آزمایش1: تعیین نقطه جوش

نام آزمایش:  تعیین نقطه جوش

تاریخ انجام آزمایش: 1399/7/21

نام تهیه کنندگان گزارش: شیرین رسولی _ زهرا جلالی

رشته تحصیلی تهیه کنندگان گزارش کار: مهندسی شیمی

نام استاد مربوطه: دکتر سهیلا صداقتی

نام آزمایش:  تعیین نقطه جوش

هدف آزمایش: اندازه گیری نقطه جوش در آزمایشگاه

تئوری آزمایش:

فشار بخار مایعات، بر اثر گرم شدن آن ها زیاد می شود؛ تا حدی که فشار بخار مایع برابر با فشار هوا می شود. در این حالت مایع شروع به جوشیدن می کند، این دما را دمای جوش مایع می نامند. به طور معمول دمای جوش در فشار 760 میلی متر جیوه (یک اتمسفر) اندازه گیری می شود . هرگونه تغییر در فشار، سبب تغییر در دمای جوش می شود. با کاهش فشار، دمای جوش نیز پایین می آید؛ زیرا انرژی گرمایی کمتری برای برقراری تعادل بین فشار بخار مایع و فشار هوا(که کم شده است) لازم است.

فشار بخار به درجه حرارت بستگی دارد. با توجه به منحنی فشار بخار برحسب دما برای آب (شکل 3)، آب در دمای انجمادش فشار بخار کمی دارد( 6 تا 4 میلی متر جیوه) ولی با افزایش درجه حرارت فشار بخار آن نیز زیاد می شود.

دمای جوش مایع در فشار یک اتمسفر را دمای جوش استاندارد یا نرمال آن مایع می نامند. برای مثال 100 درجه ی سانتی گراد، دمای جوش استاندارد یا نرمال آب می باشد. در صورتی که فشار استاندارد از 760 میلی متر جیوه کم تر باشد، جوشش در دمای پایین تری صورت می گیرد؛ چون دمای جوش متناسب با فشار است. چنانچه دمای جوش در فشا ر دیگری (به جز 760 میلی متر جیوه) تعیین شده باشد باید فشار ذکر شود. برای پی بردن به مقدار این ارتباط، جدول ویژه ای به نام نوموگراف وجود دارد که در صورت نیاز می توان از آن استفاده کرد. اکنون مایعی را در نظر بگیرید که در یک درجه حرارت معین در ظرف سرگشاده ای قرار دارد و مولکول های لایه ی بخار در بالای مایع می توانند از محوطه ی ظرف خارج شوند. بخاری که در بالای این نمونه است؛ از مولکول های هوا و نمونه تشکیل شده است. طبق قانون فشارهای جزئی دالتون، فشار کل خارجی در بالای مایع برابر با فشار بخار تعادل آن در درجه حرارت معین است. اگر درجه حرارت بالا رود، تعداد مولکول های نمونه در فضایی که در بالا و نزدیک مایع است افزایش می یابد و در نتیجه مقداری از هوا جابه جا می شود. در درجه حرارت بالا، فشار جزئی نمونه درصد بیش تری از فشار کل را تشکیل می دهد. با زیادشدن درجه حرارت، این فرآیند ادامه می یابد تا فشار بخار تعادل با فشار خارجی برابر شود و در این حال تمام هوا به طور کامل از ظرف خارج می شود. تبخیر باعث جابه جاشدن مولکول های گازی نمونه خواهد شد. بنابراین فشار بخار تعادل نمونه، یک حد نهایی دارد که بوسیله ی فشار خارجی معین می شوند. در این حد سرعت تبخیر مقدار زیادی افزایش می یابد.

عوامل مؤثر بر دمای جوش به طور خلاصه عبارتند از:

1 -فشار وارد بر سطح مایع که با دمای جوش نسبت مستقیم دارد.

2 - جرم مولکولی که درمورد هر دسته از ترکیب ها با افزایش جرم مولکولی، دمای جوش نیز افزایش می یابد.

3 - ایجاد پیوندهای بین مولکولی مانند پیوند هیدروژنی که سبب افزایش دمای جوش می گردد.

4 - استخلاف اتم یا گروه های اتمی به جای هیدروژن، سبب افزایش دمای جوش می گردد.

