المخاليط غير المتجانسة: كيفية التعرّف عليها في كيمياء HSC
تعلّم كيفية التعرّف على المخاليط غير المتجانسة من خلال فهم التركيب غير الموحّد والتوزيع غير المتساوي للجسيمات والأطوار المنفصلة. يتضمن أمثلة ومفاهيم خاطئة وقواعد للتصنيف وفق أسلوب أسئلة HSC.
تخيّل أنك تأخذ ملعقة من أعلى وعاء يحتوي على ماء موحل، ثم تأخذ ملعقة أخرى من قاعه. هل ستحتوي كلتا الملعقتين على الكمية نفسها من التربة؟
على الأرجح لا. فمن المرجح أن تحتوي العينة المأخوذة من القاع على كمية أكبر من الجسيمات الصلبة. وتوضح لنا هذه الملاحظة البسيطة الفكرة الأساسية وراء المخلوط غير المتجانس: إذ لا يكون تركيبه موحّدًا في جميع أجزائه.
لكن الأمر الذي قد يسبب بعض الالتباس هو أنك لا تستطيع دائمًا تحديد نوع المخلوط بمجرد النظر إليه. فبعض المخاليط غير المتجانسة تحتوي على مناطق منفصلة واضحة. أما بعضها الآخر، فيبدو متجانسًا إلى حد كبير، إلى أن تفكر في كيفية توزّع جسيماته فعليًا.
01ابدأ باختبار العينات
لنفترض أن لديك أربع مواد:
- ماء مالح
- ماء موحل
- الغرانيت
- زيت مخلوط بالماء
قبل متابعة القراءة، توقّع أيًّا منها يُعدّ مخلوطًا غير متجانس.
يكون الماء المالح عادةً متجانسًا إذا ذاب الملح بالكامل. فالعينة الصغيرة المأخوذة من أي موضع في المحلول لها التركيب نفسه تقريبًا.
أما المواد الثلاث الأخرى فهي مخاليط غير متجانسة.
في الماء الموحل، تحتوي بعض المناطق على جسيمات تربة أكثر من غيرها. ويحتوي الغرانيت على معادن مختلفة يمكن تمييزها بالعين. أما الزيت والماء، فينفصلان إلى مناطق سائلة مختلفة.
وهذا يعطينا اختبارًا أوليًا مفيدًا:
إذا أمكن أن تختلف تراكيب العينات المأخوذة من أجزاء مختلفة من المخلوط، فإن المخلوط يكون غير متجانس.
هذا الاختبار أكثر موثوقية من مجرد التساؤل عمّا إذا كان المخلوط «يبدو ممتزجًا».
02ماذا يعني «التركيب غير الموحّد» فعليًا؟
يتكوّن المخلوط من مادتين أو أكثر جُمعت فيزيائيًا، بدلًا من أن ترتبط كيميائيًا لتكوّن مادة نقية واحدة.
في المخلوط غير المتجانس، لا تتوزع هذه المواد بالتساوي في جميع أنحاء العينة.
لنفكّر في الماء الموحل.
في لحظة معينة، قد تجد عددًا كبيرًا من جسيمات التربة العالقة بالقرب من القاع، وعددًا أقل منها بالقرب من السطح. وإذا أخذت عينتين، حجم كل منهما 10 mL، فقد تحتويان على كتلتين مختلفتين من التربة.
لذلك نصف التركيب بأنه غير موحّد.
قارن ذلك بالملح الذي ذاب بالكامل في الماء. إذ تتوزع الأيونات الذائبة في جميع أنحاء المحلول على مستوى الجسيمات. وينبغي أن يكون للعينة الصغيرة المأخوذة من الأعلى والعينة الصغيرة المأخوذة من الأسفل التركيب نفسه تقريبًا.
وهذا ما يُسمّى المخلوط المتجانس.
تحقّق من فهمك
يحتوي كأس على الرمل والماء. وبعد تركه عدة دقائق، يستقر معظم الرمل في القاع. هل يُعدّ المخلوط غير متجانس؟
الإجابة: نعم.
تحتوي المنطقة السفلية على كمية من الرمل أكبر بكثير من المنطقة العلوية، لذا يتغير التركيب بحسب الموضع الذي تأخذ منه العينة.
03يتيح لك توزيع الجسيمات طريقة أخرى لفهم الفكرة
قد يبدو مصطلح «التركيب غير الموحّد» مجردًا بعض الشيء. لكن الفكرة تصبح أسهل عندما تتخيّل الجسيمات.
