ازمایشگاه شیمی فیزیک

تعادل شیمیایی

hilda3 — Sat, 26 May 2007 21:06:02 GMT

دیدکلی

تمام فرآیندهای برگشت پذیر ، تمایل به رسیدن به یک حالت تعادلی دارند. برای یک واکنش برگشت پذیر ، حالت تعادل وقتی برقرار می‌شود که سرعت واکنش رفت برابر با سرعت واکنش برگشت باشد. پیکان دوگانه در حد وسط یک واکنش و معادله شیمیایی ، نشانگر این است که می‌توانیم هم در جهت رفت و هم در جهت برگشت معادله را بخوانیم.

واکنشهای برگشت پذیر و تعادل شیمیایی

واکنش فرضی زیر را در نظر می‌گیریم:

(A₂(g)+B₂(g)↔2AB(g

این معادله را می‌توانیم هم در جهت رفت و هم در جهت برگشت بخوانیم. اگر A₂ و B₂ با هم مخلوط شوند، بر هم اثر کرده ، AB را تولید می‌کنند. از طرف دیگر ، از تجزیه شدن نمونه‌ای از AB خالص ، A₂ و B₂ حاصل می‌شود. اگر A₂ و B₂ را در ظرفی مخلوط کنیم، بر هم اثر کرده ، AB را تولید می‌کنند و با پیشرفت واکنش ، غلظت آنها به‌تدریج کاهش می‌پذیرد.

از این رو ، از سرعت این واکنش کاسته می‌شود. در شروع آزمایش ، چون AB وجود ندارد، واکنش برگشت نمی‌تواند امکان‌پذیر باشد. ولی این واکنش ، با تولید شدن مقداری AB در واکنش رفت آغاز می‌شود. این واکنش ، نخست به‌کندی صورت می‌گیرد (به علت آن که غلظت AB کم است)، ولی به‌تدریج سریعتر می‌شود. با گذشت زمان ، سرعت رفت کاهش می‌پذیرد، ولی سرعت واکنش برگشت افزایش می‌یابد، تا این که دو سرعت با هم برابر می‌شوند و تعادل شیمیایی برقرار می‌گردد.

پویایی تعادل شیمیایی

تعادل شیمیایی ، حالتی پویا است که در آن ، دو تغییر مخالف با سرعت برابر صورت می‌گیرند. در حالت تعادل ، غلظت تمام مواد ، ثابت می‌ماند. غلظت AB ثابت می‌ماند، زیرا AB با سرعتی که در واکنش رفت تولید می‌شود، با همان سرعت هم در واکنش برگشت مصرف می‌گردد. به همین منوال ، A₂ و B₂ با همان سرعتی که (در واکنش برگشت) تولید می‌شوند، (در واکنش رفت) به مصرف می‌رسند. تذکر این مطلب مهم است که غلظتها ثابت‌اند. از آن جهت که سرعتهای واکنشهای مخالف با هم برابرند، نه بدان جهت که هر گونه فعالیتی متوقف شده است.

ثابت تعادل

به فرض این که واکنشهای رفت و برگشت با مکانیسمی ‌ساده و تک‌مرحله‌ای صورت بگیرند، سرعت واکنش رفت با رابطه:

K_fA₂B₂=سرعت رفت

و سرعت واکنش برگشت با رابطه:

K_rAB²=سرعت برگشت

بیان می‌شود. در حالت تعادل ، این دو سرعت با هم برابرند. بنابراین داریم :

این معادله را می‌توان به صورت زیر مرتب کرد:

از تقسیم ثابت سرعت واکنش رفت ، K_f ، بر ثابت سرعت واکنش برگشت ، K_r ، ثابت دیگری بدست می‌آید که ثابت تعادل ، K ، نامیده می‌شود:

K_f/K_r=K

بنابراین داریم :

مقدار عددی K با دما تغییر می‌کند. تعداد مجموعه غلظتها برای سیستمهای تعادلی این واکنش بی‌نهایت زیاد است، ولی در هر صورت ، برای کلیه سیستمهای تعادلی در دمای معین وقتی که غلظتهای A₂ و B₂ و AB در رابطه بالا قرار می‌گیرند، همواره به یک مقدار K منجر می‌شوند. بطور کلی برای هر واکنش برگشت پذیر داریم :

wW+xX↔yY+zZ

عبارت ثابت تعادل به صورت زیر است :

بطور قراردادی ، جملات غلظتی مواد طرف راست معادله شیمیایی در صورت کسر عبارت ثابت تعادل نوشته می‌شود.

تعادلهای ناهمگن

تعادل بین مواد در دو یا چند فاز را تعادل ناهمگن می‌نامیم. در دما و فشار ثابت ، غلظت یک جامد خالص یا مایع خالص ثابت می‌ماند.

