آزمایش 1
اندازه‌گیری آنتالپی خنثی شدن اسیدها و بازها
اعضای گروه: جواد سلیمانی ـ حبیب مهرشاد مورخ: 14/ 7 / 84
تئوری:
واحد گرما، کالری است و طبق تعریف 1، کالری مقدار حرارتی است که باید بوسیله یک گرم آب جذب شود تا درجه حرارت آن 1 درجه سانتیگراد بالا رود (گرمای ویژه آب 1Calg-1oC-1=). هر ماده در مقابل گرمای جذب شده ظرفیت حرارتی متفاوت از خود نشان میدهد و طبق تعریف، مقدار گرمای لازم برای گرم کردن یک گرم از هر ماده به اندازه یک درجه سانتیگراد ظرفیت حرارتی ویژه آن ماده نامیده میشود و ظرفیت حرارتی هر سیستم، مقدار گرمایی است که جذب میکند تا دمای آن 1 درجه سانتیگراد بالا رود.
C=q/ΔT (1)
C ظرفیت حرارتی، q مقدار گرمای جذب شده بر حسب کالری و ΔT تغییرات دما میباشد.
اگر به یک سیستم مقدار گرما (q) داده شود، مقداری از گرما صرف بالا بردن دمای سیستم (افزایش انرژی داخلی سیستم، Δu) و بقیه صرف انجام کار (W) میشود. بنابراین:
q= Δu+W
اگر فرآیندی در حجم ثابت صورت گیرد، کاری انجام نمی‌شود:
W=Pex ΔV
Δv=0
W=0
در نتیجه در حجم ثابت:
Δuqv (2)
که qv همان گرمای ذوب شده، ولی در حجم ثابت برای گاز و یا برای سیستم‌های کندانسه که تغییرحجمی ثابت ندارد، میباشد. رابطه (1) را به صورت زیر میتوان بیان نمود:
(3)
که Cv ظرفیت حرارتی در حجم ثابت و برابر با تغییرات انرژی داخلی به تغییرات درجه حرارت در حجم ثابت میباشد.
اگر فرآیندی در فشار ثابت صورت گیرد:
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 گرمای جذب شده در فشار ثابت و ΔH تغییرات آنتالپی سیستم نامیده میشود. با قرار دادن مقدار گرما در فشار ثابت، رابطه (1) نتیجه میشود:
(5)
که Cp ظرفیت حرارتی در فشار ثابت بوده و برابر با تغییرات آنتالپی نسبت به تغییرات دما در فشار ثابت میباشد.
آزمایش نشان میدهد که در موقع خنثی شدن محلول رقیق اسید قوی با محلول رقیق قلیایی قوی مقدار حرارت حاصل برای هر مول آب تقریباً ثابت است و ربطی به نوع اسید 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 خنثی شدن، این است که اسیدها و بازهای قو ی و نمک‌های آنها در محلول رقیق به صورت کاملاً یونیزه بوده و عمل خنثی شدن در حقیقت عبارت است از ترکیب یافتن یون هیدورژن با یون هیدروکسیل (OH-) و تولید یک مولکول آب. پس باید در عمل خنثی شدن ΔH حاصل برای یک مول آب ثابت باشد. معمولاً در 20 درجه سانتیگراد، مقدار آن را برابر 7/13- کیلوکالری می‌گیرند و میتوان نوشت:
H+ + OH- → H2O ΔH = -13.7 Kcal
و این عبارت است از آنتالپی تشکیل یک مول آب از یون‌های OH-, H+، اما در خنثی شدن اسید ضعیف با باز قوی یا باز ضعیف یا اسید قوی و یا اسید ضعیف یا باز ضعیف، حرارت حاصل از مقدار فوق کمتر است. همانطوری که از مثال‌های زیر پیداست:
ΔH: خنثی شدن قلیا اسید
-13.3Kcal سود سوزآور اسیداستیک
-12Kcal آمونیاک اسیداستیک
-3.8Kcal سود سوزآور اسید سولفیدریک
-1.3Kcal آمونیاک اسید سیانیدریک
در این مثال‌ها، خنثی شدن تنها ترکیب یافتن H+ با یون OH نیست، بلکه باید قبلاً اسید یا قلیای ضعیف به صورت دیسوسیه شده درآید تا یون OH-, H+ حاصل شود. حرارت اندازه گرفته شده، عبارت است از مجموع حرارت یونیزاسیون اسید یا قلیای ضعیف و حرارت خنثی شدن. مثلاً در خنثی شدن اسید سیانیدریک با سود سوزآور واکنش کلی عبارت است از:
HCN + NaOH → NaCN + H2O
ΔH=2.9KCal
که در حقیقت مجموع دو واکنش زیر است:
HCN → H+ + CN-
ΔH=x
H+ + NaOH → Na+ + H2O
ΔH=-13.7KCal
پس مطابق قانون هس (جمع‌پذیری آنتالپی تحولات) آنتالپی یونیزاسیون HCN برابر است با:
x – 13.7 = -2.9Kcal x = 10.8KCal
یعنی برای اینکه یک مول اسیدسیانیدریک به یون‌های متشکله دیسوسیه شود، 8/10 کیلوکالری حرارت لازم است (از یونیزاسیون مختصر HCN در محلول آبی رقیق صرف‌نظر میشود).
