محتويات
ما هو التحليل الحجمي؟
التحليل الحجمي (بالإنجليزية: Volumetric Analysis)، هي فرع من فروع التحليل الكيميائي الكميّ وتعدّ من الطرق عالية الدقّة[١]، وهي طريقة لوصف الكميّات الكيميائية بناءً على الحيّز الذي تُشغله المواد، وهو ما يُعرف بالحجم، ومن طرق التحليل الكيميائي الكميّ للتحليل الحجمي طريقة كيميائية شهيرة تسمى المُعايرة (Titration)، حيث يمكن من خلالها حساب حجم مادة معينة من خلال تفاعلها مع مادة أخرى معلومة الحجم والتركيز، ويتم تحديد تركيز المادة المراد معرفة حجمها في المختبر.[٢]
التحليل الحجمي هي طريقة لتحديد حجم مادة معيّنة من خلال تركيزها وذلك عند تفاعلها مع مادة معلومة الحجم والتركيز.
ما أبرز استخدامات التحليل الحجمي؟
يستخدم التحليل الحجمي في الكيمياء في تطبيقات عدّة، ومنها:
- معرفة نسبة تركيز الكلور في مياه الشرب للتأكّد من صلاحيتها.[٣]
- تستخدم طريقة التحليل الحجمي بالمعايرة في المختبرات لتحديد التراكيز المجهولة في التجارب العلمية.[٢]
- تستخدم طريقة المعايرة للتحليل الحجمي في المجال الطبي في المختبرات والمعامل.[٢]
- يتم استخدام التحليل الحجمي في تحديد درجة حموضة الزيت النباتي من خلال تصنيع وقود الديزل الحيوي.[٢]
- تحديد كميات الأحماض الدهنية غير المشبعة بالهيدروجين.[٢]
- تحديد تراكيز مركبات الأمونيوم الرباعية على الأسطح الطينية كنسب مئوية.[٤]
للتحليل الحجمي استخدامات واسعة وقد تطوّر تطبيقه في مجالات مختلفة ومتنوعة لتحديد تراكيز وأحجام مواد مجهولة لأغراض محددة.
ما أهم مبادئ التحليل الحجمي؟
عند القيام بعمليات التحليل الحجمي وتطبيق طريقة المعايرة على وجه الخصوص لا بدّ من معرفة النقاط الأساسية الآتية:[٥]
- نقطة التكافؤ: يجب أن تكون نقطة التكافؤ في التفاعلات نقطة واضحة وثابتة عند تطبيق أسلوب المعايرة، مع الانتباه إلى أنّ نقطة التكافؤ عادة ما يشار إليها عند العمل في المختبر بتقطة التوقّف ونهاية التجربة، إلا أنّ هذا الوضع مثالي جدًّا وليس من الممكن تحقيقه دائمًا فتتكوّن لدينا نسبة الخطأ وهذا أمر طبيعي يتطلّب عمليات معالجة.
- تغيّر اللون: لا بدّ من وجود علامة أو دليل لمعرفة نقطة التكافؤ للتوقف، ويظهر هذا اللون بسبب إضافة ما يسمّى بالمؤشر الذي يتغيّر لونه بشكل ملحوظ مُتيحًا بذلك معرفة نقطة إتمام التفاعل في التجربة.
- محلول المعايرة: لا بدّ لمحلول المعايرة بأن يكون ذا حجم وتركيز معروفين، وذلك لتحديد تركيز المحلول المجهول فيما بعد.
- اكتمال التفاعل: معنى اكتمال التفاعل هو إتمام عملية التفاعل بشكل كامل والحصول على النواتج ويكون ذلك عند نقطة التكافؤ بشكل تقريبي.
- السرعة: لا بد لهذه الطريقة لتكون ناجحة أن تكون سريعة بما فيه الكفاية أي أن معدّل التفاعل عالي.
التحليل الحجمي باستخدام طريقة المعايرة لا بدّ معه من الأخذ بمبادئ معيّنة لضمان نجاح التجربة والحصول على نتائج دقيقة وذات معنى.
قانون التحليل الحجمي
ما هو القانون الذي يستخدم في حسابات التحليل الحجمي؟
ينص القانون المستخدم في حسابات المعايرة على أنّ النسبة بين حجم الحمض مضروبًا في مولاريته يكافئ حجم القاعدة مضروبًا في مولاريته وبالرموز:[٦]
Macid·Vacid = Mbase·Vbase
حيث إن:
- Macid: المولارية (التركيز المولي) للحمض
- Vacid: حجم الحمض
- Mbase: المولارية (التركيز المولي) للقاعدة
- Vbase: حجم القاعدة
ملاحظة: تُحسب المولارية من القانون الآتي: المولارية= عدد مولات المذاب/ حجم المحلول(لتر)
ويتم استخدام القانون السابق في حال كانت النسبة بين (عدد مولات الحمض: عدد مولات القاعدة) تكافئ 1:1، أما فيما عدا ذلك فإن المعادلة تكون:[٦]
Macid·Vacid) / nacid = (Mbase·Vbase) / nbase)
حيث إن:
- nacid: عدد مولات الحمض
- nbase: عدد مولات القاعدة
يجب موازنة المعادلة للتفاعل الكيميائي قبل البدء بالحلّ لتحديد فيما إذا كانت النسبة بين المولات 1:1، ويتم بعدها اختيار القانون المناسب للحل.
