گزارش كار آزمايشگاه شيمي فيزيك ـ تجزيه

آزمايش ۱
اندازه‌گيري آنتالپي خنثي شدن اسيدها و بازها

اعضاي گروه: جواد سليماني ـ حبيب مهرشاد مورخ: ۱۴/ ۷ / ۸۴
تئوري:
واحد گرما، كالري است و طبق تعريف ۱، كالري مقدار حرارتي است كه بايد بوسيله يك گرم آب جذب شود تا درجه حرارت آن ۱ درجه سانتيگراد بالا رود (گرماي ويژه آب ۱Calg-1oC-1=). هر ماده در مقابل گرماي جذب شده ظرفيت حرارتي متفاوت از خود نشان مي‌دهد و طبق تعريف، مقدار گرماي لازم براي گرم كردن يك گرم از هر ماده به اندازه يك درجه سانتيگراد ظرفيت حرارتي ويژه آن ماده ناميده مي‌شود و ظرفيت حرارتي هر سيستم، مقدار گرمايي است كه جذب مي‌كند تا دماي آن ۱ درجه سانتيگراد بالا رود.
C=q/ΔT (1)

C ظرفيت حرارتي، q مقدار گرماي جذب شده بر حسب كالري و ΔT تغييرات دما مي‌باشد.
اگر به يك سيستم مقدار گرما (q) داده شود، مقداري از گرما صرف بالا بردن دماي سيستم (افزايش انرژي داخلي سيستم، Δu) و بقيه صرف انجام كار‌ (W) مي‌شود. بنابراين:
q= Δu+W
اگر فرآيندي در حجم ثابت صورت گيرد، كاري انجام نمي‌شود:
W=Pex ΔV
Δv=0
W=0
در نتيجه در حجم ثابت:
Δuqv (2)
كه qv همان گرماي ذوب شده، ولي در حجم ثابت براي گاز و يا براي سيستم‌هاي كندانسه كه تغييرحجمي ثابت ندارد، مي‌باشد. رابطه (۱) را به صورت زير مي‌توان بيان نمود:
(۳)
كه Cv ظرفيت حرارتي در حجم ثابت و برابر با تغييرات انرژي داخلي به تغييرات درجه حرارت در حجم ثابت مي‌باشد.

اگر فرآيندي در فشار ثابت صورت

گيرد:
W+PΔV
ΔU=q-PΔV
در فشار ثابت:
H=U+PV → ΔH= ΔU + Δ(PV) = ΔU + PΔV+VΔP
Δh= ΔU+PΔV
ΔH=q-PΔV+PΔV → ΔH=qp (4)
qp گرماي جذب شده در فشار ثابت و ΔH تغييرات آنتالپي سيستم ناميده مي‌شود. با قرار دادن مقدار گرما در فشار ثابت، رابطه (۱) نتيجه مي‌شود:
(۵)
كه Cp ظرفيت حرارتي در فشار ثابت بوده و برابر با تغييرات آنتالپي نسبت به تغييرات دما در فشار ثابت مي‌باشد.
آزمايش نشان مي‌دهد كه در موقع خنثي شدن محلول رقيق اسيد قوي با محلول رقيق قليايي قوي مقدار حرارت حاصل براي هر مول آب تقريباً ثابت است و ربطي به نوع اسيد ندارد.
HCL + NaOH → NaCl + H2O, ΔH=-13.68Kcal

HCL + LiOH → LiCl + H2O, ΔH=-13.7Kcal
HNO3 + KOH → KNO3 + H2O, ΔH=-13.87Kcal
علت ثابت بودن حرارت خنثي شدن، اين است كه اسيدها و بازهاي قو ي و نمك‌هاي آنها در محلول‌ رقيق به صورت كاملاً يونيزه بوده و عمل خنثي شدن در حقيقت عبارت است از تركيب يافتن يون هيدورژن با يون هيدروكسيل (OH-) و توليد يك مولكول آب. پس بايد در عمل خنثي شدن ΔH حاصل براي يك مول آب ثابت باشد. معمولاً در ۲۰ درجه سانتيگراد، مقدار آن را برابر ۷/۱۳- كيلوكالري مي‌گيرند و مي‌توان نوشت:
H+ + OH- → H2O ΔH = -13.7 Kcal
و اين عبارت است از آنتالپي تشكيل يك مول آب از يون‌هاي OH-, H+، اما در خنثي شدن اسيد ضعيف با باز قوي يا باز ضعيف يا اسيد قوي و يا اسيد ضعيف يا باز ضعيف، حرارت حاصل از مقدار فوق كمتر است. همانطوري كه از مثال‌هاي زير پيداست:
ΔH: خنثي شدن قليا اسيد

-۱۳٫۳Kcal سود سوزآور اسيداستيك
-۱۲Kcal آمونياك اسيداستيك
-۳٫۸Kcal سود سوزآور اسيد سولفيدريك
-۱٫۳Kcal آمونياك اسيد سيانيدريك
در اين مثال‌ها، خنثي شدن تنها تركيب يافتن H+ با يون OH نيست، بلكه بايد قبلاً اسيد يا قلياي ضعيف به صورت ديسوسيه شده درآيد تا يون OH-, H+ حاصل شود. حرارت اندازه‌ گرفته شده، عبارت است از مجموع حرارت يونيزاسيون اسيد يا قلياي ضعيف و حرارت خنثي شدن. مثلاً در خنثي شدن اسيد سيانيدريك با سود سوزآور واكنش كلي عبارت است از:
HCN + NaOH → NaCN + H2O
ΔH=2.9KCal
كه در حقيقت مجموع دو واكنش زير است:
HCN → H+ + CN-
ΔH=x

