به ادامه مطلب مراجعه کنید
مهندسی پلیمر
گزارش کار آزمایشگاه شیمی فیزیک
عنوان: تعیین سرعت واكنش
هدف آزمایش: اثر غلظت برسرعت واكنش
وسایل مورد نیاز:
ارلن ، پی پت ، پی ست ، کرنومتر ، پی ست
مواد مورد نیاز:
محلول پتاسیم یدات0.02M ، محلول سولفیت سدیم
تئوری:
سینتیک شیمیایی:
سینتیک شیمیایی یا سینتیک واکنش شاخهای از علم است که به مطالعهی سرعت فرآیندهای شیمیایی و عوامل موثر بر آنها میپردازد.
سرعت واکنش :
عبارت از تغییر غلظت هر یک از مواد اولیه یا مواد حاصل نسبت به زمان انجام واکنش است
1- اندازه گیری سرعت واکنش بین ید و استون:
2- بررسی بعضی از عوامل مؤثر بر سرعت واکنشهای شیمیایی: مانند غلظت و کاتالیزور
سرعت واکنش؟
کمیتی مثبت است که میزان تغییر غلظت یکی از واکنش دهنده ها یا محصول واکنش را نسبت به واحد زمان (ثانیه، دقیقه، ساعت و ... ) نشان می دهد.
عوامل مؤثر بر سرعت واکنش:
1- نوع واکنش دهنده
2- غلظت واکنش دهنده ( با افزایش غلظت، سرعت افزایش می یابد )
3- دما (افزایش دما باعث افزایش سرعت می شود ،گاهی با افزایش 10 درجه، سرعت 2 تا 3 برابر می شود ) دما روی k تاثیر دارد ، روی سرعت هم تاثیر می گذارد.
K= ثابت سرعت ؛ A= فاکتور فرکانس؛ = انرژی فعالسازی
R= ثابت جهانی گازها؛ T= دما ( کلوین )
4-کاتالیزور ( در وجود کاتالیزور واکنش با سرعت بیشتری انجام می گیرد )
مثالهایی از واکنش های فوق سریع :
تشکیل رسوب نقره کلرید به هنگام مخلوط شدن محلولهای حاوی یون های کلرید و نقره
تشکیل آب به محض مخلوط شدن محلول های اسید و باز در معادله ی شماره ی(2) و نشانه ی غلظت مولی واکنش دهنده های A و B است.
K ثابت سرعت واکنش (rate constant ) نامیده می شود.
m و n مرتبه ی واکنش نسبت به واکنش دهنده های A و B است.
انرژی فعالسازی واکنش :
حداقل انرژی لازم برای فراهم کردن کمترین تحرک واکنش دهنده ها در شروع واکنش است. رابطه ی بین K ( ثابت سرعت ) ، ( انرژی فعالسازی ) و T ( دما به
درجه ی کلوین ):
(3)اگر R ( ثابت گازها ) را برابر 8.314
J/mol .k در معادله ی (3) قرار دهیم، بر حسب J/mol محاسبه خواهد شد. در عمل با اندازه گیری k یک واکنش در دماهای مختلف می توان آن واکنش را از روی منحنی به دست آورد.
در این آزمایش سرعت واکنش بین ید و استون ( واکنش 1 ) را اندازه گیری می کنیم. سرعت این واکنش علاوه بر غلظت ید و استون به غلظت یون هیدروژن نیز بستگی دارد. بر طبق معادله ی (2) رابطه ی سرعت برای این واکنش عبارت است از :
m و n و p مرتبه ی واکنش نسبت به استون، ید و یون هیدروژن است.
مرتبه ی کل واکنش = m + n + p
سرعت این واکنش از تغییرات غلظت به مدت زمان تغییر غلظت به دست می آید.
اگر t زمان لازم باشد تا رنگ محلول مربوط به غلظت اولیه ناپدید شود، سرعت واکنش با استفاده از معادله ی (5) برابر خواهد شد با :
غلظت اولیه ی ید است.
می توان سرعت واکنش را با تغییر دادن غلظت موارد اولیه تغییر داد.
برای مثال اگر غلظت اولیه ی استون را نسبت به مخلوط شماره ی (I) دو برابر کنیم، اما غلظت ید و را ثابت نگهداریم، معادله ی سرعت برای مخلوط شماره ی (II) تغییر خواهد کرد. معادله ی (7ب ) معادله ی سرعت را برای مخلوط شماره ی (II) نشان می دهد :
تاثیر سرعت روی غلظت با استفاده از روابط ریاضی:
از تقسیم دو رابطه ی (7) بر یکدیگر می توان m ( مرتبه ی واکنش نسبت به استون ) را بدست آورد :
با اندازه گیری سرعت واکنش در مخلوط های (I) و (II) می توان نسبت سرعت ها را که مساوی است پیدا کنیم. سپس معادله را برای محاسبه ی m از طریق لگاریتم حل می کنیم. اگر نسبت عددی را برابر Y فرض کنیم، جواب آن بدین شکل است :
به روش مشابه نیز می توانیم مرتبه ی واکنش را نسبت به غلظت یون و تعیین کنیم. سپس با داشتن مرتبه ی هر واکنش دهنده، غلظت آنها و سرعت واکنش و K را بدست آوریم.
روش کار :
ابتدا درهرمرحله مقدارپتاسیم یدات وآب مقطر رادرارلن بریزید،سپس بااضافه کردن مقدار سولفیت سدیم(نشاسته)کرنومترراآغاز وباکدر شدن محلول(نشانه پایان واکنش)کرنومتررامتوقف وزمان رایادداشت کنید.این کاررابرای مراحل با غتظت های متفاوت پتاسیم یدات انجام دهید ونتایج رایادداشت کنید.
