المخاليط المتجانسة: كيف تميّزها في كيمياء HSC

تخيّل أن لديك سائلين شفافين عديمي اللون. أحدهما ماء نقي، والآخر ماء مالح ذابت فيه جميع بلورات الملح تمامًا. يبدو السائلان متماثلين. وإذا أخذت عينة صغيرة من أعلى الماء المالح أو وسطه أو أسفله، فستبدو متطابقة في كل مرة أيضًا.

فكيف يمكن أن يكون أحد السائلين مادة نقية، بينما يكون الآخر مخلوطًا؟

يكمن السر في أن المظهر المتجانس لا يعني النقاء. فالمخلوط المتجانس له تركيب موحّد في جميع أجزائه، لكنه لا يزال يحتوي على أكثر من مادة واحدة.

01ابدأ بفكرة التركيب الموحّد

لنفترض أنك أضفت ملعقة صغيرة من السكر إلى كوب من الماء وحرّكته حتى اختفى السكر.

قبل التحريك، يكون المخلوط غير متجانس بوضوح. فبعض المناطق تحتوي على بلورات السكر، بينما تحتوي مناطق أخرى على الماء في معظمه. وبعد ذوبان السكر، تحتوي كل عينة صغيرة على المواد نفسها بنسب متقاربة.

هذه هي الفكرة الأساسية وراء المخلوط المتجانس.

المخلوط المتجانس هو مخلوط يكون تركيبه موحّدًا في جميع أجزاء العينة.

تعني كلمة «متجانس» حرفيًا «متماثل في جميع أجزائه».

ومن الأمثلة التي تساعد على تصوّر ذلك شراب مركز مخلوط جيدًا بالماء. فإذا أخذت ملعقة من أعلى الكوب وأخرى من أسفله، فمن المفترض أن يكون لهما اللون والحلاوة نفسيهما. وتكون الجسيمات موزّعة بالتساوي بدرجة كافية تجعل المخلوط يتصرف بوصفه مادة موحّدة.

هذا النموذج مفيد، لكنه مبسّط بعض الشيء. فعلى مستوى الجسيمات، لا يزال المخلوط يحتوي على أنواع مختلفة من الجسيمات. ولا تعني كلمة «موحّد» أن كل جسيم متطابق مع الآخر، بل تعني عدم وجود اختلافات في التركيب على نطاق واسع من منطقة إلى أخرى.

تحقق سريع

أذاب طالب 5 g من كلوريد الصوديوم في الماء وانتظر حتى لم تعد هناك أي مادة صلبة متبقية. ثم أخذ عينتين من المحلول، إحداهما من الأعلى والأخرى من الأسفل.

هل ينبغي أن يكون للعَيّنتين التركيب نفسه؟

02لا تزال المخاليط المتجانسة تحتوي على مواد متعددة

هنا يقع كثير من الطلاب في الخطأ.

عندما يذوب الملح تمامًا في الماء، لا تعود بلورات الملح الفردية مرئية. وقد يبدو الأمر كما لو أن الملح قد «أصبح جزءًا من» الماء بطريقة ما.

لكن الملح والماء يظلان مادتين مختلفتين.

فعلى سبيل المثال، عندما يذوب كلوريد الصوديوم:

\[ \ce{NaCl(s) -> Na+(aq) + Cl-(aq)} \]

تنتشر أيونات الصوديوم وأيونات الكلوريد في جميع أنحاء الماء. ويكون المحلول الناتج موحّدًا، لكنه يحتوي على عدة أنواع مختلفة من الجسيمات.

لذلك فهو مخلوط، وليس مادة نقية.

معظم المخاليط المتجانسة المألوفة هي محاليل.

تشمل الأمثلة ما يلي:

• الماء المالح
• محلول السكر
• الخل
• الهواء
• العديد من السبائك المعدنية

ليس من الضروري أن يكون المحلول سائلًا. فالهواء مخلوط متجانس من الغازات، بينما تُعد بعض السبائك مخاليط متجانسة من المعادن.

04المخلوط المتجانس مقابل المادة النقية

لنعد الآن إلى السائلين الشفافين اللذين ذكرناهما في البداية.

يحتوي الماء النقي على مادة كيميائية واحدة فقط، وهي \(\ce{H2O}\).

أما الماء المالح فيحتوي على الماء بالإضافة إلى أيونات الصوديوم والكلوريد الذائبة.

قد يبدو كلاهما موحّدًا تمامًا. لكن الفرق بينهما يكمن في التركيب.

أهم فرق يجب تذكّره هو:

للمادة النقية تركيب كيميائي ثابت، أما المخلوط المتجانس فلا يكون تركيبه ثابتًا.

فعلى سبيل المثال، يحتوي الماء النقي دائمًا على ذرات الهيدروجين والأكسجين مجتمعة بنسبة ثابتة يعبّر عنها الصيغة \(\ce{H2O}\).

أما الماء المالح، فلا توجد له نسبة ثابتة واحدة بين الملح والماء. إذ يمكنك تحضير:

• محلول ملحي مخفّف،
• محلول ملحي مركّز، أو
• محلول بتركيز يقع بينهما.

ويمكن أن تكون المحاليل الثلاثة متجانسة.

توقّع

يحتوي كأسـان على ماء مالح شفاف. يحتوي الكأس A على 1 g من الملح لكل 100 mL من المحلول، بينما يحتوي الكأس B على 5 g من الملح لكل 100 mL.

هل يمكن أن يكون كلاهما مخلوطًا متجانسًا رغم اختلاف تركيبهما؟

05أكثر المفاهيم الخاطئة إغراءً: «إذا لم أستطع رؤية أجزاء مختلفة، فلا بد أن المادة نقية»

يبدو هذا الاستنتاج منطقيًا، لأن المخاليط غير المتجانسة غالبًا ما تحتوي على مناطق مختلفة واضحة. فكّر في الرمل الممزوج بالماء أو الزيت الطافي فوق الماء.

لكن الرؤية ليست معيار تحديد النقاء.

فقد يحتوي المخلوط على عدة مواد، مع أنه يبدو موحّدًا تمامًا.

والهواء مثال جيد على ذلك. لا يمكنك النظر عبر غرفة ورؤية مناطق منفصلة من النيتروجين والأكسجين والأرجون وثاني أكسيد الكربون. فهذه الغازات مختلطة في جميع أنحاء الهواء.

ومع ذلك، يظل الهواء مخلوطًا لأنه يحتوي على مواد متعددة.

ويحدث الخطأ نفسه عند التعامل مع المحاليل الشفافة. فكلمة «شفاف» تعني ببساطة أن الجسيمات المرئية لا تشتّت قدرًا كبيرًا من الضوء. لكنها لا تخبرك ما إذا كانت المادة تحتوي على مادة واحدة أو عدة مواد.

06المخاليط المتجانسة مقابل المخاليط غير المتجانسة

على الرغم من أن الفرق الأساسي هنا هو بين المخاليط المتجانسة والمواد النقية، فمن المفيد مقارنة ذلك بالنوع الآخر من المخاليط.

المخلوط غير المتجانس هو مخلوط لا يكون تركيبه موحّدًا في جميع أجزائه.

تخيّل علاقة سيئة المزج… بين حبوب الإفطار والحليب. قد تحتوي ملعقة واحدة على ست قطع من الحبوب وكمية ضئيلة جدًا من الحليب، بينما تحتوي ملعقة أخرى على الحليب في معظمه. ويتغيّر التركيب بحسب الموضع الذي تأخذ منه العينة.

وهذا تقريبًا ما يحدث في المخلوط غير المتجانس.

لكن هذا التشبيه لا ينطبق على مستوى الجسيمات. فالمخاليط الكيميائية الحقيقية تتضمن ذرات وجزيئات وأيونات، وليس مفاوضات على مائدة الإفطار. والجزء المفيد من التشبيه هو ببساطة فكرة أن العينات المختلفة قد تحتوي على نسب مختلفة بوضوح.

تشمل أمثلة المخاليط غير المتجانسة ما يلي:

• التربة
• الماء الموحل
• الزيت والماء
• الغرانيت

قاعدة اتخاذ القرار هي:

1. هل توجد مادة واحدة فقط؟ إذا كانت الإجابة نعم، فهي مادة نقية.
2. إذا وُجدت أكثر من مادة واحدة، فهل التركيب موحّد في جميع الأجزاء؟ إذا كانت الإجابة نعم، فهو مخلوط متجانس.
3. إذا تغيّر التركيب من موضع إلى آخر، فهو مخلوط غير متجانس.

