الأحد، 4 ديسمبر، 2016

طرق قياس الشد السطحي

طرق قياس الشد السطحي
هناك طرائق كثيرة متوفرة لقياس الشد السطحي, منها طريقة وزن القطرة او استخدام جهاز قياس الشد السطحي او طريقة ضغط الفقاعات او طريقة ارتفاع  السائل في الانابيب الشعرية وتعد الطريقة الاخيرة من احسن الطرائق المستخدمة لقياس الشد السطحي.
 الطريقة المستخدمة في هذه التجربة هي طريقة ارتفاع السائل في الانابيب الشعرية وان هذه الطريقة تعتمد علی حقيقة كون معظم السوائل عندما يغمس فيها انابيب شعرية ترتفع داخل الانابيب الی ارتفاع اعلی من مستوی  سطح السائل خارج الانبوب, وان هذا يحدث فقط عندما تكون للسائل قابلية التصاق الی الانابيب الزجاجية. اما اذا كان السائل لا يلتصق مع الزجاج (كالزئبق) فان سطح السائل داخل الانابيب الشعرية ينخفض عن مستوی السائل خارج الانابيب ويكون سطح السائل في هذه الحالة محدبا بينما في الحالة الاولی مقعرا.
ويوضحالشكل (6-2) ارتفاعالماءتلقائياًفيأنبوبةشعريةمغمورةفيإناء يحتويعلىماءتسمىھذهالظاھرةبالخاصيةالشعريةوھيمھمةجداً خاصةفيعالمالنباتإذأنھاھيالمسؤولةعنارتفاعالماءالمحمل بالغذاءعبرالجذوروالسيقانإلىالأجزاءالأخرىمنالنبات.

وعندما تكون زاوية البلل اقل من 90° فان قوة تلاصق جزيئات السائل بالسطح اكبر من قوة التماسك لذلك سيرتفع في الانبوبة الشعرية (يميل الى تسلق جدارها), بينما عندما تكون زاوية البلل اكبر من 90° فان قوى التماسك بين جزيئات السائل اكبر من قوى التلاصق لذلك لا يميل السائل الى الالتصاق بجدار الانبوبة الشعرية وينخفض مستواه داخلة.
ومن اجل فهم نظرية طريقة ارتفاع السائل في الانابيب الشعرية, لنتصور ان انبوبة شعرية متجانسة ذات نصف قطر(r) غمست في اناء يحتوي علی سائل له القابلية علی ترطيب الجدران  عندما يقوم السائل بترطيب جدران الانبوبة يزداد السطح الخارجي للسائل ولاجل تقليل السطح الخارجي للسائل يجب ان يرتفع السائل داخل الانبوبة الشعرية وهكذا عند ارتفاع السائل داخل الانبوبة الشعرية يقوم السائل بترطيب جدران الانبوبة مرة ثانية فيزداد سطح السائل داخل الانبوبة عندها يبدا السائل بالارتفاع مرة ثانية وهكذا تستمر العملية الی ان تصبح قوة الشد السطحي التي تقوم بدفع السائل الی الاعلی مساوية الی القوة الناتجة عن وزن عمود السائل التي تؤثر الی الاسفل.
 عندما يتوقف ارتفاع السائل داخل الانبوبة الشعرية, فان السائل يكون واقعا تحت تاثير قوتين متساويتين في المقدار ومتضادتين في الاتجاه, وهما: قوی الشد السطحي(f1), وقوی الجاذبية الارضية(f2), حيث ان:
f_1=2πrγcosθ……..(6-1)
f_2=πr^2 hρg……..(6-2)

وعند الاتزان تتساوی المعادلتين (6-1)و (6-2) فتصبح:

2πrγcosθ=πr^2 hρg

حيث  (θ)هي زاوية التماس angle)contact)
γcosθ=1/2 rhdg……….(6-3)
تاثير درجة الحرارة علی الشد السطحي للسائل
يقل الشدالسطحي لسائل بزيادة درجة الحرارة حيث ان قوی التجاذب الداخلية للجزيئات تقل مما يؤدي الی زيادة تحرر الجزيئات. ويمكن تفسير ذلك, بانه عند رفع درجة الحرارة لسائل ما فان الطاقة الحركية لجزيئات السائل تزداد مما يجعلهاقادرة علی ان تتغلب علی قوی التجاذب الواقعة بينها حيث تبدا في الابتعاد عن بعضها البعض مما يؤدي الی تمدد السائل .
وتعتمد القوی المؤثرة علی جزيئات سطح السائل والتي تجذب هذه الجزيئات الی الداخل علی عدد جزيئات السائل في وحدة الحجوم ونظرا لتمدد السائل بالحرارة يقل عدد الجزيئات التي تشغل وحدة الحجوم وبذلك تقل قوی الجذب الناتجة من هذه الجزيئات ويقل معها الشدالسطحي بارتفاع درجة الحرارة.
طريقة العمل(Procedure)
       اغسل الانبوبة الشعرية جيدا ثم جففها.
        ضع كمية من السائل المراد حساب الشد السطحي له في الانبوبة الزجاجية الكبيرة.
       اغمر الانبوبة الشعرية في الانبوبة الزجاجية الكبيرة واربطها مع مايكروسكوب متنقل وثبتهما معا بواسطة ماسك.
        ضع الادوات المثبتة في حمام مائي بدرجة (25C)واتركه لمدة (20-15) دقيقه للتوازن الحراري.
       سلط ضغطا هادئا علی السائل وذلك بغمر انبوبة والنفخ بها بهدوء حتی يرتفع السائل داخل الانبوبة الشعرية الی حد معين ثم ارفع الضغط عن السائل للسماح له بالانخفاض الی مستوی التوازن .
       احسب ارتفاع السائل(h) في الانبوبة الشعرية بين سطحي المنطقة المظللة وسطح السائل وذلك باستعمال مايكروسكوب متنقل .
       تعاد هذه العملية ثلاث مرات ثم ياخذ معدل القراءات فاذا كان هناك فرق واسع بين قيم(h) اسحب الانبوبة الشعرية واغسلها جيدا ثم اجعلها تجف واعد التجربة مرة اخری.
الحسابات (Calculations)
بعد قياس الارتفاع(h)واخذ متوسط القراءات طبق المعادلة الاتية لحساب الشد السطحي
γ=hρgr/(2 cosθ )
حيث ان:
γ: تمثل الشد السطحي بوحدة الداين\سم او النيوتن\م
:r يمثل نصف قطر الانبوبة الشعرية في الانبوبة بوحدة سماو المتر
:h يمثل ارتفاع السائل داخل الانبوبة الشعرية بوحدة سماو المتر
ρ: تمثل كثافة السائل بوحدة الداين(سم\ثا2)او النيوتن(م\ثا2)

ملاحظة لاستخراج نصف قطر الانبوبة الشعرية يستخدامالماء ذو الشد السطحي المعلوم(75.03dyne/cm) وقياس(h)ونطبقها في المعادلة الاتيةلاستخراج قيمة :(r)
γ=hρgr/(2 cosθ )



