مقاله کامل طراحی آزمایش ساده و سبز برای آزمایشگاه فیزیک

/
فهرست مطالب
چکیده 4
مقدمه 4
روش اجرا 5
نتایج و بحث 5
نتیجه گیری 9
منابع 10
دانشگاه ……………
واحد ………………..
موضوع
طراحی آزمایش ساده و سبز برای آزمایشگاه فیزیک
سیستم تعادلی فازی دو جزیی جامد – مایع با نقطه اتکتیک ساده
نام استاد
نام دانشجو
بهار 1401
چکیده
هدف این پژوهش ارائه طرحی جایگزین جهت آزمایش سیستم تعادلی فازی سیستم نفتالن- دی فنیل آمین و… در درس آزمایشگاه شیمی فیزیک۱ با رویکرد شیمی سبز است. در این روش پیشنهادی، از سیستم پالمتیک اسید – پنتادکانوئیک اسید استفاده شده است ضمن اینکه دیاگرام تعادل فازی آنها یک نقطه اتکنیک ساده نشان میدهد ، دارای مشکلات زیست محیطی و مضر بر سلامت انسان نیست بلکه مواد پسماند آن در یک آزمایش گروهی می تواند به راحتی بازیافت شود و یا در آزمایش های دیگر به عنوان ماده اولیه استفاده گردد. نتایج بررسی حاضر نشان دهنده نقطه ذوب C° 4/66برای پالمتیک اسید و C° 3/60برای پنتا دکانوئیک اسید پس ازانطباق داده های به دست آمده با چند جمله ای های پیشنهادی نرم افزار Excel می باشد و آنتالپی ذوب پالمتیک اسید،58/60کیلوژولبر مول به دست آمد. همچنین، نقطه اتکتیک در حدود دمای C° ۵۷و کسر مولی44/0برای پالمتیک اسید، مشاهده می شود.
واژگان کلیدی: تعادل فازی، پالمتیک اسید، پنتادکانوئیک اسید استئاریک اسید
مقدمه
یکی از ساده ترین روش های بررسی تغییر حالت های فیزیکی ایجاد شده در یک سیستم، مطالعه ی نمودارهای فازی آن است.
نمودارهای فازی، تعادل میان فازهای مختلف را در یک سیستم نشان می دهند و تعادل فازی، وضعیتی است که در آن گونه های شیمیایییکسان، در فازهای متفاوت وجود دارند و پتانسیل شیمیایی گونه های مورد نظر در آن فازها یکسان است نمودار فازی، اطلاعات مفیدی همچون پایدار ترین حالت یک ماده در دمای معین، نقطه ذوب (انجماد)، نقطه جوش، مرزهای فازی، نقاط سه گانه، بحرانی، اتکتیک و … را که هم در آزمایشگاه های تحقیقاتی و هم در صنعت اهمیت زیاد دارند، در اختیار قرار می دهد. یکی از انواع تعادل های فازی، تعادل در سیستم دوجزئی جامد- مایع است که ساده ترین حالت آن، وضعیتی است که دو ماده در حالت مایع، کاملا در هم حل شده و در حالت جامد، در هم نامحلول باشند. این سیستم ها به علت بررسی متغیرهای ترمودینامیکی در عین سادگی اجرا و تحلیل، در اغلب آزمایشگاه های شیمی فیزیک سراسر جهان مطرح هستند ۶-۱۳. علاوه بر این، نمودارهای دما-ترکیب این سیستم ها در طراحی فرایندهای مهم صنعتی همچون تولید بلورها، آلیاژهای فلزی و نیمه هادی ها مورد استفاده قرار می گیرند.