جدول حاصل از آزمایش:
جدول حاصل از محاسبات:
lnCA/CA. CA/CA. K
(1/s)
R
(mol/m3.s) t
( s) CA.=.[KIO3]
(mol/Lit) CA=[KIO3]
(mol/Lit)
2.3- 0.1 0.016 0.013 143 0.02 0.002
1.89- 0.15 0.02 0.032 92 0.02 0.003
1.6- 0.2 0.022 0.057 70 0.02 0.004
0.91- 0.4 0.026 0.235 34 0.02 0.008
دوم مطلب
مدارهای سری و موازی
پرش به: ناوبری، جستجو
برای دیگر کاربردها، سری (ابهامزدایی) را ببینید.
مدار الکتریکی سری با منبع ولتاژ (مانند باتری) و ۳ مقاومت
اجزاء مدار الکتریکی میتواند به طرق مختلفی به هم متصل شوند. ساده ترین آنها اتصالاتسری و موازی هستند. در اتصال سری قطعات پشت سر هم در یک خطی قرار داده میشوند بگونهای که جریان عبوری از همه اجزای سازنده یکسان خواهد بود. در اتصال موازی ولتاژ اعمال شده به همه اجزای سازنده یکسان خواهد بود. مداری که همهٔ اجزای آن اتصال سری داشته باشند مدار سری و مداری که همهٔ اجزای آن با هم موازی باشند مدار موازی خوانده میشود.
در مدار سری جریا همهٔ اجزا یکسان است و مجموع ولتاژهای روی هر جزء با ولتاژ اعمالشده بر کل مدار برابر است. در مقابل در مدار موازی ولتاژ دو سر همهٔ اجزاء یکسان است و جریان کل مدار برابر مجموع جریان هر یک از اجزای مدار خواهد بود.
مدارهای سری
در مدارهای سری جریان یکسانی از همهٔ اجزای مدار میگذرد و تنها یک مسیر برای شارش جریان وجود دارد. در صورتی بازشدن یا شکستن مدار در هر نقطه، کل مدار «باز» میشود و از کار میافتد.
جریان
در مدار سری جریان همهٔ اجزای مدار برابر است:
مقاومتها
نموداری از چند مقاومت که به صورت سر به سر به هم متصل هستند و جریان عبوری از همهشان یکسان است.
مقاومت معادل تعدادی مقاومت سری برابر مجموع مقاومتهای آنها خواهد بود:
با توجه به رابطهٔ متقابل مقاومت الکتریکی و رسانایی الکتریکی، رسانایی کل یک مدار تماممقاومتی به صورت زیر محاسبه میشود:
.
برای حالت خاصی که تنها دو مقاومت با هم سری شده باشند رسانایی به صورت زیر محاسبه میشود:
سلفها
نموداری از چند سلف با اتصال سر به سر که جریان گذرنده از همگیشان یکسان است.
در القاگرها یا سلفها، القاوری معادل چند سلف سری جفتنشده برابر مجموع اندوکتانس هر یک از آنهاست:
با این وجود در بسیاری از مدارها سلفهای مجاور بر یکدیگر تأثیر میگذارند زیرا میدان مغناطیسی هر یک میتواند بر سیمپیچ دیگری تأثیرگذار باشد. این تأثیر متقابل را با اندوکتانس متقابل M نمایش میدهند. برای مدارهای دارای چندین سلف، اندوکتانس معادل برابر خواهد بود با مجموع اندوکتانسهای متقابل بین سیمپیچهای مختلف بعلاوهٔ اندوکتانس متقابل هر سیمپیچ با خودش که به آن خودالقاوری یا به صورت سادهتر القاوری میگوییم. برای نمونه، برای سه سیمپیچ، شش القاوری متقابل ، ، و ، و به همراه سه خودالقاوری ، و وجود دارد. بنابراین:
با توجه به متقابل بودن القاوریها، = . فرمول بالا برای تعداد بیشتری سلف نیز قابل تعمیم است.
خازن
نموداری از اتصال سر به سر چند خازن که جریان یکسانی از همهٔ آنها میگذرد.
ظرفیت خازنی کل چند خازن سریشده برابر معکوس مجموع وارون ضربی ظرفیت خازنی هریک از آنهاست:
.
کلیدها
دو یا چند کلید که با هم سری شده باشند یک عطف منطقی تشکیل میدهند. مدار تنها در صورتی میتواند جریان را هدایت کند که همهٔ کلیدها بسته باشند. برای اطلاعات بیشتر دروازهٔ و را ببینید.
پیلها و باطریها
باتری مجموعهای از پیلهای الکتروشیمیایی است. ولتاژ معادل پیلهای سریشده برابر مجموع ولتاژ هر یک از آنهاست.
مدارهای موازی
در مدارهای موازی اجزای موازیشده دارای ولتاژ یکسانی در دو سر خود هستند و جریان کل با توجه به قانون جریان کیرشهف برابر مجموع جریانهای هر یک از اجزا است.
ولتاژ
در مدارهای موازی ولتاژ همهٔ اجزا یکسان است:
مقاومتها
نموداری از چند مقاومت موازیشده.
جریان هر مقاومت را میتوان با استفاده از قانون اهم به دست آورد. با فاکتور گرفتن از ولتاژ داریم:
.
مقاومت معادل مدار موازی برابر معکوس حاصلجمع وارون ضربی مقاومتها خواهد بود. در این حالت مقاومت معادل همیشه از کوچکترین مقاومت داخل مدار کمتر است.
.
برای حالتی که تنها دو مقاومت داشته باشیم:
گاهی برای به خاطر سپردن سادهتر، عبارت فوق را «حاصلضرب به روی حاصلجمع» میگویند.
تقسیم جریان بین اجزای مقاومتی با اندازهٔ مقاومتهای رابطهٔ معکوس دارد:
.
از انجایی که رسانایی وارون ضربی مقاومت است داریم:
.
سلفها
نموداری از چند سلف موازی.
القاوری معادل چند سلف موازیشده که القای متقابل ندارند از فرمول زیر به دست میآید:
.
