اختبارات اللهب ومستويات الطاقة المكمّاة في كيمياء HSC

قد يبدو محلولان ملحيان صافيان متطابقين تقريبًا. ضع حلقة سلكية نظيفة تحمل أحدهما في لهب أزرق لموقد بنسن، فقد يومض بلون أصفر ساطع. اختبر الآخر، وقد ترى بدلًا من ذلك لونًا بنفسجيًا فاتحًا.

قبل المتابعة، توقّع الآتي: إذا كان بإمكان الإلكترونات داخل الأنواع الفلزية أن تمتلك أي طاقة تشاء، فهل تتوقع ظهور بضعة ألوان مميزة، أم نطاقًا سلسًا ومتصلًا من الألوان؟

ستتوقع نطاقًا سلسًا. لكن بدلًا من ذلك، تنتج أيونات فلزية محددة ألوانًا مميزة في اختبار اللهب. وتشير هذه الملاحظة إلى واحدة من أهم الأفكار في البنية الذرية: طاقات الإلكترونات مكمّاة.

01لماذا يستطيع اللهب الكشف عن مستويات الطاقة

ابدأ بما يفعله اللهب فعليًا.

عند وضع كمية صغيرة من ملح فلزي في لهب ساخن، يتبخر المذيب ويُسخَّن الملح بشدة. تنتقل الطاقة من اللهب إلى الجسيمات المتكوّنة من الملح.

تمتص بعض الإلكترونات هذه الطاقة.

يمكن للإلكترون بعد ذلك أن ينتقل من حالة طاقة أقل إلى حالة طاقة أعلى. ونسمّي ذلك الإثارة.

لا يستمر ترتيب الطاقة الأعلى عادةً لفترة طويلة. يعود الإلكترون إلى حالة طاقة أقل، مطلقًا طاقة على هيئة إشعاع كهرومغناطيسي.

إذا كان لهذا الإشعاع طول موجي يقع في المنطقة المرئية، فإننا نرى لونًا.

التسلسل الأساسي هو:

1. يزوّد اللهب النظام بالطاقة.
2. يمتص إلكترون الطاقة.
3. ينتقل الإلكترون إلى مستوى طاقة مسموح به أعلى.
4. يعود الإلكترون إلى مستوى أدنى.
5. ينطلق فرق الطاقة على هيئة فوتون.

الكلمة المهمة هي مسموح به.

لا يُسمح للإلكترونات بامتلاك كل قيمة ممكنة للطاقة.

02الطاقة المكمّاة تعني “درجات”، لا منحدرًا

تخيّل سلّمًا.

يمكنك الوقوف على الدرجة 2 أو الدرجة 3. لكن لا يمكنك الوقوف عند الدرجة 2.63 بينما تطفو بطريقة ما بينهما.

هذا نموذج أولي مفيد لمستويات طاقة الإلكترونات. تمثل الدرجات الطاقات المسموح بها. ويتطلب الانتقال إلى أعلى امتصاص طاقة، بينما يؤدي الانتقال إلى أسفل إلى إطلاق طاقة.

لكن لهذا التشبيه حد مهم. فمستويات طاقة الإلكترونات ليست رفوفًا حقيقية أو حلقات مادية يجلس عليها الإلكترون. تصف ميكانيكا الكم الإلكترونات باستخدام المدارات الذرية وتوزيعات الاحتمال. والسلّم ليس سوى نموذج يوضح أن طاقاتها تأخذ قيمًا منفصلة.

إذا كنت بحاجة إلى مراجعة كيفية ترتيب الإلكترونات قبل المتابعة، فراجع التوزيع الإلكتروني في كيمياء HSC: الذرات والأيونات.

لنفترض أن إلكترونًا ينتقل بين مستويين طاقتهما \(E_{\text{high}}\) و\(E_{\text{low}}\). تكون الطاقة المنطلقة

\[
\Delta E = E_{\text{high}} – E_{\text{low}}
\]

حيث تمثل \(\Delta E\) فرق الطاقة بوحدة الجول، J.

