الترشيح ، التبخير، الكروماتوغرافيا ، التكرير، المغناطيس

فصل الخليط إلى مركِّباته

 معظم الموادّ موجودة في مخاليط. للفصل بين الموادّ المختلفة الموجودة في الخليط، يجب إيجاد الصفات التي تميّز كلّ مادّة في الخليط، على سبيل المثال، الذابيئة في الماء، درجة حرارة الغليان، وحجم الحبيبات أو الانجذاب إلى المغناطيس. تسمّى هذه الصفة صفة فاصلة لأنّها تتيح الفصل بين الموادّ الموجودة في الخليط.

 فيما يلي أمثلة لبعض طرق الفصل:

الترشيح

 تلائم هذه الطريقة لفصل خليط غير متجانس من مادّة صلبة وسائل أو من موادّ صلبة مختلفة. الصفة الفاصلة التي نستغلّها من أجل الترشيح هي حجم الجسيمات/ الحبيبات. المصفاة أو ورق الترشيح أو الغربال، هي "أدوات" فيها "ثقوب". الجسيمات الصغيرة تمرّ عبر الثقوب إلى وعاء موجود تحت أداة الترشيح، بينما الجسيمات الأكبر التي لا تمرّ عبر الثقوب، تبقى في أداة الترشيح. الفصل بواسطة الترشيح مقبول جدًّا في الصناعة: على سبيل المثال، في مصنع الفوسفات في النقب، يرشّحون الموادّ الخامّ الطبيعية من أجل التنقية الأولى. المادّة الخامّ هي صخور تمرّ بالتكسير. بعد التكسير تنتج شظايا صخور بأحجام مختلفة ورمل. بواسطة غرابيل ملائمة يفصلون بين الرمل والحجارة وبين الحجارة بأحجامها المختلفة. 

مثال آخر، يستعملون في صناعة الأدوية الترشيح لفصل الماء عن الناتج الصلب، ولهذا الغرض يستعملون ورق الترشيح (انظروا الرسم التوضيحي).

التبخير

تلائم طريقة التبخير لفصل المخاليط غير المتجانسة وكذلك المخاليط المتجانسة التي تسمّى محاليل. على سبيل المثال، يستعملون هذه الطريقة لتجفيف المادّة الصلبة الموجودة في سائل معيّن أو للحصول على المادّة الصلبة المذابة في السائل. الصفة الفاصلة في هذه الطريقة هي درجة حرارة الغليان أو قدرة التبخّر المختلفة لكلّ مادّة. يبخّرون المذيب (الذي يكون سائلاً في أغلب الأحيان) بالتسخين، والمادّة المذابة (التي تكون صلبة في أغلب الأحيان) ترسب.  

الكروماتوغرافيا

 تشمل طريقة الفصل هذه جميع الطرق التي تعتمد على الاختلاف في قدرة الموادّ المختلفة على الالتحاق أو الانضمام الى مادّة محدّدة. تكون الموادّ المفصولة في أغلب الأحيان موادّ ملوّنة. على سبيل المثال، عندما يحضّرون لونًا، يخلطون ألوانًا مختلفة إلى أن يحصلوا على اللون المطلوب. لفحص مركِّبات لون معيّن يمكن استعمال هذه الطريقة، التي تفصل الألوان عن بعضها البعض. يمكن استعمال ورق الترشيح كمادّة ضامّة. من المعتاد الإشارة إلى مكان القطرة المفحوصة بقلم رصاص واستعمال مذيب معيّن. لا يكون المذيب في بعض الأحيان سائلاً، وإنّما غاز، وعندها نتحدّث عن "كروماتوغرافيا غازية". هذه الطريقة مقبولة في أبحاث الكيمياء والبيولوجيا لفكّ مبنى الجزيئات مثل الأحماض النووية، مثلاً في مجال التشخيص الجنائي لتشخيص الـ DNA.

مقياس درجة حرارة

التكرير

قنينة طبخ

موقد

وعاء جمع

دخول ماء بارد

خروج الماء

مكثّف

حامل

 تُستعمل هذه الطريقة لفصل الخليط اعتمادًا على الفروق في درجة حرارة غليان السوائل في الخليط. يسخّنون الخليط السائل، والسائل الذي درجة غليانه هي الأقلّ يغلي ويتحوّل إلى بخار. يجمعون البخار في جهاز التكرير، ومن ثمّ يبرد البخار على طول المكثّف ويتحوّل مرّة ثانية إلى سائل، الذي بدوره يجمعونه في وعاء ملائم. في الصناعة، يفصلون بهذه الطريقة النفط الخامّ إلى مركِّباته المختلفة كالبنزين والكاز والسولار وزيوت التشحيم. في صناعة النبيذ والبيرة يكرّرون الكحول من خليط التخمّر. أثناء تكرير النبيذ يمكن الفصل بين الإيثانول (الكحول) والماء باستغلال الفرق بين درجة غليان الإيثانول (78⁰C) ودرجة غليان الماء (100⁰C).

