علمی پژوهشی این وبلاگ بیشتر به مطالب رشته شیمی می پردازد.
| ||
|
هدف: اندازه گیری آنتالپی استاندارد انحلال وآنتروپی استاندارد انحلال اسید بنزوئیک تئوری: مقدمه برحلالیت: حلالیت از مهمترین و کاربردی ترین مفاهیم مورد استفاده در شیمی و مهندسی شیمی است . در این پدیده ذرات حلال اطراف ذرات حل شونده را احاطه کرده و با برقراری پیوند با آنان سعی در جدا نمودن ذرات حل شونده از هم می کنند اگر ذرات از هم جدا شده و توسط حلال احاطه شوند انحلال صورت پذیرفته است در غیر اینصورت جسم بطور کامل حل نمی گردد در چنین حالتی سه حالت مختلف بوجود می آید . حل شونده می تواند به میزان بسیار کم در جلال حل شود در چنین مواردی گفته می شود که جسم حل نمی شود اگر چه حتی در این حالت هم به مقدار بسیار کم حل شونده حل می گردد . اگر حل شدن به مقدار بیشتر از این حالت حل شود در این حالت گفته می شود که جسم کم محلول است و جسم می تواند به مقدار بسیار خوبی هم حل شود در این حالت گفته می شود که جسم حل شونده است . حلالیت را از دیدگاههای مختلفی می توان طبقه بندی نموده و مورد بررسی قرار دهیم . از یک دیدگاه می توان انواع انحلال را به چند دسته اصلی تقسیم کرد . با افزایش دما حلالیت افزایش می یابد در حالتی که سیستم اشباع شده است پتانسیل شیمیایی جزء حل شده در فاز جامد و فاز مایع با هم برابرند و فرایند به حالت تعادل رسیده است . در چنین حالتی تعادل در مقیاس ماکروسکوپیک ایستا ولی در مقیاس میکروسکوپیک فرایند دینامیک است و ذرات وارد فازی شده و از فاز دیگری خارج می شوند اما سرعت تبادل ذرات بین دو فاز باهم برابر است و تغییری در سیستم دیده نمی شود . افزایش دمای سیستم یعنی گرما دادن به ترکیب تعادل را طبق اصل لوشاتلیه در جهتی جابجا می کند که تغییر اعمال شده را تعدیل کند و بنا به گرمازایی و یا گرماگیری فرایند ، واکنش بسمت تولید محصولات بیشتر یا بطرف مواد اولیه رانده می شود . معمولاٌ انحلال همراه با کاهش و یا افزایش دمای سیستم است اگر فرایند گرمازا باشد گرمای آزاد شده به ذرات سیستم داده می شود و سبب افزایش دمای کلی سیستم می گردد و در صورتیکه فرایند گرماگیر باشد گرمای مورد نیاز خودرا از محیط اطراف خود یعنی محلول گرفته و سبب کاهش دمای کلی سیستم شده و در اصطلاح سیستم را سرد می کند . گرمای آزاد شده و یا مصرف شده را گرمای انحلال می نامندو با H? نمایش می دهند . در این آزمایش هدف یافتن مقدارH? انحلال جامدی مانند اسید بتزوئیک در حلالی مانند آب و در دماهای مختلف است . در این آزمایش با انحلال مقدار مشخصی اسید بنزوئیک جامد بعنوان جامد مورد آزمایش در آب و تیتر کردن آن بوسیله باز NaOH در دماهای مختلف مقدار با داشتن مقدار سود مصرفی و بدست آوردن مقدار مولالیته اسید بنزوئیک در هر دما با ترسیم داده ها در نمودارLog ms بر حسب 1/T مقدار H? انحلال اسید بنزوئیک را بدست می توان آورد . آنتالپی : همه کم و بیش درکی شهودی از مفاهمیم گرما ، فشار و حتی انرژی درونی داریم اما به نظر می رسد در خصوص مفهوم فیزیکی آنتالپی این گونه نباشد! برای نزدیک شدن به این درک ، قانون اول ترمودینامیک را در نظر بگیرید. همان طور که می دانیم