وتغادر هذه الطاقة على هيئة فوتون.

طاقة الفوتون هي

\[
E = hf = \frac{hc}{\lambda}
\]

حيث:

• \(E\) هي طاقة الفوتون بوحدة الجول، J
• \(h\) هو ثابت بلانك، \(6.626 \times 10^{-34}\ \text{J s}\)
• \(f\) هو التردد بوحدة الهرتز، Hz
• \(c\) هي سرعة الضوء، \(3.00 \times 10^8\ \text{m s}^{-1}\)
• \(\lambda\) هو الطول الموجي بوحدة المتر، m

إذًا، يحدد فرق الطاقة داخل النوع الباعث الطول الموجي للفوتون.

ينتج فرق طاقة أكبر فوتونًا أعلى طاقة. وللفوتونات المرئية الأعلى طاقة ترددات أعلى وأطوال موجية أقصر، باتجاه الطرف الأزرق والبنفسجي من الطيف المرئي.

أما فرق الطاقة الأصغر فينتج فوتونًا أقل طاقة وله طول موجي أطول، باتجاه الطرف الأحمر.

وهذه هي العلاقة:

مستويات الطاقة -> فرق الطاقة -> طاقة الفوتون -> الطول الموجي -> اللون المرصود

03لماذا تعطي الأيونات الفلزية المختلفة ألوانًا مختلفة

إليك التنبؤ الأساسي.

لنفترض أن أيونين فلزيين مختلفين كان لديهما بالضبط المجموعة نفسها من مستويات طاقة الإلكترونات. ماذا ستتوقع من انبعاثهما؟

يمكنهما إنتاج المجموعة نفسها من طاقات الفوتونات، وبالتالي الأطوال الموجية نفسها.

لكن العناصر المختلفة لها شحنات نووية مختلفة وترتيبات إلكترونية مختلفة. ولذلك تختلف طاقات الإلكترونات المسموح بها فيها. كما تختلف الفجوات بين مستويات طاقتها.

وينتج عن ذلك أطوال موجية مميزة مختلفة للانبعاث.

في اختبار اللهب المدرسي، تشمل الألوان الشائعة الملاحظة:

تعامل مع هذا الجدول بوصفه دليلًا تجريبيًا، لا مجموعة من ألوان الطلاء الثابتة تمامًا. فما تراه فعليًا يعتمد على التركيز والتلوث وظروف اللهب وإدراكك الشخصي للألوان.

وهناك تفصيل مفيد آخر. غالبًا ما تعطي أملاح تحتوي على الأيون الفلزي نفسه ألوان لهب متشابهة. فكلوريد الصوديوم ونترات الصوديوم، على سبيل المثال، يحتوي كلاهما على \(\mathrm{Na}^{+}\).

لقد تغيّر الأنيون، لكن انبعاث الصوديوم المميز بقي موجودًا.

ولهذا تُستخدم اختبارات اللهب أساسًا بوصفها دليلًا يتعلق بالمكوّن الفلزي للملح.

04لون لهب واحد لا يعني طولًا موجيًا واحدًا

من المغري أن تتخيل أن لهب الصوديوم ينتج طولًا موجيًا أصفر واحدًا ولا شيء غيره.

لكن هذا تبسيط مفرط.

يمكن للذرة أو الأيون أن يمتلك عددًا كبيرًا من مستويات الطاقة المسموح بها. ويمكن للإلكترونات أن تخضع لعدة انتقالات مختلفة، ولذلك قد تنبعث عدة طاقات مختلفة للفوتونات.

يفصل المطياف الضوء المنبعث حسب الطول الموجي. وبدلًا من رؤية لون لهب واحد ممزوج، ترى سلسلة من خطوط الانبعاث الساطعة.

يقابل كل خط طاقة فوتون معينة، وبالتالي فرق طاقة معينًا.

وهذا دليل أقوى على مستويات الطاقة المكمّاة من لون اللهب الذي تراه العين المجردة وحده.

