الهدف
بنهاية هذا الدرس، سيكون الطالب قادراً على تحديد الكاتيونات الشائعة باستخدام اختبار اللهب واختبار هيدروكسيد الصوديوم.
شرح الدرس
اختبار اللهب: يُغمس سلك بلاتيني نظيف في العيّنة الصلبة، ثم يُدخل في لهب بنزن؛ يُعطي كل كاتيون فلزي لوناً مميزاً: الصوديوم Na⁺ (لون أصفر)، البوتاسيوم K⁺ (لون بنفسجي/ليلكي)، الكالسيوم Ca²⁺ (لون أحمر طوبي)، النحاس Cu²⁺ (لون أخضر-أزرق).
اختبار هيدروكسيد الصوديوم NaOH: يُضاف محلول NaOH تدريجياً إلى العيّنة؛ تتكوّن رواسب ملوّنة مميزة لبعض الكاتيونات: Fe²⁺ (راسب أخضر)، Fe³⁺ (راسب بني محمر)، Cu²⁺ (راسب أزرق)، بينما Al³⁺ وZn²⁺ يكوّنان راسباً أبيض يذوب عند إضافة NaOH زائد (خاصية أمفوتيرية).
أسئلة تدريبية
1. عيّنة صلبة أُجري عليها اختبار اللهب، فأعطى اللهب لوناً أصفر مميزاً. ما الكاتيون الأكثر ترجيحاً في هذه العيّنة؟
عرض الإجابة
أيون الصوديوم Na⁺؛ فهذا هو اللون المميز لاختبار اللهب لهذا الكاتيون.
2. عيّنة صلبة أُجري عليها اختبار اللهب، فأعطى اللهب لوناً أحمر طوبياً مميزاً. ما الكاتيون الأكثر ترجيحاً؟
عرض الإجابة
أيون الكالسيوم Ca²⁺.
3. محلول أُضيف إليه محلول NaOH تدريجياً، فتكوّن راسب أخضر لم يذب عند إضافة NaOH زائد. ما الكاتيون الأكثر ترجيحاً؟
عرض الإجابة
أيون الحديدوز Fe²⁺؛ فالراسب الأخضر (الذي لا يذوب في NaOH الزائد) هو الاختبار المميز لهذا الكاتيون.
4. محلول أُضيف إليه محلول NaOH تدريجياً، فتكوّن راسب أبيض ذاب بالكامل عند إضافة NaOH زائد. اذكر كاتيونين مختلفين قد يكونان مسؤولين عن هذه الملاحظة.
عرض الإجابة
أيون الألومنيوم Al³⁺ أو أيون الزنك Zn²⁺؛ فكلاهما يكوّن راسباً أبيض مع NaOH يذوب عند إضافة الزائد، بسبب الخاصية الأمفوتيرية لهيدروكسيديهما.
5. ما المقصود بأن هيدروكسيد الألومنيوم Al(OH)₃ يُظهر “خاصية أمفوتيرية”؟
عرض الإجابة
يعني أن هذا الهيدروكسيد يمكنه التفاعل مع كل من الأحماض والقواعد؛ فهو يذوب في الحمض الزائد (كقاعدة)، كما يذوب أيضاً في القاعدة الزائدة (NaOH) مكوّناً أيوناً معقداً ذائباً، وهو ما يفسر ذوبان الراسب الأبيض عند إضافة NaOH الزائد.
6. عيّنتان صلبتان مختلفتان، أعطت الأولى لوناً بنفسجياً في اختبار اللهب، والثانية لوناً أخضر-أزرق. ما الكاتيونان المسؤولان على الأرجح؟
عرض الإجابة
العيّنة الأولى: أيون البوتاسيوم K⁺ (اللون البنفسجي/الليلكي)؛ العيّنة الثانية: أيون النحاس Cu²⁺ (اللون الأخضر-الأزرق).
7. محلول يحتوي على أيون Fe³⁺ أُضيف إليه محلول NaOH. صف لون الراسب المتوقع، وهل يذوب هذا الراسب عند إضافة NaOH زائد؟
عرض الإجابة
يتكوّن راسب بني محمر، ولا يذوب عند إضافة NaOH زائد (بخلاف راسبي الألومنيوم والزنك).
8. كيف يمكن التمييز عملياً بين أيوني Fe²⁺ وFe³⁺ باستخدام اختبار NaOH وحده، دون الحاجة لأي اختبار آخر؟
عرض الإجابة
يمكن التمييز من لون الراسب الناتج: أيون Fe²⁺ يُعطي راسباً أخضر اللون، بينما أيون Fe³⁺ يُعطي راسباً بنياً محمراً؛ وكلا الراسبين لا يذوب عند إضافة NaOH زائد، فالتمييز هنا يعتمد فقط على اللون المختلف للراسبين.
9. لماذا لا يمكن استخدام اختبار NaOH وحده للتمييز القاطع بين أيوني Al³⁺ وZn²⁺، رغم أن كليهما يمكن الكشف عنهما بهذا الاختبار؟
عرض الإجابة
لأن كلا الأيونين يُنتجان نفس السلوك تحديداً مع NaOH (راسب أبيض يذوب في الزائد)، دون أي فرق ملحوظ في اللون أو السلوك العام بينهما في هذا الاختبار بالذات؛ فيلزم اختبار إضافي مختلف (كاختبار اللهب أو اختبار كيميائي آخر مميز) للتمييز القاطع بينهما.
10. عيّنة صلبة مجهولة أُجري عليها اختبار اللهب فلم يُظهر أي لون مميز واضح (لهب عادي غير ملوّن). ماذا يمكن استنتاجه المبدئي حول احتمال وجود أيونات الصوديوم أو البوتاسيوم أو الكالسيوم أو النحاس؟
عرض الإجابة
يُستنتج مبدئياً أن هذه العيّنة على الأرجح لا تحتوي (بتركيز كافٍ للكشف) على أي من هذه الأيونات الأربعة تحديداً، بما أن كلاً منها له لون لهب مميز واضح، وعدم ظهور أي لون مميز يُضعف احتمال وجودها.
11. صمم تسلسلاً منطقياً من اختبارين (اختبار اللهب ثم اختبار NaOH) للتمييز بين خمس عيّنات صلبة، إحداها تحتوي على Na⁺، والثانية K⁺، والثالثة Fe²⁺، والرابعة Fe³⁺، والخامسة Cu²⁺.
عرض الإجابة
أولاً، يُجرى اختبار اللهب على كل عيّنة: العيّنة ذات اللهب الأصفر هي Na⁺، وذات اللهب البنفسجي هي K⁺، وذات اللهب الأخضر-الأزرق هي Cu²⁺ (وهنا يمكن التوقف، لأن Fe²⁺ وFe³⁺ لا يُعطيان لوناً مميزاً واضحاً في اختبار اللهب عادة)؛ ثانياً، للعيّنتين المتبقيتين (المشتبه أنهما Fe²⁺ وFe³⁺)، يُجرى اختبار NaOH: راسب أخضر يدل على Fe²⁺، وراسب بني محمر يدل على Fe³⁺.
12. لماذا يُستخدم سلك بلاتيني تحديداً في اختبار اللهب، بدلاً من أي سلك معدني آخر؟
عرض الإجابة
لأن البلاتين فلز خامل كيميائياً (لا يتفاعل بسهولة) وله نقطة انصهار عالية جداً، فلا يتأثر أو يحترق أو يُنتج لونه الخاص عند تسخينه في لهب بنزن، مما يضمن أن أي لون يظهر في اللهب يعود فعلياً للعيّنة المُختبرة وليس للسلك نفسه.