تحليل الأحماض والقواعد عمليًا: امتحان تدريبي في كيمياء HSC

هذه ورقة تدريبية أصلية من tutorgum ضمن نطاق منهج الكيمياء لعام 2025 المقدم حول تحليل الأحماض والقواعد عمليًا. تختبر الورقة كيفية معايرة مجسات الأس الهيدروجيني (pH) والتوصيلية الرقمية، واستخدامها لجمع البيانات ومعالجتها، وتقييم موثوقيتها. وهي مورد مراجعة أصلي، وليست ورقة امتحان رسمية صادرة عن NESA أو معتمدة منها، ولا ورقة من امتحانات سابقة أو ورقة امتحان متوقعة.

01تعليمات الامتحان

النطاق الذي يغطيه التقييم

تركز هذه الورقة على النطاق المقدم من منهج الكيمياء لعام 2025 والمتعلق بتحليل الأحماض والقواعد عمليًا:

• استخدام مجسات pH والتوصيلية الرقمية لجمع البيانات.
• معايرة الأجهزة والتحقق من أدائها.
• معالجة القياسات المتكررة وتفسير البيانات العددية.
• تقييم الإحكام والصحة والموثوقية وأخطاء القياس المحتملة.
• تقييم إجراءات أخذ العينات ومدى ملاءمة طريقة القياس.

لا تتناول هذه الورقة الحسابات الستوكيومترية للمعايرة، أو حسابات الاتزان، أو الكيمياء العضوية، أو وحدات الكيمياء الأخرى غير ذات الصلة.

في هذه الورقة، يشير الرقم الهيدروجيني الأقل من 7.0 إلى محلول حمضي، ويشير الرقم الهيدروجيني 7.0 إلى محلول متعادل، بينما يشير الرقم الهيدروجيني الأكبر من 7.0 إلى محلول قلوي.

أجب عن جميع الأسئلة قبل الرجوع إلى الحلول المفصلة. تُمنح الدرجات على أساس الاستدلال الموضح، إلى جانب صحة الإجابات العددية.

02الأسئلة

السؤال 1 (6 درجات)

يستعد طالب لاستخدام مقياس pH رقمي لتحليل عدة عينات مائية. قبل معايرة الجهاز، يتحقق الطالب من قراءاته باستخدام ثلاثة محاليل منظمة حديثة التحضير ذات قيم pH معتمدة.

• القراءات المقاسة
• التطابق المثالي

(a) احسب الخطأ المطلق لكل واحدة من قراءات الجهاز الثلاث. (3 درجات)

(b) حدد المحلول المنظم الذي ينتج أكبر خطأ مطلق، واذكر مقدار هذا الخطأ. (درجة واحدة)

(c) اشرح لماذا ينبغي أن تستخدم المعايرة محاليل منظمة حديثة التحضير تغطي نطاق pH المتوقع للعينات، بدلًا من الاعتماد على محلول منظم واحد. (درجتان)

السؤال 2 (7 درجات)

يضع طالب مجس pH رقميًا معايرًا في عينة حمضية. ويسجل الطالب قيمة pH الظاهرة على الشاشة عند فترات زمنية منتظمة.

• قيمة pH المعروضة

(a) صف كيفية تغير قيمة pH الظاهرة خلال فترة القياس. (درجتان)

(b) يستخدم الطالب القاعدة التي تنص على أن ثبات القراءة لا يُؤكَّد إلا عندما تكون قراءتان متتاليتان متطابقتين. حدد قيمة pH التي ينبغي تسجيلها، والزمن الذي يُؤكَّد عنده الثبات. (درجتان)

(c) اشرح لماذا قد يؤدي تسجيل أول قيمة تظهر على الشاشة إلى نتائج أقل موثوقية من الانتظار حتى تستقر القراءة. (درجتان)

(d) اذكر شرطًا واحدًا من شروط القياس ينبغي إبقاؤه ثابتًا عند مقارنة قيم pH لعدة عينات. (درجة واحدة)

السؤال 3 (7 درجات)

يقيس فني عينتين مائيتين باستخدام مقياس pH نفسه بعد معايرته. وتُجمع ثلاث قراءات لكل عينة في ظل ظروف القياس نفسها.