لو كانت طاقات الإلكترونات تشكل نطاقًا متصلًا، لتوقعت نطاقًا متصلًا من الطاقات المنبعثة. وتُظهر الخطوط المنفصلة أن فروق طاقة محددة فقط هي التي تحدث.

05ما الذي يصدر الضوء فعليًا؟

في كيمياء HSC، من المفيد وصف اختبار اللهب من حيث امتصاص الإلكترونات في الأنواع الفلزية للطاقة ثم إطلاقها فوتونات لاحقًا عندما تنتقل إلى مستويات طاقة أدنى.

لكن هناك قدرًا إضافيًا من الكيمياء يحدث داخل اللهب الحقيقي.

يتبخر المحلول أولًا. ويتحول الملح الذائب إلى أنواع غازية، ويمكن لدرجة الحرارة المرتفعة أن تنتج مزيجًا يحتوي على ذرات وأيونات وأنواع صغيرة أخرى. ويعتمد النوع الباعث الفعلي على العنصر وظروف اللهب.

لذلك، تُعد عبارات مثل “أيون \(\mathrm{Na}^{+}\) يجعل اللهب أصفر” اختصارًا مفيدًا لتحديد الأيون الفلزي الموجود أصلًا في العينة. لكن لا ينبغي فهمها على أنها تعني أنه لا يوجد داخل اللهب أي شيء سوى أيونات \(\mathrm{Na}^{+}\) منفردة.

وتظل النتيجة الأساسية دون تغيير: يحدث الانبعاث المميز لأن الإلكترونات لا تستطيع الانتقال إلا بين حالات طاقة معينة مسموح بها.

06أكثر المفاهيم الخاطئة إغراءً: لون اللهب ناتج من الحرارة

قد يفكر طالب بهذه الطريقة:

يتوهج اللهب الساخن، فربما يجعل الصوديوم اللهب أكثر سخونة، بينما يجعله البوتاسيوم أبرد.

يبدو هذا معقولًا، لكنه يتنبأ بآلية خاطئة.

إذا كان اللون يتحدد أساسًا نتيجة تغيير العينة لدرجة حرارة اللهب، فينبغي للمواد الموجودة عند درجات حرارة متشابهة أن تظهر ألوانًا متشابهة.

لكن بدلًا من ذلك، يمكن لأملاح فلزية مختلفة موضوعة في اللهب نفسه أن تنتج ألوانًا مميزة مختلفة.

يوفر لهب بنسن الطاقة. أما البنية الإلكترونية للأنواع الفلزية فهي التي تحدد الأطوال الموجية المميزة المنبعثة.

وهناك أيضًا تمييز مفيد بين نوعين من إنتاج الضوء:

• يمكن لجسم ساخن أن ينتج طيفًا حراريًا واسعًا ومتصلًا.
• يمكن للذرات والأيونات المثارة أن تنتج خطوط انبعاث منفصلة.

يعتمد اختبار اللهب على التأثير الثاني لتحديد الأيونات الفلزية.

07كيفية إجراء استقصاء مفيد لاختبار اللهب

يبدو اختبار اللهب العملي بسيطًا، وهذا بالضبط ما يجعل الأسلوب غير الدقيق قادرًا على إفساده.

يستخدم الاستقصاء المعقول محاليل أملاح فلزية معلومة أولًا، ثم يقارن عينة مجهولة بتلك الملاحظات.

طريقة نموذجية هي:

1. أشعل موقد بنسن واضبطه ليعطي لهبًا أزرق غير مضيء.
2. نظّف حلقة سلكية من النيكروم أو البلاتين باستخدام حمض الهيدروكلوريك وفقًا لإجراءات مختبرك.
3. ضع الحلقة النظيفة في اللهب.
4. تأكد من أنها لا تنتج لون لهب ملحوظًا.
5. اغمس الحلقة في أحد محاليل الأملاح الفلزية.
6. ضع العينة في المنطقة الساخنة من اللهب.
7. راقب لون اللهب وسجله.
8. نظّف الحلقة جيدًا قبل اختبار المحلول التالي.
9. كرر القياسات حتى لا تُعتمد ملاحظة غير معتادة استنادًا إلى تجربة واحدة فقط.