التجربة: تعيين السعة الحرارية للمسعر
Determining Heat Capacity of Calorimeters
النظرية Theory
السعة الحرارية(C): فتعرف بانها كمية الحرارة اللازمة لرفع درجة حرارة النظام درجة مئوية واحدة, وهي تمثل ايضا مقدار ما يستوعبة النظام من طاقة. وكلما زادت السعة الحرارية للجسم كلما زادت الحرارة اللازمة لرفع درجة حرارتة ووحدة السعة الحرارية هي (J/ °C).
اما السعة الحرارية المولارية او الجزيئية(CM): فانها كمية الحرارة اللازمة لرفع درجة حرارة مول واحد من المادة درجة مئوية واحدة ووحداتها ،(J/mol. °C) وتحسبعنطريق ضربالحرارةالنوعيةبالوزنالجزيئيللمادة:
CM = S × Mw...................(7-1)
اما العلاقةبينالسعةالحرارية(C)والحرارةالنوعية (S) فهي:
السعةالحراري(C)= كتلةالمادة (m)g × الحرارةالنوعية (S) (J/g ºC)
C = S × m.......................(7-2)
اما العلاقةبينكميةالحرارة(q) والسعةالحرارية(C)يمكنالتعبيرعنها  رياضياًكمايلي :
C=q/∆t..............................(7-3)
q = C .∆ t.............    ...(7-4)
حيثيمكنحسابكميةالحرارةالممتصة(q) عند ارتفاع درجة حرارة  كتلة مادة ما بين درجة حرارة ابتدائية t1 ودرجة حرارة نهائية t2 باستخدام معادلة السعة الحرارية:
q = S . m .∆ t...............(7-5)
q = C .∆ t.....................(7-6)
والمعادلة (7-5)ھيالأساسالذيبنيتعليه فكرة قياس كمية الحرارة الممتصة او المنطلقة من التفاعلات الكيميائية باستخدام جهاز يعرف باسم المسعر Calorimeter.
ثابت المسعر(CC):هو كمية الحرارة اللازمة لرفع او خفض درجة حرارة المسعر درجة مئوية واحدة. تقاس كمية الحرارة الممتصة او المنبعثة في التفاعل الكيميائي بواسطة المسعر Calorimeter)) وهو عبارة عن وعاء زجاجي اجوف ذي طبقتين يفرغ ما بينهما من الهواء ويطلى من الداخل بطبقة من الفضة (الثرموس). وهناك عدة انواع من المساعر منها:
       مسعر اللهب (Flame calorimeter)
وهو جهاز اكثر دقة واحكام يستخدم لقياس انثالبي الاحتراق للغازات والسوائل الطيارة, حيث يدخل الهواء في مسعر الاحتراق وتؤدي الطاقة المنبعثة من التفاعل الى تسخين الحمام المائي المحيط بالمسعر. ويقاس الارتفاع في درجة الحرارة الناتجة من احتراق كمية موزونة من المركب.
       مسعر التفجير (Bomb calorimeter)
وهو عبارة عن وعاء ثقيل مغلق ومغمور في حمام مائي معزول ويوضع النموذج المعلوم الوزن المراد دراستة في وعاء التفاعل ويحرق كهربائيا في جو يحتوي على الاوكسجين تحت ضغط 20جو للارتفاع بدرجة حرارة النظام.
ان الناحية المميزة في مسعر التفجير هي انه يعمل تحت ظروف الحجم الثابت وبذلك فان كمية الحرارة المنبعثة هي مقياس للطاقة الداخلية (U) وليس للانثالبي,ويعبر عن السعة الحرارية في هذه الحالة رياضيا بالصيغة :
C_V=q_V/dT=(∂U/∂T)_V=∆U/∆T
وهنال مساعر حديثة وحساسة جدا يمكن بواسطتها اجراء القياسات الحرارية على كميات صغيرة جدا من المادة, وتعد مثل هذه المساعر مهمة عند دراسة المواد قليلة التوفر وغالية الثمن كما في حالة التفاعلات البايولوجية المهمة.
وفي الاحوال الاعتيادية يسمح للتفاعل بان يتم في وعاء التفاعل المحاط بكمية موزونة من الماء الذي يوضع في وعاء معزول. ففي التفاعل الباعث للحرارة تنتقل الحرارة الى الماء وبذلك يقاس الارتفاع في درجة حرارته باستخدام محرار حساس, ومن معرفة كمية الماء وحرارة النوعية والتغير في درجة الحرارة يمكن حساب كمية الحرارة المنبعثة في حالة ثبوت الضغط والتي تسمى بالانثالبي (Enthalpy) وذلك من حاصل ضرب الارتفاع في درجة الحرارة في السعة الحرارية الكلية للنظام (اي المسعر ومحتوياتة).
C_p=q_p/dT=(∂H/∂T)_P=∆H/∆T
حيث ان (qP) كمية الحرارة بثبوت الضغط, (C) السعة الحرارية, (T) فرق في درجات الحرارة.
وبما ان القياس يجري بثبوت الضغط لذلك فان:
q_p=∆H……….(7-7)
حيث ان (H) تمثل المحتوى الحراري لانثالبي النظام عندها يكون:
H=C ∆T…….(7-8)
س/ من الاكبر CP ام CV في حالة (الغازات ,السوائل ,المواد الصلبة ) بين الفرق بينهما رياضيا.