روش کار:
ابتدا یک لیتر محلول سود 2/0 نرمال و 250 میلی‌لیتر اسیدکلریدریک 8/0 نرمال و 250 میلی‌لیتر اسیداستیک 8/0 نرمال تهیه نمایید. نرمالیته هر یک را توسط سود استاندارد 1/0 نرمال در مجاورت فنل فتالئین بدست آورید.
درجه حرارت هر یک از محلول‌ها را توسط یک دماسنج معمولی 100-0 درجه سانتیگراد تعیین کنید. چنانچه دمای آنها بیشتر از دمای آزمایشگاه باشد، آنها را زیر شیر آب سرد قرار دهید تا به دمای آزمایشگاه برسند.
همچنین دمای محلول‌ها باید یکسان باشند. چنانچه دمای محلول‌ها برابر دمای آزمایشگاه و دمای یکدیگر نباشد، خطای بسیار زیادی در گرمای خنثی شدن پیش خواهد آمد (چرا؟).
کالریمتر مورد استفاده شامل یک کالریمتر و یک دماسنج معمولی میباشد. بمب کالریمتر را خش و تمیز نمایید. دقیقاً معادل 400 میلی‌لیتر سود 2/0 نرمال را توسط یک استوانه مدرج به داخل بمب منتقل نمایید. دماسنج را وارد بمب نموده و دما را یادداشت کنید. دقیقاً معادل100 میلی‌لیتر اسید کلریدریک 8/0 نرمال را توسط یک استوانه مدرج به داخل بمب کالریمتر اضافه کنید. مشاهده خواهید کرد که به محض مخلوط شدن اسید و باز، واکنش خنثی شدن و ایجاد گرما شروع میشود و دماسنج بالا رفتن درجه حرارت سیستم را نشان میدهد. افزایش دما در ابتدا بسیار سریع و به تدریج آهسته و بالاخره متوقف میشود و بعداً شروع به پایین آمدن مینماید (چرا؟).
آزمایش فوق را عیناً برای اسید استیک و سود تهیه شده تکرار نمایید. دقت کنید که وسایل مورد استفاده در قسمت دوم حتماً همان‌هایی باشد که در قسمت اول آزمایش بکار گرفته شده است.
محاسبات:
تغییرات درجه حرارت بر حسب درجه سانتیگراد را در دو قسمت آزمایش تعیین کنید. با توجه به رابطه (1)، برای قسمت اول آزمایش، ظرفیت حرارتی کالریمتر (ارزش آبی کالریمتر) محاسبه نمایید.
توجه داشته باشید که گرمای خنثی شدن هنگامی برابر با 13700 کالری است که باز و اسید بکار رفته در هر یک برابر با یک مول باشد، در غیر اینصورت مسلماً مقدار گرمای ایجاد شده متفاوت با آن است.
در مرحله دوم آزمایش، ظرفیت حرارتی کالریمتر در قسمت اول مشخص شده است. این بار با استفاده از رابطه (1) گرمای خنثی شدن را بدست آورده و سپس آن را برای خنثی شدن یک مول اسیداستیک و سود محاسبه کنید. حرارت حاصل را با مقدار 13700 کالری مقایسه و آن را تفسیر کنید.
آزمایش 2:
تعیین جرم مولکولی بوسیله تقطیر بخار آب
اعضای گروه: جواد سلیمانی ـ حبیب مهرشاد مورخ: 27/ 7 / 84
تئوری
انحلال بعضی از مایعات در یکدیگر آنقدر ناچیز است که میتوان آنها را عملاً غیرقابل حل در یکدیگر تلقی نمود. البته باید فراموش کرد که عدم انحلال مطلق دو مایع در یکدیگر صحیح نمی‌باشد. در چنین سیستم‌هایی هر مایع از لحاظ فشار بخار جزئی مربوط به طور مستقل عمل کرده و لذا فشار بخار کل برابر میشود با مجموع فشار دو یا چند مایع غیرقابل حل که سیستم را تشکیل می‌دهند. بدین ترتیب ترکیب فاز بخار به آسانی قابل محاسبه است. اگر سیستمی مرکب از دو مایع باشد و Pa, Pb به ترتیب نمایش فشار بخار مایعات P, a, b فشار بخار کل باشد، رابطه زیر برقرار است:
P=Pa+Pb (1)
هر مایع موقعی خواهد جوشید که فشار برابر با فشار اتمسفر شود. به همین ترتیب دو مایع غیرقابل حل نیز هنگامی که فشار بخار آنها برابر با فشار آتمسفر میشود، به جوش می‌آید (نقطه جوش مخلوط پایین‌تر از نقطه جوش مایع دیرجوش‌تر واقع می‌گردد). چون فشار بخار کل مستقل از مقدار نسبی دو مایعی است که سیستم تشکیل میدهد و بنابراین در نقطه جوش ترکیب فاز بخار و ترکیب مایع مقطر مادام که در ظرف تقطیر هر دو مایع وجود دارد، دما ثابت باقی خواهد ماند. هنگام جوش درجه حرارت ثابت باقی می‌ماند، اما به محض تمام شدن یکی از دو ماده نقطه جوش مایع به سمت نقطه جوش مایع باقی مانده میل کرده و این عمل با سرعت زیاد اتفاق می‌افتد. با توجه به رابطه (1) ملاحظه میشود که نقطه جوش مخلوط دو مایع غیرقابل حل، پایین‌تر از هر یک از دو مایع به تنهایی است، زیرا همانطور که ذکر شد، فشار بخار هر یک مستقل از دیگری عمل میکند و اگر na و این nb تعداد مول‌های دو مایع بخار شده و xa, xb مول جزئی هر یک آن دو باشد، طبق قانون فشارهای جزئی دالتون میتوان روابط زیر را بیان نمود:
Pa= xa.P=na/n.P (2)
Pb= xb.P=na/n.P (3)
که P و n فشار بخار کل و مول کل میباشد. از تقسیم دو رابطه فوق بر هم، نتیجه میشود:
Pa/Pb=(na/n.P)/nb/n.P)=na/nb (4)
تعداد مول برابر است با جرم، تقسیم بر جرم مولکولی، از این رو:
Pa/Pb=(Wa/Ma)/(Wb/Mb) (5)
که Wa, Wb جرم هر یک از دو بخار و Ma, Mb جرم مولکولی هر یک از آنها میباشد.
Wa/Wb=Pa.Mb/Pb.Mb (6)
چنانچه Pb فشار بخار آب باشد، با مشخص شدن فشار جزئی بخار آب در نقطه جوش میتوان جرم مولکولی ماده a را تعیین نمود. فشار بخار آب در دماهای مختلف به صورت جداولی در کتاب شیمی فیزیک وجود دارد و در آزمایشگاه نیز جدولی به این منظور فراهم گردیده است.
در این آزمایش، یک مایع آلی که غیرقابل حل در آب است، توسط بخار آب تقطیر میشود. میتوان به جای آب از مایع دیگری استفاده نمود، اما به علت فراوانی و ارزانی معمولاً برای تعیین جرم مولکولی با این روش از آب استفاده میشود. برای اینکه تقطیر توسط بخار آب با بهره بالا همراه باشد، شرایط زیر لازم است:
1. وزن مولکولی مایع موردنظر خیلی بزرگتر از آب باشد.
2. مایع موردنظر در آب کاملاً غیرقابل حل باشد.
3. فشار بخار مایع موردنظر در حوالی 100 درجه سانتیگراد قابل ملاحظه باشد.