5 - وجود شاخه در ترکیب ها، به طور معمول سبب کاهش دمای جوش نسبت به ترکیب بدون شاخه می گردد.

6 - اثر ناخالصی ها روی دمای جوش به شدت تابع نوع ماده ی آلوده کننده است. اگر باقیمانده ی حلالهای زود فرّار موجود باشند، اثرهای قابل ملاحظه ای مشاهده می شود. برعکس؛ اضافه کردن ماده ای با همان دمای جوش (درحالت ایده آل) هیچ تأثیری ندارد. اغلب مقدار جزئی ناخالصی روی دمای جوش کم تر از دمای ذوب اثر می گذارد.

تصحیح دمای جوش

دمای جوش، یک ثابت فیزیکی مشخص است که در شناسایی مایعات استفاده زیادی دارد. اگرچه ناخالصی موجود، موجب کاهش یا افزایش دمای جوش مشاهده شده مایع می گردد، اما اندازه گیری دمای جوش برای تخمین خلوص مایع به دلیل وابستگی آن با تغییرات فشار و حساسیت متناوب هر مایع نسبت به ناخالصی، در مقایسه با نقش اندازه گیری دمای ذوب جامد برای تخمین خلوص آن، ناچیز و از اهمیت کمتری برخوردار است . به دلیل وابستگی شدید دمای جوش با فشار محیط در اندازه گیری دمای جوش، فشار محیط نیز باید ثبت گردد. دمای جوش مایعات در متون شیمی در فشار 760 میلی متر جیوه گزارش می شود؛ بنابراین لازم است تا با توجه به میزان اختلاف فشار نسبت به فشار استاندارد دمای جوش اندازه گیری شده تصحیح شود. پژوهشگرانی که در آزمایشگاه های مناطق مرتفع که فشار کمتری نسبت به سطح دریا دارند، کار می کنند، مجموعه ای از روش های تقریبی به منظور تصحیح دمای جوش تجربی یافته اند. این شیوه ها با تقطیر تعدادی از ترکیب ها با دماهای جوش معین حاصل شده است.

از اختلاف بین دمای جوش ثبت شده در متون شیمی و دمای جوش مشاهده شده، میزان تصحیح به دست آمده است.

جدول 2 مقدار تصحیح دمای جوش مایعات را به ازای 10 میلی متر جیوه اختلاف فشار نشان می دهد. هرچه اختلاف فشار بیشتر شود، میزان تقریب افزایش می یابد. انحراف جزئی از فشار 760 میلی متر (برای مثال 5 میلی متر جیوه) در کارهای معمولی قابل صرف نظرکردن است. برای مثال اگر دمای جوش ترکیب در 700 میلی متر جیوه برابر 5 درجه ی سانتی گراد باشد، میزان تصحیح در دمای جوش را حساب کنید؟

تغییرات دمای جوش به ازای تغییرات کم فشار

ابتدا دمای جوش مشاهده شده را به درجه ی کلوین تبدیل کنید، اگر مایع تجمع پذیر(آسوسیه) باشد، تقسیم بر 1020 (به ازای هر 10 میلی متر جیوه) نمایید. برای مایعات غیرتجمع پذیر (غیرآسوسیه) تقسیم بر (850 به ازای هر 10 میلی متر جیوه) کنید.

سپس عدد حاصل را (بر حسب تجمع پذیربودن یا تجمع پذیرنبودن) در 10/(760-10700) ضرب می کنیم تا میزان تصحیح دمای جوش حاصل گردد.

میزان تصحیح در دمای جوش= 10/(760-10700)* (میزان تصحیح به ازای 10 میلی متر اختلاف فشار)

میزان تصحیح در دمای جوش= (0.38 یا 0.32)*6

با استفاده از مثال و جدول 2، نتیجه می گیریم که به طور کلی، میزان تصحیح به ازای هر میلی متر جیوه اختلاف فشار معادل (4 -) ^10*1 برای مایعات تجمع پذیر و (4-) ^10*2 برای مایعات غیرتجمع پذیر دمای جوش ماده برحسب کلوین می باشد. بنابراین برای انحرافهای بیش از 20 میلی متر جیوه نسبت به فشار 760 میلی متر جیوه می توان دمای جوش نرمال را توسط دو فرمول زیر بدست آورد. برای مایعات غیرتجمع پذیر از فرمول:

برای مایعات تجمع پذیر از فرمول زیر بدست می آید:

روش کار تعیین دمای جوش به روش میکرو (لوله ی موئینی یا سیوولوبوف)

لوله ی موئینی که یک طرف آن توسط شعله مسدود شده، به وسیله ی نخ به یک دماسنج ببندید، به طوری که مخزن جیوه ی آن برابر دهانه ی باز لوله موئین باشد. سپس دماسنج را به نحوی داخل لوله ی آزمایش محتوی یک میلی لیترمایع موردنظر آویزان نمایید که مخزن جیوه ی آن داخل مایع قرار گرفته، و لی به انتهای لوله ی آزمایش متصل نباشد. سپس لوله ی آزمایش محتوی مایع و دماسنج را در حمام روغن یا پارافین قرار داده به آرامی حرارت دهید. در نزدیکی دمای جوش مایع، از دهانه ی لوله موئین حباب خارج می شود. چند لحظه حرارت را قطع نموده تا درجه دماسنج در دمای ثابت قرار گیرد. دوباره حرارت بدهید تا مایع کمی بجوشد. در این حالت که به سرعت حباب ها از دهانه ی لوله ی موئین خارج می شوند. حرارت را قطع کنید؛ در این حالت سرعت خروج حباب ها کم می شود. لحظه ای که آخرین حباب از دهانه لوله موئین خارج و قبل از اینکه مایع وارد لوله موئین شود، درجه دماسنج، دمای جوش را نشان می دهد (شکل 4).

                                           

وسایل مورد نیاز: حمام روغن، هیتر استیرر، دماسنج(الکلی یا جیوه ای)، لوله موئین، لوله آزمایش، پیپت، بست، گیره  و پایه آزمایشگاهی

مواد مورد نیاز: 2 سی سی ماده مجهول

شرح کار آزمایش:

برای انجام آزمایش نیاز به هیتری داریم(هیتر مقدار دمایی که می دهد مهم است) بعضی از هیترها تا 100 درجه بیشترنمی روند. بعضی تا 300 درجه می روند که می توان از آن استفاده کرد. در اینجا حمامی که انتخاب کردیم حمام روغن است (آب ممکن است در کار اختلال ایجاد کند). همیشه دستگاه هایمان کالیبره نیست (یعنی ممکن است هیتر استیرری که انتخاب کردیم، دردمای 100 درجه گذاشتیم؛ آب ممکن است که 100 درجه نباشد و به 110 درجه دما افزایش یابد (اگر 110 درجه باشد؛ بخارات ایجاد می شود، آن بخارات روی ماده تاثیر می گذارد و حتی نقطه دید ما را تحت تاثیر قرار می دهد، چون قرار است چشمی نقطه جوش را تشخیص دهیم.) پس از همان حمام روغن استفاده می کنیم .

لوله موئینی داریم که دو طرف آن باز است، به آن حرارت می دهیم، یک سر آن را باید ببندیم تا برای آزمایش مورد استفاده قرار گیرد.

یک سر لوله موئین را روی حرارت قرار داده و به صورت یکنواخت  می چرخانیم  تا سر آن بسته شود، بعد از آن که به صورت چشمی فهمیدیم که بسته شده، حرارت را کنار گذاشته تا مقداری سرد شود (هیچوقت لوله موئین داغ را به دستکش نزنید)، بعداز سرد شدن داخل آن را فوت می کنیم؛ اگر هوایی از آن خارج نشد، می توانیم مطمئن شویم که یک سر لوله موئین بسته شده است.