الترتيب مهم.

إذا اختبرت الصوديوم ثم وضعت الحلقة المتسخة نفسها مباشرة في محلول بوتاسيوم، فقد تبقى كمية ضئيلة من الصوديوم. وانبعاث الصوديوم الأصفر شديد ويمكنه أن يحجب اللون البنفسجي الفاتح الأضعف بكثير الذي كنت تحاول رؤيته.

وهذا ليس تفصيلًا تقنيًا بسيطًا. فقد يغيّر استنتاجك.

08تقييم الاستقصاء بطريقة صحيحة

ينبغي ألا يقتصر التقييم على قول “قد يحدث خطأ بشري”. فهذه العبارة لا تخبرك بشيء تقريبًا.

حدّد نقطة الضعف الفعلية، واشرح التأثير الذي يمكن أن تسببه في النتيجة، واقترح تحسينًا يستهدفها مباشرة.

التلوث بين العينات

المشكلة: يمكن للأيونات الفلزية المتبقية على السلك من تجربة سابقة أن تدخل إلى العينة التالية أو إلى اللهب.

الأثر: قد يحتوي اللون المرصود على انبعاثات من أكثر من فلز واحد. ويكون تلوث الصوديوم مزعجًا بصورة خاصة لأن انبعاثه الأصفر قد يكون شديدًا جدًا.

التحسين: نظّف الحلقة جيدًا بين العينات وسخّنها في اللهب حتى لا يظهر أي لون مميز. ويمكن أيضًا استخدام حلقات منفصلة للمحاليل المختلفة.

لهب بنسن أصفر مضيء

المشكلة: يؤدي إغلاق فتحة الهواء إلى احتراق غير كامل وتكوّن جسيمات كربون متوهجة.

الأثر: يبدو اللهب بالفعل أصفر ساطعًا، مما يجعل تمييز اختبار الصوديوم صعبًا ويجعل رؤية الألوان الأخرى أكثر صعوبة.

التحسين: استخدم لهبًا أزرق غير مضيء.

اختلاف كميات العينات

المشكلة: تحمل إحدى الحلقات كمية من المحلول أكبر بكثير من أخرى.

الأثر: قد يبدو لون أحد اللهبين أكثر سطوعًا ببساطة بسبب وجود كمية أكبر من المادة الباعثة.

التحسين: استخدم الحلقة نفسها وطريقة غمس ثابتة. وحافظ على تراكيز المحاليل مضبوطة قدر الإمكان.

الحكم على اللون أمر ذاتي

المشكلة: تعتمد كلمات مثل “أحمر” و”قرمزي” و”أحمر برتقالي” على المراقب وظروف الإضاءة.

الأثر: قد يحدث خلط بين الألوان المتشابهة، خاصةً في العينات المجهولة.

التحسين: قارن العينات المجهولة مباشرة بمعايير معلومة تحت الظروف نفسها. والأفضل من ذلك استخدام مطياف حتى تتم مقارنة مواضع الأطوال الموجية بدلًا من أسماء الألوان.

يمكن للصوديوم أن يحجب الأيونات الأخرى

المشكلة: قد يحتوي المزيج على كمية صغيرة من الصوديوم إلى جانب أيون آخر.

الأثر: يمكن للانبعاث الأصفر الشديد أن يهيمن على ما تراه العين.

التحسين: استخدم التحليل الطيفي لفصل الأطوال الموجية المختلفة. وفي بعض البيئات العملية، يمكن لمرشح أزرق من الكوبالت أن يقلل الظهور المرئي للون الأصفر للصوديوم ويجعل انبعاث البوتاسيوم البنفسجي الفاتح أسهل في الرؤية، لكنه لا يحول اختبار اللهب إلى قياس انتقائي تمامًا.

09الموثوقية والصلاحية والدقة مفاهيم مختلفة

كثيرًا ما تُستخدم هذه الكلمات في التقارير العملية كما لو كانت تعني الشيء نفسه.

لكنها لا تعني ذلك.