روش کار:
4/3 ظرف تولید بخار را از آب مقطر پر نمایید و طبق شکل 1، دستگاه را سوار کنید. حدود 180 میلی‌لیتر مایع آلی مجهول همراه با 25 میلی‌لیتر آب در بالن دو دهانه بریزید. یک لوله شیشه‌ای برای ثابت بودن فشار بخار آب در ظرف تولید بخار نصب کنید. جریان آب را به مبرد وصل نموده و ظرف آب مقطر را حرارت دهید. حرارت وارده، آب را بخار نموده و بخار آب از طریق لوله رابط به بالن دو دهانه جریان یافته و باعث جوش و بالاخره تقطیر مخلوط آب و ماده آلی میشود.
حدود 15 میلی‌لیتر ماده تقطیر شده در آغاز آزمایش را جدا کرده و در یک دیکانتور بریزید (چرا؟). پس از رسیدن سیستم به دمای ثابت، دما را یادداشت کنید. 100 میلی‌لیتر از مایع تقطیر شده را در یک استوانه مدرج 100 میلی‌لیتری جمع‌آوری نمایید. مایع جمع‌آوری شده مخلوطی از ماده آلی و آب میباشد که به ترتیب جرم مخصوص بر روی یکدیگر قرار می‌گیرند. آن را مدتی به حالت سکون نگهدارید تا کاملاً از یکدیگر جدا شوند. حجم هر فاز را تعیین کنید. همچنین فشار آزمایشگاه و فشار بخار آب را از روی جدول و دانسیته ماده آلی مجهول را یادداشت نمایید.
محاسبات:
با مشخص بودن حجم ماده آلی و آب تقطیر شده و دانسیته هر یک، جرم آنها را محاسبه کنید. همچنین با تعیین دمای جوش و فشار بخار آب در این درجه حرارت و با مشخص بودن فشار کل از بارومتر، فشار بخار مایع آلی را محاسبه کنید.
با استفاده از رابطه (6)، جرم مولکولی ماده آلی را تعیین کنید.
آزمایش 3
اندازه‌گیری گرمای انحلال (به روش حلالیت)
اعضای گروه: جواد سلیمانی ـ حبیب مهرشاد مورخ: 28/ 7 / 84
تئوری:
آنتالپی انحلال، برخی از اجسام مانند اسید سولفوریک، سود، پتاس و ... عمل انحلال آنها در آب، با ایجاد گرما توام است و چون سرعت ایجاد گرما در اثر انحلال بیش از سرعت انتقال آن از محلول حاصل به محیط خارج میباشد، محلول گرم میشود تا آنکه با گذشت زمان، به تدریج محلول گرما را به محیط خارج منتقل کرده و سرانجام به دمای محیط می‌رسد.
در مقابل، برخی اجسام دیگر، مانند یدور پتاسیم، نیترات آمونیوم و ... عمل انحلال آنها در آب، با جذب گرما صورت میگیرد و این گرما به مصرف انرژی جنبشی مولکول‌های آب تامین میشود و چون سرعت مصرف گرمای لازم برای انحلال بیش از سرعت جذب گرما توسط محلول به محیط خارج میباشد، محلول سرد میشود. محلول با گذشت زمان، به تدریج نقصان دمای خود نسبت به محیط خارج را با گرفتن گرما از آن جبران کرده و سرانجام به دمای محیط می‌رسد. بدین ترتیب ممکن است انحلال بسته به ماهیت جسم حل شده و حلال، گرمازا یا گرماگیر باشد.
اجسامی که هنگام حل شدن در آب ایجاد گرما می‌کنند، فرآیند انحلال آنها، ایجاد ترکیبی بین آنها و مولکول‌های آب میباشد. مثلاً: انحلال اسید کلریدریک در آب با ایجاد یون هیدروژن هیدراته موسوم به یون هیدرونیوم همراه است، به نحوی که میتوان عمل انحلال را که واکنشی است گرمازا، به صورت رابطه زیر ارائه نمود:
HCL + H2O → H3O+Cl-
اما به هنگام انحلال اسیدسولفوریک، علاوه بر یون‌های هیدورژن، یون‌های سولفات نیز با مولکول‌های آب ترکیب شده و به صورت یون‌های سولفات هیدراته درمی‌آیند، به نحوی که میتوان عمل انحلال را به صورت زیر ارائه داد:
H2SO4 + 3H2O → 2H3O+ + (SO4, H2O)2-
به طور کلی اتصال بین مولکول‌های آب و یون‌ها، همواره یک پدیده گرمازاست. خواه از نوع اتصال هیدروژنی باشد که بین مولکول‌های آب و آنیون‌ها برقرار می‌گردد، خواه از نوع اتصال هم‌یونی باشد که بین مولکول‌های آب و برخی از کاتیون‌ها بوجود می‌آید و خواه از نوع اتصال الکترواستاتیک باشد که بین مولکول‌های آب و برخی دیگر از کاتیون‌ها رخ میدهد.
