الكيمياء المدرسية — من الصف الأول إلى الصف الثاني عشر · Grades 1–12
10التعرف على المواد
يُعثر في مسرح لغز صغير على ورقة مجعّدة كُتبت بقلم لبّاد أسود، ويُعثر في ثلاث حقائب مختلفة على ثلاثة أقلام لبّاد. تبدو الأحبار الثلاثة للعين بالسواد نفسه. ولا يحتاج كيميائي الأدلة الجنائية إلا إلى شريط من الورق، وقليل من الماء، ونصف ساعة ليقول أي قلم كتب الورقة. فالكيميائيون يتعرفون على المواد لا بمظهرها، بل بسلوكها في اختبار اختير لها.
ما تعرفه من قبل
النوع الكيميائي صنف معيّن من المواد؛ والمادة النقية تحوي نوعًا واحدًا، والخليط عدة أنواع (الفصل 8). وبعض المواد يذوب جيدًا في مذيب، وبعضها قليلًا أو لا يذوب أبدًا: لكل منها ذوبانيته (الفصل 9).
10.1 ما الاختبار المميِّز
تعريف 10.1 (الاختبار المميِّز والكاشف)
الاختبار المميِّز لنوع كيميائي تجربة بسيطة تعطي نتيجة مرئية مع هذا النوع، ولا تعطيها مع الأنواع الأخرى التي نلقاها في الموقف نفسه. ويستعمل مادة مختارة لهذا الغرض هي الكاشف.
طريقة 10.2 (إجراء اختبار مميِّز)
- خذ عيّنة صغيرة من المادة المراد اختبارها.
- أضف الكاشف، أو اجعله يلامس العيّنة، كما يصف الاختبار.
- لاحظ: تغيّر لون، أو تعكّر، أو لهب، أو صوت.
- استنتج: يكون الاختبار إيجابيًا إذا ظهرت النتيجة المتوقعة، وسلبيًا إذا لم تظهر.
- أجرِ الاختبار نفسه على عيّنة نعلم أنها لا تحوي النوع (وهي الشاهد): يجب أن يبقى سلبيًا، وإلا فالنتيجة لا تثبت شيئًا.
10.2 أربعة اختبارات تقليدية
قضية 10.3 (ثنائي أكسيد الكربون يعكّر ماء الجير)
ماء الجير محلول رائق عديم اللون. فإذا مُرّر فيه ثنائي أكسيد الكربون فقاعاتٍ صار حليبيًا، عكرًا أبيض. والهواء المزفور عبر ماصّة يعكّر ماء الجير؛ أما الهواء النقي الذي يُضخ فيه فلا يكاد يعكّره.
قضية 10.4 (الماء يُزرّق كبريتات النحاس اللامائية)
كبريتات النحاس اللامائية مسحوق أبيض. وقطرة ماء تجعلها زرقاء في الحال. ويبيّن الاختبار وجود الماء، في سائل أو في جسم صلب رطب — لا أن السائل ماء نقي.
السلامة
كبريتات النحاس: ضارة إذا ابتُلعت ومهيّجة للجلد (GHS07)؛ وقد تؤذي العينين أذى بالغًا (GHS05)؛ وشديدة السمية للأحياء المائية، مع آثار طويلة الأمد (GHS09). نظارات واقية وقفازات؛ وتُجمع النفايات، ولا تُصب أبدًا في المغسلة.
قضية 10.5 (الأكسجين يعيد إشعال عود متوهج)
يُشعل عود خشبي، ثم يُطفأ بالنفخ فلا يبقى منه إلا توهج أحمر. فإذا أُدخل العود المتوهج في أنبوب اختبار فيه أكسجين عاد يشتعل لهبًا.
قضية 10.6 (الهيدروجين يحترق بفرقعة حادة)
العود المشتعل الذي يُمسك عند فوهة أنبوب اختبار صغير فيه هيدروجين يُحدث «فرقعة» قصيرة حادة: فالهيدروجين يحترق فورًا مع أكسجين الهواء.