K_c و K_p

عبارت ثابت تعادل را برای واکنشهایی که دارای مواد گازی هستند، می‌توان برحسب فشارهای جزیی گازها (برحسب اتمسفر) نوشت. این نوع ثابت تعادل با K_p نشان داده می‌شود. رابطه بین K_c و K_p به صورت زیر است :

جمله n∆ ، تغییر تعداد مولکولهای گازها است. وقتی که معادله شیمیایی از چپ به راست خوانده شود. برای بدست آوردن غلظتهای تعادلی می‌توان هم از K_c و هم از K_p استفاده کرد.

اصل لوشاتلیه

اصل لوشاتلیه ، عکس العمل یک سیستم در حالت تعادل را نسبت به تغییر شرایط آزمایش پیشگویی می‌کند.

hilda3 — Sat, 26 May 2007 20:47:36 GMT

در حالت کلی سینتیک شیمیایی را می‌توان علم مطالعه سیستمهای ناظر بر تجزیه شیمیایی و یا تغییر حالت مولکولها دانست. به عبارت دیگر سینتیک را می‌توان علم مکمل ترمودینامیک دانسته و سیستمهایی را که توزیع انرژی آنها با زمان تغییر می‌نماید مطالعه کرد. نظریه‌هایی که اثرات متقابل شیمیایی را توجیه می‌کنند بطور گسترده‌ای بر اساس نتایج تجربی پایه گذاری شده‌اند که با روشهای ترمودینامیکی و سینتیکی به دست می‌آیند.

نگاه اجمالی

با یک نگرش سطحی می‌توان مشاهده نمود که برخی از واکنشهای شیمیایی آنی بوده و تعدادی کند یا بی‌نهایت کند هستند. همچنین شدت بعضی از واکنشها در آغاز زیاد است، رفته رفته آهسته می‌گردند، برعکس برخی از واکنشها به کندی شروع شده و سپس شتاب می‌گیرند، سینتیک عامل زمان را در واکنشهای شیمیایی مطرح و مورد بحث قرار می‌دهد.

تاریخچه

از نظر تاریخی مطالعه سرعت واکنشها یکی از قدیمی‌ترین موضوعات شیمی فیزیک بوده است. و نزل در سال 1777 سرعت انحلال فلزات در اسیدها را مطالعه کرد. ویلهمی در سال 1850 هیدرولیز بوسیله اسیدها را مورد بررسی قرار داد و به این نتیجه رسید که سرعت واکنش هیدرولیز ساکاروز متناسب با غلظت ساکاروز تجزیه نشده است.

ویلهمی را می‌توان پایه گذار سینتیک نامید. درسال 1862 برتلو و سن ژیل نیز نتایج مشابهی روی هیدرولیز استرها در محیط اسیدی داشتند، سرانجام درسال 1863 گولدبرگ و واگ نتایج فوق را تعمیم داده و به صورت قانون اثر غلظت‌ها بیان کردند.

مطالعات اولیه سینتیک

اولین مطالعات در سینتیک شیمیایی مربوط به اندازه گیری سرعت واکنشها بوده و برای رسیدن به هدف اصلی با توجیه این سرعتها به شناخت مکانیسم کامل واکنش مورد مطالعه پی می‌بریم. البته از آنجا که سرعت اندازه گیری شده یک حالت آماری متوسط مولکولهای شرکت کننده در واکنش می‌باشد، سینتیک شیمیایی اطلاعی از حالت انرژیتیکی یا وضع فضایی مولکولها را بطور جداگانه ارائه نمی‌دهد ولی با این وصف مطالعه جنبشی واکنشهای شیمیایی در تفکیک مکانیسمهای پیچیده به مراحل ساده ، دارای توانایی و قدرت قابل توجهی می‌باشد.

مکانیسم کلی واکنشهای پیچیده‌ای که واکنشگرها تغییرات مرحله‌ای انجام می‌دهند، تنها با مطالعه سینتیکی سرعت یعنی فرایند حاکم بر واکنش از طریق مطالعه سینتیکی قابل تشریح می‌باشد.

استفاده همزمان از عوامل ترمودینامیکی و سینتیکی

ترمودینامیک شیمیایی هم مانند سینتیک شیمیایی شاخه مهمی از شیمی فیزیک است. در ترمودینامیک عامل زمان ، در کار نیست و در آن از تعادل و حالت ابتدایی و انتهایی سیستم بحث می‌شود. بی آنکه از سرعت رسیدن به تعادل سخن گفته شود. در بیشتر موارد عملی اکثر اطلاعات مورد نیاز با استفاده همزمان از عوامل ترمودینامیکی و سینتیکی بدست می‌آید. برای مثال در فرایندهای برای تهیه آمونیاک داریم:

زمانی که واکنش گرمازا باشد طبق اصل لوشاتلیه تهیه آمونیاک در فشار بالا و دمای پایین امکانپذیر است. ولی عملا در دمای سرعت واکنش به اندازه‌ای کند است که به عنوان یک فرایند صنعتی مقرون به صرفه نمی‌باشد. لذا اگر چه در فرایند‌ هابر با استفاده از فشارهای زیاد تعادل در جهت تولید آمونیاک پیشرفت می‌کند، عملا در حضور کاتالیزور و دمای (عوامل ترمودینامیکی) سرعت رسیدن به تعادل به مراتب افزایش می‌یابد. در نتیجه برای مشخص نمودن شرایط انجام این واکنش از عوامل ترمودینامیکی و سینتیکی استفاده می‌شود.