H+ + NaOH → Na+ + H2O
ΔH=-13.7KCal
پس مطابق قانون هس (جمع‌پذيري آنتالپي تحولات) آنتالپي يونيزاسيون HCN برابر است با:
x – ۱۳٫۷ = -۲٫۹Kcal x = 10.8KCal
يعني براي اينكه يك مول اسيدسيانيدريك به يون‌هاي متشكله ديسوسيه شود، ۸/۱۰ كيلوكالري حرارت لازم است (از يونيزاسيون مختصر HCN در محلول آبي رقيق صرف‌نظر مي‌شود).
روش كار:
ابتدا يك ليتر محلول سود ۲/۰ نرمال و ۲۵۰ ميلي‌ليتر اسيدكلريدريك ۸/۰ نرمال و ۲۵۰ ميلي‌ليتر اسيداستيك ۸/۰ نرمال تهيه نماييد. نرماليته هر يك را توسط سود استاندارد ۱/۰ نرمال در مجاورت فنل فتالئين بدست آوريد.
درجه حرارت هر يك از محلول‌ها را توسط يك دماسنج معمولي ۱۰۰-۰ درجه سانتيگراد تعيين كنيد. چنانچه دماي آنها بيشتر از دماي آزمايشگاه باشد، آنها را زير شير آب سرد قرار دهيد تا به دماي آزمايشگاه برسند.
همچنين دماي محلول‌ها بايد يكسان باشند. چنانچه دماي محلول‌ها برابر دماي آزمايشگاه و دماي يكديگر نباشد، خطاي بسيار زيادي در گرماي خنثي شدن پيش خواهد آمد (چرا؟).
كالريمتر مورد استفاده شامل يك كالريمتر و يك دماسنج معمولي مي‌باشد. بمب كالريمتر را خش و تميز نماييد. دقيقاً معادل ۴۰۰ ميلي‌ليتر سود ۲/۰ نرمال را توسط يك استوانه مدرج به داخل بمب منتقل نماييد. دماسنج را وارد بمب نموده و دما را يادداشت كنيد. دقيقاً معادل۱۰۰ ميلي‌ليتر اسيد كلريدريك ۸/۰ نرمال را توسط يك استوانه مدرج به داخل بمب كالريمتر اضافه كنيد. مشاهده خواهيد

كرد كه به محض مخلوط شدن اسيد و باز، واكنش خنثي شدن و ايجاد گرما شروع مي‌شود و دماسنج بالا رفتن درجه حرارت سيستم را نشان مي‌دهد. افزايش دما در ابتدا بسيار سريع و به تدريج آهسته و بالاخره متوقف مي‌شود و بعداً شروع به پايين آمدن مي‌‌نمايد (چرا؟).
آزمايش فوق را عيناً براي اسيد استيك و سود تهيه شده تكرار نماييد. دقت كنيد كه وسايل مورد استفاده در قسمت دوم حتماً همان‌هايي باشد كه در قسمت اول آزمايش بكار گرفته شده است.

محاسبات:

تغييرات درجه حرارت بر حسب درجه سانتيگراد را در دو قسمت آزمايش تعيين كنيد. با توجه به رابطه (۱)، براي قسمت اول آزمايش، ظرفيت حرارتي كالريمتر (ارزش آبي كالريمتر) محاسبه نماييد.
توجه داشته باشيد كه گرماي خنثي شدن هنگامي برابر با ۱۳۷۰۰ كالري است كه باز و اسيد بكار رفته در هر يك برابر با يك مول باشد، در غير اينصورت مسلماً مقدار گرماي ايجاد شده متفاوت با آن است.
در مرحله دوم آزمايش، ظرفيت حرارتي كالريمتر در قسمت اول مشخص شده است. اين بار با استفاده از رابطه (۱) گرماي خنثي شدن را بدست آورده و سپس آن را براي خنثي شدن يك مول اسيداستيك و سود محاسبه كنيد. حرارت حاصل را با مقدار ۱۳۷۰۰ كالري مقايسه و آن را تفسير كنيد.

آزمايش ۲:
تعيين جرم مولكولي بوسيله تقطير بخار آب
اعضاي گروه: جواد سليماني ـ حبيب مهرشاد مورخ: ۲۷/ ۷ / ۸۴
تئوري
انحلال بعضي از مايعات در يكديگر آنقدر ناچيز است كه مي‌توان آنها را عملاً غيرقابل حل در يكديگر تلقي نمود. البته بايد فراموش كرد كه عدم انحلال مطلق دو مايع در يكديگر صحيح نمي‌باشد. در چنين سيستم‌هايي هر مايع از لحاظ فشار بخار جزئي مربوط به طور مستقل عمل كرده و لذا فشار بخار كل برابر مي‌شود با مجموع فشار دو يا چند مايع غيرقابل حل كه سيستم را تشكيل مي‌دهند. بدين ترتيب تركيب فاز بخار به آساني قابل محاسبه است. اگر سيستمي مركب از دو مايع باشد و Pa, Pb به ترتيب نمايش فشار بخار مايعات P, a, b فشار بخار كل باشد، رابطه زير برقرار است:
P=Pa+Pb (1)

هر مايع موقعي خواهد جوشيد كه فشار برابر با فشار اتمسفر شود. به همين ترتيب دو مايع غيرقابل حل نيز هنگامي كه فشار بخار آنها برابر با فشار آتمسفر مي‌شود، به جوش مي‌آيد (نقطه جوش مخلوط پايين‌تر از نقطه جوش مايع ديرجوش‌تر واقع مي‌گردد). چون فشار بخار كل مستقل از مقدار نسبي دو مايعي است كه سيستم تشكيل مي‌دهد و بنابراين در نقطه جوش تركيب فاز بخار و تركيب مايع مقطر مادام كه در ظرف تقطير هر دو مايع وجود دارد، دما ثابت باقي خواهد ماند.

