پژوهش و تحقیق

v\:* {behavior:url(#default#VML);} o\:* {behavior:url(#default#VML);} w\:* {behavior:url(#default#VML);} .shape {behavior:url(#default#VML);}

Normal 0 false false false EN-US X-NONE FA MicrosoftInternetExplorer4 /* Style Definitions */ table.MsoNormalTable {mso-style-name:"Table Normal"; mso-tstyle-rowband-size:0; mso-tstyle-colband-size:0; mso-style-noshow:yes; mso-style-priority:99; mso-style-qformat:yes; mso-style-parent:""; mso-padding-alt:0cm 5.4pt 0cm 5.4pt; mso-para-margin:0cm; mso-para-margin-bottom:.0001pt; mso-pagination:widow-orphan; font-size:10.0pt; font-family:"Times New Roman","serif";}

انجماد

ديد کلي

ماده از سه حالت جامد ، مايع ، گاز تشکيل شده است که اين سه حالت ، تحت شرايط خاصي قابل تبديل به يکديگر هستند. آب به‌عنوان يک مايع در صورت حرارت دادن تا بالاتر از نقطه جوش تبخير شده ، به حالت گاز در مي‌آيد و اگر آن را تا زير صفر سرد کنيم، منجمد شده ، يخ تشکيل مي‌دهد. هر مايعي نقطه انجماد مخصوص خود را دارد آب در صفر درجه شروع به انجماد مي‌کند.

برخي از مواد در دماهای پايين تر و برخي ديگر در دماهاي بالاتر منجمد مي‌شوند. يخ بستن آب ، شناخته شده ترين فرايند انجماد است که همه ما با آن آشنا هستيم. اما در اين بحث سعي مي‌شود با روش علمي آنچه را که هنگام انجماد يک مايع رخ مي‌دهد، توضيح دهيم.

تئوري انجماد

خواص حالت مايع حد واسط بين بي‌نظمي کامل مولکولي در حالت گاز و آرايش منظم مولکولي در حالت جامد است. در مايعات ، مولکولها به قدري آهسته حرکت مي‌کنند که نيروهاي جاذبه بين مولکولي مي توانند آنها را در حجم معيني نگه دارند. با اين حال ، جنبش مولکول ها هنوز آنقدر سريع است که نيروهاي جاذبه بين مولکولي بتوانند آنها را در مواضع مشخصي از شبکه بلوري ثابت نگه دارند.

با سرد شدن مايع ، حرکت مولکول هاي آن بيش از پيش کند مي‌شود و سرانجام در دماي معيني انرژي جنبشي تعدادي از مولکول ها به قدري کم مي‌شوند که نيروهاي بين مولکولي مي‌توانند آنها را در يک شبکه بلوري نگه دارند. در اين حال انجماد آغاز مي‌شود و مولکول هاي کم‌انرژي به‌تدريج در نقاطي از شبکه بلوري قرار مي‌گيرند.

نقطه انجماد نرمال

نقطه انجماد نرمال يک مايع ، دمايي است که در آن ، مايع و جامد تحت فشار کل 1atm در حال تعادل هستند. در نقطه انجماد ، دماي سيستم مايع - جامد ثابت مي‌ماند تا تمام مايع منجمد شود. مقدار گرمايي که بايستي از مواد در نقطه انجماد گرفته شود تا يک مول آن منجمد گردد، گرماي مولي تبلور ناميده مي‌شود. اين مقدار برابر با تفاوت محتواي گرمايي مايع و جامد است.

مايع زير انجماد

گاهي مولکول هاي يک مايع به هنگام سرد شدن به دمايي پايين تر از نقطه انجماد مي‌رسند، ولي حرکات نامنظمي را که مخصوص حالت مايع است، از دست مي‌دهند در اين حال گفته مي‌شود که مايع زير انجماد مي‌باشد در اين حالت اگر يک ميله همزن را از درون به ديواره ظرف محتوي مايع بکشيم يا يک دانه کوچک بلور جامد در درون محلول بيندازيم ، تبلور در اطراف آن صورت گرفته و دماي محلول به نقطه انجماد باز مي‌گردد و تعادل پايدار مايع - جامد برقرار مي‌باشد. اين فرآيند تبلور ، گرما توليد مي‌کند تا دما به نقطه انجماد باز گردد.

جامدات شيشه‌اي

برخي از مايعات مي‌توانند حالت زير انجماد خود را به مدت طولاني حفظ کنند. مولکول هاي اين مايعات به هنگام سرد شدن به جاي اينکه شکل هندسي منظم بلوري به خود بگيرند، با آرايش نامنظمي که خاص حالت مايع است، جامد مي‌شوند. اين گونه مواد ويسکوزيته نسبتاً زيادي دارند و معمولا شکل مولکولي آنها پيچيده است، به همين علت به‌سختي متبلور مي‌شوند. اين مواد را معمولا جامدات بي‌شکل يا شيشه ‌مانند مي‌نامند.

