بسم الله والحمد لله والصلاة والسلام على رسول الله ﷺ، أشرف الخلق وإمام المرسلين سيدنا محمد وعلى آله وصحبه أجمعين، وبعد...
المعايرات المركبة أو المعقدة (معايرات الإديتا)
Complexmetric titration EDTA Titration
ما المقصود بمعنى معايرة؟، وهل لها أنواع؟ وما هو الانديكيتور؟، وما فائدة إجراء هذه المعايرات؟
هذا ما سنتعرف عليه في هذا المقال...
تعريف المعايرة
عملية المعايرة هي عملية كيميائية يتم إجرائها بأدوات خاصة للتعرف على تركيز محلول معين باستخدام محلول معلوم التركيز.
يتم إجراء عمليات المعايرة في قسم الكيمياء التحليلية عند التحليل الكمي للمحاليل أو المواد.
حيث تنقسم الكيمياء التحليلية إلى تحليل كمي quantitative وتحليل وصفي qualitative للمواد، حيث يهتم التحليل الوصفي بتعريف المادة وخواصها، بينما يهتم التحليل الكمي بتحديد مقدار مكونات وجزيئات المادة، عن طريق تحليل الحجمي volumetric / أو الوزني gravimetric / أو باستخدام الآلات instrumental.
الفكرة العامة للمعايرة
الفكرة العامة لعمليات المعايرة هو عند إضافة محلول مجهول التركيز مع محلول معلوم التركيز عند نقطة ما، أو بعد وضع كمية معينة من المحلول مجهول التركيز... تتعادل أو تتساوى تركيزات كلا من المحلولين، عند هذه النقطة يتم التعرف على تركيز المحلول المجهول، وتسمى هذه النقطة بنقطة نهاية التفاعل END POINT / Equivalent أو نقطة التكافؤ...
ونقطة التكافؤ: هي النقطة التي يتم من خلالها معرفة أن المحلول المضاف قد وصل إلى الكمية المناسبة لمعرفة تركيز المحلول المجهول من خلال تغيير لون الدليل.
والمذكور أنه تتم هذه المعايرات باستخدام أدوات معينه من أهمها:
١- الدورق الزجاجي (يتم وضع المحلول مجهول التركيز فيه).
٢- السحاحة (يتم تعبئتها بمحلول معلوم تركيزه محلول قياسي).
٣- حامل السحاحة.
٤- ماصة (يتم بها سحب العينات لتوضع في الدورق الزجاجي)
٥- الأدلة الكيميائية Indicator:
وهي مواد كيميائية يتم استخدامها بمقادير قليلة جدا، يتم التوصل بها إلى نقطة نهاية التفاعل، حيث يتغير لونها الابتدائي عند نقطة نهاية التفاعل، توضع أثناء المعايرة... لكنها لا تتفاعل مع أي من المحلولين.
أنواع عملية المعايرة:
١- معايرات حمض وقاعدة acid - base titration
٢- معايرات الترسيب priciptate titration
٣- معايرات الأكسدة والاختزال redox titration
٤- معايرات معقدة complexmetric titration
وفي هذا المقال سيتم إلقاء الضوء على المعايرات المعقدة...
Complex (EDTA) Titration المعايرات المعقدة أو معايرات الإديتا -كما يسميها البعض-: هي تفاعلات كيميائية تحدث بين الأيونات أو الذرات أو الجزئيات وبين الليجندات.
الليجندات: هي مواد كيميائية متخصصة تحتوي على أزواج من الإلكترونات غير المرتبطة، تكون معطية لهذه الإلكترونات، وتمثل كقاعدة لويس.
ووجب التنويه أنه حتى يتم هذا التفاعل لا بد أن يكون لدى الأيون أو الجزئي مدار إلكتروني (أوربيتال) فارغ، وأن تحتوي الليجندات على أزواج من الإلكترونات الحرة.
تكون الليجندات معطية الإلكترونات، طبقا لقاعدة لويس، بينما المعدن أو الأيون يكون مكتسب لهذه الإلكترونات وممثل حمض لويس.
الهدف من هذا النوع من المعايرات: هو معرفة تركيز الأيونات أو الجزئيات باستخدام محلول قياسي (معلوم التركيز) من الليجند.
الأدلة الكيميائية المستخدمة في هذا النوع من المعايرات تسمي ب PM indicator: وهي عبارة عن ليجندات ضعيفة تكون متراكبات ملونة مع المادة أضعف من متراكبات المادة والإديتا.
المحلول القياسي من الليجندات المستخدم في هذه المعايرات يسمى بمحلول الإديتا وهو EDTA ( Ethelyn Diamine Tetra Acitic acid)
تنقسم معايرات الإديتا إلى:
- معايرة مباشرة Direct Titration.
