الذوبان

المصدر: سماء قريم من جامعة جونز هوبكنز ، دكتوراه في الطب ، الولايات المتحدة الأمريكية

1. إنشاء حل مشبعexpand

   في هذه التجربة ، ستقوم بإنشاء محلول مشبع من ديكاهيدرات رباعي الصوديوم ، ويسمى أيضا البورق. في الماء ، ينفصل البوراكس إلى كاتيونين من الصوديوم وأنيون رباعي البورات. عندما يكون محلول البوراكس المائي مشبعا ، فهذا يعني أنه يحتوي على أكبر قدر ممكن من المذاب المذاب ، وهو البوراكس ، لهذا الحجم من المذيب ، وهو الماء. لن يبدو أن أي مادة صلبة إضافية تذوب.

   نظرا لأن الذوبان يعتمد على درجة الحرارة ، فإن كل مجموعة ستنشئ محلولا مشبعا عند درجة حرارة مختلفة. سوف يذوب المزيد من البوراكس في درجات حرارة أعلى ، مما ينتج عنه محلول بتركيز أعلى من البورق.

   • قبل البدء في التجربة ، ارتد معدات الحماية الشخصية اللازمة ، بما في ذلك معطف المختبر ونظارات الرش الكيميائية والقفازات.
   • سيقوم المدرس بتعيين درجة حرارة لاستخدامها أثناء التجربة. بناء على درجة الحرارة هذه ، حدد كمية البوراكس التي ستحتاجها لإنشاء محلول مشبع باستخدام الجدول.

     درجة الحرارة (°C)	كمية البوراكس (ز)
     10	4
     20	6
     30	8
     40	13
     50	21

   • قم بقياس الكمية اللازمة من البوراكس لدرجة الحرارة المخصصة لك. على سبيل المثال ، هناك حاجة إلى 8 جم من البوراكس لدرجة حرارة 30 درجة مئوية. سجل الكتلة في دفتر المختبر الخاص بك. أنشئ هذا الجدول لمساعدتك في تتبع بياناتك.

     الجدول 1: بيانات درجة الحرارة والحجم

     درجة الحرارة المعينة (°C)
     كتلة البوراكس (ز)
     محاكمة	درجة حرارة المحلول (°C)	المجلد (مل) 0.5 M حمض الهيدروكلوريك تمت إضافة
     1
     2
     3
     4
     5

     انقر هنا لتنزيل الجدول 1
   • قم بتسمية دورق سعة 150 مل "محلول البورق" ، وانقل البوراكس إليه. قم بقياس 50 مل من الماء منزوع الأيونات واسكبه في الدورق أضف قضيب تقليب مغناطيسي إلى المحلول ، واضبط الدورق على لوح التسخين ، وقم بتشغيل إعداد التقليب.
   • استخدم مشبك مقياس حرارة رقمي لتثبيت مقياس حرارة رقمي داخل الدورق وفوق قضيب التقليب. سخني الدورق إلى حوالي 10 إلى 20 درجة مئوية أعلى من درجة الحرارة المحددة. ملاحظة: الطلاب الذين تم تعيينهم لدرجة حرارة 10 درجات مئوية سيتركون البوراكس يذوب في درجة حرارة الغرفة.
   • لجميع درجات الحرارة المحددة ، أضف 200 مل من الماء منزوع الأيونات إلى دورق سعة 400 مل. ثم ضع مقياس حرارة زجاجي في دورق الماء. ضع الدورق على اللوحة الساخنة وقم بتسخين الماء إلى 20 درجة مئوية أعلى من درجة الحرارة المحددة. ملاحظة: يجب على الطلاب المخصصين لدرجة حرارة 10 درجات مئوية استخدام الماء بدرجة حرارة الغرفة.
   • قم بتسمية قوارير Erlenmeyer الخمسة سعة 250 مل على أنها "تجارب من 1 إلى 5". بمجرد أن يذوب البوراكس تماما في المحلول ويبدو متجانسا ، قم بإزالة الدورق من لوح التقليب وضعه على سطح الطاولة ليبرد إلى درجة الحرارة المحددة.
   • بمجرد الوصول إلى درجة الحرارة ، ضع الدورق على كومة من المناشف الورقية لتكون بمثابة عازل والحفاظ على درجة حرارة ثابتة. ملاحظة: يجب على الطلاب المخصصين لدرجة حرارة 10 درجات مئوية وضع دورق يحتوي على محلول البوراكس في دورق أكبر مملوء بالثلج والماء.
   • قم بتسمية دورق آخر سعة 400 مل على أنه "نفايات" ، وقم بوضع ماصة 5 مل من الماء الساخن في دورق النفايات. كرر هذا عدة مرات لتسخين الماصة ومنعها من الانسداد عندما يبرد البورق.
   • سجل درجة الحرارة الدقيقة لمحلول البوراكس في دفتر ملاحظاتك. بعد ذلك ، قم بإخراج 5 مل من محلول البوراكس المشبع من أعلى الدورق وتوزيعه في أول قارورة Erlenmeyer سعة 250 مل. لا تسمح للماصة بالتلامس مع البوراكس المتبلور في الجزء السفلي من الدرق.
   • ماصة 5 مل من الماء الساخن في قارورة Erlenmeyer التي تحتوي على محلول البورق. كرر هذا لكل من القوارير الأربعة المتبقية ، مع إضافة 5 مل من محلول البوراكس و 5 مل من الماء. تذكر أن تراقب درجة حرارة محلول البوراكس ، حيث سيبرد على سطح الطاولة. ملاحظة: يجب أن تكون درجة حرارة المحلول المشبع المنقول إلى كل من القوارير الخمسة في حدود 2-3 درجات مئوية من بعضها البعض. قد يحتاج الطلاب الذين يعملون مع درجات حرارة أعلى إلى إعادة تسخين محلولهم قبل المتابعة.
2. معايرة محلول البوراكستوسيع