برخی از سیستم های دو جزئی که در حال حاضر در اغلب آزمایشگاههای آموزشی دانشگاه ها مورد بررسی قرار می گیرند، عبارتند از: نفتالن دی متیل آمین، پارا دی کلرو بنزن – فنانترن، نفتالن – دی فنیل متان و فنل نفتالن
مشکل اساسی همه این سیستم ها ایجاد آلودگی زیست محیطی اعم از آلودگی هوا و اثرات مخرب تنفسی و پوستی ، خطرات سرطان زاییآن و نیز آلودگی آب های زیرزمینی و در نتیجه وارد شدن پس ماند و دور ریز این آزمایش ها به چاه های فاضلاب است. در این میان بسیار محتمل است که برخی از کارشناسان، به دلیل پیش گیری از اثرات نامطلوب این آزمایش ها، اقدام به حذف آن ها از برنامه درسی خود کنند و امکان تجزیه و تحلیل و کاربرد یادگیری نظری در عمل را دچار اختلال نمایند. در این راستا، بررسی و تحقیق در زمینهیافتن و
انجام آزمایش با سیستم هایی که از نظر سلامتی و زیست محیطی ایمن باشند، ضروری به نظر می رسد.
هدف اصلی این پژوهش، معرفی سیستم تعادل فازی دوجزئی جامد –مایع ، از دو ماده جامد در دمای اتاق است که نمودار فازی آن بتواند جهت درک و بحث دانشجویان نقطه اتکتیک ساده ای داشته باشد که ازمایش سیستم فنل – نفتالن یا نفتالن دیفنیل آمین چنین وضعیتی دارند و در دستور کار های ازمایشگاهی مشاهده می شوند) و همچنین این سیستم با معیارهای زیست محیطی منطبق باشد و از طرفی تهیه و خرید مواد موجود در آن براییک آزمایشگاه آموزشی که به مقدار زیادی از مواد جهت استفاده نیاز دارد، مقرون به صرفه بوده و گران تمام نشود و یا به سادگی قابل بازیافت اشد. با توجه به بررسی های متعددی که بر روی اسید های چرب راست زنجیر اشباع ، به دلیل کاربرد در صنایع دارویی، روان کننده و… صورت گرفته است. و اثرات مضر بر سلامت و محیط زیست از آنها گزارش نشده است لذا، سیستم پالمتیک اسید – پنتاد کانوئیک اسید را با توجه به اهداف آموزشی مرتبط با این مبحث درسی انتخاب و مطالعه کردیم.
روش اجرا
پالمتیک اسید ( CH(CH2) 14 COOH) و پنتادکانوئیک اسید(CH(CH2)13COOH با خلوص ۹۸٪ از شرکتمرک خریداری شد. این مواد بدون خالص سازی بیشتر با کنترل نقطه ذوب تایید گردید.
برای بررسی سیستم تعادلی دو جزئی پالمتیک اسید – پنتادکانوئیک اسید، به25/1گرم پالمتیک اسید، در یک لوله آزمایش قطور افزایش هایی از پنتادکانوئیک اسید، مطابق جدول ( ۱ ) انجام شده و دماهای مربوط به تشکیل بلور یادداشت گردید. برای حصول نتیجه بهتر مجموعه لوله و دماسنج روی آن، در یک حمام آب، تا حدود ۱۰ تا ۱۵ درجه بالاتر از نقطه ذوب پالمتیک اسید حرارت داده شد. همچنین، برای جلوگیری از پایین آمدن سریع دما، از جلد هوا استفاده گردید. در آزمایش دیگری جهت به دست آوردن داده های سمت چپ نمودار، به25/1گرم پنتادکانوئیک اسید، طبق جدول (۲) پالمتیک اسید افزوده شده و مجددا دماهای ذوب اندازه گیری شد. همه محاسبات در این مطالعه، با استفاده از نرم افزار Excel انجام گردید. جهت رسم نمودارهای فازی نیز، از نرم افزار sigmaplot استفاده شد.
نتایج و بحث
جدولهای۱ و ۲) به ترتیب، مقادیر پنتادکانوئیک اسید اضافه شده به25/1گرم پالمتیک اسید، و پالمتیک اسید اضافه شده به
25/1 گرم پنتادکانوئیک اسید را نشان می دهند. در این جداول، دماهای مربوط به دوفازی شدن مخلوطها و کسر مولی پالمتیک اسید،نیز گزارش شده است.