بنابراین به طور کلی، انحلال نمک‌های یون‌های حاصل از تفکیک آنها با مولکول‌های آب پیوند شده و به صورت یون‌های هیدراته درمی‌آیند، پدیده‌ای است گرمازا، از جمله میتوان سولفات مس سفید را نام برد که واکنش انحلال آن در آب به صورت رابطه زیر ارائه می‌گردد:
CuSO4+5H2O → (Cu, 4H2O)2++(SO4, H2O)2-
و باالعکس، نمک‌هایی که یون‌های حاصل از تفکیک آنها با مولکول‌های آب ترکیب نمی‌شوند، انحلالشان در آب، گرماگیر است، زیرا در این حالت انحلال فقط عبارت است از جدا شدن یون‌های مثبت و منفی از یکدیگری و چون انرژی لازم برای انجام این جدایی، یعنی انرژی لازم برای مقابله با نیروی جاذبه به الکترواستاتیک موجود بین یون‌های مثبت و منفی توسط مولکول‌های آب و یا در اختیار گذاردن مقداری انرژی سینتیک مولکول‌های آب، تامین می‌گرد، سبب میشود که سرعت حرکت مولکول‌های آب نقصان یافته و در نتیجه، محلول سرد شود. به عنوان نمونه، میتوان انحلال یدور پتاسیم را نام برد (KL→K++I-). نمک‌هایی که در انحلال خود، هر دو کیفیت، به وقوع می‌پیوندد، آنچه که به عنوان حرارت انحلال اندازه‌گیری میشود، حرارتی است که پس از بدست آمدن محلول (یعنی پس از انجام هر دو کیفیت) با محیط خارج مبادله می‌گردد.
توجه کنید که انحلال یک ماده در یک حلال، حالت خاصی از یک تعادل شیمیایی است و تغییرات حلالیت یک جسم بر حسب دما در یک حلال از رابطه زیر پیروی میکند:
(1)
چنانچه ΔH مستقل از تغییر درجه حرارت باشد، میتوان از رابطه (1) انتگرال
گرفت:
(2)
C ثابت انتگرال است. میتوان انتگرال فوق را در دو حد 1.2 انجام داد و به رابطه زیر رسید:
(3)
که S1, S2 به ترتیب حلالیت در دو درجه حرارت‌های HΔ, T1, T2 میانگین گرمای انحلال بین دو درجه حرارت ذکر شده و R ثابت گازها بر حسب کالری بر مول بر درجه حرارت است. حلالیت بر حسب گرم یا تعداد مول ماده حل شده در 100 گرم حلال بیان میشود.
در این آزمایش انحلال یک محلول در حالت اشباع در دماهای مخلتف اندازه‌گیری میشود. لذا از ماده‌ای که انحلال کمی در حلال آب دارد، استفاده میشود تا حالت اشباع آن سریع ایجاد گردد. موادی که برای این منظور مناسب‌اند، شامل اسید اکسالیک، اسید سوکسینیک، اسید بنزوئیک یا اسید تارتاریک و ... میباشد.
روش کار:
ابتدا 3 عدد ارلن مایر 100 میلی‌لیتری را تمیز شسته و درون آون قرار دهید تا خشک شوند. پس از خشک و خنک شدن ارلن‌ها، آنها را توزین نمایید.
سپس یک ارلن مایر 250 میلی‌لیتری انتخاب و در آن 150 میلی‌لیتر آب مقطر بریزید. درون ارلن 5/1 گرم اسید بنزوئیک بیافزایید (آیا مقدار حلال و مقدار ماده حل شونده مهم است؟ چرا؟) ارلن را روی هیتر حرارت دهید تا مواد جامد آن حل شود. سپس ارلن را از روی هیتر بردارید و وقتی که کمی خنک شد، ارلن را زیر شیر آب سرد بگیرید تا محلول اشباع سریعاً ایجاد شود و بلورهای اسید بنزوئیک تشکیل گردد. ارلن را توسط گیره، درون بن ماری (که دارای ترموستات جهت تنظیم درجه حرارت میباشد) قرار دهید. توجه کنید که باید حلالیت اسید بنزوئیک را در سه دمای مختلف اندازه بگیرید. بنابراین بین دماهای 45-20 درجه سانتیگراد سه دما به دلخواه انتخاب کنید (بهتر است درون محلول اشباع مستقیماً یک دماسنج قرار دهید تا دمای محلول را دقیق‌تر اندازه بگیرید).