اگر دو سلف موازی دارای القای متقابل M باشند آنگاه:
که اگر :
مثبت یا منفی بودن بستگی به چگونگی تأثیر سلفها بر یکدیگر دارد. اگر دو سیمپیچ یکسان به اندازهٔ کافی جفتشده باشند، M تقریباً با L برابر میشود و در نتیجه پلاریتهٔ سیمپیچها مخالف هم باشد القاوری معادل دو سیمپیچ موازی تقریباً صفر خواهد شد، و در غیر این صورت القاوری معادل برابر القاوری هر سیمپیچ به صورت جداگانه خواهد بود. با این وجود اگر سلفها برابر نباشند و سیمپیچها به خوبی با هم جفت شده باشند، امکان دارد هم برای Mهای مثبت و هم برای Mهای منفی شرایطی نظیر اتصالکوتاه با جریانهای چرخشی شدید به وجود آید که ممکن است مشکلساز شود.
اگر تعداد سلفها بیشتر باشد فرمول دچار پیچیدگیهای بیشتری میشود که در این موارد استفاده از روشهای ماتریسی سادهتر است. معادلات مربوطه به صورت زیر خواهند بود:
خازنها
نموداری از چند خازن موازی.
ظرفیت خازنی چند خازن موازی برابر مجموع ظرفیتهای خازنی هر یک از آنها خواهد بود:
.
کلیدها
دو یا چند کلید موازی تشکیل فصل منطقی میدهند. مدار در صورتی جریان خواهد داشت که دست کم یکی از کلیدها بسته باشد. برای اطلاعات بیشتر دروازه یا را ببینید.
پیلها و باطریها
اگر پیلهای یک باطری با هم موازی شوند، ولتاژ باطری با ولتاژ پیل برابر خواهد شد اما جریانی که توسط هر پیل تأمین میشود تنها کسری از جریان کل خواهد بود.
سه مطلب
آزمایش آمپرمتر و ولتمتر از آز فیزیک 2
موضوع آزمایش :
طراحی آمپرمتر و ولتمتر
مقدمه :
ساختن آمپرمتر توسط گالوانومتر و مقاومت به صورت شنت می باشد و می خواهیم آمپرمتری بسازیم که N برابر جریان قابل تحمل گالوانومتر را اندازه گیری کند و ساختن ولتمتری توسط گالوانومتر و مقاومت به صورت سری می باشد .
شرح آزمایش :
جریان گالوانومتر وقتی روی عدد 30 باشد یعنی 300 Aμ می باشد یعنی 0.3 mA می باشد ولی اگر بخواهیم بیشتر شود باید آن را موازی مقاومت متغیر وصل کنیم می خواهیم :
I = NIC
چون گالوانومتر موازی مقاومت RS می باشد پس :
VG = VS
هر چقدر جریان گالوانومتر نشان داد جریان خطی اصلی 10 برابر آن است و مقاومت کنترل را برای این می گذاریم که اگر ولتاژ 6 ولت در جریان کل قرار دهیم باعث سوختن مدار گالوانومتر و RS نشود .
I = IG + IS
NIG = IG + IS => IS = (N-1)IG
IGRG = ISRS
IGRG = (N-1) IGRS => RS = RG / (N-1)
به ازاء N=100 داریم :
RS = 100 / (10 -1) = 11 Ω
و حالا محاسبه کنترل جریان به ازاء اعمال ولتاژ 6 ولت منبع تغذیه داریم :
R = V / I = 6 / 3 = 2 K Ω
VAB = VG + Vm
=> NVG = VG + Vm
VAB = NVG
Vm = (N-1) VG
IG = Im => VG / RG = Vm / Rm => Rm = (N-1)RG
برای اندازه گیری ولتاژ 6 ولت داریم :
N = 6 / 30 = 200
و لذا مقاومت Rm برابر است با :
Rm = 199 *100 =200*100 = 20 kΩ
مطلب چهارم
رفراکتومتری |
موضوع : گزارشکار شیمی فیزیک2 نویسنده معین تاریخ ارسال دوشنبه 26 اردیبهشت1390 در ساعت 12:46
هدف:
به دست آوردن تغييرات ضريب شكست بر حسب درصدهاي گليسيرين و همچنين براي غلظت هاي مختلف گلوكز مي باشد.
مقدمه و تئوري:
ضریب شکست مانند دانسیته ، نقطه ذوب و نقطه جوش یکی از ثابت های فیزیکی کلاسیک است که می تواند جهت توصیف یک گونه شیمیایی بکار رود . در حالیکه ضریب شکست یک خاصیت غیرویژه است ، ولی تعداد کمی از اجسام هستند که در یک طول موج و دمای معین ، ضرایب شکست یکسانی دارند ، بنابراین این خاصیت جهت تائید هویت یک ترکیب و تعیین خلوص آن مفید است . همچنین اندازه گیری ضریب شکست همراه با دیگر اندازه گیریها اطلاعاتی در مورد ساختمان و وزن مولکولی اجسام بدست می دهد .
امروزه رفراکتومتر در صنعت کاربرد زیادی پیدا کرده است ، بطوریکه از این دستگاه برای تعیین غلظت کربوهیدراتها ، گوگرد در لاستیک ، سیلیسیوم در شیشه های سیلیکاتی ، تخمین درجه سیرناشدگی روغنهای نباتی و همچنین تعیین درصد کربن در ترکیبات آلی و نفتی بکار می رود .
معرفي دستگاه رفرکتومتر
هنگامی که پرتو نور از محیطی به محیط دیگر با غلظتی متفاوت وارد می شود، به علت تغییر سرعت عبور، مسیر آن منحرف میشود. این پدیده شکست نور "Refraction" نامیده می شود. در صورتیکه محيط دوم چگال تر از محيط اول باشد نور به خط عمود نزديکتر می شود. و در صورتی که غلظت کمتری داشته باشد از خط عمود بر سطح دور میشود. |
برای اهداف کاربردی به جای خلاء به عنوان مرجع از هوا استفاده می کنند چرا که ضریب شکست آن بسیار نزدیک به خلاء است.