- معايرة غير مباشرة Back Titration.
- معايرة الاستبدال Substitution Titration.
- معايرة قاعدية Alkalimetric Titration.
- معايرة متنوعة Miscellaneous Titration.
تختلف كلا من هذه المعايرات في طريقة العمل، والمواد، والأدلة، ونظرية التعامل المستخدمة، وظروف إجرائها.
١- معايرة مباشرة direct
هي أبسط نوع من معايرات المتراكبات، يتم فيها إضافة مباشرة من المحلول القياسي (الإديتا) معلوم الحجم والتركيز إلى محلول المادة معلوم الحجم مجهول التركيز، في وجود الدليل لتحديد نقطة نهاية التفاعل.
يختلف الدليل المستخدم في هذه المرحلة باختلاف العنصر المستخدم، في حالة عنصر الخارصين Zn أو الماغنسيوم Mg يتم استخدام دليل EBT (Eriochrom Black T)
وفي حالة استخدام عنصر النيكل Ni يستخدم دليل Muroxide
وعند استخدام عنصر النحاس Cu نستخدم دليل FSBF (Fast Sulphone
Black F)
أما في حالة عنصر الباريوم Ba يستخدم دليل MTB (Methyl Thymol Blue )
في بداية المعايرة عند إضافة الدليل على المادة المستخدمة داخل الدورق يتكون متراكب ملون، وأثناء المعايرة عند إضافة الإديتا من السحاحة قطرة بقطرة ينفصل الدليل عن المعدن، ويكون متراكب آخر مع الإديتا ذو لون مختلف؛ مما يدل على نهاية التفاعل، ويعرف من خلالها حجم الإديتا المكافئ لحجم المادة أو المعدن، وبالتالي يتكافئ التركيز فنحصل على تركيز المحلول المجهول.
٢- معايرات الغير مباشرة back titration
يتم اللجوء إلى هذا النوع من المعايرات اضطراريا في حالة عدم توافر الدليل المناسب للمعايرة، أو إذا كان المعدن يترسب عند تغير درجة حموضة المحلول أثناء المعايرة، أو في حالة تكون متراكب غير قابل للانفصال بين المعدن والدليل؛ مما يعيق من التعرف على نهاية التفاعل.
في أحد هذه الحالات يتم اختيار المعايرة الغير مباشرة التي تعتمد على وجود حجم زيادة معلوم التركيز من الليجند الإديتا يضاف إلى المعدن، ويتم حساب مقدار الحجم الزائد من الإديتا، من خلال استخدام محلول قياسي معلوم التركيز والحجم، من عنصر الماغنسيوم Mg في وجود دليل E.B.T .
سميت هذه الطريقة بالغير مباشرة؛ لأنها تتم على عدة خطوات، وليس إضافة مباشرة لكلا من الليجند والمعدن، حيث تتم على خطوتين... أولها معايرة الإديتا مع الماغنسيوم، ثم معايرة الحجم الإضافي منها مع المعدن.
هذا المعدن قد يكون نيكل، كالسيوم، حديد، كوبلت، أو كروم.
٣- معايرات الاستبدال substitution / replacement titration
تستخدم هذه المعايرات في حالات محدودة، مثل عند تحديد تركيز معدن لا يتفاعل أو قد يتفاعل جزئيا مع الدليل؛ مما قد يخل بنقطة نهاية التفاعل.
سميت هذه الطريقة بمعايرات الاستبدال أو الإحلال، حيث تعتمد فكرة عملها على إحلال الأيونات القوية مكان الأيونات الضعيفة في محاليلها.
تتم هذه المعايرات من خلال تفاعل متراكب من الإديتا، ومعدن أقل قوة مع الدليل حتى الوصول إلى نقطة نهاية التفاعل، ثم تتم إضافة العنصر الأقوى المراد تقدير تركيزه في هذا المحلول، فيحل محل المعدن الأقل قوة في متراكبة مع الإديتا، ويخرج العنصر الأقل قوة من التفاعل، ويتم تقدير تركيز هذا العنصر الأقل قوة، والذي يكافئ تركيز ومقدار العنصر الأكثر قوة، بالتالي حصلنا على تركيز المعدن المراد.
عناصر مثل الكالسيوم، الزئبق، التيتانيوم قد تستخدم هذا النوع من المعايرات.
٤- معايرة قاعدية Alkalimetric Titration
في حالة تعذر الحصول على الأدلة المناسبة (PM indicator) يمكن اللجوء إلى (PH indicator) في معايرات الإديتا.