   الآن سوف تحدد كمية البوراكس التي تم إذابتها في المحلول المشبع. تذكر التفاعل الكيميائي الذي يوضح كيف ينفصل البوراكس في الماء ، مكونا أيون رباعي البورات. نظرا لأن أيون رباعي البورات هو قاعدة ، فإنه سيتفاعل مع الحمض بعد تفاعل التحييد.

   عندما تكون كمية الحمض ضعف كمية رباعي البورات ، يتم تحييد المحلول. للقيام بذلك ، سنقوم بتوزيع حمض الهيدروكلوريك ببطء في محلول البوراكس حتى يتم تحييده ، مما يعني أن الحمض والقاعدة يتفاعلان لتكوين الماء والملح ودرجة حموضة محايدة. سنستخدم مؤشر الأس الهيدروجيني باللون الأخضر بروموكريسول لإعلامنا بموعد تحييد المحلول، حيث يتحول من اللون الأزرق إلى الأصفر المخضر الباهت عندما يكون الرقم الهيدروجيني محايدا.

   • لبدء المعايرة بالتحليل الحجمي ، قم أولا بقياس 40 مل من الماء منزوع الأيونات وأضفه إلى إحدى قوارير Erlenmeyer. قم بتدوير القارورة للتأكد من أن كل البورق في المحلول. كرر هذا مع القوارير الأربعة الأخرى.
   • أضف 2-3 قطرات من 0.1٪ بروموكريسول الأخضر إلى كل قارورة.
   • قم بقص مشبك السحاحة على حامل دائري وقم بتأمين السحاحة في المشبك مع التأكد من أن السحاحة عمودية ومستقيمة قدر الإمكان. تأكد من إغلاق محبس التثبيت الموجود على السحاحة.
   • ضع قمعا في الطرف المفتوح من السحاحة واملأ السحاحة بالماء منزوع الأيونات. ضع دورق النفايات أسفل السحاحة وافتح المحبس للسماح لكل الماء بالشطف من السحاحة. ثم أغلق المحبس.
   • احصل على 0.5 M HCl من مدربك واسكب 10 مل في السحاحة. استخدم العلامات الموجودة على جانب السحاحة كدليل. افتح محبس الميناء على السحاحة للسماح لكل حمض الهيدروكلوريك بالتصريف في دورق النفايات
   • أغلق محبس مرة أخرى ، ثم املأ السحاحة ب 50 مل من حمض الهيدروكلوريك ، افتح محبس قليلا للسماح للسائل بملء طرف السحاحة وإزالة أي فقاعات.
   • سجل الحجم الأولي لحمض الهيدروكلوريك في دفتر ملاحظات المختبر.
   • في التجربة الأولى ، قم بمعايرة حمض الهيدروكلوريك في محلول البوراكس بزيادات قدرها 1 مل. قم بتدوير القارورة برفق بعد كل إضافة للتأكد من خلط المحلول جيدا. ملاحظة: في نهاية المعايرة بالتحليل الحجمي ، سيحول المؤشر المحلول من اللون الأزرق الفاتح إلى اللون الأصفر المخضر الباهت. إذا تحول الحل إلى اللون الأصفر الداكن، فهذا يشير إلى أنك تجاوزت نقطة النهاية.
   • عندما تصل إلى نقطة النهاية، سجل حجم حمض الهيدروكلوريك المتبقي في السحاحة.
   • أعد ملء السحاحة إلى علامة 50 مل بمزيد من حمض الهيدروكلوريك وكرر المعايرة لجميع قوارير محلول البوراكس الأخرى. تأكد من تسجيل الأحجام النهائية من حمض الهيدروكلوريك المستخدمة لكل معايرة بالتحليل الحجمي.
   • للتنظيف من التجربة ، ضع دورق النفايات سعة 400 مل أسفل صنبور السحاحة وافتح السحاحة لتصريف حمض الهيدروكلوريك المتبقي فيه.
   • املأ السحاحة بالماء منزوع الأيونات واتركها تشطف من خلال السحاحة.
   • استخدم محلول البوراكس المتبقي لتحييد الحمض الموجود في دورق النفايات. حرك الدورق حتى يتوقف عن الفقاعات.
   • أضف صودا الخبز إلى دورق النفايات وقم بتدوير المحلول. استمر في إضافة صودا الخبز وتحريك المحلول حتى يتوقف عن الغليان. ملاحظة: قد لا تلاحظ فقاعات لأن البوراكس يقوم بمعظم التحييد.
   • اغسل محتويات دورق النفايات أسفل الحوض بكميات وفيرة من الماء. يتم تحييد القوارير التي تحتوي على البوراكس وحمض الهيدروكلوريك من أجهزة المعايرة بالتحليل الحجمي ، بحيث يمكن أيضا سكبها في الحوض.
3. النتائجتوسيع
   • أولا ، حدد ثابت التفاعل K _sp لتفكك البوراكس في الماء. تحديد متوسط درجة الحرارة بالدرجة المئوية ومتوسط حجم 0.5 M HCl المستخدم للوصول إلى نقطة نهاية المعايرة بالتحليل الحجمي.