تخيّل أنك أسقطت مئات الخرزات الحمراء والزرقاء في وعاء شفاف.
إذا توزعت الخرزات الحمراء والزرقاء بالتساوي في جميع أنحاء الوعاء، فمن المفترض أن تحتوي أي كمية صغيرة تأخذها على نسب متقاربة من اللونين. وهذا يشبه المخلوط المتجانس.
والآن، تخيّل أن معظم الخرزات الحمراء تجمّعت في القاع، بينما بقي معظم الخرزات الزرقاء بالقرب من السطح. عندئذٍ، تختلف توزيعات الجسيمات بين أجزاء الوعاء.
وهذا يشبه المخلوط غير المتجانس.
هذا التشبيه مفيد لأن الخرزات المختلفة تمثّل مواد مختلفة.
لكن لهذا التشبيه حدودًا. فقد تكون الجسيمات الكيميائية الحقيقية ذرات أو جزيئات أو أيونات صغيرة جدًا بحيث لا يمكن رؤيتها، كما يمكن أن تحتوي المخاليط غير المتجانسة على قطرات أو جسيمات صلبة أو أطوار منفصلة أكبر بكثير من الجزيئات الفردية.
04غالبًا ما تحتوي المخاليط غير المتجانسة على أطوار مختلفة
الطور هو منطقة متميزة فيزيائيًا من المادة، تتمتع بخصائص متجانسة نسبيًا داخل تلك المنطقة.
ويُعدّ الزيت والماء أوضح مثال على ذلك.
اسكب زيتًا نباتيًا في الماء وانتظر. وستحصل عادةً على:
- طور سائل غني بالزيت في الأعلى
- طور سائل غني بالماء في الأسفل
كلتا المنطقتين سائلتان، لكنهما تظلان طورين مختلفين لأن تركيبهما وخصائصهما مختلفان.
وهذه نقطة مهمة:
ليس من الضروري أن تكون الأطوار المختلفة في حالات مختلفة من المادة.
يمكن أن يوجد طوران سائلان في المخلوط نفسه.
يحتوي مخلوط الثلج والماء السائل أيضًا على طورين، على الرغم من أن كليهما يتكوّن من المادة نفسها، وهي \(\ce{H2O}\). وهذا يعني أن مفهومي «تعدد الأطوار» و«تعدد المواد» مترابطان، لكنهما ليسا متطابقين تمامًا.
في أسئلة المخاليط ضمن منهج HSC، ركّز على المواد الموجودة وما إذا كان توزيعها موحّدًا.
توقّع النتيجة: رجّ الزيت والماء
لنفترض أنك رججت زجاجة تحتوي على الزيت والماء بقوة شديدة. ولفترة قصيرة، تنتشر قطرات الزيت الصغيرة في الماء.
هل أصبح المخلوط متجانسًا فجأة؟
لا.
يجعل الرجّ القطرات أصغر ويوزّعها بصورة أكثر انتظامًا لبعض الوقت، لكن الزيت لم يذب على المستوى الجزيئي. فما زالت توجد مناطق صغيرة من الزيت منفصلة عن الماء.
وبعد مرور وقت كافٍ، تتحد القطرات عادةً مرة أخرى، وتصبح الطبقتان السائلتان واضحتين.
05المثال 1: الغرانيت
إذا نظرت عن كثب إلى قطعة من الغرانيت، فقد ترى بقعًا ذات ألوان وأنسجة مختلفة.
تحتوي هذه المناطق على معادن مختلفة، تشمل عادةً الكوارتز والفلسبار والميكا.
خذ قطعة صغيرة جدًا من إحدى المناطق، فقد تحتوي في معظمها على الكوارتز. وخذ قطعة أخرى، فقد تحتوي على كمية أكبر من الفلسبار.
لذلك، يكون تركيب الغرانيت غير موحّد.
الاستنتاج: الغرانيت مخلوط غير متجانس.
لاحظ طريقة الاستدلال. لم نصنّف الغرانيت على أنه غير متجانس لمجرد أن «الصخور تبدو معقدة»، بل صنّفناه استنادًا إلى التوزيع غير المتساوي لمكوّناته.
تحقّق من فهمك
يقول أحد الطلاب:
«الغرانيت مادة صلبة، لذلك لا بد أن يكون مادة نقية».
