محلول فوق سرد

 بسیاری از مایعات ومحلولها ممکن است به نقطه زیر انجماد برسند ولی بلورهای جامد تشکیل نشود  .این فرآیند زمانی رخ می دهد که یا مولکول های مایع خیلی ساکن  هستند ویا اینکه یک عاملی مانند ناخالصی ها مانع از تشکیل اولین هسته های جامد در آن می شود .سه مثال از این دست آزمایش ها داریم

 1- آب معمولی به دمای زیر صفر رسیده ودر یخچال هنوز یخ نزده ، وقتی از یخچال بیرون میاوریم براثر تکان دادن یا ضربه ناگهانی خیلی سریع منجمد میشود.  این ضربه باعث تشکیل اولین هسته های جامد یخ میشود . این یخی که بوجود می اید مات است وشیشه ای نیست چون بلور سریع و بی نظم تشکیل می شود به همین دلیل کدر است. این در شیمی تحت عنوان هسته زایی سریع مطرح است چون اب خیلی سرد است .اما اگر اب در دمای کمی زیر صفر واهسته سرد شود بلور رشد کرده  وشفاف می شود.

2- محلولی داریم مثل شکر در آب  یا نوشابه، خیلی سرد است ولی منجمد نمیشود . در این مورد ناخالصیها اجازه تشکیل اولین بلور یخ را نمی دهند ومانع از تشکیل تونل های یخی میشوند در نتیجه اگر یک مقداری یخ یا یک ذره جامد در این محلول بریزیم یا آنرا به هم بزنیم یخ تشکیل میشود وچون تشکیل جامد گرماده است بعد از تشکیل یخ دما به نزدیکی نقطه صفر می رسد.

3- مقداری شکر را در آب حل کرده ایم وآب را جوشاندیم تا محلول کاملا فوق سیر شده باشد حالا شیره داغ را کناری میگذاریم کم کم سرد میشه ولی میبینیم  بلورهای شکر در آب تشکیل نمیشود در حالیکه محلول فوق العاده سیر شده است . برای اینکار سازندگان نبات یک تکه بلور نبات را در درون شیره شکر آویزان میکنند تا بر اثر الگو برداری ،سایر مولکولهای شکر دور این هسته جمع شوند وبلور نبات درشت یا همان پرده نبات و شاخه نبات بدست آید.

برای دیدن آزمایش اینجا کلیک کنید.

در شرایط یکسان ، کدام قدرت پیوند هیدروژنی بیشتر دارد؟ H2O یا D2O

از مقادیر تجربی حاصل از اندازه گیری نقطه جوش آب معمولی و آب سنگین D2O  ممکن است چند برداشت  مختلف در مورد این اختلاف 1.5  درجه ای  صورت بگیرد .

1- ممکن است بگوییم که جرم آب سنگین بیشتر از آب معمولی است و نیروهای لاندن آب سنگین قویتر از آب معمولی است .

2- نظر دیگر اینست که یگوییم پیوند هیدروژنی در آب سنگین قویتر از آب معمولی است .

اجماع بیشتر روی نظر دوم است که حالا باید علت آنرا توضیح دهیم .

چرا پیوند هیدروژنی دوتریم قویتر از هیدروژن معمولی است ؟

اتم دوتریم دارای یک پروتون و یک نوترون در هسته است  در نیجه بعلت بزرگتر شدن هسته تاثیر بار مثبت بر الکترون دوتریم کمتر بوده ودر نتیجه دوتریم جاذبه هسته ضعیف تر و الکترونگاتیوی کمتری از هیدروژن معمولی داشته در نتیجه پیوند کوالانسی آن با اکسیژن منجر به مثبت تر شدن دوتریم و قوی تر شدن پیوند هیدروژنی آن میشود.همچنین نتایج انرژی پتانسیل مربوط به پیوند هیدروژنی آب معمولی و آب سنگین حکایت از سطح انرژی پایین تری برای آب سنگین می باشد.

نظر اول

The hydrogen bonds in deuterium oxide are slightly stronger than those in water. This is due to a quantum mechanical effect; the bonding interaction has a lower zero point energy due to the greater mass of the deuterium atom. It therefore requires more energy to excite the bonding electrons from the ground level to the dissociation point, and a higher boiling point is observed.

نظر دوم

I think in water and D2O the main factor is not Van Der Waals but rather hydrogen bonding. So the boiling point of D2O is higher than H2O not because of the london forces, but because of the difference in electronegativity between the hydrogen and the water, creating an electrostatic attraction.

This begs the more interesting question: why is deuterium's electronegativity different?

Just to clarify, electronegativity is the relative attraction an atom has for an electron.

