كيفية تحضير محلول قياسي لكيمياء HSC
تعلّم كيفية حساب كتلة المذاب ووزنها وتحضير المحلول القياسي ونقله وتخفيفه ومزجه بدقة باستخدام دورق حجمي. افهم كيفية ضبط التركيز من خلال التحكم في كمية المذاب والحجم النهائي للمحلول.
لنفترض أنك تحتاج إلى 250.00 mL من محلول كربونات الصوديوم بتركيز \(0.1000\ \text{mol L}^{-1}\) تمامًا. تحسب الكتلة، وتزنها بعناية، وتضيف الماء، ثم تحصل على 250 mL من المحلول. هل انتهى الأمر؟
ليس بالضرورة. إذا بقي بعض المادة الصلبة في الكأس، فسيكون تركيزك أقل من المطلوب. وإذا ملأت الدورق إلى ما يتجاوز علامة المعايرة، فسيصبح التركيز أقل مرة أخرى. وإذا حاولت «تصحيح» هذا الخطأ بسكب جزء من المحلول، فسيظل التركيز غير صحيح.
لا تكمن الصعوبة في تحضير المحلول القياسي في إجراء الحساب فحسب، بل في التأكد من أن عدد المولات الذي قسته يصل بالفعل إلى الحجم النهائي المقاس بدقة.
قبل المتابعة، توقّع ما يلي: إذا كان الدورق الحجمي النظيف لا يزال رطبًا من الداخل بالماء المقطر، فهل يجب تجفيفه قبل تحضير المحلول؟
لا. سيصبح هذا الماء جزءًا من المحلول النهائي، وستستمر في إضافة الماء حتى يصل الحجم الكلي إلى علامة المعايرة. وهذه واحدة من عدة حالات يكون فيها التفكير من منظور عدد المولات والحجم النهائي أكثر فائدة من حفظ قائمة من قواعد المختبر.
01ما الذي نحاول ضبطه فعليًا؟
بالنسبة إلى أي محلول:
\[ c=\frac{n}{V} \]
حيث:
- \(c\) هو التركيز بوحدة \(\text{mol L}^{-1}\)
- \(n\) هي كمية المذاب بوحدة المول
- \(V\) هو الحجم النهائي للمحلول باللتر
إذا كان المذاب مادة صلبة، فيمكن حساب كميته من العلاقة:
\[ n=\frac{m}{M} \]
حيث:
- \(m\) هي كتلة المذاب بالغرام
- \(M\) هي الكتلة المولية بوحدة \(\text{g mol}^{-1}\)
وبدمج المعادلتين نحصل على:
\[ c=\frac{m}{MV} \]
توضح لك هذه المعادلة بالضبط ما يجب أن يحققه الإجراء العملي.
أنت تحتاج إلى:
- كتلة معلومة بدقة من المذاب
- نقل المذاب كله إلى المحلول
- حجم نهائي معلوم بدقة
المحلول القياسي هو محلول معلوم التركيز بدقة. وعندما تحضّره مباشرةً من مادة صلبة موزونة، يجب أن تكون المادة الصلبة مناسبة للعمل الكمي الدقيق. عمليًا، يُفضَّل استخدام مادة قياسية أولية لأنها عالية النقاوة ومستقرة كيميائيًا، ولا يتغير مقدار كتلتها بسهولة نتيجة امتصاص الماء أو التفاعل مع الهواء.
كربونات الصوديوم اللامائية، \(\ce{Na2CO3}\)، مثال شائع يُستخدم في أعمال الأحماض والقواعد.
02لماذا نستخدم دورقًا حجميًا؟
تخيّل أنك تحاول قياس 250.00 mL بالضبط باستخدام كأس زجاجي عادي. العلامات الموجودة على الكأس مفيدة لتقدير الأحجام، لكنها ليست مصممة للعمل الذي يتطلب دقة عالية في التركيز.
يعالج الدورق الحجمي مشكلة مختلفة. فهو يحتوي على عنق ضيق وعلامة معايرة واحدة. وعند درجة حرارة معايرة الدورق، فإن ملأه بالمحلول بحيث يستقر الجزء السفلي من سطح السائل المقعّر عند العلامة يعطي الحجم المحدد بدقة أكبر بكثير مما يتيحه الكأس الزجاجي أو المخبار المدرّج.