ما الخطأ في هذا الاستدلال؟
الإجابة: تخبرنا الحالة الفيزيائية ما إذا كانت المادة صلبة أو سائلة أو غازية، لكنها لا تخبرنا ما إذا كانت نقية.
الغرانيت مادة صلبة، لكنه يحتوي على عدة معادن مختلفة موزعة بصورة غير موحّدة في جميع أنحاء الصخر.
06المثال 2: عصير البرتقال المحتوي على اللب
تأمّل زجاجة من عصير البرتقال تحتوي على اللب.
مباشرةً بعد رجّ الزجاجة، قد يبدو اللب موزعًا في جميع أنحاء السائل. لكن إذا تركت الزجاجة ساكنة، فقد يستقر بعض اللب في القاع.
هل ستحتوي بالضرورة عينة حجمها 20 mL مأخوذة من الأعلى على كمية اللب نفسها الموجودة في عينة حجمها 20 mL مأخوذة من مستوى أدنى؟
لا.
فجسيمات اللب الصلبة ليست موزعة بالتساوي على مستوى الجسيمات، وقد يتغير توزيعها بمرور الوقت.
الاستنتاج: عصير البرتقال الذي يحتوي على لب معلّق هو مخلوط غير متجانس.
يوضح هذا المثال أيضًا سبب عدم اشتراط وجود طبقات مرئية.
فقد يكون المخلوط غير متجانس حتى عندما لا تكون مكوّناته المختلفة قد تكوّنت في صورة طبقات منتظمة وواضحة.
07المثال 3: تتبيلة السلطة من الزيت والخل
لنفترض أنك أعددت تتبيلة من الزيت والخل.
يتكوّن الخل أساسًا من الماء الذي يحتوي على مواد ذائبة، مثل حمض الإيثانويك. وعند إضافة الزيت، لا يمتزج الزيت والخل ذو الأساس المائي امتزاجًا كاملًا على المستوى الجزيئي.
إذا تُركت الزجاجة ساكنة، تتكوّن منطقتان.
تحتوي العينة المأخوذة من الطبقة العلوية على نسبة من الزيت أكبر بكثير من تلك الموجودة في العينة المأخوذة من الطبقة السفلية.
لذلك:
- يتغير التركيب في أنحاء الزجاجة.
- تشغل المواد مناطق أو أطوارًا منفصلة.
- يكون المخلوط غير متجانس.
رجّ الزجاجة، فتصبح القطرات أصغر، لكن تصنيف المخلوط لا يتغير لمجرد أنه يبدو أكثر تجانسًا بصورة مؤقتة.
08أكثر الأخطاء إغراءً: «لا أستطيع رؤية أجزاء مختلفة، إذن المخلوط متجانس»
تنجح هذه القاعدة أحيانًا، وهذا هو سبب الوقوع في الخطأ.
فالرمل والماء يبدوان بوضوح مخلوطًا غير متجانس. وكذلك الزيت والماء. لذا يسهل أن تبدأ بالاعتقاد أن الانفصال المرئي هو تعريف المخلوط غير المتجانس.
لكنه ليس كذلك.
السؤال الحقيقي هو ما إذا كان التركيب موحّدًا.
تحتوي بعض المخاليط غير المتجانسة على جسيمات أو قطرات صغيرة جدًا يصعب تمييزها بالعين المجردة.
ويُعدّ الحليب مثالًا مفيدًا. فقد يبدو سائلًا أبيض متجانسًا، لكنه يحتوي على قطرات دهنية دقيقة موزعة في سائل أساسه الماء. وتشكّل هذه القطرات نظامًا غروانيًا، لذلك يُعدّ الحليب غير متجانس على المستوى المجهري.
القاعدة الأفضل هي:
لا تكتفِ بما تستطيع عيناك رؤيته. اسأل ما إذا كانت المواد موزعة بانتظام لتشكّل طورًا واحدًا عند مستوى الجسيمات ذي الصلة.
تحقّق من فهمك
يُمزج سائلان، فيتكوّن محلول صافٍ واحد. ولا تبقى أي قطرات أو طبقات منفصلة، كما أن العينات المأخوذة من مناطق مختلفة لها التركيب نفسه.
هل المخلوط غير متجانس أم متجانس؟
الإجابة: متجانس.
تتوزع المواد بانتظام في طور واحد.
