التحلل الحراري لخماسي هيدرات كبريتات النحاس
مقدمة
عند تعلم طريقة جديدة، من الأفضل دائمًا أن يتم قياس نظام يكون سلوكه معروفًا بشكل جيد وموثقًا في ظروف معينة. يعد التحلل الحراري لـ CuSO4 ⋅ 5 H2O مثالاً جيدًا على ذلك، ولا يطرح تفسير منحنى TGA أي مشاكل للمبتدئين.
التفاصيل التجريبية
تم إجراء القياسات باستخدام TGA/SDTA851e (النطاق: 5 جم؛ الدقة 1 ميكروجرام)، المقترنة بمقياس طيف الكتلة Inficon Themo,star QMS (نطاق الكتلة 1-300).
التقييم
تظهر الخطوات الثلاث الأولى نقصًا في الوزن النسبي الكلي بنسبة 35.58% (الشكل 1). وهذا يتطابق مع النقص في جميع جزيئات الماء الخمسة. في الخطوة الأخيرة، يحدث نقص إضافي بنسبة 32.87% لذلك لا يتبقى سوى CuO في النهاية. يلخص الجدول 1 معدلات النقص في الوزن النسبية والتفاعلات التي تنطوي عليها كل خطوة.
تأكيد خطوات التفاعل المقترحة من خلال قياس تيارات الأيونات MS ذات الصلة
في حالة قياس تيارات الأيونات لقيم نسبة الكتلة إلى الشحنة (m/z) المطابقة للماء وSO3 بشكل مستمر، فينبغي التحقق مما إذا كان مخطط التفاعل المقترح صحيحًا حقيقةً. كما يتضح في الشكل 2، يتم التخلص من الماء بشكل فعلي في الخطوات الثلاث الأولى. ومع ذلك، بدلاً من ذلك وبشكل غير متوقع، لا يتكون SO3 في الخطوة الأخيرة. ويبين منحنى المشتقات أن هذه الخطوة الأخيرة هي في الواقع عملية من خطوتين.
تفسير النتائج التجريبية
قد تعزو حقيقة عدم اكتشاف SO3 إلى سببين محتملين. قد يكون ذلك بسبب التخلص من O2 وSO2 من الشبكة البلورية لـ CuSO4 وليس SO3. بدلاً من ذلك، يمكن أيضًا أن يتكون SO3 في البداية، ولكنه غير مستقر في ظل ظروف درجة الحرارة والضغط في الجهاز. يمكن الإجابة على مسألة استقرار SO3 بمساعدة الحسابات الكيميائية الحرارية. بالنسبة لتفاعل التحلل، تتوفر البيانات الكيميائية الحرارية التالية لـ 25 درجة مئوية:
في درجة حرارة الغرفة، يحدث التوازن بشكل كامل على جانب SO3. يمكن استخدام المعادلات الأربع التالية لتحديد درجة الحرارة التي يكون فيها التوازن على جانب SO2 وO2.
عند درجات الحرارة الأقل من 780 درجة مئوية، يكون المحتوى الحراري لتفاعل جيبس الحر لتحلل SO3 إيجابيًا، ثم يتغير المؤشر ويكون التوازن على جانب SO2 وO2. وهذا يفسر الملاحظة التي تشير إلى أن التيار الأيوني لـ SO3 كدالة زمنية لا يزال ثابتًا. ولذلك لا يمكن الإجابة على السؤال المتعلق بنواتج التحلل التي تكونت في البداية. وتعد حقيقة ملاحظة O2 وSO2 في الخطوتين الأخيرتين دليلاً على الإزالة التدريجية لـ O2 وSO2
ما القيمة التعليمية العملية لهذه التجربة؟
يعد تفاعل التحلل لـ CuSO4 ⋅ 5 H2O مثالاً نموذجيًا لتوضيح مبادئ TGA-MS للطلاب. إن الملاحظة الأولية غير المتوقعة التي تشير إلى عدم تكوُّن SO3 تحت الظروف المستخدمة يجعل الطلاب يدركون المزايا التي يقدمها الاقتران المتصل لعروض الجهازين. تعد التجربة مفيدة أيضًا لأنه يمكن للطلاب تطبيق المبادئ الأساسية للديناميكا الحرارية الكيميائية التي درسوها في الدورة النظرية لشرح الملاحظات التجريبية.
 |