بخشی از مقاله
چکیده:
هدف این پژوهش ارائه طرحی جایگزین جهت آزمایش سیستم تعادلی فازی سیستم نفتالن- دی فنیل آمین و.... در درس آزمایشگاه شیمی فیزیک 1 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 اتکتیک ساده نشان میدهد ، دارای مشکلات زیست محیطی و مضر بر سلامت انسان نیست بلکه مواد پسماند آن در یک آزمایش گروهی میتواند به راحتی بازیافت شود و یا در آزمایشهای دیگر به عنوان ماده اولیه استفاده گردد. نتایج بررسی حاضر نشان دهنده نقطه ذوب 66/4 C برای پالمتیک اسید و 60/3 C برای پنتا دکانوئیک اسید پس از انطباق داده های بهدست آمده با چندجمله ایهای پیشنهادی نرمافزار Excel میباشد و آنتالپی ذوب پالمتیک اسید، 60/58 کیلوژول بر مول به دست آمد. همچنین، نقطه اتکتیک در حدود دمای 57 C و کسر مولی 0/44 برای پالمتیک اسید، مشاهده میشود.
واژگان کلیدی: تعادل فازی، پالمتیک اسید، پنتادکانوئیک اسید - استئاریک اسید -
مقدمه
یکی از ساده ترین روشهای بررسی تغییر حالتهای فیزیکی ایجاد شده در یک سیستم، مطالعهی نمودارهای فازی آن است.[1] نمودارهای فازی، تعادل میان فازهای مختلف را در یک سیستم نشان میدهند و تعادل فازی، وضعیتی است که در آن گونههای شیمیایی یکسان، در فازهای متفاوت وجود دارند و پتانسیل شیمیایی گونههای مورد نظر در آن فازها یکسان است.[2] نمودار فازی، اطلاعات مفیدی همچون پایدارترین 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 میدهد.
یکی از انواع تعادلهای فازی، تعادل در سیستم دوجزئی جامد- مایع است که سادهترین حالت آن، وضعیتی است که دو ماده در حالت مایع، کاملا در هم حل شده و در حالت جامد، در هم نامحلول باشند. این سیستمها به علت بررسی متغیرهای ترمودینامیکی در عین سادگی اجرا و تحلیل، در اغلب آزمایشگاههای شیمیفیزیک سراسر جهان مطرح هستند.[3-6] علاوه بر این، نمودارهای دما-ترکیب این سیستمها در طراحی فرایندهای مهم صنعتی همچون تولید بلورها، آلیاژهای فلزی و نیمههادیها مورد استفاده قرار می گیرند.[1]برخی از سیستم های دو جزئی که در حال حاضر در اغلب آزمایشگاههای آموزشی دانشگاه ها مورد بررسی قرار میگیرند، [7-9] عبارتند از: نفتالن-دیمتیل آمین 11-12]و[3، پارا دی کلرو بنزن- فنانترن، نفتالن-دیفنیل متان و فنل-نفتالن10]و.[12
مشکل اساسی همه این سیستمها ایجاد آلودگی زیستمحیطی اعم از آلودگی هوا و اثرات مخرب تنفسی و پوستی ، خطرات سرطان زایی[13] آن و نیز آلودگی آبهای زیرزمینی و در نتیجه وارد شدن پسماند و دورریز این آزمایشها به چاههای فاضلاب است. در این میان بسیار محتمل است که برخی از کارشناسان، به دلیل پیشگیری از اثرات نامطلوب این آزمایشها، اقدام به حذف آنها 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 زمینه یافتن و انجام آزمایش با سیستمهایی که از نظر سلامتی و زیست محیطی ایمن باشند، ضروری به نظر میرسد.
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-دی فنیل آمین چنین وضعیتی دارند و در دستور کارهای ازمایشگاهی مشاهده می شوند - و همچنین این سیستم با معیارهای زیست محیطی منطبق باشد و از طرفی تهیه و خرید مواد موجود در آن برای یک 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 بررسیهای متعددی که بر روی اسید های چرب راست زنجیر اشباع ، به دلیل کاربرد در صنایع دارویی، روان کننده و... صورت گرفته است [14-18] و اثرات مضر بر سلامت و محیط زیست از آنها گزارش نشده است لذا، سیستم پالمتیک اسید - پنتادکانوئیک اسید را با توجه به اهداف آموزشی مرتبط با این مبحث درسی انتخاب و مطالعه کردیم.
روش اجرا
پالمتیک اسید 139 - CH₃ - CH₂ - ₁₄ COOH - و پنتادکانوئیک اسید 140 - CH₃ - CH₂ - ₁₃COOH - با خلوص %98 از شرکت مرک خریداری شد.این مواد بدون خالص سازی بیشتر با کنترل نقطه ذوب تایید گردید.برای بررسی سیستم تعادلی دو جزئی پالمتیک اسید- پنتادکانوئیک اسید، به 1/25 گرم پالمتیک اسید، در یک لوله آزمایش قطور افزایشهایی از پنتادکانوئیک اسید، مطابق جدول - 1 - 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 10 تا 15 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، به 1/25 گرم پنتادکانوئیک اسید، طبق جدول 2 - - پالمتیک اسید افزوده شده و مجددا دماهای ذوب اندازهگیری شد. همه محاسبات در این مطالعه، با استفاده از نرمافزار Excel انجام گردید. جهت رسم نمودارهای فازی نیز، از نرم افزار sigmaplot استفاده شد.
نتایج و بحث
جدولهای 1 - و - 2 بهترتیب، مقادیر پنتادکانوئیک اسید اضافه شده به 1/25 گرم پالمتیک اسید، و پالمتیک اسید اضافه شده به 1/25 گرم پنتادکانوئیک اسید را نشان میدهند. در این جداول، دماهای مربوط به دوفازی شدن مخلوطها و کسر مولی پالمتیک اسید، نیز گزارش شده است.نمودار شکل - 1 - ، تغییرات دما دوفازی شدن بر حسب کسر مولی پالمتیک اسید را نشان می دهد. نمودار سیستم دو جزیی فنول-نفتالین - شکل - 2، که در برخی از آزمایشگاههای کشور انجام میگیرد، نیز جهت مقایسه ارائه شده است. از مقایسه دو نمودار نتیجه میشود که مفهوم کاهش نقطه ذوب بر اثر افزایش یک جامد به جامد دیگر و نیز پیدا کردن نقطه اتکتیک و نقطه ذوب دو جامد، از نمودار شکل - - 1 نیز همانند نمودارشکل - - 2 قابل بررسی است.
البته، همانطور که از نمودارها مشاهده میشود، در آزمایش سیستم دوجزئی پالمتیک اسید- پنتادکانوییک 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 ناخالصی و یافتن نقطه ذوب ماده خالص با استفاده از داده های آزمایشگاهی، مفیدتر و ارزشمندتر است. البته، طبق آزمایشهایی که در سالهای اخیر انجام شده 15 ] و [16 ، اغلب سیستمهای دوجزئی شامل دو اسید چرب جامد، دارای یک نقطه اتکتیک ساده در حالت فازی جامد - جامد نمیباشند و نمودار فازی آنها همانند نمودار شکل - - 3 گزارش شده است.[17]
سیستم دوجزئی پالمتیک اسید- پنتادکانوییک اسید در مراجع فوق گزارش نشده است، با مقایسه این سیستم شکل - 1 - و سیستم گزارش شده دوتایی اسیدهای چرب شکل - 3 - به سادگی به تشابه تعادل فازی جامد- مایع و نقطه اتکتیک آن می توان پی برد. مقایسه شکل - 1 - و شکل - 2 - 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 - 1 - با چند جمله ای های ارائه شده در نرم افزار Excel نقطه ذوب پالمتیک اسید و پنتادکانوییک اسید به ترتیب، 66/4 و 60/3 درجه سانتی گراد به دست میآید که در مقایسه با مقادیر واقعی 62/9 - و 54 درجه سانتی گراد - ، به ترتیب دارای 5/5 و 11/5 درصد خطا میباشد.
البته لازم به ذکر است که نقطه ذوب پنتادکانوییک اسید خالصی که آزمایش را با آن انجام دادیم، بین 56-58 درجه سانتی گراد بود که با در نظر گرفتن میانگین این دو عدد، میزان خطا به 5/6 درصد تقلیل مییابد. در این آزمایش، نقطه اتکتیک در حدود دمای 57 C و کسر مولی 0/44 برای پالمتیک اسید به دست آمده است.نمودارهای شکل - 5 - ، 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 - 5 - ، با استفاده از معادله گیبس- هلمهولتز، آنتالپی ذوب 60/58 کیلوژول بر مول را برای پالمتیک اسید به دست میدهد که این مقدار نسبت به مقدار واقعی 53/7 - کیلوژول بر مول - 12/8 درصد خطا دارد. این مقدار خطا با توجه به روش ساده به کار رفته در این آزمایش، مقدار قابل قبولی است از ویژگی های این طرح جایگزین، می توان به بازیافت مواد پسماند این آزمایش اشاره کرد، با توجه به اختلاف قابل ملاحظه نقطه ذوب - حدود [13] - 9 C آنها، در آزمایشگاه شیمی آلی برای مبحث تبلور نوبتی، امکان جداسازی و خالص سازی آنها وجود داشته و مواد اولیه بازیافت میشوند. همچنین می توان بدون خالص سازی، از این مواد، برای آزمایش صابونی شدن در آزمایشگاه آلی