فكرة التجربة :
   تعتمد فكرة التجربة على خلط كمية معلومة من الماء البارد مع كمية أخرى معلومة الوزن من الماء الساخن فتنتقل الحرارة من الماء الساخن إلى الماء البارد , ومن المفترض أن كمية الحرارة المفقودة من الماء الساخن تساوي كمية الحرارة المكتسبة للماء البارد ولكن بالحساب يوجد فرق بينهما وهذا الفرق يمثل كمية الحرارة التي انتقلت إلى المسعر.
طريقة العمل
       اوزن المسعر بالغطاء (جافا) وليكن وزنة (m1)
       انقل 50ml من الماء المقطر الى المسعر (وليسمى الماء البارد)
       عين درجة حرارة الماء البارد ولتكن t1
       اوزن المسعر والماء البارد وليكن m2
       اضف 50ml  من الماء الساخن الى المسعر بعد قياس درجة حرارتة ولتكن t2
       اغلق المسعر واخلط الماء البارد بالماء الساخن جيدا
       قس درجة الحرارة النهائية للمخلوط ولتكن t3
       اوزن المسعر ومحتوياتة من الماء البارد والماء الساخن ولتكن m3
الحسابات (Calculations)
       احسب وزن الماء البارد حيث:
mc = m2-m1            g
       احسب وزن الخليط النهائي الساخن حيث:
mh = m3 –m1         g
3- احسب t1 والتي تساوي التغير في درجة حرارة الماء البارد حيث:
t1 = t3 – t1           °C
4-  مما تقدم فإن التغير في درجة الحرارة للماء الساخن نتيجة الخلط t2 يحسب كما يلي
t2 = t3 – t2          °C
        بتطبيق القانون :كمية الحرارة = التغير في درجة الحرارة × الكتلة × الحرارة النوعية
وبما أن الحرارة النوعية للماء =1 سعرة/ غرام . درجة , إذن :
        كمية  الحرارة المفقودة من الماء الساخن qh تحسب كالتالي :
qh = 1 ×mh×Dt2    cal.
 كمية  الحرارة المكتسبة بالماء البارد qc تحسب كالتالي :
qc = 1 × mc×Dt1    cal.
إذاً كمية الحرارة المنتقلة للمسعر qcal. تحسب كالتالي:
qcal. = qh –qc             cal.
6- السعة الحرارية للمسعر Cتحسب كالتالي :
C=q_(cal.)/∆t_1





تعيين حرارة التعادل
Determining Heat  of Neutralization


التعادل هو تفاعل الأحماض و القواعد مع بعضها البعض بكميات متكافئة . ومن المعروف أن الأحماض والقواعد نوعان قوي وضعيف , ويمتاز القوي منها بأنه يوجد في المحلول المائي على هيئة أيونات فقط بينما الضعيف منها فيوجد في المحلول المائي على هيئة جزيئات غير متفككة , ولهذا يوصف الأول بأنه تام التأين و الآخر بأنه غير تام التأين .
ولما كان تفاعل التعادل هو عبارة عن تفاعل أيونات الهيدروجين (H+) الناتجة من تأين الحامض مع أيونات الهيدروكسيد (OH-)الناتجة من تأين القاعدة لتكون عدداً من جزيئات الماء.أثناء ذلك تنطلق كمية من الحرارة تعرف بحرارة التعادل والناتجة من تكون الماء تبعاً للمعادلة:
H+    +  OH-®      H2O
بذلك تعرف حرارة التعادل ( الإنثالبي )"أنها كمية الحرارة الناتجة من تكون مول واحد من الماء من تعادلمول واحد من الحامض مع مول واحد من القاعدة في محلول مخفف"
غير أن ما هو جدير بالذكر أن إنتاج مول واحد من الماء بالصورة السابقة سيؤدي إلى طرد كمية من الحرارة تختلف حسب نوع المصدر الذي قدم هذه الأيونات . فإن كانت صادرة من أحماض وقواعد قوية فإن كمية الحرارة ستكون ذات قيمة ثابتة ومحددة وتساوي ((-13.7Kcal\molولا تعتمد على نوع أي منها حيث أنه في المحاليل المخففة يكون كل من الحامض والقاعدة (القويان) متأيناً تأيناً كاملاففي حالة تفاعل HClمع NaOH يمثل التعادل بالتالي:
HCl(aq)    +     NaOH(aq)®     NaCl(aq)   +    H2O
ولكن إن كانت صادرة من أحماض وقواعد أحدها أو جميعها ضعيفة فإن كمية الحرارة ستكون ذات قيمة تختلف حسب مدى ضعف الحامض أو القاعدة, فكلما كان أكثر ضعفاً كانت كمية الحرارة الناتجة أقل. ويعزى ذلك إلى أن جزءاً من الطاقة الحرارية الناتجة يستهلك لغرض تأيين الجزيئات غير المتأينة من الحامض أو القاعدة .
ففي حالة حمض الخليك (حامض ضعيف) فإن تفاعله مع القاعدة يتأين على جزئين :

