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.
مثلا تتراکلریدکربن (یک ماده ناقطبی) در آب نامحلول است. زیرا نیروی جاذبه به یک مولکول آب نسبت به یک مولکول دیگر قویتیر از نیروی جاذبه بین یک مولکول تتراکلریدکربن و یک مولکول آب است از این رو، مولکولهای تتراکلریدکربن رانده میشوند و این دو ماده، یک سیستم مایع دو لایهای تشکیل میدهد. بلورهای مشبک (مثلا الماس) که در آنها اتمهای تشکیل دهنده بلور با پیوند کووالانسی به یکدیگر پیوستهاند، در تمام مایعات نامحلولاند. این ساختار بلورین بسیار پایدارتر از آن است که با فرآیند انحلال از هم بگسلد یعنی هیچ جاذبه بالقوه بین حلال - حل شونده نمیتواند به قدرت پیوند کووالانسی موجود در این نوع بلور برسد.
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.
مثلا تتراکلریدکربن (یک ماده ناقطبی) در آب نامحلول است. زیرا نیروی جاذبه به یک مولکول آب نسبت به یک مولکول دیگر قویتیر از نیروی جاذبه بین یک مولکول تتراکلریدکربن و یک مولکول آب است از این رو، مولکولهای تتراکلریدکربن رانده میشوند و این دو ماده، یک سیستم مایع دو لایهای تشکیل میدهد. بلورهای مشبک (مثلا الماس) که در آنها اتمهای تشکیل دهنده بلور با پیوند کووالانسی به یکدیگر پیوستهاند، در تمام مایعات نامحلولاند. این ساختار بلورین بسیار پایدارتر از آن است که با فرآیند انحلال از هم بگسلد یعنی هیچ جاذبه بالقوه بین حلال - حل شونده نمیتواند به قدرت پیوند کووالانسی موجود در این نوع بلور برسد.
فرایند انحلال
میان مولکولهای کووالانسی ناقطبی، تنها نیروهای بین مولکولی موجود، نیروی لاندن است. ولی نیروهای جاذبه بین مولکولهای کووالانسی قطبی علاوه بر نیروهای لاندن، نیروهای دو قطبی - دو قطبی را نیز شامل میشود. در مواردی که پیوند هیدروژنی وجود دارد، نیروهای بین مولکولی به طور غیر عادی قوی است. از آنجایی که مواد ناقطبی فقط در حلالهای ناقطبی حل میشوند، ید که یک ماده ناقطبی است، در تتراکلریدکربن حل میشود.
نیروی جاذبه بین مولکولهای I۲ در ید جامد، تقریبا از همان نوع و اندازهای است که بین مولکولهای CCl۴ در تتراکلریدکربن خالص وجود دارد و از این رو، جاذبهای قابل توجه بین ید و تتراکلرید کربن ممکن میگردد و مولکولهای ید میتوانند با مولکولهای تتراکلریدکربن ممزوج شوند و محلول حاصل یک مخلوط مولکولی بینظم است. متیل الکل (CH۳OH) و آب (هر دو ماده قطبی) به هر نسبت در یکدیگر حل میشوند. در محلول متیل الکل و آب، مولکولهای CH۳OH و H۲O با پیوند هیدروژنی به هم پیوستهاند که در حالت مایع خالص نیز مولکولهای هر دو مایع بوسیله پیوند هیدروژنی به یکدیگر جذب میشوند.
مایعات قطبی (به ویژه آب) میتوانند حلال بسیاری از ترکیبات یونی باشند. یونهای مواد حل شده توسط مولکولهای قطبی با نیروی الکتروستاتیکی جذب میشوند، یعنی یونهای منفی توسط قطبهای مثبت مولکولهای حلال و یونهای مثبت توسط قطبهای منفی این مولکولها جذب میشوند. اینجاذبه یون - دو قطبی ممکن است نیروهای نسبتا قوی باشند و موجب میشود که یونها از بلور جدا شده و در فاز مایع شناور شوند. یونهای حل شده آبپوشیدهاند و در حالی که با غلافی از مولکولهای آب احاطه شدهاند در محلول حرکت میکند.
اثر دما بر انحلال پذیری
اثر تغییر دما بر انحلال پذیری یک ماده به جذب شدن یا آزاد شدن گرما به هنگام تهیه محلول سیر شده آن ماده بستگی دارد. با استفاده از اصل لوشاتلیه میتوان اثر تغییر دما بر روی انحلال پذیری یک ماده را پیش بینی کرد. اگر فرآیند انحلال ماده حل شونده، فرآیندی گرماگیر باشد، انحلال پذیری آن ماده با افزایش دما افزایش مییابد.
حل شده موجود در محلول سیر شده <-> حل شونده جامد انرژی
اگر انحلال ماده حل شونده فرآیندی گرماده باشد، با افزایش دما، انحلال پذیری ماده حل شونده کاهش مییابد.
معدودی از ترکیبات یونی (مثل Na۲CO۳، Li۲CO۳) بدین گونه عمل میکنند. علاوه بر این، انحلال پذیری
تمام گازها با افزایش دما، کاهش پیدا میکند. مثلا با گرم کردن نوشابههای گازدار، گاز دیاکسید کربن موجود در آنها از محلول خارج میشود. تغییر انحلال پذیری با تغییر دما به مقدار آنتالپی انحلال بستگی دارد. انحلال پذیری موادی که آنتالپی انحلال آنها کم است، با تغییر دما تغییر چندانی نمیکند.
اثر فشار بر انحلال پذیری
اثر تغییر فشار بر انحلال پذیری مواد جامد و مایع معمولا کم است ولی انحلال پذیری گازها در یک محلول با افزایش یا کاهش فشاری که به محلول وارد میشود، به میزان قابل توجهی تغییر میکند. «ویلیام هنری» در سال ۱۸۰۳ میلادی کشف کرد که مقدار گازی که در یک دمای ثابت در مقدار معینی از یک مایع حل میشود با فشار جزئی آن گاز در بالای محلول نسبت مستقیم دارد. فقط محلولهای رقیق در فشارهای نسبتا پایین از قانون هنری به خوبی پیروی میکنند. گازهایی که انحلال پذیری آنها بسیار زیاد است، عموما با حلال خود ترکیب میشود (مثلا گاز)
هیدروژن کلرید وقتی که حل میشود، با آن ترکیب شده و هیدروکلریک اسید تولید میکند. این محلولها از قانون هنری پیروی نمیکنند.
خون غواصها در عمق دریا تحت فشار نسبتا زیاد ویژه عمقی که در آن کار میکنند با هوا سیر میشود. اگر این فشار. در اثر بالا آمدن سریع سطح آب به سرعت برداشته شود، هوا به سرعت از محلول خارج شده و حبابهایی را در سیستم جریان خون غواص ایجاد میکند. این حالت که «آمبولی هوایی» نام دارد، بر تحریکات عصبی و سیستم جریان خون اثر گذاشته و ممکن است مرگ آور باشد. برای پیشگیری از این حادثه از جو هلیوم و اکسیژن به جای هوا که بخش عمده آن اکسیژن و نیتروژن است استفاده میشود، زیرا انحلال پذیری هلیوم در خون و مایعات بدن بسیار کمتر از نیتروژن است.
حلالیت را از دیدگاههای مختلفی میتوان طبقه بندی نموده و مورد بررسی قرار دهیم. از یک دیدگاه میتوان انواع انحلال را به چند دسته اصلی تقسیم کرد.
۱- انحلال گاز در گاز: (Gas in Gas)
تقریباٌ تمامی گازها بطور خیلی کاملی در هم حل میشوند و ترکیبات همگنی را میسازند. حرکت سریع مولکولهای
گاز و فاصله میان مولکولها و نیروی جاذبه بین ذرات که نیروی ضعیفی است سبب انحلال گازها در یکدیگر میگردد
. نمونه بارز این مورد را میتوان به هوا اشاره کرد که مخلوطی از اکسیژن و نیتروژن و آرگون و چند گاز دیگر است. و بطور بسیار عالی همگن است.
۲- انحلال گاز در مایع: (Gas in Liq)
این پدیده را میتوان با نفوذ مولکولهای گاز در مایع توضیح داد ولی این انحلال برای اکثر گازها مقدار کمی است هرچند گازهایی مانند آمونیاک در آب بخوبی حل میشوند و از این خاصیت برای جداسازی آمونیاک از آب در صنایع پتروشیمی استفاده میشود ولی از نمونههای عینی آن میتوان به هوای حل شده در آب و یا گاز موجود در نوشابهها اشاره کرد که با جوشاندن و یا باز نمودن درب نوشابه از آن خارج میشوند.
۳- انحلال مایع در مایع: (Liq in Liq)
شاید مهمترین بخش انحلال در مهندسی شیمی بخش انحلال مایع در مایع است که از آن برای استخراج (Extraction) مایعی امتزاج ناپذیر در مایع دیگری استفاده میگردد که بحث تفصیلی آن را میتوان در کتابهای عملیات واحد و انتقال جرم یافت.
در این مورد مهمترین عامل انحلال را میتوان همانندی یا مغایر بودن پیوندها دانست.
مشخص شده است که مایعات دارای پیوندهای قطبی در حلالهای دارای پیوندهای قطبی بخوبی حل میشوند و برعکس امکان پذیر نیست. از طرفی پیوندهای هیدروژنی هم بنوبه خود نقش مهمی را ایفا میکنند و همین پیوندها سببب انحلال فوق العاده عالی الکل در آب است.
۴- انحلال جامد در مایع: (Solid in Liq)
جامدات نیز در مایعات دارای درجه انحلال پذیری متفاوتی هستند و در اینجا هم نوع پیوندهای موجود در حل شونده و حل کننده دارای اهمیت زیادی است. اگر پیوند میان ذرات حل شونده قویتر از پیوندهای میان ذرات پس از حل شدن باشد انحلال به میزان بسیار جزئی صورت میگیرد بطوریکه در بسیاری از موارد انحلال قابل چشم پوشی است و اصطلاحاٌ گفته میشود که جسم حل نمیشود.
نمونه بارز اینگونه موارد را میتوان انحلال جامدات کووالانسی نظیر الماس در حلالهای معمولی دانست که قدرت پیوند کووالانسی بقدری زیاد است که ذرات حلال قطبی قادر به جدا کردن ذرات حل شونده نیستند.
جامدات یونی در حلالهای قطبی تقریباٌ بخوبی حل میگردند چون پیوند ایجاد شده میان ذرات پس از انحلال قویتر از پیوند میان ذرات قبل از انحلال است. بدین ترتیب سیستم به ترکیب همگنی میرسد که در آن ذرات حل شونده از اطراف توسط ذرات حلال محاصره شدهاند.
۵- انحلال جامد در جامد (Solid in Solid)
جامدات بطور عادی در هم حل نمیشوند چون جنبش مولکولی آنها بگونهای نیست که ذرات همدیگر را از شبکه خارج نمایند و در همدیگر حل شوند. جامدات را ابتدا باید ذوب کرد و سپس آنها را باهم مخلوط کرد و مخلوط را به آرامی سرد کرد. آلیاژهای موجود در بازار خود حاصل این انحلال است.
انحلالها را میتوان از دیدگاه دیگری نیز به دو دسته دیگر طبقه بندی کرد.
۱- انحلالهای خود بخودی
۲ - انحلالهای غیر خود بخودی
فرایندی اگر تمایل به پیشرفت در جهتی داشته باشد که هیچ نیروی خارجی بر آن اعمال نشود را فرایند خودبخودی مینامند.
دو عامل خودبخودی بودن واکنشها و فرایندها را میتوان کاهش سطح انرژی و افزایش میزان بینظمی بر شمرد.
اگر فرایندی در جهتی حرکت کند که آنتالپی آن کاهش و آنتروپی آن افزایش یابد، فرایندی کاملاٌ خودبخودی است.
برای تمامی فرایندها میتوان رابطه زیر را معتبر دانست
∆G = ∆H - T∆S
برای فرایندهای خودبخودی۰ ∆G <و برای فرایندهای غیر خودبخودی نیز۰ <∆G و برای فرایندهای تعادلی نیز ۰= ∆G این رابطه نشان میدهد که هرچه ∆H واکنشی بزرگتر باشد و میزان انتروپی آن افزایش بیشتری داشته باشد آن فرایند خودبخودیتر است. یعنی فرایندهای گرمازا بعلت اینکه میخواهند بسمت کاهش سطح انرژی بروند پس فرایندی خودبخودی است.
برای فرایندهای گرماگیر هم نقش دما تاثیر زیادی دارد و در دماهای بالا چون ترم T∆S دارای اهمیت زیادتری است پس چگونگی فرایند توسط تغییرات انتروپی کنترل میگردد.
انحلال گازها در مایعات با کاهش انتروپی همراه هستند و برای فرایندهای خودبخودی انحلال گاز در مایع باید تغییرات آنتالپی چنان زیاد باشد که این کاهش انتروپی را خنثی کرده و ∆G را منفی کند.
انحلال جامدات با افزایش میزان بینظمی همراه است و اگر∆H واکنش منفی باشد یعنی فرایند گرمازا باشد این انحلال بخوبی صورت میگیرد.
برای فرایندهای گرمازا: q+ S → S aq
باافزایش دمای سیستم حلالیت کاهش مییابد
برای فرایندهای گرماگیر: S + q → S aq
با افزایش دما حلالیت افزایش مییابد
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 میشوند اما سرعت تبادل ذرات بین دو فاز باهم برابر است و تغییری در سیستم دیده نمیشود.
افزایش دمای سیستم یعنی گرما دادن به ترکیب تعادل را طبق اصل لوشاتلیه در جهتی جابجا میکند 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 میشود.
معمولاٌ انحلال همراه با کاهش و یا افزایش دمای سیستم است اگر فرایند گرمازا باشد گرمای آزاد شده به ذرات سیستم داده میشود و سبب افزایش دمای کلی سیستم میگردد 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
میکند. گرمای آزاد شده و یا مصرف شده را گرمای انحلال مینامندو با H∆ نمایش میدهند.
گرمای انحلال:
گرمای انحلال، گرمایی است که به هنگام حل شدن مواد درحلال بامحیط اطراف مبادله میشود. بااندازه گیری تغییر دمای حلال پس از انحلال ماده میتوان گرمای انحلال را محاسبه
نمود. انحلال مواد درحلال طی سه مرحله انجام میپذیرد. درمرحله اول جاذبه بین بعضی از ذرات حلا
ل ازبین میرود، درنتیجه این مرحله گرماگیر است. درمرحله دوم جداشدن ذرات حل شونده صورت می
گیرد که این مرحله نیز گرماگیر خواهد بود. اما درمرحله سوم بین ذرات حلال وحل شونده جاذبه برقرار
میشود، که درنتیجه آن گرما آزاد خواهد شد. مجموع گرمای این سه مرحله گرمای انحلال (انحلال Δ
H) نامیده میشود، لازم بتذکر است که علاوه برعامل انرژی نقش عامل بینظمی را در انحلال
پذیری مواد باید درنظرداشت. انحلال اغلب مواد جامد درآب باافزایش بینظمی همراه است. مواد
جامد یونی ضمن انحلال درآب یونهای آبپوشیده تشکیل میدهند، و مواد کوالانسی مولکولی
نظیر الکل، اوره و شکر به کمک پیوند هیدروژنی وهم چنین مواد کوالانسی مولکولی قطبی، توسط
نیروی دوقطبی ـ دوقطبی و به صورت مولکولی درآب حل میشوند.
شرح آزمایش:
در این آزمایش هدف اندازه گیری ثابتهای ترمودینامیکی انحلال Pbcl۲ میباشد. جهت انجام این کار به طریق زیر عمل نمودیم: در ابتدا داخل یک بشر ۲۵۰ میلی لیتری، ۵/۱ گرم کرومات پتاسیم ریخته و در ۱۵۰ میلی لیتر آب مقطر حل نمودیم (شناساگر ۱ %). در مرحله بعد با استفاده از یک بالون ژوژه ۱۰۰ میلی لیتری، ۲۰۰ میلی لیتر آب مقطر داخل یک بشر ۲۵۰ ریخته و نوک اسپاتول کلرید سرب به آن اضافه نمودیم که در آب حل نمیشود.
در ادامه داخل بشر دماسنجی قرار داده و بشر را روی چراغ گاز گذاشته و حرارت دادیم. در ادامه در ۲۵، ۵۰، ۷۵ و ۹۰ درجه سانتیگراد، از این محلول با پی پت دقیقا ۲ میلی لیتر برداشته و داخل یک ارلن ۱۰۰ ریخته، با افزودن ۳۵ میلی لیتر شناساگر به آن با نیترات نقره ۱/۰ مولار تیتر نمودیم تا رنگ قرمز آجری بدست آید. در ادامه با توجه به بخش توضیحات، محاسبات مربوطه را انجام داده و مقدار ثابتهای ترمودینامیکی انحلال کلرید سرب را بدست آوردیم که در بخش محاسبات آمده است.گزارش کار اندازه گيري دبي به كمك وسايل اندازه گيري - جمعه سیزدهم مرداد 1391
کلمه شیمی یعنی چی؟؟ - جمعه سیزدهم مرداد 1391
زندگینامه آلبرت انیشتین+ عکس رنگی! - جمعه سیزدهم مرداد 1391
معرفی سایتی در زمینه مواد شیمیایی - جمعه سیزدهم مرداد 1391
معرفی کامل رشته شیمی محض و کاربردی - جمعه سیزدهم مرداد 1391
دانلود کتاب تشریح مسائل مکانیک سیالات استریتر - پنجشنبه دوازدهم مرداد 1391
راهنمای حفظ کردن آسان جدول تناوبی - سه شنبه دهم مرداد 1391
دانلود و آموزش نرم افزار Chem 4D Demo - سه شنبه دهم مرداد 1391
سایت رشته صنایع شیمیایی...
ما را در سایت سایت رشته صنایع شیمیایی دنبال می کنید
برچسب : نویسنده : علیرضا فرزادنیا chemis بازدید : 284 تاريخ : پنجشنبه 27 مهر 1391 ساعت: 15:23