السلامة
الهيدروجين: غاز شديد القابلية للاشتعال (GHS02)، يُخزَّن تحت الضغط في أسطوانات (GHS04). ولا يُجرى اختبار الفرقعة إلا ببضعة ميليلترات، ويُجريه المعلم.
10.3 الكروماتوغرافيا الورقية
تعريف 10.7 (الكروماتوغرافيا الورقية والكروماتوغرام)
الكروماتوغرافيا الورقية تفصل صبغات خليط. توضع بقعة صغيرة من الخليط على خط مرسوم قرب أسفل شريط من الورق؛ ويُغمس أسفل الشريط في مذيب يصعد ببطء في الورق ويحمل معه كل صبغة، بعضها أسرع من بعض. وحين يكاد المذيب يبلغ أعلى الشريط يُخرج الشريط ويُجفف: فهو الكروماتوغرام.
طريقة 10.8 (قراءة الكروماتوغرام)
- عُدّ البقع فوق كل نقطة انطلاق: بقعة واحدة تعني صبغة واحدة؛ وبقعتان أو أكثر تعني خليطًا من الصبغات.
- قارن الارتفاعات: في الكروماتوغرام الواحد تصعد الصبغة الواحدة دائمًا إلى الارتفاع نفسه. والبقعة التي في ارتفاع صبغة معروفة هي على الأرجح تلك الصبغة.
- ارسم الخط بقلم الرصاص، لا بالحبر أبدًا: فالحبر نفسه سيفصله المذيب.
مثال 10.9 (صبغات الحلوى)
تُكشط الأغلفة الملونة لحبات الحلوى في قليل من الماء، وتوضع بقعًا على شريط إلى جانب بقع من صبغات الطعام المسموح بها في الحلوى. فيبيّن الكروماتوغرام أن الغلاف الأخضر يحوي صبغة صفراء وصبغة زرقاء، وكلتاهما من الصبغات المسموح بها.
10.4 قراءة جدول الاختبارات
قضية 10.10 (جدول الاختبارات المميِّزة)
يحفظ الكيميائيون الاختبارات التي يستعملونها في جدول، هو جدول الاختبارات، ويُقرأ من اليمين إلى اليسار:
| النوع المبحوث عنه | الكاشف أو الاختبار | النتيجة الإيجابية | |
|---|---|---|---|
| ثنائي أكسيد الكربون | ماء الجير | يتعكّر ماء الجير | |
| الماء | كبريتات النحاس اللامائية | يصير الأبيض أزرق | |
| الأكسجين | عود متوهج | يعود العود فيشتعل | |
| الهيدروجين | عود مشتعل | فرقعة حادة | |
| صبغات خليط | الكروماتوغرافيا الورقية | بقعة لكل صبغة |
ملاحظة 10.11 (ما لا يقوله الاختبار)
الاختبار الإيجابي يثبت أن النوع موجود، لا أنه وحده: فالسائل الذي يُزرّق كبريتات النحاس يحوي ماءً، لكنه قد يكون ماءً مالحًا أو عصير برتقال. أما الاختبار السلبي فلا يقول إلا إن النوع غائب، أو موجود بمقدار أصغر من أن يظهر.
10.5 تمارين
تمرين 10.1 ★
أي اختبار يتعرف على ثنائي أكسيد الكربون؟ صف نتيجته الإيجابية.
حل
حل التمرين 10.1.
اختبار ماء الجير: يُمرّر الغاز فقاعاتٍ في ماء الجير الرائق، فيتعكّر إذا كان الغاز ثنائي أكسيد الكربون.
تمرين 10.2 ★
مسحوق أبيض يصير أزرق حين يُقطر عليه سائل. ماذا يبيّن هذا عن السائل؟
حل
حل التمرين 10.2.
المسحوق هو كبريتات النحاس اللامائية، والسائل يحوي ماءً.