هنگام جوش درجه حرارت ثابت باقي مي‌ماند، اما به محض تمام شدن يكي از دو ماده نقطه جوش مايع به سمت نقطه جوش مايع باقي مانده ميل كرده و اين عمل با سرعت زياد اتفاق مي‌افتد. با توجه به رابطه (۱) ملاحظه مي‌شود كه نقطه جوش مخلوط دو مايع غيرقابل حل، پايين‌تر از هر يك از دو مايع به تنهايي است، زيرا همانطور كه ذكر شد، فشار بخار هر يك مستقل از ديگري عمل مي‌كند و اگر na و اين nb تعداد مول‌هاي دو مايع بخار شده و xa, xb مول جزئي هر يك آن دو باشد، طبق قانون فشارهاي جزئي دالتون مي‌توان روابط زير را بيان نمود:
Pa= xa.P=na/n.P (2)
Pb= xb.P=na/n.P (3)

كه P و n فشار بخار كل و مول كل مي‌باشد. از تقسيم دو رابطه فوق بر هم، نتيجه مي‌شود:
Pa/Pb=(na/n.P)/nb/n.P)=na/nb (4)
تعداد مول برابر است با جرم، تقسيم بر جرم مولكولي، از اين رو:
Pa/Pb=(Wa/Ma)/(Wb/Mb) (5)
كه Wa, Wb جرم هر يك از دو بخار و Ma, Mb جرم مولكولي هر يك از آنها مي‌باشد.
Wa/Wb=Pa.Mb/Pb.Mb (6)

 

چنانچه Pb فشار بخار آب باشد، با مشخص شدن فشار جزئي بخار آب در نقطه جوش مي‌توان جرم مولكولي ماده a را تعيين نمود. فشار بخار آب در دماهاي مختلف به صورت جداولي در كتاب شيمي فيزيك وجود دارد و در آزمايشگاه نيز جدولي به اين منظور فراهم گرديده است.
در اين آزمايش، يك مايع آلي كه غيرقابل حل در آب است، توسط بخار آب تقطير مي‌شود. مي‌توان به جاي آب از مايع ديگري استفاده نمود، اما به علت فراواني و ارزاني معمولاً براي تعيين جرم مولكولي با اين روش از آب استفاده مي‌شود. براي اينكه تقطير توسط بخار آب با بهره بالا همراه باشد، شرايط زير لازم است:

۱٫ وزن مولكولي مايع موردنظر خيلي بزرگتر از آب باشد.
۲٫ مايع موردنظر در آب كاملاً غيرقابل حل باشد.
۳٫ فشار بخار مايع موردنظر در حوالي ۱۰۰ درجه سانتيگراد قابل ملاحظه باشد.
روش كار:
۴/۳ ظرف توليد بخار را از آب مقطر پر نماييد و طبق شكل ۱، دستگاه را سوار كنيد. حدود ۱۸۰ ميلي‌ليتر مايع آلي مجهول همراه با ۲۵ ميلي‌ليتر آب در بالن دو دهانه بريزيد. يك لوله شيشه‌اي براي ثابت بودن فشار بخار آب در ظرف توليد بخار نصب كنيد. جريان آب را به مبرد وصل نموده و ظرف آب مقطر را حرارت دهيد. حرارت وارده، آب را بخار نموده و بخار آب از طريق لوله رابط به بالن دو دهانه جريان يافته و باعث جوش و بالاخره تقطير مخلوط آب و ماده آلي مي‌شود.

حدود ۱۵ ميلي‌ليتر ماده تقطير شده در آغاز آزمايش را جدا كرده و در يك ديكانتور بريزيد (چرا؟). پس از رسيدن سيستم به دماي ثابت، دما را يادداشت كنيد. ۱۰۰ ميلي‌ليتر از مايع تقطير شده را در يك استوانه مدرج ۱۰۰ ميلي‌ليتري جمع‌آوري نماييد. مايع جمع‌آوري شده مخلوطي از ماده آلي و آب مي‌باشد كه به ترتيب جرم مخصوص بر روي يكديگر قرار مي‌گيرند. آن را مدتي به حالت سكون نگهداريد تا كاملاً از يكديگر جدا شوند. حجم هر فاز را تعيين كنيد. همچنين فشار آزمايشگاه و فشار بخار آب را از روي جدول و دانسيته ماده آلي مجهول را يادداشت نماييد.

محاسبات:
با مشخص بودن حجم ماده آلي و آب تقطير شده و دانسيته هر يك، جرم آنها را محاسبه كنيد. همچنين با تعيين دماي جوش و فشار بخار آب در اين درجه حرارت و با مشخص بودن فشار كل از بارومتر، فشار بخار مايع آلي را محاسبه كنيد.
با استفاده از رابطه (۶)، جرم مولكولي ماده آلي را تعيين كنيد.

