الكيمياء من حولنا — الجذع المشترك العلمي

1. النوع الكيميائي والجسم الخالص والخليط

النوع الكيميائي مجموعة من كيانات كيميائية متماثلة، مثل جزيئات الماء أو جزيئات ثنائي الأكسجين. وقد تكون الكيانات ذرات أو جزيئات أو أيونات بحسب المادة المدروسة. الجسم الخالص يتكون من نوع كيميائي واحد وفق النموذج المدرسي، أما الخليط فيضم عدة أنواع. الماء المقطر مثال تقريبي لجسم خالص، والماء المعدني خليط لاحتوائه على مواد مذابة. الخليط المتجانس يبدو ذا طور واحد بالعين المجردة، بينما نميز أطوارًا في الخليط غير المتجانس. المظهر الشفاف لا يثبت النقاوة.

2. طبيعي ومصنع واصطناعي

النوع الطبيعي موجود في الطبيعة، ويمكن الحصول عليه بالاستخلاص. النوع المصنع ينتج بتحول كيميائي من متفاعلات؛ وقد يكون مطابقًا لنوع موجود طبيعيًا، مثل تصنيع جزيئة عطر توجد في نبات. أما النوع الاصطناعي بالمعنى المدرسي الضيق فهو مصنع وغير معروف في الطبيعة. إذا كانت جزيئتان متماثلتين فمصدرهما وحده لا يغير هويتهما الكيميائية؛ لكن منتجًا طبيعيًا كاملًا قد يحتوي خليطًا يختلف عن عطر مصنع نقي. لا نستنتج السلامة أو الخطورة من وصف طبيعي أو مصنع فقط.

3. التعرف والكشف التجريبي

نستعمل خواص مثل درجة الانصهار ودرجة الغليان عند ضغط معلوم والكتلة الحجمية، إلى جانب اختبارات كيميائية مناسبة. تكشف كبريتات النحاس اللامائية البيضاء عن الماء بتحولها إلى الأزرق. يعكر ثنائي أكسيد الكربون ماء الجير في الاختبار المعتاد. يعطي الغلوكوز، وهو سكر مختزل، راسبًا أحمر آجريًا مع محلول فهلنغ بعد تسخين مناسب؛ لكن هذا الاختبار لا يختص بالغلوكوز وحده، إذ تستجيب له سكريات مختزلة أخرى. يكشف ماء اليود عن النشا بلون أزرق داكن. نستعمل الشواهد ولا نتذوق العينات أو نشم مواد مجهولة مباشرة، وتنجز التجارب تحت إشراف الأستاذ.

4. الاستخلاص والفصل

الاستخلاص ينقل نوعًا موجودًا في مادة إلى وسط يسهل فصله. في الاستخلاص بمذيب نختار مذيبًا يذيب النوع المطلوب جيدًا ويكون مناسبًا من حيث السلامة. في استخلاص سائل بسائل يجب أيضًا ألا يمتزج المذيبان، ثم نفصل الطورين بقمع الفصل. نحدد موضع كل طور من كتلته الحجمية؛ الطور العضوي ليس دائمًا الأعلى. الترشيح يفصل صلبًا غير ذائب عن سائل، ولا يزيل ملحًا مذابًا من الماء. التقطير يستغل اختلاف التطاير والغليان، والاستخلاص بالتقطير المائي يساعد على جمع مكونات متطايرة من بعض النباتات ثم فصلها عن الماء.

5. التحليل الكروماتوغرافي

تفصل الكروماتوغرافيا مكونات خليط بحسب اختلاف انجذابها إلى طور ثابت وحركتها مع طور متحرك يسمى المذيب أو المُزيح. نضع بقع العينات على خط الانطلاق فوق مستوى المذيب، ثم نترك المذيب يصعد ونحدد جبهته. نحسب النسبة الجبهية Rᶠ=d/D، حيث d مسافة انتقال مركز البقعة وD مسافة انتقال جبهة المذيب من خط الانطلاق نفسه. النسبة بلا وحدة، ويجب استعمال وحدة واحدة للمسافتين. نقارن عينة بمرجع في الشروط نفسها؛ بقعتان في الارتفاع نفسه تدعمان التعرف، لكن قيمة Rᶠ ليست ثابتًا مطلقًا مستقلًا عن المذيب والطور الثابت. وقد تتراكب مكونات، لذلك بقعة واحدة لا تثبت دائمًا نقاوة تامة.

6. تصنيع نوع كيميائي ومراقبة الناتج

التصنيع تحول كيميائي يستهلك متفاعلات وينتج أنواعًا جديدة في شروط محددة. يتبع عادة إجراء التفاعل، ثم عزل الناتج وتنقيته والكشف عن هويته. عند التسخين بالارتداد يصعد البخار إلى مبرد فيتكاثف ويعود إلى الوعاء؛ يفيد ذلك في التسخين مع الحد من فقد المواد المتطايرة، ولا يساوي التقطير الذي نجمع فيه المقطر في وعاء آخر. نراجع نقاوة الناتج بخواص فيزيائية أو بكروماتوغرافيا مقارنة. تغير اللون وحده لا يكفي لتحديد هوية الناتج. الاستخلاص يفصل نوعًا موجودًا أصلًا، بينما التصنيع يكوّنه بتحول كيميائي.

خطاطة تلخيصية

مثال محلول خطوة بخطوة

6 تمارين مصححة

حاول الحل أولًا، ثم افتح التصحيح للمقارنة.

التمرين 1

الماء المعدني شفاف. هل هو جسم خالص؟

التمرين 2

ما الفرق بين استخلاص مادة عطرية من نبات وتصنيع المادة نفسها؟

التمرين 3

تحولت كبريتات النحاس اللامائية من الأبيض إلى الأزرق عند ملامسة عينة. ماذا نستنتج؟

التمرين 4

سائلان غير ممتزجين: طور مائي كتلته الحجمية 1.00 g/mL ومذيب عضوي كتلته الحجمية 1.20 g/mL. أيهما في الأسفل؟

التمرين 5

انتقلت بقعة 3.0 cm وجبهة المذيب 6.0 cm. احسب Rᶠ.

التمرين 6

هل يكفي ترشيح ماء مالح لفصل الملح المذاب؟ اقترح طريقة لجمع الماء.