تفاوتهای سینتیک و ترمودینامیک

علم ترمودینامیک بیشتر مبتنی بر تغییر انرژی و آنتروپی است که معمولا همراه با تغییر در سیستم می‌باشد و با استفاده از انرژی آزاد یک واکنش و همچنین ثابت تعادل آن امکان انجام یا عدم انجام یک واکنش شیمیایی را پیش‌بینی می‌کند. اما نتایج ترمودینامیکی به هیچ وجه نمی‌تواند سرعت تغییرات شیمیایی و یا مکانیسم تبدیل واکنش دهنده‌ها اطلاعاتی به ما بدهد. به عنوان مثال اکسیژن و نیتروژن موجود در جو زمین می‌توانند با آب اقیانوسها وارد واکنش شده و اسید نیتریک رقیق تولید کنند.

بر اساس اطلاعات ترمودینامیکی ، این واکنش به صورت خودبه‌خودی می‌تواند انجام شود. اما طبق اطلاعات سینتیکی خوشبختانه سرعت آن خیلی کم می‌باشد. تفاوت مهم دیگر بین سینتیک و ترمودینامیک این است که طبق اصول اساسی ترمودینامیک مقدار ثابت تعادل برای واکنشها مستقل از مسیری است که واکنش دهنده‌ها را به فراورده تبدیل می‌کند اما در سینتیک مسیر واکنش بسیار اهمیت دارد، زیرا کلیه مراحل و مکانیسم واکنشهای شیمیایی را تشکیل می‌دهد.

محلولهای بافر

hilda3 — Mon, 21 May 2007 01:01:21 GMT

گاهی لازم است محلولی را که دارای PH معین است، تهیه و ذخیره کنیم. نگهداری چنین محلولی حتی مشکل‌تر از تهیه آن است. چنانچه این محلول در معرض هوا قرار گیرد، دی‌اکسید کربن (یک ایندرید اسید) جذب می‌کند و اسیدی‌تر می‌شود. چنانچه محلول در ظرف شیشه‌ای ذخیره شود، ناخالصیهای قلیایی که در اثر خیسیدن شیشه شسته می‌شود، ممکن است PH را تغییر دهد. در محلولهای بافر (تامپون) ، PH در رقمی تا حدودی ثابت ، حتی وقتی مقادیر کم اسید یا باز به آنها اضافه می‌شود، محفوظ می‌ماند.

تهیه محلول بافر (اسیدی)

یک محلول بافر را می‌توان از یک اسید ضعیف یا یک باز ضعیف و نمکی از الکترولیت ضعیف تهیه کرد. مثلا ، می‌توان بافری از اسید استیک و استات سدیم تهیه کرد. اگر از این دو ماده به غلظت یکسان مثلا 1M داشته باشیم. در نتیجه:

از آنجا که با غلظت و برابر است، غلظت برابر با می‌شود و PH برابر 4.74 خواهد بود. PK یک الکترولیت ضعیف را می‌توان به طریقی مشابه با PH تعریف کرد:

محلولی از یک اسید ضعیف که در آن غلظت آنیون برابر غلظت اسید تفکیک نشده باشد، PH آن برابر اسید است. در نمونه بافری که شرح داده شد، مقادیر و نسبت به مقدار موجود 50 مرتبه بیشتر است.

اضافه کردن اسید یا باز به محلول بافر

چنانچه مقدار کمی یون اضافه کنیم، منبع فراوان یون استات آن را به سرعت به اسید استیک تبدیل می‌کند. چنانچه به این مقدار بافر مقداری یون اضافه کنیم، یون را خنثی می‌کند. ولی مقدار فروان استیک اسید موجود به وسیله تفکیک مقدار یون حذف شده را جایگزین خواهد کرد و PH محلول در رقمی نسبتا ثابت محفوظ می‌ماند. بافرها نمی‌توانند افزایش مقادیر زیاد اسید یا قلیا را تحمل کنند. افزایش 0.01 مول به ازای یک لیتر از یا در حدود حداکثر مقداری است که انتظار می‌رود بافری توان تحمل آن را داشته باشد.

تهیه بافر قلیایی

بافرهای قلیایی را نیز می‌توان تهیه کرد. چنانچه باز ضعیف و یون مشتق آن با غلظتهای برابر ، وجود داشته باشند، داریم:

محلولی از به مقدار 0.1 مول و به مقدار 0.1 مول مثالی از این نوع بافر است که PH آن برابر 9.26 است.