آزمايش ۳
اندازه‌گيري گرماي انحلال (به روش حلاليت)
اعضاي گروه: جواد سليماني ـ حبيب مهرشاد مورخ: ۲۸/ ۷ / ۸۴
تئوري:
آنتالپي انحلال، برخي از اجسام مانند اسيد سولفوريك، سود، پتاس و … عمل انحلال آنها در آب، با ايجاد گرما توام است و چون سرعت ايجاد گرما در اثر انحلال بيش از سرعت انتقال آن از محلول حاصل به محيط خارج مي‌باشد، محلول گرم مي‌شود تا آنكه با گذشت زمان، به تدريج محلول گرما را به محيط خارج منتقل كرده و سرانجام به دماي محيط مي‌رسد.

در مقابل، برخي اجسام ديگر، مانند يدور پتاسيم، نيترات آمونيوم و … عمل انحلال آنها در آب، با جذب گرما صورت مي‌گيرد و اين گرما به مصرف انرژي جنبشي مولكول‌هاي آب تامين مي‌شود و چون سرعت مصرف گرماي لازم براي انحلال بيش از سرعت جذب گرما توسط محلول به محيط خارج مي‌باشد، محلول سرد مي‌شود. محلول با گذشت زمان، به تدريج نقصان دماي خود نسبت به محيط خارج را با گرفتن گرما از آن جبران كرده و سرانجام به دماي محيط مي‌رسد. بدين ترتيب ممكن است انحلال بسته به ماهيت جسم حل شده و حلال، گرمازا يا گرماگير باشد.

اجسامي كه هنگام حل شدن در آب ايجاد گرما مي‌كنند، فرآيند انحلال آنها، ايجاد تركيبي بين آنها و مولكول‌هاي آب مي‌باشد. مثلاً: انحلال اسيد كلريدريك در آب با ايجاد يون هيدروژن هيدراته موسوم به يون هيدرونيوم همراه است، به نحوي كه مي‌توان عمل انحلال را كه واكنشي است گرمازا، به صورت رابطه زير ارائه نمود:
HCL + H2O → H3O+Cl-
اما به هنگام انحلال اسيدسولفوريك، علاوه بر يون‌هاي هيدورژن، يون‌هاي سولفات نيز با مولكول‌هاي آب تركيب شده و به صورت يون‌هاي سولفات هيدراته درمي‌آيند، به نحوي كه مي‌توان عمل انحلال را به صورت زير ارائه داد:
H2SO4 + 3H2O → ۲H3O+ + (SO4, H2O)2-

به طور كلي اتصال بين مولكول‌هاي آب و يون‌ها، همواره يك پديده گرمازاست. خواه از نوع اتصال هيدروژني باشد كه بين مولكول‌هاي آب و آنيون‌ها برقرار مي‌گردد،‌ خواه از نوع اتصال هم‌يوني باشد كه بين مولكول‌هاي آب و برخي از كاتيون‌ها بوجود مي‌آيد و خواه از نوع اتصال الكترواستاتيك باشد كه بين مولكول‌هاي آب و برخي ديگر از كاتيون‌ها رخ مي‌دهد.
بنابراين به طور كلي، انحلال نمك‌هاي يون‌هاي حاصل از تفكيك آنها با مولكول‌هاي آب پيوند شده و به صورت يون‌هاي هيدراته درمي‌آيند، پديده‌اي است گرمازا، از جمله مي‌توان سولفات مس سفيد را نام برد كه واكنش انحلال آن در آب به صورت رابطه زير ارائه مي‌گردد:

CuSO4+5H2O → (Cu, 4H2O)2++(SO4, H2O)2-
و باالعكس، نمك‌هايي كه يون‌هاي حاصل از تفكيك آنها با مولكول‌هاي آب تركيب نمي‌شوند، انحلالشان در آب، گرماگير است، زيرا در اين حالت انحلال فقط عبارت است از جدا شدن يون‌هاي مثبت و منفي از يكديگري و چون انرژي لازم براي انجام اين جدايي، يعني انرژي لازم براي مقابله با

نيروي جاذبه به الكترواستاتيك موجود بين يون‌هاي مثبت و منفي توسط مولكول‌هاي آب و يا در اختيار گذاردن مقداري انرژي سينتيك مولكول‌هاي آب، تامين مي‌گرد، سبب مي‌شود كه سرعت حركت‌ مولكول‌هاي آب نقصان يافته و در نتيجه، محلول سرد شود. به عنوان نمونه، مي‌توان انحلال يدور پتاسيم را نام برد (KL→K++I-). نمك‌هايي كه در انحلال خود، هر دو كيفيت، به وقوع مي‌پيوندد، آنچه كه به عنوان حرارت انحلال اندازه‌گيري مي‌شود، حرارتي است كه پس از بدست آمدن محلول (يعني پس از انجام هر دو كيفيت) با محيط خارج مبادله مي‌گردد.

توجه كنيد كه انحلال يك ماده در يك حلال، حالت خاصي از يك تعادل شيميايي است و تغييرات حلاليت يك جسم بر حسب دما در يك حلال از رابطه زير پيروي مي‌كند:
(۱)
چنانچه ΔH مستقل از تغيير درجه حرارت باشد، مي‌توان از رابطه (۱) انتگرال
گرفت:
(۲)
C ثابت انتگرال است. مي‌توان انتگرال فوق را در دو حد ۱٫۲ انجام داد و به رابطه زير رسيد:
(۳)
كه S1, S2 به ترتيب حلاليت در دو درجه حرارت‌هاي HΔ, T1, T2 ميانگين گرماي انحلال بين دو درجه حرارت ذكر شده و R ثابت گازها بر حسب كالري بر مول بر درجه حرارت است. حلاليت بر حسب گرم يا تعداد مول ماده حل شده در ۱۰۰ گرم حلال بيان مي‌شود.