 المغناطيس

عندما يكون الخليط غير متجانس ويحوي حديدًا، يمكن استعمال المغناطيس لفصل الحديد عن الخليط. الصفة الفاصلة هي الانجذاب للمغناطيس (المغناطيسية). على سبيل المثال، يمكن الفصل بين مسحوق الكبريت ومسحوق الحديد المخلوطين، بواسطة المغناطيس الذي يجذب الحديد فقط (انظروا الرسم التوضيحي).

عملية الانتشار وعملية الذوبات

الانتشار (ديفوزيا-  Diffusion) والذوبان (Solvation)

في تدريس العلوم والتكنولوجيا في المدارس الإعدادية نستعمل مصطلحَي الانتشار والذوبان. من المهمّ إدراك أنّ هذين المصطلحين يتطرّقان إلى عمليتين مختلفتين رغم أنّه في كلّ حالة تذوب فيها مادّة في أخرى، تحدث أيضًا في نفس الوقت، عملية انتشار. 

• الانتشار هو عملية فيزيائية، خلالها، ونتيجة للحركة الدائمة والعشوائية لجسيمات المادّة، تنتقل الجسيمات الموجودة بتركيز عالٍ نسبيًا إلى منطقة تركيزها فيها منخفض نسبيًا- حتّى تصل إلى توزيع متجانس في الحجم المحدود (في مادّة أخرى أو في الفراغ). يحدث انتشار المادّة دائمًا بوتيرة أسرع في درجات حرارة أعلى، لأنّ السرعة المتوسّطة للجسيمات تكون أعلى؛ يحدث انتشار الغاز في الفراغ بوتيرة أسرع ممّا في وعاء يحوي غازًا، لأنّ التصادمات بين جسيمات الغاز الأخرى تعيق الحركة. من المهمّ الإشارة إلى أنّ انتشار السائل في السائل أو جسيمات المادّة الصلبة في السائل يحدث بصورة ملحوظة فقط عندما تذوب المادّة في الأخرى.
• الذوبان (الإذابة) هو عملية معقّدة تتكوّن فيها أربطة (بين جزيئية) بين جسيمات المذاب المحاطة بجسيمات المذيب. تتعلّق هذه العملية بذائبية المادّة في الأخرى. تتميّز الموادّ بدرجة الذائبية التي هي الكمّية القصوى لمذاب معيّن التي يمكنها الذوبان في مذيب معيّن (في درجة حرارة معيّنة). درجة ذائبية المادّة المذابة في مادّة أخرى، تتعلّق بصفاتها وبصفات المذيب وبالقوى التي بين جسيمات الموادّ وبعدّة عوامل أخرى، منها درجة الحرارة. تتصرّف موادّ صلبة مختلفة بصورة مغايرة مع ارتفاع درجة حرارة المذيب السائل الذي تذوب فيه: قسم منها يذوب أفضل وقسم آخر يذوب أقلّ. هناك موادّ صلبة لا تتأثّر ذائبيتها تقريبًا بتغيّر درجة الحرارة، مثلاً، ذائبية ملح الطعام في الماء لا تتعلّق بدرجة الحرارة تقريبًا. كما أنّ ذائبية الغاز في السائل في حالات كثيرة، تنخفض مع ارتفاع درجة الحرارة، مثلاً ذائبية الأوكسجين في الماء ترتفع مع انخفاض درجة الحرارة. يجب التنويه إلى أنّه على كلّ الأحوال، بدون علاقة بكمّية المذاب الذي ذاب- تتأثّر دائمًا سرعة الذوبان بنسبة طردية بارتفاع درجة الحرارة- أي في درجة حرارة أعلى تحدث العملية بوتيرة أسرع بالمقارنة مع درجة الحرارة الأقلّ، لأنّ الجسيمات لا تملك طاقة حركية متوسّطة أعلى.  