رابطه هندرسون _ باخ

بافرهایی نیز می‌توان تهیه کرد که در آنها نسبت غلظت الکترولیت ضعیف به غلظت یون مشترک 1 به 1 نباشد. از این روش می‌توان برای بدست آوردن بافری که PH یا POH آن با اسید یا باز ضعیف تفاوت دارد، استفاده کرد. رابطه هندرسون باخ این نوع بافر را توجیه می‌کند:

بطور کلی برای یک بافر موثر ، نسبت غلظت جز مولکولی به غلظت جز یونی باید بین 0.1 و 10 باشد. بنابراین برای تهیه یک بافر موثر می‌توان از استفاده کرد. برای مثال ، می‌توان بافری از اسید استیک و استات تهیه کرد که در آن مقادیر دلخواه PH بین 3.74 و 5.74 را داشته باشد، زیرا مقدار اسید استیک برابر 4.74 است.

استفاده از محلولهای بافر در صنعت و طبیعت

استفاده از بافرها بخش مهمی از بسیاری فرآیندهای صنعتی است. مثالهایی در این مورد ، آبکاری و تهیه چرم و مواد عکاسی و رنگها هستند. در پژوهشهای باکتری شناسی برای حفظ PH لازم جهت رشد باکتریهای مورد مطالعه ، محیطهای کشت معمولا بافری هستند. بافرها بطور وسیعی در شیمی تجزیه و همچنین برای مدرج کردن PH سنج بکار می‌رود. بدن انسان به وسیله بی کربنات ، فسفات و سیستمهای پیچیده پروتئین در بافری است.

مباحث مرتبط با عنوان

اسید
اسید و باز مزدوج
باز
PH
PH سنج
ثابت تعادل
شیمی تجزیه

اسیدها

hilda3 — Mon, 21 May 2007 00:52:56 GMT

به منظور بررسی رابطه بین ساختار مولکولی و قدرت اسیدی ، اسیدها را به دو نوع تقسیم می‌کنیم: هیدریدهای کووالانسی و اکسی ‌اسیدها.

هیدریدها

برخی از ترکیبات کووالانسی دوتایی هیدروژن‌دار (مانند HCl , H₂) اسیدی هستند. دو عامل بر قدرت اسیدی هیدریدیک عنصر موثر است: الکترونگاتیوی عنصر و اندازه اتمی عنصر. قدرت اسیدی هیدریدهای عناصر یک تناوب ، از چپ به راست و همسو با الکترونگاتیوی عناصر ، افزایش می‌یابد. یک عنصر الکترونگاتیو ، الکترونهای بیشتری از هیدروژن می‌گیرد و خروج آن به صورت یک پروتون را سرعت می‌بخشد.

قدرت اسیدی هیدریدهای عناصر یک گروه، با افزایش اندازه اتم مرکزی افزایش می‌یابد. در تناوب دوم: NH₃>H₂O>HF در گروه VI به اینصورت است:

H₂Te > H₂Se > H₂S > H₂O

اکسی ‌اسیدها

در این ترکیبات ، هیدروژن اسیدی به یک اتم O متصل است و تغییر در اندازه این اتم بسیار ناچیز است. بنابراین عامل کلیدی در قدرت اسیدی این اکسی‌اسیدها، به الکترونگاتیوی اتم Z مربوط می‌شود: H-O-Z .

اگر Z یک اتم غیرفلز با الکترونگاتیوی بالا باشد، سهمی در کاهش چگالی الکترونی پیرامون اتم O (علی رغم الکترونگاتیوی شدید اکسیژن) را دارد. این پدیده باعث می‌شود که اتم اکسیژن، با کشیدن چگالی الکترونی پیوند H-O از اتم H ، تفکیک آن را سرعت ببخشد و ترکیب را اسیدی بکند. هیپوکلرواسید ، HOCl ، اسیدی از این نوع است.

هرچه الکترونگاتیوی Z بیشتر باشد، الکترونهای پیوند H-O به میزان بیشتری از اتم H دور می‌شوند و حذف پروتون آسان‌تر است: HOCl > HOBr > HOI . در اکسی ‌اسیدهایی که اتمهای اکسیژن بیشتری به Z متصل باشند، قدرت اسیدی با افزایش n ، زیاد می‌شود.

مهمترین اسیدهای قوی

مولکولهای این اسیدها و در محلولهای آبی رقیق کاملا یونیزه است. اسیدهای قوی متعارف عبارتند از: اسید کلریدریک ، یدیدریک ، نیتریک ، سولفوریک ، پرکلریک است.

مهمترین اسیدهای ضعیف

یونیزاسیون این اسیدها در آب کامل نمی‌باشد و هرگز به 100% نمی‌رسد. مثال متعارف آنها ، اسید استیک ، اسید کربنیک ، اسیدفلوریدریک ، اسید نیترو و تا حدودی اسید فسفریک است.

:

اب کافت

hilda3 — Mon, 21 May 2007 00:49:07 GMT

واكنش يون هاي حاصل از تفكيك نمك با آب و تشكيل محلول اسيدي و يا بازي را هيدروليز يا آبكافت مي نامند .

آبپوشي ، احاطه يون ها توسط مولكول هاي آب است .