CH3COOH(aq)®      H+(aq)  +    C2H3O2-(aq)              (a)     (تفكك)
وفي وجود OH- الناتج من تأين هيدروكسيد الصوديوم فإن التفاعل يتجه جهة اليمين ويتم تكون الماء تبعاً للعادلة :
H+    +  OH-®      H2O             (b) (تعادل)
وفي هذه الحالة تكون حرارة التعادل هي حاصل جمع حرارة التفاعل للخطوتين (a, b) وذلك تبعاً لقانون هيس للجمع الحراري ...............وبالمثل يحدث عند معايرة قاعدة ضعيفة مثل NH4OHمع حمض قوي مثل H2SO4 .
وعند حساب حرارة التفاعل تكون مختلفة عن حالة الحامض القوي والقاعدة القوية حيث أن الخطوة a عملية ماصة للحرارة وبذلك تكون حرارة التعادل أقل سالبيه .

تعتمد فكرة التجربة على إجراء عملية التعادل داخل مسعر وحساب كمية الحرارة المنطلقة عن طريق قياس التغير في درجة الحرارة قبل التعادل وبعده مع مراعاة أن هناك كمية من الحرارة تنتقل إلى جدار المسعر.

       أوزنالمسعربالغطاءوليكننظيفاًجافاًوارمزلھذاالوزنبالرمز(m1)
       قسدرجةحرارةكلمنمحلول (NaOH)و (HCl) الابتدائية ولتكن: (t1 (NaOH))و(t2(HCl)) علىالتوالي وحسابالمتوسط والذي يمثل الحرارة الابتدائية:
t=(t_1+t_2)/2
       باستخدام اسطوانة مدرجة خذ (50ml) من محلول (NaOH) ذو التركيز 0.5N)) وانقلة الى المسعر
        باستخدام اسطوانة مدرجة خذ (50ml) من محلول (HCl) ذو التركيز 0.5N)) وانقلة الى المسعر ورجة جيدا تلاحظ ارتفاع درجة حرارة المحلول.
       قس درجة الحرارة مباشرتا بعد خلط الحامض مع القاعدة فتكون درجة حرارة المحلول النهائية (t3)
       اوزن المسعر مع المحلول بعد عملية الخلط وليكن الوزن m2
       احسب وزن المحلول الذي بالمسعر بطرح وزن المسعر فارغا (m1) من وزن المسعر والمحلول (m2) فتحصل على وزن المحلول (msolution)


من العلاقة:
كمية الحرارة المفقودة من التفاعل= -(كمية الحرارة التي امتصها المحلول + كمية الحرارة التي امتصها المسعر)
qreaction = qsolution + qcalorimeter
qreaction = (s.m.∆t)solution + (s.m.∆t) calorimeter
qreaction = (s.m.(t3-t) ) solution + (s.m.(t3-t) ) calorimeter
ملاحظة: المحلول المتكون داخل المسعر هو كلوريد الصوديوم ذو الحرارة النوعية 0.969 سعر / جم.درجة
وكميةالحرارةالمحسوبةهناهيلعدد (n) منمولاتالحامضأوالقاعدة.
ويمكنحسابھذاالعددمنالمولات(للحامضأوالقاعدة)منالعلاقةالتالية :
M= n \ v حيث M=Nلأنعددأيوناتالھيدروكسيدأوالھيدروجينلكلمن NaOH و HClيساويواحد.
وبالتاليفإنqreactionالمحسوبةأعلاهھيلعدد (n) منالمولات وبالتاليفإنهلحسابحرارةالتعادلالقياسية(الإنثالبيالقياسي)فإننانحسبحرارةالتفاعللمولواحد.




ليست هناك تعليقات:

إرسال تعليق