چکيده

شكست سنجي ،) refractometer( شكست سنج ، )refractive index( ضريب شكست :كلمات كليدي

) refractometry( دما ، )temperature( متانول، )methanol (

در .باشـد صد تركيب يك مخلوط در عمليات مهندسي شيمي يكي از مهمترين مسائل مطرح مي امروزه تعيين در packed(صد تركيب محلول متانول ـ آب در ستون تقطير پر شـده اين كار تجربي انجام شده به منظور تعيين در

distillation ( از روش شكست سنجي )refractometry ( ده شده استاستفا. ازجمله پارامترهاي قابـل كنتـرل كـه بـصورت .گذارد اصوال پارامترهاي مختلفي بر مقدار ضريب شكست اثر مي

.توان از دما و طول موج نام برد شوند ، مي ي مي گير تجربي اندازهاسـت و اب شدهبعنوان منبع نور انتخ ) المپ بخار سديم ( نانومتر ٣/٥٩٨ري هاي انجام شده طول موج گي در اندازه

لذا در اين مقاله سعي شـده اسـت كـه . ها مورد بررسي قرار گرفت گيري دما بعنوان تنها پارامتر متغيير در اندازه آزمـايش در ١١٥به منظور بررسي اثر دما بر روي ضـريب شكـست، . روابطي براي تصحيح دما بدست آورده شود

درصـد متـانول در دماهـاي مختلـف، از يكـسري نمودار ضريب شكست بـر حـسب . دماهاي مختلف انجام شد .است هاي سهمي شكل تقريبا موازي تشكيل شده منحني

نهمين کنگره ملی مهندسی شيمی ايران

ت ايراندانشگاه علم و صنع ۱۳۸۳ آذر ماه ۳-۵

توسعه روش شكست سنجي براي تعيين درصد آب–وزني محلول متانول

٣،يونس سينا٢ حسين ابولقاسمي ،*١ هدويانبهاره م

گروه مهندسي شيمي-دانشكده فني-دانشگاه تهران-ميدان انقالب-تهران آزمايشگاههاي تحقيقاتي جابر بن حيان-سازمان انرژي اتمي ايران -تهران

bahareh_mahdavian@yahoo.com

IChEC9

ترموديناميک و فازیتعادل : ۲محور علمي

۱۳۸۳ آذرماه ۵ الی ۳نهمين کنگره ملی مهندسی شيمی ايران، دانشگاه علم و صنعت ايران،

٣١٤

مقدمه هاي مهم دستگاه شكـست سـنج در ارزيـابي دسـتگاهها و روشـهاي جداسـازي ماننـد تقطيـر، يكي از كاربرد

از دستگاه شكست سنج جهت تعيـين ضـريب شكـست اصوال .باشد جذب سطحي مي ، ، كروماتوگرافي استخراج تـوان ريب شكـست يـك مخلـوط دوتـايي مـي شود و چنانكه بيان خواهد شد با تعيين ضـ ستفاده مي ا مايعات

, ايمنـي , خواندن راحت , استفاده آسان توان به مي از مزاياي اين دستگاه . غلظت محلول مجهول را تعيين كرد .نام برد و نگهداري آسان آن ،ارزانيكاليبراسيون ساده

وان زاويه شكست در يـك محـيط زاويه بحراني بعن.گيري زاويه بحراني بنا شده است اين دستگاه بر پايه اندازه اشعه بحراني بعنوان مرز بين يـك ميـدان است و درجه باشد،تعريف شده ٩٠كه زاويه تابش تابنده مادي،زماني

[1].شود ضريب شكست يك جسم بر اساس زاويه بحراني از رابطه زير تعيين مي.شود روشن و تيره ظاهر مي

) ١( CC

D SinSinSinn

θθ190

==

راحت ترين و سريع ترين روش جهت تعيين تركيب يـك , گيري ضريب شكست ساده ترين بدون ترديد اندازه ذا ل,گذارند ميرثاگيري ضريب شكست اما پارامترهايي مثل طول موج و دما بر اندازه . مخلوط مايع دوتايي است

اي هـ د تا بتوان از ضريب شكست بعنوان يكي از ثابتگيري ثابت نگه داشته شون بايد اين پارامترها در طي اندازه .فيزيكي جهت تجزيه كيفي و كمي يك تركيب استفاده نمود

