تعريف نقطة التكافؤ
تعد نقطة التكافؤ (بالإنجليزية: Equivalence point) مُصطلحًا كيميائيًا يستخدم خلال إجراء المعايرة بين أي تفاعل حمضي أو قاعدي أو تفاعل مُتعادل كيميائيًا، وتُعرف كذلك بالنقطة التي يصل إليها المحلول عند خلط كميات متساوية من المواد المتفاعلة كيميائيًا، خلال العملية التي تكون فيها كمية المعايرة للمواد الكيميائية المضافة كافية لتحييد محلول التحليل (أي يُصبح غير حمضي وغير قاعدي)، وهي النقطة التي يكون فيها عدد مولات محلول المعايرة مساوٍ لعدد مولات محلول بتركيز غير معروف، كما أنها تُسمى بنُقطة التكافؤ لأنه يتساوى فيها عدد مولات الحمض مع مولات القاعدة اللازمة لتحييد المحلول وتكون نسبته 1:1.
أمثلة على نقطة التكافؤ
تتطلب معرفة نُقطة التكافؤ بعض المُعادلات والحسابات، ومن الأمثلة العملية على إيجاد هذه النُقطة عمل بعض الأشخاص في مشرحة أو معمل طب شرعي، لمعرفة سبب وفاة الأشخاص الذين يظنون أنهم ماتوا بالسُم أو جراء عقارات طبية، وهنا تكون وظيفة طبيب أو موظف التشريح معرفة مقدار الدواء والسم الموجود في دمها، ولا يُمكن معرفة هذا إلا بإجراء فحوصات نُقطة التكافؤ الكيميائية، لمعرفة تفاعل الدواء أو المواد الكيميائية في دم المتوفى.
يوجد أمثلة حسابية لتحديد نُقطة التكافؤ في المُركبات الكيميائية، وفيما يأتي إحداها:
- مثال: أ ب ← ج، في الحالات التالية ماذا نحتاج حتى تُصبح المُعادلة السابقة متوازنة وتصل لنقطة التكافؤ:
- الحالة 1: يوجد مول واحد من العُنصر (أ)، والمول وحدة قياس كيميائية تعني الوزن الجزيئي لعُنصر أو مُركب كيميائي، وثلاثة مولات من العُنصر ب.
-
- الحل: للوصول إلى نقطة التكافؤ نحتاج إضافة 2 مول للعُنصر أ حتى تُصبح المُعادلة مُتكافئة.
- الحالة 2: يوجد ثلاثة مولات من العُنصر (أ)، وثلاثة مولات من العُنصر (ب).
- الحل: هنا نُقطة التكافؤ موجودة ولا نحتاج إضافة أي مول للمُعادلة.
- الحالة 3: يوجد ثلاثة مولات من العُنصر (أ)، وخمسة مولات من العُنصر (ج).
- الحل: في هذه الحالة العُنصر (ج) غير مُرتبط بالتفاعل الكيميائي، والمعادلة بحاجة لتوازن كيميائي قبل التفاعل، وهنا تتساوى عدد المولات بالشق الأول والثاني ليُصبح ثماني مولات على كلا الطرفين بإضافة خمس مولات للشق الأول، وثلاث مولات للشق الثاني.
طرق إيجاد نقطة التكافؤ
هناك عدة طرق مختلفة لتحديد نقطة التكافؤ للمعايرة بالتحليل الحجمي، وفيما يأتي تفصيل لكل منها:
- تغير اللون: يتغير لون بعض التفاعلات بشكل طبيعي عند محاولة الوصول لنقطة التكافؤ، ويمكن ملاحظة ذلك عند معايرة مُعادلات الأكسدة والاختزال، خاصة إن كان يوجد في المُركبات معادن انتقالية، وفيها يكون لحالات الأكسدة ألوان مختلفة تُشير للوصول لنقطة التكافؤ.
- مؤشر الأس الهيدروجيني: يمكن استخدام مؤشر الأس الهيدروجيني لإيجاد نقطة التكافؤ، ويتغير لون المُركب ليصبح مُتعادلًا وفقًا للأس الهيدروجيني المُضاف إليه، وللمعرفة الدقيقة يمكن إضافة صبغة المؤشر في بداية المعايرة حتى ينتج لون دقيق يؤشر للوصول إلى نقطة التكافؤ.