ضریب شکست مانند نقطه ذوب از خواص فیزیکی مواد است. رفركتومتري به معنی تعيين ضريب شكست گازها، مایعات و جامدات نیمه شفاف، بهوسيله دستگاه رفركتومتر است. می توان از این مشخصه، برای شناسایی مواد یا ارزیابی خلوص آن استفاده کرد. با معین شدن ضريب شكست، علاوه بر شناسايي مواد مقدار آن را نیز می توان محاسبه کرد.
دستگاه رفرکتومتر کاربرد زیادی در صنایع گوناگون دارد. به عنوان مثال براي اندازهگيري غلظت نمك طعام در حوضچههاي پرورش ماهي مورد استفاده قرار ميگيرد. در صنایع غذایی نیز این دستگاه کاربرد بسیار زیادی دارد مثلا در کارخانه های قند برای تعیین بریکس محلول قند مورد استفاده قرار می گیرد. در پزشکی برای پی بردن به میزان اوره و پروتئین خون، میزان نمک موجود در آن و غلظت مایعات استفاده می شود و مهمترین کاربرد آن تعیین غلظت Urine در آزمایشگاه است.
اساس کار رفلکتومتر در تابش نور به شرط تکفام بودن آن و هدایت آن به سمت محلول مورد نظر و عبور آن است که چون این دو محیط با هم تفاوت دارند ، نور شکسته شده و با ضریب شکست محدود قابل دریافت است. میزان شکست نور مانند اثر انگشت برای محلولهای با غلظت یکسان و در دما فشار برابر منحصر به فرد است. درون رفرکتومتر خط نوری دیده می شود که با منشورها و لنزهای مختلف به وجود می آید. این خط نور با کمک عدسی سر دوربین توسط کاربر قابل مشاهده است. در دستگاه رفركتومتر نور از محيط رقيق وارد محیط غليظ مي شود. که محيط رقيق، مايع يا محلول موردنظر و محيط غليظ، منشور دستگاه است. در واقع، در عمل، ضريب شكست محلول و منشور نسبت به هم سنجيده مي شود.
دستگاه رفركتومتر از اجزاء و قسمتهاي زیر تشکیل شده است:
-1 دو منشور که یکی انتشار دهنده Diffusing prism و دیگری شكست دهنده Refracting prism است. نمونه مورد نظر بین این دو منشور قرار مي گيرد. نور مشخص وارد نمونه موردgوارد منشور انتشار دهنده شده و تجزيه مي شود، اين نور با آزمایش شده و سپس به منشور Refracting مي رود. (ورود نور از محيط رقيق به غليظ). قبل از هر بار ريختن محلول، منشورها كاملا تميز شده و با مقدار كمي از محلول موردنظر، شستشو داده مي شود. -2 دو لنز که یکی لنز تصوير و دیگری لنز n) ضريب شكست) است. -3 ترمومتر: جهت تنظیم و گزارش دما -4 پیچ هایی جهت تنظیم تصویر طراحی اولین نمونه از این دستگاه در اواخر دهه 1800 میلادی توسط ارنست آبه صورت گرفت. آن دستگاه شامل ترمومترهای توکار و حمام سیرکولاتورهای آب بودن که برای کنترل دمای دستگاه و مایعات استفاده می شد. پس از آن دستگاهها مجهز به میکروسکوپ نیز شدند. امروزه این دستگاه در چهار نوع موجود است: رفرکتومتر دستی آنالوگ، رفرکتومتر رومیزی، رفرکتومتر دستی دیجیتال و رفرکتومتر آنلاین. براي كاليبراسيون و تعيين ميزان خطاي دستگاه از مواد در دسترس مانند آب مقطر (3325/1 = n) استفاده مي كنيم. در برخی رفرکتومترها نور از بین لایه نازکی از نمونه مایع عبور می کند.
در ادامه به توضیح دو نسل قدیمی و جدید رفرکتومترها خواهیم پرداخت:
نسل اولیه رفرکتومترها
برای استفاده از این رفرکتومترها چند قطره از نمونه مورد نظر روی منشور قرار داده می شود. (در صورتی که این مقدار کم باشد دستیابی به نتیجه مطلوب سخت میشود و در صورت زیاد بودن ترشح مایع با اطراف منجر به آلودگی می شود) پس از محکم کردن منشور، لامپ مقابل آن قرار می گیرد. پس از شروع به کار کردن دستگاه می توان مقدار نوردهی عدسی ها را به کمک ناب موجود روی دستگاه تغییر داد. نتایج به صورت آنالوگ در این دستگاهها نشان داده می شود و باید همراه دما، به صورت دستی ثبت شود. پس از هر بار اندازه گیری باید دستگاه را برای تست بعدی تمیز کرد.
رفرکتومترهای نسل جدید
بخش اپتیک این مدل مشابه رفرکتومترهای قدیمی تر است، عملکرد آن نیز مشابه است. هنگام نمونه دهی باید به اندازه ای استفاده شود که کاملا منشور را بپوشاند اما نه بیشتر. برای تنظیم کانون عدسی باز هم از ناب روی دستگاه استفاده می کنیم تا زمانی که علامت ضربدر واضح شود. (اگر تیره تر بود پادساعتگرد و اگر روشن تر بود ساعتگرد) سپس با فشار دادن دگمه READ مقدار ضریب شکست بر LED جلوی دستگاه نمایان می شود. در مدل های جدید تر توسط ترمومتری دما نیز اندازه گیری شده و همراه نتایج به صورت دیجیتال ثبت میشود.