هناك نموذج ذهني مفيد هنا. تخيّل أن تحضير محلول قياسي يشبه إدخال عشرة أشخاص بالضبط إلى غرفة ذات حجم ثابت. فأنت تهتم بعدد الأشخاص وبحجم الغرفة معًا. إذا فقدت شخصًا واحدًا، يتغير «تركيز الأشخاص». وإذا جعلت الغرفة أكبر، فسيتغير أيضًا.
لكن هذا التشبيه لا ينطبق تمامًا، لأن الجسيمات الذائبة لا تشغل مساحات صغيرة منفصلة مثل الأشخاص في حفلة. ومع ذلك، فهو يوضح الكميتين اللتين يجب ضبطهما: كمية المذاب والحجم النهائي.
03يأتي الحساب قبل استخدام الأدوات الزجاجية
لنفترض أنك تريد تحضير محلول بتركيز \(c\) وحجم \(V\).
ابدأ بالعلاقة:
\[ n=cV \]
ثم استخدم:
\[ m=nM \]
وبدمج العلاقتين:
\[ m=cVM \]
انتبه إلى وحدات الحجم. فإذا كان التركيز بوحدة \(\text{mol L}^{-1}\)، فيجب أن يكون الحجم باللتر.
على سبيل المثال:
\[ 250.00\ \text{mL}=0.25000\ \text{L} \]
مثال محلول: ما كتلة كربونات الصوديوم المطلوبة؟
حضّر 250.00 mL من محلول \(\ce{Na2CO3}\) بتركيز \(0.1000\ \text{mol L}^{-1}\). احسب الكتلة المطلوبة من كربونات الصوديوم اللامائية.
الخطوة 1
باستخدام \(M(\ce{Na})=22.99\)، و\(M(\ce{C})=12.01\)، و\(M(\ce{O})=16.00\):
\[ M(\ce{Na2CO3}) =2(22.99)+12.01+3(16.00) =105.99\ \text{g mol}^{-1} \]
الخطوة 2
\[ V=250.00\ \text{mL}=0.25000\ \text{L} \]
الخطوة 3
\[ n=cV =(0.1000\ \text{mol L}^{-1})(0.25000\ \text{L}) =0.02500\ \text{mol} \]
الخطوة 4
\[ m=nM =(0.02500\ \text{mol})(105.99\ \text{g mol}^{-1}) =2.64975\ \text{g} \]
إذًا، الكتلة المطلوبة تساوي تقريبًا:
\[ \boxed{2.650\ \text{g}} \]
وهذا يعني أنه إذا نُقلت كتلة \(2.650\ \text{g}\) من \(\ce{Na2CO3}\) اللامائية المناسبة بالكامل، وكان الحجم النهائي 250.00 mL بالضبط، فسيكون للمحلول التركيز المطلوب ضمن حدود الدقة التي تبررها القياسات.
04تحضير المحلول بدقة
قد تختلف الأدوات المتاحة من مختبر إلى آخر، لكن المنطق الذي يستند إليه الأسلوب يجب ألا يتغير.
1. زن المادة الصلبة بدقة
استخدم ميزانًا تحليليًا أو ميزانًا مخبريًا مناسبًا لقياس كتلة المذاب المطلوبة.
سجّل الكتلة الفعلية المقاسة بدلًا من افتراض أنك حصلت على الكتلة النظرية بالضبط.
على سبيل المثال، إذا أظهر حسابك أن الكتلة المطلوبة هي \(2.650\ \text{g}\)، لكن الميزان أظهر \(2.647\ \text{g}\)، فاستخدم \(2.647\ \text{g}\) عند حساب التركيز الفعلي.
هذا أفضل من الناحية الكيميائية من الاستمرار في إضافة حبيبات صغيرة أو إزالتها حتى تعرض الشاشة القيمة المستهدفة بالمصادفة.
2. أذب المذاب
ضع المادة الصلبة الموزونة في كأس زجاجي نظيف، وأضف كمية معتدلة من الماء المقطر أو منزوع الأيونات.
حرّك حتى تذوب المادة الصلبة تمامًا.
لا تضبط الحجم النهائي في هذه المرحلة. يُستخدم الكأس لإذابة المذاب، وليس لقياس الحجم النهائي للمحلول.
3. انقل المحلول نقلًا كميًا
اسكب المحلول في الدورق الحجمي، عادةً باستخدام قمع.