در اين آزمايش انحلال يك محلول در حالت اشباع در دماهاي مخلتف اندازه‌گيري مي‌شود. لذا از ماده‌اي كه انحلال كمي در حلال آب دارد، استفاده مي‌شود تا حالت اشباع آن سريع ايجاد گردد. موادي كه براي اين منظور مناسب‌اند، شامل اسيد اكساليك، اسيد سوكسينيك، اسيد بنزوئيك يا اسيد تارتاريك و … مي‌باشد.
روش كار:
ابتدا ۳ عدد ارلن ماير ۱۰۰ ميلي‌ليتري را تميز شسته و درون آون قرار دهيد تا خشك شوند. پس از خشك و خنك شدن ارلن‌ها، آنها را توزين نماييد.
سپس يك ارلن ماير ۲۵۰ ميلي‌ليتري انتخاب و در آ

ن ۱۵۰ ميلي‌ليتر آب مقطر بريزيد. درون ارلن ۵/۱ گرم اسيد بنزوئيك بيافزاييد (آيا مقدار حلال و مقدار ماده حل شونده مهم است؟ چرا؟) ارلن را روي هيتر حرارت دهيد تا مواد جامد آن حل شود. سپس ارلن را از روي هيتر برداريد و وقتي كه كمي خنك شد، ارلن را زير شير آب سرد بگيريد تا محلول اشباع سريعاً ايجاد شود و بلورهاي اسيد بنزوئيك تشكيل گردد. ارلن را توسط گيره، درون بن ماري (كه داراي ترموستات جهت تنظيم درجه حرارت مي‌باشد) قرار دهيد. توجه كنيد كه بايد حلاليت اسيد بنزوئيك را در سه دماي مختلف اندازه بگيريد. بنابراين بين دماهاي ۴۵-۲۰ درجه سانتيگراد سه دما به دلخواه انتخاب كنيد (بهتر است درون محلول اشباع مستقيماً يك دماسنج قرار دهيد تا دماي محلول را دقيق‌تر اندازه بگيريد).

در حالي كه ارلن درون بن ماري و در دماي موردنظر قرار دارد، توسط يك پيپت ژوژه، ۱۰ ميلي‌ليتر از محلول اشباع درون ارلن برداشته و در يك ارلن ماير ۱۰۰ ميلي‌ليتري كه قبلاً خشك و توزين شده، بريزيد و براي اينكه كريستال‌هاي اسيد بنزوئيك جامد وارد پي‌پت روژه نشود، به نوك بيروني پي‌پت مقداري پنبه ببنديد. ارلن حاوي ۱۰ ميلي‌ليتر محلول را مجدداً توزين كنيد تا جرم دقيق محلول اضافه شده تعيين گردد. سپس آن را در مجاورت فنل‌فتالين با سود ۱/۰ نرمال آزمايشگاه تيتر كنيد.

مي‌توانيد براي دقت بيشتر نمونه ديگري برداشته و پس از عمل فوق‌ و اندازه‌گيري سود مصرف شده ميانگين دو حالت را درنظر بگيريد. اين اعمال را در دو درجه حرارت ديگر نيز انجام دهيد (دقت كنيد كه اختلاف سه دمايي كه كار مي‌شود، كمتر از ۵ درجه سانتيگراد نباشد). آيا لازم است دماي محلول‌ها در طول تيتراسيون ثابت بماند؟ چرا؟

محاسبات:
با استفاده از حجم سود مصرفي‌، نرماليته و غلظت و بالاخره جرم اسيد بنزوئيك را در هر نمونه محاسبه كنيد. همچنين با مشخص بودن جرم هر نمونه اسيد، جرم آب را مشخص و سپس درصد اسيد حل شده در ۱۰۰ گرم حلال آب را تعيين نماييد (كه همان حلاليت اسيد بنزوئيك در آب است و با S نمايش دهيد).
تغييرات logs را بر حسب (۱/T رسم كنيد (T بر حسب كلوين است و ۱/T را روي محور طول‌ها رسم كنيد). بهترين خط مستقيم را بدست آوريد.

از مقداهاي Sاي كه محاسبه كرده‌ايد، دو مقدار را در رابطه (۳) قرار دهيد و ميانگين گرماي انحلال را مابين اين دو دما بدست آوريد. همچنين شيب خط نمايش تغييرات فوق برابر است با:
-HΔ/۲٫۳۰۳R = شيب خط (slope)
با استفاده از شيب خط، ΔH را محاسبه و با مقدار محاسبه شده از فرمول تئوري مقايسه كنيد. واحد گرماي انحلال را نيز مشخص نماييد.