     الجدول 2: تحديد ΔG و ΔH و ΔS

     درجة الحرارة المعينة (°C)	Tavg (°C)	Vavg (mL)	Tavg (K)	1/Tavg (K)	شامات 0.5 M HCl	مولارتية Na2[B4O5(OH)4]	Ksp	lnKsp	ΔG (kJ/mol)
     10 درجة مئوية
     20 درجة مئوية
     30 درجة مئوية
     40 درجة مئوية
     50 درجة مئوية

     انقر هنا لتنزيل الجدول 2
   • احصل على بيانات من مجموعات أخرى بحيث يكون لديك متوسط حجم حمض الهيدروكلوريك لكل درجة حرارة.
   • يتم تحديد ثابت الذوبان من القياس المتكافئ لتفاعل تفكك البوراكس والماء. نظرا لأن المادة المتفاعلة صلبة ، فإنها لا تدرج في التعبير. نظرا لتكوين كاتيونين من الصوديوم لكل رباعي البورات ، فمن المفترض أن تركيز الصوديوم يساوي ضعف تركيز رباعي البورات. وبالتالي ، يمكن تبسيط التعبير كما هو موضح: K_sp = 4[[B₄O ₅ (OH) ₄ ]^2-]³
   • يمكن حساب تركيز رباعي البورات من حجم حمض الهيدروكلوريك المستخدم للوصول إلى نقطة نهاية المعايرة وتحييد القاعدة. مولات حمض الهيدروكلوريك تساوي حجم حمض الهيدروكلوريك مضروبا في مولارية المحلول. نظرا لأن هناك حاجة إلى مولين من حمض الهيدروكلوريك لتحييد مول واحد من رباعي البورات ، يمكن بسهولة حساب مولات رباعي البورات.
   • احسب تركيز رباعي البورات (بناء على حجم 5 مل من المحلول المشبع) وحدد ثابت التفاعل. كرر الحساب لكل درجة حرارة وقارن نتائجك.
   • استخدم بيانات المعايرة بالتحليل الحجمي لحساب طاقة جيبس الحرة، ΔG، عند كل قيمة درجة حرارة لتحديد ما إذا كان تفكك البوراكس تفاعلا تلقائيا أم لا. تذكر تعبير ΔG ، حيث R هو ثابت الغاز ، و T هي درجة حرارة المحلول في كلفن ، و K _sp هو ثابت تفاعلنا. باستخدام ثوابت التفاعل ودرجة الحرارة المقابلة ، احسب ΔG لكل درجة حرارة.
   • تذكر أنه إذا كان ΔG موجبا ، فإن التفاعل ليس عفويا ، مما يعني أنه يجب وضع الطاقة في التفاعل حتى يمضي قدما. ومع ذلك ، إذا كان ΔG سالبا ، فإن التفاعل يستمر تلقائيا. بشكل عام ، هذا التفاعل ليس عفويا في درجات الحرارة المنخفضة ، ولكنه تلقائي في درجات الحرارة المرتفعة. هذا يدعم النظرية القائلة بأن البوراكس يفضل شكل الهيكل البلوري للملح في درجة حرارة الغرفة وأقل ، لكنه يفضل الدخول في المحلول بعد الوصول إلى درجة حرارة معينة. استخدم K_sp لحساب ΔH و ΔS.
   • ارسم السجل الطبيعي ل K_sp كدالة 1/T تم الإبلاغ عنها في كلفن. ميل هذا الخط يساوي -ΔH / R ، لذا احسب ΔH. اعتراض الخط يساوي ΔS / R. حدد ΔS.
   • نظرا لأن التغير في المحتوى الحراري لهذا التفاعل يبلغ حوالي 90 كيلو جول / مول وهو موجب ، فإن التفاعل يكون ماصة للحرارة ، مما يعني أنه يمتص الطاقة. التغيير في الانتروبيا إيجابي ويبلغ حوالي 290 J / mol · K ، مما يشير إلى الإنتاج الإيجابي للاضطراب. هذا متوقع مع تحلل التركيب البلوري للملح.