ملخص التحليل الكيميائي — ثالثة ثانوي

مقدمة

التحليل الكيميائي فرع مهم من الكيمياء يدرس التركيب الكيميائي للمواد. في الطب يعتمد تشخيص الأمراض على تقدير السكر والبولينا والكوليسترول، وفي الزراعة تحدد تحاليل التربة حموضتها ونوع العناصر فيها، وفي الصناعة يُحلل كل خام ومنتج لمطابقة المواصفات، وفي البيئة يقاس تلوث الماء والغذاء والهواء (مثل $\text{CO}$ و $\text{SO}_2$ وأكاسيد النيتروجين).

أهداف التعلم

تفرق بين التحليل الوصفي والكمي.
تكشف عن الأنيونات والكاتيونات المقررة وتكتب معادلات الكشف.
تجري حسابات المعايرة بين الأحماض والقواعد.
تطبق التحليل الكتلي بالتطاير والترسيب.

شرح الدرس

أنواع التحليل الكيميائي

التحليل الوصفي (الكيفي): التعرف على مكونات المادة نقية أو مخلوطًا. فإن كانت نقية عُرفت بثوابتها (درجة الانصهار والغليان والكتلة المولية)، وإن كانت مخلوطًا فُصلت مكوناتها أولًا ثم كُشف عن كل منها بتفاعلات كيميائية بكواشف مناسبة. وله فرعان: تحليل المركبات العضوية (العناصر والمجموعات الوظيفية) وغير العضوية (الأيونات: الكاتيونات والأنيونات).
التحليل الكمي: تقدير نسبة كل مكون. ويجب إجراء الكيفي أولًا لاختيار أنسب الطرق للتحليل الكمي.

الكشف عن الأنيونات (الشق الحامضي)

تُقسم الأنيونات إلى ثلاث مجموعات، لكل منها كاشف:

مجموعات الأنيونات الثلاث وكاشف كل مجموعة

أولًا: مجموعة حمض الهيدروكلوريك المخفف — الكربونات $\text{CO}_3^{2-}$ والبيكربونات $\text{HCO}_3^-$ والكبريتيت $\text{SO}_3^{2-}$ والكبريتيد $\text{S}^{2-}$ والثيوكبريتات $\text{S}_2\text{O}_3^{2-}$ والنيتريت $\text{NO}_2^-$ . يطرد الحمض الأكثر ثباتًا الأحماض الأقل ثباتًا والسهلة التطاير (ويُفضل تسخين هين). التجربة الأساسية: الملح الصلب + $\text{HCl}$ المخفف.

الأنيون	الناتج	الكشف التأكيدي
$\text{CO}_3^{2-}$	فوران وغاز $\text{CO}_2$ : $\text{Na}_2\text{CO}_3 + 2\text{HCl} \to 2\text{NaCl} + \text{H}_2\text{O} + \text{CO}_2\uparrow$	يعكر ماء الجير $\text{Ca(OH)}_2 + \text{CO}_2 \to \text{CaCO}_3\downarrow + \text{H}_2\text{O}$ (يُمرر الغاز مدة قصيرة وإلا تحول إلى بيكربونات ذائبة واختفى العكر). و $\text{MgSO}_4$ يعطي راسبًا أبيض على البارد $\text{MgCO}_3$
$\text{HCO}_3^-$	غاز $\text{CO}_2$	$\text{MgSO}_4$ يعطي راسبًا أبيض بعد التسخين فقط: $2\text{NaHCO}_3 + \text{MgSO}_4 \to \text{Na}_2\text{SO}_4 + \text{Mg(HCO}_3)_2$ ثم $\text{Mg(HCO}_3)_2 \xrightarrow{\Delta} \text{MgCO}_3\downarrow + \text{H}_2\text{O} + \text{CO}_2$
$\text{SO}_3^{2-}$	غاز $\text{SO}_2$ نفاذ الرائحة: $\text{Na}_2\text{SO}_3 + 2\text{HCl} \to 2\text{NaCl} + \text{H}_2\text{O} + \text{SO}_2\uparrow$	يخضر ورقة مبللة بثاني كرومات البوتاسيوم المحمضة؛ ونترات الفضة تعطي راسبًا أبيض $\text{Ag}_2\text{SO}_3$ يسود بالتسخين
$\text{S}^{2-}$	غاز $\text{H}_2\text{S}$ رائحة البيض الفاسد: $\text{Na}_2\text{S} + 2\text{HCl} \to 2\text{NaCl} + \text{H}_2\text{S}\uparrow$	يسود ورقة مبللة بأسيتات الرصاص ( $\text{PbS}$ )؛ ونترات الفضة راسب أسود $\text{Ag}_2\text{S}$
$\text{S}_2\text{O}_3^{2-}$	$\text{SO}_2$ وراسب أصفر من الكبريت: $\text{Na}_2\text{S}_2\text{O}_3 + 2\text{HCl} \to 2\text{NaCl} + \text{H}_2\text{O} + \text{SO}_2\uparrow + \text{S}\downarrow$
$\text{NO}_2^-$	$\text{NaNO}_2 + \text{HCl} \to \text{NaCl} + \text{HNO}_2$ ثم $3\text{HNO}_2 \to \text{HNO}_3 + \text{H}_2\text{O} + 2\text{NO}$ ؛ يتصاعد غاز عديم اللون يتحول عند فوهة الأنبوبة إلى غاز بني محمر $2\text{NO} + \text{O}_2 \to 2\text{NO}_2$	يزيل اللون البنفسجي لبرمنجنات البوتاسيوم المحمضة