نمودار شکل (۱)، تغییرات دما دوفازی شدن بر حسب کسر مولی پالمتیک اسید را نشان می دهد. نمودار سیستم دو جزیی فنول – نفتالین ( شکل ۲)، که در برخی از آزمایشگاه های کشور انجام می گیرد، نیز جهت مقایسه ارائه شده است. از مقایسه دو نمودار نتیجه می شود که مفهوم کاهش نقطه ذوب بر اثر افزایشیک جامد به جامد دیگر و نیز پیدا کردن نقطه اتکتیک و نقطه ذوب دو جامد، از نمودار شکل (۱) نیز همانند نمودار شکل (۲) قابل بررسی است. البته، همان طور که از نمودارها مشاهده می شود، در آزمایش سیستم دوجزئی پالمتیک اسید – پنتاد کانوییک اسید ، نقطه ذوب اجزای خالص را با استفاده از
برون یابی نمودار نیز به دست آورده ایم . این روش حصول نقطه ذوب، اگرچه ممکن است نسبت به اندازه گیری مستقیم آن، خطای بیشتری در بر داشته باشد، ولی، به علت درگیر کردن دانشجو با مفهوم کاهش نقطه ذوب جسم جامد با افزایش ناخالصیویافتن نقطه ذوب ماده خالص با استفاده از داده های آزمایشگاهی، مفیدتر و ارزشمندتر است. البته، طبق آزمایش هایی که در سال های اخیر انجام شده، اغلب سیستمهای دوجزئی شامل دو اسید چرب جامد، داراییک نقطه اتکتیک ساده در حالت فازی جامد – جامد نمی باشند و نمودار فازی آنها همانند نمودار شکل (۳) گزارش شده است.سیستم دوجزئی پالمتیک اسیدپنتادکانوئیک اسید در مراجع فوق گزارش نشده است، با مقایسه این سیستم شکل (۱) و سیستم گزارش شده دو تایی اسیدهایچرب شکل (۳) به سادگی به تشابه تعادل فازیجامد مایع و نقطه اتکتیک آن می توان پی برد. مقایسه شکل (۱) و شکل (۲) که نمایش سیستم تعادلی مایع – جامد شامل: فنل – نفتالن است نشان می دهد که از سیستم پیشنهادی ما به خوبی می توان به عنوان جایگزین سیستم فنل – نفتالن (و همچنین نفتالن – دی فنیل آمین و …) برای مباحث آموزشی مربوطه استفاده کرد.
از انطباق نقاط به دست آمده در نمودار شکل (۱) با چند جمله ای های ارائه شده در نرم افزار Excel نقطه ذوب پالمتیک اسیدو پنتاد کانوییک اسید به ترتیب،4/66 و 60/ 3 درجه سانتی گراد به دست می آید که در مقایسه با مقادیر واقعی (9/62
و۵۴ درجهسانتی گراد)، به ترتیب دارای۵/۵و 5/11درصد خطا می باشد. البته لازم به ذکر است که نقطه ذوب پنتادکانوئیک اسید خالصی کهآزمایش را با آن انجام دادیم، بین۵۸-۵۶ درجه سانتی گراد بود که با در نظر گرفتن میانگین این دو عدد، میزان خطا به۵/۶درصدتقلیل مییابد. در این آزمایش، نقطه اتکتیک در حدود دمای C° ۵۷و کسر مولی۴۴/ . برای پالمتیک اسید به دست آمده است. نمودارهای شکل (۵)، به ترتیب، از رسم لگاریتم طبیعی کسر مولی پالمتیک اسید و پنتادکانوئیک اسید بر حسب معکوس دما به – دست آمده است. شیب خط به دست آمده در شکل (۵)، با استفاده از معادله گیبس – هلمهولتز، آنتالپی ذوب۶۰/۵۸کیلوژول بر مولرا برای پالمتیک اسید به دست می دهد که این مقدار نسبت به مقدار واقعی (7/53کیلوژول بر مول) ۱۲/۸درصد خطا دارد. اینمقدار خطا با توجه به روش ساده به کار رفته در این آزمایش، مقدار قابل قبولی است

فایل : 10 صفحه

فرمت : Word