نسخة الفيديو النصية
في هذا الفيديو، سوف نتعرف على الأنواع المختلفة للتحليل الكيميائي التي يستخدمها الكيميائيون وغيرهم من العلماء.
دعونا نتعرف على مصطلحين أساسيين يستخدمان في التحليل الكيميائي. العينة هي كمية صغيرة من مادة مأخوذة من كمية أكبر تمثل المادة السائبة الأصلية. عندما نقول إن العينة تمثل المادة السائبة، فإننا نعني أن لها نفس الخواص الفيزيائية والكيميائية لمادة المصدر الأصلية أو خواص مشابهة للغاية لها. أي مادة في عينة يجرى فحصها أو تحليلها تسمى المادة المراد تحليلها. والآن بعد أن عرفنا هذين التعريفين، دعونا نلق نظرة على بعض الأمثلة العملية للعينات والمواد المراد تحليلها التي يحللها الكيميائيون والعلماء الآخرون بصورة دورية.
يستخدم التحليل الكيميائي في الطب. على سبيل المثال، يمكن تحليل عينة من الدم لمعرفة تركيزات المواد الآتية: الكوليسترول، أو نسبة السكر في الدم، أو الهرمونات، أو العديد من المواد الأخرى المراد تحليلها. يجري الأطباء والكيميائيون والصيادلة والعاملون في المختبرات الصحية هذه التحاليل الكيميائية لمعرفة الدواء الذي قد يحتاج إليه المريض.
في مجال الزراعة، ربما يحلل المزارعون وعلماء التربة عينة من التربة لدراسة الأس الهيدروجيني أو التركيب العنصري. ويساعد هذا التحليل المزارعين على تحديد إذا ما كان محصول معين مناسبًا للزراعة في تربة محددة أم لا، وأي سماد هو الأفضل.
وفي مجال الأغذية، يدرس اختصاصيو التغذية وعلماء الغذاء نسب العناصر الغذائية في الأغذية المختلفة، وكذلك المركبات التي تكسب الطعام نكهة، بغرض اقتراح أنظمة غذائية مناسبة وصحية للمرضى، وتحقيق الاستفادة القصوى من أنواع الأغذية من حيث المحتوى الغذائي أو المذاق أو مدة الصلاحية.
دعونا نفرغ بعض المساحة. عينات الهواء والتربة والأنهار، على سبيل المثال، تحلل في إطار دراسات بيئية يشرف عليها كيميائيون مختصون بشئون البيئة لأهداف مثل الكشف عن السموم ومستوياتها.
ثمة مثال أخير على مجالات استخدام التحليل الكيميائي، وهو الهندسة. فقد يأخذ المهندسون الميكانيكيون وعلماء المعادن عينات من السبائك من مكونات الآلات لدراسة تركيبها العنصري وقوتها ذات الصلة. يساعدهم إجراء هذا التحليل على تحسين خواص المواد. على سبيل المثال، يمكنهم تصميم مكونات آلات أقوى أو أكثر مقاومة للتآكل.
ما هذا إلا غيض من فيض من الأمثلة العديدة على عمليات التحليل الكيميائي في الحياة الواقعية.
والآن لنلق نظرة على أنواع التحليل الكيميائي. يمكننا تحليل المواد الكيميائية أو المواد المراد تحليلها في عينة بطريقتين: كيفيًّا أو كميًّا. التحليل الكيفي، المشتق من كلمة الكيفية أو النوعية، هو التعرف على المواد الموجودة في عينة ما، أو بعبارة أخرى هو معرفة المكونات التي تتألف منها العينة، أو أي عناصر أو أيونات أو مركبات أو مخاليط من هذه الأشياء تتكون منها العينة؟ العديد من العينات مخاليط من مركبات مختلفة، ولكن بعضها عينات نقية. على سبيل المثال، يحتوي ملح الطعام النقي على أيونات الصوديوم، Na+، وأيونات الكلوريد،
Cl−. وإذا أجرينا تحليلًا كيفيًّا للماء النقي، فسنجد جزيئات H2O فقط.