آزمايش ۴
فعاليت نوري (پلاريمتري)
اعضاي گروه: جواد سليماني ـ حبيب مهرشاد مورخ: ۲۶/ ۸/ ۸۴
تئوري:
نور داراي دو خاصيت ذره‌اي و موجي است. خاصيت ذره‌اي در مبحث فتوشيمي و خاصيت موجي در آزمايش نوري كاربرد دارد. بر طبق تئوري موجي نور از طريق حركت موجي منتشر شده و توسط طول موج و صفحه نوسان مشخص مي‌شود. ارتعاش‌هاي نور عرضي بوده و بردار ارتعاشي در روي صفحه موج قرار دارد. يعني هر شعاع نوراني در هر لحظه روي صفحه‌اي كه عمود بر امتداد فشار نور است، ارتعاش مي‌كند، اما چون در روي هر سطح بي‌نهايت امتداد وجود دارد و امتداد ارتعاش نور در نور طبيعي از دو ارتعاش عمود بر هم تشكيل يافته است و اگر هر يك از اين دو ارتعاش به طريقي حذف شوند، نور باقي مانده را نور پلاريزه شده مي‌نامند.
بنابراين از هر شعاع نور طبيعي، مي‌توان دو شعاع نور پلاريزه ته

يه نمود كه در دو جهت عمود بر هم ارتعاش مي‌نمايند. بهترين طريقه تهيه نور پلاريزه، استفاده از انكسار مضاعف در بلورهاي كربنات كلسيم و يا كوارتز مي‌باشد. هرگاه يك دسته شعاع نور طبيعي به بلور منشوري شكل كربنات كلسيم و يا كوارتز (SiO2 ) مي‌باشد. هرگاه يك دسته شعاع نور طبيعي به بلور منشوري شكل كربنات كلسيم بتابد، قسمتي منعكس شده و قسمتي ديگر به دو دسته شعاع متمايز منعكس مي‌شود. اين پديده را انكسار مضاعف مي‌نامند. هر دو شعاع توليد شده كه در دو صفحه عمود بر هم ارتعاش مي‌كند، نور پلاريزه هستند. تنها مساله در اينجا، حذف يكي از دو شعاع نور پلاريزه مي‌باشد.

اين مطلب براي اولين بار توسط ويليام نيكل در سال ۱۸۲۸ حل گرديد. نيكل يك منشور كلسيت را از امتداد قطر AB بريده و سپس دو نيمه منشور را توسط چسب كانادايي كه ماده كاملاً شفافي است، به هم متصل نموده و در ضمن زواياي روبروي محور بريده شده را دقيقاً به مقدار ۶۸ درجه

برش داد. تجربه نشان مي‌دهد كه هرگاه يك شعاع نوراني به نيمه اول منشور نيكل بتابد، دو شعاع نور پلاريزه توليد مي‌كند كه يكي از آنها از غشاء چسب عبور كرده و پس از عبور از نيمه دوم منشور خارج مي‌گرد، ولي شعاع نور دوم نور پلاريزه وقتي با چسب برخورد مي‌كند، انعكاس كامل پيدا كرده و در ديوارهاي بالا و پايين منشور كه به رنگ سياه است، جذب شده و از محيط عمل حذف مي‌گردد.

يك جسم فعال نوري، جسمي است كه بتواند سطح نور پلاريزه را چرخش دهد، يعني وقتي يك شعاع پلاريزه كه در صفحه مشخصي نوسان مي‌كند، از يك جسم فعال نوري عبور مي‌كند. پس از خروج از جسم در صفحه ديگري نوسان خواهد كرد و دو صفحه با هم زاويه خاص تشكيل مي‌دهند

بعضي از اجسام فعال نوري سطح نور پلاريزه را به سمت چپ (خلاف جهت عقربه‌هاي ساعت) و بعضي به راست دوران مي‌دهند. در حالت اول، جسم را چپ‌بر و در حالت دوم، جسم را راست‌بر مي‌نامند. گاهي اجسام چپ‌بر را با علامت منفي و اجسام راست‌بر را با علامت مثبت نشان مي‌دهند.
اجسامي كه به صورت محلول داراي عدم تقارن ساختمان مولكولي هستند، مي‌توانند سطح نور پلاريزه را دوران دهند. يكي از انواع عدم تقارن به خصوص در مواد آلي، كربن نامتقارن مي‌باشد كه مي‌توانند از نظر نور پلاريزه فعال باشند. به هرحال، مقدار چرخشي كه صفحه نور پلاريزه هنگام برخورد و عبور از يك جسم فعال نوري نسبت به سطح قبلي خود ايجاد مي‌كند را دوران مخصوص مي‌نامند و مقدار آن توسط رابطه زير بيان مي‌شود:
[ ] Dt=100 λ /L.C (1)
كه t درجه حرارت محيط اندازه‌گيري (معمولاً ۲۰ درجه سانتيگراد)، D طول موج نور بكار رفته (معمولاً نور زرد تك رنگ سديم با طول موج ۵۸۹۰ آنگسترم)، λ زاويه دوران (مقدار بدست آمده از پلاريمتر)، L طول لوله حاوي محلول را بر حسب دسيمتر و C غلظت محلول مورد اندازه‌گيري بر حسب گرم ماده در ۱۰۰ ميلي‌ليتر مي‌باشد. به اين ترتيب چنانچه مقدار دوران مخصوص ماده در دسترس باشد، مي‌توان با اندازه‌گيري مقدار چرخش نور در پلاريمتر، غلظت محلول را توسط رابطه فوق بدست آورد.
دستگاه اندازه‌گيري:
دستگاه اندازه‌گيري، پلاريمتر بوده و اجزاي آن در شكل زير نشان داده شده است.
دستگاه شامل منبع نوري S معمولاً چراغ سديم و عدسي F مي‌باشد كه نور سديم را به يك دسته اشعه موازي تبديل مي‌كند. اشعه موازي از منشور P (يك منشور نيكل) مي‌گذرد. اين منشور همانطور كه قبلاً گفته شد، خاصيت پلاريزه كردن نور را دارد. نور پلاريزه شده از مانع C كه فقط نصف ميدان اشعه را اشغال مي‌كند، مي‌گذرد. مانع C از كواترز ساخته شده و نصف نور پلاريزه شده پس از عبور از آن اختلاف فازي به اندازه نصف طول موج با نصف ديگر پيدا مي‌كند. اين دو دسته اشعه آنگاه از لوله R كه محتوي لوله مورد آزمايش است، عبور مي‌نمايد و در خاتمه به منشور دوم (A)