شيشه ، قير و برخي پلاستيک ها از اين نوع هستند. برخي از اين مواد را مي‌توان با سرد کردن تدريجي رقيق و با تغييرات بسيار کند در حالت زير انجماد متبلور کرد.

نزول نقطه انجماد

وقتي يک حل شونده غير فرار در يک حلال حل مي‌شود، نقطه انجماد آن کاهش مي‌يابد. بنابراين دماي انجماد محلول هاي آبي هميشه کمتر از دماي انجماد آب خالص است. استفاده از اين خاصيت در رادياتور اتومبيل مي‌باشد که براي جلوگيري از يخ زدن آب رادياتور اتومبيل در زمستان است ، به این صورت که به آن مقداري مايع به نام ضد يخ مي‌افزايند. همچنين با اضافه کردن نمک ( مانند کلريد سديم ) همراه با شن ريز روي آسفالت  خيابان هاي شهر ، هيدراته شدن يون هاي نمک ها مستلزم مصرف مقداري آب است که از ذوب شدن برف فراهم مي گردد. بنابراين آب نمک غليظي فراهم مي‌شود که حتي در 20 درجه زير صفر منجمد نمي‌شود . محلول هاي شامل مقدار کمي از ماده حل شده ، در دماهاي پايين تر از حلال خالص منجمد يا ذوب مي‌شوند.  شيميدان ها از اين روش براي بررسي خلوص جامداتي که در آزمايشگاه تهيه کرده‌اند، استفاده مي‌کنند. با مقايسه نقطه ذوب نمونه تهيه شده با نمونه خالص ، ميزان ناخالصي موجود در نمونه را حدس مي‌زنند.

نزول نقطه انجماد هم مانند صعود نقطه جوش ، نتيجه مستقيم کاهش فشار بخار حلال بر اثر حضور ماده حل شده است. نقطه انجماد يک محلول دمايي است که در اين دما فشار بخار حلال موجود در محلول مانند فشار بخار حلال جامد خالص است. اين موضوع نشان مي‌دهد که هنگام انجماد محلول ، حلال خالص ( مثل يخ ) جدا خواهد شد و در عمل هم اين اتفاق مي‌افتد. نزول نقطه انجماد هم متناسب با غلظت ماده حل شده است و از رابطه زیر بدست مي‌آيد :

در اين معادله  T_f صعود نقطه جوش بر حسب درجه سيلسيوس ، m غلظت مولال و K_f ثابت مربوط به حلال مورد نظر است .

تعیین جرم مولکولی از طریق کاهش نقطه انجماد

براي تعيين جرم مولکولي از نزول نقطه ي انجماد استفاده مي شود زيرا نزول نقطه ي انجماد يکي از خواص کوليگاتيو است.

خواص كوليگاتيو خواصي از محلول هستند كه به غلظت ذرات حل شده بستگي داشته و مستقل از ماهيت آن‌هاست. اين خواص عبارتند از :

1-    كاهش نقطه انجماد

2-     صعود نقطه جوش

3-    كاهش فشار بخار

4-    فشار اسمزي

بر طبق يكي از قوانين شيمي، خواص كوليگاتيو با افزايش ناخالصي افزايش مي يابد و براي يك حلال خالص كمترين مقدار خود را دارند. بر اين اساس آب خالص در صفر درجه سانتيگراد (در فشار 1 اتمسفر) منجمد مي شود. حال چنانچه به اين آب مقداري ناخالصي (مانند نمك) اضافه گردد، ديگر اين آب در صفر درجه منجمد نمي شود، بلكه نقطه انجماد آن نزول پيدا كرده و بر فرض ممکن است اين محلول در 5- درجه سانتيگراد منجمد شود. همچنين آب خالص در 100 درجه سانتيگراد به جوش مي آيد اما با افزايش كمي نمك يا شكر به آب ديگر آب در 100 درجه نمي جوشد بلكه مثلاً در 103 درجه مي جوشد و هر چه ميزان ناخالصي افزايش يابد، اين افزايش درجه نيز بيشتر مي شود. به همين دليل براي آب شدن يخ به آن نمك مي افزايند تا ديگر در آن نقطه دمايي منجمد نباشد و براي منجمد باقي ماندن بايد دما را مثلا 5 يا 6 درجه (بسته به ميزان نمك افزودني) كاهش داد. در حالي كه هدف ذوب كردن يخ است ، هر چه ميزان نمك را افزايش دهيم ، ذوب شدن يخ سريعتر اتفاق مي افتد.