التحليل الكيفي لعينة دم يوضح أن الدم خليط يحتوي على خلايا دم حمراء، وخلايا دم بيضاء، وماء، ومركبات هرمونية، وأيونات مثل أيون الكالسيوم، Ca2+، وأيونات الصوديوم، Na+، وأيونات الكلوريد،
Cl−، ومركبات سكر مختلفة، وغازات مثل ثاني أكسيد الكربون، فضلًا عن مركبات أخرى عديدة مثل اليوريا والكوليسترول وما إلى ذلك. هذه جميعها مواد قد نريد تحليلها، ويمكن التعرف عليها من خلال تحليل عينة الدم تحليلًا كيفيًّا. حتى الهواء خليط يمكننا تحليله تحليلًا كيفيًّا. ومكونات الهواء التي يمكننا تحديدها في عينة منه قد تكون غاز النيتروجين، وغاز الأكسجين، وبخار الماء، وغاز ثاني أكسيد الكربون، وغاز الأرجون، وكذلك غازات NOx أو غازات أكاسيد النيتروجين، وهي مواد ملوثة؛ وغير ذلك من الملوثات مثل أول أكسيد الكربون أو حتى الجسيمات الصلبة مثل السخام أو الغبار.
ذكرنا حتى الآن أن التحليل الكيفي يساعدنا في التعرف على المكونات الموجودة في العينة، وما إذا كانت العينة نقية وتتكون من مكون واحد فقط أم أنها خليط. لكل عينة نقية خواص فيزيائية مميزة، مثل درجة الانصهار ودرجة الغليان والذوبانية والكتلة المولية. دعونا نفكر في الماء النقي. نعلم أنه يبدو عديم اللون مع مسحة بسيطة من الأزرق، ويغلي عند درجة حرارة 100 درجة سلزية بالضبط وضغط قدره واحد ضغط جوي. وبهذه الطريقة، يمكننا التعرف على الماء النقي. فتغلي عينات الماء الملوث أو غير النقي عند درجات حرارة أعلى قليلًا من 100 درجة سلزية.
على الجانب الآخر، يجب فصل المخاليط إلى مكوناتها أولًا، ثم يمكن التعرف على هذه المركبات. يمكن تصنيف المواد النقية بشكل عام إلى مواد عضوية وغير عضوية. يمكننا التعرف على المادة العضوية المراد تحليلها عن طريق العناصر الموجودة بها إلى جانب المجموعات الوظيفية الموجودة في المركب. يستخدم العديد من أنواع الإشعاع الكهرومغناطيسي في المعدات الحديثة للتحليل الكيفي. وعادة ما تدرس المجموعات الوظيفية العضوية على وجه التحديد باستخدام التحليل الطيفي بالأشعة تحت الحمراء، الذي يستخدم ضوء الأشعة تحت الحمراء؛ حيث تتفاعل كل مجموعة وظيفية على نحو مختلف مع ضوء الأشعة تحت الحمراء، وهو ما يعطينا نمطًا مميزًا لهذه المجموعة الوظيفية.
أما المواد غير العضوية، مثل أيونات الفلزات، فيمكن التعرف عليها من خلال اللون الذي ينتج عنها خلال اختبارات اللهب. ويمكن التعرف على بعض الأيونات من خلال تفاعلاتها المميزة. على سبيل المثال، يمكننا التعرف على أيون الكلوريد في محلول عن طريق إضافة نيترات الفضة وملاحظة تكون راسب أبيض. أما أيونات البروميد، فتتفاعل على نحو مختلف مع نيترات الفضة وتكون راسبًا قشدي اللون. ويمكن الكشف عن أيونات اليوديد من خلال تكون راسب أصفر باهت، في حين لا تنتج أيونات الفلوريد راسبًا عند تفاعلها مع نيترات الفضة. ما هذه إلا بعض الأمثلة على كيفية الكشف عن وجود مواد معينة. يكون عادة من الضروري إجراء اختبارين أو أكثر لتأكيد هوية المادة في العينة. فإجراء اختبار كيفي واحد فقط ليس حاسمًا بما يكفي.
والآن لنلق نظرة على التحليل الكمي. يأتي مصطلح «كمي» من كلمة «كمية» التي تعني مقدارًا. يحتاج العلماء عادة إلى معرفة مقدار كل مكون موجود في العينة. إذن التحليل الكمي هو تحديد كمية المادة المراد تحليلها أو وفرتها في العينة. يمكن قياس كمية المكون بدلالة الكتلة، أو التركيز، أو عدد المولات، أو الوفرة النسبية. تتضمن الوحدات المختلفة لهذه الكميات الجرامات والملليجرامات والميكروجرامات للكتلة؛ والمول لكل لتر أو المولارية للتركيز، وكذلك الأجزاء لكل مليون، أو النسبة المئوية الكتلية، أو النسبة المئوية الحجمية؛ والمول لعدد المولات، والنسبة المئوية للوفرة النسبية.