تمرين 10.3 ★
يوضع عود متوهج في مخبار غاز فيعود يشتعل لهبًا. أي غاز في المخبار؟
حل
حل التمرين 10.3.
الأكسجين.
تمرين 10.4 ★
لماذا يُرسم خط الانطلاق في الكروماتوغرافيا الورقية بقلم الرصاص لا بالحبر؟
حل
حل التمرين 10.4.
رصاص القلم لا يذوب في المذيب. أما خط الحبر فسيصعد هو نفسه وينفصل، فيفسد الكروماتوغرام.
تمرين 10.5 ★★
لماذا يجب أن يكون خط الانطلاق فوق مستوى المذيب في الكأس؟
تمرين 10.6 ★★
يبيّن كروماتوغرام حبر أخضر بقعتين، إحداهما في ارتفاع صبغة مرجعية صفراء، والأخرى في ارتفاع صبغة مرجعية زرقاء. هل الحبر الأخضر مادة نقية؟ ومِمَّ يتكون؟
تمرين 10.7 ★★
مستعينًا بجدول الاختبارات، أي اختبار تستعمل لتبيّن أن غازًا منطلقًا من تفاعل هو الهيدروجين؟ وماذا تتوقع أن ترى؟
حل
حل التمرين 10.7.
اجمع قليلًا من الغاز في أنبوب اختبار وأمسك عودًا مشتعلًا عند فوهته: فالفرقعة الحادة تدل على الهيدروجين.
تمرين 10.8 ★★
الهواء المزفور يعكّر ماء الجير أسرع بكثير من الهواء النقي. ماذا يخبرنا هذا عن الهواء الذي نزفره؟
تمرين 10.9 ★★
سائل رائق يُزرّق كبريتات النحاس اللامائية. فيستنتج سام: «إنه ماء نقي.» اشرح لماذا أخطأ سام.
حل
حل التمرين 10.9.
يبيّن الاختبار وجود الماء، لا أنه وحده: فالماء المالح أو العصير أو أي خليط مائي يُزرّق المسحوق أيضًا.
تمرين 10.10 ★★
انظر إلى كروماتوغرام الحبر الأسود في هذا الفصل. كم صبغة يحوي الحبر؟ وأي صبغة صعدت أعلى من غيرها؟
حل
حل التمرين 10.10.
ثلاث صبغات (ثلاث بقع). والصبغة الصفراء صعدت أعلى من غيرها.
تمرين 10.11 ★★★
ثلاثة مخابير فيها الأكسجين والهيدروجين وثنائي أكسيد الكربون، لكن ملصقاتها ضاعت. خطّط على الورق للاختبارات التي تسمّي كل مخبار، بترتيب يستعمل أقل عدد ممكن من الاختبارات.
حل
حل التمرين 10.11.
مثلًا: عود متوهج في كل مخبار — فالمخبار الذي يعيد إشعاله فيه الأكسجين. وفي المخبارين الآخرين، عود مشتعل عند الفوهة — فالفرقعة الحادة تدل على الهيدروجين. والمخبار الأخير فيه ثنائي أكسيد الكربون (ويمكن التحقق منه بماء الجير). فاختباران أو ثلاثة تكفي.
تمرين 10.12 ★★★
يختبر تلميذ غازًا بماء الجير فلا يرى شيئًا يحدث. أعطِ تفسيرين ممكنين، واختبار الشاهد الذي يساعد على الحسم.
حل
حل التمرين 10.12.
قد لا يحوي الغاز ثنائي أكسيد الكربون، أو يحوي منه قليلًا جدًا لا يظهر في تلك المدة. واختبار شاهد بهواء الزفير، المعروف أنه يحوي ثنائي أكسيد الكربون، يتحقق من أن ماء الجير صالح للعمل.