Deuterium has a lower electronegativity than hydrogen, i.e it wants to give away its electron more. This is because the extra neutron increases the size of the nucleus and I think partially reduces the effect of the positive charge. Since deuterium has a lower electronegativity, there is a greater electronegativity difference between the deuterium and the oxygen, resulting in a stronger hydrogen bond

Stronger hydrogen bond = stronger intermolecular forces = greater boiling point

I don't think van der waals is relevant here TL;DR: In this case hydrogen bonding is more important than London forces

دلیل افزایش ka هیدروفلوریک اسید با غلیظتر شدن محلول اسید HF چیست؟ برعکس اسید های ضعیف دیگر

روال عادی اینست که هر چه اسید ضعیف رقیق تر باشد درصد تفکیک یونی آن بزرگتر میشود. در مورد هیدروفلوریک رقیق یون فلویورید به کمک آب، آب پوشیده می شود که پیوند هیدروژنی آب با یون فلوئورید  چندان قوی نیست ولی در محلول غلیظ یون فلوئورید با HF تولید یون  ^- HF2 میکنه  که پیوند هیدروژنی قویتر وپایدارتر است. دلیل دوم  نیز اینست که قدرت یونی محلول HF  غلیظ بیشتر بوده و بالاتر رفتن قدرت یونی سبب می شود  خودیونش HF بهتر صورت می گیرد.

تغییرات pKa برای اسید های ضعیف با دما

در مورد افزایش PKa تفکیک دوم فسفریک اسید با دما همانطوری که می دانید معادله واکنش تعادلی وبرگشت پذیر است

(H2PO4^-  (aq)+ H2O -------->HPO4^2-  (aq) + H3O⁺ (aq

چون عمل اب پوشی یون +H شدید بوده وبا کاهش بی نظمی همراه است افزایش دما بی نظمی را زیاد کرده ویون های آب پوشیده را از آب ها جدا می کند وعمل برگشت تعادل به چپ صورت می گیرد.

معادله ریدبرگ

بر طبق نظریه بوهر هر خط طیفی نشری در اتم هیدروژن متعلق به یک انتقال الکترونی از سطح انرژی بالاتر به سطح انرژی پایین تر است.

انرژی یک الکترون در هر لایه الکترونی طبق رابطه   E=-2π²mZ²e⁴/n²h² محاسبه می شود.اگر در این رایطه مقادیر ثابت را به صورت ثابت A در نظر گیریم . داریم  =2π²me⁴/h²    A   و E=-AZ²/n²

از آنجایی که اختلاف سطح انرژی دو تراز در سریهای لیمان ، بالمر ، پاشن و.... مربوط به انتقال از لایه n_xà n1    سری لیمان  و n_xà n2   سری بالمر و  n_xà n3  سری پاشن  متفاوت می باشد طول موج نور نشر شده نیز متفاوت است.    

E = hC/λ  = E _nx-E_n1

آقای بالمر بر اساس یکسری کارهای تجربی خطوط نشری طیف اتمی هیدروژن در ناحیه مریی را با استفاده از معادله تجربی زیر بدست آورد

( λ^-1= R( ½² -1/ n²                   

در این رابطهR   ثابت ریدبرگ نامیده می شود.                    

ومقدار آن برابر × 10^-2  nm^-1  1.096

از مقایسه معادله بوهر با معادله تجربی  بالمر می توان فهمید که بین R  و ثابت Aدر معادله بوهر رابطه زیر برقرار است.R= A/hC   که h ثابت پلانک و c  سرعت نور است.

با توجه به معادله بوهر و معادله بالمر می توان فهمید که طول موج نور نشر شده در اتمهای مختلف به سه عامل بستگی دارد.

1- فاصله الکترون تا لایه پایه  2- عدد اتمی یا بار مثبت هسته  3- جرم الکترون ( که این مورد اخیرا در نظریه جرم کوانتومی مطرح است که میگوید در عناصر دوره های ششم وهفتم جرم الکترون لایه آخر تابع جرم و بار هسته و اثرات پوششی الکترونهای d , F  قرار میگیرد و سنگین تر میشود) واثر آن اینست که ثابت ریدبرگ بزرگ و طول موج کوچک میشود یعنی انرژی الکترون برگشتی بیشتر است.

    هر چه بار هسته بیشتر شود طول موج نور نشر شده بیشتر میشود.

   هر چه nبزرگتر بشود اختلاف انرژی دولایه بیشتر وطول موج کوتاهتر می شود.

شماره لایه هر چه بیشتر شود انرژی الکترون بیشتر تا اینکه در لایه بی نهایت به صفر می رسد. از آنجا که جرم اتمی ایزوتوپهای یک عنصر با هم تفاوت دارند ، خطوط طیفی دوتریم نسبت به هیدروژن ، کمی به سمت طول موج های کوتاه تغییر مکان نشان می دهند . بر همین اساس به کمک طیف های اتمی وجود برخی از ایزوتوپ ها ثابت شده است.

تغییر رنگ شعله با فلزات

پس از کشف باروت سیاه توسط چینی ها و استفاده از آن در مراسم آتش بازی و جشن ها ،پیش از سده نوزدهم  متوجه شدند که اگر برخی نمک های فلزاتی مثل مس واسترانسیم  و یا پودر فلزاتی مانند آهن و منیزیم یا آلومینیم را به باروت سیاه بیافزایند  نورهایی با رنگ سبز وقرمز ونارنجی و یا نور خیره کننده سفیدی در اثر انفجار مشاهده میشود.