آبكافت بيشتر جنبه شيمياي ولي آبپوشي بيشتر جنبه فيزيكي دارد .

نكته 1: بازهاي مزدوج اسيدهاي ضعيف آبكافت مي شوند و محلول آنها خاصيت قليايي دارد .

هر چه اسيد ضعيف تر باشد باز مزدوج آن بيشتر آبكافت مي شود و باز قوي تري است .

نكته 2 : بازهاي مزدوج اسيدهاي قوي آبكافت نمي شوند يعني اگر آن ها را وارد آب كنيم آب را جذب نكرده و محلول خاصيت قليايي پيدا نمي كند .

نكته 3: اسيدهاي مزدوج بازهاي ضعيف آبكافت مي شوند و محلول آنها خاصيت اسيدي دارد.

براي توضيح بيشتر مي توان گفت باز يا اسيدي كه ضعيف است يعني كم تفكيك مي شود و بيشتر تمايل دارد به فرم اوليه خود باقي بماند (‌فرم خنثي )

در حالي كه اسيدها يا بازهاي قوي تمايل دارند یوينده شده و در محلول به صورت يون موجود باشند .

نكته 4 : اسيدهاي مزدوج بازهاي قوي آبكافت نمي شوند .

هر چه بازي ضعيف تر باشد ، اسيد مزدوج آن بيشتر آبكافت مي شود .

آبکافت نمک ها

نمك ها هميشه از واكنش خنثي شدن اسيدها با بازها به وجود مي آيند . اما نمك حاصل از فرايند خنثي شدن همواره خنثی نيست به اين صورت كه :

اگر نمكي از واكنش يك اسيد قوي و يك باز قوي يا واكنش يك اسيد ضعيف و باز ضعيف به وجود آمده باشد نمك خنثي است در نتیجه ‌ PH‌ محلول آنها در حدود 7 است .

اگر نمكي از واكنش اسيد قوي با باز ضعيف توليد شود ، نمك اسيدي است و محلول آن PH كمتر از 7 دارد .

اگر نمكي از واكنش اسيد ضعيف با باز قوي حاصل شود ، نمك بازي است و PH محلول آن بيشتر از 7 است .

در فرايند آبكافت يونهاي چند بار مثبت فقط مرحله اول به ميزان قابل توجهي صورت مي گيرد و آبكافت مراحل بعدي به قدري كم است كه مي توان از آن صرف نظر كرد

ضریب شکست نور در مایعات مجهول

hilda3 — Mon, 21 May 2007 00:44:15 GMT

یکی دیگر از راههای شناسایی و تشخیص ترکیبات آلی استفاده از ثابت فیزیکی ضریب شکست نور در یک مایع مجهول میباشد.

سرعت انتقال نور در محیطهای مختلف متفاوت است. انحراف شعاع نور در هنگام عبور از حد فاصل دو محیط مختلف یکی از نتایج مستقیم و قابل رویت این اختلاف است. انحراف نور به علت تغییر سرعت آن است.

زاویه شکست نور (زاویه انحراف) به دانسیته محیط، نوع مولکولهای موجود، درجه حرارت محیط و طول موج نور بستگی دارد. چنانچه محیطی مانند هوا به عنوان مقیاس انتخاب شود و زوایای شکست با یک طول موج یکنواخت در یک درجه حرارت یکسان اندازه گیری شود، در این صورت زوایای اندازه گیری شده یکی از خواص محیط ثانوی در حد فاصل مربوط است و میتوان از آن به عنوان یک خصلت مشخص جسم سازنده آن محیط استفاده کرد.

مقداری که عملا به صورت ثابت فیزیکی یک مایع گزارش میشود، زاویه شکست آن نیست بلکه ضریب شکستی (n) است که از معادله زیر تعیین میشود:

n=sin i / sin p

در اینجا i زاویه ای است که نور ورودی (در هوا) با خط عمود بر سطح حد فاصل میسازد و p زاویه ای است که نور شکسته شده (در مایع) با این خط به وجود می آورد. نور تکفام مقادیر دقیق تری از نور معمولی میدهد و از این جهت ضرایب شکست را اکثرا نسبت به خط D سدیم (598.3 mμ = λ طول موج) گزارش میکنند. این نور را به صورت پایه و درجه حرارت را به صورت توان نشان میدهند (مانند n_D²⁰ = 1.3330).

رفراکتومتر Abbe دستگاهی است که غالبا شیمیدانها از آن استفاده میکنند. در این رفراکتومتر از نور معمولی به عنوان منبع نور استفاده میشود، ولی با یک موازنه ای که در یک سیستم منشوری به عمل می آید، ضریب حاصل نسبت به خط D سدیم به دست می آید.

تصویر رفراکتومتر دستی

hilda3 — Mon, 21 May 2007 00:40:28 GMT

SOLOMON EQUIPMENT CO. LTD.

[]

رفراکتومترهای دستی

[

ضریب شکست

hilda3 — Mon, 21 May 2007 00:37:21 GMT

ضریب شکست (محیط های همگن)

پدیده های روز مره شکست

مشاهدات تجربی و آزمایشات نوری نشان می دهد که وقتی نور از یک محیط بر محیطی متفاوت از اولی می تابد مسیر اولی خودش را دنبال نمی کند:

اگر در کنار استخر آب بیاستید قامت خود را در آب کج می بینید.
اگریک نی را وارد یک لیوان آب بکنید و از بیرون به داخل لیوان نگاه کنید نی را خم شده حس می کنید.
درختان کنار رودخانه در داخل آب تصویر کجی دارند.
غواص های داخل آب باید از شکسته شدن مسیر نور در بین محیط ها با خبر باشند و الا ایستکاه اولیه خود را پیدانمی کنند. و هزاران پدیده دیگر

چرا شکست اتفاق می افتد؟

انتشار نور در محیط ها به کمیات فیزیکی محیط ها وابسته است وقتی نور از محیطی با گذر دهی الکتریکی (e1) و تراوایی مغناطیسی (m1) به محیطی با گذر دهی الکتریکی (e2 ) و تراوایی مغناطیسی (m2) گذر می کند با یک کمیات فیزیکی محیطی جدیدی روبرو می شود و سرعت غیر یکسانی در این دو محیط دارد از طرفی تغییرات سرعت هم با کمیات محیط (e,m)در ارتباط هست هم با کمیت اصلی محیط ضریب شکست (n)در ارتباط هست.پس ضریب شکست که از کمیات مهم نوری به حساب می آید از محیطی به محیط دیگر تعییر می کند بنابراین سرعت و مسیر پرتو نیز تغییر خواهد کرد.

محاسبه الکترومغناطیسی ضریب شکست

در حالت کلی از دید الکترو مغناطیس ( طیف الکترومغناطیسی ) ضریب شکست عبارتست از نسبت سرعت نور در خلا به سرعت نور در آن محیط بنابراین دراین رابطه (n=C/V ) ضریب شکست(n) و با حاصلضرب تراویایی نسبی مغناطیسی (k_m) و ضریب دی الکتریک (k)محیط مادی نسبت عکس مجذوری دارد.

اکثر محیط های نوری شفاف هستند. برای محیط های شفاف نوری ، خاصیت مغناطیسی چندان مطرح نیست در این صورت ضریب شکست با جذر ضریب دی الکتریک داده می شود.(n=\sqrt2{k})

چون میزان قطبش محیط های مادی متفاوت است و ضریب دی الکتریک با قطبش درارتباط است بنابراین ضریب شکست محیط ها از خواص الکتریکی بیشتر تأثیر می پذیرد. در اکثر گازها این مقدار ثابت است در اجسام غیر قطبی نیز جواب ها دقیق هستند امّا در موادی با مولکولهای قطبی مثلا آب و الکل و... این بستگی رادیکالی عوض می شود و آنهم به خاطر بالا بودن قطبش پذیری این اجسام است.

وابستگی فرکانسی ضریب شکست

ضریب شکست به فرکانس تابش وابسته است و این ویژگی برای همه محیط های نوری شفاف صادق است تغییر ضریب شکست در محیط مادی با فرکانس را پاشندگی ماده گویند. در چنین موادی دو حالت ممکن است اتفاق بیافتد اگر وابستگی از درجه اول طول موج باشد جذب نور نداریم. مانند پاشندگی شیشه در منشور ها که سبب تجزیه نور به رنگ های مختلف می شود. اگر مرتبه وابستگی بالاتر باشد مواد علاوه از پاشندگی جاذب نور نیز خواهند بود. این پاشندگی هست که سبب انحراف مسیر پرتو ها در گذر از محیط های مختلف می گردد چون میزان پاشندگی برای محیط های،مختلف متفاوت است.

این وابستگی گاهی مفید و گاهی زیانبار است مثلا در عدسی ها ابیراهی ها را سبب می شود و وضوح، دقت و کیفیت تصویر را کاهش می دهد و در منشور سبب تجزیه نور یک منبع به خطوط طیفی سازنده نورش می کند. در حالت کلی برای تشریح پاشندگی بایستی حرکت واقعی الکترونها( حرکات کاتوره ای یا ]براونی] » را در اثر ««بر هم کنش آنها با نور در محیطی که نور بر آن محیط می تابد و در آْن منتشر بررسی نمود.

در محاسبه میزان پاشندگی برای یک ماده ضرایب شکست فرانهوفر (ضرایب شکست در طول موج های فرانهوفر) لازم می شود. و نیز برای برخی سیستم ها دو نوع ضریب شکست داریم که در مبحث کریستالهای دو شکستی تشریح خواهیم کرد. از روی ضریب شکست مواد کاتالوگ‌هایی ساخته اند تا مواد را به راحتی بتوان در دستگاه های نوری مورد استفاده قرار داد. به عنوان نمونه ضریب شکست چند ماده را در زیر می آوریم.