در استفاده مداوم از این دستگاه مهم ترین مساله تمیز کردن دقیق آن است. گرد و غبار و ذرات ریز بزرگترین دشمن دقت اندازه گیری است. برای پرهیز از ساییده شدن صفحه شیشه ای منشورها بهتر است برای پاک کردن از گوی پنبه ای استفاده نموده و به آرامی گرد و غبار را بزدایید. سپس آنرا با پنبه جدید و الکل شستشو دهید
وسايل و مواد مورد آزمايش:
دستگاه رفراكتومتر- پيپت و پوآر- بشر- آب مقطر- گلوكز- گليسيرين-
شرح انجام آزمايش:
در ابتدا ما به محلول هايي از گليسيرين با غلظت هاي 20% و 30% و 40% و 50% و 60% نياز داريم. وقتي كه اين محلول ها را تهيه كرديم يك قطر از هر كدام را بر مي داريم و روي شيشه قسمت جلو دستگاه رفراكتومتر مريزيم و در آن را مي بنديم و آن را جلوي نور قرار مي دهيم. هر جايي كه انحنايي از نور مشاهده كرديم آن را يادداشت مي كنيم. در ادامه همين كار را براي نمونه مجهولمان انجام مي دهيم.بعد دو بشر تميز بر مي داريم. داخل يكي از بشرها 1گرم و در داخل بشر ديگر 2 گرم گلوكز مي ريزيم و داخل آن كمي آب مقطر مي ريزيم تا گلوكز ما حل شود. بعد آنها را به حجم مي رسانيم. و داخل دستگاه از هر كدام يك قطره مي ريزيم و عدد مورد نظر را يادداشت مي كنيم. در ادامه تغييرات ضريب شكست را بر حسب در صدهاي گليسيرين رسم مي كنيم.
داده هاي بدست آمده:
نتيجه گيري آزمايش:
از اين آزمايش نتيجه مي گيريم كه محلول ها با غلظت هاي مختلف ضريب شكست نوري متفاوتي را از خود نشان مي دهند. و اينكه هر چه غلظت مواد داخل محلول بيشتر باشد شكست نور نيز بيشتر خواهد بود. |
|
مطلب بعدیییی
شیمی کاربردی
(شیمی آلی،شیمی تجزیه،شیمی معدنی،شیمی فیزیک)
گزارش کار انرژی آزاد گیبس
مقدمه:
انحلال و گرمای انحلال:
میزان انحلال پذیری یک ماده حل شونده در یک حلال به طور قابل توجهی به ماهیت و قدرت نیروهای جاذبه بین ذرات حل شونده - حل شونده، حلال - حلال و حل شده - حلال بستگی دارد. بیشترین انحلال وقتی مشاهده میشود که این نیروها همانند باشند، یعنی نخستین قاعده انحلال پذیری این است که «نظیر در نظیر حل میشود.» به طور کلی، مواد قطبی فقط در حلالهای قطبی و مواد ناقطبی فقط در حلالهای ناقطبی حل میشوند. یعنی مواد ناقطبی و مواد قطبی معمولا امتزاج ناپذیرند.
آزمایش تعیین هدایت اسید کلرید و پتاسیم کلرید
وسایل مورد نیاز :
بشر کوچک 2 عدد، بشر بزرگ 3 عدد ، بالن 250 دوعدد ، بالن 100 عدد ، ترمومتر ، مزور ، پیپت
مواد مورد نیاز :
پودر جامد پتاسیم کلراید ، محلول غلیظ اسید کلریدریک
*********************************
محلولسازی :
می خواهیم 250cc محلول یک مولار HCL و 250 cc محلول kcl یک مولار بسازیم از اسید کلریدریک محلول غلیظ آن را در اختیار داریم با دانسیته و درصد خلوص معلوم و از پتاسیم کلراید پودر آن را در اختیار داریم به روش خطی برای اسید کلرید ریک میلی لیتر مورد نیاز از محلول غلیظ برای ساختن محلولی با غلظت یک را برای حجم 250 cc بدست می آوریم
تعیین جرم مولکولی از طریق کاهش نقطه انجماد (قانون رائول)
تعیین جرم مولکولی از طریق کاهش نقطه انجماد (قانون رائول)
موضوع آزمایش: تعیین جرم مولکولی از طریق کاهش نقطه انجماد
هدف آزمایش: آشنایی با نزول نقطه انجماد و چگونگی تأثیر مواد غیرالکترولیت بر آن وتعیین جرم مولکولی اجسام با استفاده از میزان کاهش نقطه انجماد.
تئوری آزمایش:
خواص کولیگاتیو:
برخی از خواص محلولها به جای ماهیت محلول ، به غلظت ذرات ماده حل شده بستگی دارد. این خواص را خواص کولیگاتیو مینامند. برای محلولهایی که شامل ماده حل شده غیر فرار هستند، این خواص عبارتند از: کاهش فشار بخار ، نزول نقطه انجماد ، صعود نقطه جوش و فشار اسمزی.
همه ما با خواص کولیگاتیو محلولها در زندگی روزمره سرو کار داریم، بدون این که اصطلاح علمی آن را بدانیم و یا علت وقوع چنین پدیدههایی را بتوانیم توضیح دهیم. بهعنوان مثال ، در تهیه مربا و شربت به صورت علمی تجربه کردهایم که محلول آب و شکر دیرتر از آب خالص میجوشد یا محلول آب و نمک و آب و شکر در دماهای پایینتر از دمایی که آب خالص یخ میبندد، منجمد میشوند. وقتی در رادیاتور ماشین برای جلوگیری از انجماد آب ، ضد یخ اضافه میکنیم، از پدیده نزول نقطه انجماد استفاده کردهایم.
پدیده اسمز در بسیاری از فرآیندهای زیستی نقش اساسی دارد. مواد غذایی و زائد با عمل اسمز از میان دیواره سلولهای بافتهای حیوانی عبور داده میشوند. سلولهای خونی در محلولهای غلیظ ، آب از دست داده ، چروکیده میشوند. به همین دلیل ، باید محلولهای غذایی تزریقی به داخل سیاهرگ ، باید دقیقا طوری تنظیم شود که فشار اسمزی خون (در حدود 7.7 اتمسفر) برابر باشد.
دیواره سلولهای گیاهی و جانوری بهعنوان غشاهای نیمهتراوا عمل میکنند و در محلولهای قندی و نمکی ، آب از دست داده ، چروکیده میشوند. در زیر برخی از خواص کولیگاتیو را بررسی میکنیم.