(a) احسب المتوسط الحسابي لقراءات pH الثلاث الظاهرة لكل من العينة X والعينة Y. أعطِ كل نتيجة مقربة إلى منزلتين عشريتين. (4 درجات)

(b) حدد العينة الأكثر حمضية، مستندًا إلى البيانات لتبرير إجابتك. (درجة واحدة)

(c) اشرح ما يشير إليه تشتت القراءات المتكررة بشأن إحكام القياس. واشرح لماذا لا تكفي هذه النتائج وحدها لإثبات صحة القياسات. (درجتان)

السؤال 4 (7 درجات)

يستخدم مختبر مجس pH رقميًا ومجس توصيلية رقميًا لتحليل ثلاث عينات مائية. وتُجرى جميع القياسات عند درجة الحرارة نفسها.

تظهر النتائج أدناه.

(a) صنّف كل عينة على أنها حمضية أو متعادلة أو قلوية باستخدام قيمة pH الخاصة بها. (3 درجات)

(b) حدد العينة ذات أعلى توصيلية. (درجة واحدة)

(c) اشرح لماذا لا يمكن استخدام نتائج التوصيلية لترتيب العينات مباشرةً بحسب درجة حموضتها، حتى مع أن العينة B لديها أعلى توصيلية. (3 درجات)

السؤال 5 (7 درجات)

يريد طالب مقارنة قيمة pH للماء الذي جُمع من موقعين مختلفين.

يتبع الطالب الإجراء الآتي:

1. يعاير مقياس pH الرقمي باستخدام محلول منظم واحد فقط بقيمة pH تساوي 7.00.
2. يجمع عينة حجمها 100 mL من كل موقع باستخدام الكأس نفسه، من دون شطف الكأس بين العينات.
3. يُدخل المجس في كل عينة ويسجل أول رقم يظهر على الشاشة.
4. يقارن قيمتي pH المسجلتين.

(a) حدد نقطتي ضعف في هذا الإجراء. (درجتان)

(b) اقترح تحسينًا محددًا لكل نقطة ضعف حددتها في الجزء (a)، واشرح كيف سيحسّن كل تحسين جودة النتائج. (4 درجات)

(c) اشرح لماذا لا يُعد أخذ قراءات متكررة من عينة واحدة جُمعت مسبقًا بديلًا عن جمع عينات مستقلة من الموقع نفسه. (درجة واحدة)

السؤال 6 (8 درجات)

يستخدم مختبر مجس توصيلية رقميًا لمقارنة ثلاث عينات مائية.

قبل قياس العينات، يتحقق الفني من المجس باستخدام محلول مرجعي تبلغ التوصيلية المتوقعة له \(1.00\ \mathrm{mS\,cm^{-1}}\). ويكرر الفني هذا التحقق بعد الانتهاء من جميع قياسات العينات.

في هذا السؤال، تُعد نتيجة التحقق من المحلول المرجعي مقبولة إذا كانت القيمة المقاسة ضمن نطاق \(\pm 0.05\ \mathrm{mS\,cm^{-1}}\) من القيمة المتوقعة.

