خالص سازی نیترات‌ها؛ اصل ارشمیدس؛ آزمایشگاه علوم تجربی

---

---

---

---

۲۳

خالص‌سازی نیترات‌ها

ترکیبات نیترات، دار، کاربردهای فراوانی در زندگی روزمره دارد. برای نمونه، سدیم نیترات با داشتن ۱۶٪ نیتروژن، کود شیمیایی مناسبی برای گیاهان است. همچنین سدیم یا پتاسیم نیترات به عنوان نگهدارنده به سوسیس و کالباس اضافه می‌شود تا مانع رشد باکتری‌های خطرناک شود. این مواد با ترکیب شدن با میوگلوبین و هموگلوبین باعث ایجاد رنگ مطلوب صورتی در گوشت می‌شود که به آن حالت جذاب و تازه می‌بخشد. افزون بر آن، شروع فساد گوشت را به تأخیر می‌اندازد و باعث حفظ عطر و طعم ادویه آن می‌شود. ترکیبات معدنی زیادی از نیترات‌ها در جهان شناخته شده است. به طور معمول، این نمک‌ها به همراه سایر مواد در طبیعت وجود دارند و خالص‌سازی آن‌ها اهمیت ویژه دارد.

تفاوت میزان انحلال‌پذیری مواد در آب، یکی از راه‌هایی است که برای جداسازی و خالص‌سازی مواد استفاده می‌شود. در این آزمایش نمونه ناخالص دارای مقدار زیادی پتاسیم نیترات، ماسه و مقدار کمی مس (II) سولفات است.

هدف: جداسازی مخلوط با استفاده از تفاوت انحلال‌پذیری

ابزار و مواد: ۱- قیف ۲- کاغذ صافی ۳- ارلن بالوله جانبی ۴- لوله رابط پلاستیکی ۵- سرنگ ۶- ترازو ۷- چراغ بونزن ۸- بشر ۹- قاشقک ۱۰- دماسنج الکلی ۱۱- سه پایه ۱۲- توری نسوز ۱۳- نمونه مخلوط (g 11/5 پتاسیم نیترات، g 2 ماسه، g 1/5 مس IIسولفات) ۱۴- آب مقطر ۱۵- محلول استیک اسید (سرکه)

ایمنی و هشدار: استفاده از دستکش و عینک در این آزمایش الزامی است.

دستور کار

۱- g 15 نمونه را درون بشر ۲۵۰ میلی لیتری قرار دهید و mL ۳۰ آب مقطر به آن اضافه کنید.

۲- بشر را روی سه پایه و توری نسوز قرار دهید و با چراغ بونزن به آرامی مخلوط را گرما دهید تا رسوب‌های آبی و سفید حل شود (دما در حدود C°۵۰).

۳- با استفاده از قیف و کاغذ صافی، مخلوط گرم را داخل ارلن صاف کنید. برای تسریع در صاف کردن می‌توانید از ارلن با لوله جانبی، لوله رابط و سرنگ استفاده کنید. پیستون سرنگ را بکشید تا خط تولید شده، سرعت صاف کردن را افزایش دهد.

۴- با استفاده از کاغذ pH میزان اسیدی بودن محیط را بازبینی کنید. در صورت بازی یا خنثی بودن، چند قطره محلول استیک اسید به داخل ارلن اضافه کنید و با استفاده از کاغذ pH میزان اسیدی بودن محیط را دوباره بازبینی کنید.

محیط به دلیل انحلال مس (II) سولفات کمی‌اسیدی است و با اسیدی کردن محلول آن از هیدرولیز یا آبکافت آن جلوگیری می‌شود. 

۵- محلول ارلن را به داخل بشر منتقل کنید. بشر را به آرامی حرارت دهید تا مقداری از آب آن بخار شود.

با حرارت دادن محلول هر دو نمک در آب به طور کامل حل می‌شوند اما با تبخیر تدریجی آب محلول نمک پتاسیم نیترات از حالت سیرشدگی عبور می‌کند و با سرد کردن تدریجی محلول نمک پتاسیم نیترات رسوب نموده و بلورهای سفید رنگ آن ظاهر می‌شود ولی نمک مس (II) سولفات رسوب نمی‌کند، چون مقدار آن در محلول کم است و به حالت سیر نشده است.

۶- بشر را تکان ندهید و اجازه دهید محلول سرد، و بلورها تشکیل شود.

۷- صبر کنید بلورهای پتاسیم نیترات به صورت کامل خارج شود. در این مدت دستگاه صاف کُن را دوباره آماده کنید.

۸- محتویات بشر را صاف کنید و بعد از خشک شدن بلورها با استفاده از ترازوی دقیق، جرم آن را اندازه‌گیری کنید.

با جدا کردن بلور پس از صاف کردن محلول اجازه می‌دهیم تا بلورهای روی کاغذ صافی خشک شود و سپس آن را با ترازو وزن می‌کنیم، جرم به دست آمده تقریباً ۸ گرم است (دمای محلول را تا ۱۰ درجه سانتی‌گراد سرد می‌کنیم.)

نمودار انحلال‌پذیری پتاسیم نیترات و مس II سولفات در آب

افزودنی‌های موادغذایی، باید به اندازه معین و استاندارد باشد. مقدار زیاد این مواد، خطرهای جدی برای بدن دارد. در اثر حرارت زیاد، نیترات و نیتریت موجود در فراورده‌های گوشتی می‌تواند به مواد سرطان‌زا (نیتروژوآمین) تبدیل شود. مصرف آب مرکبات، سبزیجات و گوجه فرنگی دارای ویتامین C تا حدودی مانع خطرات این ترکیبات سرطان‌زا می‌شود.

برای ایجاد خلأ هنگام صاف کردن می‌توان از قیف بوخنر، ارلن تخلیه با لوله جانبی و جریان آب استفاده کرد. مزایا و معایب ایجاد خط با جریان آب و یا استفاده از سرنگ را در کلاس بحث کنید.