10.6 مسألة: الورقة المزوّرة
مسألة 10.1
مسألة نهاية الأسبوع — ورقة بقلم لبّاد، وثلاثة أقلام مشبوهة، وثلاث أسطوانات غاز بلا ملصقات، وجدول اختبارات
يُطلب من مختبر مدرسي أن يساعد في حل لغزين صغيرين. الأول: يجب ربط ورقة كُتبت بقلم لبّاد أسود بواحد من ثلاثة أقلام سوداء، 1 و2 و3. تؤخذ قطرة حبر من الورقة ومن كل قلم، وتوضع بقعًا على شريط الورق نفسه، ثم يُنشر الشريط بالماء. والكروماتوغرام مبيّن أدناه.
الجزء الأول — الكروماتوغرام.
- لماذا وُضعت الأحبار الأربعة كلها على الشريط نفسه ونُشرت معًا؟
- هل حبر الورقة مادة نقية أم خليط؟ علّل.
- كم صبغة يحوي حبر القلم 1؟ وهل يمكن أن يكون القلم 1 قد كتب الورقة؟
- القلم 3 يحوي أيضًا ثلاث صبغات. لماذا لا يمكن أن يكون قد كتب الورقة؟
- أي قلم يطابق الورقة؟ علّل مستعينًا بارتفاعات البقع.
الجزء الثاني — ثلاث أسطوانات غاز. اللغز الثاني: ثلاث أسطوانات صغيرة، X وY وZ، ضاعت ملصقاتها؛ وهي تحوي الأكسجين والهيدروجين وثنائي أكسيد الكربون. يُجمع قليل من غاز كل منها في أنبوب اختبار. الغاز X يعيد إشعال عود متوهج. والغاز Y يُحدث فرقعة حادة مع عود مشتعل. والغاز Z يعكّر ماء الجير.
- سمِّ الغاز X.
- سمِّ الغاز Y.
- سمِّ الغاز Z.
- قبل اختبار الغاز Z يمرّر التلميذ هواءً عاديًا في ماء الجير نفسه المدة نفسها، فيبقى رائقًا. ماذا يسمى هذا الاختبار الثاني، وماذا يضيف إلى الاستنتاج؟
الجزء الثالث — جدول الاختبارات.
- سائل عديم اللون وُجد بجانب الورقة يُزرّق كبريتات النحاس اللامائية. اكتب سطر جدول الاختبارات المستعمل، وما تبيّنه النتيجة.
- هل تثبت هذه النتيجة أن السائل ماء نقي؟ علّل.
- اختم اللغز الأول: كم صبغة يحوي حبر الورقة، وأي قلم كتبها؟
حل
حل المسألة 10.1.
1. لكي تكون الشروط (الورق، والمذيب، والمدة) واحدة للأحبار الأربعة: فعندئذ فقط يمكن مقارنة ارتفاعات البقع.
2. خليط: فحبرها يعطي ثلاث بقع منفصلة، أي ثلاث صبغات.
3. صبغتان. لا: فحبر الورقة فيه ثلاث صبغات، وليس في القلم 1 لا الصبغة الحمراء ولا الصبغة الصفراء.
4. بقعه الثلاث ليست في ارتفاعات بقع الورقة نفسها: فهي ثلاث صبغات مختلفة.
5. القلم 2: فبقعه الثلاث في ارتفاعات بقع الورقة الثلاث تمامًا.
6. الأكسجين.
7. الهيدروجين.
8. ثنائي أكسيد الكربون.
9. اختبار شاهد (شاهد سلبي). وهو يبيّن أن ماء الجير لا يتعكّر من تلقاء نفسه، ولا بالهواء العادي في تلك المدة: فتعكّره بالغاز Z آتٍ حقًا من ثنائي أكسيد الكربون.
10. «الماء — كبريتات النحاس اللامائية — يصير الأبيض أزرق»: السائل يحوي ماءً.
11. لا. فالاختبار الإيجابي يبيّن أن الماء موجود، لا أنه لا يوجد شيء غيره: فقد يكون السائل محلولًا أو خليطًا مائيًا آخر.
12. حبر الورقة يحوي 3 صبغات، والقلم 2 هو الذي كتب الورقة.