کاهش فشار بخار
فشار بخار تعادل حلال بالای یک محلول کمتر از حلال خالص است. به تجربه دیده شده است که محلولهای آبی غلیظی مانند آب قند ، آهستهتر از آب خالص تبخیر میشوند و این نشاندهنده کاهش فشار بخار آب بر اثر وجود ماده حل شده است. اگر غلظت ماده حل شده به حد کافی زیاد باشد، بخار موجود در اتمسفر ، مایع شده ، بعد از ورود به محلول ، آن را رقیق خواهد کرد. بررسی میزان کاهش فشار بخار نشان میدهد که این کاهش ، یک خاصیت کولیگاتیو حقیقی است و مستقیما به غلظت ماده حل شده بستگی دارد و مستقل از ماهیت مولکولهای حل شده است.
رابطه بین فشار بخار حلال و غلظت را میتوان به این صورت بیان کرد:
P˚1 - P1 = X2 P˚1
کمیت P˚1 - P1 ، اختلاف بین فشار بخار حلال در مایع خالص و در محلول است و همان ، کاهش فشار بخار خواهد بود. بنابراین:
(VPL =X˚2P1 ) کاهش فشار بخار
در این معادلات P1 فشار بخار حلال روی محلول ، X1 کسر مولی حلال در محلول و P˚1 فشار بخار حلال خالص در همان دما ، X2 جزء مولی ماده حل شده.
صعود نقطه جوش
محلولی از ماده حل شده غیر فرار همواره در دمای بالاتر از نقطه جوش حلال میجوشد. در محلولهایی که رقیق هستند، صعود نقطه جوش مستقیما به غلظت ماده حل شده بستگی دارد. صعود نقطه جوش محلولهایی را که مواد حل شده آنها غیر فرار هستند، میتوان بر حسب کاهش فشار بخار توجیه کرد. چون محلول مذبور در هر دمایی فشار بخاری کمتر از فشار بخار حلال خالص دارد، محلول مذبور باید برای جوش آمدن به دمای بالاتری برسد، یعنی رسیدن به این دما قبل از این که فشار بخار محلول برابر با فشار بیرون باشد، صورت گیرد. صعود نقطه جوش در یک محلول را از رابطه زیر بدست میآورند:
Tb = Kb X m∆
در این معادله Tb∆ صعود نقطه جوش بر حسب درجه سیلسیوس ، m مولالیته و Kb ثابت مربوط به حلال مورد نظر است. Kb برای آب 0.52 درجه میباشد. یعنی نقطه جوش یک مولال آبی ماده حل شده غیر فرار (قند و اوره ...) 0.52 بیشتر از نقطه جوش آب است.
نزول نقطه انجماد
محلولهای شامل مقدار کمی از ماده حل شده در دماهای پایینتر از حلال خالص منجمد یا ذوب میشوند. شیمیدانها از این روش برای بررسی خلوص جامداتی که در آزمایشگاه تهیه کردهاند، استفاده میکنند. با مقایسه نقطه ذوب نمونه تهیه شده با نمونه خالص ، میزان ناخالصی موجود در نمونه را حدس میزنند.
نزول نقطه انجماد هم مانند صعود نقطه جوش ، نتیجه مستقیم کاهش فشار بخار حلال بر اثر حضور ماده حل شده است. نقطه انجماد یک محلول دمایی است که در این دما فشار بخار حلال موجود در محلول مانند فشار بخار حلال جامد خالص است. این موضوع نشان میدهد که هنگام انجماد محلول ، حلال خالص (مثل یخ) جدا خواهد شد و در عمل هم این اتفاق میافتد. نزول نقطه انجماد هم متناسب با غلظت ماده حل شده است و از این رابطه بدست میآید:
Tf = Kf X m∆
در این معادله Tf∆ صعود نقطه جوش بر حسب درجه سیلسیوس ، m غلظت مولال و Kf ثابت مربوط به حلال مورد نظر است.
فشار اسمزی
اگر دو ظرف که یکی حاوی آب خالص و دیگری یک محلول آبی قند باشد، در یک محفظه قرار داده شوند، با گذشت زمان ، سطح مایع در بشر شامل محلول بالا میرود، در حالیکه سطح آب خالص پایین میآید. در نتیجه ، در اثر تبخیر و میعان ، همه آب به محلول منتقل میشود. این اثر ناشی از اختلاف فشار بخار آب در دو بشر است که آب خود به خود از ناحیهای که فشار بخارش بالاست، به نقطهای که فشار بخارش پایین است، منتقل میشود. هوای داخل محفظه نسبت به مولکولهای آب تراوا میباشد.
غشاهایی وجود دارد که نسبت به مولکولهای حلال (مثل آب) تراوا هستند. اما مانع عبور مولکولهای ماده حل شده میشوند. فرآیندی را که طی آن ، فقط حلال از غشای تراوا نفوذ میکند، اسمز معکوس مینامند. با اعمال فشار بر محلول ، میتوان مانع عبور مولکولهای آب از درون غشا به محلول مزبور شد. مقدار فشار برونی که بتواند مانع عمل اسمزی شود، به نام فشار اسمزی محلول معروف است. فشار اسمزی یک محلول رقیق ، یکی از خواص کولیگاتیو میباشد، زیرا با غلظت ماده حل شده نسبت مستقیم دارد و مستقل از ماهیت ماده حل شده است. فشار اسمزی از رابطه زیر حساب میشود:
π = MRT
در این معادله ، π فشار اسمزی بر حسب اتمسفر ، M مولاریته ، R ثابت جهانی گازها (0.0821Lit.atm/mol˚K) و T دما بر حسب کلوین میباشد. چون M = n/V که در آن n تعداد مولها و V حجم هستند، بنابراین πV = nRT .