من الأدوات المهمة والشائعة الاستخدام في التحليل الكمي الميزان التحليلي. والموازين التحليلية هي موازين حساسة لقياس الكتلة تستخدم في المختبرات لقياس الكتل الصغيرة بدقة.
والآن حان وقت التدريب على مثال.
أي من الآتي ليس مثالًا للتحليل الكيميائي الكيفي؟ (أ) تعيين تركيز أحد المركبات في محلول ما. (ب) التعرف على المجموعات الكاتيونية في أحد المركبات. (ج) التعرف على المجموعات الأنيونية في أحد المركبات. (د) التعرف على المجموعات الوظيفية في أحد الجزيئات. (هـ) تحديد التركيب العنصري لأحد الجزيئات.
توجد طريقتان لتحليل العينة الكيميائية، وهما التحليل الكيفي والتحليل الكمي. التحليل الكيفي هو التعرف على المواد الموجودة في العينة، أو بعبارة أخرى هو التعرف على مكونات العينة، مثل العناصر أو الأيونات أو الجزيئات أو خليط من هذه الأشياء، في حين أن التحليل الكمي هو تحديد كمية المادة أو مقدارها أو وفرتها، مثل العناصر أو الأيونات أو الجزيئات، في العينة. إذن، يتضمن التحليل الكيفي تحديد هوية المادة المراد تحليلها، في حين يتضمن التحليل الكمي معرفة كمية هذه المادة.
السؤال هو: أي من الآتي ليس مثالًا للتحليل الكيميائي الكيفي؟ بعبارة أخرى، يطلب منا السؤال تحديد الإجابة التي تعد مثالًا على التحليل الكمي الذي نقيس فيه كمية المادة المراد تحليلها. ثمة طرق مختلفة لقياس كمية المادة المراد تحليلها في العينة. فيمكننا قياس كتلتها، أو تحديد تركيزها، أو التعبير عن كميتها بدلالة المولات، أو في صورة نسبة مئوية للوفرة النسبية.
إذن فتعيين تركيز أحد المركبات في محلول ما هو مثال على التحليل الكمي. التعرف على المجموعات الكاتيونية في أحد المركبات هو تحليل كيفي. أيضًا التعرف على المجموعات الأنيونية في أحد المركبات هو عملية كيفية. التعرف على المجموعات الوظيفية الموجودة في جزيء ما لا يعد أيضًا قياسًا لكمية المادة المراد تحليلها، وعليه يمكننا استبعاد خيار الإجابة هذا أيضًا. وأخيرًا، يعتمد تحديد التركيب العنصري على تحديد العناصر الموجودة لا على كمية كل عنصر.
عرفنا بذلك إجابة السؤال: أي من الآتي ليس مثالًا للتحليل الكيميائي الكيفي؟ وهي (أ) تعيين تركيز أحد المركبات في محلول ما.
والآن، لنلخص ما تعلمناه عن التحليل الكيميائي. تعلمنا أن المادة المراد تحليلها هي مادة موجودة في العينة محل الاختبار، وأن العينة كمية صغيرة من مادة سائبة أكبر، لها نفس الخصائص الفيزيائية والكيميائية لمادة المصدر الأصلية أو خواص مشابهة للغاية. بعبارة أخرى، يجب أن تكون العينة تمثيلًا موثوقًا للمادة الأصلية.
وتعلمنا أن التحليل الكيميائي يستخدم في العديد من مجالات الحياة والصناعة، بما في ذلك الطب، والزراعة، والهندسة، وصناعة الأغذية، وحتى في الدراسات البيئية. تعلمنا أيضًا أن هناك فئتين عامتين من التحليلات الكيميائية؛ وهما التحليل الكيفي والتحليل الكمي. في التحليل الكيفي، نتعرف على المادة أو المواد المراد تحليلها. يمكن أن تكون هذه المواد عناصر أو أيونات أو جزيئات، بل يمكن أيضًا التعرف على جزء من جزيء ما مثل مجموعة وظيفية.
أما في التحليل الكمي، فنوجد أو نحدد كمية المادة أو المواد المراد تحليلها. ويمكن فعل ذلك بدلالة الكتلة أو التركيز أو عدد المولات أو الوفرة النسبية.