نتائج التحقق من المحلول المرجعي هي:

قياسات العينات هي:

(a) احسب متوسط التوصيلية الحسابي لكل من العينتين P وQ. أعطِ كل إجابة مقربة إلى منزلتين عشريتين. (درجتان)

(b) احسب الفرق المطلق بين القراءتين للعينة R. وقارن مدى اتساق قراءاتها بنتائج العينتين P وQ. (درجتان)

(c) باستخدام نتائج التحقق من المحلول المرجعي، قيّم ما إذا كان مجس التوصيلية قد حافظ على ثبات أدائه طوال إجراء قياسات العينات. أوصِ بالخطوات التالية التي ينبغي اتخاذها قبل قبول النتائج للمقارنة. (4 درجات)

03الحلول المفصلة ودليل التصحيح

حل السؤال 1

(a) الأخطاء المطلقة

الخطأ المطلق هو مقدار الفرق بين القيمة المقاسة والقيمة المعتمدة.

\[ \text{الخطأ المطلق} = |\text{قراءة الجهاز}-\text{قيمة pH المعتمدة}| \]

بالنسبة إلى المحلول المنظم ذي قيمة pH تساوي 4.00:

\[ |4.18-4.00|=0.18 \]

بالنسبة إلى المحلول المنظم ذي قيمة pH تساوي 7.00:

\[ |7.12-7.00|=0.12 \]

بالنسبة إلى المحلول المنظم ذي قيمة pH تساوي 10.00:

\[ |9.76-10.00|=0.24 \]

إذن، الأخطاء المطلقة هي 0.18 و0.12 و0.24 وحدة pH، على الترتيب.

دليل التصحيح (3 درجات):

• درجة واحدة لكل خطأ مطلق صحيح.

(b) أكبر خطأ مطلق

للمحلول المنظم ذي قيمة pH تساوي 10.00 أكبر خطأ مطلق، ويبلغ 0.24 وحدة pH.

دليل التصحيح (درجة واحدة):

• درجة واحدة لتحديد المحلول المنظم ذي قيمة pH تساوي 10.00 وذكر مقدار الخطأ الخاص به.

(c) الغرض من المعايرة

تقارن المعايرة استجابة الجهاز بمحاليـل ذات قيم pH معروفة، وتضبط استجابة الجهاز عند الحاجة.

يساعد استخدام محاليل منظمة حديثة التحضير تغطي نطاق العينات المتوقع على ضمان موثوقية القراءات ضمن ذلك النطاق. ولا يمكن لمحلول منظم واحد، بمفرده، إثبات أن الجهاز يستجيب بدقة عند قيم pH مختلفة اختلافًا كبيرًا. كما تقلل المحاليل الحديثة التحضير من خطر تأثير التلوث في المعايرة.

دليل التصحيح (درجتان):

• درجة واحدة لتوضيح أن المعايرة تحدد استجابة الجهاز أو تضبطها بالرجوع إلى قيم معروفة.
• درجة واحدة لتوضيح أن استخدام عدة محاليل منظمة مناسبة يتحقق من الاستجابة عبر النطاق المتوقع، وأن استخدام محاليل حديثة التحضير يقلل خطر التلوث.

حل السؤال 2

(a) تغير قيمة pH الظاهرة

ترتفع قيمة pH الظاهرة من 3.82 إلى 4.02. ويصبح مقدار الزيادة أصغر بمرور الوقت، وتكون القراءتان الأخيرتان متطابقتين.

دليل التصحيح (درجتان):

• درجة واحدة لتحديد الزيادة الإجمالية من 3.82 إلى 4.02.
• درجة واحدة لتحديد أن القراءات تستقر تدريجيًا قرب نهاية الفترة.

(b) القراءة المستقرة

قيمة pH التي ينبغي تسجيلها هي 4.02، ويُؤكَّد الثبات عند 40 ثانية.

القراءتان عند 30 ثانية و40 ثانية كلتاهما تساويان 4.02. وتؤكد القراءة الثانية المتطابقة أن القيمة الظاهرة مستقرة وفقًا للقاعدة المذكورة.

دليل التصحيح (درجتان):

• درجة واحدة لتحديد القيمة المسجلة، وهي pH تساوي 4.02.
• درجة واحدة لتحديد 40 ثانية بوصفها زمن تأكيد الثبات، وربط ذلك بتطابق القراءتين.