 العلاقة بين عملية الانتشار وعملية الذوبان

تتكوّن في عملية الذوبان أربطة بين جسيمات المذاب وجسيمات المذيب المحيطة بها. تنتشر هذه الجسيمات- أي تتحرّك من المنطقة التي تركيزها فيها عالٍ نسبيًا إلى منطقة تركيزها فيها منخفض نسبيًا إلى أن تتوزّع بصورة متجانسة في الحجم الكلّي للمذيب. انتبهوا: لا توجد علاقة بين مدى ذائبية مادّة معيّنة في مادّة أخرى وبين سرعة انتشار الجسيمات (وتيرة توزّعها في المذيب) وتتأثّر العمليتان بصورة مغايرة بتغيّرات درجة الحرارة. على سبيل المثال: عندما نذيب ملح الطعام في الماء، لا يؤثّر تغيّر درجة الحرارة تقريبًا على كمّية الملح التي تذوب في الحجم المحدود من الماء، لكن كلّما كانت درجة الحرارة أعلى ازدادت سرعة انتشار جسيمات الملح (المذابة) في الحجم المحدود من الماء. يجب التنويه إلى أنّه على كلّ الأحوال، بدون علاقة بكمّية المذاب الذي ذاب- تتأثّر دائمًا سرعة الذوبان بنسبة طردية بارتفاع درجة الحرارة- أي في درجة حرارة أعلى تحدث العملية بوتيرة أسرع بالمقارنة مع درجة الحرارة الأقلّ، لأنّ الجسيمات لا تملك طاقة حركية متوسّطة أعلى.

فصل الخليط إلى مركِّباته

كما أسلفنا، معظم الموادّ موجودة في مخاليط. للفصل بين الموادّ المختلفة الموجودة في الخليط، يجب إيجاد الصفات التي تميّز كلّ مادّة في الخليط، على سبيل المثال، الذابيئة في الماء، درجة حرارة الغليان، وحجم الحبيبات أو الانجذاب إلى المغناطيس. تسمّى هذه الصفة صفة فاصلة لأنّها تتيح الفصل بين الموادّ الموجودة في الخليط.

العناصر والمركَّبات والترتيب الدوري

العناصر الكيميائية والترتيب الدوريالعنصر هو مادّة نقيّة مبنيّة من ذرّات من نوع واحد. الكلور والحديد والبروم هي أمثلة لعناصر مختلفة. نعرف اليوم أكثر من 110 عناصر كيميائية مرتَّبة في الترتيب الدوري للعناصر الكيميائية (انظروا الرسم التوضيحي التخطيطي للترتيب الدوري). لكلّ عنصر كيميائي رمز يمثّله، بحيث يعرض الترتيب الدوري جميع رموز العناصر. الرمز هو الحرف الأوّل أو الحرفان الأوّلان أو الأحرف الثلاثة الأولى من الاسم الأجنبي للعنصر. على سبيل المثال: عنصر الهيدروجين ممثَّل بواسطة الحرف- H، والفضّة ممثَّل بواسطة الحرفين- Ag، والصوديوم-Na ، والبروم- Br. يشكّل الترتيب الدوري "أداة عمل" في أيدي علماء الكيمياء خاصّةً وفي أيدي العلماء عامّةً (الموضوع الفرعي التالي يتناول الترتيب الدوري في مستوى الذرّات. العناصر مرتَّبة في أسطر (دورات) وفي أعمدة (مجموعات). عالِم الكيمياء الروسي، ديمتري مندليڤ هو أوّل مَن رتّب العناصر حسب صفاتها في جدول، وأسماه "الترتيب الدوري للعناصر". نُشرت الصيغة الأولى للترتيب الدوري سنة 1869، ومنذ ذلك الحين مرّ بتغيّرات وتوسيعات ويستعمله العلماء والعاملون في التدريس في جميع أنحاء العالم. مبنى الترتيب الدوري يمكن بصورة غير دقيقة تقسيم العناصر المختلفة إلى فلزّات ولافلزّات (باستثناء بعض العناصر التي هي شبه فلزّية كالسيليكون). تتميّز العناصر الفلزّية بالقدرة على توصيل الكهرباء في درجة حرارة الغرفة، في حين أنّ معظم العناصر اللافلزّية لا توصل الكهرباء في درجة حرارة الغرفة. كذلك, تمتاز العناصر بانها قابلة للتطريق وباللمعان.     بالإضافة إلى ذلك، يمكن التطرّق في الترتيب الدوري إلى "عائلات" الموادّ، أي إلى مجموعة عناصر موجودة في أعمدة في الترتيب الدوري، وتتشابه في عدد من المميّزات. فيما يلي ثلاث "عائلات" نركّز عليها في إطار هذه الوحدة:في العمود رقم 1 توجد جميع العناصر التي تشكّل عائلة الفلزّات القلوية (يظهر الهيدروجين أحيانًا في هذا العمود لكنّه لا يتبع لهذه المجموعة). تتميّز هذه العناصر "بالفعالية الكيميائية" الملحوظ، مثلاً، في التفاعل السريع مع الماء، وكذلك في ميلها إلى التركّب مع العناصر اللافلزّية.