در حالی که ارلن درون بن ماری و در دمای موردنظر قرار دارد، توسط یک پیپت ژوژه، 10 میلی‌لیتر از محلول اشباع درون ارلن برداشته و در یک ارلن مایر 100 میلی‌لیتری که قبلاً خشک و توزین شده، بریزید و برای اینکه کریستال‌های اسید بنزوئیک جامد وارد پیپت روژه نشود، به نوک بیرونی پیپت مقداری پنبه ببندید. ارلن حاوی 10 میلی‌لیتر محلول را مجدداً توزین کنید تا جرم دقیق محلول اضافه شده تعیین گردد. سپس آن را در مجاورت فنل‌فتالین با سود 1/0 نرمال آزمایشگاه تیتر کنید. میتوانید برای دقت بیشتر نمونه دیگری برداشته و پس از عمل فوق و اندازه‌گیری سود مصرف شده میانگین دو حالت را درنظر بگیرید. این اعمال را در دو درجه حرارت دیگر نیز انجام دهید (دقت کنید که اختلاف سه دمایی که کار میشود، کمتر از 5 درجه سانتیگراد نباشد). آیا لازم است دمای محلول‌ها در طول تیتراسیون ثابت بماند؟ چرا؟
محاسبات:
با استفاده از حجم سود مصرفی، نرمالیته و غلظت و بالاخره جرم اسید بنزوئیک را در هر نمونه محاسبه کنید. همچنین با مشخص بودن جرم هر نمونه اسید، جرم آب را مشخص و سپس درصد اسید حل شده در 100 گرم حلال آب را تعیین نمایید (که همان حلالیت اسید بنزوئیک در آب است و با S نمایش دهید).
تغییرات logs را بر حسب (1/T رسم کنید (T بر حسب کلوین است و 1/T را روی محور طول‌ها رسم کنید). بهترین خط مستقیم را بدست آورید.
از مقداهای Sای که محاسبه کرده‌اید، دو مقدار را در رابطه (3) قرار دهید و میانگین گرمای انحلال را مابین این دو دما بدست آورید. همچنین شیب خط نمایش تغییرات فوق برابر است با:
-HΔ/2.303R = شیب خط (slope)
با استفاده از شیب خط، ΔH را محاسبه و با مقدار محاسبه شده از فرمول تئوری مقایسه کنید. واحد گرمای انحلال را نیز مشخص نمایید.
آزمایش 4
فعالیت نوری (پلاریمتری)
اعضای گروه: جواد سلیمانی ـ حبیب مهرشاد مورخ: 26/ 8/ 84
تئوری:
نور دارای دو خاصیت ذره‌ای و موجی است. خاصیت ذره‌ای در مبحث فتوشیمی و خاصیت موجی در آزمایش نوری کاربرد دارد. بر طبق تئوری موجی نور از طریق حرکت موجی منتشر شده و توسط طول موج و صفحه نوسان مشخص میشود. ارتعاش‌های نور عرضی بوده و بردار ارتعاشی در روی صفحه موج قرار دارد. یعنی هر شعاع نورانی در هر لحظه روی صفحه‌ای که عمود بر امتداد فشار نور است، ارتعاش میکند، اما چون در روی هر سطح بی‌نهایت امتداد وجود دارد و امتداد ارتعاش نور در نور طبیعی از دو ارتعاش عمود بر هم تشکیل یافته است و اگر هر یک از این دو ارتعاش به طریقی حذف شوند، نور باقی مانده را نور پلاریزه شده می‌نامند.
بنابراین از هر شعاع نور طبیعی، میتوان دو شعاع نور پلاریزه تهیه نمود که در دو جهت عمود بر هم ارتعاش می‌نمایند. بهترین طریقه تهیه نور پلاریزه، استفاده از انکسار مضاعف در بلورهای کربنات کلسیم و یا کوارتز میباشد. هرگاه یک دسته شعاع نور طبیعی به بلور منشوری شکل کربنات کلسیم و یا کوارتز (SiO2 ) میباشد. هرگاه یک دسته شعاع نور طبیعی به بلور منشوری شکل کربنات کلسیم بتابد، قسمتی منعکس شده و قسمتی دیگر به دو دسته شعاع متمایز منعکس میشود. این پدیده را انکسار مضاعف می‌نامند. هر دو شعاع تولید شده که در دو صفحه عمود بر هم ارتعاش میکند، نور پلاریزه هستند. تنها مساله در اینجا، حذف یکی از دو شعاع نور پلاریزه میباشد.