این تغییر رنگ نوراز نوع فیزیکی است و علت آن اینست که الکترون ها ی اتم ها از حالت پایه به لایه های بالاتر  می روند و موقع برگشت نورهایی با رنگ معین تولید می کنند. یعنی انرژی گرمایی را جذب می کنند و بعد آن را به شکل نور رنگی پس می دهند.

به کمک این مشاهدات نخستین باررابرت بونزن  دانشمند آلمانی موفق به ساخت دستگاه طیف بین شد.

یخ چگالی کمتری از اب دارد ولی همیشه بخش عمده ای ازقطعه یخ زیر اب قرار می گیرد علت چیست ؟

یخ چون از آب چگالی کمتری دارد می بایست روی آب شناور شود  اما اگر یک قالب یخ داشته باشیم که ارتفاع آن یک متر باشد

91.6   سانتیمتراز آن زیر آب می رود.  یخ روی سطح آب ساکن است یعنی تمام نیروها با هم در تعادلند. وزن یخ روی آب با وزن منفی یخ زیر آب با هم برابر است.

اگر این قطعه یخ کاملاً ذوب شود سطح آب بالا می آید یا پایین می رود؟

حجم آب حاصل از ذوب یخ دقیقا برابر حجم یخ زیر آب است.

جمع آوری گاز کلر از روی آب

در مورد جمع آوری گاز ها از سطح آب باید به این نکات توجه کرد 1- گاز نباید با آب واکنش شیمیایی بدهد  به عنوان مثال گاز فلوئور با آب شدیدا واکنش می دهد .

(2F2(g) + 2H2O (l) à 4HF(aq) + O2 (g  

2- گاز نباید زیاد در آب حل شود.مثل گاز هیدروژن

3- گاز جمع آوری شده از سطح آب همیشه مقداری رطویت وبخار آب دارد که باید عملیات آب گیری و خشک کردن از طریق یک ماده جاذب رطویت  گاز مورد نظر خشک می شود.

در مورد کلر همه سه مورد فوق تا حدودی انجام می شود ولی می توان با برخی ملاحظات و صرف نظر کردن از آنها گاز مورد نیاز را جمع آوری کرد .

(Cl2(g) + H2O(l) à HOCl  (aq) + HCl(aq

یک مقداری  از گاز کلر در آب حل می شود و از طرفی کمی بخار آب همراه ان در ظرف گاز رفته که بعد باید گاز راخشک کرد.

ماده سازنده توری نسوز و بوته چینی

ماده سفید رنگ وسط توری نسوز از الومین وبرخی سیلیکات های دیر ذوب است. بوته چینی از جنس چینی است . مواد اولیه چینی عبارتند از کائولن که از جنس رس است واز الومینیم سیلیکات است . فلدسپار که مخلوطی از سیلیکاتهای الومینیم وکلسیم وسدیم است ودر سنگ های آذرین اسیدی وجود دارد.  اولین توری نسوز از ماده توریم دی اکسید۹۹٪ و سریم دی اکسید ۱٪ ساخته شد.

       

از دست رفتن آب تبلور درنمکهای آبپوشیده

از دست دادن آب تیلور نمک های آب پوشیده را واکنش شیمیایی تجزیه در نظر می گیریم. شیمیایی بودن آن رابا توجه به شکسته شدن پیوندهای داتیو آب در شبکه بلور در نظر می گیرند . نمک مس (II) سولفات 5 آبه که آبی رنگ است یر اثر حرارت آب خود را از دست می دهد و به نمک بدون آب با رنگ سفید تبدیل می شود.

CuSO4 ,5H2O (s)-----> CuSO4 (s)  + 5 H2O (g) 

در مورد واکنش شیمیایی چند نکته باید ملاک نتیجه گیری باشد.اول اینکه بایستی برخی پیوند های قدیمی شکسته یاپیوندهای جدیدی تشکیل شود.دوم اینکه فرایند باید به تغییر ساختاروآرایش اتم هاوخواص فیزیکی وشیمیایی ماده منجر شود . سوم اینکه یک ماده به دویاچند ماده دیگر تجزیه شود. چهارم اینکه معمولا با تغییرات رنگ همراه باشدوپنجم اینکه با تغییرآنتالپی همراه باشد که در بحث آب تبلور همه این اتفاقات می افتد.

  ممکن است بگویید پس چرا ماده خشک و بی آب دوباره آب جذب می کند؟ پاسخ اینست که این واکنشها برگشت پذیرند و واکنش جذب آب نیز می تواند دوباره انجام شود.

از میان شواهد فوق برای یک رویداد شیمیایی لازم است یکی یا دو موردمشاهده شود ونباید الزاما همه شواهدی که باعث تغییرشیمیایی در خواص ماده میشود اتفاق بیافتد.