דיכאון נקודת הקפאה כדי לקבוע תרכובת לא ידועה

שקע נקודת הקפאה הוא התופעה הנצפית כאשר נקודת הקיפאון של תמיסה נמוכה מזו של הממס הטהור.

תופעה זו נובעת מאינטראקציות בין מולקולות המומס והממס. ההבדל בטמפרטורות ההקפאה עומד ביחס ישר למספר חלקיקי המומסים המומסים בממס.

ניתן לחשב את המסה המולרית של מומס לא נדיף מההבדל בטמפרטורות ההקפאה אם המסות של הממס והמומס בתמיסה ידועות.

סרטון זה יציג את הקשר בין שקע נקודת הקיפאון לבין המסה המולרית של המומס, הליך לקביעת מסה מולרית של מומס לא ידוע, וכמה יישומים בעולם האמיתי של השראת והתבוננות בשינויים בטמפרטורת הקפאה.

שקע נקודת קיפאון הוא תכונה קוליגטיבית, כלומר הוא מושפע רק מהיחס בין חלקיקי מומס לממס, ולא מזהותם.?

בנקודת ההקפאה של חומר טהור, שיעורי ההיתוך וההקפאה שווים.

כאשר תמיסה מקוררת לנקודת ההקפאה של הממס שלה, מולקולות הממס מתחילות ליצור מוצק. זה פחות נוח מבחינה אנרגטית ליצור סריג מעורב של חלקיקי ממס ומומסים. חלקיקי המומס נשארים בשלב הפתרון. רק אינטראקציות ממס-ממס תורמות להיווצרות סריג, ולכן אינטראקציות ממס-מומס מפחיתות את קצב ההקפאה בהשוואה לזה של הממס הטהור.

הטמפרטורה בה מתחילה ההקפאה היא נקודת ההקפאה של התמיסה. התמיסה ממשיכה להתקרר כשהיא קופאת, אך ירידה מתמשכת זו בטמפרטורה משקפת את הריכוז ההולך וגדל של המומס בשלב התמיסה.

בסופו של דבר, טמפרטורת התמיסה כל כך נמוכה וכל כך מעט ממס נשאר בשלב הנוזלי עד שהופך להיות נוח לחלקיקי המומס ליצור סריג. לאחר שמגיעים לנקודה זו, הטמפרטורה נשארת קבועה בערך עד שהתערובת קפאה מוצקה.

ניתן לקבוע את המסה המולרית של המומס, ולכן את זיהוי המומס, מהקשר בין נקודת הקיפאון של הממס הטהור, נקודת הקיפאון של התמיסה והמוליות של התמיסה. מולאליות, או m, היא מדד לריכוז בשומות של המומס לקילוגרם של הממס. קשר זה תלוי בקבוע השקע של נקודת הקיפאון של הממס ובמספר חלקיקי המומס המיוצרים ליחידת פורמולה שמתמוססת.

ניתן לבטא מולאליות במונחים של מסה מולרית, כך שניתן לסדר מחדש את המשוואה כדי לפתור את המסה המולרית של המומס. חיבור זה למשוואת נקודת הקיפאון מאפשר הבהרת המסה המולרית, ברגע שהפרש הטמפרטורה ידוע. כעת, לאחר שהבנתם את התופעה של שקע נקודת הקפאה, בואו נעבור על הליך לקביעת המסה המולרית של מומס לא ידוע מטמפרטורות נקודת הקיפאון. המומס הוא מולקולה אורגנית לא יונית ולא נדיפה המייצרת חלקיק אחד לכל יחידת נוסחה מומסת, והממס הוא ציקלוהקסאן.

כדי להתחיל בניסוי זה, חבר את בדיקת הטמפרטורה למחשב לאיסוף נתונים. הכנס את בדיקת הטמפרטורה ומערבל לתוך מיכל הדגימה.

הגדר את משך איסוף הנתונים ואת קצב הדגימה. אפשר מספיק זמן באיסוף הנתונים כדי שהדוגמה תקפא.

הגדר את הגבולות העליונים והתחתונים של טווח הטמפרטורות לדגימה.

יש להוסיף 12 מ"ל ציקלוהקסאן למבחנה נקייה ויבשה. נגב את בדיקת הטמפרטורה בעזרת Kimwipe. הכנס את מכלול הפקק למבחנה כך שקצה בדיקת הטמפרטורה מרוכז בנוזל ואינו נוגע בצדדים או בתחתית.

בכוס הכינו אמבט מי קרח. לאחר מכן, התחל את איסוף נתוני הטמפרטורה.