این قانون در واقع بیانی است از قانون پایستگی انرژی و با این توضیح اضافی که گرما نیز صورتی از انرژی است. این قانون را به طور کمی به صورت dQ=dU+dW بیان می کنند که در آن d معرف تفاضل یا اختلاف است. همچنین کمیت های W,U,Q به ترتیب گرما ، انرژی درونی و کار را نشان می دهند. هر گاه در فشار ثابت حجم دستگاهی به مقدار کوچکی تغییر کند، دستگاه به اندازه ی dW=PdV روی محیط کار انجام می دهد و یا بر عکس از طرف محیط روی دستگاه کار انجام می شود. حال فرض کنید در یک فرایند هم فشار انرژی درونی و حجم دستگاهی تغییر کند. در این صورت به کمک قانون اول ترمودینامیک و رابطه ی کار در فرایند هم فشار به سادگی به رابطه ی (dQ=d(U+PV می رسیم که کمیت داخل پرانتز یعنی U+PV را با H نشان می دهند و آن را آنتالپی می نامند. در این صورت داریم dQ=dH . بنابراین ، هرگاه فرایندی هم فشار بر روی دستگاهی انجام شود گرمای داده شده یا گرفته شده از دستگاه با تغییر انتالپی آن برابر است. از همین رو آنتالپی را محتوای گرمایی دستگاه نیز می نامند! از آنجا که در شیمی و مهندسی بیشتر فرایندها در فشار ثابت انجام می شود مفهوم آنتالپی کاربرد زیادی دارد. تعریف آنتالپی آنتالپی سیستم، تابعی ترمودینامیکی است که با مجموع انرژی درونی سیستم و حاصلضرب حجم در فشار آن (در فشار ثلبت) در محیط سیستم، هم ارز است. به عبارت دیگر گرمای جذب شده بوسیله واکنشی که در فشار ثابت انجام میگیرد، برابر با تغییر آنتالپی سیستم است. آنتالپی، همانند انرژی داخلی، تابعی از حالت سیستم و مستقل از راهی است که به آن حالت میرسد. حالت های جامد، مایع و گاز در حالت جامد، نیروی جاذبه مولکولی بر نیروی جنبش مولکولی غلبه دارد و موجب می شود اتمها یا مولکولها در مجاورت یکدیگر باقی بمانند. o در اینجا هندسه ی ثابتی در همسایگی اتمها وجود دارد o مجموعه ی اتمها دارای شکل و حجم معینی هستند در مایعات انرژی جنبشی بیشتر از حالت جامدات است. این انرژی آن اندازه نیست که مولکولها را از هم جدا کند و به اندازه هم کم نیست که مولکولها در محاورت یکدیگر ثابت بمانند. o در اینجا هندسه ی ثابتی در همسایگی اتمها وجود ندارد o مجموعه ی اتمها دارای شکل ثابتی نیست، اما دارای حجم ثابتی هستند o جامد و ماده هر دو حالتهای فشرده ی ماده هستند. در گازها انرژی جنبشی در یک نقطه بیشتر از نیروهای جاذبه است، بطوریکه اتمها و مولکولها کاملاً از یکدیگر جدا می شوند. o مجموعه اتمها منبسط می شوند و حجم فضایی را که در آن قرار دارند، اشغال می کنند. انرژی درونی و تبادل حرارتی اگر به یک سیستم انرژی گرمایی (q) داده شود، انرژی درونی آن (U) افزایش می یابد، و اگر سیستم روی محیط کار (w) انجام دهد، انرژی درونی آن کاهش می یابد بطوریکه: dU = dq + dw که در آن کار انجام توسط سیستم منفی در نظر گرفته می شود. برای یک سیستم پتانسیلی که کار انبساطی انجام دهد، آنتالپی (H) آن بصورت زیر تعریف می شود.
در اینجا P فشار و V حجم سیستم است. PV نوعی انرژی است که به حاصلضرب فشار در حجم سیستم مربوط می شود و کار انجام می دهد.
در یک فشار ثابت، تغییرات آنتالپی (dH) یک سیستم برابر با گرمای اعمال شده بر سیستم.
بنابراین برای تغییرات جزئی سیستم داریم:
dpdV حاصلضرب دو مقدار کوچک است که با صرف نظر کردن از آن خواهیم داشت:
بنابراین با جایگذاری (dq + dw) بجای dU خواهیم داشت به شرط بودن فشار ، dp برابر صفر خواهد شد و داریم: در نهایت به قسمت dw توج کنید. اگر سیستم هیچگونه کار الکتریکی یا مکانیکی و.. انجام ندهد، تنها کاری که می تواند انجام دهد، کار ناشی از pV (انبساط) است. در صورت ثابت بودن فشار، کار ناشی از انبساط تنها به pdV مربوط خواهد شد.، و هرگاه کار انجام شده منفی باشد، pdV نیز منفی خواهد شد. برای یک سیستم در فشار ثابت، تغییرات آنتالپی سیستم برابر با گرمایی است که به سیستم داده می شود. تبادی حرارتی و تغییر حالت اگر به مقدار حرارت کسب شده و دمای ماده بررسی شود، می توان ظرفیت گرمایی مواد را اندازه گیری کرد. · برای مثال مقدار حرارت لازم برای آنکه فشار در طی یک فرایند ثابت بماند. · ظرفیت گرمایی در فشار ثابت Cp و گرمای لازم بصورت زیر تعریف می شود.
· بنابراین Cp برابر شیب نمودار آنتلپی (H) و دما (T) است. برای بسیاری از مواد، ظرفیت گرمایی در فشار ثابت در هر دمای اختیاری T برابر است با شیب منحنی نمودار آنتالپی و دما.
حال به فرایند زیر توجه کنید که در آن اکسیژن و هیدروژن با یکدیگر ترکیب شده و آب تولید می کنند. در اینجا نیز فشار ثابت است، اما آنتالپی سیستم تغییر می کند. در این فرایند که تبدیل گاز به مایع است فشار ثابت می باشد و آنتالپی سیستم تغییر می کند. انتروپی : معمولاً قانون دوم ترمودینامیک را چنین توصیف می کنند که انتروپی جهان در طی یک فرآیند خود به خودی افزایش می یابد. سپس ΔS معرفی می شود. اما حقیقتاً انتروپی را چگونه می توان توضیح داد؟ قانون دوم ترمودینامیک یک برداشت منطقی از تجربه ی بشری است و از تئوری ها و معادلات پیچیده به دست نیامده است. بنابراین فکر کردن در مورد تجارب عادی می تواند در درک مفاهیم انتروپی بسیار موثر باشد. اگر سنگی را برداشته و رها کنیم، خواهد افتاد. هنگامی که ماهی تابه را از روی چراغ گاز بر می دارید، ماهی تابه و مواد داخل آن سرد خواهد شد. آهن در هوا زنگ می زند. اگر فشار در لاستیک بالا باشد، هوا از یک سوراخ کوچک آن به شدت خارج می شود تا به فشار پایین اتمسفری برسد. تکه های یخ در یک اتاق گرم ذوب می شوند. در این فرآیند ها چه اتفاقی می افتد؟ بعضی از انواع انرژی از تراکم به پخش شدن تغییر می یابند. دوباره به مثال ها توجه کنید تا این تغییر را در همه ی آن ها بررسی کنیم. و اما قانون دوم ترمودینامیک را چگونه می توان برای توجیه جهان بکار برد؟ انرژی به طور خود به خودی پخش می شود تا متمرکز نماند البته اگر عاملی آن را به تاخیر نیاندازد. اما مفهوم انتروپی و جهان چطیست در بسیاری از متون مورد بحث قرار می گیرد؟ به طور خلاصه انتروپی را از نظر می گذرانیم ولی «جهان» فقط به معنی «سیستمی است که شما آن رابه همراه محیط اطرافش می بینید . یعنی هر چیزی که اطراف آن را بسته است». سیستم بعلاوه محیط اطرافش یعنی جهان. حال به بررسی چند سیستم می پردازیم. 1.سنگ دارای انرژی پتانسیل است و هنگامی که آن را رها می کنید انرژی پتانسیل به جنبشی تبدیل می شود. همچنین هنگام سقوط در هوا، مولکول های آن را کنار می زند و مقداری از انرزی سنگ پراکنده می شود. در مدت برخورد با زمین، مقداری انرژی صوتی ( هوای فشرده ) را پراکنده می کند و اندکی باعث گرم شدن خود و زمینی که به آن برخورد می کند می شود. پس از یک دقیقه که مقدار ناچیزی از گرمای برخورد را در هوا پراکنده کرد، دیگر بدون تغییر است. ولی انرژی پتانسیلی که سنگ در لحظه ی رها شدن داشت، اکنون در محیط اطراف پخش شده است کمی در حرکت مولکول های هوا و کمی گرم داشت، زمین و هوا. سیستم :سنگ بالای زمین و سپس روی زمین. محیط اطراف:هوا به همراه زمین. 2.