(c) لماذا ينبغي الانتظار حتى استقرار القراءة؟

قد تتغير القيمة الظاهرة على شاشة الجهاز أثناء استجابة المجس للعينة. وقد لا تمثل قراءة قيمة آخذة في التغير قياسًا مستقرًا، مما يجعل المقارنة بين العينات أقل موثوقية.

يضمن الانتظار حتى استقرار القراءة تطبيق قاعدة قياس متسقة، ويقلل الأخطاء الناتجة عن تسجيل القيمة مبكرًا جدًا.

دليل التصحيح (درجتان):

• درجة واحدة لتوضيح أن القيمة الظاهرة في البداية قد تظل متغيرة.
• درجة واحدة لربط القراءة المستقرة بنتائج أكثر موثوقية أو قابلية للمقارنة.

(d) شرط ينبغي ضبطه

تشمل الإجابات المقبولة درجة حرارة العينة، أو عمق غمر المجس، أو حجم العينة، أو الإجراء المستخدم لشطف المجس بين العينات.

دليل التصحيح (درجة واحدة):

• درجة واحدة لتحديد شرط ذي صلة ينبغي إبقاؤه ثابتًا.

حل السؤال 3

(a) المتوسطات الحسابية

بالنسبة إلى العينة X:

\[ \begin{aligned} \text{متوسط pH} &=\frac{3.21+3.23+3.22}{3}\\ &=\frac{9.66}{3}\\ &=3.22 \end{aligned} \]

بالنسبة إلى العينة Y:

\[ \begin{aligned} \text{متوسط pH} &=\frac{5.78+5.80+5.79}{3}\\ &=\frac{17.37}{3}\\ &=5.79 \end{aligned} \]

متوسط قيمة pH الظاهرة هو 3.22 للعينة X و5.79 للعينة Y.

هذه متوسطات حسابية لقراءات الجهاز. وبما أن مقياس pH لوغاريتمي، فلا ينبغي تفسير هذه المتوسطات على أنها متوسطات حسابية مباشرة لتركيز أيونات الهيدروجين.

دليل التصحيح (4 درجات):

• درجتان للعينة X: درجة واحدة لإجراء حساب المتوسط بصورة صحيحة، ودرجة واحدة للنتيجة 3.22.
• درجتان للعينة Y: درجة واحدة لإجراء حساب المتوسط بصورة صحيحة، ودرجة واحدة للنتيجة 5.79.

(b) العينة الأكثر حمضية

العينة X أكثر حمضية لأن متوسط قيمة pH لها، وهو 3.22، أقل من متوسط العينة Y البالغ 5.79.

دليل التصحيح (درجة واحدة):

• درجة واحدة لتحديد العينة X وتبرير الاختيار بقيمة pH الأقل.

(c) الإحكام والصحة

يشير التشتت الصغير للقراءات في كل عينة إلى قابلية جيدة للتكرار، أو إلى إحكام القياس. فالقراءات متقاربة بعضها من بعض.

ومع ذلك، فإن إحكام القياس لا يثبت صحته. فإذا كان في الجهاز خطأ منهجي، مثل المعايرة غير الصحيحة، فقد تكون القراءات الثلاث متقاربة فيما بينها، مع استمرار اختلافها عن قيمة pH الحقيقية.

دليل التصحيح (درجتان):

• درجة واحدة لربط التشتت الصغير بإحكام القياس أو قابلية التكرار الجيدة.
• درجة واحدة لتوضيح أن الخطأ المنهجي قد يؤثر في جميع القراءات، ولذلك تظل المعايرة أو وسيلة أخرى للتحقق من صحة القياس ضرورية.

حل السؤال 4

(a) التصنيف وفقًا لقيمة pH

• العينة A: حمضية، لأن قيمة pH لها هي 2.8.
• العينة B: قلوية، لأن قيمة pH لها هي 7.1.
• العينة C: حمضية، لأن قيمة pH لها هي 2.9.

دليل التصحيح (3 درجات):

• درجة واحدة لكل تصنيف صحيح.