وهنا تأتي فكرة يسهل إغفالها: لا يكفي سكب السائل الظاهر في الكأس داخل الدورق.
فقد تبقى طبقة رقيقة من المحلول على:
- الكأس الزجاجي
- قضيب التحريك
- القمع
وتحتوي هذه القطرات على مذاب.
اشطف الكأس وقضيب التحريك والقمع بكميات صغيرة من الماء المقطر أو منزوع الأيونات، ثم أضف مياه الشطف إلى الدورق الحجمي.
تُسمّى هذه العملية النقل الكمي. والهدف منها هو نقل كل المذاب الذي قسته تقريبًا.
قد يتوقع بعض الطلاب أن إضافة مياه الشطف هذه ستؤدي إلى «تخفيف المحلول أكثر من اللازم». لكن ذلك لن يحدث، ما دمت لم تصل بعد إلى علامة المعايرة.
لماذا؟ لأنك ستضبط الحجم الكلي في النهاية ليصبح قيمة ثابتة على أي حال. يغيّر ماء الشطف كمية الماء التي ستضيفها لاحقًا، لا الحجم النهائي.
4. أضف الماء حتى الاقتراب من علامة المعايرة
أضف الماء المقطر أو منزوع الأيونات حتى يقترب مستوى السائل من خط المعايرة.
عندما تقترب من العلامة، أبطئ الإضافة. واستخدم ماصة قطّارة إذا لزم الأمر.
يفيد العنق الضيق هنا، لأن إضافة حجم صغير من الماء تُحدث تغيرًا ملحوظًا في ارتفاع السائل.
5. اضبط سطح السائل المقعّر بدقة
ضع الدورق على سطح مستوٍ، واجعل عينيك في مستوى علامة المعايرة نفسه.
بالنسبة إلى محلول مائي نموذجي ذي سطح سائل مقعّر، حاذِ الجزء السفلي من سطح السائل المقعّر مع خط المعايرة.
لا تقرأ المستوى من أعلى أو أسفل العلامة، لأن ذلك يؤدي إلى خطأ اختلاف المنظر.
6. أغلِق الدورق بالسدادة وامزج جيدًا
بعد ضبط الحجم النهائي بصورة صحيحة، أدخل السدادة بإحكام.
اقلب الدورق عدة مرات حتى يصبح المحلول متجانسًا في جميع أجزائه.
وهذا مهم، لأن إضافة الماء برفق إلى أعلى الدورق لا تضمن أن يكون التركيز متماثلًا فورًا في جميع أجزائه.
بعد ذلك، ينبغي وضع بطاقة مناسبة على المحلول القياسي النهائي تتضمن هويته وتركيزه.
05لماذا لا توجد مشكلة في أن يكون الدورق الحجمي رطبًا؟
عُد إلى التوقع الذي طُرح في البداية.
لنفترض أن داخل الدورق بضعة مليلترات من الماء المقطر. نقلت إليه \(0.02500\ \text{mol}\) من المذاب، ثم أضفت الماء حتى أصبح الحجم النهائي \(0.25000\ \text{L}\) بالضبط.
سيظل التركيز:
\[ c=\frac{0.02500\ \text{mol}}{0.25000\ \text{L}} =0.1000\ \text{mol L}^{-1} \]
وجود الماء مسبقًا يعني فقط أنك ستحتاج إلى إضافة كمية أقل قليلًا من الماء لاحقًا.
ويختلف ذلك عن حالة الماصة التي يجب أن توصل محلولًا معلوم التركيز. فقد يؤدي وجود ماء متبقٍ في تلك الماصة إلى تخفيف المحلول الذي توصلّه. فالغرض من الأداة الزجاجية هو ما يحدد أهمية وجود الماء فيها.
06أكبر خطأ عملي: الخلط بين حجم الماء وحجم المحلول
أنت لا تحضّر محلولًا قياسيًا بقياس 250.00 mL من الماء ثم إضافة المذاب إليه.
الكمية المطلوبة هي 250.00 mL من المحلول النهائي.
فقد تؤدي إذابة المذاب إلى تغيير الحجم الكلي. والأحجام ليست عمومًا قابلة للجمع بصورة مثالية على مستوى الجسيمات.
لذلك، فإن الإجراء التالي خاطئ:
- قِس 250.00 mL من الماء.
