كيفية تحديد نقاء غاز الأكسجين؟ طريقة مختبرية دقيقة باستخدام محلول الأمونيا والنحاس

لماذا يُعدّ قياس نقاء غاز الأكسجين أمرًا مهمًا؟

في المجالات الطبية والمخبرية والصناعية، تلعب جودة ونقاء غاز الأكسجين دورًا حاسمًا في السلامة والكفاءة وأداء الأنظمة. يجب أن يكون الأكسجين المستخدم للمرضى في وحدات العناية المركزة أو غرف العمليات ذا نقاء يتجاوز 99.5٪.
كذلك في العمليات الصناعية مثل اللحام الدقيق، تصنيع أشباه الموصلات، والصناعات الغذائية، فإن الأكسجين غير النقي قد يؤدي إلى أخطاء تشغيلية أو تلف المعدات أو انخفاض جودة المنتج النهائي.

لهذا السبب، فإن القياس الدقيق لنقاء غاز الأكسجين قبل الاستخدام أو التوزيع يُعدّ ضرورة لا يمكن تجاهلها. تحتاج شركات مثل بارسياغاز، المتخصصة في توريد الغازات الطبية والصناعية، إلى طرق تحليلية تكون دقيقة، قابلة للتكرار، اقتصادية، وعملية لضمان جودة المنتج النهائي.

في هذا المقال، نستعرض بالتفصيل إحدى الطرق الكلاسيكية ولكن الدقيقة للغاية لقياس نقاء غاز الأكسجين، وهي:
تفاعل الأكسجين مع فلز النحاس في وسط أمونياكي.

ما هو نقاء غاز الأكسجين ولماذا يجب قياسه؟

التعريف العلمي لنقاء غاز الأكسجين

يشير نقاء الأكسجين إلى النسبة المئوية لغاز الأكسجين ضمن حجم محدد من خليط غازي.
فعلى سبيل المثال، إذا احتوت عينة حجمها 100 سم³ على 99.9 سم³ من الأكسجين النقي و 0.1 سم³ من غازات أخرى (مثل النيتروجين، ثاني أكسيد الكربون، بخار الماء أو أول أكسيد الكربون)، فإن نقاء الأكسجين يُعتبر 99.9٪.

أهمية نقاء الأكسجين في التطبيقات المختلفة

• في المجال الطبي: يجب أن يكون الأكسجين خاليًا تمامًا من الشوائب حفاظًا على سلامة المرضى.
• في الصناعات الدقيقة: حتى وجود 0.1٪ من الشوائب قد يؤدي إلى تلف المنتج أو تقليل دقة العمليات.
• في اللحام الصناعي: قد تسبب الشوائب لهبًا غير مستقر وتؤثر سلبًا على جودة اللحام.

لذلك، يجب قياس نقاء الأكسجين والتحقق منه قبل استخدامه أو تسويقه.

الطرق الشائعة لتحديد نقاء الغازات

الطرق الرقمية الحديثة:

• أجهزة تحليل الغازات متعددة القنوات
• الكروماتوغرافيا الغازية (GC)
• حساسات إلكترونية لقياس نقاء الأكسجين

تتميز هذه الأجهزة بالدقة العالية والسرعة، لكنها مكلفة وتتطلب صيانة وخبرة تقنية متخصصة.

الطرق الكيميائية الكلاسيكية:

عند عدم توفر الأجهزة الرقمية أو عند الحاجة إلى طريقة بسيطة وموثوقة، تُعدّ الطرق الكيميائية خيارًا مناسبًا.
ومن أفضل هذه الطرق، الطريقة التي سيتم شرحها بالتفصيل فيما يلي.

طريقة كيميائية لتحديد نقاء الأكسجين باستخدام النحاس والأمونيا

تعتمد هذه الطريقة على تفاعل الأكسجين مع فلز النحاس في وسط أمونياكي. يتم امتصاص الأكسجين أثناء التفاعل، بينما يمثل الحجم المتبقي من الغاز الشوائب.