مي‌رسد. اين منشور مي‌تواند با ۳۶۰ درجه دوران كند. دوران منشور A (كه آناليزر نام دارد) در يك جهت به طوري كه در موقعيت مناسبي قرار گيرد، باعث تاريكي يك نيمه‌شب و روشني نيمه ديگر مي‌شود. دوران منشور فوق در جهت ديگر محل تاريكي و روشني اين دو نيمه ميدان ديد را عوض مي‌‌كند. براي اندازه‌گيري زاويه دوران ماده منشور A را آنقدر بايد دوران داد تا شدت نور در دو قسمت تاريك و روشن ميدان ديد يكسان شود و در ضمن با كوچكترين حركت منشور دو نيمه تاريك و روشن

ايجاد گردد.

روش كار:
پلاريمتر را به برق وصل نموده و آن را روشن نماييد. معمولاً حدود ۱۰ دقيقه وقت لازم است تا دستگاه گرم شود. لوله حاوي را با آب مقطر كاملاً بشوييد. دهانه لوله اين لوله بوسيله پيچي فلزي باز مي‌شود و بين اين پيچ و لوله يك قطعه شيشه مسطح دايره‌اي شكل قرار دارد. دقت نماييد تا هنگام شستشو و بستن پيچ اين شيشه نشكند. لوله را از آب مقطر پر كنيد. دقت كنيد كه

هيچ‌گونه حباب هوا داخل لوله باقي نماند. شيشه مسطح را بعد از پر كردن بايد طوري قرار دارد كه در زير آن حبابي وجود نداشت باشد، آنگاه پيچ را روي شيشه مسطح محكم كنيد. در اينجا بايد دقت كافي بكار برد و به آرامي پيچ را دوران داد تا شيشه نشكند. بعد از اين اعمال، دو طرف لوله (دو شيشه مسطح در دو طرف لوله) را با دستمال كاغذي تميز كرده و سپس لوله را در پلاريمتر به صورتي قرار دهيد تا يك سر لوله به عدسي چشم چسبيده باشد. سرپوش لوله را ببنديد. انتهاي پلاريمتر داراي سه عدسي است. در عدسي وسط تصوير قسمتي از نور زرد سديم كه از مايع

كوارتز و مايع مورد اندازه‌گيري گذشته ديده مي‌شود. اين عدسي داراي دو پيچ تنظيم است.
پيچ انتهايي كه براي روشن كردن و ميزان نمودن تصوير و پيچ ديگر، در قسمن منشور A را دوران مي‌دهد. تصويري كه در اين عدسي ديده مي‌شود، داراي دو قسمت تاريك و روشن است. پيچ را بايد آنقدر دوران داد كه اين دو ناحيه از نظر روشني قابل تشخيص از هم نباشد. همچنين با كوچكترين دوران اين پيچ نواحي تاريك و روشن را عوض مي‌كند. بعد از ميزان شدن دستگاه، مقدار دوران را مي‌توان در يكي از دو عدسي چپ و يا راست قرائت نمود. طريقه خواندن و رابطه بين درجه‌هاي دو عدسي به شرح زير است:

صفحه مدرج وسي متصل است در طرفين صفحه مدرج و يا اختلاف ۱۸۰ درجه دو عدسي چپ و راست قرار دارند. هنگامي كه عدسي راست صفر است، عدسي چپ ۱۸۰ و چنانچه عدسي راست ۶ درجه باشد، عدسي چپ ۱۸۶ را نشان خواهد داد. به هرحال، تفاوت اين دو عدسي، ۱۸۰ درجه مي‌باشد. بنابراين از هر دو عدسي براي تعيين زاويه دوران مي‌توان استفاده نمود، ولي بايد حاصل را نسبت به مبداء صفر دستگاه محاسبه كرد. چنانچه عددي از عدسي راست خوانده شود، دو حالت پيش مي‌آيد:

الف) عدد بين ۰٫۱۸۰ درجه است. در اين صورت چرخش به سمت راست بوده و همان عدد گزارش مي‌شود.
ب) عدد بين ۱۸۰٫۳۶۰ درجه است. در اين صورت چرخش به سمت چپ بوده و بايد ۳۶۰ درجه از اين مقدار كم نموده و عدد حاصل كه منفي است، بايد گزارش شود.
در صورتي كه عدد در عدسي چپ خوانده شود، در ابتدا ۱۸۰ درجه را ازد آن كم كرده تا عدد بر حسب عدسي راست شود و سپس مانند حالت (الف) و (ب) عمل گردد.

دقت دستگاه تا يك صدم درجه مي‌باشد. اعشار درجه از روي ورنيه كه در عدسي چشمي وجود دارد، خوانده مي‌شود. براي تنظيم و كاليبره نمودن پلاريمتر از آب مقطر استفاده مي‌گردد تا صفر دستگاه معين شود. زاويه دوران محلول‌هاي ۲٫۴٫۶٫۸٫۱۰ درصد گلوكز در آب (و يا نمونه داده شده) را تعيين نماييد. هر قرائت را براي دقت بيشتر چندين بار تكرار كنيد.

