مطالعه تجمع یونی با نگرش ترمودینامیكی (تجربی،نظری)

دسته: فنی و مهندسی
بازدید: 14 بار
فرمت فایل: doc
حجم فایل: 597 کیلوبایت
تعداد صفحات فایل: 63

مطالعه تجمع یونی با نگرش ترمودینامیكی (تجربی،نظری) در 63 صفه ورد قابل ویرایش

قیمت فایل فقط 7,000 تومان

مطالعه تجمع یونی با نگرش ترمودینامیكی (تجربی،نظری) در 63 صفه ورد قابل ویرایش

چكیده :

در این كار ، مطالعه تجمع یونی با نگرش ترمودینامیكی را در مورد محلول سیر شده سدیم فلوئورید پی گرفته ایم. در این راستا قابلیت حل شدن تركیب یاد شده را در آب خالص در دمای  به دو روش تبخیر حلال و نشر اتمی شعله ای طی اندازه گیریهای مختلف تعیین نموده ایم  و مقدار  برای آن بدست آمد. از سوی دیگر قابلیت حل شدن ترمودینامیكی،  ، از رابطه



حساب شد كه  انحلال از منابع معتبر كتابخانه ای محاسبه گردید. از مقایسه  با  غلظتی  ، ملاحظه شد كه تفاوت آن دو بسیار قابل ملاحظه است. به دنبال آن  دبای – هوكل حساب شد:



كه دیده شد این پاسخ نیز با پاسخ ترمودینامیكی بسیار متفاوت است. سرانجام با دخالت دادن تجمع یونی
(زوج شدن یونها) به این نتیجه رسیدیم كه … % یونهای مثبت و منفی بصورت زوج یون هستند. علاوه بر آن در این كار تاثیر قدرت یونی و ثابت دی الكتریك بر قابلیت حل شدن ، مورد مطالعه تجربی و تحلیلی قرار گرفت.






پیشگفتار

بسیاری از پدیده های زیستی ، طبیعی و نیز فرآیندهای شیمیایی در محلولهای آبی صورت
می گیرند. بنابراین مطالعه محلولهای آبی از تركیبات مختلف ضروری به نظر می رسد تا با توجه به آن، این فرآیندهای زیستی، طبیعی، شیمیایی و .. را بتوان بهتر مورد بررسی قرار داد]4[.

          بحث اصلی ما مربوط به محلولهای الكترولیت و نیز چگونگی رفتار محلولهای الكترولیت از لحاظ ایده آل و غیر ایده آل بودن می باشد ]2[.

          پیشنهاد فرضیه تفكیك یونی در سال 1884 توسط آرنیوس[1] زمینه بسیار مساعدی را برای مطالعه محلولهای الكترولیت فراهم ساخت. نظریه تفكیك یونی آرنیوس در زمان خود توانست برخی از رفتار محلولهای الكترولیت را توضیح دهد ولی با وجود این بسیاری از خواص محلولهای الكترولیت را بر پایه نظریه آرنیوس نمی توان توضیح داد. در نظریه آرنیوس توزیع یونها در محلول كاملاً اتفاقی فرض می شود و علاوه بر آن از نیروهای حاصل از بر هم كنش یونها نیز صرفنظر می گردد. در این شرایط می بایستی ضریب فعالیت یونها در محلول همواره برابر با یك شود. این نتیجه گیری با تجربه و واقعیت سازگار نمی باشد و لذا این مدل برای بیان رفتار محلولهای الكترولیت مناسب نیست.

          مدل نسبتاً واقعی كه توسط قش[2] دانشمند هندی برای توزیع یونها در محلول پیشنهاد شد ، بدین ترتیب كه نظم یونها در محلول تا حدودی شبیه نظم آنها در شبكه جامد بلوری است. اما فاصله بین آنها در محلول از فاصله آنها در جامد یونی بیشتر است. در این مدل نیروهای بین یونی كه جنبه الكترواستاتیكی دارند به علت دخالت ثابت دی الكتریك حلال و زیادتر بودن فاصله بین یونها كاهش می یابد. برپایه مدل قش ممكن است بتوان برخی از رفتار الكترولیت ها در محلول را به طور كیفی تجزیه و تحلیل نمود. با وجود این ، این مدل هم در موارد بسیاری از عهده توجیه نتایج مربوط به الكترولیت ها برنمی آید.