این مطلب برای اولین بار توسط ویلیام نیکل در سال 1828 حل گردید. نیکل یک منشور کلسیت را از امتداد قطر AB بریده و سپس دو نیمه منشور را توسط چسب کانادایی که ماده کاملاً شفافی است، به هم متصل نموده و در ضمن زوایای روبروی محور بریده شده را دقیقاً به مقدار 68 درجه برش داد. تجربه نشان میدهد که هرگاه یک شعاع نورانی به نیمه اول منشور نیکل بتابد، دو شعاع نور پلاریزه تولید میکند که یکی از آنها از غشاء چسب عبور کرده و پس از عبور از نیمه دوم منشور خارج می‌گرد، ولی شعاع نور دوم نور پلاریزه وقتی با چسب برخورد میکند، انعکاس کامل پیدا کرده و در دیوارهای بالا و پایین منشور که به رنگ سیاه است، جذب شده و از محیط عمل حذف می‌گردد.
یک جسم فعال نوری، جسمی است که بتواند سطح نور پلاریزه را چرخش دهد، یعنی وقتی یک شعاع پلاریزه که در صفحه مشخصی نوسان میکند، از یک جسم فعال نوری عبور میکند. پس از خروج از جسم در صفحه دیگری نوسان خواهد کرد و دو صفحه با هم زاویه خاص تشکیل می‌دهند. بعضی از اجسام فعال نوری سطح نور پلاریزه را به سمت چپ (خلاف جهت عقربه‌های ساعت) و بعضی به راست دوران می‌دهند. در حالت اول، جسم را چپ‌بر و در حالت دوم، جسم را راست‌بر می‌نامند. گاهی اجسام چپ‌بر را با علامت منفی و اجسام راست‌بر را با علامت مثبت نشان می‌دهند.
اجسامی که به صورت محلول دارای عدم تقارن ساختمان مولکولی هستند، می‌توانند سطح نور پلاریزه را دوران دهند. یکی از انواع عدم تقارن به خصوص در مواد آلی، کربن نامتقارن میباشد که می‌توانند از نظر نور پلاریزه فعال باشند. به هرحال، مقدار چرخشی که صفحه نور پلاریزه هنگام برخورد و عبور از یک جسم فعال نوری نسبت به سطح قبلی خود ایجاد میکند را دوران مخصوص می‌نامند و مقدار آن توسط رابطه زیر بیان میشود:
[ ] Dt=100 λ /L.C (1)
که t درجه حرارت محیط اندازه‌گیری (معمولاً 20 درجه سانتیگراد)، D طول موج نور بکار رفته (معمولاً نور زرد تک رنگ سدیم با طول موج 5890 آنگسترم)، λ زاویه دوران (مقدار بدست آمده از پلاریمتر)، L طول لوله حاوی محلول را بر حسب دسیمتر و C غلظت محلول مورد اندازه‌گیری بر حسب گرم ماده در 100 میلی‌لیتر میباشد. به این ترتیب چنانچه مقدار دوران مخصوص ماده در دسترس باشد، میتوان با اندازه‌گیری مقدار چرخش نور در پلاریمتر، غلظت محلول را توسط رابطه فوق بدست آورد.
دستگاه اندازه‌گیری:
دستگاه اندازه‌گیری، پلاریمتر بوده و اجزای آن در شکل زیر نشان داده شده است.