وجميع كربونات الفلزات لا تذوب في الماء عدا كربونات الصوديوم والبوتاسيوم والأمونيوم، وتذوب جميعها في الأحماض.

ثانيًا: مجموعة حمض الكبريتيك المركز — الكلوريد $\text{Cl}^-$ والبروميد $\text{Br}^-$ واليوديد $\text{I}^-$ والنيترات $\text{NO}_3^-$ . حمض الكبريتيك المركز أكثر ثباتًا من أحماضها فيطردها غازات عند التسخين إذا لزم.

$\text{Cl}^-$ : غاز كلوريد الهيدروجين عديم اللون يكوّن سحبًا بيضاء مع ساق مبللة بالنشادر $\text{HCl} + \text{NH}_3 \to \text{NH}_4\text{Cl}$ . ونترات الفضة تعطي راسبًا أبيض $\text{AgCl}$ يذوب في محلول النشادر (ويسود بالضوء).
$\text{Br}^-$ : $2\text{NaBr} + \text{H}_2\text{SO}_4 \to \text{Na}_2\text{SO}_4 + 2\text{HBr}$ ثم يتأكسد جزء منه: $2\text{HBr} + \text{H}_2\text{SO}_4 \to 2\text{H}_2\text{O} + \text{SO}_2 + \text{Br}_2$ فتنفصل أبخرة حمراء من البروم. ونترات الفضة تعطي راسبًا أبيض مصفرًا $\text{AgBr}$ يذوب ببطء في النشادر المركز.
$\text{I}^-$ : أبخرة بنفسجية من اليود بالتسخين تزرق ورقة مبللة بالنشا. ونترات الفضة تعطي راسبًا أصفر $\text{AgI}$ لا يذوب في النشادر.
$\text{NO}_3^-$ : تتصاعد أبخرة بنية من $\text{NO}_2$ ( $2\text{NaNO}_3 + \text{H}_2\text{SO}_4 \to \text{Na}_2\text{SO}_4 + 2\text{HNO}_3$ ثم $4\text{HNO}_3 \to 4\text{NO}_2 + 2\text{H}_2\text{O} + \text{O}_2$ ) وتزداد الكثافة بإضافة برادة النحاس. اختبار الحلقة البنية: محلول الملح + محلول كبريتات الحديد ( $\text{II}$ ) + قطرات $\text{H}_2\text{SO}_4$ المركز بحرص على الجدار الداخلي، فتتكون حلقة بنية عند السطح الفاصل هي $\text{FeSO}_4\cdot\text{NO}$ وتزول بالرج أو التسخين.