- أذب المذاب فيه.
- افترض أن الحجم النهائي للمحلول هو 250.00 mL.
أما الإجراء الصحيح فهو:
- قِس المذاب.
- أذبه وانقله.
- أضف الماء حتى يصل المحلول نفسه إلى علامة الدورق الحجمي.
وهذا ما يجعل \(V\) في العلاقة \(c=n/V\) هو الحجم النهائي الصحيح.
07تأثير الأخطاء المختلفة في التركيز
لست بحاجة إلى حفظ كل خطأ محتمل على حدة. اطرح سؤالين:
هل تغير عدد المولات الموجودة في الدورق؟
هل تغير الحجم النهائي؟
ثم استخدم العلاقة \(c=n/V\).
| الخطأ | تأثيره في \(n\) | تأثيره في \(V\) | التركيز |
|---|---|---|---|
| بقاء جزء من المذاب في الكأس الزجاجي | أقل | الحجم المحدد المطلوب | أقل من المطلوب |
| ملء الدورق إلى ما فوق علامة المعايرة | كما هو | أكبر | أقل من المطلوب |
| وجود ماء مقطر في الدورق قبل النقل | كما هو | يُضبط مع ذلك على الحجم المطلوب | لا تأثير |
| انسكاب جزء من المحلول أثناء النقل | أقل | الحجم المحدد المطلوب | أقل من المطلوب |
| وجود سطح السائل أسفل علامة المعايرة | كما هو | أقل | أعلى من المطلوب |
| إضافة مزيد من الماء النقي بعد ضبط الدورق عند العلامة | كما هو | أكبر | أقل من المطلوب |
تستحق إحدى الحالات اهتمامًا خاصًا.
لنفترض أنك تجاوزت علامة المعايرة، ثم سكبت كمية من المحلول لإعادة المستوى إلى العلامة. هل حُلّت المشكلة؟
لا.
بعد مزج المحلول، تؤدي إزالة جزء منه إلى إزالة المذيب والمذاب معًا. ولن تعود تعرف بدقة عدد المولات المتبقية. إذ لم تعد الكمية الأصلية المقاسة من المذاب موجودة كلها في الدورق.
والتصرف الموثوق عند تجاوز العلامة بدرجة ملحوظة هو تحضير المحلول من جديد.
08التركيز الفعلي عندما تختلف الكتلة الموزونة قليلًا
في العمل المخبري الحقيقي، نادرًا ما تكون الكتلة المقاسة مساوية تمامًا للكتلة المستهدفة المحسوبة.
وهذا أمر طبيعي. احسب التركيز باستخدام الكتلة التي استخدمتها فعليًا.
مثال محلول: إيجاد التركيز باستخدام الكتلة الفعلية
يحتاج طالب إلى محلول \(\ce{Na2CO3}\) بتركيز يقارب \(0.0500\ \text{mol L}^{-1}\). يزن بدقة \(1.321\ \text{g}\) من كربونات الصوديوم اللامائية، وينقلها نقلًا كميًا، ثم يُكمل حجم المحلول إلى 250.00 mL. احسب التركيز الفعلي.
استخدم \(M(\ce{Na2CO3})=105.99\ \text{g mol}^{-1}\).
الخطوة 1
\[ n=\frac{m}{M} =\frac{1.321\ \text{g}}{105.99\ \text{g mol}^{-1}} =0.01246\ \text{mol} \]
الخطوة 2
\[ V=250.00\ \text{mL}=0.25000\ \text{L} \]
الخطوة 3
\[ c=\frac{n}{V} =\frac{0.01246\ \text{mol}}{0.25000\ \text{L}} =0.04985\ \text{mol L}^{-1} \]
إذًا:
\[ \boxed{c=0.04985\ \text{mol L}^{-1}} \]
تركيز المحلول أقل قليلًا من \(0.0500\ \text{mol L}^{-1}\)، لكن تركيزه معلوم بدقة استنادًا إلى الكتلة المقاسة والحجم النهائي. وهذا أكثر فائدة من افتراض أن التركيز المستهدف والتركيز الفعلي يجب أن يكونا متطابقين.
09لماذا يهم اختيار المادة الصلبة؟
حتى الآن، تعاملنا مع الكتلة المقاسة كما لو أن كل غرام منها يعود إلى المادة الكيميائية المذكورة على العبوة. لكن يجب التحقق من صحة هذا الافتراض.