فشار بخار:
فشار هر بخار در حالت تعادل با مایع خود در دمای معین را فشار بخار تعادل آن مایع مینامیم
حالت تعادل
اگر مایعی در یک ظرف سربسته بخار شود، مولکولهای بخار نمیتوانند از نزدیکی مایع دور شوند و تعدادی از مولکولهای بخار ضمن حرکت نامنظم خود ، به فاز مایع بر میگردند. این فرآیند را برای آب میتوان با پیکان دوگانه نشان داد:
(H2O(l)→H2O(g
سرعت برگشت مولکولهای بخار به فاز مایع ، به غلظت مولکولها در بخار بستگی دارد. هر چه تعداد مولکولها در حجم معینی از بخار باشد، تعداد مولکولهایی که به سطح مایع برخورد کرده ، مجددا گیر میافتند، بیشتر خواهد بود. در آغاز ، چون تعداد کمی مولکول در بخار وجود دارد، سرعت بازگشت مولکولها از بخار به مایع کم است. ولی ادامه تبخیر ، موجب افزایش غلظت مولکولها در بخار میشود و در نتیجه ، سرعت تراکم افزایش مییابد.
سرانجام ، سیستم به حالتی میرسد که در آن حالت ، سرعت تراکم و تبخیر برابر میشود. حالتی که در آن ، سرعتهای دو تمایل مخالف ( تبخیر و تراکم ) با هم برابر میشوند، حالت تعادل نامیده میشود.
وضعیت مولکولها در حالت تعادل
در حالت تعادل ، غلظت مولکولها در فاز بخار ثابت است، زیرا مولکولها با همان سرعتی که بر اثر تراکم ( میعان ) از فاز بخار خارج میشوند، بر اثر تبخیر در این فاز وارد میشوند. به همین منوال ، مقدار مایع نیز در حالت تعادل ثابت است، زیرا مولکولها با همان سرعتی که به مایع برمیگردند، بر اثر تبخیر آن را ترک میکنند.
باید توجه داشت که حالت تعادل ، دال بر این نیست که هیچ حادثه ای رخ نمیدهد؛ در هر سیستمی ، ثابت ماندن تعداد مولکولها در هر یک از دو فاز مایع و بخار نه بهعلت متوقف شدن تبخیر و تراکم ، بلکه به علت برابری این دو تغییر متقابل است.
فشار بخار و حالت تعادل
چون در حالت تعادل ، غلظت مولکولها در فاز بخار ثابت است، فشار بخار نیز ثابت است. فشار هر بخار در حالت تعادل با مایع خود در دمای معین را فشار بخار تعادل آن مایع مینامیم. فشار بخار هر مایع ، تابع دماست و با افزایش آن زیاد میشود. افزایش دما با افزایش فشار بخار همراه است. فشار بخار در دمای بحرانی است. بالاتر از دمای بحرانی تنها یک فاز میتواند وجود داشته باشد، یعنی فازهای گاز و مایع متمایز از یکدیگر نیستند.
فشار بخار و نیروهای جاذبه بین مولکولی
مقدار فشار بخار یک مایع ، معیاری از قدرت نیروهای جاذبه بین مولکولی آن مایع را بدست میدهد. مایعاتی که نیروهای جاذبه قوی دارند، فشار بخار آنها کم است. در ˚ 20 سانتیگراد ، فشار بخار آب ، اتیل الکل و دی اتیل اتر به ترتیب 0.023 atm 0,058 ، atm و 0.582 atm است. از این رو ، نیروهای جاذبه در آب قویترین و در دیاتیل اتر ضعیفترین است.
فشار اسمزی:
برخی از محلولها که دارای مواد حل شده غیرفرار هستند، میتوانند در عبور از غشایی که نسبت به یکی از مواد تشکیل دهنده محلول تراوا است، تغییر غلظت دهند. این پدیده که تحت خاصیتی به نام فشار اسمزی ایجاد میشود، به پدیده اسمز معروف است.
دید کلی
بعضی از خواص محلولها اساسا به غلظت ذرات حل شده ، نه به ماهیت این ذرات ، بستگی دارد. این خواص را خواص غلظتی (Colligative) مینامند. یکی از این خواص ، برای محلولهای دارای مواد حل شده غیر فرار ، عبارت از «فشار اسمزی» است. عامل ایجاد فشار اسمزی ، ذرات و حرکات جسم حل شونده است.
ماهیت فشار اسمزی
غشایی مانند سلوفان که برخی از مولکولها ، نه همه آنها ، را از خود عبور میدهد، غشای نیمه تراوا نامیده میشود. غشایی را در نظر میگیریم که بین آب خالص و محلول قند قرار گرفته است. این غشا نسبت به آب ، تراوا است، ولی «ساکارز» (قند نیشکر) را از خود عبور نمیدهد. در شروع آزمایش ارتفاع آب در بازوی چپ لوله U شکل برابر با ارتفاع محلول قند در بازوی راست این لوله است. از این غشا ، محلولهای قند نمیتوانند عبور کنند، ولی مولکولهای آب در هر دو جهت میتوانند عبور کنند.
در بازوی چپ لوله فوق (بازویی که محتوی آب خالص است)، تعداد مولکولهای آب در واحد حجم بیش از تعداد آنها در بازوی راست است. از اینرو ، سرعت عبور مولکولهای آب از سمت چپ غشا به سمت راست آن بیشتر از سرعت عبور آنها در جهت مخالف است. در نتیجه ، تعداد مولکولهای آب در سمت راست غشا بتدریج زیاد میشود و محلول قند رقیقتر میگردد و ارتفاع محلول در بازوی راست لوله U زیاد میشود. این فرایند را اسمز مینامند.
اختلاف ارتفاع در سطح مایع در دو بازوی لوله U ، اندازه فشار اسمزی را نشان میدهد. بر اثر افزایش فشار هیدروستاتیکی در بازوی راست که از افزایش مقدار محلول در این بازو ناشی میشود، مولکولهای آب از سمت راست غشا به سمت جپ آن رانده میشوند تا اینکه سرانجام سرعت عبور از سمت راست با سرعت عبور از سمت چپ برابر گردد. بنابراین حالت نهایی یک حالت تعادلی است که در آن ، سرعت عبور مولکولهای آب از غشا در دو جهت برابر است.
اسمز معکوس
اگر بر محلول بازوی سمت راست ، فشاری بیش از فشار تعادلی وارد شود، آب در جهت مخالف معمول رانده میشود. این فرایند که «اسمز معکوس» نامیده میشود، برای تهیه آب خالص از آب نمکدار بکار میرود.
