طرق فصل المخاليط

نظرة عامة حول فصل المخاليط

يتكوّن المخلوط من مادتين أو أكثر ترتبط ببعضها بروابط غير كيميائية، وهناك العديد من المخاليط المستخدمة في الحياة اليومية بحالاتها المختلفة سواء الصلبة، أو السائلة، أو الغازية، وفي كثير من الأحيان تظهر الحاجة لفصل هذه المخاليط، إذ لا تحتاج المخاليط إلى تفاعلات كيميائية لفصلها، إنّما يتمّ فصلها بطرق فيزيائية، وتُعتبر عملية فصل المخاليط جزءاً أساسياً في علم الكيمياء وفي الصناعات الحديثة، ومن الأمثلة على المخاليط التربة التي تتكوّن من مركبات مختلفة، وخليط الحليب والماء السائل.

طرق فصل المخاليط

طرق الفصل اليدوية

• الفصل باليد: (بالإنجليزية: Hand Sorting)؛ يُمكن فصل بعض أنواع المخاليط باليد مثل فصل الخرز الملوّن عن بعضه، وفصل حبّات الأرز والعدس عن بعضها، وفصل قطع من أصناف متنوعة من الفاكهة، وبالتالي فإنّ طريقة الفصل باليد تُعتبر طريقةً مناسبةً إذا كانت الحبيبات كبيرة الحجم نسبياً وعددها قليل.
• الغربلة: (بالإنجليزية: Sieving)؛ عندما تكون كمية المخلوط كبيرةً يُمكن فصلها باستخدام الغربال؛ بحيث تسقط الحبيبات صغيرة الحجم من خلال الفتحات الموجودة في الغربال وتبقى الحبيبات الكبيرة داخل الغربال، ومن الأمثلة على عملية الفصل بالغربلة فصل الحجارة أو الحصى عن الرمل؛ إذ تسقط حبيبات الرمل من الغربال وتبقى الحبيبات الكبيرة كالحجارة والحصى داخل الغربال.

جهاز الطرد المركزي

يصعب فصل الحبيبات الصلبة صغيرة الحجم عن المحلول في بعض الأحيان؛ لذا يتمّ استخدام جهاز الطرد المركزي، وهو جهاز ميكانيكي يدور بسرعة عالية جداً تُساعد على فصل الجزيئات الصلبة عن المحلول حيث تتجه جزيئات المحلول كبيرة الحجم إلى الخارج بعيداً عن محور الدوران، أما الجزيئات الصلبة صغيرة الحجم فتستقر في القاع، ومن الأمثلة على ذلك عملية فصل الرمل عن الماء حيث يحتاج فصلها بالطرق العادية إلى وقت كبير، بينما باستخدام جهاز الطرد المركزي تتمّ عملية الفصل خلال ثوانٍ، كما يُستخدم الطرد المركزي لفصل عيّنات الدم إلى بلازما وكريات الدم الحمراء، وفصل حبيبات الحليب عن الماء، وفصل نظائر اليورانيوم في محطات الطاقة النووية، ومن الجدير بالذكر أنه في بعض الأحيان قد تصل سرعة جهاز الطرد المركزي إلى 30000 مرة في الدقيقة، وذلك تبعاً لطبيعة المواد المراد فصلها.

الترشيح

يتمّ فصل المخاليط من خلال الترشيح (بالإنجليزية: Filtration) إذا كان حجم الحبيبات المراد فصلها صغيراً، أو كانت الحبيبات متباينةً في حجومها، أو إذا كانت المادتان المراد فصلهما عن بعضهما مختلفتين في الحالة الفيزيائية، وذلك عن طريق استخدام مصفاة أو ورقة الترشيح (Filter paper)، وهناك العديد من الأمثلة على عملية الترشيح في الحياة اليومية، فجهاز صنع القهوة يحوي ورقة ترشيح يمرّ من خلالها مسحوق القهوة وتبقى حبّات القهوة الأكبر حجماً عالقةً في الأعلى، كما يُمكن فصل ورق الشاي في محلول الشاي والماء بالترشيح أيضاً.

تُصنّف طرق الترشيح إلى طريقتين بناءً على ذائبية المواد المراد فصلها، فإذا كانت المادة المراد فصلها غير ذائبة في المحلول يُمكن فصلها بطريقة الترشيح بالجاذبية (بالإنجليزية: Gravity filtration)، وذلك من خلال تسخين المحلول ثمّ صبّه من خلال قمع مُبطّن بورقة ترشيح داخل دورق ترشيح (بالإنجليزية: Filter flask)، فتبقى المادة الصلبة على ورقة الترشيح ويُصبّ المحلول الذي تمّ ترشيحه في دورق الترشيح، أمّا الطريقة الأخرى فهي الترشيح بالشفط (بالإنجليزية: Suction filtration)، ويكون المحلول فيها بارداً، إذ يتمّ اتباع هذه الطريقة إذا كانت المواد المراد فصلها تحتوي على شوائب ذائبة في المحلول، بحيث يتمّ صبّ المحلول عبر قمع هيرش أو بوخنر مُبطّن بورقة ترشيح ومتّصل بجهاز لسحب الهواء، ويُطلق على السائل الصافي الذي يمرّ عبر ورقة الترشيح اسم المُرشَح (بالإنجليزية: Filtrate)، أمّا الحبيبات المتبقيّة على ورقة الترشيح فتعرف بالرواسب (بالإنجليزية: Residue).