08هل يمكنك إثبات أن مادة ما هي مخلوط؟

أحيانًا لا يكفي المظهر وحده.

لنفترض أنك حصلت على سائل شفاف وقيل لك إنه قد يكون ماءً نقيًا أو ماءً مالحًا. كيف يمكنك التمييز بينهما؟

إحدى الطرق البسيطة هي التبخير.

إذا كانت العينة ماءً نقيًا، فلن يتبقى أي ملح ذائب بعد التبخير.

أما إذا كانت ماءً مالحًا، فيمكن أن يتبخر الماء بينما يبقى الملح الذائب.

تنجح هذه الطريقة لأن المواد الموجودة في المخلوط لم تتحول كيميائيًا إلى مادة جديدة واحدة. وغالبًا ما يمكن الاستفادة من اختلاف خواصها الفيزيائية لفصلها.

سؤال تدريبي

بخّر طالب سائلًا شفافًا عديم اللون. وبعد اختفاء السائل بالكامل، بقيت بلورات بيضاء.

ماذا يخبرك ذلك عن السائل الأصلي؟

09هل يكون للمخلوط المتجانس دائمًا التركيب نفسه تمامًا؟

ليس بالضرورة.

وهذا فرق مهم آخر بين المخلوط المتجانس والمادة النقية.

تُعدّ الزجاجة التي تحتوي على محلول ملحي تركيزه 2% والزجاجة الأخرى التي تحتوي على محلول ملحي تركيزه 10% مخلوطين متجانسين. فالتركيب موحّد داخل كل زجاجة، لكن تركيب الزجاجتين ليس متماثلًا.

أما المواد النقية فتتصرف بطريقة مختلفة.

تحتوي كل عينة نقية من كلوريد الصوديوم على الصوديوم والكلوريد بنسبة كيميائية ثابتة تعبّر عنها الصيغة:

\[ \ce{NaCl} \]

لا يمكنك جعل «كلوريد الصوديوم أكثر ملوحة» بتغيير نسبة الصوديوم إلى الكلوريد، ثم الاستمرار في اعتباره المركّب النقي نفسه.

تسمح المخاليط بتغيّر النسب، أما المركّبات النقية فلا تسمح بذلك.

سؤال تدريبي

أي العبارات التالية تصف المخلوط المتجانس على أفضل وجه؟

A. يحتوي على نوع واحد فقط من الذرات.
B. له صيغة كيميائية ثابتة.
C. تركيبه موحّد في جميع أجزائه، لكنه قد يحتوي على عدة مواد.
D. يجب أن تكون مكوّناته مرئية.

11ما الذي ينبغي أن تبحث عنه في سؤال HSC؟

عندما يُطلب منك تصنيف مادة، لا تعتمد على ما إذا كانت «تبدو كأنها شيء واحد».

بدلًا من ذلك، اطرح سؤالين.

أولًا: كم عدد المواد الموجودة؟

إذا كان هناك عنصر واحد أو مركّب واحد فقط، فإن العينة نقية.

ثانيًا: إذا كانت هناك عدة مواد، فهل هي موزّعة بالتساوي؟

إذا كانت الإجابة نعم، فإن العينة متجانسة.

يمكنك تذكّر المنطق باستخدام الصيغ المختصرة التالية:

\[ \text{مادة واحدة} \rightarrow \text{مادة نقية} \]

\[ \text{مواد متعددة + تركيب موحّد} \rightarrow \text{مخلوط متجانس} \]

\[ \text{مواد متعددة + تركيب غير موحّد} \rightarrow \text{مخلوط غير متجانس} \]

يصبح هذا التصنيف مفيدًا عندما تنتقل إلى دراسة المحاليل والتركيز والذوبانية وتقنيات الفصل. فبمجرد أن تدرك أن المحلول الشفاف يظل مخلوطًا، يصبح السؤال التالي أكثر إثارة للاهتمام: ما الكمية الموجودة فعليًا من كل مادة؟