من خلال قياس:

• الحجم الابتدائي للغاز
• الحجم المتبقي بعد انتهاء التفاعل

يمكن حساب نسبة نقاء الأكسجين بدقة عالية.

مزايا هذه الطريقة:

• دقة عالية وقابلية ممتازة للتكرار (خطأ أقل من 0.01٪)
• لا تتطلب أجهزة معقدة
• قابلة للتنفيذ في مختبرات بسيطة
• مناسبة لاستخدامات ضبط الجودة (QC) في مصانع الغازات مثل بارسياغاز

المواد والكواشف المطلوبة

لتنفيذ هذا الاختبار بشكل صحيح، نحتاج إلى:

• 550 غرام كلوريد الأمونيوم (NH₄Cl)
• 1085 مل من الماء المقطر
• 917 مل من هيدروكسيد الأمونيوم (NH₄OH)
• سلك نحاسي ملفوف أو حلزوني بمعيار مناسب
• بوريت مزود بصمام ثنائي الاتجاه
• أوعية زجاجية مقاومة للمواد القلوية

صيغة تحضير محلول الأمونيا الأمونيومي

يُعتبر التحضير الدقيق للمحلول الكيميائي أمرًا بالغ الأهمية للحصول على تفاعل دقيق مع غاز الأكسجين. يجب أن يتكوّن هذا المحلول من مزيج من كلوريد الأمونيوم وهيدروكسيد الأمونيوم في ماء مقطر.

المواد الأولية المطلوبة

خطوات التحضير

1. قم أولاً بإذابة كلوريد الأمونيوم بالكامل في الماء المقطر مع التحريك المستمر.
2. بعد الذوبان الكامل، أضف هيدروكسيد الأمونيوم ببطء، نقطة بنقطة، إلى المحلول حتى يتكوّن محلول أمونياكي مشبع.
3. احفظ المحلول النهائي في وعاء زجاجي معتم ومغلق بإحكام.
4. ملاحظة مهمة: إذا أصبح لون المحلول داكنًا (مزرق مائل إلى البنفسجي)، فهذا يدل على انخفاض فعاليته ويجب استبداله بمحلول طازج.

معلومة تقنية: يجب استخدام المحلول خلال ٧ إلى ١٠ أيام لضمان الحفاظ على جودته ونشاطه التفاعلي.

شرح مفصل للمعدات المستخدمة في الاختبار

يتطلب هذا الاختبار استخدام أربعة أوعية رئيسية بالإضافة إلى ملحقات معينة:

1. الوعاء A – خزان المحلول الأمونياكي

• يحتوي على المحلول المحضَّر مسبقًا
• يجب ملؤه حتى ¾ من حجمه
• يُوضَع في مستوى مرتفع نسبيًا لضمان تدفق السائل نحو باقي النظام

2. الوعاء B – البوريت المزود بصمام ثنائي الاتجاه

• يُدخل منه غاز الأكسجين إلى النظام
• يسمح الصمام بحقن حجم دقيق من الغاز (مثل 100 سم³)
• تُستخدم هذه الكمية كمرجع لحساب نقاء الغاز

3. الوعاء C – وعاء التفاعل المملوء بأسلاك نحاسية

• الوعاء الرئيسي للتفاعل الكيميائي
• يجب ملء الوعاء بأسلاك نحاسية ملفوفة بإحكام
• يجب أن يكون مغلقًا بإحكام وخاليًا من أي تسرب للهواء
• يُستخدم غطاء محكم لمنع تسرب الهواء أو دخول الشوائب

4. الوعاء D – وعاء قياس الحجم النهائي

• يُجمّع فيه الغاز المتبقي بعد التفاعل (الشوائب)
• يتم حساب نسبة النقاء اعتمادًا على حجم هذا الغاز

تحضير النظام قبل بدء التجربة

لضمان إجراء الاختبار بدقة، يجب تنفيذ التحضيرات التالية:

1. ضبط تدفق غاز الأكسجين

• يجب إدخال الأكسجين بضغط ثابت وحجم محدد
• يُستخدم منظّم ضغط دقيق لهذا الغرض

2. تركيب الأسلاك النحاسية في الوعاء C

• يجب أن تكون الأسلاك نظيفة وخالية من الصدأ
• يُملأ الوعاء بالكامل وتُغلق فتحته بإحكام
• يتم تفريغ الهواء الداخلي قبل إضافة المحلول

3. ملء النظام بالمحلول الأمونياكي

• يُملأ الوعاء A حتى ¾ ويوضع في ارتفاع مناسب
• يُملأ البوريت (الوعاء B) بالمحلول أيضًا
• يُملأ الوعاء C ويوضع ضمن مسار التفاعل

4. التحقق من إحكام النظام (العزل الكامل)

• يجب أن يكون النظام بأكمله محكم الإغلاق 100%
• يُستخدم اختبار رغوة الصابون لاكتشاف أي تسرب
• أي تسرب، ولو بسيط، قد يؤدي إلى نتائج غير دقيقة

الخطوات العملية لإجراء التجربة

الخطوة 1: إدخال غاز الأكسجين في البوريت (B)

• افتح الصمام وادخل بالضبط 100 سم³ من الأكسجين
• تأكد من دقة الحجم المُدخل لضمان صحة الحسابات

الخطوة 2: نقل الغاز إلى الوعاء C

• افتح صمام البوريت ليمر الغاز إلى وعاء التفاعل
• يمكن رفع الوعاء A لخلق ضغط إيجابي يساعد في دفع الغاز

الخطوة 3: بدء التفاعل بين الأكسجين والنحاس

• يتفاعل الأكسجين مع النحاس في وسط أمونياكي لينتج مركبًا أزرقًا يُعرف بـ “أكسيد النحاس الأمونيومي”
• يبقى المركب داخل المحلول ولا يغادر النظام

الخطوة 4: الانتظار حتى اكتمال التفاعل

• اترك النظام لمدة 30 دقيقة لتتم التفاعلات بشكل كامل
• خلال هذا الوقت، يتم امتصاص الأكسجين تدريجيًا

تحديد حجم الشوائب وحساب النقاء النهائي

بعد مرور 30 دقيقة:

الخطوة 5: إعادة فتح صمام البوريت وتفريغ الغاز المتبقي

• يُعاد ربط الوعاء B مع C
• يعود الغاز المتبقي (الشوائب) إلى البوريت

الخطوة 6: قياس حجم الغاز المتبقي

مثال:

• أُدخل 100 سم³
• تم امتصاص 97 سم³
• تبقّى 3 سم³ ← هذه هي نسبة الشوائب

إذا كان الغاز المتبقي أقل من 1 سم³، فهذا يعني نقاء أكثر من 99%

ملاحظات تحليلية مهمة

• كلما كان حجم الغاز المتبقي أقل، كان النقاء أعلى
• إذا تجاوزت الشوائب نسبة 5%، يصبح الغاز غير مناسب للاستخدام الطبي
• يجب أن تكون دقة القياس 0.1 سم³ أو أقل

أهمية العزل الكامل للنظام

أي تسرب خارجي يؤدي إلى زيادة الحجم المقاس ويؤثر على دقة النتيجة

لماذا العزل ضروري؟

• هواء الغرفة يحتوي على نيتروجين وثاني أكسيد الكربون وبخار الماء
• هذه الغازات لا تتفاعل وتبقى ضمن النظام، مما يزيد من حجم الغاز المتبقي

كيف تتحقق من العزل؟

• استخدام اختبار فقاعات الصابون
• اختبار النظام بالضغط أو الفراغ قبل بدء التجربة
• التأكد من إحكام غطاء الوعاء C تمامًا

نصائح لضمان نتائج متكررة ودقيقة

1. الحفاظ على درجة حرارة الغرفة ثابتة

• يُفضل إجراء الاختبار عند 20 إلى 25 درجة مئوية
• الحرارة تؤثر على حجم وضغط الغاز