التقطير

يُعرف التقطير بأنّه طريقة فعّالة لفصل مخلوط يتكوّن من مادتين سائلتين أو أكثر، وذلك من خلال تبخير السائل ثمّ إعادة تكثيفه بناءً على الفرق في الضغط البخاري للمواد، ففي التقطير البسيط يتمّ تسخين الخليط، فتتبخّر المادة التي تكون ذات ضغط بخاري أقل أولاً عند درجة حرارة أقل، ثمّ ينتقل البخار عبر المُكثّف الذي يكون بارداً فيتكاثف عليه ويعود إلى الحالة السائلة، ويُسمّى السائل الناتج في هذه الحالة السائل المُقطّر (بالإنجليزية: Distillate).

يتمّ فصل الماء عن الأملاح الذائبة في عيّنة من مياه البحر عن طريق وضع هذه العينة في قارورة مستديرة القاعدة (بالإنجليزية: Round-bottom flask) ويتمّ تسخينها، فيتبخّر الماء قبل الأملاح لأنّه يحتاج إلى درجة حرارة أقل للتبخّر، وبعد ذلك يمرّ بخار الماء عبر المُكثّف الذي يُعرف بمُكثّف ليبيج (بالإنجليزية: Liebig condenser) فيتكاثف ويتحوّل إلى الحالة السائلة وتبقى الأملاح في القارورة، ويكون لمُكثّف ليبيج الذي يتكوّن من أنبوب زجاجي داخل أنبوب زجاجي أكبر منه دور أساسي في هذه العملية، حيث تمرّ المياه الباردة في الجزء الفارغ بين الأنبوبين، ممّا يُساعد على تكاثف بخار الماء الذي يمرّ في الأنبوب الداخلي فيتحوّل إلى الحالة السائلة.

يُمكن فصل الماء عن الإيثانول بالتقطير، وذلك عن طريق وضع المادتين في دورق كروي ثمّ تسخينهما فيتبخّر الإيثانول أولاً، وذلك لأنّ درجة غليانه أقل وهي 78 درجة مئوية، أمّا درجة غليان الماء فتبلغ 100 درجة مئوية، وبعد ذلك يتكاثف البخار الناتج عن الإيثانول ويمرّ عبر المُكثّف ويتحوّل إلى سائل يتمّ تجميعه في دورق التجميع الموجود في نهاية المُكثّف، أمّا الماء فيبقى في الدورق الكروي، كما أنّ عملية التقطير هي الأساس في فصل مركبات الوقود في مصفاة البترول، حيث تتبخّر أولاً المركبات الهيدروكربونية التي يكون عدد ذرات الكربون فيها قليل، ثمّ وقود الطائرات، ثمّ البترول، ثمّ وقود السيارات، وتتبقّى مادة القطران، ويُمكن اتباع طريقة التقطير لفصل محلول من الكحول السائل والماء أو محلول من الخل والماء، كما يُمكن فصل خليط من الماء، والحبر، والخل بطريقة التقطير؛ وذلك بسبب الفرق في درجات الغليان للمواد الثلاثة.

الفصل المغناطيسي

يتمّ استخدم الفصل المغناطيسي لفصل خام معدني يتكوّن من مادتين أحدهما مغناطيسية والأخرى غير مغناطيسية، بحيث تمرّ المادتان على حزام دوّار يوجد في نهايته عجلة مغناطيسية فتلتصق الحبيبات المغناطيسية بالحزام وتسقط الحبيبات الأخرى، وعندما يبدأ الحزام بالحركة مبتعداً عن العجلة المغناطيسية تسقط الحبيببات المغناطيسية في وعاء آخر.

التبخير

يُعرّف التبخير بأنّه طريقة لفصل المخاليط المتجانسة التي تحتوي على مادة صلبة ذائبة؛ حيث يتمّ فصل المادة السائلة عن المادة الصلبة عن طريق تبخير المادة السائلة بشكل كامل حتّى تتبقّى المادة الصلبة فقط، وتصلح هذه الطريقة فقط إذا كان هناك نوع واحد من المواد السائلة أو إذا كان من غير المهم فصل المواد السائلة عن بعضها، وفي كثير من دول العالم يتمّ الحصول على ملح الطعام من خلال عملية تبخير مياه البحر باستخدام الطاقة الحرارية للشمس.