قد يجعل تكرار اختبار لهب ملوث بشدة النتائج أكثر موثوقية مع بقاء الاختبار غير صالح.

على سبيل المثال، تخيل أن حلقة ملوثة بالصوديوم تعطي لهبًا أصفر ثلاث مرات عند اختبار البوتاسيوم. هذه النتائج متسقة. لكنها مضللة أيضًا.

لذلك، فإن عبارة “كرره ثلاث مرات” ليست تقييمًا كاملًا في حد ذاتها.

10ما الذي يستطيع اختبار اللهب إثباته فعليًا؟

يمكن لاختبار اللهب أن يقدم دليلًا على وجود أيون فلزي معين.

لكنه لا يستطيع عادةً إثبات وجود ذلك الأيون بشكل قاطع اعتمادًا على اللون وحده.

لماذا؟

أولًا، بعض الألوان متشابهة. فالليثيوم والسترونشيوم كلاهما ينتج ألوانًا حمراء قد يصعب تمييزها بالعين.

ثانيًا، يصعب التعامل مع المخاليط. فقد يحجب أحد الانبعاثات القوية انبعاثًا آخر.

ثالثًا، يمكن للتلوث أن ينتج لونًا زائفًا.

رابعًا، تجمع العين المجردة عدة أطوال موجية في لون واحد مدرَك.

لذلك، يبدو الاستنتاج العلمي القوي هكذا:

اللهب الأصفر المرصود يتفق مع وجود أيونات الصوديوم.

أما الاستنتاج العلمي الأضعف فهو:

اللهب الأصفر يثبت أن العينة هي كلوريد الصوديوم.

فاختبار اللهب لم يحدد الأنيون، وقد لا تكفي الملاحظة وحدها لتحديد الكاتيون تحديدًا فريدًا.

11اختبارات اللهب بوصفها دليلًا على النماذج الذرية

النتيجة المهمة لاختبار اللهب ليست جدول الألوان.

بل النمط الكامن وراء الألوان.

تنتج العناصر المختلفة أطوالًا موجية محددة للانبعاث. ويفصلها المطياف إلى خطوط منفصلة بدلًا من قوس قزح متصل.

لذلك يجب على أي نموذج ذري مفيد أن يفسر ملاحظتين:

• لا تستطيع الإلكترونات امتلاك أي قيمة عشوائية للطاقة
• للعناصر المختلفة مجموعات مختلفة من الطاقات المسموح بها

استطاع نموذج بور تمثيل فكرة مستويات الطاقة المنفصلة. وكان ناجحًا بصورة خاصة في حالة الهيدروجين.

وتستبدل النماذج الكمّية الأكثر تقدمًا مدارات الإلكترونات الدائرية البسيطة بالمدارات الذرية. وفي كيمياء HSC، تمنحك صيغة spdf وإلكترونات التكافؤ المستوى التالي من هذا الوصف.

يبقى نموذج السلّم البسيط مفيدًا، لكن الصورة التفصيلية لهذا السلّم تصبح أكثر ثراءً بكثير.

12الأسئلة والحلول

السؤال 1

يختبر طالب عينة نظيفة ويلاحظ لهبًا أصفر شديدًا. الأيونات الفلزية المحتملة هي \(\mathrm{Na}^{+}\) و\(\mathrm{K}^{+}\) و\(\mathrm{Cu}^{2+}\).

أي أيون هو الأكثر اتساقًا مع الملاحظة؟ فسّر الملاحظة باستخدام مستويات طاقة الإلكترونات.

الحل 1

الأيون الأكثر اتساقًا مع الملاحظة هو \(\mathrm{Na}^{+}\).

تنتج مركبات الصوديوم عادةً لهبًا أصفر شديدًا تحت ظروف اختبار اللهب المعتادة.

تثير الطاقة القادمة من اللهب الإلكترونات في الأنواع الكيميائية للصوديوم فتنقلها إلى حالات طاقة مسموح بها أعلى. وعندما تعود الإلكترونات إلى حالات طاقة أدنى، تنبعث فوتونات.