محاسبات:

با استفاده از زاويه دوران، دوران مخصوص كلوگز را توسط رابطه (۱) محاسبه كنيد. ميانگين دوران مخصوص را تعيين نماييد. اختلاف دوران‌هاي مخصوص به نظر شما چه علتي مي‌تواند داشته باشد‌؟ دقت زاويه دوران در درجه اول بستگي به پلاريمتر مورد استفاده دارد. با توجه به اين موضوع با چه دقتي مي‌توانيد زاويه دوران را اندازه بگيريد؟ با چه دقتي بايد سه نمونه قند را توزيع نمود تا خطاي آن كمتر از خطاي حاصل از اندازه‌گيري زاويه دوران شود؟

چنانچه رابطه دوران مخصوص ساكاروز با درجه حرارت براي نور سديم طبقه رابطه زير باشد:
[ ] Dt=66.5[1-0.0004(t-20o)]
آيا تغييرات جزئي درجه حرارت تاثيري در مقدار زاويه دوران خواهد داشت؟ اين موضوع را با محاسبه نشان دهيد. تغييرات بيشتر دما چطور؟

آزمايش ۵:
فازها
اعضاي گروه: جواد سليماني ـ حبيب مهرشاد مورخ: ۳/ ۹/ ۸۴
تئوري:
در بررسي‌ سيستم‌هاي مايع ـ مايع، سه حالت وجود دارد:
۱٫ دو مايع كاملاً‌ قابل حل در يكديگر هستند.
۲٫ دو مايع اصلاً در يكديگر حل نمي‌شوند.

۳٫ دو مايع در يكديگر حلاليت نسبي دارند كه در اين آزمايش مورد بررسي قرار مي‌گيرد.
قانون فازها براي سيستم‌هاي دوتايي:
در اين سيستم اگر فشار ثابت درنظر گرفته شود، بنابراين قانون فازي گيبس براي اين سيستم به صورت زير درمي‌آيد:
V=C+2-P → V=C+1-P (فشار ثابت)
V=3-P
V: تعداد در حالت آزادي C: تعداد سازنده‌ها
۲: تعداد متغيرهاي فيزيكي P: تعداد فازها
منحني حلاليت دو مايعي كه در يكديگر حلاليت نسبي دارند (مثل آب و فنل)، معمولاً در درجات حرارت بالا قابليت انحلال آنها افزايش يافته و فقط يك فاز تشكيل مي‌دهند. در درجات حرارت پايين معمولاً قابليت انحلال كم شده و دو فاز بدست مي‌آيد.

در دياگرام زير، نقاطي كه در طرف راست منحني هستند، معرف فازهايي مي‌باشند كه ميزان فنل در آنها بيشتر از آب است و در حقيقت فاز غني از فنل است (اصطلاحاً فاز فنلي) و نقاط سمت چپ فاز غني از آب است. در اين دياگرام، نقطه ماكزيمم منحني را نقطه بحراني مي‌نامند و آن را با C نمايش مي‌هند. درجه حرارت و غلظت را در نقطه C درجه حرارت بحراني و غلظت بحراني مي‌نامند. بالاتر از درجه حرارت بحراني به هر نسبتي آب و فنل در يكديگر قابل حل مي‌باشند.

شكل۴: مقادير نسبي دو فاز مايع بر حسب تركيب فازهاي مايع
روش كار:
اخطار: فنل بسيار سمي است و در تماس با پوست سوختگي‌هاي شديد ايجاد مي‌كند. نهايت دقت را هنگام كار به عمل آورده و از تماس آن با دست و يا ريختن آن بر روي سكوي آزمايش شديداً خودداري كرده و حتماً زير هود كار كنيد.

در ۷ عدد لوله آزمايش خشك و تميز مخلوط‌هايي از فنل و آب را طبق جدول زير تهيه كنيد.
لوله شماره ۱: ۵/۰ گرم فنل + ۵/۴ ميلي‌ليتر آب مقطر
لوله شماره ۲: ۱ گرم فنل + ۴ ميلي‌ليتر آب مقطر
لوله شماره ۳: ۵/۱ گرم فنل + ۵/۴ ميلي‌ليتر آب مقطر

لوله شماره ۴: ۲ گرم فنل + ۳ ميلي‌ليتر آب مقطر
لوله شماره ۵: ۵/۲ گرم فنل + ۵/۲ ميلي‌ليتر آب مقطر
لوله شماره ۶: ۳ گرم فنل +۲ ميلي‌ليتر آب مقطر
لوله شماره ۷: ۵/۳ گرم فنل + ۵/۱ ميلي‌ليتر آب مقطر

پس از تهيه نمونه‌ها يك دماسنج (۰-۱۰۰oC) را درون اولين لوله آزمايش گذاشته و سپس آن را در يك بشر آب گرم قرار دهيد و به كمك دماسنج محتوي لوله آزمايش را هم بزنيد تا كاملاً ذوب و شفاف شود. سپس لوله را از آب گرم درآورده و در حالي كه بطور مدوام محتويات داخل لوله را هم مي‌زنيد، دقت داشته باشيد هنگامي كه محلول كدر شد، بلافاصله درجه حرارت را يادداشت كنيد. اگر در قرائت دما اشتباه كرديد،

مجدداً لوله را در داخل آب گرم قرار داده تا كاملاً شفاف شود و سپس عمل قرائت دما را انجام دهيد. اعمال فوق را براي تمام لوله‌ها تكرار نموده و هر بار درجه كدر شدن را يادداشت كنيد.