تنص فكرة عمل هذه النظرية على أن تكوين متراكب الإديتا مع المعدن يتم خروج عددا أو تركيزا من عنصر الهيدروجين المكون للإديتا بنفس مقدار المعدن؛ لذلك عن تقدير تركيز الهيدروجين نحصل على تركيز المعدن.
حيث يمثل H2y^2 رمز الإديتا، وعند التفاعل مع المعدن وتكوين متراكب يصبح الرمز My^2 تاركًا الهيدروجين خارجًا.
يتم تقدير تركيز الهيدروجين باستخدام محلول قياسي قاعدي في وجود أدلة التعادل PH indicator مثل ph.ph فينول فيثالين أو M.O ميثيل أورانج.
لكن يلزمنا لإجراء هذه المعايرات معادلة المحلول والحموضة قبل المعايرة، وهذا يصعب عمليا؛ لذلك لا تستخدم هذه النظرية على نطاق واسع.
٥- المعايرة المتنوعة miscellaneous titration
تستخدم هذه المعايرات في تقدير تركيزات الأيونات أو الهاليدات أو الكاتيونات أحادية العطاء.
عند تفاعل هذه المواد والمعادن مع الإديتا مباشرة لا يحدث تفاعل.
تكمن فكرة هذه المعايرة أنه عند تحديد تركيز الأيون نقوم بترسيبه باستخدام محلول مرسب قوي الذي يذوب في حجم زائد معلوم من الإديتا الذي يتم معايرته غير مباشر مع الماغنسيوم Mg، في وجود دليل EBT، حيث في النهاية نحصل على حجم الإديتا الزائد مكافئ للمحلول المرسب مكافئ للأيون المراد تعيين تركيزه.
يعمل العامل المرسب علة إضافة الكاتيونات المكافئة للأنوينات عند تكوين الملح، فترتبط هذه الكاتيونات مع الإديتا مكونة المتراكب، ثم يحل الأنيون محل الكاتيون عند الوصول إلى نقطة نهاية التفاعل لتقدير تركيزه.
أيون الكبريت SO4، أيون الفسفور PO4، كلاهما يتم معايرته بهذه الكيفية.
سميت هذه الطريقة باسم المعايرات المتنوعة؛ نظرا لأنها تستخدم بعض من أساليب المعايرات الأخرى، حيث عند القيام بتحديد الحجم الزائد من الإديتا بواسطة عنصر الماغنسيوم، فهذه الخطوة تشبه المعايرة الغير مباشرة، وفي خطوة إحلال الكاتيون مكان الأنيون في المتراكب مع الإديتا تشبه تمامًا فكرة معايرات الاستبدال أو الإحلال؛ لذلك سميت بهذا الاسم.
تتنوع طرق ونظريات عمليات المعايرة طبقا لحالة المتفاعلات من المعادن والليجندات والأدلة الكيميائية فعند حدوث أي خلل أو فقدان في أحد المتفاعلات يلزمه تغيير الطريقة ونوع المعايرات المجراة، لا سيما أن أفضل الطرق وأيسرها هي المعايرات المباشرة؛ لأنها لا تستهلك وقتًا أو معدات وأدوات كثيرة، أو مواد كيميائية، كما أن طرق حسابها والنتائج تكون واضحة سهلة بسيطة.
لكن تحت أي ظرف قد نلجأ إلى استخدام الأنواع الأخرى من المعايرات.
عمليات المعايرة تتطلب الدقة والصبر والسرعة، الدقة في الوزن، وفي تعبئة واستخدام الأدوات والانتباه الشديد لنقطة نهاية التفاعل، حيث نقطة واحدة من المحلول في السحاحة تسبب تغير اللون تدل على نقطة نهاية التفاعل فيجب الدقه في تحري هذه النقطة، يجب على الكيميائي التحلي بالصبر في تجارب المعايرة؛ لأنها قد تتطلب وقتًا كثيرًا، ولأنها تتطلب تكرار التجربة والإعادة أكثر من مرة لتحري الدقة والصواب، وسرعة العمل واستخدام الأدوات، وعدم التساهل مع الأدوات لخطورة بعضها وعدم إهدارها.
المراجع
١- Edta Titration, H.A. Flaschka, Pergamon press, 1964.
٢- د. ناجي الصالحي، الكيمياء العامة العملية، دار الأسرة ميديا، ٢٠١٣م.
٣- أساسيات الكيمياء التحليلية، عبدالعليم سليمان، دار الجامعات، ٢٠١٥م.
الكاتبة/ خلود محمد محمود
تصميم/ نورا عبدالهادي
لمعرفة المزيد عن أكاديمية التدريس شاهد هذا الفيديو ..