تخيّل أنك وزنت \(2.000\ \text{g}\) من مادة صلبة، لكن جزءًا من هذه الكتلة عبارة عن ماء ممتص. ستتعامل حساباتك مع الكتلة الكاملة \(2.000\ \text{g}\) على أنها كتلة المذاب، رغم أن عدد مولات المادة المقصودة أقل مما تفترضه.
عندئذٍ لن يكون التركيز المحسوب موثوقًا.
ينبغي عمومًا أن تتصف المادة المناسبة لتكون مادة قياسية أولية بما يلي:
- أن تكون عالية النقاوة
- أن تكون ذات صيغة كيميائية محددة بوضوح
- أن تكون مستقرة أثناء التخزين والوزن
- ألا تمتص الماء بسهولة من الغلاف الجوي
- ألا تتفاعل بسهولة مع الغازات الموجودة في الهواء
- أن تكون كتلتها المولية مرتفعة نسبيًا، إن أمكن، مما يقلل الأثر النسبي لعدم اليقين الصغير في الكتلة
ولهذا السبب، فإن «وزن مادة صلبة وتخفيفها بدقة» لا يؤدي تلقائيًا إلى تحضير محلول قياسي موثوق. فموثوقية قياس الكتلة تعتمد على طبيعة المادة التي تزنها.
10الدقة سلسلة مترابطة
يركّز الطلاب أحيانًا على الدورق الحجمي وحده لأنه يبدو «أداة القياس الدقيقة». لكن موثوقية المحلول القياسي لا تتجاوز موثوقية سلسلة القياسات وعمليات النقل بأكملها.
لنفترض أن الحجم النهائي مثالي، لكن 3% من المذاب بقي عالقًا في الكأس. سيكون المحلول خاطئًا.
ولنفترض أنك نقلت كل البلورات، لكنك ملأت الدورق إلى مستوى أعلى بكثير من خط المعايرة. سيكون المحلول خاطئًا.
ولنفترض أن عملية النقل وضبط الحجم كانا مثاليين، لكن المادة الصلبة امتصت كمية غير معلومة من الماء. قد يكون عدد المولات المحسوب خاطئًا.
هناك قاعدة عملية مفيدة لاتخاذ القرار:
في كل خطوة، اسأل نفسك ما إذا كانت تغيّر عدد المولات المعلوم، أو الحجم النهائي المعلوم، أو مدى ثقتنا بأي من القياسين.
هذا السؤال الواحد يفسر معظم الأخطاء المتعلقة بتحضير المحاليل القياسية.
11الأسئلة والحلول
السؤال 1
يزن طالب بدقة \(0.5300\ \text{g}\) من كربونات الصوديوم اللامائية، ويحضر 100.00 mL من المحلول في دورق حجمي. احسب تركيز المحلول.
استخدم \(M(\ce{Na2CO3})=105.99\ \text{g mol}^{-1}\).
الحل 1
يبلغ التركيز تقريبًا \(\boxed{0.05000\ \text{mol L}^{-1}}\).
أولًا، احسب كمية \(\ce{Na2CO3}\):
\[ n=\frac{m}{M} =\frac{0.5300\ \text{g}}{105.99\ \text{g mol}^{-1}} =5.000\times10^{-3}\ \text{mol} \]
حوّل الحجم إلى اللتر:
\[ 100.00\ \text{mL}=0.10000\ \text{L} \]
ثم:
\[ c=\frac{n}{V} =\frac{5.000\times10^{-3}\ \text{mol}}{0.10000\ \text{L}} =0.05000\ \text{mol L}^{-1} \]
يستخدم الحساب الحجم النهائي للمحلول، وليس كمية الماء المضافة.
السؤال 2
ينقل طالب عينة مذابة إلى دورق حجمي سعته 250.00 mL. تبقى كمية صغيرة من المحلول ملتصقة بجدار الكأس الأصلي، لكن الطالب لا يشطفها وينقلها إلى الدورق. بعد ذلك، يملأ الدورق الحجمي بصورة صحيحة حتى علامة المعايرة.
حدّد ما إذا كان التركيز الفعلي أعلى من التركيز المحسوب باستخدام الكتلة الأصلية، أو أقل منه، أو مساويًا له. وفسّر استدلالك.
الحل 2
التركيز الفعلي أقل من التركيز المحسوب.