ثالثًا: مجموعة كلوريد الباريوم — الفوسفات $\text{PO}_4^{3-}$ والكبريتات $\text{SO}_4^{2-}$ ، لا تتفاعل مع $\text{HCl}$ المخفف ولا $\text{H}_2\text{SO}_4$ المركز، لكنها تعطي راسبًا مع $\text{BaCl}_2$ :

$\text{PO}_4^{3-}$ : $2\text{Na}_3\text{PO}_4 + 3\text{BaCl}_2 \to \text{Ba}_3(\text{PO}_4)_2\downarrow + 6\text{NaCl}$ راسب أبيض يذوب في $\text{HCl}$ المخفف؛ ونترات الفضة راسب أصفر $\text{Ag}_3\text{PO}_4$ يذوب في النشادر وحمض النيتريك.
$\text{SO}_4^{2-}$ : $\text{Na}_2\text{SO}_4 + \text{BaCl}_2 \to \text{BaSO}_4\downarrow + 2\text{NaCl}$ راسب أبيض لا يذوب في $\text{HCl}$ ؛ وأسيتات الرصاص ( $\text{II}$ ) راسب أبيض $\text{PbSO}_4$ .

الكشف عن الكاتيونات (الشق القاعدي)

أكثر تعقيدًا من الأنيونات لكثرة الشقوق وتداخلها، وتقسم إلى ست مجموعات تحليلية تعتمد على اختلاف ذوبان أملاحها، ولكل مجموعة كاشف خاص. فمثلًا المجموعة الأولى كلوريداتها شحيحة الذوبان (الفضة ( $\text{I}$ ) والزئبق ( $\text{I}$ ) والرصاص ( $\text{II}$ )) وكاشفها $\text{HCl}$ المخفف. وندرس منها:

المجموعة الثانية (كبريتيداتها): كاشفها غاز $\text{H}_2\text{S}$ في وسط حمضي. كاتيون النحاس ( $\text{II}$ ): $\text{CuSO}_4 + \text{H}_2\text{S} \to \text{CuS}\downarrow + \text{H}_2\text{SO}_4$ راسب أسود يذوب في حمض النيتريك الساخن.
المجموعة الثالثة (هيدروكسيداتها): كاشفها $\text{NH}_4\text{OH}$ $NH_{4} OH$ (في وجود $\text{NH}_4\text{Cl}$ $NH_{4} Cl$ ) ومنها الألومنيوم والحديد ( $\text{II}$ $II$ ) و( $\text{III}$ $III$ ):
- $\text{Al}^{3+}$ : راسب أبيض جيلاتيني $\text{Al(OH)}_3$ يذوب في الأحماض المخففة وفي زيادة $\text{NaOH}$ : $\text{Al(OH)}_3 + \text{NaOH} \to \text{NaAlO}_2 + 2\text{H}_2\text{O}$ .
- $\text{Fe}^{2+}$ : $\text{FeSO}_4 + 2\text{NaOH} \to \text{Fe(OH)}_2\downarrow + \text{Na}_2\text{SO}_4$ راسب أبيض مخضر يتحول إلى بني ويذوب في الأحماض.
- $\text{Fe}^{3+}$ : $\text{FeCl}_3 + 3\text{NaOH} \to \text{Fe(OH)}_3\downarrow + 3\text{NaCl}$ راسب جيلاتيني بني محمر يذوب في الأحماض.
المجموعة الخامسة (كربوناتها): كاشفها محلول كربونات الأمونيوم. $\text{Ca}^{2+}$ : $\text{CaCl}_2 + (\text{NH}_4)_2\text{CO}_3 \to \text{CaCO}_3\downarrow + 2\text{NH}_4\text{Cl}$ راسب أبيض يذوب في الأحماض ويعطي مع $\text{H}_2\text{SO}_4$ المخفف راسب $\text{CaSO}_4$ أبيض؛ ويذوب في الماء الحاوي على $\text{CO}_2$ . الكشف الجاف: يكسب لهب بنزن لونًا أحمر طوبيًا.

التحليل الكمي

أولًا: التحليل الحجمي (المعايرة). يعتمد على قياس حجوم المواد. يضاف إلى حجم معلوم من المادة المجهولة التركيز محلول قياسي (معلوم التركيز) حتى التفاعل الكامل. وقد تكون التفاعلات تعادلًا (لتقدير الأحماض والقواعد) أو أكسدة واختزالًا (للمؤكسدات والمختزلات) أو ترسيبًا (لتقدير مواد تعطي نواتج شحيحة الذوبان). فإن كانت المادة حمضًا استخدمنا قلويًا قياسيًا (هيدروكسيد أو كربونات الصوديوم) والعكس. وتُحدد نقطة النهاية (عند تمام التعادل) بـدليل يتغير لونه بتغير وسط التفاعل.