دستگاه شامل منبع نوری S معمولاً چراغ سدیم و عدسی F میباشد که نور سدیم را به یک دسته اشعه موازی تبدیل میکند. اشعه موازی از منشور P (یک منشور نیکل) می‌گذرد. این منشور همانطور که قبلاً گفته شد، خاصیت پلاریزه کردن نور را دارد. نور پلاریزه شده از مانع C که فقط نصف میدان اشعه را اشغال میکند، می‌گذرد. مانع C از کواترز ساخته شده و نصف نور پلاریزه شده پس از عبور از آن اختلاف فازی به اندازه نصف طول موج با نصف دیگر پیدا میکند. این دو دسته اشعه آنگاه از لوله R که محتوی لوله مورد آزمایش است، عبور مینماید و در خاتمه به منشور دوم (A) می‌رسد. این منشور می‌تواند با 360 درجه دوران کند. دوران منشور A (که آنالیزر نام دارد) در یک جهت به طوری که در موقعیت مناسبی قرار گیرد، باعث تاریکی یک نیمه‌شب و روشنی نیمه دیگر میشود. دوران منشور فوق در جهت دیگر محل تاریکی و روشنی این دو نیمه میدان دید را عوض میکند. برای اندازه‌گیری زاویه دوران ماده منشور A را آنقدر باید دوران داد تا شدت نور در دو قسمت تاریک و روشن میدان دید یکسان شود و در ضمن با کوچکترین حرکت منشور دو نیمه تاریک و روشن ایجاد گردد.
روش کار:
پلاریمتر را به برق وصل نموده و آن را روشن نمایید. معمولاً حدود 10 دقیقه وقت لازم است تا دستگاه گرم شود. لوله حاوی را با آب مقطر کاملاً بشویید. دهانه لوله این لوله بوسیله پیچی فلزی باز میشود و بین این پیچ و لوله یک قطعه شیشه مسطح دایره‌ای شکل قرار دارد. دقت نمایید تا هنگام شستشو و بستن پیچ این شیشه نشکند. لوله را از آب مقطر پر کنید. دقت کنید که هیچ‌گونه حباب هوا داخل لوله باقی نماند. شیشه مسطح را بعد از پر کردن باید طوری قرار دارد که در زیر آن حبابی وجود نداشت باشد، آنگاه پیچ را روی شیشه مسطح محکم کنید. در اینجا باید دقت کافی بکار برد و به آرامی پیچ را دوران داد تا شیشه نشکند. بعد از این اعمال، دو طرف لوله (دو شیشه مسطح در دو طرف لوله) را با دستمال کاغذی تمیز کرده و سپس لوله را در پلاریمتر به صورتی قرار دهید تا یک سر لوله به عدسی چشم چسبیده باشد. سرپوش لوله را ببندید. انتهای پلاریمتر دارای سه عدسی است. در عدسی وسط تصویر قسمتی از نور زرد سدیم که از مایع کوارتز و مایع مورد اندازه‌گیری گذشته دیده میشود. این عدسی دارای دو پیچ تنظیم است.
پیچ انتهایی که برای روشن کردن و میزان نمودن تصویر و پیچ دیگر، در قسمن منشور A را دوران میدهد. تصویری که در این عدسی دیده میشود، دارای دو قسمت تاریک و روشن است. پیچ را باید آنقدر دوران داد که این دو ناحیه از نظر روشنی قابل تشخیص از هم نباشد. همچنین با کوچکترین دوران این پیچ نواحی تاریک و روشن را عوض میکند. بعد از میزان شدن دستگاه، مقدار دوران را میتوان در یکی از دو عدسی چپ و یا راست قرائت نمود. طریقه خواندن و رابطه بین درجه‌های دو عدسی به شرح زیر است:
صفحه مدرج وسی متصل است در طرفین صفحه مدرج و یا اختلاف 180 درجه دو عدسی چپ و راست قرار دارند. هنگامی که عدسی راست صفر است، عدسی چپ 180 و چنانچه عدسی راست 6 درجه باشد، عدسی چپ 186 را نشان خواهد داد. به هرحال، تفاوت این دو عدسی، 180 درجه میباشد. بنابراین از هر دو عدسی برای تعیین زاویه دوران میتوان استفاده نمود، ولی باید حاصل را نسبت به مبداء صفر دستگاه محاسبه کرد. چنانچه عددی از عدسی راست خوانده شود، دو حالت پیش می‌آید:
الف) عدد بین 0.180 درجه است. در این صورت چرخش به سمت راست بوده و همان عدد گزارش میشود.
ب) عدد بین 180.360 درجه است. در این صورت چرخش به سمت چپ بوده و باید 360 درجه از این مقدار کم نموده و عدد حاصل که منفی است، باید گزارش شود.
فرمت این مقاله به صورت Word و با قابلیت ویرایش میباشد
تعداد صفحات این مقاله 29 صفحه
پس از پرداخت ، میتوانید مقاله را به صورت انلاین دانلود کنید
دانلودمقاله گزارش کار آزمایشگاه شیمی فیزیک ـ تجزیه