(b) أعلى توصيلية

للعينة A أعلى توصيلية، وتبلغ \(1.60\ \mathrm{mS\,cm^{-1}}\).

دليل التصحيح (درجة واحدة):

• درجة واحدة لتحديد العينة A.

(c) تفسير التوصيلية

تقيس التوصيلية مدى سهولة مرور التيار الكهربائي عبر المحلول. وتحمل الأيونات المتحركة الموجودة في المحلول هذا التيار.

تعتمد التوصيلية على تركيز الأيونات الموجودة وحركيتها. وهي لا تقيس قيمة pH مباشرةً، ولا تحدد بصورة فريدة ما إذا كان المحلول حمضيًا أم قلويًا.

لذلك، يمكن أن تكون توصيلية العينة B مرتفعة رغم أن قيمة pH لها هي 7.1. فالأيونات الذائبة يمكن أن تسهم في التوصيلية من دون أن تجعل المحلول شديد الحموضة.

لترتيب العينات بحسب درجة الحموضة، يكون مجس pH هو الأداة المناسبة. وتوفر التوصيلية معلومات إضافية عن قدرة المحلول على توصيل الكهرباء، لكنها لا تستطيع أن تحل محل قياسات pH لهذا الغرض.

دليل التصحيح (3 درجات):

• درجة واحدة لتوضيح أن الأيونات المتحركة تمكّن المحلول من توصيل الكهرباء.
• درجة واحدة لتوضيح أن التوصيلية تعتمد على محتوى المحلول من الأيونات، وليست مقياسًا مباشرًا لقيمة pH.
• درجة واحدة لتطبيق هذا التمييز على العينة B أو لتوضيح سبب عدم إمكانية ترتيب الحموضة اعتمادًا على التوصيلية وحدها.

حل السؤال 5

(a) نقاط الضعف في الإجراء

تُقبل أي نقطتين مما يأتي:

1. لا يحدد استخدام محلول منظم واحد فقط بقيمة pH تساوي 7.00 استجابة الجهاز عبر نطاق أوسع من قيم pH المتوقعة.
2. ينطوي استخدام الكأس نفسه من دون شطفه على خطر انتقال مواد من عينة إلى العينة التالية.
3. قد يؤدي تسجيل أول رقم يظهر على الشاشة إلى تسجيل قراءة لم تستقر بعد.
4. يوفر جمع عينة واحدة فقط من كل موقع معلومات محدودة عن التباين داخل كل موقع.

دليل التصحيح (درجتان):

• درجة واحدة لكل نقطة ضعف صحيحة ومختلفة عن الأخرى.

(b) التحسينات وآثارها

توجد عدة طرق صحيحة للإجابة. ومن أمثلتها:

دليل التصحيح (4 درجات):

• درجتان لكل نقطة ضعف تتم معالجتها: درجة واحدة لاقتراح تحسين محدد ومناسب، ودرجة واحدة لتوضيح كيفية تحسينه لجودة القياس أو أخذ العينات.
• يجب أن يتوافق كل تحسين مع نقطة ضعف حُددت في الجزء (a).

(c) القراءات المتكررة مقابل العينات المستقلة

تقيّم القراءات المتكررة المأخوذة من وعاء واحد أساسًا قابلية تكرار القياس. أما العينات المستقلة، فتقدم أيضًا معلومات عن التباين بين العينات التي جُمعت من الموقع.

دليل التصحيح (درجة واحدة):

• درجة واحدة للتمييز بين قابلية الجهاز لتكرار القياس والتباين بين العينات التي جُمعت بصورة مستقلة.

حل السؤال 6

(a) متوسط التوصيلية

بالنسبة إلى العينة P:

\[ \begin{aligned} \text{متوسط التوصيلية} &=\frac{0.42+0.44}{2}\\ &=0.43\ \mathrm{mS\,cm^{-1}} \end{aligned} \]

بالنسبة إلى العينة Q:

\[ \begin{aligned} \text{متوسط التوصيلية} &=\frac{0.87+0.89}{2}\\ &=0.88\ \mathrm{mS\,cm^{-1}} \end{aligned} \]

متوسط التوصيلية هو \(0.43\ \mathrm{mS\,cm^{-1}}\) للعينة P و\(0.88\ \mathrm{mS\,cm^{-1}}\) للعينة Q.

