الشوارد الموجودة في الماء (كالصوديوم والكلور) هي التي تجعله موصلًا للتيار الكهربائي، وكلما زاد عددها وزادت حركتها زادت ناقلية المحلول. وهذه الفكرة هي أساس وحدة متابعة تحول كيميائي بقياس الناقلية في السنة الثانية ثانوي، وهي وحدة طويلة نظريًا لكنها تقوم على بضع علاقات مترابطة. تعرض هذه الصفحة مفاهيم المقاومة والناقلة، ثم الناقلية النوعية وثابت الخلية، ثم الناقلية المولية الشاردية وقانون كولراوش في المحاليل المخففة، ثم استعمال الناقلية في تعيين تركيز محلول وفي المعايرة، وتنتهي بأخطاء متكررة وتمارين.
تذكير: المقاومة الكهربائية
المقاومة R تقيس ممانعة ناقل لمرور التيار، وحدتها الأوم Ω. وقانون أوم: U = R × I حيث U التوتر بالفولت وI الشدة بالأمبير.
الناقلة
الناقلة G هي مقلوب المقاومة:
G = 1 ÷ R
وحدتها السيمنس S. وبما أن محلولًا مائيًا يمرر التيار فنعدّه ناقلًا له ناقلة. ويقيسها جهاز قياس الناقلية (الكوندكتمتر) بالغمر في المحلول.
الناقلية النوعية وثابت الخلية
جهاز القياس خلية فيها صفيحتان متقابلتان مساحة كل منهما S والمسافة بينهما L. فالناقلة تتناسب مع المساحة وتتناسب عكسيًا مع المسافة:
G = σ × S ÷ L
حيث σ هي الناقلية النوعية للمحلول، وحدتها السيمنس على المتر S/m، وهي تميز المحلول مهما كانت الخلية. ونعرف ثابت الخلية k = L ÷ S (بوحدة m⁻¹)، فتصبح:
σ = k × G
وغالبًا يعطي جهاز القياس σ مباشرة بعد معايرته.
الناقلية والتركيز
الناقلية النوعية لمحلول مخفف تزداد بزيادة تركيز الشوارد. ولكل شاردة X ناقلية مولية شاردية λ تقيس مساهمتها في الناقلية، وحدتها S·m²/mol (تعطى غالبًا بـ mS·m²/mol). وتتعلق بنوع الشاردة وبدرجة الحرارة.
قانون كولراوش (المحاليل المخففة)
σ = Σ λᵢ × [Xᵢ]
أي أن ناقلية المحلول هي مجموع مساهمات كل الشوارد، حيث [Xᵢ] تركيز الشاردة بوحدة mol/m³.
تحويل مهم: 1 mol/L = 1000 mol/m³.
مثال
محلول كلور الصوديوم تركيزه C = 0.01 mol/L. نعطي: λ(Na⁺) = 5.01 mS·m²/mol وλ(Cl⁻) = 7.63 mS·m²/mol.
- التركيز:
C = 0.01 mol/L = 10 mol/m³، وتركيز كل شاردة[Na⁺] = [Cl⁻] = 10 mol/m³. σ = (5.01 + 7.63) × 10⁻³ × 10 = 0.1264 S/m.
تعيين تركيز محلول بقياس الناقلية
- نحضر عدة محاليل معايرة (تركيزها معلوم) من الجسم نفسه.
- نقيس ناقلية كل منها ونرسم منحنى المعايرة
σ = f(C)، وهو في المحاليل المخففة خط مستقيم يمر بالمبدأ. - نقيس ناقلية المحلول المجهول، ونقرأ تركيزه من المنحنى (أو نحسبه من معادلة المستقيم).
المعايرة بقياس الناقلية
نضع في السحاحة المحلول المعاير به، ونقيس ناقلية الخليط بعد كل إضافة، ونرسم σ = f(V). فنحصل على خطين مستقيمين ميلاهما مختلفان لأن الشوارد المختفية والمتشكلة تتغير. ونقطة تقاطعهما تقابل التكافؤ، فنقرأ منها حجم التكافؤ V_E، ثم نحسب التركيز المجهول كما في المعايرة اللونية.
وميزة هذه الطريقة أنها تصلح مع محاليل ملونة أو عكرة، وأنها لا تحتاج إلى كاشف ملون.
أخطاء شائعة
- نسيان تحويل
mol/Lإلىmol/m³قبل استعمال قانون كولراوش. - الخلط بين
G(الناقلة بالسيمنس) وσ(الناقلية النوعية بالسيمنس على المتر). - اعتبار القانون صالحًا في المحاليل المركزة، وهو للمحاليل المخففة فقط.
- نسيان أن الناقلية تتغير بدرجة الحرارة فنثبتها في التجربة.
- في المعايرة بالناقلية، أخذ حجم التكافؤ من أول نقطة بدل نقطة تقاطع الخطين.
- نسيان جمع مساهمة كل الشوارد الموجودة في المحلول.
تمارين للتدرب
- احسب ناقلة محلول مقاومته
200 Ω. - خلية ثابتها
k = 100 m⁻¹تعطي ناقلةG = 2 × 10⁻³ S. احسبσ. - حول
0.05 mol/Lإلىmol/m³. - محلول كلور الصوديوم تركيزه
0.02 mol/Lوالمعطيات السابقة. احسبσ. - في معايرة بقياس الناقلية، ماذا تمثل نقطة تقاطع المستقيمين؟
الحلول:
G = 1 ÷ 200 = 5 × 10⁻³ S.σ = 100 × 2 × 10⁻³ = 0.2 S/m.0.05 × 1000 = 50 mol/m³.C = 20 mol/m³، فـσ = (5.01 + 7.63) × 10⁻³ × 20 = 0.2528 S/m.- حجم التكافؤ
V_E.
الشرح المصوّر
لمن يفضل المتابعة بالصوت والصورة، يلخص الأستاذ عبد اللطيف في فيديو «الناقلية، ثانية ثانوي: ملخص شامل بأفكار واضحة وتمارين تطبيقية» وحدة ناقلية المحلول المائي كلها في نحو ثلاث وأربعين دقيقة، مبتدئًا بتذكير المقاومة الكهربائية، ثم يشرح كيف تحسب وكيف تحول الوحدات ومتى يطبق كل قانون، ويطلب من التلميذ ورقة وقلمًا للمتابعة.
وللتوسع، اطلع على هذه الملفات في الموقع: