تعیین جرم مولکولی از طریق کاهش نقطه انجماد

در جهان هستی قوانینی بر اجزای تشکیل دهنده آن حاکم می باشد، که این قوانین و خواص درونی هر ماده باعث شده که مواد نسبت به موقعیت و شرایط (مثلاً در فرآیند انحلال در یکدیگر) رفتاری منظم و از روی قاعده از خود نشان دهند.

که انسان تا کنون با کشف این قوانین و به کار بردن آن ها در زندگی خود توانسته است به سؤالات پیرامون خود پاسخ دهد.

حل شدن ماده ای در ماده یا مواد دیگر یکی از این خاصیت ها می باشد که با استفاده از این خاصیت و رفتار محلول می توان به خصوصیات مختلفی پی برد که به این مجموعه خاصیت ها ، خواص کولیگاتیو می گویند. با به کارگیری این خواص می توان به ویژگی های متعددی از ماده حل شونده پی برد که یکی از آن ها جرم ملکولی ماده می باشد.

مقدمه

در جهان هستی قوانینی بر اجزای تشکیل دهنده آن حاکم می باشد، که این قوانین و خواص درونی هر ماده باعث شده که مواد نسبت به موقعیت و شرایط (مثلاً در فرآیند انحلال در یکدیگر) رفتاری منظم و از روی قاعده از خود نشان دهند.

که انسان تا کنون با کشف این قوانین و به کار بردن آن ها در زندگی خود توانسته است به سؤالات پیرامون خود پاسخ دهد.

حل شدن ماده ای در ماده یا مواد دیگر یکی از این خاصیت ها می باشد که با استفاده از این خاصیت و رفتار محلول می توان به خصوصیات مختلفی پی برد که به این مجموعه خاصیت ها ، خواص کولیگاتیو می گویند. با به کارگیری این خواص می توان به ویژگی های متعددی از ماده حل شونده پی برد که یکی از آن ها جرم ملکولی ماده می باشد.

در کل در این آزمایش به این می پردازیم که چگونه با استفاده از پتانسیل شیمیایی خواص فیزیکی محلول و درنتیجه خواص ماده ظاهر می شود.اصل کلیدی که برای فهم بهتر باید در ذهن داشته باشیم این است که پتانسیل شیمیایی هر ماده در فاز تمام فاز ها یکسان می باشد. خواهیم دیدکه چه طور  با استفاده از مشاهدات تجربی معروف به قوانین رائول و هنری می توان پتانسیل شیمیایی هر ماده را به کسر مولی آن ماده در مخلوط ربط داد. با داشتن این نتایج می توان اثر ماده حل شده را روی خواص ویژه ای از محلول محاسبه کرد.

این خواص شامل کاهش فشار بخار حلال ، صعود نقطه جوش ، کاهش نقطه انجماد و منشأ فشار اسمز است که به مجموع این ویژگی ها « خواص کولیگاتیو» می گویند.

1-1    تئوری آزمایش

حل شدن مواد در یکدیگر شامل چند مرحله می باشد. مرحله اول جدا شدن ذرات ماده حل شونده از یکدیگر که گرماگیر است ، مرحله دوم جدا شدن ذرات حلال از یکدیگر که این مرحله نیز گرماگیر می باشد و مرحله سود مخلوط شدن ذرات ماده حل شونده و حلال که گرمازا است.

در اثر انحلال جسمی در یک حلال  فشار بخار حلال پایین می آید. این امر، به نوبت ، خود موجب پایین آمدن دمای انجماد محلول می شود.

1-1-2      نگاه کلی

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 منجمد می‌شوند. وقتی در رادیاتور ماشین برای جلوگیری از انجماد آب ، ضد یخ اضافه می‌کنیم، از پدیده نزول نقطه انجماد استفاده کرده‌ایم.

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.
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

1-1-3  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.

1-1-4  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.

1-1-5  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.

نزول دمای انجماد حلال معمولاٌ به ساختار ملکولی جسم حل شده بستگی ندارد. بلکه به تعداد ذرات جسم حل شده بستگی دارد. در این جا منحصراٌ درباره اجسام حل شده غیر الکترولیت بحث می کنیم که در موقع انحلال در محلول یونیزه نمی شوند.اندازه نزول نقطه انجماد، به تعداد ذرات جسم حل شده بستگی دارد؛ بنابراین، غلظت محلول، بر حسب تعداد مول های جسم حل شده  در وزن معینی از حلال، بر حسب مولالیته بیان می شود.مولالیته یک جسم عبارت از تعداد مول های جسم حل شده در 1000 گرم حلال است.

نزول دمای انجماد ملکولی حلال kf، مقدار ثابتی است، زیرا با پایین آمدن دمای انجماد ناشی از انحلال یک جسم غیر الکترولیت، متانسب با مولالیته محلول است و از این رابطه به دست می آید:

ΔtF= KF * m

 tF0 – tF = KF m ٍِ ΔtF=

= مولالیته

در این آزمایش ابتدا نزول دمای انجماد (ΔtF) محلول های کامفور و نفتالن با غلظت های مختلف را اندازه می گیرند و از روی آن ثابت نزول دمای انجماد نفتالن ، KF را به دست می آورند, همچنین با استفاده از KF  نفتالن وزن ملکولی گوگرد را به صورت محلول در نفتالن را می توان به دست آورد.

دمای انجماد هر مایع را می توان با اندازه گیری سرعت سرد شدن مایع در هوا به دست آورد. هر جسم خالص در دمای ثابت منجمد می شود؛زیرا گرمایی را که حین ذوب شدن گرفته است( گرمای نهان ذوب) در هنگام سرد شده پس می دهد. در حالی که هر محلول اولاً دمای انجماد پایین تری نسبت به حلال خالص دارد و ثانیاً در طول عمل انجماد دما تغییراتی دارد و 100 % ثابت نیست ( مقدار گرمای که موقع سرد شدن پس می دهد کمتر از گرمای نهان ذوب است) منحی تغییرات دما، برحسب زمان برای سرد شدن یک مایع در شکل زیر نشان داده شده است. دمای انجماد هر مایع یا هر محلول دمای است که منحنی در دما شکستگی پیدا می کند.

1-     منحنی سرد شدن مایع خالص

2-     منحنی سرد شدن محلول

بر اساس منحنی 1 دما د طول عمل انجماد ثابت است، در حالی که در منحنی 2 دما تغییر می کند اما سرعت سرد شدن بسیار کاهش می یابد.

وزن ملکولی واقعی تعداد زیادی از اجسام حل شدنی مانند کامفر در نفتالن را می توان از راه تجربی به دست آرود، اما گاه ممکن است حل شونده در حلال مورد نظر تفکیک شود یا به صورت مجتمع در آید، مانند گوگرد در نفتالن که به صورت        Snاست و مقدار n از راه تجربه بدست می آید.                                              

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.

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 .

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.

1-1-7 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.

1-2 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 gr4 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 با کف بشر تماس نداشته باشد . 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 دررون حمام قرار می دهیم و سپس بعد از گرم شدن حمام آب تا دمای حدود 40 درجه سانتی گراد، لوله آزمایش محتوی 4 گرم نفتالین را درون آن قرار می دهیم و سپس صبر کرده تا دمای نفتالین به 50 درجه سانتی گراد برسد سپس با استفاده از کرنومتر با هر یک یا دو درجه تغییر دما زمان را ثبت کرده تا زمانی که دما نسبت به زمان تغییر نکند ؛این در حالی است که نفتالین ذوب شده است.در حالی که لوله آزمایش درون حمام آب گرم می باشد مقدار 3/0 گرم کافور به آن اضافه می کنیم و خوب هم می زنیم تا کافور در مذاب نفتالین خوب حل شود لوله آزمایش را از حمام آب گرم بیرون آورده و سپس به آرامی هم می زنیم تا در دمای محیط به صورت یکنواخت سرد شود و نیز از ابتدای کاهش دما هر یک یا دو درجه تغییر دما زمان را ثبت می کنیم و تا این که به دمای حدود 50 درجه سانتی گراد برسد .

سپس آزمایش را دوباره تکرار کرده ف به این صورت که نفتالین و کافور جامد شده را دوباره گرم کرده و مانند قبل زمان را بر حسب تغییرات دما یاداشت کرده تا جایی که دما نسبت به زمان تغییر نکند سپس 3/0 گرم دیگر کافور به آن می افزاییم و سپس دوباره آن را در محیط به طور یکنواخت ( توسط همزدن) سرد کرده و تغییرات دما نسبت به زمان را تا دمای 50 درجه سانتی گراد ثبت می کنیم . و به همین ترتیب با افزایش 3/0 گرم دیگر کافور به نفتالین آزمایش را انجام می دهیم.

سپس آزمایش بالا را برای گوگرد و نفتالین انجام می دهیم .به این صورت که مقدار 4 گرم نفتالین را همانند قبل درون لوله آزمایش ریخته و سپس در حمام آب گرم کرده تا ذوب شود.( تغییرات دما نسبت به زمان را ثبت می کنیم.)

مانند قیل بعد از ثابت شدن تغییرات دما نسبت به زمان، مقدار 3/0 گرم گوگرد ( که ماده مجهول محسوب می شود) به آن افزوده و به تدریج سرد می کنیم و تغییرات دما نسبت به زمان را یادداشت می کنیم .