09قاعدة عملية لاتخاذ القرار
عندما يطلب منك سؤال في HSC تصنيف مخلوط، اتبع هذه الأسئلة بالترتيب.
| السؤال | ما الذي يشير إليه؟ |
|---|---|
| هل ستكون تراكيب العينات المأخوذة من مناطق مختلفة متباينة؟ | إذا كانت الإجابة نعم، فالمخلوط غير متجانس |
| هل يمكنك تحديد جسيمات أو مناطق أو طبقات أو أطوار منفصلة؟ | دليل قوي على أن المخلوط غير متجانس |
| هل يمكن أن تستقر المادة المعلّقة بمرور الوقت؟ | يكون المخلوط عادةً غير متجانس |
| هل تتوزع جميع المكوّنات بانتظام في طور واحد؟ | المخلوط متجانس |
| هل يبدو المخلوط متجانسًا فحسب؟ | لا تكفي هذه المعلومة وحدها للحكم |
السؤال الأول هو الأهم.
10تدريب: صنّف هذه المخاليط
السؤال 1: التربة
تحتوي حفنة من تربة الحديقة على جسيمات معدنية وحجارة صغيرة ومواد عضوية وماء. هل هي غير متجانسة؟
الإجابة: نعم.
تحتوي الأجزاء المختلفة من التربة على كميات مختلفة من كل مكوّن. لذا فإن تركيبها غير موحّد.
السؤال 2: السكر المذاب بالكامل في الماء
يضيف طالب كمية صغيرة من السكر إلى الماء ويحرّكه حتى تختفي البلورات تمامًا. هل المخلوط الناتج غير متجانس؟
الإجابة: لا. إنه متجانس.
تتوزع جزيئات السكر في جميع أنحاء الماء، فتنتج محلولًا واحدًا ذا تركيب موحّد تقريبًا.
السؤال 3: كمية زائدة من الملح
يُضاف الملح إلى الماء حتى لا تذوب منه كمية إضافية. ويبقى ملح صلب زائد في القاع.
هل النظام النهائي متجانس أم غير متجانس؟
الإجابة: غير متجانس.
يجدر الانتباه إلى هذه الحالة، لأن الجزء السائل نفسه عبارة عن محلول ملحي متجانس، لكن النظام الكامل يحتوي على:
- طور سائل من المحلول الملحي.
- طور منفصل من الملح الصلب.
وبما أن العينة كاملة ليست موحّدة، فإن المخلوط الكلي غير متجانس.
السؤال 4: الخرسانة
تحتوي الخرسانة على الأسمنت والرمل والحصى والماء أثناء تحضيرها. وبعد تصلّبها، تبقى المكوّنات الصلبة المختلفة موزعة في المادة.
هل الخرسانة غير متجانسة؟
الإجابة: نعم.
يمكن أن تحتوي المناطق الصغيرة المختلفة على كميات مختلفة من الركام والمواد ذات الأساس الأسمنتي. لذلك، لا يكون التركيب متطابقًا في جميع الأجزاء.
11ما الذي ينبغي أن تكون قادرًا على كتابته في إجابة HSC؟
إذا طُلب منك تبرير سبب كون مخلوط ما غير متجانس، فلا تكتفِ بقول:
«إنه يحتوي على مواد مختلفة».
فهذه الإجابة غير كافية، لأن المخاليط المتجانسة تحتوي أيضًا على مواد مختلفة.
بدلًا من ذلك، اربط إجابتك بكيفية التوزيع:
المخلوط غير متجانس لأن مكوّناته ليست موزعة بانتظام في جميع أنحاء العينة، ولذلك يمكن أن تختلف التراكيب بين المناطق المختلفة.
إذا كانت الأطوار المنفصلة ذات صلة، فأضف ذلك:
المخلوط غير متجانس لأن مكوّناته تكوّن أطوارًا منفصلة، مما يؤدي إلى تركيب غير موحّد.
يوضح هذا التفسير الخاصية التي تميّز المخاليط غير المتجانسة فعلًا عن المخاليط المتجانسة.
وبمجرد أن تتمكن من التمييز بينهما بثقة، ستكون الخطوة المفيدة التالية هي فهم سبب تكوّن بعض المواد محاليل متجانسة، بينما تبقى مواد أخرى على هيئة جسيمات أو أطوار منفصلة. وهذا يقود إلى موضوعات الذوبانية والقوى بين الجزيئية وطرائق فصل المخاليط.