خطوات التحليل الحجمي
ما هي الخطوات المتبعة في تجارب المعايرة للتحليل الحجمي؟
تتم عملية المعيرة للتحليل الحجمي من خلال الخطوات الآتية:[٧]
- يتم إحضار مادة معروفة التركيز (The titrant) وتوضع في السحاحة المدرّجة(Burette)، وتوضع المادة المراد حساب تركيزها (The analyte) في دورق مخروطي (Erlenmeyer flask).
- يوضع الدورق أسفل السحاحة حيث نبدأ بإضافة المادة من السحاحة على المادة في الدورق بالتدريج.
- يجب الاستمرار في الإضافة بالتدريج حتى نصل إلى نقطة التكافؤ التي تُعرف من تغيّر لون المحلول بشكل واضح.
- تُحسب المولارية من المعادلة M)acid* (V)acid = (M)base*(V)base)
من خلال الخطوات السابقة يمكن تطبيق تجرية المعايرة بهدف تحديد تركيز محلول معيّن، وتتم باستخدام عدد محدود من الأدوات والمواد.
أمثلة على التحليل الحجمي
كيف يتم تطبيق معادلة التحليل الحجمي؟ سيتم توضيح ذلك من خلال بعض الأمثلة.
نسبة المولات 1:1
عندما تكون نسبة مولات المواد المتفاعلة 1:1 يكون الحل حسب القانون الأول كالآتي:
مثال: في تجربة معايرة تمّ استخدام 25 مل من هيدروكسيد الصوديوم NaOH، باستخدام 16.5 مل من كلوريد الهيدروجين HCl بتركيز مولي يكافئ 0.17M، فأوجد التركيز المولي لهيدروكسيد الصوديوم.[٨]
الحل:
لا بدّ من كتابة معادلة التفاعل كخطوة أولى للحل، فتكون: HCl + NaOH --> H2O + NaCl.
المعادلة موزونة ونسبة مولات الحمض : القاعدة فيها = 1:1، فيكون الحل باستخدام القانون
Macid·Vacid = Mbase·Vbase
الحمض: كلوريد الهيدروجين، القاعدة : هيدروكسيد الصوديوم
Macid= 0.17M
Vacid= 16.5 mL
Vbase= 25 mL
Mbase= ?
Mbase =16.5*0.17/25
Mbase = 0.112M
نسبة المولات لا تساوي 1:1
عندما تكون نسبة مولات المواد المتفاعلة لا تساوي 1:1 لا بدّ من استخدام عدد المولات في الحل، كالآتي:
مثال: في تجربة لإجراء معايرة كنّا بحاجة لـ 16.5 مل من حمض الأكساليك H2C2O4 بتركيز مولي 0.17M لمعايرة 25 مل من هيدروكسيد الصوديوم NaOH، فما هو التركيز المولي المتوقّع لهيدروكسيد الصوديوم؟[٨]
الحل:
لا بدّ من كتابة معادلة التفاعل الموزونة كخطوة أولى للحل كالآتي: H2C2O4 + 2 NaOH --> 2H2O + Na2C2O4
نسبة مولات الحمض : القاعدة فيها= 2:1
Macid·Vacid) / nacid =( Mbase·Vbase)/ nbase)
Macid= 0.17M
Vacid= 16.5 mL
nacid= 1
Vbase= 25 mL
nbase= 2
Mbase= ?
Mbase= 2*0.17*16.5/25
Mbase= 0.224M
عند حل أمثلة تتعلّق بالمعايرة للأحماض والقواعد لا بدّ من كتابة المعادلة الموزونة للتفاعل قبل البدء بالحل لمعرفة نسبة المولات، ثمّ اختيار القانون المناسب لإيجاد المجهول.
المراجع
- ↑ "Volumetric Analysis : Definition and Principle", veerashaivacollege. Edited.
- ^ أ ب ت ث ج "The Uses of Volumetric Analysis", sciencing. Edited.
- ↑ "Using Volumetric Analysis to Determine Concentration", study. Edited.
- ↑ "Volumetric Analysis", sciencedirect. Edited.
- ↑ "14.2: Fundamentals of Volumetric Chemical Analysis, Acid/Base Equilibria & Titrations", libretexts. Edited.
- ^ أ ب "Various Concentration Terms", mccord.cm.utexas. Edited.
- ↑ "How to Do Titration Calculations", sciencing. Edited.
- ^ أ ب "Notes for chem 101 lecture 7a", calstatela. Edited.