بنابراين خواص كوليگاتيو به ميزان ناخالصي بستگي دارد ، هر چه ميزان نمك بيشتر باشد ، نقطه جوش بيشتر افزايش مي يابد. در اين مورد بايد اضافه كنیم كه اين خواص به تعداد ذرات بستگي دارد. به عنوان مثال يك مول نمك سديم كلريد به دو مول يون هاي سديم و كلريد تبديل مي شود ، اما يك مول شكر تفكيك نمي شود و يك مول شكر، همان يك مول ذره را دارد. بنابراين در افزايش نقطه جوش يا كاهش نقطه ذوب ، افزايش يك مول نمك سديم كلريد ، معادل افزايش دو مول شكر عمل خواهد كرد.

بنابراين خواص كوليگاتيو به شدت تحت تاثير تعداد ذرات حل شونده در محلول قرار مي گيرند . هر چه تعداد ذرات بيشتر باشد ، اين خواص با شدت بيشتري تحت تاثير قرار مي گيرند.

در اين بين جسم حل شوند ه ي غير فرار يا جسمي كه با مولكول هاي آب پيوند برقرار مي كند ، در بعضي از خواص با شدت افزايش بيشتري همراه است.

همانطور كه بيان شد ، كاهش نقطه ي انجماد يكي ديگر از خواص كوليگاتيو است . به كمك روابط ترموديناميكي كه در شيمي فيزيك آمده است ، مي توان ميزان كاهش نقطه ي انجماد يك محلول را به كمك ميزان غلظت ماده ي حل شونده ، نقطه ي انجماد در حالت بدون افزايش حل شونده ، آنتاپي ذوب و مقدار R را بدست آورد :

كه در اين معادله  تغيير و ميزان كاهش نقطه ي انجماد ،  نقطه ي انجماد اوليه و xB جزء مولي ماده ي حل شونده است .

حال مي توان معاده ي بالا را به جاي اينكه بر حسب جزء مولي نوشت ، بر حسب مولاليته جسم حل شونده نوشت:

كه m مولاليته است و با داشتن آن مي توان جرم مولکولي را به دست آورد و  ثابتي موسوم به ثابت نزول نقطه ي انجماد است و فقط تابع خواص حلال مي باشد.

نکته :                                          

M : جرم مولکولی ماده              W : مقدار گرم ماده                G : وزن حلال به گرم

اندازه‌گيري نزول نقطه انجماد يک حلال

جرم مولكولي جسم حل شده در يك حلال را مي توان با استفاده از بالا رفتن دماي جوش يا پايين آمدن دماي انجماد، تعيين كرد ، یعنی با اندازه‌گيري نزول نقطه انجماد يک حلال که به مقدار مشخصي از ماده مورد آزمايش اضافه شده باشد. اين روش به نام روش انجماد سنجي خوانده مي‌شود.

براي اين كار جرم معيني از جسم حل شده را به جرم معيني از حلال اضافه مي كنند. مي دانيد هنگامي كه مقداري ناخالصي به حلال افزوده مي شود، دماي جوش محلول نسبت به دماي جوش حلال خالص افزايش و دماي انجماد محلول نسبت به دماي انجماد حلال خالص ، كاهش مي يابد.

حال پس از افزايش جرم معيني از جسم حل شده به جرم معيني از حلال، تغيير دماي جوش يا انجماد را اندازه مي گيرند. از اين تغيير مي توان براي محاسبه ي تعداد مول هاي جسم حل شده اي كه جرم كل آن در ابتدا مشخص بود، استفاده كرد. تعداد مول ها را اندازه مي گيرند و سپس جرم كل را به تعداد مول ها تقسيم مي كنند، جرم مولكولي ماده به دست مي آيد.

مثال: اگر 99 گرم از جسم حل شده ي يونش ناپذير را در 669 گرم آب حل كنيم و دماي انجماد محلول به دست آمده 960/0- درجه سانتيگراد باشد، جرم مولكولي جسم حل شده چقدر است؟

الف) مولاليته محلول را تعيين مي كنيم :

مولاليته برابر است با ميزان كاهش دماي انجماد تقسيم بر 853/1 .

(مي دانيد يك مول از ذرات جسم حل شونده ، دماي انجماد 1 كيلوگرم آب را 853/1 درجه سانتيگراد پايين مي آورد )

بنابراين مولاليته برابر است با 960/0 تقسيم بر 853/1 كه برابر است با 518/0 مول بر كيلوگرم.

ب) جرم مولكولي را حساب مي كنيم كه برابر است با 286 گرم بر مول

 

 

 

 

 

منابع

1- سایت فرهنگی و اطلاع رسانی تبیان                                                     http://www.tebyan.net

2- سایت آموزشی آکادمیست     http://www.academist.ir/forum/showthread.php?tid=716

3- سایت علمی و آموزشی رشد    http://daneshnameh.roshd.ir/mavara/mavara-index.php