يفترض التركيز المحسوب أن المذاب الموزون كله قد وصل إلى الدورق الحجمي. لكن بعض المذاب الذائب بقي في الكأس، ولذلك فإن عدد المولات الموجودة في الدورق أقل مما كان متوقعًا.
يظل الحجم النهائي 250.00 mL. لذا، باستخدام العلاقة
\[ c=\frac{n}{V}, \]
فإن انخفاض \(n\) مع بقاء \(V\) عند القيمة المطلوبة يؤدي إلى تركيز أقل.
المشكلة الأساسية ليست مجرد بقاء بعض السائل في الكأس، بل أن السائل المتبقي كان يحتوي على جزء من المذاب الذي قسته.
السؤال 3
يحتوي دورق حجمي نظيف سعته 250.00 mL على نحو 8 mL من الماء المقطر بعد شطفه. يقول أحد الطلاب:
«يجب أن يكون الدورق جافًا تمامًا، وإلا فسيؤدي الماء الزائد إلى تخفيف المحلول القياسي».
هل الطالب محق؟ وضّح ما الذي ينبغي فعله.
الحل 3
الطالب غير محق. يمكن أن يحتوي الدورق على ماء مقطر قبل نقل المذاب إليه.
يعتمد التركيز على الحجم النهائي للمحلول:
\[ c=\frac{n}{V} \]
يصبح الماء الموجود مسبقًا في الدورق جزءًا من المحلول. وكل ما على الطالب فعله هو إضافة كمية أقل من الماء لاحقًا، قبل وصول سطح السائل إلى علامة المعايرة عند 250.00 mL.
ما دامت كمية المذاب نفسها قد نُقلت وكان الحجم النهائي للمحلول 250.00 mL، فلن يتغير التركيز.
يكمن الخطأ في الاعتقاد بأن الإجراء يتطلب حجمًا ثابتًا من الماء المضاف. فهو لا يتطلب ذلك، بل يتطلب حجمًا نهائيًا ثابتًا للمحلول.
السؤال 4
يحسب طالب أن الكتلة المطلوبة من مادة مذابة هي \(1.325\ \text{g}\). لكنه يزن فعليًا \(1.319\ \text{g}\)، ثم يكتب \(1.325\ \text{g}\) في حساباته لأن «هذه هي الكتلة التي كان من المفترض أن أستخدمها».
الكتلة المولية هي \(106.0\ \text{g mol}^{-1}\)، والحجم النهائي للمحلول 250.00 mL.
احسب التركيز الذي ينبغي تسجيله باستخدام الكتلة الفعلية، واشرح لماذا لا يصح استخدام الكتلة المستهدفة.
الحل 4
ينبغي تسجيل التركيز على أنه يقارب \(\boxed{0.04977\ \text{mol L}^{-1}}\).
كمية المذاب الموجودة فعليًا هي:
\[ n=\frac{m}{M} =\frac{1.319\ \text{g}}{106.0\ \text{g mol}^{-1}} =0.01244\ \text{mol} \]
الحجم النهائي هو:
\[ V=250.00\ \text{mL}=0.25000\ \text{L} \]
لذلك:
\[ c=\frac{n}{V} =\frac{0.01244\ \text{mol}}{0.25000\ \text{L}} =0.04977\ \text{mol L}^{-1} \]
الكتلة المستهدفة لا تحدد التركيز الفعلي، بل الكتلة المقاسة هي التي تحدده.
إن استخدام \(1.325\ \text{g}\) يعني الادعاء بوجود عدد من المولات أكبر من العدد الذي تم وزنه فعليًا. يجب أن يكون تركيز المحلول القياسي معلومًا بدقة، لا أن يكون قريبًا فحسب من القيمة المستهدفة الأصلية.
السؤال 5
يحضر طالب محلولًا قياسيًا بطريقة صحيحة حتى خطوة ضبط الحجم النهائي. لكنه يضيف الماء عن طريق الخطأ حتى يصبح سطح السائل أعلى من علامة المعايرة بمقدار 3 mm.
بعد ذلك، يغلق الدورق بالسدادة ويمزج المحلول جيدًا. ولتصحيح الخطأ، يستخدم ماصة قطّارة لإزالة المحلول حتى يصبح سطح السائل عند علامة المعايرة تمامًا.