وتحقق طاقات الفوتونات العلاقة

\[
\Delta E = hf = \frac{hc}{\lambda}
\]

لا يُسمح إلا بفروق طاقة معينة، ولذلك تنبعث أطوال موجية محددة. وتقع انبعاثات الصوديوم المرئية القوية في المنطقة الصفراء، مما ينتج اللون المرصود.

يمثل لون اللهب دليلًا يتفق مع وجود الصوديوم، وليس إثباتًا مطلقًا يعتمد على اللون وحده.

السؤال 2

يختبر طالب كلوريد الصوديوم، \(\ce{NaCl}\)، ونترات الصوديوم، \(\ce{NaNO3}\). وينتج كلاهما لهبًا أصفر متشابهًا جدًا.

ويزعم طالب آخر أن اختبار اللهب لا بد أنه يحدد أيونات الكلوريد والنترات.

اشرح لماذا هذا الاستنتاج غير صحيح.

الحل 2

الاستنتاج غير صحيح لأن النوع المشترك في العينتين هو أيون الصوديوم، \(\mathrm{Na}^{+}\)، وليس الأنيون.

يحتوي المركبان على أنيونين مختلفين:

\[
\mathrm{Cl}^{-}
\]

و

\[
\ce{NO3-}
\]

لكنهما يحتويان كلاهما على \(\mathrm{Na}^{+}\).

لذلك، توفر ألوان اللهب المميزة والمتشابهة دليلًا على أن الانبعاث المهم مرتبط بالأنواع الفلزية الناتجة من الصوديوم.

والخطأ المغري هو افتراض أن كل جزء من المركب يساهم بالقدر نفسه في لون اللهب المرئي. وفي اختبارات اللهب النوعية المعتادة، يُستخدم اللون المميز أساسًا لتحديد الكاتيون الفلزي.

كما لا تستطيع النتيجة التمييز بين كلوريد الصوديوم ونترات الصوديوم. وستكون هناك حاجة إلى اختبار آخر لتحديد الأنيون.

السؤال 3

يبلغ الطول الموجي لخط انبعاث من عينة فلزية مسخنة \(520\ \text{nm}\).

احسب طاقة فوتون واحد. ويظهر خط ثانٍ عند \(680\ \text{nm}\). من دون حساب طاقته الدقيقة، حدد أي الخطين يقابل تغيرًا إلكترونيًا أكبر في الطاقة واشرح السبب.

الحل 3

تبلغ طاقة فوتون \(520\ \text{nm}\) تقريبًا \(3.82 \times 10^{-19}\ \text{J}\)، وهو يمثل تغير الطاقة الأكبر.

حوّل الطول الموجي أولًا:

\[
520\ \text{nm}
= 5.20 \times 10^{-7}\ \text{m}
\]

استخدم

\[
E = \frac{hc}{\lambda}
\]

ثم عوّض:

\[
E
= \frac{(6.626 \times 10^{-34}\ \text{J s})(3.00 \times 10^8\ \text{m s}^{-1})}
{5.20 \times 10^{-7}\ \text{m}}
= 3.82 \times 10^{-19}\ \text{J}
\]

إذًا،

\[
E = 3.82 \times 10^{-19}\ \text{J لكل فوتون}
\]

يقابل خط \(520\ \text{nm}\) تغيرًا في الطاقة أكبر من خط \(680\ \text{nm}\).

لأن

\[
E = \frac{hc}{\lambda}
\]

فإن طاقة الفوتون تتناسب عكسيًا مع الطول الموجي. ولذلك لا بد أن يمتلك الطول الموجي الأقصر \(520\ \text{nm}\) طاقة فوتون أكبر وأن يقابل فرقًا أكبر بين مستويات الطاقة الإلكترونية.

السؤال 4

يجري طالب اختبارات اللهب بهذا الترتيب:

1. محلول الصوديوم
2. محلول البوتاسيوم
3. محلول الكالسيوم

تُغمس الحلقة السلكية في حمض الهيدروكلوريك بين العينات، لكن الطالب لا يسخّن الحلقة للتحقق من نظافتها. وتبدو العينات الثلاث جميعها صفراء.