- الموصلية: تؤثر الأيونات الكهربائية بشكل مُباشر على الموصلية الكهربائية للمحلول الكيميائي، لذلك عند التفاعل يتغير مقدار الموصلية في المُركب، وقد تكون الموصلية طريقة صعبة لإيجاد نقطة التكافؤ في بعض الحالات التي تكون فيها الأيونات الموجودة في المحلول مُتعددة العناصر، والتي يمكن أن تساهم في تغير الموصلية واختلال دقة حساب نقطة التكافؤ، ولحل هذه المُشكلة تستخدم موصلية بعض التفاعلات الحمضية القاعدية.
- الترسيب: تشكُل راسب غير قابل للذوبان في التفاعل الكيميائي يُساعد على تحديد نقطة التكافؤ، فعلى سبيل المثال تتفاعل أنيون الكلوريد وكاتيون الفضة لتكوين كلوريد الفضة، وتكون هذه المادة غير قابلة للذوبان في الماء، لذى يُمكن استخدامها لتحديد نُقطة التكافؤ.
- التحليل الطيفي: يمكن استخدام التحليل الطيفي للعثور على نقطة التكافؤ إذا كان طيف المادة المتفاعلة معروفة من قبل، وتُستخدم طريقة التحليل الطيفي بشكل خاص للكشف عن أشباه الموصلات، كما تحدد نقطة التكافؤ في التفاعلات الطاردة والماصة للحرارة عن طريق قياس نقطة التوافق خلال التغير في درجات الحرارة التي تنتجها التفاعلات الكيميائية.
- استخدام المسعرات الحرارية: هذه الطريقة تتم عن طريق جهاز يُسمى مسعر المعايرة الحرارية، وفيه يمكن تحديد نقطة التكافؤ عن طريق قياس كمية الحرارة المنتجة أو الممتصة باستخدام الجهاز، وغالبًا ما تُستخدم هذه الطريقة في التفاعلات أو المُركبات الكيميائية الحيوية، مثل ارتباطات الإنزيم.
- المعايرة الحرارية: عملية المعايرة الحرارية لإيجاد نقطة التكافؤ تكون بقياس معدل التغير في درجة الحرارة الناتجة عن التفاعل الكيميائي، وتُقاس فيها بشكل خاص درجات حرارة التفاعلات الطاردة أو الماصة للحرارة.
الفرق بين نقطة التكافؤ ونقطة النهاية
يعد أسهل ما توصف فيه نقطة التكافؤ هو المعايرة بواسطة تعادل المولات أو ما يُسمى التحليل الحجمي والتي تحدد فيها كمية المكونات في المُركب، وهذا عن طريق إضافة كمية معروفة من مادة أخرى إلى المُركب ليتفاعل معه المكون المُضاف بنسب محددة ومعروفة، وهذا عن طريق إضافة المحلول تدريجيًا لأنبوب القياس المتدرج أو أي وسيلة مُناسبة، وعند توقف الإضافة والوصول لنتائج صحيحة هنا تكون نقطة النهاية في التحليل الكيميائي، ويمكن تمييز الوصول لنقطة النهاية ببعض الإشارات كتغير اللون أو تغير الخصائص الكهربائية في المُركب.
تستخدم المُعايرة بالتحليل الحجمي في الكيمياء التحليلية لتحديد الحمض والقواعد والمؤكسدات والمختزلات وغيرها من المُركبات الكيميائية الطبيعية والصناعية، وأثناء هذه العملية يمكن الوصول إلى نقطتين مهمتين هما؛ نقطة النهاية ونقطة التكافؤ، وفيما يأتي شرح للفروق الرئيسية بين نقطة التكافؤ ونقطة النهاية:
| من حيث | نقطة التكافؤ | نقطة النهاية |
| تعريفها | النقطة التي يصل عندها المُركب الكيميائي للتوازن الكيميائي | النقطة التي يتغير لون المُركب عندها |
| موقعها | تأتي قبل نقطة النهاية | تأتي بعد نقطة التكافؤ |
| تأثيرها على الأحماض الضعيفة | الأحماض الضعيفة يمكن أن يكون لها أكثر من نُقطة تكافؤ واحدة | الأحماض الضعيفة لا يكون لها إلا نقطة نهاية واحدة فقط |
الخلاصة
تُعد نقطة التكافؤ من أهم المصطلحات الكيميائية المُستخدمة في المُختبرات والمصانع، وتُستخدم بشكل واسع في الكيمياء التحليلية لتحديد الحمض والقواعد والمركبات الكيميائية الأخرى، وبفضل التطور التكنولوجي أصبحت طُرق إيجاد نقطة التكافؤ سهلة الاستخدام وتُستخدم بشكل واسع على خلاف العقود والقرون الماضية، ومن أبرزها؛ تغير اللون، والموصلية، والترسيب، والتحليل الطيفي، والمعايرة الحرارية وغيرها.