          امروزه از راه مطالعات با پرتو x آشكار گردیده است كه آرایش یونها در محلول الكترولیت ها شبیه آرایش یونها در جامد یونی نیست، بلكه در محلول به دلیل جنبش های گرمایی و برخی عوامل دیگر، آرایش یونها نسبت به حالت جامد در هم ریخته تر می باشد ]1و40[.

          تئوری جدید الكترولیت ها به كار دبای[3] و هوكل[4] در سال 1923 بر می گردد. دبای و هوكل در مدل خودشان فرض كردند كه یك الكترولیت قوی به طور كامل به یونهای متقارن كروی و سخت تفكیك می شوند. برهم كنش بین یونها به كمك قانون كولومبیك با فرض اینكه محیط دارای ثابت دی الكتریك حلال خالص باشد محاسبه شد. با تقریب های ریاضی مناسب، این تئوری منجر به معادله ای برای محاسبه میانگین ضریب فعالیت یك الكترولیت قوی در محلول رقیق مبدل شد]11[.

          مطابق این مدل ، هریون تحت تاثیر دائمی اتمسفر یونی [5] اطراف خود قرار دارد و نسبت به آن بر هم كنش نشان می دهد. این برهم كنش باعث می شود كه محلول دارای رفتار غیر ایده آل باشد]1[.

             در نظریه دبای – هوكل انحراف از حالت ایده آل به نیروهای فیزیكی دوربرد[6] (مانند نیروهای كولومبی ) نسبت داده می شود ، ولی بین یونهای داخل محلول علاوه
برقرار بودن نیروهای جاذبه الكترواستاتیك كولومبی ، نیروهای دیگری مانند نیروهای كوتاه برد[7] و .. نیز وجود دارد. وجود نیروهای كوتاه برد سبب تشكیل زوج یون می گردد. این امر اولین بار توسط بجروم[8] پیشنهاد شد]4[.

          بجروم با استفاده از مدلی مشابه مدل دبای و هوكل برای محلولهای رقیق، احتمال یافتن یونهای با بار مخالف را در فاصله ای معین از یون مركزی ترسیم كرد. منحنی توزیع، یك مقدار مینیموم را در فاصله ای كه كار جدا نمودن دو یون با بار مخالف چهار برابر بزرگتر از میانگین انرژی جنبشی در هر درجه آزادی است را نشان می دهد.

برای یونهای بزرگ كه خیلی زیاد نمی توانند به هم نزدیك شوند ، فرض می شود كه معادله حدی دبای – هوكل برای آنها رضایت بخش می باشد. اما یونهای كوچك قادرند خیلی به یكدیگر نزدیك شده و تشكیل زوج یون دهند.

زوج یون تجمع یافته به عنوان مولكول خنثی با ضریب فعالیت واحد ، در تعادل با یونهای آزاد شركت می كند ]11[.

          برطبق آنچه تا به حال گفته شد از دیدگاه الكترواستاتیكی ، رفتار غیر ایده آل محلولهای الكترولیت ممكن است قسمتی بر اثر عوامل فیزیكی و قسمتی بر اثر عوامل شیمیایی باشد . در نظریه دبای – هوكل كه تفكیك یونی الكترولیت ها را در محلول كامل می انگارد ، انحراف از حالت ایده آل را به نیروهای فیزیكی دوربرد نسبت می دهد كه برحسب ضریب فعالیت مورد ارزیابی قرار می گیرد و زوج شدن یونها یا تجمع یونی در محلول بر طبق نظریه بجروم، از عوامل شیمیایی می باشد] 34[.




مقدمه

محلولهای الكترولیت به دلیل وجود برهم كنش های الكترواستاتیك در آنها تا حدود زیادی رفتار غیر ایده آل دارند ،موضوع غیر ایده آل بودن رفتار محلولهای الكترولیت بطور موفقیت آمیزی در نظریه دبای – هوكل ضمن استفاده از مفهوم فعالیت یونی مورد مطالعه قرار گرفته است.