يكرر الطالب الإجراء كاملًا ثلاث مرات ويحصل على النتيجة نفسها في كل مرة.

قيّم الاستقصاء. ينبغي أن تميز إجابتك بين الموثوقية والصلاحية وأن تقترح تحسينًا مفيدًا.

الحل 4

قد يكون الاستقصاء قابلًا للتكرار، لكن الدليل ليس صالحًا بما يكفي لدعم الاستنتاج القائل إن العينات الثلاث جميعها تحتوي على الصوديوم.

يعطي الحصول على النتيجة الصفراء نفسها ثلاث مرات بعض الأدلة على الموثوقية، لأن الملاحظة متسقة.

لكن الإجراء يعاني مشكلة تلوث خطيرة. فمجرد غمس الحلقة في حمض الهيدروكلوريك لا يثبت أن جميع بقايا الصوديوم قد أزيلت. وبما أن الصوديوم ينتج انبعاثًا أصفر شديدًا جدًا، فقد تكفي كمية صغيرة تنتقل إلى التجارب اللاحقة لحجب لهب البوتاسيوم البنفسجي الفاتح المتوقع أو لهب الكالسيوم الأحمر البرتقالي.

ويهدد ذلك الصلاحية لأن الاستقصاء لم يعد يغيّر العينة الفلزية المقصودة وحدها. فقد أصبحت بقايا العينة السابقة متغيرًا غير مضبوط.

ومن التحسينات المفيدة تنظيف الحلقة ثم تسخينها في اللهب قبل كل عينة. وينبغي ألا تنتج الحلقة أي لون لهب مميز قبل اختبار المحلول التالي.

كما أن استخدام حلقات نظيفة منفصلة للعينات المختلفة سيقلل التلوث المتبادل بدرجة أكبر.

والفخ المهم هنا هو افتراض أن النتائج المتكررة لا بد أن تكون صحيحة. فقد يحدث خطأ منهجي بصورة متسقة، ولذلك يمكن أن يؤدي تكرار الطريقة المعيبة نفسها إلى بيانات شديدة الاتساق لكنها مضللة.

السؤال 5

ينتج محلول مجهول لهبًا أصفر قويًا عند رؤيته بالعين. ويستنتج طالب:

يحتوي المحلول على أيونات الصوديوم ولا يحتوي على أي أيونات فلزية أخرى.

ثم يُستخدم مطياف. تظهر خطوط الصوديوم الصفراء القوية، لكن عدة خطوط أضعف تطابق أيضًا طيفًا مرجعيًا للبوتاسيوم.

قيّم الاستنتاج الأصلي للطالب واشرح لماذا لا تتعارض الملاحظتان.

الحل 5

استنتاج الطالب بأن الصوديوم هو الأيون الفلزي الوحيد الموجود غير مبرر.

يمثل اللهب الأصفر القوي دليلًا جيدًا على وجود الصوديوم. لكن اختبار اللهب بالعين المجردة لا يُظهر بصورة موثوقة كل الأنواع الباعثة الموجودة في مزيج.

انبعاث الصوديوم شديد جدًا ويمكنه أن يهيمن على لون اللهب الذي ندركه. ولذلك قد يكون البوتاسيوم موجودًا رغم صعوبة رؤية مساهمته البنفسجية الفاتحة.

يعطي المطياف دليلًا أكثر تفصيلًا لأنه يفصل الإشعاع المنبعث وفقًا للطول الموجي. وبدلًا من دمج جميع الأطوال الموجية في لون واحد مدرَك، يكشف خطوط الانبعاث الفردية.

وبالتالي، فإن الملاحظتين متوافقتان:

• تكتشف العين أساسًا اللون الأصفر الشديد للصوديوم
• يكتشف المطياف انبعاثات الصوديوم وانبعاثات البوتاسيوم الأضعف معًا

وكان الافتراض الخفي في استدلال الطالب هو أن “لا أرى سوى لون واحد” تعني “لا يوجد سوى فلز واحد”. وهذا الافتراض لا يصح في المخاليط.