في العمود رقم 7 توجد جميع العناصر التي تشكّل عائلة الهالوجينات. تميل هذه العناصر إلى التركّب مع الفلزّات لإنتاج مركَّبات أيونية.

في العمود رقم 8 توجد جميع العناصر التي تشكّل عائلة "الغازات الخاملة". هذه العناصر هي غازات في درجة حرارة الغرفة ولا تميل إلى التفاعل بسهولة مع مواد اخرى ومن هنا مصدر اسمها ("خاملة").    توجد للعناصر المختلفة صفات مختلفة تتعلّق بنوع الذرّات وبتنظّمها وبالقوى التي تعمل بينها.هناك حالات يكون فيها نوع الذرّات مختلفًا لكنّ تنظّمها متشابه. على سبيل المثال، لعنصر السيليكون في الحالة الصلبة (Si_(s) سيليكون بلّوري) ولعنصر الكربون في الحالة الصلبة (C_(s) في حالة الماس) تنظّم متشابه، في مبنى "ضخم" (مبنى ليس جزيئيًا)، الذي كلّ ذرّة فيه ترتبط بأربع ذرّات في مبنى رباعي السطوح (كما هو موصوف في الرسمين التوضيحيين)، لكنّ نوع الذرّات والقوى التي بينها مختلف، ولذلك صفاتهما أيضًا مختلفة. الماس عازل للكهرباء في درجة حرارة الغرفة، بينما السيليكون شبه موصل للكهرباء يُستعمل قاعدة لرقائق الحاسوب، الماس عديم اللون وشفّاف وبرّاق، بينما السيليكون لونه رماديّ لامع بشكل خاصّ، ولكلّ واحدة من المادّتين درجة حرارة انصهار ودرجة حرارة غليان مختلفتان. يمكن بنفس الطريقة المقارنة بين غاز الأوكسجين (O_2(g)) وغاز الهيدروجين (H_2(g))، لكليهما مبنى جزيئات ثنائية الذرّات، لكنّ نوع الذرّات مختلف وكذلك القوى التي تعمل بين الذرّات وبين الجزيئات، ولذلك صفاتهما مختلفة تمامًا. هناك حالات يكون فيها نوع الذرّات متشابهًا لكنّ تنظّمها مختلف. تتواجد بعض العناصر في الطبيعة كموادّ

ذات مبنى مختلف (أشكال تآصلية مختلفة)؛ رغم أنّها مبنية من نفس النوع من الذرّات، إلاّ أنّ تنظّمها في الفراغ

مختلف. على سبيل المثال، عنصر الأوكسجين يظهر في الطبيعة بشكلين: الأوّل، الأوكسجين المبنيّ من جزيئات ثنائية

الذرّات، O₂ (ذرّتا أوكسجين في الجزيء)، والثاني، الأوزون المبنيّ من جزيئات ثلاثية الذرّات، O₃ (ثلاث ذرّات

أوكسجين في الجزيء). في هذه الحالة، نوع الذرّات المبنيّ منه الجزي متشابه، كلاهما مبنيان من ذرّات أوكسجين،

لكنّ التنظّم المختلف للذرّات في الجزيء (الذي ينعكس في عدد الذرّات المختلف في كلّ جزيء وفي مبناه) والقوى

المختلفة التي تعمل بين الجزيئات تؤثّر على صفات كلّ واحدة من المادّتين؛ ووفقًا لذلك، الأوكسجين هو غاز عديم اللون ضروري لوجود الحياة، بينما الأوزون هو غاز رائحته شديدة وبكمّيات كبيرة يكون سامًّا. لعنصرَي الكربون والفوسفور أيضًا عدّة أشكال تآصلية. في هذه المرحلة من التعلّم، لا يمكننا التطرّق إلى الاختلاف في القوى التي بين الجسيمات (القوى هي عمليًا الأربطة الكيميائية. للتعمّق في الموضوع، نوصي بقراءة المقال الذي نُشر في مجلّة "קריאת ביניים"، فيما يلي الرابط:: "קשר כימי – מה זה? האם ואיך מושג זה קשור ללימודי הכימיה בחטיבת הביניים?" / تأليف تامي ليڤي نحوم.