اتم های آهن در ماهی تابه داغ به سرعت در حال ارتعاش هستند. بنابراین انرژی حرکتی در ماهی تابه داغ متمرکز است. انرژی حرکتی اگر بتواند پخش می شود. هر گاه مولکول های هوای سردتر اتاق به ماهی تابه داغ برخورد می کنند اتم های مرتعش آهن مقداری از انرژی خود را به مولکول های هوا منتقل می کنند. بنابراین انرژی متمرکز ماهی تابه پخش می شود و به طور وسیع تر بین مولکول های هوا تقسیم می شود. سیستم: ماهی تابه و محیط اطراف : هوای اتاق. 3. اتم های آهن و مولکول های اکسیژن موجود در هوا شامل یک انرژی شیمیایی در میان پیوندهای شیمیایی خود هستند که این انرژی از انرژی موجود در زنگ آهن (اکسید آهن) بیشتر است. این دلیل واکنش اکسیژن با آهن است: آزاد کردن انرژی از سطح انرژی بالاتر موجود در پیوندهای اکسیژن به همراه پیوندهای آهن و شکل دادن سطح انرژی پایین تر موجود در پیوند های اکسید آهن? با همه این اختلاف در انرژی پخش شدن در محیط اطراف به صورت گرما نیز داریم یعنی واکنش گرمازا است و مولکول های محیط را وادار می کند که سریع تر حرکت کنند. سیستم: آهن? اکسیژن و اکسید آهن. محیط اطراف: هوای نزدیک? رطوبت یا نمک به همراه هر چیزی که با زنگ آهن در تماس است. انتروپی چیست؟ انتروپی پخش شدن خود به خودی انرژی را نشان می دهد: در یک دمای خاص،چه مقدار انرژی در یک فرآیند پخش می شود یا با چه وسعتی پخش می شود. ΔS =ΔHfusion/T or ΔHvaporization/T بعبارت دیگر انتروپی (S) کمیتی ترمودینامیکی است که اندازهای برای درجه? بینظمی در هر سیستم است. هر چه درجه? بینظمی بالاتر باشد، آنتروپی بیشتر است. بنابراین برای یک ماده?معین در حالت تعادل درونی کامل داریم: انتروپی جامد < انتروپی مایع < انتروپی گاز میزان کارتورگی یا بینظمی یک سیستم که به عنوان معیار خودبخودی واکنش بکار میرود، آنتروپی نامیده میشود که برحسب J/K.mol بوده و با S نمایش داده میشود. قانون دوم ترمودینامیک و آنتروپی قانون اول ترمودینامیک به معرفی انرژی درونی U منجر شد. این کمیت تابع حالتی است که بر مبنای آن، مجاز بودن یک فرآیند مورد قضاوت قرار میگیرد و بیان میدارد که فقط تحولاتی مجاز است که انرژی داخلی کل سیستم منزوی، ثابت بماند. قانونی که ملاک خودبخودی بودن را مشخص میسازد (قانون دوم ترمودینامیک) ، برحسب تابع حالت دیگری بیان میشود. این تابع حالت، آنتروپی S است. ملاحظه خواهیم کرد که بر مبنای آنتروپی قضاوت میکنیم که آیا یک حالت بطور خودبخودی از حالت دیگری قابل حصول میباشد. در قانون اول با استفاده از انرژی داخلی، تحولات مجاز مشخص میشود (آنهایی که انرژی ثابت دارند). از قانون دوم با استفاده از آنتروپی ، تحولات خودبخودی از بین همان فرآیندهایی مشخص میشود که بر مبنای قانون اول مجاز میباشد. از آنجایی که فرآیندهای برگشت ناپذیر (مانند سرد شدن شیئی تا دمای محیط و انبساط آزاد گازها) خودبخودی است، در نتیجه همه آنها با افزایش آنتروپی توام میباشند. این نکته را میتوان به این صورت مطرح کرد که در فرایندهای برگشت ناپذیر آنتروپی تولید میشود. از طرف دیگر ، در فرایند برگشت پذیر توازن وجود دارد، یعنی سیستم با محیط در هر مرحله در تعادل است. هر مرحله بسیار کوچک در این مسیر برگشت پذیر بوده و پخش نامنظم انرژی روی نمیدهد و در نتیجه آنتروپی افزایش نمییابد، یعنی در فرآیند برگشت پذیر آنتروپی ایجاد نمیشود. آنتروپی در فرآیندهای برگشت پذیر از بخشی از سیستم منزوی به بخش دیگری منتقل میگردد. تعریف آماری آنتروپی بر مبنای تعریف آماری ، فرض میشود که در واقع میتوانیم با استفاده از فرمول ارائه شده توسط لوودیگ بولتزمن (Ludwing Boltzmann) در سال 1896 ، آنتروپی را محاسبه کنیم:
k ثابت بولتزمن است.