הנח את המבחנה לתוך אמבט מי הקרח, וודא שרמת הנוזל במבחנה נמצאת מתחת לפני השטח. מערבבים ברציפות את הנוזל בקצב קבוע.

לאחר תחילת ההקפאה, אפשר לאיסוף הנתונים להמשיך עד שהחלקה תתיישר בטמפרטורה קבועה. זוהי נקודת הקיפאון של ציקלוהקסאן טהור. הסר את המבחנה מאמבט מי הקרח ואפשר לה להתחמם לטמפרטורת החדר.

לאחר שהציקלוהקסאן נמס, שקלו במדויק את החומר המוצק הלא ידוע על נייר השקילה. הסר את הפקק מהמבחנה והוסף את המוצק. הימנע מלאפשר לתרכובת להיצמד למבחנה.

החזר את הפקק למקומו וערבב את התמיסה עד להמסה מלאה של המוצק. חשוב שלא יישארו גבישים מוצקים.

הגדר את הפרמטרים לאיסוף נתונים והכן אמבט מי קרח מתוקים. התחל באיסוף, הכנס את המבחנה לאמבטיה וערבב ברציפות בקצב קבוע. לאחר תחילת ההקפאה, נקודת הקיפאון ממשיכה לרדת עקב ריכוז המומס הגובר. המשיכו לאסוף נתונים עד שיהיה ברור השיפוע של ירידה זו. לאחר סיום הניסוי, אפשר לתמיסת התרכובת הלא ידועה להתחמם לטמפרטורת החדר ואז השלך אותה בהתאם לנהלים לפסולת אורגנית.

בניסוי זה, החומר הלא ידוע ידוע כאחד מחמש תרכובות אפשריות: ביפניל, ברומוכלורבנזן, נפתלין, אנתרסן ודיברומובנזן. ניתן לקבוע את זהותו של הלא ידוע על ידי השוואת המסה המולרית שלו לחומרים ידועים אלה.

המומס הלא ידוע מייצר חלקיק אחד לכל יחידת פורמולה מומסת. כדי לחשב את המסה המולרית של התרכובת הלא ידועה, יש צורך בקבוע שקע נקודת הקיפאון של ציקלוהקסאן, מסת המומס והממס המשמשים, וההבדל בטמפרטורות הקפאה.

0.147 גרם של המומס הלא ידוע שימשו בדוגמה זו. קבוע השקע של נקודת הקיפאון של ציקלוהקסאן הוא 20.2 ? C-kg לכל מול מומס. הצפיפות והנפח של ציקלוהקסאן משמשים לחישוב מסת הממס.

ערכי נקודת ההקפאה של הממס הטהור ונקודת ההקפאה של התמיסה נקבעים מהחלקות.

אם ידוע שהתרכובת היא אחת מכמה תרכובות אפשריות, כמו בניסוי זה, ניתן פשוט להשוות את המסה המולרית לתרכובות אלה. מבין חמש האפשרויות הניתנות לניסוי זה, נפתלין הוא ההתאמה הקרובה ביותר.

לתופעה של דיכאון נקודת קיפאון יש יישומים רבים הן בתוך המעבדה והן מחוצה לה.

סידן כלורי עדיף על נתרן כלורי לטיפול בכבישים קפואים בגלל ההשפעות של שקע נקודת הקיפאון. מכיוון שסידן כלורי משחרר חלקיק אחד יותר מנתרן כלורי, הוא מדכא עוד יותר את נקודת הקיפאון של המים ובכך ממיס קרח בטמפרטורות נמוכות יותר.

במחקר זה נערך ניסוי התכה עם שתי תערובות שונות של ברזל-גופרית. הדגימה עם חלק המסה הגבוה יותר של גופרית הייתה נוזלית לחלוטין בטמפרטורת הניסוי, בעוד שהדגימה עם פחות גופרית עדיין הייתה מוצקה חלקית. זה מוכיח שעם זיהומים מוגברים, במקרה זה גופרית, נקודת ההיתוך הנצפית נמוכה יותר מאשר עבור המוצק הטהור. כאן, ההבדלים בנקודת ההיתוך בין שתי הדגימות מעניקים תובנה לגבי היווצרות ליבת כדור הארץ.

זה עתה צפיתם בהקדמה של JoVE לשימוש בשקע נקודת קיפאון כדי לקבוע את זהותה של תרכובת לא ידועה. כעת עליכם להבין את התופעה של שקע נקודת הקיפאון, את הקשר בין שקע נקודת הקיפאון לבין המסה המולרית של המומס, ומדוע התופעה שימושית למגוון תעשיות.

תודה שצפית!