هر چند كه از مطالعه محلولهای الكترولیت در سطح بسیار گسترده ای پیرامون فعالیتهای یونی بحث می شود اما متاسفانه درباره مفهوم تجمع یونی در محلول كمتر توجه می شود و معمولاً  آن را نادیده می گیرند اما پییچیدگیهای گسترده مشاهده شده در ثابت های پایداری فلز – لیگاند و دیگر تعادلهای شیمیایی همراه با تجمع یونی ، آشكار ساخته اند كه چنین دیدگاهی در همه اوضاع و احوال نمی تواند معتبر باشد]34[.

تجمع یونی نقش اساسی در بیشتر فرآیندهای شیمیایی و بیولوژیكی و ژئوشیمی بازی می كند به دلیل اهمیت موضوع سالیان زیادی است كه مطالعات نظری و شبیه سازیهای كامپیوتری برای بررسی تجمع یونی در الكترولیت های مختلف صورت گرفته است. ]34و38و39[


2-1 تجمع یونی

میانگین ضریب فعالیت همیشه بطور واقعی نمی تواند از معادله دبای – هوكل پیش بینی شود ، به نظر
می رسد مدل بكار رفته در توصیف توزیع یونها در اطراف یونهای دیگر اعمال نمی شود ، این ایده با مشاهده مقادیر تجربی هدایت كه كمتر از مقادیر پیش بینی شده توسط معادلة انزاگر[1] است تائید
می شود]35[.

اما هنگامی كه نظریه دبای – هوكل با یك تعادل شیمیایی ( تجمع یونی ) همراه شود نتایجی
می دهد كه با داده های تجربی سازگاری دارد]34[.

مفهوم تجمع یونی راه نسبتاً ساده و خود سازگاری را در برخورد با موقعیتی فراهم می كند كه یونهای با علامت مخالف ، بسیار به هم نزدیك می باشند. در این شرایط ممكن است انرژی جاذبه الكتریكی واقعی بطور قابل ملاحظه ای از انرژی گرمایی بزرگتر باشد. بطور كلی تجمع یونی در نتیجه بر هم كنش‌های الكترواستاتیك قوی به وقوع می پیوندد ]14و15[.


2-2 نظریه تجمع یونی

به منظور بسط فرمول دبای – هوكل فرض شده بود كه انرژی الكترواستاتیكی یونها از انرژی گرمایی كمتر است. این فرض فقط برای محلولهای رقیق انجام پذیر است زیرا متوسط فاصله بین یونی زیاد می باشد. با افزایش غلظت، فاصله بین یونها كاهش می یابد و بیشتر یونها انرژی الكترواستاتیكی بیشتری نسبت به انرژی گرمایی دارند]25[.

مفهوم زوج یون در سال 1926 توسط بجروم معرفی شد، بجروم پیشنهاد داد كه دو یون با بار مخالف هر گاه به مقدار كافی به یكدیگر نزدیك شوند بطوریكه انرژی پتانسیل جاذبه ای بین آنها از مقدار kT2 بزرگتر شود ، به عنوان زوج یون در نظر گرفته می شوند ]10[.

بجروم فرض كرد كه دو یون تجمع می یابند اگر فاصله بین آنها كمتر از مقدار q باشد كه مقدار q مطابق رابطه زیر است :

(2-1)                                                                                            

در رابطه (2-1) ، q فاصله بحرانی بجروم ،  و  ظرفیت كاتیون و آنیون ، D ثابت دی الكتریك محیط ، k ثابت بولتسمان ، T دما برحسب درجه كلوین می باشد.

همانطور كه از شكلهای (2-1) و (2-2) مشخص می باشد، اولاً زوج یون زمانی تشكیل می شود كه نزدیكترین فاصله بین دو یون a، از فاصله بحرانی بجروم كوچكتر باشد ، ثانیاً q موقعیت مینیموم احتمال یافت شدن یونهای با بار مخالف اطراف یون مركزی را ، با افزایش فاصله از یون مركزی ،r ،بازگو می كند.



مقدمه

در این فصل با توجه به مقدار تجربی قابلیت حل شدن سدیم فلوئورید ، S/mol L-1، در آب خالص در دمای 25 به روش تبخیر حلال ، مقدار ثابت حاصلضرب حلالیت غلظتی ، ، سدیم فلوئورید را در دمای مذكور محاسبه كردیم ، آنگاه با توجه به مقادیر توابع ترمودینامیكی ، ،  ، انرژی آزاد انحلال ،  ، سدیم فلوئورید را در دمای 25، بدست آورده و به كمك رابطه ، ثابت حاصلضرب حلالیت ترمودینامیكی ،، سدیم فلوئورید را در دمای مذكور تعیین كردیم ، با مقایسه و مشاهده نمودیم كه بین این دو اختلاف زیادی وجود دارد.