هل استعاد الطالب التركيز المستهدف الأصلي؟ اشرح بعناية.
الحل 5
لا. إن إزالة جزء من المحلول الممزوج لا تعيد التركيز المستهدف الأصلي.
عندما يملأ الطالب الدورق إلى ما فوق علامة المعايرة للمرة الأولى، يبقى عدد مولات المذاب كما هو، لكن الحجم الكلي يصبح أكبر من المطلوب. لذلك، توضح العلاقة:
\[ c=\frac{n}{V} \]
أن التركيز يصبح أقل من المطلوب.
بعد المزج، يتوزع المذاب في جميع أجزاء المحلول. لذلك، تؤدي إزالة جزء من المحلول إلى إزالة الماء والمذاب معًا بالتركيز نفسه.
يظل تركيز المحلول المتبقي مساويًا لتركيز المزيج المخفف قبل إزالة الجزء منه. فإزالة جزء من محلول متجانس تغيّر الكمية الكلية والحجم الكلي بنسب متناسبة، ولذلك لا ترفع التركيز مجددًا إلى القيمة المستهدفة.
وهنا يكمن الخطأ الأساسي: إعادة مستوى السائل إلى العلامة لا تعيد تلقائيًا عدد المولات الأصلي الذي كان ينبغي أن يكون موجودًا في ذلك الحجم.
لإجراء عمل كمي دقيق، ينبغي تحضير المحلول من جديد.
السؤال 6
يحضر طالبان محلولين منفصلين، حجم كل منهما 250.00 mL، باستخدام عينتين اسميتين كتلة كل منهما \(2.650\ \text{g}\)، لكنهما من مادتين صلبتين مختلفتين.
يستخدم الطالب أ مادة صلبة نقية ومستقرة لا تمتص الماء من الهواء إلا بدرجة ضئيلة.
أما الطالب ب، فيستخدم مادة صلبة تمتص بسرعة كمية غير معلومة من الرطوبة الجوية أثناء وزنها.
استخدم كلا الطالبين الميزان والدورق الحجمي بصورة صحيحة، ونقل كل منهما عينته كاملة نقلًا كميًا.
يقول الطالب ب: «كان قياسي للكتلة دقيقًا، لذا لا بد أن يكون تركيزي معلومًا بدقة أيضًا».
قيّم هذا الادعاء.
الحل 6
لا يوجد ما يبرر ادعاء الطالب ب. فقياس الكتلة الكلية للعينة بدقة لا يضمن معرفة عدد مولات المذاب المقصود بدقة.
بالنسبة إلى الطالب أ، يمكن ربط الكتلة المقاسة بالمولات بصورة موثوقة باستخدام العلاقة:
\[ n=\frac{m}{M} \]
لأن كتلة العينة تمثل عمليًا كتلة المادة النقية المحددة بالصيغة الكيميائية المذكورة.
أما بالنسبة إلى الطالب ب، فقد يكون جزء من الكتلة المقاسة عبارة عن ماء ممتص. وإذا كانت كمية الماء مجهولة، فإن كتلة المذاب المقصود نفسه تكون مجهولة أيضًا. وستتعامل العلاقة
\[ n=\frac{m}{M} \]
بصورة خاطئة مع الكتلة المقاسة كلها على أنها كتلة المركب المقصود.
وهذا يكشف عن افتراض مهم وخفي في حسابات المحاليل القياسية: يجب أن تقابل الكتلة المقاسة كمية معلومة من النوع الكيميائي المراد استخدامه.
لا يمكن لميزان دقيق أن يعوّض عن استخدام عينة غير مناسبة أو غير مؤكدة كيميائيًا.
12ما الذي يؤهلك هذا الأسلوب لدراسته لاحقًا؟
يمنحك تحضير المحلول القياسي تركيزًا يمكنك الوثوق به، لأن كلاً من كمية المذاب والحجم النهائي يخضعان للضبط.
ويصبح ذلك نقطة البداية في التحليل الحجمي. ففي المعايرة، يمكن استخدام محلول معلوم التركيز بدقة لتحديد تركيز مجهول من خلال الحسابات الستوكيومترية للتفاعل. ويستمر تطبيق المنطق نفسه: حدّد أولًا عدد المولات التي تعرفها بدقة، ثم استخدم المعادلة الكيميائية الموزونة لحساب عدد المولات التي لا تعرفها.