تشابه اسمز و نفوذ
بین رفتار مولکولهای آب در فرایند اسمز و رفتار مولکولهای گاز در فرایند نفوذ ، تشابهی وجود دارد. در هر دو فرایند ، مولکولها از ناحیه غلیظتر به ناحیه رقیقتر نفوذ میکنند.
معادله وانت هوف
یاکوب وانت هوف در سال 1887 رابطه زیر را کشف کرد:
Πv=nRT
که این رابطه برای محلولهای ایدهآل میباشد. در این رابطه ، π فشار اسمزی (برحسب اتمسفر) ، n تعداد مولکولهای ماده حل شده در حجم V (برحسب لیتر) ،T دمای مطلق و R ثابت گازها (0،08206L.atm/K.mol) است. تشابه بین این معادله و معادله حالت یک گاز ایدهآل ، کاملا مشخص است. این رابطه را میتوان به صورت زیر نوشت:
Π= MBRT
که در آن M__ مولاریته محلول است. وانت هوف به خاطر این کشف ، جایزه نوبل شیمی سال 1901 را از آن خود کرد.
نقش فرایند اسمز در پدیدههای طبیعی
اسمز در فرایندهای فیزیولوژیکی گیاهی و حیوانی نقش مهمی دارد. عبور مواد از غشای نیمه تراوای سلول زنده ، کار کلیهها و بالا رفتن شیره گیاهی در درختان ، مهمترین نمونههای اسمز است. غشای گلبولهای قرمز از نوع نیمه تراوا است. اگر گلبولهای قرمز در آب خالص قرار گیرند، آب به درون آن نفوذ کرده و مایعات آن را رقیق میکند.
در نتیجه گلبول متراکم شده و جدار آن پاره میشود و اگر گلبول قرمز در محلول غلیظ قند قرار گیرند، آب درون گلبولها از غشای آنها عبور کرده و محلول اطراف آن را رقیق میکند. در نتیجه ، گلبولها چروکیده میشوند. به منظور ممانعت از وقوع هر یک از این حوادث در تزریقات وریدی ، محلولهای مورد استفاده باید ایزوتونیک با خون باشد، یعنی فشار اسمزی این محلولها باید برابر با فشار اسمزی خون باشد.
شرح آزمایش:
لوله آزمایشی را برداشته و آن را با آب مقطر شست وشو می دهیم . سپس در آن چند سی سی استون می ریزیم و لوله آزمایش را به صورت وارونه در جا لوله ای می گذاریم تا آب مقطر درون لوله آزمایش بخار گردد .پس از بخار شدن آب درون لوله آزمایش gr5 نفتالین را در لوله آزمایش ریخته و لوله آزمایش را به پایه متصل می کنیم سپس بشری را برداشته آن را بر روی سه پایه و توری نسوز گذاشته ، لوله آزمایش را که به توری متصل است طوری در آن قرار می دهیم که ته لوله آزمایش به کف بشر نچسبد . سپس آن قدر آب درون بشر می ریزیم که سطح آب درون بشر از سطح نفتالین درون لوله آزمایش بالاتر بیاید .
چراغ بنزن را روشن کرده ، آن را زیر سه پایه می گذاریم تا آب شروع به گرم شدن کند . دماسنجی را نیز درون لوله آزمایش گذاشته تا دما را به ما نشان دهد . آن قدر آب را حرارت می دهیم تا نفتالین درون لوله آزمایش ذوب گردد .
مشاهده کردیم که در دمای 85 درجه سانتی گراد نفتالین شروع به ذوب شدن کرد. بنابراین نقطه ذوب نفتالین 85 درجه سانتی گراد می باشد. حال لوله آزمایش را از بشر خارج کرده ، صبر می کنیم که نفتالین شروع به انجماد کند. درضمن در حین سرد کردن، نفتالین ذوب شده را به وسیله دماسنجی که در لوله آزمایش قرار داشت ، به هم می زنیم تا نفتالین زود تر سرد شود و همچنین دما سنج در نفتالین گیر نکند.
مشاهده کردیم که در دمای 75 درجه سانتی گراد تشکیل بلور شروع شد.بنابراین دمای انجماد نفتالین خالص 75 درجه سانتی گراد می باشد.
پس از یادداشت کردن دمای انجماد،gr5 پودر گوگرد را درون لوله آزمایش می ریزیم و لوله آزمایش را درون بشر می گذاریم و بشر را دوباره حرارت می دهیم تا نفتالین مخلوط با گوگرد ذوب شود دما سنج را در لوله آزمایش تکان می دهیم پس ازذوب شدن دمای ذوب را یاداشت می کنیم که این دما 83 درجه سانتیگراد می باشد . سپس لوله آزمایش را از درون بشر بیرون می آوریم و ضمن تکان دادن دماسنج صبر می کنیم تا نفتالین مخلوط با گوگرد خنک شود و تشکیل بلور بدهد . پس از خنک شدن وتشکیل بلور شروع می شود در این زمان دما برابر بود با 73 درجه سانتیگراد . بنا براین دمای محلول گوگرد با نفتالین برابر است با 73 درجه سانتیگراد . لوله آزمایش را که دیگر بدردمان نمی خورد درون سطل آشغال می اندازیم . و پس از پایان آزمایش مخلوط گوگرد ونفتالین را به هیچ وجه درون سینک نمی ریزیم چون این مخلوط به سرعت جامد می شود و راه سینک را می گیرد . بنابراین آن را درون ظرف مخصوص مواد ذائد خالی می کنیم.
حال می توانیم جرم مولکولی گوگرد را محاسبه کنیم
نتیجه : بنابراین می توانیم جرم مولکولی را با استفاده از کاهش نقطه انجماد محاسبه کنیم.5gجرم حلال يعني نفتالين/.5gجرم گوگرد/.001 هم همان 1000 در فورمول مولاليته است كه به مخرج برده شده است وبه شكل .001 درامده است.