به همین ترتیب آزمایش را بار دیگر با اضاف کردن 3/0 گرم دیگر و نیز باری دیگر با اضاف کردن 3/0 دیگر گوگرد به نفتالین  انجام می دهیم و نتایج را یادداشت می کنیم .

سپس با استفاده از مولالیته و اختلاف دمای انجماد نفتالین خالص و دمای انجماد نفتالین و ماده حل شده در آن می توان به جرم ملکولی و مولالیته ماده مجهول پی برد.

1-3  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.

2 – نمونه محاسبات

2-1 بدست آوردن دمای انجماد محلول ها از روی نمودارهای بخش 3

با توجه به نمودار تغییرات دما نسبت به زمان، طبق تعریف دمای انجماد یک مایع یا محلول دمایی است که نمودار در آن دما شکستگی پیدا می کند.

دمای انجماد محلول با توجه به نمودار بخش 3= میانگین دماهایی که نمودار در آنجا شکستگی پیدا می کند

دمای انجماد نفتالین خالص== 2 ÷ (78+74 )  76                   -1  دمای انجماد نفتالین + 3/0 گرم کافور== 2 ÷ (76+73 )  5/74                  

دمای انجماد نفتالین + 6/0 گرم کافور -2== 2 ÷ (75+71 )  73        

نکته: تمامی دما ها بر حسب درجه سانتی گراد می باشد.

دمای انجماد نفتالین + 3/0 گرم گوگرد-1== 2 ÷ (78+72 )  75          -2 دمای انجماد نفتالین + 6/0 گرم گوگرد== 2 ÷ (76+71 )  5/73  

دمای انجماد نفتالین + 9/0 گرم گوگرد-3== 2 ÷ (75+70 )  5/72 

2-2 بدست آوردن اختلاف دمای انجماد محلول و حلال خالص

ΔT= (دمای انجماد نفتالین خالص ) – (  دمای انجماد نفتالین و ماده حل شده در آن )

ΔT1= 5/74-76 =  5/1          ΔT2= 73-76 = 3                                                                   کافور:

ΔT1= 75-76 =  1            ΔT2= 5/73-76 =        5/2     ΔT3= 5/72-76 =  5/3                    گوگرد

2-3 بدست آوردن مولالیته محلول های نفتالین و کافور

مولالیته=                         ×                                                                        Mw,Kamfor= 24/152

m1= 4926/0  mol/kg  ( مولالیته )                           m2= 2179/1  mol/kg  ( مولالیته )       

2-4 رسم نمودار

رسم نمودار بر حسب اختلاف دما و مولالیته محلول نفتالین و کافور ، این نمودار خطی می باشد که شیب این خط برابر KF می باشد. می توان با توجه به فرمول زیر و خود نمودار و نیز اختلاف دمای انجماد محلول های نفتالین و گوگرد؛ مولالیته هر محلول نفتالین و گوگرد را  به دست آورد.

(نمودار به دلیل رعایت شیوه نگارش در بخش 3 می باشد.)

KF=

        در نمودار نزول دمای انجماد نفتالین که در بخش 3  رسم شده است نمودار خطی به دست آمده که معادله این خط y= 2.4336x +0.1124 می باشد و چون معادله درجه اول خطی می باشد، شیب خط برابر ضریب x یعنی 4336/2  بوده که این عدد برابر KF می باشد. بنابراین چون KF برای نفتالین ثابت می باشد می توان با توجه به فرمول بالا مولالیته را برای گوگرد حل شده در نفتالین را بدست آورد.                                                                                     4336/2=KF

 ΔT1= 1   (3/0 گرم گوگرد)         *    ΔT2= 5/2    (6/0 گرم گوگرد )           *  ΔT3 = 5/3   (3/0 گرم گوگرد )

KF = ΔT* m                           m1=41/0  mol/kg        m2=022/1   mol/kg          m3=438 /1  mol/kg€

