو مُركَّبات مثل الماء وثاني أكسيد الكربون. يُعَد كثيرٌ من المخاليط في الحياة الواقعية (مثل التربة أو الهواء أو الدم) مخاليط معقدة تحتوي على الكثير من العناصر المُركَّبة المختلفة والجزيئات.

للعيِّنات النقية مجموعة من الخواص الفيزيائية والكيميائية التي تميِّزها عن غيرها من المواد. يمكن استخدام الثوابت الفيزيائية، مثل درجة الانصهار ودرجة الغليان والذوبانية والكتلة المولية، لتحديد إذا ما كانت مادة ما معلومة نقية أو ملوثة بالشوائب.

قد يستخدم الكيميائيون درجة الغليان المعروفة لجزيئات الماء لتحديد إذا ما كانت عيِّنة من الماء ملوثة بالشوائب. يغلي الماء النقي عند درجة حرارة إذا كان الضغط يساوي بالضبط ضغط جوي واحدًا (atm). وتغلي عيِّنات الماء الملوثة عند درجة حرارة أعلى قليلًا؛ لأنها تحتوي على شوائب كيميائية. يمكن غلي عيِّنات الماء لتحديد إذا ما كانت نقية أو تحتوي على شوائب كيميائية.

ويمكن أيضًا للكيميائيين استخدام قيم الكتلة المولية المعلومة للمُركَّبات العضوية لتحديد تركيب مستخلص نباتي. يوفِّر مطياف الكتلة معلومات عن الكتل المولية لمختلف المواد المُراد تحليلها. ويمكن مقارنة المعلومات الخاصة بالكتلة المولية الناتجة عن مطياف الكتلة بالبيانات المرجعية لتحديد محتوى مستخلص نباتي.

يمكن استخدام نيترات الفضة للكشف عن وجود معظم أملاح الهاليدات؛ لأن أيونات الفضة تُكوِّن راسبًا ملوَّنًا عندما تتفاعل مع أيونات الكلوريد أو البروميد أو اليوديد. تكوِّن نيترات الفضة راسبًا أبيضَ عندما تتفاعل مع أيونات الكلوريد. تكوِّن نيترات الفضة رواسب صفراء مائلة للأبيض ورواسب صفراء عندما تتفاعل مع أيونات البروميد أو اليوديد. توضِّح المعادلة الآتية التفاعل الذي يحدث بين أيونات الكلوريد ونيترات الفضة.

يوضِّح الجدول والشكل الآتيين التفاعلات بين نيترات الفضة وأيونات الفلوريد والكلوريد والبروميد واليوديد.

أحيانًا يكون الكيميائيون غير متأكدين من التركيب الكيميائي للمنتجات الغذائية، ويريدون معرفة إذا ما كانت العناصر الغذائية تحتوي على جزيئات نشا. يمكن إضافة قطرات من محلول اليود البُني المصفر إلى عيِّنات الطعام لتحديد إذا ما كانت تحتوي على أي جزيئات نشا. تترك قطرات اليود بقعًا سوداء مائلة للزرقة على المنتجات الغذائية إذا كانت تحتوي على نشا. توضِّح الصورة الآتية كيف يمكن استخدام قطرات اليود للكشف عن وجود جزيئات النشا في عيِّنة منتج غذائي.

يمكن أن تكون الاختبارات المنفردة غير قطعية، وعادةً ما نُضطر إلى إجراء اختبارين كيميائيين مختلفين على الأقل لتحديد ماهية مادةٍ ما أو كميتها في عيِّنة ما. يمكن فهم أوجه القصور في الاختبارات الكيميائية المنفردة بالتفكير في الطريقة التي تُنتِج بها الفلزات لهبًا ذا ألوان متشابهة في اختبارات اللهب.

تُنتِج فلزات الليثيوم والكالسيوم والسترونشيوم جميعها لهبًا أحمر في اختبارات اللهب. لا يمكن استخدام اختبارات اللهب المنفردة لتحديد إذا ما كانت العيِّنة تحتوي على عنصر الليثيوم؛ لأن فلزات الكالسيوم والسترونشيوم تُعطي ألوانًا متشابهة للَّهب. لا بد من دمج اختبار اللهب مع صورة أخرى من التحليل الكيميائي للتأكُّد من أن المادة تحتوي على الليثيوم وليس فلزات الكالسيوم أو السترونشيوم.

عادةً ما يريد الكيميائيون التحليليون معرفة محتوى المادة الكيميائية وتركيبها. إنهم يريدون معرفة ما تحتويه المادة وبأي نسب. يمكن استخدام طرق التحليل الكيميائي الكمي لدراسة وفرة العناصر والمُركَّبات في العيِّنات الكيميائية.

يوضِّح الشكل الآتي بعض الوحدات المستخدَمة لوصف وفرة العناصر والجزيئات في العيِّنات الكيميائية. ويوضِّح أيضًا أنه يمكن التعبير عن الوفرة في صورة قيم الكتلة والتركيز أو عدد المولات ونسبة التركيب المئوية.

يَستخدم جميع الكيميائيين التحليليين تقريبًا الميزان أو المقياس التحليلي لتحديد كتل المواد الكيميائية المختلفة. ومعظم الموازين التحليلية تكون أدوات دقيقة للغاية، وعادةً ما تُعرَض قيم الكتلة لأقرب 0.1 أو 0.01، أو حتى 0.001 ملليجرام (mg).

يمكن أن تساعد طرق التحليل الكمي الكيميائيين على تحديد كمية مادة ما في عيِّنة كيميائية، وتحديد كمية الناتج الكيميائي المرغوب الذي سينتج خلال التفاعل الكيميائي.

هناك العديد من الطرق لتحليل محتوى العيِّنة الكيميائية وتركيبها. يلخِّص الجدول الآتي بعض أهم اختبارات تحليل العيِّنات الكيميائية.

يمكن استخدام الرياضيات لتحديد مدى عدم التأكد من القيم الكيميائية المقيسة. توضِّح الطرق الإحصائية أن القيم المقيسة تكون أكثر دقةً عند إجراء مزيد من القياسات لأي كمية كيميائية واحدة. عادةً لا يُجري الكيميائيون قياسًا واحدًا لكمية كيميائية مجهولة. يقيس الكيميائيون الكمية الكيميائية نفسها عدة مرات لإيجاد قيمة متوسطة أكثر دقةً. يمكن أيضًا إجراء مقارنات مع بيانات مرجعية لضمان قياس الكمية الكيميائية بدقة.