از ماده مجهول، حدود 2 سی سی را با استفاده از پیپت، داخل لوله آزمایش می ریزیم، با استفاده از بست؛ دماسنج و لوله آزمایش را به هم می بندیم ( همیشه دماسنج و لوله آزمایش باید هم سطح بوده، تا آن دو، دمای یکسانی داشته باشند.) برخی اوقات ممکن است نقطه جوش نشان داده شده، دقیق نباشد (بالفرض نقطه جوش بدست آمده و با آزمایش های متعدد ماده را شناسایی کردیم اما نقطه جوش به دست آمده صحیح نمی باشد؛ (چرا؟) (1- ممکن است هیتر استیرر کالیبره نباشد 2- دماسنج کالیبره نباشد) و بعد از آن  لوله موئین را از قسمت باز در داخل مایع قرار می دهیم، سپس آن رادر حمام  روغن با استفاده از گیره و پایه آزمایشگاهی به گونه ای تثبیت می کنیم که 1- دروسط حمام روغن باشد. 2- با کف حمام فاصله داشته باشد(چون دمای کف حمام  متفاوت است)، حرارت می دهیم تا حباب های ریزی در مدت زمان های متفاوت در داخل لوله موئین تشکیل شود، زمانی که حباب های ایجاد شده به صورت خطی باشد دماسنج  را می خوانیم که آن دما، نقطه جوش می باشد. در نمونه مورد آزمایش، دماسنج دمای 74 درجه را نشان داد، در نتیجه نقطه جوش ماده مجهول ما 74 درجه است.

توجه: دمای هیتر را به یک باره افزایش نمی دهیم، چون این ماده مجهول است، با افزایش سریع و یکباره دما، حالت شوک به ماده وارد می شود و حتی سبب تجزیه ماده شود و سبب می شود که دمای نشان داده شده همان نقطه جوش نباشد.

سوالات مطرح شده:

1-  الف) به منظور تعیین دمای جوش به روش میکرو، دمای دقیق چه هنگا م خوانده می شود؟ بحث کنید.

جواب: لحظه ای که آخرین حباب  از دهانه لوله موئین خارج و قبل از اینکه  مایع وارد لوله موئین شود، درجه دماسنج دما جوش را نشان می دهد.

ب) هر یک از این موارد چگونه بر دمای جوش اثر می گذارد؟ جرم مولکولی، استخلاف و ناخالصی غیر فرّار

جواب: افزایش جرم مولکولی در واقع باعث افزایش سطح مولکول و افزایش جاذبه بین مولکول ها و در نتیجه باعث افزایش نقطه جوش می شود. دلیل دیگر میتواند این باشد که هرچه مولکول سنگین تر باشد؛ انرژی بیشتری لازم است تا مولکول از سطح مایع جدا شود و به فضا برود. چون مولکول های ناخالصی در واقع با ایجاد پیوند با مولکول های حلال در داخل آن حل می شوند که این پیوند معمولا قوی تر از پیوندهای بین مولکول های حلال است. بنابراین به دمای بیشتری نیاز داریم تا بتوانیم پیوندهای جدید و قوی تر بین حلال و ماده ناخالصی را بشکنیم. اما همه ناخالصی ها لزوما دمای جوش آب را بالا نمی برند، بعضی مواد فرار هستند که میتوانند پیوندهای نسبتا قوی با حلال خودشان برقرار کنند و با ایجاد زوج های مولکولی (حلال و حل شونده) به مولکول های حلال درجدا شدن از سطح مایع کمک کنند.

2- دمای جوش مایعی در کنار دریا 270 درجه ی سانتی گراد است. اگر فشار به یک پنجم کاهش یابد، دمای جوش این مایع چه تغییری می کند؟

جواب: با کاهش فشار دمای جوش کاهش و با افزایش فشار دمای جوش افزایش می یابد.

3- در انتخاب منبع حرارتی در اندازه گیری دمای ذوب و جوش مواد گوناگون، چگونگی و شرایط انتخاب نوع حمام (آب، پارافین، روغن و سولفوریک اسید) را با ذکر دلیل توضیح دهید.

جواب: حمام و دماسنج باید مناسب آزمایش باشند، یعنی دمای جوش حمام باید همیشه از دمای جوش ماده مورد بررسی بیشتر باشد. برای مثال نمی شود ماده مورد بررسی دمای تقریبی جوش 150 درجه سانتی گرادی داشته باشد؛ ولی ماده ای که برای حمام استفاده می کنیم آب باشد (نقطه جوش آب حدودا 100 درجه سانتی گراد) زیرا قبل از رسیدن به دمای مورد نیاز آب به جوش آمده و دیگر دمای آن زیاد نمی شود. دماسنج هم باید توانایی  اندازه گیری  تا دمای بیشتر از150 درجه را داشته باشد تا بتواند اندازه گیری کند.همچنین منبع حرارتی ما هم باید بتنواند ماده را تا دمای جوش آن گرم کند. پس باید هیتری انتخاب کنیم  که توان مورد نیاز را بتواند تامین کند.