هدف آزمايش

هدف سنتز زاج كرم و تبديل Cr ⁶⁺ زرد به ‍Cr ³⁺ سبز

تئوری آزمایش

یکی از مهمترین الگوهای سه بعدی که در طبیعت یافت می شود بلورهاست. الگوهای سه بعدی شامل یک موتیف و یک شبکه هستند. در بلورها یک موتیف از یک یا چند اتم ساخته شده اند و این ابتکار طبیعت است. بلورها در یک الگوی سه بعدی بوده که اتم ها  اجزاء تشکیل دهنده آن میباشند و اتم یا مولکول ها یک الگوی تکراری منظم را تشکیل میدهند. تک بلور یک قطعه مجزا از یک جامد بلوری است مانند برف یا نمک طعام. یک شبکه فضایی آرایه ای نامحدود از نقاط سه بعدی در فضا است که هر نقطه غیر قابل تشخیص از نقاط دیگر است.

زاج جسمي است معدني و بلوري شكل به رنگ هاي سفيد، كبود، سبز، سياه ، كه مزه آن شيرين وقابض است و معمولاً در آب حل مي شود. زاجها نوعی نمکهای مضاعف هستند. نمکهای مضاعف در اثر تبلور همزمان دو نمک با هم به نسبت مولی ساده بوجود می آيند. شکل و سيستم بلوری نمک مضاعف با شکل بلوری دو نمک سازنده يکی است. واحد های بلوری زاجها لزومی به شباهت با نمکهای سازنده  ندارند. در ساختمان زاج دو کمپلکس و نمکهای مضاعف يک کمپلکس با يک نمک ساده وجود دارند. تفاوت دیگر زاجها با نمک های مضاعف این است که در ساختمان آن دو کمپلکس شرکت دارند در صورتیکه در نمک های مضاعف یک کمپلکس با یک نمک ساده ترکیب میشوند.

ساختمان حلال و ماهیت حوزه های حلال پوشی گونه های حل شده موجود و واکنشهای بین گونه ها و تعادلهای ناشی از آن همگی بر پایداری کمپلکس ها اثر میگذارند. پايداری کمپلکس ها وابسته به نوع فلز مرکزی (عدد اکسايش، شعاع) و ليگند(قدرت نوکلئوفيلی، ممانعت فضايی والکتروستاتيکی و کی ليت سازی)می باشد.

زاج ها دارای فرمول عمومی MIMIII(SO₄)₂,12H₂O  هستند. فلز يک ظرفيتی می تواند پتاسيم، روبيديم، سزيم و آمونيوم، و فلز سه ظرفيتی کبالت(III)، آهن (III)، کروم(III)، آلومينيوم(III)، تيتانيم(III) و اسکانديم (III)است.

پايداری زاج ها وابسته به اندازه يونهای فلزی است. يونهای يک ظرفيتی می توانند زاجهای پايداری را تشکيل دهند، ولی هر قدر يون سه ظرفيتی بزرگتر باشد، از پايداری زاج کاسته می شود. دو کمپلکس تشکيل دهنده زاج از طريق يونهای سولفات به هم متصل می شوند(هيبريد فلزات) sp³d² و يا d²sp³ می باشد.

مواد شيميايي كه خواص مشابه دارند ، مي توانند در شبكه كريستالي يكديگر جابجا شوند ولي فرم هاي كريستالي ايجاد شده ، مقداري با هم اختلاف دارند. اما اگر كريستال حاصل تقارن مكعبي داشته باشد ، اين اختلاف هم وجود نخواهد داشت ، اين پديده را ايزومورفيسم   گويند و به اين اجسام كه شكل هندسي يكسان دارند ايزومورف گويند. زاجها نيز جزء تركيبات ايزومورف محسوب مي شوند و اينكه اين نمكها ساختار هشت وجهي دارند و جزء نمكهاي مضاعف ميباشند، در نتيجه در حالت محلول به اجزاي سازنده خود تفكيك مي گردند.

کاربرد زاج ها

زاجها را براي انداختن ترشي و شور، براي تصفيه ي آب و فاضلاب، براي سيمان ضد آب، براي كاغذ سازي و به عنوان عوامل ايجاد كف در كفهاي آتش نشاني به كار مي برند. به عنوان مثال، آلومينيم سولفات جزء زاجها است. كه براي تصفيه آب به كار مي رود.

اضافه کردن زاج برای سفید کردن سطح نان. درطب سنتي براي درمان زخم هاي دهاني و دباغی مورد استفاده قرار مي گیرد. همانطور که میدانیم نان سفید در پاره‌ای از مناطق دارای طرفداران بیشتری است بنابراین عده‌ای از فروشندگان ناآگاه مقداری زاج به آردهای تیره اضافه می‌کنند. همچنین در رنگرزی به عنوان دندانه مخصوصا در پشم ها سبب پذیرش رنگ. در صنایع غذایی براي تهيه مربا و شربت کاربرد دارد و  درزمینه پزشکی وتهیه ی لوازم آرایشی و بهداشتی و زيبايي  براي پوستهاي چرب استفاده میشود.

از زاجها در صنعت دباغي نيز به طور گسترده استفاده مي شود. پوست از نظر شيميايي پليمري است از اسيدهاي آمينه كه آنها را اصطلاحا پروتئين مي‌نامند. اسيدهاي آمينه از طريق پيوندهاي پپتيدي براحتي مي‌توانند تحت تاثير ميكرو ارگانيسم و عوامل بيروني ديگر قرار گيرند. در اين صورت زنجير پروتئين گسسته شده و پوست كيفيت طبيعي خود را از دست خواهد داد. از اين رو براي جلوگيري از هجوم و نفوذ ميكرو ارگانيسمها و عوامل موثر بيروني در پوست بايد تغييراتي كه تغيير اساسي در ماهيت پوست وارد نكند بر روي آن بوجود آورد اين عمليات را دباغي پوست گويند. دباغي با مواد گياهي از قسمتهاي مختلف گياه يعني پوست، تنه، برگ، شاخه، ميوه و ريشه گياهان مي‌توان مواد دباغي تهيه كرد. از آن جمله مي‌توان پوست درخت صنوبر، كاج، بلوط، فندق، كائوچو، سماق و … را نام برد. براي تهيه عصاره يا جوهر دباغي، مواد مذكور را با روشهاي ويژه‌ در آب مي‌خيسانند. در اين عمل مواد جامد و مواد محلول براي دباغي بدست مي‌آيد. به مواد جامد مقداري بي‌سولفيت سديم اضافه مي‌كنند تا اين مواد را حل كند.

دباغي با كروم: بر عكس مواد دباغي گياهي كه منشا گياهي دارند، دباغي با نمكهاي كروم منشا معدني داشته و براي پوست‌ها سبك كارايي دارد. براي تهيه مواد دباغي با كروم از سنگ معدن كروميت (متشكل از %68 اكسيد كروم ( III ) و %32 اكسيد آهن ( II )) استفاده مي‌شود. دوام پوست دباغي شده با نمك كروم حدود سه برابر دوام پوست دباغي شده با مواد گياهي است.

زاج هاي رنگي، نامهايي است كه به برخي از نمكهاي سولفات فلزات (به علت رنگ آنها) نسبت مي دهند . به عنوان مثال مس II سولفات CuSO₄,5H₂O را زاج آبي مي نامند. نمك اپسوم يا زاج سرخ به منيزيم سولفات MgSO₄.7H₂O اتلاق مي شود. زاج سبز نيز آهن II سولفات (FeSO₄.7H₂O) مي باشد.

مواد و وسايل

1.3 gr K₂Cr₂O₇

13 ml آب مقطر

1.5 ml H₂SO₄ غليظ

15 ml اتانول

حمام آب يخ

 استوانه مدرج

 بشر

پيست

روش عملي انجام آزمايش

مقدار 1.3 gr K₂Cr₂O₇ را در 13 ml آب مقطر حل مي كنيم  و 1.5 ml H₂SO₄  غليظ به محلول اضافه مي كنيم و محلول را در حمام آب يخ قرار مي دهيم تا خنك شود و سپس آرام آرام به آن اتانول اضافه مي كنيم. دماي محلول نبايد بالاي 40 درجه سانتيگراد باشد. با تغییر رنگ از نارنجی به سبز تیره افزودن اتانول را قطع میکنیم و پس از چند روز بلور هشت وجهی زاج کروم مشاهده خواهد شد.

بحث

در تهيه زاج كرم مقدار آب نبايد زياد باشد تا محلول سريعتر به نقطه اشباع برسد.

دماي محلول نبايد از 40 درجه سانتيگراد بالاتر رود زیرا در دمای زیاد آلدئیدهای حاصله به علّت نقطه ی جوش کمی که دارند تبخیر شده و محیط آزمایشگاه را سمّی می کنند و همچنين دمای زیاد باعث تبخیر آب شده که این عمل باعث کاهش راندمان می شود.

در ارتباط با كاربرد ياقوت در ليزر ياقوت توضيح دهيد؟

نگاه اجمالی

اولین لیزری که بکار انداخته شد، لیزر یاقوت بود و هنوز نیز مورد استفاده است. یاقوت که متجاوز از صدها سال به عنوان سنگ طبیعی پر بها شناخته شده است، بلور Al₂O₃  (سنگ سنباده) است که بعضی از یونهای Al³⁺ آن با یونهای Cr³⁺ عوض شده‌اند. به عنوان ماده لیزری ، این بلور را معمولا از رشد مخلوط مذاب Cr₂O₃ (تقریبا 0.05% وزنی) و Al₂O₃ تهیه می‌کنند. لیزر یاقوت یک دستگاه سه ترازی است.

مکانیزم لیزر یاقوت

ماده فعال این لیزر Al₂O₃ با حدود 0.05% وزنی کروم به عنوان ناخالصی در آن بدست می‌آید. یونهای فعال Cr³⁺ هستند که با یونهای آلومینیوم در شبکه جایگزین می‌شوند. ترازهای مهمی در انجام ، عمل لیزر را نشان می‌دهد. گذار لیزری (در 694 میلیمتر) بین ترازهای اخیر ²E و ⁴A₂ و ترازهای حالت پایه واقع می‌شود و لذا یاقوت یک دستگاه لیزری سه ترازی است. به همین دلیل لازم است بیش از نصف تعداد یونها به حالت ²E دمش شوند، تا جمعیت معکوس شود.

عمل دمش از طریق دو باند پهن ⁴T₁ و ⁴T₂ انجام می‌گیرد. (مانند لیزر Nd:YAG ) با استفاده از لامپ فلاش می‌توانیم لیزر ضربانی بدست آوریم. ایجاد لیزر با پرتو مداوم به دلیل نیاز به پمپاژ بیشتر بسیار مشکل است. برای این منظور لامپ جیوه با فشار بالا که خروجی آن با باندهای جذبی یاقوت مطابقت دارد، کاملا مناسب است.

ساختار لیزر یاقوت

یاقوت از نظر ساختار شیمیایی از  Al₂O₃ شکیل شده است که در آن درصد کمی از Al³⁺ با Cr³⁺ جایگزین می‌شود. برای این کار مقداری پودر Cr₂O_{3 به} Al₂O₃ خیلی خالص ذوب شده ، اضافه می‌کنند.

Al₂O₃ + Cr₂O₃   ------ >  Cr³⁺ : Al₂O₃

بلور یاقوت و اکثر بلورهای لیزری ، به روش رشد بلور چکرالسکی قابل تولید هستند.

ساختار بلوری یاقوت

تک بلورهای میزبان ، تک محور و دارای ساختاری شش گوش می‌باشند. بلور دارای یک محور تقارن است. در فرایند آلایش به جای یکی از یونهای آلومینیم یون ناخالصی (مانند  Cr³⁺ ) می‌نشیند. به روش چکرالسکی میله‌های لیزری به طول 15 سانتیمتر و قطر 3.5 سانتیمتر قابل رشد می‌باشد. در فرایند رشد ، بلور بر روی نطفه اولیه با خلوص بالا رشد داده شده و به آهستگی از داخل ماده مذاب مایع بیرون کشیده می‌شود. مقدار آلایش ، 0.05 درصد وزنی Al₂O₃ . Cr₂O₃  است.

لیزرهای شبیه یاقوت

بلور Al₂O₃ با یون Ti³⁺ یز آلائیده می‌شود و فرایند رشد آن شبیه یاقوت است. لیزر Al₂O₃ Ti³⁺ :  کی از سیستمهای لیزری حالت جامدی است که ناحیه قابل تنظیم طول موجی آن خیلی وسیع و در حدود 300 نانومتر می‌باشد.

جایگزین لیزرهای یاقوت

لیزرهای یاقوت که زمانی بسیار مورد توجه بوده‌اند، امروزه کمتر مورد استفاده قرار می‌گیرند. چه رقبایشان لیزرهای Nd:YAG یا نئودیمیم _ شیشه (Nd:glass) جانشین آنها شده‌اند. در واقع از آنجا که لیزر یاقوت با طرح سه ترازی کار می‌کند، انرژی آستانه دمش مورد نیاز در حدود یک مرتبه بزرگی از انرژی آستانه دمش برای لیزر Nd:YAG به همان ابعاد بزرگتر است. ولی لیزرهای یاقوت هنوز هم برای برخی از کاربردهای علمی نظیر تمام نگاری تپی و آزمایشهای فاصله یابی (مثال فاصله یابهای نظامی) استفاده می‌شوند.

منابع ایجاد خطا

افزودن اتانول به مقدار زیاد

افزودن آب به میزان زیاد

اشتباه در تعیین نقطه ی پایانی به علت خطا در رویت رنگ سبز

بالا رفتن دماي محلول بيش از 40 درجه سانتيگراد