2-5 بدست آوردن جرم ملکولی و تعداد اتم گوگرد در ساختار آن

مولالیته (m) =

Mw,1 =92/182                        92/182 = 32×x        x=5/5                     

Mw,2 = 77/146             77/146 =32 ×x          x=  5/4                    

Mw,3 =4/156                        4/156 = 32×x            x=8/4                     

      x~ 4

3- جداول و نمودار

جدول گرم کردن نفتالین + 0/6 گوگرد		جدول سرد کردن نفتالین + 0/9 گرم گوگرد
دما (درجه سانتی گراد)	زمان (min )	دما (درجه سانتی گراد)	زمان (min )
50	0	92	0
51	0.13	91	0.11
52	0.31	90	0.21
53	0.45	89	0.31
54	0.6	88	0.43
55	0.75	87	0.53
56	0.9	86	0.65
57	1.06	85	0.75
58	1.28	84	0.86
59	1.46	83	0.98
60	1.65	82	1.11
61	1.85	81	1.22
62	2.06	80	1.4
63	2.38	79	1.53
64	2.53	78	1.71
65	2.85	77	1.91
66	3.1	76	2.21
67	3.33	75	2.56
68	3.5	74	2.98
69	3.71	73	3.78
70	3.93	72	5.08
71	4.2	71	6.35
72	4.53	70	7.13
73	5.16	69	8.23
74	6.1	68	8.85
75	6.66	67	9.06
76	6.88	66	9.31
77	7.15	65	9.48
78	7.4	64	9.65
79	7.63	63	9.8
80	7.83	62	9.93
81	8.16	61	10.05
82	8.33	60	10.18
83	8.5	59	10.31
84	8.58	58	10.41
85	8.83	57	10.55
86	8.96	56	10.71
87	9.1	55	10.85
88	9.28
89	9.51

4- بحث و نتیجه گیری

از آن جایی که ما در این آزمایش به بررسی یکی از خواص کولیگاتیو که نزول نقطه انجماد می باشد، پرداختیم و با توجه به مشاهدات و نتیجه محاسبات در یافتیم که خواص کولیگاتیو فقط به مقدار ماده حل شده بستگی دارد نه به ساختار ملکولی جسم حل شده و یا حلال .

و نیز دریافتیم که KF (ثابت نزول دمای انجماد ) فقط تابع خواص حلال می باشد و به جسم حل شده ، لذا با تعیین آن برای یک جسم مشخص می توان مولالیته یک جسم نا معلوم را معین و  در نتیجه جرم ملکولی آن را تعیین کرد.

دمای انجماد یک مایع را می توان با اندازه گیری سرعت سرد شدن مایع در هوا به دست آورد . یک جسم خالص در دمایی ثابت منجمد می شود زیرا گرمایی که حین ذوب شدن گرفته است (گرمای نهان ذوب) در موقع سرد شدن پس می دهد. در حالی که یک محلول اولاً دمای انجماد پایین تری نسبت به حلال خالص دارد و ثانیاً در طول عمل انجماد ، دما تغییراتی دارد و صد در صد ثابت نیست ( مقدار گرمایی که هنگام سرد شدن از دست می دهد کمتر از گرمای نهان ذوب است).

پایین آمدن دمای انجماد یک حلال ، ناشی از انحلال یک جسم غیر الکترولیت ، متناسب با مولالیته محلول است و به صورت رابطه زیر می توان نشان داد.

ΔtF = KF × m

m = مولالیته

KF = ثابت نزول دمای انجماد حلال

ΔtF = کاهش دمای انجماد

5 - خطا

5-1 موارد خطا

الف) به تدریج حرارت ندیدن نفتالین و مناسب نبودن شیب دمای حمام

ب) اختلاف دمای بسیار زیاد شروع انجماد(ذوب) و انجماد(ذوب) کامل

ج) عدم امکان محاسبه دمای دقیق انجماد هر محلول از روی نمودار

5-2 دلایل خطا

الف) تعادل نداشتن شعله به دلیل وجود باد و نیز قرار دادن  لوله آزمایش که در دمای محیط می باشد درون حمام آب گرم و شوک حرارتی و نیز به تدریج گرم نشدن نفتالین به دلیل انجام این کار

ب) وجود نفتالین مایع در ساختار ملکولی نفتالین که باعث می شود که تغییرات دما بر حسب زمان غیر یکنواخت تر شده و فاز مایع باعث می شود که در مشاهده آزمایش قبل از رسیدن دمای نفتالین به دمای ذوب یا انجماد خطا به وجود  آید.

ج) از آن جایی که دمای انجماد هر محلول در نمودار محلی است که نمودار شکستگی پیدا می کند ، از این رو به دلیل این در آزمایش، تغییرات زمان بر حسب دما ثبت شده است. در نمودار شکست دمایی به خوبی قابل تشخیص نمی باشد.

5-3 پیشنهادات برای رفع خطا

الف) پس از هر بار انجام آزمایش صبر کرده تا دمای حمام پایین آمده و با دمای محیط هم دما شده و سپس دوباره آزمایش را شروع کرد.

ب) هم زدن نفتالین داخل لوله آزمایش هم در زمان ذوب و هم انجماد.

ج) به جایی این که تغییرات زمان را بر حسب دما ثبت کنیم باید تغییرات دما را بر حسب زمان یادداشت کرد.

دانلود گزارشکار | پسورد : kimiagari.ir