السؤال 6

يحتوي نموذج مبسط لنوع باعث على مستويات الطاقة المسموح بها الآتية:

\[
E_0 = 0
\]

\[
E_1 = 2.10 \times 10^{-19}\ \text{J}
\]

\[
E_2 = 4.90 \times 10^{-19}\ \text{J}
\]

افترض أن الإلكترونات تستطيع إجراء انتقالات إلى أسفل بين أي زوج من هذه المستويات.

حدد طاقات الفوتونات الثلاث الممكنة. ثم احسب الطول الموجي الناتج عن الانتقال من \(E_2\) إلى \(E_1\).

هل ينتج كل انتقال ممكن بالضرورة لون لهب مرئيًا؟

الحل 6

طاقات الفوتونات الممكنة هي \(2.10 \times 10^{-19}\ \text{J}\) و\(2.80 \times 10^{-19}\ \text{J}\) و\(4.90 \times 10^{-19}\ \text{J}\). وينتج الانتقال من \(E_2\) إلى \(E_1\) ضوءًا بطول موجي يقارب \(710\ \text{nm}\)، وليس من الضروري أن يكون كل انتقال ممكن مرئيًا.

بالنسبة إلى الانتقال \(E_1 \to E_0\):

\[
\Delta E
= 2.10 \times 10^{-19} – 0
= 2.10 \times 10^{-19}\ \text{J}
\]

بالنسبة إلى \(E_2 \to E_1\):

\[
\Delta E
= 4.90 \times 10^{-19} – 2.10 \times 10^{-19}
= 2.80 \times 10^{-19}\ \text{J}
\]

بالنسبة إلى \(E_2 \to E_0\):

\[
\Delta E
= 4.90 \times 10^{-19} – 0
= 4.90 \times 10^{-19}\ \text{J}
\]

بالنسبة إلى الانتقال \(E_2 \to E_1\)،

\[
\lambda = \frac{hc}{E}
\]

إذًا

\[
\lambda
= \frac{(6.626 \times 10^{-34}\ \text{J s})(3.00 \times 10^8\ \text{m s}^{-1})}
{2.80 \times 10^{-19}\ \text{J}}
= 7.10 \times 10^{-7}\ \text{m}
\]

وبالتالي،

\[
\lambda = 710\ \text{nm}
\]

وهو قريب من الطرف الأحمر للطيف المرئي.

ليس من الضروري أن ينتج كل انتقال ممكن ضوءًا مرئيًا. فقد يكون للفوتون طول موجي في منطقة الأشعة تحت الحمراء أو فوق البنفسجية، أو قد يكون الانبعاث أضعف من أن يساهم بصورة ملحوظة في لون اللهب المرصود.

ولهذا فإن عبارة “لا يوجد لون مرئي قوي” لا تعني “لم تحدث انتقالات إلكترونية”. فالكاشف الذي يقيس أطوالًا موجية خارج نطاق ما تستطيع العين البشرية رؤيته يمكنه الكشف عن معلومات تفوت ملاحظة لون اللهب.

13إلى أين تقود هذه الفكرة بعد ذلك

يحوّل اختبار اللهب عبارة مجردة عن الطاقة المكمّاة إلى تنبؤ يمكن ملاحظته: تصدر مواد معينة أطوالًا موجية معينة لأن إلكتروناتها تمتلك فروق طاقة محددة مسموحًا بها.

والسؤال التالي أكثر تفصيلًا. لماذا تمتلك الذرات المختلفة مستويات الطاقة المحددة هذه أصلًا؟

ينقلك ذلك من الصورة البسيطة الشبيهة بنموذج بور لمستويات منفصلة إلى التوزيعات الإلكترونية والمستويات الفرعية والمدارات الذرية. وعندما تستطيع الربط بين طيف الانبعاث وترتيب الإلكترونات، تتوقف اختبارات اللهب عن كونها تمرينًا لحفظ الألوان وتصبح دليلًا على البنية الذرية.