2. استخدام محلول جديد ومعياري

• لا تستخدم المحلول بعد مرور 7 إلى 10 أيام
• تغير لونه إلى الأزرق الداكن أو البنفسجي يدل على فقدان الفعالية

3. استخدام أسلاك نحاسية بالمواصفات الصحيحة

• السطح التفاعلي للنحاس مهم جدًا
• يجب ملء الوعاء C بالكامل بأسلاك ملفوفة نظيفة

4. تنفيذ خطوات الاختبار بتزامن دقيق

• أي تأخير يؤثر على النتائج
• استخدم مؤقت دقيق لضبط زمن التفاعل

مواصفات الأسلاك النحاسية المثالية

جودة المحلول وتأثيره على نتائج التفاعل

كيف تتعرف على محلول جيد؟

• لونه أزرق فاتح وواضح
• له رائحة أمونيا قوية
• غير داكن أو معكّر

طرق حفظ المحلول

• في وعاء غير شفاف ومغلق بإحكام
• يُحفظ في درجة حرارة الغرفة وبعيدًا عن الضوء
• لا يُعاد استخدام المحلول المستخدم مسبقًا

مقارنة بين الطريقة الكيميائية والمحلل الرقمي

في الحالات التي لا يتوفر فيها محلل رقمي، تُعد هذه الطريقة خيارًا اقتصاديًا وموثوقًا ومُعتمدًا.

تطبيقات صناعية وطبية لدى شركة بارسياغاز

1. مراقبة الجودة قبل تعبئة الأسطوانات

• التحقق من نقاء مصدر الغاز
• منع التلوث (N₂، CO، CO₂)
• الالتزام بمعايير وزارة الصحة

2. إجراء الاختبارات في مواقع العملاء

• توفير الثقة للعملاء
• تقليل الشكاوى وعمليات الإرجاع
• يمكن تقديم النتيجة كـ شهادة جودة مرفقة بالفاتورة

3. المراقبة الدورية للأسطوانات المخزنة

• الكشف عن تراجع النقاء بسبب التسرب أو التآكل
• الوقاية من الأخطار عند الاستخدام
• تقييم نظام التعبئة والتخزين

الخلاصة: كيف تسهم هذه الطريقة في تعزيز الأمان والجودة

يُعتبر قياس نقاء الأكسجين خطوة أساسية لضمان السلامة والجودة والفعالية في جميع الصناعات المرتبطة بهذا الغاز الحيوي.
رغم بساطتها، توفّر طريقة النحاس–الأمونيا:

• دقة عالية ونتائج موثوقة
• تكلفة منخفضة وسهولة في التنفيذ
• التوافق مع معايير السلامة الطبية والصناعية

من خلال دمج هذه الطريقة مع التقنيات الحديثة، تضمن بارسياغاز أعلى مستويات النقاء والأمان في غازاتها المُوردة.

الأسئلة الشائعة

1. لماذا يُستخدم النحاس في هذا الاختبار؟
لأن النحاس يتفاعل مع الأكسجين في وسط أمونياكي ويُكوّن مركبات مستقرة، مما يمتص الأكسجين من العينة ويُبرز الشوائب.

2. هل يمكن استخدام المحلول الداكن؟
لا، لأن تغيّر اللون يدل على فقدان الفعالية. يُفضل تحضير محلول جديد.

3. هل يمكن استخدام هذه الطريقة مع غازات أخرى؟
لا، فهي مصممة خصيصًا لغاز الأكسجين. يجب استخدام طرق مختلفة لغازات أخرى.

4. ما الفرق بين هذه الطريقة والمحللات الرقمية؟
الطريقة الكيميائية أرخص وأسهل، لكن أبطأ وتتطلب خبرة يدوية. المحلل الرقمي أسرع وأدق لكنه مكلف.

5. هل تُجري بارسياغاز هذا الاختبار لعملائها؟
نعم، تقدم الشركة خدمات تحليل النقاء، وفحص التسرب، وتحليل الغازات، وإصدار شهادات الجودة للعملاء الصناعيين والطبيين والمنزليين.