دليل التصحيح (درجتان):

• درجة واحدة للمتوسط الصحيح للعينة P.
• درجة واحدة للمتوسط الصحيح للعينة Q.

(b) اتساق العينة R

الفرق المطلق بين القراءتين للعينة R هو:

\[ \begin{aligned} \text{الفرق} &=|0.71-0.43|\\ &=0.28\ \mathrm{mS\,cm^{-1}} \end{aligned} \]

أما الفرق في كل من العينتين P وQ فهو:

\[ |0.44-0.42|=0.02\ \mathrm{mS\,cm^{-1}} \]

\[ |0.89-0.87|=0.02\ \mathrm{mS\,cm^{-1}} \]

العينة R أقل اتساقًا بدرجة كبيرة من العينتين P وQ. وينبغي التحقق من سبب اختلاف قراءتيها بدلًا من اعتبارهما تلقائيًا قياسين موثوقين بالقدر نفسه.

دليل التصحيح (درجتان):

• درجة واحدة للفرق المطلق البالغ \(0.28\ \mathrm{mS\,cm^{-1}}\).
• درجة واحدة لتحديد أن قراءتي العينة R أقل اتساقًا بكثير من قراءتي العينتين P وQ.

(c) ثبات الجهاز والخطوات التالية

التوصيلية المتوقعة للمحلول المرجعي هي \(1.00\ \mathrm{mS\,cm^{-1}}\).

قبل إجراء القياسات، تبلغ القيمة المقاسة \(1.03\ \mathrm{mS\,cm^{-1}}\). والفرق المطلق بينها وبين القيمة المتوقعة هو:

\[ |1.03-1.00|=0.03\ \mathrm{mS\,cm^{-1}} \]

يقع هذا الفرق ضمن الحد المسموح به، وهو \(0.05\ \mathrm{mS\,cm^{-1}}\)، ولذلك يُعد التحقق الأولي مقبولًا.

بعد إجراء القياسات، تبلغ القيمة المقاسة \(1.20\ \mathrm{mS\,cm^{-1}}\):

\[ |1.20-1.00|=0.20\ \mathrm{mS\,cm^{-1}} \]

يتجاوز هذا الفرق الحد المسموح به. ولذلك فإن التحقق بعد انتهاء القياسات غير مقبول، ويشير إلى احتمال تغير أداء الجهاز أثناء إجراء القياسات.

ينبغي للفني ألا يقبل مجموعة البيانات كاملةً على أنها مجموعة جرى التحقق من صحتها. وينبغي إعادة معايرة المجس حسب الاقتضاء، والتحقق منه مرة أخرى باستخدام المحلول المرجعي، ثم تكرار قياسات العينات بعد التأكد من أن أداء الجهاز أصبح مقبولًا. كما ينبغي إعادة قياس العينة R لأن قراءتيها المكررتين تختلفان اختلافًا كبيرًا.

دليل التصحيح (4 درجات):

• درجة واحدة لتحديد أن التحقق الأولي مقبول لأن الانحراف يبلغ \(0.03\ \mathrm{mS\,cm^{-1}}\).
• درجة واحدة لتحديد أن التحقق النهائي غير مقبول لأن الانحراف يبلغ \(0.20\ \mathrm{mS\,cm^{-1}}\).
• درجة واحدة للاستنتاج بأن الجهاز لم يُظهر أداءً ثابتًا طوال فترة إجراء القياسات.
• درجة واحدة للتوصية بإعادة المعايرة، والتحقق باستخدام المحلول المرجعي، وتكرار القياسات المتأثرة قبل قبول المقارنات.