الدليل	في الوسط الحمضي	في الوسط القاعدي
ميثيل البرتقالي	أحمر	أصفر
الفينولفثالين	عديم اللون	وردي
عباد الشمس	أحمر	أزرق
أزرق بروموثيمول	أصفر	أزرق

نُحمل حجمًا معلومًا من القلوي في دورق مخروطي بماصة، ونضيف قطرتين من الدليل، ونملأ السحاحة بالحمض القياسي ونضيفه تدريجيًا حتى يتغير اللون. وتُستخدم العلاقة: $\frac{M_a V_a}{n_a} = \frac{M_b V_b}{n_b}$ حيث $M$ التركيز المولاري و $V$ الحجم و $n$ عدد مولات كل مادة في المعادلة الموزونة، والرمزان $a$ للحمض و $b$ للقلوي.

ثانيًا: التحليل الكتلي. يعتمد على فصل المكون المراد تقديره ثم تعيين كتلته وحساب كميته كيميائيًا، بإحدى طريقتين:

التطاير: يُتطاير المكون ويُجمع ويُعين كتلته أو تُعين النقص في كتلة العينة (كتقدير ماء التبلر بالتسخين الشديد حتى ثبات الكتلة).
الترسيب: يُرسَّب المكون على هيئة مركب نقي شحيح الذوبان معلوم التركيب الثابت، ويُرشح بورقة ترشيح عديمة الرماد، وتُحرق الورقة مع الراسب في بوتقة حتى يبقى الراسب، ومن كتلته تُعين كتلة المكون (كترسيب الباريوم $\text{BaSO}_4$ ).

تعريفات

التحليل الوصفي: تعرف مكونات المادة.
التحليل الكمي: تقدير نسب المكونات.
المحلول القياسي: محلول معلوم التركيز بدقة.
المعايرة: تعيين تركيز حمض أو قاعدة بمعلومية الحجم اللازم منه للتعادل.
نقطة النهاية: النقطة التي ينتهي عندها التفاعل ويتغير عندها لون الدليل.

أمثلة وتطبيقات

مثال 1: عُويرت $25\ \text{mL}$ من هيدروكسيد صوديوم بحمض $\text{HCl}$ $0.1\ \text{M}$ فلزم $20\ \text{mL}$ . احسب تركيز القلوي.

الحل: $\text{HCl} + \text{NaOH} \to \text{NaCl} + \text{H}_2\text{O}$ ( $n_a = n_b = 1$ ). $0.1 \times 20 = M_b \times 25$ فـ $M_b = 0.08\ \text{M}$ .

مثال 2: لزم $30\ \text{mL}$ من $\text{HCl}$ $0.1\ \text{M}$ لمعايرة $20\ \text{mL}$ من $\text{Ca(OH)}_2$ . احسب تركيزه.

الحل: $2\text{HCl} + \text{Ca(OH)}_2 \to \text{CaCl}_2 + 2\text{H}_2\text{O}$ ( $n_a = 2, n_b = 1$ ). $\dfrac{0.1 \times 30}{2} = \dfrac{M_b \times 20}{1}$ فـ $M_b = 0.075\ \text{M}$ .

مثال 3: خليط $0.5\ \text{g}$ من $\text{NaOH}$ و $\text{NaCl}$ تعادل مع $20\ \text{mL}$ من $\text{HCl}$ $0.2\ \text{M}$ . احسب نسبة $\text{NaOH}$ .

الحل: مولات الحمض $0.2 \times 0.02 = 0.004\ \text{mol}$ = مولات $\text{NaOH}$ ، وكتلتها $0.004 \times 40 = 0.16\ \text{g}$ ، والنسبة $\dfrac{0.16}{0.5} \times 100 = 32\%$ .