قیف بوخنر یکی از وسایل آزمایشگاهی است که برای تصفیه و خالص سازی مواد به وسیله نیروی مکش به کار برده می‌شود وسیله فیلترکننده یک کاغذ صافی است که روی ظرف قرار می‌گیرد و ماده مورد نظر روی آن ریخته می‌شود.

پرسش و فعالیت‌های تکمیلی

۱- برای اسیدی شدن محیط از چه روشی استفاده کردید؟

با استفاده از چند قطره سرکه (اتانوییک اسید) محیط اسیدی شد.

۲- ایجاد خلأ چه تأثیری در روند صاف کردن محتویات بشر دارد؟

با استفاده از مکش در درون، ارلن خلأ نسبی ایجاد می‌شود و مکش به خروج آب از مواد خیس روی صافی قیف بوخنر کمک می‌کند و سرعت تخلیه آب از نمونه بیشتر می‌شود.

۲۴

ابعاد مولکول

کوچک‌ترین ذره از هر ماده، که دارای خواص آن ماده باشد، مولکول می‌نامند. خواص متفاوت مواد، به این ذرات بسیار ریز مربوط است. گاهی مولکول‌ها از دواتم و گاهی از تعداد بسیار زیادی‌اتم ساخته شده‌اند.

هدف: اندازه‌گیری قطر مولکول

ابزار و مواد: ۱- ترازوی رقمی با دقت ۰۱/ ۰ گرم ۲- شیشه ساعت ۳- سوزن ته گرد ۴- بشقاب بزرگ ۵- خط‌کش ۶- روغن یا روغن کرچک ۷- پودر بچه

دستور کار

۱- شیشه ساعت را روی ترازو قرار دهید و ترازو را صفر کنید.

۲- با استفاده از سوزن ته گرد، قطره قطره روغن به داخل شیشه ساعت منتقل کنید.

۳- این کار را تا زمانی تکرار کنید که ۰/۰۱ گرم روغن به داخل شیشه ساعت منتقل گردد.

۴- جرم یک قطره را محاسبه کنید (تعداد قطره‌های روغن / ۰/۰۱= جرم یک قطره)

۵- مقداری آب درون یک بشقاب بریزید؛ صبر کنید آب از حرکت بایستد.

۶- پودر بچه را روی آب بپاشید (تا آنجا که ممکن است از حداقل مقدار پودر استفاده شود).

۷- با استفاده از سوزن ته گرد یک قطره روغن در وسط ظرف فوق قرار دهید.

۸- با استفاده از خط‌کش، قطر دایره ایجاد شده را اندازه‌گیری کنید.

۹- چگالی روغن کرچک مورد استفاده در این آزمایش را اندازه‌گیری کنید.

۱۰- با استفاده از چگالی و جرم یک قطره روغن، حجم قطره روغن را حساب کنید.

۱۱- مساحت روغن دایره‌ای شکل روی آب را محاسبه کنید.

۱۲- با فرض اینکه ضخامت لایه روغن تولید شده به اندازه قطر یک مولکول است، قطر یک مولکول روغن را حساب کنید.

قطر یک مولکول روغن × سطح دایره روغن = حجم قطره روغن

۱۳- حجم یک مولکول روغن را محاسبه کنید.

جدول را براساس کلیپ پر شود. 

جرم یک قطره	۳۵ ÷ ۰/۰۱
چگالی روغن	۱/۰۶ گرم بر سانتی متر مکعب
حجم یک قطره
قطر دایره روغنی	۴/۵۰ میلی‌متر
قطر یک مولکول
حجم یک مولکول

پرسش و فعالیت‌های تکمیلی

با استفاده از داده‌های آزمایش، عدد آووگادرو را محاسبه کنید.

۱۰^۲۳ × ۶/۰۲

حتم بخوانید: » بخش اول فصل سوم آزمایشگاه علوم تجربی

۲۵

کلسیم کربنات در صدف

پوسته تخم‌مرغ، ساختار خاصی از مواد معدنی است که محتویات خود را در مقابل میکروارگانیسم‌ها محافظت می‌کند. ۹۵ درصد پوسته تخم مرغ از کلسیم کربنات تشکیل شده است. وزن پوسته هر تخم مرغ حدود ۶ گرم است، بنابراین مرغ برای هر تخم‌گذاری به حداقل ۶ گرم کلسیم کربنات نیاز دارد. رایج‌ترین منبع کلسیم در خوراک مرغ‌های تخم‌گذار، پودر صدف و پودر سنگ آهک است که به خوبی توسط پرنده هضم می‌شود. پودر صدف و سنگ آهک علاوه بر صنایع دام و طیور در صنایع پلاستیک‌سازی و شیشه‌سازی، سرامیک و رنگ نیز کاربرد دارد.

هدف:

۱- محاسبه درصد کلسیم کربنات در صدف

۲- آشنایی با کاربرد قانون عمومی گازها در صنعت و جمع‌آوری گاز تولید شده در واکنش

ابزار و مواد: ۱- ارلن با لوله جانبی ۲- درپوش ۳- استوانه مدرج ۲۵۰ میلی لیتری ۴- تشتک ۵ لوله رابط پلاستیکی ۶- ترازو ۷- صدف پودر شده یا قرص کلسیم ۸- هیدروکلریک اسید ۳M

ایمنی و هشدار: محلول هیدروکلریک اسید از قبل باید توسط مربی تهیه شود و هنگام استفاده از آن احتیاط کنید. استفاده از دستکش و عینک ایمنی ضروری است.

دستور کار

۱- دستگاه جمع‌آوری گاز را مطابق شکل آماده کنید.

۲- داخل تشتک آب، خوب بدمید یا یک قرص جوشان حل کنید؛ چرا؟

تا با کربن دی اکسید سیر شود. و گاز حاصل از واکنش کلسیم کربنات و هیدروکلریک اسید،  در آب تشتک حل نشود. و از آب موجود در تشتک سیر شده با گاز کربن دی اکسید برای پر کردن استوانه مدرج استفاده شود. 

۳- مقدار mL ۱۵ محلول هیدروکلریک اسید ۳M در ارلن بریزید.

۴- یک گرم نمونه صدف پودر شده یا یک قرص کلسیم را با ترازو با دقت اندازه‌گیری، و به ارلن حاوی اسید اضافه کنید. سریع درپوش ارلن را بر روی آن قرار دهید.

۵- تا انجام کامل واکنش، صبر کنید.

۶- حجم گاز آزاد شده در استوانه مدرج را یادداشت کنید(v).

حجم گاز CO2 آزاد شده mL179 است.

۷- شرایط را استاندارد (STP) فرض کرده و تعداد مول گاز کربن دی اکسید تولید شده را محاسبه کنید.

۸- تعداد مول گاز کربن دی اکسید برابر تعداد مول کلسیم کربنات مصرف شده است. با محاسبه جرم مولی کلسیم کربنات، مقدار گرم کلسیم کربنات و درصد آن را در نمونه محاسبه کنید.

CaCO3 + 2HCl → CaCl2 + H2O + CO2

درصد بیشتر قرص کلسیم، ترکیب کلسیم کربنات است.

صدف در سواحل دریاهای ایران به فراوانی یافت می‌شود.

جدول فشار بخار آب در دماهای مختلف

دما C°	فشار بخار آب mmHg	دما C°	فشار بخار آب mmHg
۱۵	۱۲/۸	۲۱	۱۸/۶
۱۶	۱۳/۶	۲۲	۱۹/۸
۱۷	۱۴/۵	۲۳	۲۰/۵
۱۸	۱۵/۵	۲۴	۲۲/۴
۱۹	۱۶/۵	۲۵	۲۳/۸
۲۰	۱۷/۵	۲۶	۲۵/۲

پرسش و فعالیت‌های تکمیلی

با مراجعه به کتاب‌ها یا پایگاه‌های معتبر، کاربردهای دیگری از کلسیم کربنات پیدا کنید و به کلاس ارائه دهید.

موارد مصرف کربنات کلسیم

کاربرد و موارد مصرف کربنات کلسیم Calcium carbonate در حوزه های صنعتی، خوراکی و ساختمانی گسترش یافته است. از کلسیم کربنات در انواع مختلف آن نظیر گچ، سنگ آهک، مرمریت و کربنات کلسیم رسوبی به عنوان ماده ای بسیار پر مصرف و مفید در زندگی امروزی بشر استفاده می‌شود. کربنات کلسیم سابقه طولانی در حیات انسان داشته و شاید از اولین روزهای خلقت از آن استفاده می نموده است.

کربنات کلسیم در ذوب آهن و تولید فولاد

بیشترین میزان کربنات کلسیم تولید شده در جهان در صنعت متالورژی مصرف می شود. در کوره های ذوب آهن اکسیژن پایه به منظور جدا سازی ناخالصی ها به صورت سرباره از کلسیم کربنات استفاده می نمایند.

کربنات کلسیم در کاغذ سازی

یکی از مهم ترین زمینه‌های مصرف کربنات کلسیم و آهک در صنعت تولید کاغذ است که به عنوان یک پر کننده ارزان قیمت و سازگار با مواد اولیه مصرف می شود. در صورت استفاده از کربنات کلسیم در تولید کاغذ، میزان مصرف چوب به شکل قابل ملاحظه ای کاهش می باید که این مورد برای محیط زیست هم ویژگی مثبتی محسوب می گردد. حتی امروزه در برخی کشورها کاغذی تولید می گردد که در آن ، کربنات کلسیم به شکل صد در صد جایگزین چوب گردیده است.

کربنات کلسیم خوراک دام و طیور

کلسیم یکی از عناصر ضروری برای حیات تمام موجودات زنده است که نقش استخوان سازی، بهبود سیستم گوارشی و تنظیم فرایندهای زیستی را به عهده دارد. استفاده از کربنات کلسیم در خوراک دام و طیور، کاربردی ترین و ارزان ترین روش جهت تامین نیاز بدن گله در گاوداری ها و مرغداری ها می باشد.

کربنات کلسیم ساختمانی و جاده سازی کربنات کلسیم مهمترین ماده جهت تولید مصالح ساختمانی است. از کلسیم کربنات به منظور تولید انواع آهک، سیمان، آسفالت، بلوک و هبلکس که عمده ترین مصالح ساخت و ساز هستند استفاده می نمایند.

کربنات کلسیم در حفاری چاه های نفت و گاز

در استخراج چاه های نفت و گاز از مواد شیمیایی و مواد معدنی مختلفی جهت تقویت دیواره های چاه و تسهیل استخراج استفاده می‌شود. پودر کربنات کلسیم یکی از مهم ترین و پر مصرف ترین مواد تشکیل دهنده ی گل حفاری است.

کربنات کلسیم در تولید آهک آهک ماده ای ارزشمند و پر مصرف است که در بسیاری از صنایع مورد مصرف قرار می گیرد. برای تولید انواع آهک نظیر آهک زنده و آهک هیدراته، سنگ کربنات کلسیم که با نام سنگ آهک هم شهرت دارد مورد مصرف قرار می گیرد.

کربنات کلسیم خوراکی و داروئی آیا تا بحال فکر کرده اید که قرص کلسیم و قرص یا شربت معده از چه موادی تشکیل می شود؟ کربنات کلسیم یکی از انواع کلسیم قابل جذب برای بدن انسان است که در تولید مکمل های خوراکی و داروئی کاربرد دارد.

موارد مصرف کربنات کلسیم در صنایع زیادی گسترش یافته است. با وجود اینکه این کانی معدنی به صورت سنتی نقش مهمی در زندگی انسان داشته اما کاربرد های نوین آن هم در بخش های صنعتی گسترش یافته است. طبق آمار های به دست آمده در حدود ۶۰ درصد کل کلسیم کربنات تولید شده در جهان در صنایع متالورژی و ذوب فلزات، ۲۵ درصد در صنایع ساختمانی و جاده سازی و ۱۵ درصد هم در مصارف صنعتی و شیمیایی مورد مصرف قرار می گیرد.

۲۶

اندازه‌گیری ابعاد یک لوله

ابزارهای گوناگونی برای اندازه‌گیری طول و ضخامت اجسام ساخته شده است. کولیس، به دلیل سادگی در استفاده و دقت خوبی که دارد، یکی از وسایل اندازه‌گیری پرکاربرد در صنعت است. کولیس، از یک خط‌کش میلی‌متری فولادی و یک قسمت متحرک به نام ورنیه ساخته شده است که بر روی لبه خط‌کش حرکت می‌کند. به کمک ساده‌ترین کولیس می‌توان طول‌ها را با دقت یک دهم میلی‌متر اندازه‌گیری کرد. این نوع کولیس از یک ورنیه تشکیل شده که روی آن فاصله ۹ میلی‌متر را به ۱۰ قسمت مساوی تقسیم کرده‌اند. بنابراین هر قسمت روی ورنیه برابر mm = 9/ 0= mm 10/ 9 است. (شکل ۱)

یک طرف جسمی را که می‌خواهیم طول آن را اندازه بگیریم در تماس با صفر خط‌کش و طرف دیگر را در تماس با تیغه ورنیه مطابق شکل ۲ قرار می‌دهیم.

طول جسم بین cm1/3 و cm1/4 است. برای خواندن رقم دیگر اعشار باید درجه‌ای از ورنیه را، که مقابل و یا نزدیک درجه‌ای از خط‌کش است، پیدا کنیم. در این‌جا ششمین درجه، و بنابراین طول ما cm1/36 است؛ چرا؟

 OA = OB – AB

OA =(1/90cm) – 6(0/09)cm = (1/90 – 0/54)cm = 1/36cm

با توجه به اینکه خطای این وسیله، نصف کوچک‌ترین مقداری است که می‌تواند نشان دهد، بنابراین خطای آن برابر با cm0/005 است. اگر بخواهیم حاصل اندازه‌گیری را همراه با خطای آن گزارش کنیم، باید رقم حدسی را اضافه نماییم. در این‌جا چون درجه ورنیه و خط‌کش کولیس کاملاً منطبق هستند، رقم حدسی، صفر است و نتیجه به این صورت نوشته می‌شود cm (1/360 ∓ ۰/۰۰۵).

هدف آشنایی با روش اندازه‌گیری و خواندن کولیس

ابزار و مواد ۱- کولیس با دقت‌های مختلف ۲- لوله پلاستیکی و یا فلزی لوله کشی آب به طول تقریبی ۵ سانتی متر ۳- اجسام در اندازه‌های مختلف ۴- گلوله در اندازه‌های مختلف

دستور کار

۱- اگر نمونه کولیس ورنیه در اختیار دارید چگونگی خواندن آن را به کمک مربی آزمایشگاه تمرین کنید.

۲- کولیس‌هایی را که در آزمایشگاه مدرسه هست، بررسی کنید و به پرسش‌های زیر پاسخ دهید.

الف) کولیس از چه قسمت‌هایی درست شده است و کار هر قسمت چیست؟

کولیس به طور کلی از دو قسمت ثابت و متحرک تشکیل شده که هرکدام قسمت های دیگری دارند که در ادامه تمام قسمت های آن همراه با عکس توضیح داده شده.

بدنه اصلی و ثابت کولیس که از یک خط کش مدرج تشکیل شده که در دو واحد متریک و اینچی اندازه گذاری شده و فک های ثابتِ داخل و خارج سنج روی این قسمت قرار دارند.

قسمت متحرک کولیس که از بخش های زیر تشکیل شده است:

دو فک متحرک خارج و داخل سنج روی قسمت متحرک قرار می گیرد

۱- عمق سنج که از انتهای خط کش بیرون می آید نیز به قسمت متحرک و فک های متحرک متصل است

۲- غلتکی انگشت شصت در زیر قسمت متحرک برای راحتی در جابجایی فک ها

۳- پیچ قفل فک های متحرک که از جابجا شدن فک هنگام خواندن کولیس جلوگیری می کند. 

۴- نشانگر اندازه که در کولیس های ورنیه به صورت اعداد حک شده است ، در کولیس ساعتی به صورت عقربه و در کولیس دیجیتال نمایشگر دیجیتال می باشد.

ب) تقسیم‌بندی ورنیه آن‌ها چگونه، و دقت اندازه‌گیری آن‌ها چقدر است؟

ورنیه کولیس معمولاً ۱۰، ۲۰ و یا ۵۰ قسمتی است و دقت هرکدام به ترتیب mm0/05 ،mm 0/1 و mm 0/02 است.

۳- به کمک کولیس، ابعاد اجسامی را که در اختیار دارید اندازه‌گیری، و در دفتر گزارش کار وارد کنید.

طول ضخامت	عمق	قطر داخلی	قطر خارجی	نام جسم	شماره آزمایش
۴.۳۳ mm	۴۵.۲۸ mm	۳۲.۱۶ mm	۳۸.۴۸ mm	لوله	۱
۴۱.۲۲ mm			۲۴.۶۶ mm	گلوله	۲
۰.۴۱ mm	۱۳۰.۳۲ mm	۴۴.۹۱ mm	۴۵.۲۸ mm	قوطی	۳

پرسش و فعالیت‌های تکمیلی

۱- در چه حرفه‌هایی از کولیس استفاده می‌شود؟

کاربرد کولیس در مشاغل

این وسیله مندرج، در بسیاری ار صنایع مانند لوله کشی، آزمایشگاه ها، در صنعت مورد استفاده قرار می گیرد.

 

کاربرد کولیس در لوله کشی ساختمان

یکی از ابزار هایی که در صنعت لوله کشی ساختمان استفاده می شود کولیس است. کولیس به دلیل تنوع در اندازه گیری پارامترهای مختلف و دقت بالا به عنوان یکی از مهمترین ابزارهای اندازه گیری در کارهای اجرایی و مهندسی در نظر گرفته می شود. قطر خارجی، قطر داخلی و عمق اجسام را می توان با کولیس اندازه گیری کرد.

کاربرد کولیس در آزمایشگاه

یکی از ابزاری که در صنعت پزشکی مورد استفاده قرار می گیرد کولیس است این خط کش مندرج به دلیل دقت بالا وخطوط مستقیم را اندازه گیری می کند. نحوه خواندن کولیس به اندازه نوع سنجس کولیس بستگی دارد.

۲- کولیس ورنیه‌ای طراحی کنید که دقت آن ۰/۰۲ یا یک پنجاهم میلی‌متر باشد.

برای این کار باید طولی معادل ۵۰ میلی متر را به ۴۹ قسمت مساوی تقسیم کنیم.

۲۷

اندازه‌گیری‌هایی به ضخامت یک برگه کاغذ

برای اندازه‌گیری ضخامت ورقه‌ها و قطر سیم‌های نازک از وسیله‌ای به نام ریز سنج استفاده می‌شود که دقت آن معمولاً یک صدم میلی‌متر است. اساس کار آن مانند پیچ و مهره است که با هر دور پیچاندن آن یک دندانه جلو یا عقب می‌رود.

در این وسیله، یک استوانه توخالی ثابت که سطح خارجی آن مدرج شده است (با فاصله‌های نیم میلی‌متری) و یک استوانه مدرج چرخان که روی سطح خارجی استوانه توخالی ثابت حرکت می‌کند وجود دارد.

در انتهای ریزسنج، پیچ هرزگرد قرار دارد و می‌تواند استوانه مدرج چرخان را روی استوانه توخالی ثابت جابه جا کند و مانند محافظ عمل می‌کند زیرا، هنگامی که جسم مورد نظر بین زبانه و بدنه (سندان) ریزسنج محکم شد. پیچ هرزگرد با ایجاد صدا، هرز می‌چرخد و دیگر جلوتر نمی‌رود.

فاصله دو دندانه هر پیچ را پای پیچ گویند. پای پیچ بعضی از ریزسنج‌های قدیمی ۱ میلی‌متر بود و دور لبه استوانه مدرج چرخان را به صد قسمت مساوی تقسیم می‌کردند. پای پیچ بیشتر ریزسنج‌ها، نیم میلی‌متر است که دور لبه استوانه مدرج چرخان را به ۵۰ قسمت تقسیم می‌کنند. دقت هردو نوع یک صدم میلی‌متر است؛ ولی خواندن دومی آسان‌تر است و در این نوع ریزسنج، بر روی استوانه توخالی ثابت (خط‌کش) نشانه‌های نیم میلی‌متری نیز وجود دارد.

برای خواندن درجه ریزسنج، ابتدا فاصله لبه استوانه مدرج متحرک را از صفر استوانه تو خالی ثابت بخوانید.

سپس از روی استوانه متحرک مقدار صدم آن را بخوانید و با رقم قبلی جمع کنید. مثلاً در شکل بالا:

۱mm + 0/5mm + 0/14mm = 1/64mm

هدف ۱- آشنایی با ریزسنج و عملکرد آن

۲- توانایی اندازه‌گیری قطر با ضخامت اجسام کوچک

ابزار و مواد ۱- ریزسنج ۲- سیم با قطرهای مختلف ۳- نخ ۴- ساچمه‌های کوچک ۵- کاغذ و تار مو ۶- سکه

اگر بخواهیم حاصل اندازه‌گیری را همراه با خطای آن گزارش کنیم، باید رقم حدسی را اضافه نماییم. در این‌جا چون خط افقی استوانه ثابت، وسط دو درجه استوانه توخالی متحرک قرار گرفته است، رقم حدسی ۵ می‌باشد و نتیجه به این صورت نوشته می‌شود:

(۱/۶۴۵ ∓ ۰/۰۰۵) mm

دستور کار

۱- ریزسنجی را که در آزمایشگاه مدرسه هست، بررسی کنید و به پرسش‌های زیر پاسخ دهید.

الف) از چه قسمتهایی درست شده است و کار هر قسمت چیست؟

میکرومتر از دو قسمت اصلی تشکیل شده است:

۱- قسمت ثابت شامل: فک ثابت (Anvil face) – کمانه (frame) -خط کش مدرج(sleeve) و ضامن نگهدارنده (lock nut).

۲- قسمت متحرک شامل: فک متحرک (spindle) – غلاف یا پوسته (thimble) و پیچ جغجغه (rachet)

۱- فک ثابت ۲- فک متحرک ۳- استوانه مدرج یا همان خط کش ریزسنج: ضخامت یک جسم ر تا دقت ۰/۵ میلی متر اندازه‌گیری می‌کند. ۴- پوسته مدرج یا ورنیه میکرومتر: برای اندازه‌گیری دقیق‌تر ضخامت اجسام و با دقت ۰/۰۱ میلی متر از آن استفاده می‌شود. ۵- پیچ هرزگرد: برای باز و بسته کردن فک متحرک از آن استفاده می‌شود. ۶- قفل: از حرکت کردن فک متحرک جلوگیری می‌کند. 

ب) دقت اندازه‌گیری آن‌ها چقدر است؟

۰/۰۱ میلی متر

۲- به کمک ریزسنج، قطر یا ضخامت سیم، نخ، برگ کاغذ، تار مو و… را اندازه‌گیری کنید و حاصل اندازه‌گیری‌ها را در جدول زیر وارد کنید.

قطر / ضخامت	نام جسم	شماره آزمایش
۰/۱۱mm ∓ ۰/۰۰۵ mm	تار مو	۱
۰/۰۹mm ∓ ۰/۰۰۵ mm	کاغذ	۲
۰/۴۵mm ∓ ۰/۰۰۵ mm	سیم	۳

قطر / ضخامت	نام جسم	شماره آزمایش
۰/۲۳mm ∓ ۰/۰۰۵ mm	نخ	۴
۴/۵۱mm ∓ ۰/۰۰۵ mm	ساچمه	۵
۲۹/۳۲mm ∓ ۰/۰۰۵ mm	سکه ۵۰۰۰ ریالی	۶

 

پرسش و فعالیت‌های تکمیلی

در چه حرفه‌هایی، از ریزسنج استفاده می‌شود؟

تراشکاری، عینک‌سازی 

۲۸

چگالی

چگالی، یکی از ویژگی‌های مهم هر ماده‌ای است. طبق تعریف، نسبت جرم یک ماده به حجم آن را چگالی گویند. با داشتن جرم (m) و حجم (v) یک ماده می‌توان چگالی آن را به دست آورد.

هدف:

۱- توانایی اندازه‌گیری حجم اجسام جامد و مایع

۲- توانایی اندازه‌گیری جرم و کار با ترازوهای مختلف

۳- توانایی محاسبه چگالی انواع مواد

ابزار و مواد: ۱- استوانه مدرج mL ۱۰۰-۲ پیپت ۳- تنگ چگالی یا بالون حجمی ۴- ترازو و جعبه وزنه ۵- مقداری آب ۶- الکل، نفت یا روغن مایع ۷- نخ ۸- چند جسم با شکل‌های هندسی مشخص و غیرمشخص

دستور کار

الف) چگالی مایع

۱- جرم تنگ چگالی یا بالون حجمی (می‌توان از استوانه مدرج هم استفاده کرد) را به کمک ترازو اندازه بگیرید.

۲- درون بالون را تا نشانه آن از آب پر کنید. (m1)

۳- جرم بالون یا استوانه پر از آب را با ترازو اندازه بگیرید (m2)

۴- از تفاوت دو جرم (m2- m1) جرم آب (m) را مشخص کنید و با داشتن جرم و حجم آب، چگالی آن را حساب کنید .

۵- به روش بالا، چگالی الکل، نفت، روغن و یا هر مایع دلخواه دیگر را اندازه‌گیری کنید و در گزارش کار خود وارد کنید.

چگالی(ρ)	حجم (v)	جرم (m)	نام ماده	شماره آزمایش
			آب	۱
			الکل	۲
			نفت یا روغن	۳

ب) چگالی جامد

۱- با اندازه‌گیری ابعاد چند جسم با شکل هندسی مشخص مانند مکعب، کُره یا استوانه و استفاده از رابطه هندسی، حجم آن‌ها را حساب کنید.

۲- جرم اجسام بالا را اندازه‌گیری، و سپس چگالی آن‌ها را حساب کنید.

۳- حجم یک یا دو جسم با شکل هندسی نامشخص را به کمک استوانه مدرج و آب، اندازه‌گیری کنید.

۴- به کمک ترازو جرم آن‌ها را اندازه بگیرید و چگالی آن‌ها را حساب کنید.

۵- مقدار کمیت‌های اندازه‌گیری شده را در دفتر گزارش کار وارد کنید.

پرسش و فعالیت‌های تکمیلی

۱- حجم اجسامی که شکل هندسی مشخصی ندارند و در آب حل می‌شوند را، چگونه تعیین می‌کنند؟

اگر دانه‌های آن‌ها ریز باشد می‌توان آن‌ها را در استوانه مدرج ریخت و با دقت خوبی حجم آن‌ها را به دست آورد. اگر این مواد ابعاد بزرگی داشته باشند می‌توانیم با رنگ‌های غیر محلول در آب سطح آن‌ها را بپوشانیم و پس از خشک شدن رنگ قطعه را در آب غوطه‌ور کنیم و حجم را به دست آوریم حجم رنگ استفاده شده در قوطی رنگ قابل اندازه‌گیری است حجم آن را از حجم به دست آمده کم می‌کنیم. 

۲- چگونه می‌توان حجم یک قطعه چوب یا یونولیت که شکل هندسی مشخصی ندارد را، اندازه‌گیری کرد؟

جسمی که چگالی آن از آب بیشتر است و می‌تواند جسم سبک مثل یونولیت را در آب غوطه‌ور کند به آن می‌بندیم و یولونیت را در آب غوطه‌ور می‌کنیم. تغییر حجم به وجود آمده جمع حجم جسم سنگین و یونولیت است با کم کردن حجم جسم سنگین از آن حجم یونولیت به دست می‌آید. برای چوب نیز می‌توان از این روش استفاده کرد.

۲۹

اصل ارشمیدس

اگر تکه‌ای فولاد را روی آب بگذاریم به ته آب فرو می‌رود؛ با اینکه می¬دانیم چگالی فولاد، خیلی بیشتر از چگالی آب است اما، کشتی‌های فولادی می‌توانند روی آب شناور باشند. علت این موضوع را دانشمند یونانی به نام ارشمیدس قرن‌ها پیش کشف و آن را به صورت یک اصل بیان نمود. زمانی که تمام یا قسمتی از یک جسم در شاره‌ای (مایع یا گاز) قرار گیرد، شاره، نیرویی رو به بالا بر آن جسم وارد می‌کند که با وزن شاره جابه جا شده توسط جسم، برابر است.

هدف:

۱- بررسی تجربی اصل ارشمیدس و کاربرد آن

۲- اندازه‌گیری نیروی شناوری وارد بر یک جسم.

ابزار و مواد: ۱- استوانه‌های ارشمیدس ۲- بشر mL 500 (ظرف آب) ۳- نیروسنج ۴- آب فشان ۵- پایه، میله و گیره قلاب‌دار

دستور کار

۱- استوانه توپر را از درون استوانه توخالی بیرون آورید و به کمک قلاب، استوانه توپر را به زیر استوانه توخالی وصل کنید.

۲- وزن استوانه‌های توپر و توخالی متصل به هم را به کمک نیروسنج اندازه بگیرید و یادداشت کنید.

۳- بشر پر از آبی را در زیر مجموعه طوری قرار دهید که استوانه توپر کاملاً در آب قرار گیرد.

۴- اکنون عددی را که نیروسنج نشان می‌دهد، بخوانید و تفاوت آن را با اندازه قبلی مقایسه کنید

۵- به کمک آب فشان درون استوانه تو خالی را پر از آب کنید. عددی را که نیروسنج نشان می‌دهد، دوباره یادداشت کنید.

۶- عددهای به دست آمده در مرحله ۲ و ۵ را با هم مقایسه کنید؛ چه نتیجه‌ای می‌گیرید؟ توضیح دهید.

پرسش و فعالیت‌های تکمیلی

۱- آزمایشی طراحی کنید که بدون استفاده از استوانه‌های ارشمیدس بتوان، اصل ارشمیدس را تحقیق کرد.

با نیروسنج جسم را در هوا (خارج از آب) و سپس در آب وزن می‌کنیم. اختلاف این دو اندازه را مقایسه می‌کنیم. با کمک رابطه‌ی F=ρvg   نیروی که برابر وزن سیال جابه جا شده بعد از غوطه‌ور شدن جسم در آن است را به دست می‌آوریم. مشاهده می‌کنیم این مقدار با اختلاف وزن جسم در هوا و آب برابر است.

۲- یک جسم فلزی را داخل یک استوانه مدرج قرار می‌دهیم. اگر سطح آب داخل استوانه به اندازه mL ۲۰ افزایش یابد، نیروی شناوری چقدر است؟

۳۰

اندازه‌گیری دما

بیشتر دماسنج‌های معمولی با مقیاس سلسیوس مدرج شده‌اند. در این نوع درجه بندی، دمای ذوب یا انجماد یخ خالص در فشار یک اتمسفر (استاندارد)، صفر و دمای جوش آب خالص در فشار یک اتمسفر، ۱۰۰ انتخاب می‌شود.

هدف:

۱- آشنایی با انواع دماسنج‌ها

۲- اندازه‌گیری دمای جوش آب و دمای ذوب یخ و بررسی عوامل مؤثر بر آن‌ها

ابزار و مواد: ۱- چراغ الکلی، گازی یا گرم کن الکتریکی ۲- بشر mL ۵۰۰-۳ قیف ۴- ارلن ۵- دماسنج ۶- سه پایه و توری نسوز ۷- درپوش لاستیکی دو سوراخه ۸- یخ و آب

ایمنی و هشدار: هیچ گاه دماسنج را در تماس با جسمی که دمای آن بیش از مقدار مدرج شده روی آن است، قرار ندهید (دمای شعله شمع حدود ۴۰۰ درجه سلسیوس است). تا جایی که امکان دارد از دماسنج جیوه‌ای استفاده نکنید. همواره دماسنج را به طور عمودی در یخ نگه دارید و هرگز آن را رها نکنید.

دستور کار

الف) آشنایی با انواع دماسنج‌ها

۱- دماسنج‌هایی را که در اختیار دارید به دقت مشاهده کنید و با مشورت هم گروه‌های خود آن‌ها را بررسی کنید و پاسخ موارد زیر را برای هردماسنج در دفتر گزارش کار خود یادداشت کنید.

• روش اندازه‌گیری دما به کمک آن

• گستره یا حدود اندازه‌گیری

• فاصله بین کوچک‌ترین درجه‌های آن

• پایه و اساس فیزیکی آن

• برتری و عیب آن‌ها

• چگونگی مراقبت از آن‌ها

ب) دمای ذوب یخ

۱- قیف را روی ارلن قرار دهید و خرده‌های یخ را درون قیف بریزید (مانند شکل ۱).

۲- مخزن دماسنج مورد نظر را در لابه لای خرده¬های یخ به طور عمودی نگه دارید.

۳- چند دقیقه صبر کنید در حالی که قطره‌های آب از لوله قیف می‌چکد، پایین‌ترین دمایی را که دماسنج نشان می‌دهد، بخوانید.

۴- آیا دماسنج، دمای ذوب یخ را صفر نشان می‌دهد؟ در غیر این صورت علت را بررسی کنید.

پ) دمای جوش آب

۱- درون ارلن تا گنجایش آن آب بریزید و آن را روی چراغ بگذارید.

۲- دماسنج مورد نظر را از یکی از سوراخ¬های درپوش لاستیکی عبور دهید و درپوش را روی دهانه ارلن قرار دهید، به طوری که مخزن دماسنج از سطح آب کمی بالاتر قرار گیرد. (مانند شکل ۲).

۳- پس از به جوش آمدن آب و بخار شدن آن، دمایی را که دماسنج نشان می‌دهد، بخوانید.

۴- اگر دماسنج، دمایی غیر از ۱۰۰ درجه را نشان می‌دهد، علت را در گروه خود بحث کنید.

ایمنی و هشدار: مراقب باشید ارلن آب جوش از روی سه پایه نیفتد و اشیای قابل سوختن را نزدیک چراغ قرار ندهید.

پرسش و فعالیت‌های تکمیلی

۱- چه عواملی بر نقطه ذوب یخ و جوش آب، مؤثر است؟

وجود ناخالص و میزان فشار

۲- به کمک دماسنجی که در مقیاس دمایی (سلسیوس و فارنهایت) دارد، دمای آزمایشگاه را اندازه بگیرید و آن‌ها را با هم مقایسه کنید.

۲۶ درجه سانتی‌گراد و ۲۹ درجه سانتی‌گراد

۳- گستره یا حدود اندازه‌گیری دماسنج به چه عواملی بستگی دارد؟

جنس ماده‌ای که در دماسنج استفاده شده و کمیت دماسنج

۳۱

ظرفیت گرمایی گرماسنج

گرماسنج یا کالری متر، دستگاهی است که آزمایش‌های تبادل گرمایی با آن انجام می‌شود. این وسیله در تبادل گرمایی نقش دارد بنابراین، باید ظرفیت گرمایی آن را بدانیم. ظرفیت گرمایی گرماسنج؛ یعنی معلوم کنیم این وسیله با ۱ افزایش یا کاهش دما، چه مقدار گرما می‌دهد یا می‌گیرد؟ با اندازه‌گیری‌های جرم، دما و داشتن گرمای ویژه آب (J/kg 4200) می‌توان ظرفیت گرمایی گرماسنج را محاسبه کرد.

هدف: اندازه‌گیری ظرفیت گرمایی گرماسنج

ابزار و مواد: ۱- گرماسنج ۲- دماسنج ۳- ترازو و جعبه وزنه ۴- چراغ الکلی، گازی یا گرم کن الکتریکی ۵- بشر mL ۲۵۰-۶ سه پایه و توری نسوز ۷- آب

دستور کار

۱- جرم گرماسنج را با ترازو اندازه بگیرید (m).

۲- تا گنجایش گرماسنج (حدود g 200) آب سرد بریزید و جرم مجموعه گرماسنج و آب را با ترازو اندازه بگیرید و جرم دقیق آب سرد را مشخص کنید (m1).

۳- اندکی صبر کنید و سپس دمای آب سرد را اندازه بگیرید (θ۱).

۴- درون بشر مقداری آب (حدود g ۲۰۰) را گرم کنید تا به دمای جوش برسد؛ سپس دمای آن را به کمک دماسنج اندازه بگیرید (θ۲).

۵- آب گرم را با احتیاط درون گرماسنج بریزید و آن را چند بار هم بزنید؛ سپس دمای تعادل را اندازه بگیرید (θ).

۶- جرم مجموعه آب و گرماسنج را اندازه بگیرید و سپس مقدار جرم آب گرم (m2) را مشخص کنید.

۷- کمیت‌های اندازه‌گیری شده را در جدول زیر وارد کنید و به کمک رابطه زیر ظرفیت گرمایی گرماسنج (C) را به دست آورید.

۰ = گرماسنجQ + آب گرم Q + آب سرد Q

C	θ	θ۲	m2	θ۱	m1
ظرفیا گرمایی گرماسنج	دمای تعادل	دمای آب گرم	جرم آب گرم	دمای آب سرد	جرم آب سرد	شماره آزمایش
						۱

 

پرسش و فعالیت‌های تکمیلی

۱- برای اندازه‌گیری دماهای ۱ و ۲ در این آزمایش چرا باید اندکی صبر کنیم؟

در هر مرحله اندازه‌گیری دما، باید اندکی صبر کرد تا مجموعه مواد داخل گرماسنج به تعادل گرمایی برسند.

۲- ظرفیت گرمایی گرماسنج، به چه عواملی بستگی دارد؟

به جرم گرماسنج و جنس موادی که گرماسنج از آنها ساخته شده بستگی دارد.

۳۲

گاز آرمانی (کامل) در دمای ثابت

رابرت بویل و امه ماریوت دو دانشمند بودند که هر دو طی آزمایش‌های فراوان به این نتیجه رسیدند که اگر دمای مقدار معینی از یک گاز به اندازه کافی رقیق، ثابت نگه داشته شود، فشار آن با حجمش رابطه وارونه دارد؛ به عبارتی دیگر، حاصل ضرب فشار و حجم گاز، مقداری ثابت است.

مقدار ثابت= PV

P1V1= P2V2= P3V3= …

هدف: بررسی تغییرات فشار و حجم گاز آرمانی (کامل) در دمای ثابت

ابزار و مواد: دستگاه بویل – ماریوت بدون جیوه

توجه: 

۱- چون فشارسنج دستگاه برحسب بار (bar) مدرج شده است. برای هماهنگی یکاها، فشار هوای آزمایشگاه را بر حسب بار جای‌گذاری کنید.

۲- عددی که فشار سنج دستگاه بویل – ماریوت نشان می‌دهد، فشار پیمانه‌ای است؛ فشار هوا در آزمایشگاه را به آن اضافه کنید.

دستور کار

۱- ابتدا پیچ هوای استوانه را باز، و پیستون را جابه جا کنید تا حجم هوای داخل استوانه ۵۰ سانتی متر مکعب شود. فشار هوای درون استوانه در این حالت، برابر فشار هوای آزمایشگاه (P0) است. (دستگاه فشارسنج فشار پیمآن‌های هوای درون استوانه (Pg) را صفر نشان می‌دهد.)

۲- پیچ هوای دستگاه را محکم ببندید و به کمک پیچ پیستون، حجم آن را ۱۰ واحد ۱۰ واحد کم کنید. هر مرحله، کمی صبر کنید و مقدار فشار پیمآن‌های مربوط به آن را (Pg) از روی فشارسنج بخوانید و عددهای به دست آمده را در جدول یادداشت کنید.

PV	V(mL)	P(bar)=P0+Pg	شماره آزمایش
	۵۰		۱
	۴۰		۲
	۳۰		۳
	۲۰		۴

۳- نمودار P برحسب V را به ازای دمای ثابت برای این آزمایش رسم کنید.

پرسش و فعالیت‌های تکمیلی

۱- از مقایسه حاصل ضرب حجم در فشار در هر بار آزمایش چه نتیجه‌ای می‌گیریم؟ توضیح دهید.

از آنجا که این حاصل ضرب‌ها تقریباً برابرند نتیجه می‌گیریم که در دمای ثابت فشار گاز با حجم آن نسبت وارون دارد. 

۲- با فرض آرمانی بودن هوای درون استوانه دستگاه بویل – ماریوت و رابطه (P1V1 = P2V2) چگونه می‌توان فشار هوای آزمایشگاه را به دست آورد؟

دستور کار آزمایش‌های زیر در کتاب فیزیک (۱) آمده است. با توجه به آن‌ها آزمایش‌ها را انجام دهید.

۳۳

انبساط طولی جامدها

۳۴

گرمای ویژه

۳۵

گرمای نهان ذوب یخ

۳۶

گرمای نهان تبخیر آب

---

---

---

---

---