Precipitation Reactions Crash Course Chemistry

أنت تتعشى مع أعز أصدقائك. أحاديث مشوقة ونبيذ لذيذ ولحم مشوي شهي، ثم تنظر إلى خارج النافذة لتتأمل البدر، لكن عندما تنظر إلى صديقك مجددًا تجده قد تحول إلى مستذئب. لحسن الحظ، السكاكين مصنوعة من الفضة وأنتم تجيدون استخدامها. أو فلنتخيل أنك تستحم، ومددت يدك لتناول الصابون فلاحظت ثؤلولًا على إصبع قدمك الأكبر. إن عصرت بعضًا من نترات الفضة عليه فستكون مستعدًا لموسم ارتداء الصنادل سريعًا. الفضة اللماعة الموصلة للكهرباء والمفيدة للغاية، تُعتبر مادة قيمة منذ قديم الزمان. يؤمن البعض بطهارتها وقدرتها على طرد الشر سواء أكان على شكل مستذئب أم ثؤلول. كما أن الفضة كانت دافعًا كبيرًا للاستقرار في غرب الولايات المتحدة الأمريكية، بما فيها مكان سكني مونتانا، وسبب وجود الفضة هنا هو بالطبع الكيمياء. تحديدًا بسبب تفاعلات كيميائية لا حصر لها حدثت على مر عصور وتُسمى بتفاعلات الترسيب، حيث تتفاعل الكيماويات في محلول لتشكّل مادة صلبة. تفاعلات الترسيب هي ما يُحدث الرواسب الجيولوجية في الأرض والحلقات المترسبة في حوض استحمامكم. باستخدامها نجعل الماء العادم قابلًا للشرب، والبعض يستخدمها ليصبح ثريًا، مثل دونالد ترامب، وذلك لأن الترسيب من أفضل الطرق لتنقية المواد الكيميائية لأعلى درجات النقاوة. إذن فهي ليست سر ترسب الفضة في الجبال قبل مئات ملايين السنين وحسب، بل أيضًا لاستخراجها. أستطيع فعل ذلك من مكتبي هذا، وكل ما أحتاج إليه هو هذا. الترسيب هو نزول مادة من مادة، كنزول الماء من السماء، ونزول المواد الصلبة من المحاليل. وبالنسبة لنا يعتمد الأمر على قابلية الذوبان. كما قلنا من قبل، فإن الماء مذيب ممتاز وخصوصًا للمركبات الأيونية. قد يشكّل أيون موجب الشحنة وآخر سالب بلورة وهما جافان إذ تربطهما الشحنة، لكن بإضافة قليل من الماء، تدخل جزيئاته القطبية بين الأيونات وتذيب كميات ضخمة من المركبات الأيونية. لكن بعض المركبات الأيونية تستطيع التغلب حتى على قوة إذابة الماء، وعندما تتشكل عبر التفاعلات في المحاليل، تنزل على شكل راسب صلب. أجل! نسمي ما يترسب راسبًا. وربما يذكركم بالراسب في امتحان، فهذا يسقط في اختبار، وذاك يسقط في المحلول. وأفضّل تسميته كذلك لأنني تعلمته هكذا من المدرسين. تشكلت إذن عروق الفضة الغنية في مونتانا عندما مر ماء غني بالمركبات الأيونية بشقوق الجير في حقبة الحياة القديمة، وبوجود الظروف المناسبة، تتفاعل أيونات الفضة في الماء مع المركبات الأيونية أو الأملاح في الجير، وترسبت مركبات فضة غير قابلة للذوبان. وهذا ما تبدو عليه تقريبًا. في الواقع، هذا ما تبدو عليه بالضبط، وهي ثقيلة جدًا مع أنكم لا تشعرون بها، وذلك لأن الفضة عنصر ثقيل جدًا. وليس فقط أملاح الفضة تذوب في المحلول، بل أيضًا أملاح الذهب والبوتاسيوم والنحاس، والأهم أملاح الصوديوم، مع اندفاع الماء عبر التضاريس. إن بقيت هذه المركبات الذائبة في المحلول حتى تصل المحيط، فستبقى فيه إلى الأبد. يذوب الماء وتبقى الأملاح في المحيط وتتجمع بمرور العصور جاعلة المحيط مالحًا جدًا كما نعرفه اليوم. ومع أن كلوريد الصوديوم، الذي نسميه ملح الطعام خارج التطبيقات الكيميائية، هو أشهر ملح، إلا أن هناك أطنانًا من الأشياء غيره الذائبة في المحيط، بما فيها ذهب كثير. في الواقع، حسب قيمة السوق الحالية، يحتوي المحيط على مئة مليون ترليون دولار من الذهب. وأنا لم أتلعثم، إنها مئة مليون ترليون دولار، أي مئة ترليون وبجانبها ستة أصفار أضافية. ترون إذن لم من المفيد أن نتقن تفاعلات الترسيب. هناك كيميائيون جُنوا ليجدوا طريقة اقتصادية يستخرجون بها