مثال 4 (تطاير): سُخنت $2.50\ \text{g}$ من كبريتات النحاس المتهدرتة $\text{CuSO}_4\cdot x\text{H}_2\text{O}$ فبقي $1.60\ \text{g}$ . أوجد $x$ ونسبة ماء التبلر. ( $\text{CuSO}_4 = 159.5$ )

الحل: كتلة الماء $0.90\ \text{g}$ ، النسبة $\dfrac{0.90}{2.50} \times 100 = 36\%$ . مولات الماء $\dfrac{0.90}{18} = 0.05$ ومولات الملح $\dfrac{1.60}{159.5} \approx 0.01$ فـ $x = 5$ : $\text{CuSO}_4\cdot5\text{H}_2\text{O}$ .

مثال 5 (ترسيب): أُضيف $\text{Na}_2\text{SO}_4$ إلى محلول $\text{BaCl}_2$ فتكوّن $1.166\ \text{g}$ من $\text{BaSO}_4$ . احسب كتلة $\text{BaCl}_2$ في المحلول. ( $\text{Ba} = 137$ , $\text{S} = 32$ , $\text{O} = 16$ , $\text{Cl} = 35.5$ )

الحل: $\text{BaCl}_2 + \text{Na}_2\text{SO}_4 \to \text{BaSO}_4 + 2\text{NaCl}$ . $208\ \text{g}$ تعطي $233\ \text{g}$ ، فالكتلة $\dfrac{1.166 \times 208}{233} \approx 1.04\ \text{g}$ .

مثال 6: عينة $2.0\ \text{g}$ غير نقية من $\text{NaCl}$ أعطت $4.3\ \text{g}$ من $\text{AgCl}$ (كتلته المولية $143.5$ ). احسب نسبة الكلور.

الحل: مولات $\text{AgCl}$ $= \dfrac{4.3}{143.5} \approx 0.030$ = مولات $\text{Cl}$ ، كتلة الكلور $0.030 \times 35.5 \approx 1.06\ \text{g}$ ، والنسبة $\approx 53\%$ .

ملاحظات مهمة

يختلف الكربونات عن البيكربونات بكاشف $\text{MgSO}_4$ : الأولى راسب على البارد، والثانية بعد التسخين.
لا يُمرر $\text{CO}_2$ زمنًا طويلًا في ماء الجير لئلا يذوب الراسب.
راسب $\text{AgCl}$ يذوب في النشادر، و $\text{AgBr}$ ببطء، و $\text{AgI}$ لا يذوب.
راسب $\text{BaSO}_4$ لا يذوب في الأحماض بخلاف $\text{Ba}_3(\text{PO}_4)_2$ .
في المعايرة يُراعى عدد المولات $n$ من المعادلة الموزونة لا من الأرقام الظاهرة.

المفاهيم الأساسية

وصفي (ماذا؟) وكمي (كم؟).
أنيونات: $\text{HCl}$ المخفف، $\text{H}_2\text{SO}_4$ المركز، $\text{BaCl}_2$ .
كاتيونات: $\text{Cu}^{2+}$ (مع $\text{H}_2\text{S}$ ) و $\text{Al}^{3+}$ و $\text{Fe}^{2+}$ و $\text{Fe}^{3+}$ (هيدروكسيدات) و $\text{Ca}^{2+}$ (كربونات).
$\dfrac{M_aV_a}{n_a} = \dfrac{M_bV_b}{n_b}$ .
التحليل الكتلي: تطاير وترسيب.

ملخص الدرس

يميز التحليل الوصفي مكونات المادة والكمي نسبها. تُكشف الأنيونات بثلاث مجموعات من الكواشف (حمض مخفف، حمض مركز، كلوريد الباريوم)، والكاتيونات بترسيب مجموعات تحليلية. وتُقدّر الكميات حجميًا بالمعايرة بدليل ومحلول قياسي، أو كتليًا بالتطاير والترسيب.

أسئلة للتدريب

وضح بالمعادلات كيف تميز بين كبريتيت الصوديوم وكبريتات الصوديوم.
كيف تميز بين محلولي كلوريد الصوديوم وكلوريد الألومنيوم؟
أُجريت معايرة $25\ \text{mL}$ من $\text{NaOH}$ مع $\text{H}_2\text{SO}_4$ $0.1\ \text{M}$ فاستهلك $5\ \text{mL}$ ؛ احسب تركيز القلوي.
ما الفرق بين التحليل الكتلي بالتطاير وبالترسيب؟
اذكر الكاشف الذي يُستخدم للتمييز بين الكربونات والبيكربونات وسبب ذلك.