این ثابت به صورت به ثابت گاز ربط دارد. کمیت W تعداد راههای متفاوتی است که سیستم میتواند با توزیع اتمها یا مولکولها بر روی حالتهای در دسترس به انرژی خاصی برسد. واحد آنتروپی با واحد k یکسان است. در نتیجه واحد آنتروپی مولی، میباشد؛ (این با واحد R و ظرفیت گرمایی یکی است. در روش ترمودینامیکی ، تمرکز بر روی تغییر آنتروپی در طول یک فرایند dS میباشد، نه مقدار S.تعریف dS بر این مبناست که میتوان میزان پخش انرژی را به انرژی مبادله شده به صورت گرما ، در حین انجام فرایند ربط داد. تعاریف آماری و ترمودینامیکی با هم سازگار میباشند. در شیمی فیزیک این یک لحظه نشاط آور است که بین خواص تودهای (که مورد نظر ترمودینامیک است) و خواص اتمها یک ارتباط برقرار شود. تغییر آنتروپی محیط تغییر آنتروپی محیط را با علامت "dS نشان میدهیم. علامت پریم مربوط به محیط سیستم واقعی که در سیستم منزوی بزرگ قرار دارد، مربوط میشود. محیط را با یک مخزن حرارتی بزرگ (عملا یک حمام آب) نشان می دهیم که در دمای T باقی می ماند. مقدار گرمای منتقل شده به مخزن در اثر انجام کار مانند سقوط یک وزنه را با "dq نشان میدهیم که این گرما به مخزن منتقل میشود. هرچه مقدار گرمای بیشتری به مخزن منتقل شود، حرکت حرارتی بیشتری هم در آن ایجاد میشود و از این رو ، پخش انرژی به میزان بیشتری اتفاق میافتد. یعنی:
از این نکته استنباط میشود که اگر گرما به مخزن سردی منتقل شود، کیفیت انرژی نسبت به موردی که آن گرما به مخزن گرمتری داده شود، انحطاط بیشتری خواهد داشت. در مورد اخیر میتوانیم در اثر جاری شدن گرمای "dq از یک مخزن سرد به مخزن سردتری کار استخراج کنیم، اما اگر این گرما مستقما به مخزن سردتر منتقل شود، استخراج چنین کاری امکان پذیر نیست. نتیجه میگیریم که اگر مقدار معین انرژی به صورت گرما به مخزن گرمی داده شود، آنتروپی کمتری ایجاد میشود تا اینکه آن انرژی به مخزن سردی داده شود. سادهترین راهی که میتوان این وابستگی دمایی را به حساب آورد، چنین است.
وقتی که مقدار زیادی حرکت حرارتی در دمای پایین ایجاد شود، تغییر آنتروپی بزرگی اتفاق میافتد. برای فرآیند آدیاباتیک q"=0 when ?S"=0 این نتیجه برای هر فرآیندی (برگشت پذیر یا برگشت ناپذیر ) صحیح است. تا زمانی که مناطق گرم محلی در محیط ایجاد نشود، یعنی زمانی این نتیجه صحیح است که محیط، تعادل درونی خود را حفظ کند. اگر مناطقی محلی بوجود آید، انرژی از این مناطق بطور خودبخودی پخش میشود و در نتیجه آنتروپی تولید میشود. دستور کار آزمایش: در یک ارلن 0.5لیتری حدود 250سی سی آب مقطر اضافه نموده حرارت می دهیم تا عمل انحلال تکمیل گردد.پس از انحلال اسید بنزوئیک در آب در دمای معین 10سی سی از محلول فوق را برداشته توسط سود 0.1 نرمال ودر مجاورت معرف فنل فتالئین مورد سنجش قرار دهید.همین عملیات را در دماهای دیگر با اختلاف 5-4سلسیوس از قبلی تکرار نمایید
[ سه شنبه 91/7/25 ] [ 11:48 عصر ] [ نبی ایمانی ]
[ نظرات () ]
|
|
[قالب وبلاگ : سیب تم] [Weblog Themes By : SibTheme.com] |