الذهب من ماء البحر، لكن حتى الآن لم يقدر على ذلك أحد. محلول نترات الفضة هذا يشبه الماء الغني بالأيونات الذي مر بجير مونتانا منذ ملايين السنين. ويمكننا استخدامه هنا لنعيد تمثيل التفاعلات التي رسبت عروق الفضة. لكن بدلًا من أنواع الملح الموجودة في الجير، يمكننا استخدام مركب أيوني مشابه جدًا ومألوف أكثر بكثير، وهو ملح الطعام، كلوريد الصوديوم. بإضافة قطرات من كلوريد الصوديوم، أي الماء الملحي، لمحلول نترات الفضة، يحدث الترسيب. يا للقرف. السؤال الذي سنسأله مباشرة هو: ما هذا الشيء الأبيض في الأسفل؟ المفتاح لفهم ما حدث هو أن كلا المركبين أيوني. تذكروا أن هناك نوعين من الأيونات: الكاتيونات أيونات موجبة الشحنة، والأنيونات سالبة، ومثل المغانط فهي تتجاذب، فتتفاعل الكاتيونات فقط مع الأنيونات لتشكل مركبات جديدة. ولا تظنوا أن هناك أنيونًا واحدًا وكاتيونًا واحدًا، فأيون الصوديوم في كلوريد الصوديوم محاط بأيونات الكلور من الجهات الأربعة، تحيط بكل منها أربعة أيونات من الصوديوم، وهكذا حتى تتشكل بلورات الملح التي نذيبها في الماء. لكن كيف نعرف الأنيونات من الكاتيونات؟ إن الصوديوم موجب الشحنة، فهو كاتيون، وهو موجب لأنه فلز في الجانب الأيسر للجدول الدوري، وهذه العناصر دائمًا كاتيونات عندما تكون وحدها. الفضة أيضًا فلز، وكذلك كاتيون. ونعرف أن الكلور غاز على الجانب الأيمن للجدول، لذا فهو أنيون. وماذا عن النترات؟ هي أيضًا أنيونات. فالنترات والكبريتات والفوسفات شائعة ودائمًا أنيونات. إذا رأيتم حرف أو أو يتلوها ذرات أكسجين، فهذا أنيون. الآن وقد علمتم ذلك، انظروا للنواتج المحتملة لهذا التفاعل. إن ما نبحث عنه هو ناتج لا يذوب في الماء، إذن فهو ليس كلوريد الصوديوم، وهو أحد المواد المتفاعلة ويذوب سريعًا في الماء والمحيطات. وليس نترات الفضة، المادة المتفاعلة الأخرى، أو نترات الصوديوم، فالنترات تذوب في الماء. إذن نحن نعرف أنها ستذوب. يبقى لدينا كلوريد الفضة، فقط باستبعاد المواد غير الممكنة. وهذا منطقي لأن الفضة تُشكل مركبات غير قابلة للذوبان أيضًا مع البروم واليود، وهما في العمود نفسه في الجدول الدوري مع الكلور. والعناصر الموجودة في العمود نفسه تسلك سلوكيات متشابهة غالبًا. ستلاحظون بالطبع أننا لا نحصل على قطع من الفضة النقية، فهي مرتبطة بالكلور الآن. مثل ملح الطعام، كلوريد الصوديوم بلوري صلب، ولكن على عكس الملح فهو لا يذوب في الماء. استخراج الفضة من هذا المركب ستتطلب نوعًا آخر من التفاعلات وهي تفاعلات الأكسدة والاختزال، وهي موضوع حديثنا الأسبوع القادم. في هذه الأثناء، ما زال علينا تعلم اللغة التي سنصف بها هذا النوع من التفاعلات. بسبب التفاعلات الرائعة والمميزة التي تحدث أثناء الترسيب، كإنتاج المواد الذائبة مواد صلبة وأيونات، وتفككها وإعادة ترابطها، نحتاج لطرق خاصة لكتابة معادلاتها وموازنتها. إحداها هي وضع رموز بين أقواس تخبرنا بحالة المواد الكيميائية. "aq" تعني "ذائب" أو "في محلول"، و"s" تعني "راسب". يُدعى هذا الصيغة الجزيئية. وطريقة أخرى تعطي صورة أوضح عما يحدث خلال التفاعل هي بكتابة المواد على شكل أيونات. وهنا نكتب المركبات التي تذوب كليًا في المحلول وتصبح أيونات وهذا منطقي، إذ إن الأملاح المذابة أصبحت أيونات منفردة لا يهم مصدرها. إذن، على الجانب الأيسر أيونات الفضة والنترات والصوديوم والكلور في محلول واحد، وعلى اليمين الصوديوم والنترات ما زالت أيونات منفصلة في المحلول وكلوريد الفضة راسب صلب. إن كنا غير مهتمين بالمعادلة كاملة وأردنا فقط رؤية المتفاعلات الفعالة، نكتبها بطريقة ثالثة. نهمل كتابة ما يُسمى بالأيونات المعاينة، أي الصوديوم والنترات لعدم مشاركتهما في التفاعل، وتبقى المعادلة الصافية الممثلة لتفاعل أيونات الفضة والكلور مُشكّلة كلوريد الفضة. هذه المعادلة موجزة قصيرة، وهذا ما يحبه علماء الكيمياء لأنه وكما تتذكرون بعضهم خطهم سيئ للغاية وعليهم إملاء ما يريدون كتابته على أمهاتهم. كمعلومة جانبية، أتذكرون قولي إنه لمن الغريب أن يكون رمز الفضة "silver" هو Ag؟ إن الفضة باللاتينية تُسمى "أرجينتوم"، وقد كان القدماء، مثلنا اليوم، مهووسين بما تمثله الفضة من الثراء والصحة. ارتبطت الفضة لدى الهنود الأوروبيين القدماء بالطهارة والصلاح، وقد كتب الطبيب اليوناني أبقراط في خصائص الفضة المضادة للأمراض. وهناك حقائق علمية تدعم الاستخدامات الطبية للفضة، فكثير من الفلزات سام للفطور والجراثيم لكن على عكس الرصاص مثلًا، الفضة ليست سامة بالنسبة للبشر. نترات الفضة ومركب آخر يدعى سلفاديازين الفضة كانا يُستخدمان لتطهير الجروح في الحرب العالمية الأولى قبل اكتشاف المضادات الحيوية. ما يزال سلفاديازين الفضة يستخدم للحروق، والباحثون اليوم ينظرون في الاستخدامات المضادة للجراثيم لجسيمات الفضة متناهية الصغر. بعض الناس يتناولون حتى الفضة الغروانية، وهي دقائق فضة في مزيج معلق سائل، لتقوية صحتهم العامة، لكن ليس ثمة دليل على تقويتها للمناعة، إنما يمكنها جعل لونكم أزرق. الآن صرتم ترغبون بالفضة أكثر، صحيح؟ كما نفعل عادة، لجعل التفاعل عمليًا، علينا أخيرًا تحويل المعادلة لمعادلة كتلة مولية. إن أردنا استخراج الفضة من المحلول، فكم كمية الملح التي سنحتاجها؟ تحديدًا، لنقل إننا نحتاج إلى أوقية ترويسية واحدة من الفضة، والأوقية الترويسية واحدة من وحدات نظام تروي للوزن المستخدم في وزن المعادن الثمينة، والمشتق من طريقة وزن الرومان لقضبان البرونز والفضة المستخدمة كعملة قبل ألفي سنة، ومازلنا عالقين عندها. لكن دعونا نقترب من الحاضر. إن الأوقية الترويسية تساوي 31،1 غرامًا، إذن، فأنا أريد 31،1 غم من الفضة، والكتلة المولية للفضة 107،866 غم لكل مول. بإجراء الحسابات نجد أن 31،1 غم تساوي 0،288 مولًا من الفضة. من المعادلة الجزيئية نرى أنه كي توزن، نحتاج لمول من كلوريد الصوديوم لكل مول فضة. إذن، كي نحصل على 0،288 مولًا من الفضة، فكم مولًا من كلوريد الصوديوم سنحتاج؟ لقد سهّلنا الأمر عليكم، الجواب هو 0،288 مولًا. نحول 0،288 مولًا من كلوريد الصوديوم لوحدة الكتلة بالغرام. الكتلة المولية لكلوريد الصوديوم هي 58،45 غم لكل مول نضرب 58،45 لكل مول بـ0،288 مولًا وسنجد أننا نحتاج لـ16،8 غم من كلوريد الصوديوم كي تترسب أونصة تروي واحدة من الفضة من محلول نترات الفضة. انظروا! أصبح لدينا كومة من كلوريد الفضة في المحلول. وأجل، هي ليست فضة نقية بعد. وكعمال المناجم الحقيقيين الذين يستخرجون معادن خام من الأرض فيها نسبة ضئيلة من الفضة، علينا تنقيتها. في حالتنا فإننا بحاجة إلى نوع آخر من التفاعلات اسمه تفاعل الأكسدة والاختزال، وهو ما سنتحدث عنه في المرة المقبلة. شكرًا لمتابعتكم حلقة هذه الأسبوع التي ناقشنا فيها تعريف تفاعل الترسيب وكيف نحدد الرواسب التي تنتجها. كما أننا تعلمنا كيفية كتابة معادلات تفاعلات الترسيب، وحسبنا أخيرًا معادلة كتلة مولية كي نعرف كمية المواد المتفاعلة التي نحتاجها لإنتاج الكمية المطلوبة من الراسب. كتبت هذه الحلقة كيم كريغر ونقحت أنا وبلايك دي باستينو النص. قدم الاستشارة الكيميائية د. هايكو لانغنر، وهذه الحلقة من تصوير ومونتاج وإخراج نيكولاس جنكنز، ومصمم الصوت هو مايكل أراندا. المشرفة على النص هي كايتلين هوفمايستر، وفريق الرسومات هو Thought Café.