در مرحله بعد به كمك رابطه توسعه یافته دبای – هوكل مقدار میانگین ضریب فعالیت یونها ، ، را در محلول سیر شده سدیم فلوئورید در آب خالص و در دمای 25محاسبه نمودیم و به كمك آن ثابت حاصلضرب حلالیت دبای – هوكل، ، را بدست آوردیم و باز هم مشاهده كردیم كه بین  و اختلاف وجود دارد.

در قدم آخر ، اختلاف مشاهده شده بین  و  را به پدیده تجمع یونی نسبت دادیم و سپس به كمك محاسبات دوری، مقدار تجمع یونی را در محلول سیر شده سدیم فلوئورید بدست آوردیم و به این نتیجه رسیدیم كه بكاربردن نظریه دبای – هوكل به همراه تجمع یونی بهتر می تواند رفتار ترمودینامیكی محلول سیر شده سدیم فلوئورید را به تجزیه و تحلیل در آورد.



همانطور كه در بحث نتایج تجربی ملاحظه شد :

1- قابلیت حل شدن تحت تاثیر قدرت یونی قرار می گیرد، در قدرت های یونی پایین ، قابلیت حل شدن با قدرت یونی افزایش می یابد و در قدرت های یونی بالاتر ، قابلیت حل شدن با قدرت یونی كاهش می یابد دلیل این مطلب آن است كه در قدرت های یونی كمتر ، ضریب فعالیت با قدرت یونی كاهش می یابد. ولی در قدرت های یونی بالاتر ، ضریب فعالیت با قدرت یونی افزایش می یابد.

2-  ثابت دی الكتریك محیط تاثیر قابل توجهی در قابلیت حل شدن تركیب یونی دارد همانطور كه نتایج تجربی نشان داد هر چه ثابت دی الكتریك محیط بیشتر باشد قابلیت حل شدن بیشتر است دلیل این مطلب آن است كه با افزایش ثابت دی الكتریك جاذبه یونهای مخالف بر هم كاهش می یابد و از آنجا حل شدن تركیب یونی در محیط آسانتر می شود.

اگر قابلیت حل شدن سدیم فلوئورید را در قدرت یونی صفر برونیابی كنیم جواب حاصل تا حدود زیادی نزدیك به قابلیت حل شدن سدیم فلوئورید در آب می باشد.

اگر قابلیت حل شدن سدیم فلوئورید را در حلال مخلوط ( آب و اتانول ) در ثابت دی الكتریك 5/78= D ، برونیابی كنیم باز هم ملاحظه می كنیم كه جواب حاصل با قابلیت حل شدن سدیم فلوئورید در آب خالص تا حدود زیادی در دمای یكسان مطابقت دارد. نتایج این برونیابی ها بر آن دلالت دارند كه نتایج تجربی ما در آب خالص ، در محلول پتاسیم نیترات و در محلول آب و اتانول با یكدیگر سازگاری دارند.



5-1 محاسبه ثابت حاصلضرب حلالیت غلظتی سدیم فلوئورید در آب خالص و در دمای 25

اگر قابلیت حل شدن غلظتی سدیم فلوئورید را با S/mol L-1، نشان دهیم با توجه به مقدار mol L-1/ 973/0 = S، كه قبلا از تجربه حاصل شده است خواهیم داشت :

قیمت فایل فقط 7,000 تومان

برچسب ها : تحقیق تجمع یونی با نگرش ترمودینامیكی (تجربی،نظری) , پروژه تجمع یونی با نگرش ترمودینامیكی (تجربی،نظری) , مقاله تجمع یونی با نگرش ترمودینامیكی (تجربی،نظری) , دانلود تحقیق تجمع یونی با نگرش ترمودینامیكی (تجربی،نظری) , مطالعه تجمع یونی با نگرش ترمودینامیكی , تجمع یونی با نگرش ترمودینامیكی (تجربی،نظری) , تجمع یونی , نگرش ترمودینامیكی , تجربی , نظری