لولهای مویینی

hilda3 — Mon, 21 May 2007 00:34:37 GMT

موضوع : در حاشيه شيمي يك

اثرات تشکیل پیوند هیدروژنی را می توان در خواص آب مشاهده کرد. برای مثال وقتی آب منجمد می شود هر مولکول آب از طریق پیوند هیدروژنی به چهار مولکول دیگر آب متصل می شود.

اثرات تشکیل پیوند هیدروژنی را می توان در خواص آب مشاهده کرد. برای مثال وقتی آب منجمد می شود هر مولکول آب از طریق پیوند هیدروژنی به چهار مولکول دیگر آب متصل می شود. دو اتم هیدروژنی که بخشی از مولکول آب مرکزی هستند به اتم های اکسیژن دو مولکول دیگر آب جذب می شوند. اتم های هیدروژن از دو مولکول دیگر آب جذب اکسیژن در مولکول آب مرکزی می شوند. این سختار بلوری باز حجم زیادی را اشغال می کند.
وقتی یخ ذوب می شود بسیاری از پیوند های هیدروژنی آن شکسته می شوند. همچنان که تعدادی از پیوندها شکسته می شوند، شبکه یخ فرو می ریزد. مولکول های آب به یکدیگر نزدیک می شوند. همان تعداد مولکول اینک فضای کمتری را اشغال کرده اند. بنابراین، آب مایع، چگالتر از یخ است. وقتی آب را در دمای بالاتر از صفر درجه سانتی گراد گرم کنیم، پیوند های هیدروژنی شکسته می شوند و مولکول ها باز هم به یکدیگر نزدیک تر می شوند. در 98/3 درجه سانتی گراد اکثر پیوند های هیدروژنی شکسته شده اند بالاتر از 98/3 درجه سانتی گراد، آب با افزایش دما منبسط می شود.
با توجه به سبک بودن یخ نسبت به آب، در دریاچه ها و رود خانه یخ در سطح آب شناور می ماند. این لایه یخ لایه های زیرین آب را از منجمد شدن حفظ می کند. بنابراین بعضی از موجودات آبزی می توانند در سرمای زمستان زنده بمانند.
کشش سطحی و صعود در لوله موئین
یک سوزن و یک لیوان آب تهیه کنید. به کمک پنس سوزن را به دقت روی سطح آب قرار دهید. مطمئن باشید که دست های شما پنس یا سوزن صابونی نباشد. با کمی تمرین می توانید سوزن را در سطح آب قرار دهید. چرا سوزن در آب فرو نمی رود؟ آیا هرگز در لیوان آب ریخته اید که سطح مایع بالاتر از لبه لیوان باشد؟
ذره ها در سطح مایع خواص ویژه ای دارند. زیر این ذره ها تحت تاثیر نیروهای نامتوازنی قرار دارند. به کمک این نیروهای نامتوازن می توان کشش سطحی یا کشسانی ظاهری سطح را توضیح داده شما می توانید با تکان دادن لیوانی که لبریز از آب است تعادل نیروهایی که در سطح مایع برقرار است از بین می رود و مایع سرریز می شود.
ذره ها در درون مایع در تمام جهات تحت تاثیر نیروهای جاذبه هستند. اما ذره های سطح مایع از پهلوها و به طرف پایین تحت تاثیر نیروهای جاذبه هستند بنابراین ذره ها در سطح مایع نیروی خالصی را در جهتی عمود بر سطح مایع تجربه می کنند. این نیروی خالص نه تنها کشش سطحی را توجیه می کند بلکه همچنین به کمک آن می توان توضیح داد چرا مایعات به هنگام سقوط قطره های کروی تشکیل می دهند از آن جا که کره کمترین سطح را برای یک حجم معین دارد قطره مایع شکل کروی اختیار می کند.
نیروهای نامتوازن توجیهی برای پدیده صعود موئینه ای است. صعود موئینه ای یا اثر موئینه ای بالا رفتن مایع در لوله ای با قطر کوچک است. چنان چه بین مایع و دیواره جامد لوله موئینه، نیروی جاذبه ای وجود داشته باشد، مایع در لوله موئین صعود می کند. نیروی جاذبه بین مولکول های آب و شیشه نیروی نامتوازن مولکول های سطح آب را سست می کند. آب شروع به بالا رفتن می کند تا این که نیروهای مختلف (جاذبه بین شیشه و آب، جاذبه بین مولکول های آب و نیروی گرانشی روی ستون آب) با هم به توازن برسند. صعود موئینه ای روشی برای اندازه گیری کشش سطحی است. مقدار کشش سطحی به چگالی مایع، شعاع لوله موئینه، نیروی گرانشی روی ستون مایع و ارتفاع صعود مایع ربط داده می شود.
هم کشش سطحی آب و هم کشش سطحی جیوه در دمای اتاق بالاست. اما کشش سطحی جیوه بیش تر است. آب به سهولت در لوله موئینه بالا می رود، در حالی که جیوه پایین می رود. جیوه سطح شیشه را مرطوب نمی کند. به عبارت دیگر نیروی جاذبه بین جیوه و شیشه برای غلبه بر نیروی جاذبه ای که بین اتم های جیوه وجود دارد، کافی نیست.
چرا دمای جوش و انجماد آب به طور غیر عادی بالا رفته است؟
تشکیل پیوند هیدروژنی و اتصال پیوند نسبتا محکم بین مولکول های آب، موجب افزایش نیروهای جاذبه بین مولکولی می شود. در نتیجه دمای جوش آب، افزایش می یابد و فرار مولکول ها از سطح مایع به وسیله گرما دشوار تر می شود و بر اثر آن، دمای جوش آب به طور غیر عادی بالا می رود.

.

فشار

hilda3 — Mon, 21 May 2007 00:24:25 GMT

تعریف فشار:

فشار عبارتست از نیروی وارده بر واحد سطح که با علامت اختصاری p نشان میدهند. این کمیت در گازها نقش عمده را ایفا میکند زیرا یکی از کمیات مشخصه گاز میباشد، از این رو بیشتر قوانین فشار در گازها نهفته شده و به دست آوردن معادله حالت گاز به کار برده میشود.

مفهوم فشار:

اثر نیرو بر روی یک سطح بستگی دارد که نیرو چگونه اعمال شود. شخصی که کفش ورزشی میخ دار پوشیده. میخ کفشهایش در زمین فرو میرود در صورتیکه کفش معمولی بر زمین آسیب نمیرساند. نکته قابل توجه این است که در هر دو مورد نیرویی که بر سطح وارد میشود یکسان بوده و همان نیروی وزن اوست. اختلاف میان این دو حالت در این است که کفش ورزشی نیرو را بر سطح کوچکی وارد میکند.

میخ کفشها مقدار نیروی کل را تغییر نمیدهد ، بلکه نیرو بر واحد سطح را به شدت افزایش میدهد. که کمیت نیروی وارد بر واحد سطح نیز فشار نام دارد. به زبان ریاضی فشار بصورت زیر بیان میشود:

P=F/A که در آن P فشار ، F نیرو و A سطح مقطع اثر نیرو میباشد.

اسکیبازان موقع اسکی کفش اسکی میپوشند زیرا دارای سطح مقطع بزرگتری است و فشار وارد بر سطح را کاهش میدهد.

چاقو به خاطر سطح مقطع بسیار کوچک تماس با اجسام (مثلا دست) در اثر اعمال مقدار نیروی هر چند ناچیز ، نیروی واحد سطح (فشار) بزرگتری را ایجاد کرده و سبب برش اجسام میشود.

یکای فشار:

فشاربا یکاهای مختلفی بیان میشود. یکای استاندارد ما در دستگاه SI پاسکال میباشد که برابر(1Pa=1N/m²) میباشد. یک پاسکال برابر مقدار یک نیوتن نیروست که بر یک متر مربع سطح جسمی وارد میگردد. بهترین یکایی که میتواند مرجعی برای سایر یکاها به کار برده شود اتمسفر یا جو (Atmospher ) است که به صورت فشار متوسط هوا در سطح دریا تعریف میشود.

چون پاسکال یکای کوچکی برای فشار است معمولا از کیلو پاسکال(kpa) که برابر 1000 پاسکال است، استفاده میکنند. هر جو تقریبا برابر 100 kpa است. هواشناسان ازواحد میلی بار استفاده میکنند که برابر یک دهم پاسکال است. از سایر واحدهای فشار میتوان دین بر سانتیمتر مربع (dyn/cm²) یا torr را نام برد.

چون در اندازه گیری فشار در لوله U شکل از طول سنجی مایع جیوه به فشار سنجی پی می برند، واحد سانتیمتر جیوه (cmHg) نیز برای کمیت فشار به غلط مرسوم شده است.

نحوه اندازه گیری فشار:

فشار را به کمک دستگاههای فشار سنج اندازه میگیرند عمدهترین فشار سنجها که بر حسب مکانیزم کارشناسان نام گذاری شده است عبارتند از:

فشارسنج لوله U شکل
فشار سنج مکلئود
فشار سنج جیوهای
فشار سنج ترموکوپل
فشارسنج صوتی
فشار سنج خازنی
فشارسنج گازایدهآل

ساده ترین و معروترین آنها فشار سنج لوله U شکل است که در آن مقداری جیوه در لوله U شکل ریخته شده و میزان اختلاف فشار محیط (هواکه برابر p₀ است) و ماده د اخل فشارسنج که بر مایع جیوه فشار وارد میکند ازطریق اختلاف ارتفاع ستون مایع جیوه اندازه گیری میشود. بنابراین از این طریق فشار واقعی را میتوانیم به دست آوریم: « P=P₀+ρg(h-h₀)
در رابطه اخیر P فشار و ρ چگالی ماده و P₀ فشار اتمسفر ، h₀ ارتفاع ستون مایع در فشار اتمسفر ، g شتاب جاذبه وh ارتفاع ستون مایع در فشار ماده میباشد.