طول موجگيـري از انـدازه . ضريب شكست يك محيط مادي شفاف با افزايش طول موج كاهش تدريجي پيـدا مـي كنـد

نتخـاب مـي اعنوان منبـع نور نانومتر ب ٣/٥٩٨ حاصل از المپ بخار سديم با طول موج Dخط , ضريب شكست منبـع F وC گيـري هـاي ضـريب شكـست بكـار مـي رونـد شـامل ديگر خطوطي كه معموال در اندازه. شود

باشند و ضريب شكست مربوط به اين طول موج ها به ترتيب مي) نانومتر١/٤٨٦ و ٣/٦٥٦به ترتيب (هيدروژن nC وnF آيند اما يباشد كه به تنهايي از طريق شكست سنج بدست نم ميnF-nC يك رابطه خطي A+αB است

مقـدار وابـستگي ضـريب (dispersion)يـا پراكنـدگي nF-nC . آيـد كه بوسيله دستگاه شكست سنج بدست ميدهد كه هر چه اين مقدار كوچكتر باشد تغيير ضريب شكست با طـول مـوج شكست به طول موج را نشان مي

گيري هاي پاشندگي در تشخيص گروه هاي عاملي آلي مفيـد زهگاهي اوقات اندا . [2] هاي مختلف كمتر است اسـتفاده Abbeبـراي ايـن منظـور از واحـدي بنـام عـدد . باشد هستند و جداولي نيز در اين مورد موجود مي

: شود كه عبارت است از مي

)٢( CF

D

nnn

−−

=1

υ

گيريهـاي در انـدازه . آب آورده شده اسـت ـ براي مخلوط متانول Abbeعدد در جدول زير مقادير محاسبه شده . بدست آمد٠٠٥٥/٠آب مقدار پراكندگي حدود ـ انجام شده در مورد مخلوطهاي متانول

IChEC9

ترموديناميک و فازیتعادل : ۲محور علمي

۱۳۸۳ آذرماه ۵ الی ۳نهمين کنگره ملی مهندسی شيمی ايران، دانشگاه علم و صنعت ايران،

٣١٥

درصد حجمي متانول١٠٠ تا ٠ براي مخلوطهاي Abbeمقادير عدد ): ١(جدول

υ %حجمي υ %حجمي υ %حجمي

٠ ٤٣/٦٠ ٣٥ ٩٣/٦٠ ٧٠ ١٠/٦١

٥ ١٩/٦٠ ٤٠ ٦١ ٧٥ ٩٩/٦٠

١٠ ٣٠/٦٠ ٤٥ ١/٦١ ٨٠ ٨٤/٦٠

١٥ ٤٢/٦٠ ٥٠ ١٣/٦١ ٨٥ ٦٣/٦٠

٢٠ ٥٦/٦٠ ٥٥ ١٩/٦١ ٩٠ ٣٦/٦٠

٢٥ ٦٨/٦٠ ٦٠ ١٩/٦١ ٩٥ ٩٧/٥٩

٣٠ ٨١/٦٠ ٦٥ ١٩/٦١ ١٠٠ ٥٧/٥٩

دماريب شكست ض. ردگذا بر ضريب شكست محيط مادي اثر مي،شود دما به اين دليل كه سبب تغيير دانسيته مي

براي اكثر تركيبات آلي ضريب شكست بطور تخميني بـه .يابد كاهش مي،براي يك مايع معموال با افزايش دما يابد و در اين رابطه در مقاالت متعـددي كاهش مي ٠٠٠٠٤/٠ ~ ٠٠٠٠٥/٠ازاي افزايش يك درجه سانتيگراد

[3,4].است شده آورده

) ٣( °−=Cd

d

T

n 10004.0

تبديل ٢٠ ºCهمچنين رابطه زير ضريب شكست يك مايع آلي در دماي دلخواه را به ضريب شكست در دماي .كند مي

)٤( )20(00045.020 −+= Tnn obsD

هاي اما اين تصحيح فقط يك تخمين است و نبايد براي محلول. كه اين رابطه هم در چندين مقاله آمده است .[3,5]آبي استفاده شود

بايد دمـا را بـا دقـت كنتـرل ،گيري هاي دقيق ضريب شكست شود كه براي اندازه از آنچه گفته شد معلوم مي بـراي يـك مـايع . اسـت هاي گردش آب براي كنترل دما تعبيه شده در بعضي از شكست سنج ها سيستم . كرد

تـا دقت باشد و براي ± ºC٢/٠ تغييرات دما بايد كمتر از ،شد تا چهار رقم اعشار مورد نظر با دقتاگر , معمولي .[1] الزم است±٠٢/٠ ºCرقم پنجم اعشار تغييراتي كمتر از

IChEC9

ترموديناميک و فازیتعادل : ۲محور علمي

۱۳۸۳ آذرماه ۵ الی ۳نهمين کنگره ملی مهندسی شيمی ايران، دانشگاه علم و صنعت ايران،

٣١٦

كار و شرح دستگاهروش سـپس ضـريب . درصد حجمي متانول آب از متانول فلوكـا و آب مقطـر سـاخته شـد ٩٥ تا ٥ابتدا محلولهاي

گيـري اندازه3T مدل Abbe ب در دماهاي مختلف توسط دستگاه شكست سنجآـ شكست مخلوط هاي متانول همچنين براي ارزيابي . بعد از تصيح دمايي ، منحني ضريب شكست بر حسب درصد وزني متانول رسم شد .شد

(Gas chromatography)، چند نمونه اسـتاندارد سـاخته شـده بـا روش RI (Refractometry Index)روش

GCيري شدگ نيز اندازه.

بوده كه ريزتـرين تقـسيم بنـدي ٧٠٠٠/١ تا٣٠٠٠/١ بين 3Tگيري دستگاه شكست سنج مدل محدوده اندازه ٠٠٠٠٥/١گيري بطوريكه قابل خواندن توسط چشم باشد برابر باشد و حد تشخيص براي اندازه مي ٠٠٠٢/٠آن

.[2]باشد مي٠٠٠١/٠گيري بوده و دقت اندازه

نتايج تجربيتغييرات ضريب شكـست بـر حـسب دمـا .دهد تاثير دما را بر روي ضريب شكست نشان مي ) ٢( و )١(شكلهاي

.باشد هاي مختلف متانول خطي مي براي درصد

درصد حجمي متانول٥٠تا ٠نمودار ضريب شكست بر حسب دما براي مخلوطهاي ): ١(شكل

refra

ctiv

e in

dex

1.332

1.334

1.336

1.338

1.34

1.342

1.344

14 16 18 20 22 24 26

temperature(c)

0%

5%10%

15%

20%25%

30%35%

40%

45%50%

IChEC9

ترموديناميک و فازیتعادل : ۲محور علمي

۱۳۸۳ آذرماه ۵ الی ۳نهمين کنگره ملی مهندسی شيمی ايران، دانشگاه علم و صنعت ايران،

٣١٧

درصد حجمي متانول١٠٠ تا ٥٠ي مخلوطهاي نمودار ضريب شكست بر حسب دما برا): ٢(شكل

) ٣( شـدكه در شـكل جهت ترسيم ضريب شكست بر حسب درصد وزني متانول اسـتفاده ) ٢(و)١(از شكلهاي Handbook [6]اطالعات ) ٣(همچنين در شكل .است ها براي شش دما ترسيم شده اين منحني.شود ديده مي

آب يك نمونه ـ توان با داشتن ضريب شكست مخلوط متانول ودارها ميبا استفاده از اين نم. نيز آورده شده است .برد مجهول، به غلظت آن پي

آبـ نمودار ضريب شكست بر حسب درصد وزني متانول): ٣( شكل

آبـ نمودار ضريب شكست بر حسب درصد وزني متانول): ٣(شكل

1.326

1.328

1.33

1.332

1.334

1.336

1.338

1.34

1.342

1.344

1.346

14 16 18 20 22 24 26

temperature(c)

refra

ctiv

e in

dex

55% &60%65%

70%

75%

80%

85%

90%

95%

100%

1.3251.3261.3271.3281.329

1.331.3311.3321.3331.3341.3351.3361.3371.3381.339

1.341.3411.3421.3431.3441.345

0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 65 70 75 80 85 90 95 100

w% methanol

refra

ctive

inde

x

handbookdata

experimentaldata

T=18

T=20

T=25

T=22

T=28

T=15

IChEC9

ترموديناميک و فازیتعادل : ۲محور علمي

۱۳۸۳ آذرماه ۵ الی ۳نهمين کنگره ملی مهندسی شيمی ايران، دانشگاه علم و صنعت ايران،

٣١٨

محـور افقـي مقـدار .دهد را در آناليز نمونه هاي مختلف متانول نشان مي RI و GCمقايسه دو روش ) ٤(شكل .دهد گيري شده به دو روش مذكور را نشان مي باشد و نقاط درصد متانول اندازه واقعي درصد متانول مي

RIوGC مقايسه دو روش ): ٤(شكل

گيري بحث و نتيجه , دهد كه با افـزايش دمـا اي ضريب شكست بر حسب دما براي درصدهاي مختلف متانول نشان مي نموداره .١

درصد حجمي متانول ماليم است اما از ٥٠ تا ٠ اين كاهش از غلظت شيب كه. يابد ضريب شكست كاهش مي لظـت حـل توان دليل بـر افـزايش غ كه اين تفاوت شيب ها را مي. استتر شيب نمودار تند ١٠٠ تا ٥٠غلظت . كه ضريب شكست آن به دما حساستر استدر آب دانست) متانول(شونده

ولـي .ترسـيم شـده اسـت ) دماهاي روزهاي مختلف آزمايشگاه (١٤ـ٢٦ ºCهاي بين براي دما ٢و١شكلهاي .٢ .يابي دماهاي خارج از اين محدوده رهنمون كند تواند ما را به برون رفتار خطي اين نمودارها مي

. است هاي تقريبا موازي تشكيل شده متانول برحسب ضريب شكست از يكسري منحني زني و ودار درصد نم .٣يـابي بـه نتـايج مطلـوبي است با روش ميـان يي كه منحني آنها رسم نشده ها توان در دما نتيجه براحتي مي ر د

.دست پيدا كرد

متـانول يـك دهد كه براي تعيين درصد گون درصد متانول برحسب ضريب شكست نشان مي شكل سهمي .٤ .باشد نياز به يك ثابت فيزيكي ديگر نظير دانسيته ، ممكن استمجهول نمونه

دهد كه روش شكست سنجي از دقت بااليي برخـوردار اسـت و نشان ميRI وGCنتايج آناليز به روشهاي .٥ .، از ارجحيت برخوردار استGCارزاني و سرعت اين روش نسبت به گي، بعلت ساده

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100

real data

expe

rimen

tal d

ata

GC

RI

Bicsector

IChEC9

ترموديناميک و فازیتعادل : ۲محور علمي

۱۳۸۳ آذرماه ۵ الی ۳نهمين کنگره ملی مهندسی شيمی ايران، دانشگاه علم و صنعت ايران،

٣١٩

فهرست عالئم20Dn :ضريب شكست در دماي ºC ٢٠

Cθ :زاويه بحراني

nF-nC :پراكندگي

υ :عدد Abbe

T :دما بر حسب درجه سانتيگراد

n obs : ضريب شكست در دمايT

تشكر و قدردانيپور، آقاي مهندس عدل ، آقاي دكتـر مهندس زنجانيبدينوسيله مراتب سپاسگذاري و قدرداني خود را از آقاي

حيان كه ههاي تحقيقاتي جابربن حسيني و كليه پرسنل آزمايشگا عليرضا خانچي و آقاي مهندس مجيد حاجي .اند، اعالم ميدارم اينجانب را ياري داده

منابع و مراجع

1. principles of Instumental analysis,Douglas A . Skoog, Donald M ,Inc.1977

2. ABBE refractometer, Type 3T , Instruction manual, cat.No.1230

3. ReneP.F.Kanters, Raymond N.Dominey, William H.Myers.The chemistry Department,University of Richmond, 2003

4. David P.shoemaker, Carl W.Garland, Joseph W.Nibler,” Experiments in physical chemistry”Mc Graw_Hill Inc.,New yourk 1989

5. Franklin and Marshall College,copyright 2003 by claude yoder and phyllis leber

6. Encyclopedia of industrial chemical analysis,vol 16