الاستشراب

يُمكن تعريف الاستشراب (بالإنجليزية: Chromatography) بأنّه طريقة لفصل المواد الكيميائية حسب قدرتها على الالتصاق بقضيب صلب، وهي من أهم طرق الفصل؛ لأنّها تُستخدم لفصل خليط من المواد الصلبة والسائلة، أو خليط من المواد الصلبة، أو خليط من المواد السائلة، أو خليط من المواد الغازية، وتتمّ عملية الاستشراب على طورين؛ الطور الساكن (بالإنجليزية: Stationary phase) وفيه يتمّ استخدام السيليكا، أو أكسيد الألمنيوم، أو ورقة من السليولوز، والطور المتحرّك (بالإنجليزية: Mobile phase) الذي تختلف مكوّناته تبعاً للمواد المراد فصلها، حيث يمرّ الخليط المراد فصله عبر مواد الطور الثابت، فإذا تجاذبت المواد المراد فصلها مع مكوّنات هذا الطور فإنّها تتحرّك مسافةً أقصر، أمّا إذا كانت أكثر جاذبيةً لمواد الطور المتحرك فإنّها تتحرّك مسافةً أطول لتتجاذب معها.

هناك ثلاثة أنواع لعملية الاستشراب هي: الاستشراب على العمود (بالإنجليزية: Column chromatography)، والاستشراب الغازي (بالإنجليزية: Gas chromatography)، واستشراب الطبقة الرقيقة (بالإنجليزية: Thin layer chromatography)، ففي طريقة الاستشراب على العمود يُستخدم عمود أفقيّ مملوء بمادة ماصّة صلبة تُمثّل الطور الساكن، ويتمّ صبّ الخليط المراد فصله ثمّ المذيب الذي يُمثّل الطور المتحرّك، فيتمّ الفصل بناءً على الفرق في الذائبية بين الطورين، أمّا الاستشراب الغازي فيتمّ بتبخير السائل المراد فصله إلى غاز ينتقل عبر أنبوب يتكوّن من مادة ماصّة صلبة تُمثّل الطور الساكن، واستخدام غاز يُعرف بالغاز الحامل ويُمثّل الطور المتحرّك يُساعد على نقل الخليط المراد فصله عبر الأنبوب، فيتمّ فصل المواد بناءً على الفرق في التجاذب بين الطور الساكن والمتحرّك.

تُستخدم ورقة ترشيح في طريقة استشراب الطبقة الرقيقة، بحيث يتمّ وضع قطرة من المادة المراد فصلها تبعد 2.5 سم عن حافة ورقة الترشيح أو شرائح الطبقة الرقيقة، ثمّ وضع الورقة أو الشريحة في وعاء زجاجي يحتوي على المُذيب الذي يُمثّل الطور المتحرّك ليبدأ بالحركة وفقاً للخاصية الشعرية، فتتحرّك المادة التي تذوب في الطور المتحرّك معه للأعلى، أمّا المادة التي تذوب في الطور الساكن فتبقى ولا تتحرّك مسافةً طويلة، ويعتمد ذلك على مبدأ الشبيه يُذيب شبيهه، فإذا كانت المواد المراد فصلها قطبيةً وغير قطبية، وكان الطور المتحرّك غير قطبي والطور الساكن قطبي، فإنّ المادة القطبية تبقى والمادة غير القطبية تتحرّك للأعلى.

فصل المخاليط بأكثر من طريقة

يُمكن الاختيار بين عدّة طرق أو تطبيق أكثر من طريقة لفصل المخلوط نفسه، فمثلاً يتمّ فصل مياه البحر بالتبخير أو التقطير، ويُمكن فصل خليط من الرمل ومياه البحر بالترشيح لإزالة الرمل ثمّ التبخير للحصول على بلورات الملح، ولفصل خليط من الكرات وقطع الذهب الصغيرة والسكر يتمّ الفصل اليدوي للكرات، ثمّ الترشيح لإزالة قطع الذهب، والتبخير للحصول على بلورات السكر،^[٥] كما يُمكن فصل خليط من السكر والرمل بإضافة كمية كبيرة من الماء، وتحريكها جيداً للسماح للسكر بالذوبان، ثمّ ترشيح السائل للتخلّص من الرمال، ثمّ تبخير محلول السكر للحصول على بلورات السكر، كما أنّ هناك أدوات لفصل المخاليط مثل قمع الفصل (بالإنجليزية: Separating Funnel) الذي يُستخدم لفصل سائلين مختلفين في الكثافة وغير قابلين للامتزاج؛ كالماء والزيت، وبما أنّ الماء أكثر كثافةً من الزيت فإنّه يترسّب في قاع القمع، أمّا الزيت فيطفو للأعلى. ويوضّح الجدول الآتي إمكانية فصل مخاليط بحالات مختلفة باتباع طرق فصل مختلفة: