دانلود جزوه شيمي آب و فاضلاب (مناسب براي آزمون كارداني به كارشناسي) با فرمت ورد ودر 21 صفحه

قسمتی از متن جزوه

ساختمان آب و خواص فيزيكي آن

ساختمان :

آب نتيجه تركيب اكسيژن و هيدروژن طبيعي است . مولكول آن (H₂O) داراي وزن مولكولي 18 است . مطالعه مناسب آب در واقع مطالعه ساختمان آب است كه در پرتو آن بسياري از خواص حيات بخش و مفيد آب روشن خواهد شد . در ملكول آل دو اتم هيدروژن با اتم اكسيژن زاويه˚105 تشكيل مي دهد و يك مولكول غير متقارن را بوجود مي آورد . آب در واقع مخلوطي از چندين وزن مولكولي مي باشد , زيرا شامل تركيبات متقابلي از ايزوتوپهاي مختلف هيدروژن و اكسيژن است , لكن عملا" وزن مولكولي آب را 18 در نظر مي گيرند .

انرژي تشكيل :

انرژي تشكيل استاندارد آب در 25 درجه سانتيگراد و فشار 1 اتمسفر برابر است با 317/68- كيلو كالري بر مول (kcal/mole) . واكنش تشكيل آب از اتمهاي هيدروژن و اكسيژن گرمازاست و آب كه محصول اين واكنش است داراي انرژي بسيار كمتري نسبت به مواد اوليه است .

ابعاد :

زاويه هاي H–O–H , 105 درجه و ساختمان الكتروني آن تترا هيدرال است .

پلاريته :

ساختمان آب داراي توزيع غير يكنواخت بار الكتريكي است و اكسيژن داراي بار جزئي منفي و هيدروژنها داراي بار جزئي مثبت هستند . اين توزيع غير يكنواخت بر اساس تشكيل پيوند هيدروژنه در آب مي باشد

خواص آب :

آب به علت داشتن پيوند هيدروژنه نسبت به تركيبات مشابه با وزن مولكولي نزديك به هم (SH₂)داراي نقطه ذوب و نقطه جوش بالاتري است . ويژگيهاي بي نظير آب از نظر ظرفيت گرمايي , دانسيته , ويسكوزيته و كشش سطحي هم به اين جهت مي باشد .

دانسيته :

دانسيته آب تابع دماست . دانسيته يخ صفر درجه سانتيگراد , g/ml 91671/0 و دانسيته آب صفر درجه سانتيگراد g/ml 99867/0 مي باشد . حجم مولي آب در صفر درجهcm³/mole/mole 18 است كه با تبديل به يخ صفر درجه , 3/8% تغيير خواهد كرد . اين افزايش حجم به علت ساختمان كريستالي يخ مي باشد . مزيت افزايش حجم در تبديل آب به يخ اين است كه در انجماد آبها , يخ كه سبكتر است بالا آمده و موجودات آبزي را از انهدام نجات مي دهد . آب در حدود ^˚C4 بيشترين دانسيته را دارد كه مقدار آن g/ml 1 مي باشد . جرم مخصوص يا دانسيته آب خالص در ^˚C15 و فشار 1 اتمسفر kg/lit 0281/1 است . يك كاربرد دانسيته آن است كه ا داشتن وزن مخصوص مي توان انرژي لازم را براي پمپاژ محاسبه كرد . با حفاظت مناسب از لوله ها از انجماد در نقاط سرد مي توان از شكستگي آنها جلوگيري كرد .

ذوب و تبخير :

يخ در 0^˚Cذوب مي شود و آب در ^˚C100و فشار 1 اتمسفر تبديل به بخار مي شود و حجم آن 1600 برابر افزايش مي يابد . اگر فشار آب به psi 35 برسد , نقطه جوش به^˚C 3/138 رسيده و حجم بخار توليد شده 500 برابر آب ميگردد . اگر آب حاوي املاح باشد نقطه ذوب آن پايين تر و نقطه جوش آن بالاتر مي رود و به اصطلاح محدوده حالت مايع گسترش مي يابد .

ظرفيت گرمايي :

ظرفيت حرارتي و گرمايي آب J/kg-˚c 4180 مي باشد . اين پارامتر هم تابع دما است و حداقل مقدار آن در ^˚C 35 است . گرماي نهان ذوب آب kcal/kg 79 و گرماي نهان تبخير آن kcal/kg 539 مي باشد . به علت داشتن اين خواص گرمايي بالا آب به عنوان يك سيال حامل حرارت مورد استفاده قرار مي گيرد . از خاصيت انرژي حرارتي و ازدياد قابل ملاحظه حجم آب از مايع به بخار , براي گرم كردن و به حركت درآوردن تلمبه ها و ماشين آلات مختلف استفاده مي شود .

ويسگوزيته يا گرانروي :

ويسگوزيته يا گرانروي معياري از مقاومت توده سيال در برابر جريان و حركت مي باشد . ضريب ويسگوزيته نسبت به مواد مشابه زيادتر است . ضريب ويسگوزيته آب با افزايش دما كاهش مي يابد چون با افزايش دما نيروهاي بين مولكولي كم مي شود . تاثير دما روي ويگوزيته در فرايندهاي فيزيكي شيميايي تصفيه تاثير مي گذارد . انعقاد و لخته سازي , ته نشيني , فيلتراسيون و بعضي فرايندهاي ديگر همه در دماهاي بالا موثرتر هستند . به همين جهت تصفيه خانه هايي كه براي آب و هواي سرد طراحي مي شوند بايد داراي ملاكهاي طراحي ملاحظه كارانه تر باشند . مثلا" سرعت پمپاژ براي شستشوي معكوس صافي ها , بايد آنچنان باشد كه تاثير تغيير ويسكوزيته را لحاظ كند . ويسكوزيته علت اصلي افت فشار در سيستم هاي انتقال مي باشد . مقدار ويسكوزيته آب داراي املاح بيش از آب خالص است .

كشش سطحي :

به نيروهايي اشاره دارد كه سطح يك حجم مشخصي از مايع را به حداقل مي رسانند . اين نيروها باعث مي شوند كه هنگام افتادن يك قطره از هوا به صورت كروي در آيد . كشش سطحي آب نسبت به تركيبات مشابه زيادتر است .

حركت قطبي (Dipole moment) :

حركت قطبي آب به اين علت است كه مركز بارهاي مثبت و منفي مولكول آب روي هم قرار ندارند و مولكول قطبي است . حركت قطبي آب , آنرا يك حلال بسيار خوب براي مواد يوني ساخته است هر چند كه مولكول آب به تنهايي كووالان است ولي مولكول قطبي آب به سطح كريستال يوني جذب مي شود و هنگام جدا شدن يونها از كريستال جامد , مولكولهاي آب آنرا كاملا" احاطه مي كنند .

هدايت الكتريكي :

آب خالص هادي خوبي براي جريان الكتريسيته نيست چون مولكول آب به مقدار خيلي كم يونيزه مي شود و در هر ليتر حدود ^7-10مول H⁺ و ^7-10مول OH^- توليد مي شود . معمولا" آب مقطر در تعادل با CO₂ هوا داراي هدايتي حدود Ω^-1m^{-1 6-}10× 70 = k يا µmho/m 70 مي باشد . امروزه برخي از صنايع نياز به آب فراوان با هدايت ويژه بسيار پايين (Ω^-1m^{-1 6-}10× 5/5) براي استفاده هاي خاص مثل آبكشي مواد در صنايع نيمه هاديها دارند . هر چند كه آب كاملا" خالص هادي خوبي براي جريان الكتريسيته نيست , لكن يكي از خواص بسيار مهم محلولهاي يوني توانايي آن در هدايت جريان مي باشد . در اين محلول ها , يونهاي تفكيك شده بار الكتريكي را حمل خواهند كرد . مقدار هدايت يك محلول توسط عواملي نظير غلظت يونها , تركيب يونها و دما تغيير خواهد كرد و به طور خلاصه به علت :

-ازدياد دما (به علت افزايش سرعت حركت يونها) هدايت افزايش مي يابد .

-افزايش غلظت يونها موجب افزايش هدايت مي شود .

-نوع يونهاي محلول

نوع يونها بدين دليل روي هدايت الكتريكي آب اثر مي گذارند كه بعضي يونها حاوي بيش از يك بار الكتريكي است و بعضي از يونها به علت مشخصات بار و حجم خودشان از بقيه سريعتر در محلول حركت مي كنند .

يونيزاسيون :

قبلا" نيز ذكر شد كه مولكول آب به مقدار خيلي كم يونيزه مي شود و در هر ليتر حدود ^7-10مول H⁺ و ^7-10مول OH^- توليد مي كند .

H₂O ↔ H⁺ + OH^-

فشار اسمزي :

پديده مهم ديگري كه در آب حاوي املاح اتفاق مي افتد فشار اسمزي است كه وابسته به مواد محلول (حل شده) و نه آب (حلال) مي باشد . اگر دو محلول را با يك غشاء ا زهم جدا كنيم آب از محلول رقيق تر خارج شده و وارد محلول غليظ تر مي شود . اين فرايند كنترل كننده فعاليت تمام سلولهاي حياتي است . اين پديده تاثير حفاظت مواد غذايي را با نمك زدن آن توجيه مي كند .

تركيبات و عناصر مورد استفاده در شيمي آب

هر عنصر با ديگر عناصر در اندازه , وزن و خواص شيميايي تفاوت دارد .وزن اتمي عناصر نسبت به وزن كربن كه 12 است اندازه گيري مي شود . اين وزن كه بر حسب گرم بيان مي شود يك اتم گرم آن عنصر ناميده ميشود . مثلا" جرم يك اتم گرم از آلومينيوم برابر 27 است . وزن اكي والان (اكي والان گرم) ك عنصر برابر است با وزن اتمي تقسيم بر ظرفيت . ظرفيت يك عنصر عبارت است از قدرت تركيب شوندگي آن نسبت به اتم هيدروژن كه داراي ظرفيت 1 است . لذا يك عنصر با ظرفيت 2+ مي تواند دو اتم هيدروژن را در تركيبي برداشته و جايگزين آنها شود . سديم داراي ظرفيت 1+ است در حاليكه كلر داراي ظرفيت 1- است و لذا يك اتم سديم با يك اتم كلر تركيب مي شود و تشكيل يك مولكول NaCl مي دهد . وزن يك تركيب كه برابر با مجموع اوزان عناصر تركيب شونده آن است وزن مولكولي آن جسم و به عبارت ساده تر يك مول مي گويند . مجموع جرم هاي اتمي عناصر تشكيل دهنده يك ماده مركب , جرم مولكولي آن خوانده مي شود كه اگر بر حسب گرم بيان شود مول يا مولكول گرم ناميده مي شود . نكته : جرم اتمي و جرم مولكولي , اعدادي نسبي و بدون بعد هستند .

بعضي از گروه هاي خاص اتمها با هم به عنوان يك واحد در تعداد زيادي از مولكولهاي بزرگ شركت مي كنند كه به آنها راديكال گفته مي شود . راديكالها انواع و اقسام گوناگون دارند مثل گروه هيدروكسيل (OH^-) .

حلاليت و يونيزاسيون

جهت حل يك ماده در آب بايد پيوستگي ذرات و يونها از بين برود . بين ذرات يك ماده به علت وجود نيروهاي زير پيوستگي وجود دارد :

-نيروهاي بين اتمي شامل پيوندهاي قوي شيميايي (الكترووالانس و كئووالانس)

-نيروهاي بين مولكولي شبيه پيوند هيدروژني (H₂O) , نيروهاي واندروالس (H₂) كه ذرات را با نيروهاي ضعيفي به هم اتصال مي دهد .

حلاليت مايعات :

چون مولكول آب قطبي است , حلاليت يك مايع در آب بستگي به پلاريته مولكولهاي آن دارد . مثلا" مولكولهايي كه داراي گروههاي OH^- (الكل ها و قندها) , SH^- و^–NH₂ هستند خيلي قطبي بوده و لذا در آب خيلي محلول مي باشند . در حاليكه ديگر مايعات مثل هيدروكربن ها , روغن و چربي كه غير قطبيند خيلي كم محلول هستند . در مواد غير محلول ممكن است امتزاج بوجود بيايد كه بستگي به محدوده دما دارد . مثلا" آب و فنل در بالاتر از 5/63درجه سانتيگراد به هر نسبتي با هم مخلوط مي شوند و يا تري متيل آمين در كمتر از 5/18 درجه سانتيگراد در تمام نسبتها با آب محلول هستند .

حلاليت جامدات :

مولكولهاي منفرد و يا يونها پراكنده در آب را اجسام و مواد محلول گويند . غلظت كل مواد محلول را بوسيله آزمايش باقيمانده تبخير اندازه گيري مي كنند . حلاليت اجسام در آب بستگي به ماهيت و ساختمان مواد (گروه هاي تشكيل دهنده آن) و عوامل فيزيكي ديگر از قبيل حرارت و غيره دارد . گروه هاي مولكولي به دو دسته آب دوست و آب گريز تقسيم مي شوند . در محلول هاي حقيقي غلظت ماده حل شده را به صورتهاي زير نشان مي دهند :

-غلظت وزني : مقدار وزن حل شده در واحد وزن حلال

-جزء مولي : نسبت تعداد مول حل شده به كل مولها

-مولاليته : تعداد مولهاي حل شده در يك ليتر محلول

-نرماليته : تعداد اكي والان گرم از ماده حل شده در يك ليتر محلول

حاصلضرب حلاليت :

غير از اجسامي كه به طور كامل در آب حل مي شوند , بقيه كم و بيش در آب محلول هستند . مثلا" كلرور نقره و سولفات باريم خيلي نامحلول مي باشند اما در آب اين دو تركيب هم به مقدار كم حل مي شوند و تعادل زير را بوجود مي آورند .

AgCl ↔ Ag⁺ + Cl^-

BaSO₄ ↔ Ba²⁺ + SO₄ ^2-

در واقع در مورد اين تركيبات , حالت اشباع با حل شدن مقدار كمي از ماده در آب به دست مي آيد . تعادلي كه بين كريستال هاي يك تركيب در حالت جامد و يون هاي آن در محلول وجود دارد را مي توان به زبان رياضي بيان كرد مثلا" در مورد كلرور نقره مي توان چنين نوشت :