ТЕРМОДИНАМИЧЕСКИЕ РАСЧЕТЫ

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РФ
ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ
УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ
«Сибирская государственная автомобильно-дорожная академия
(СибАДИ)»
Кафедра инженерной экологии и химии
ЛАБОРАТОРНЫЙ ПРАКТИКУМ ПО
ФИЗИЧЕСКОЙ ХИМИИ
Методические указания к выполнению
лабораторных работ для бакалавров
направления 280700.62 «Техносферная безопасность»
Составители: В.А.Хомич, С.А.Эмралиева
Омск 2011
УДК 541.1
ББК 24.5
Лабораторный практикум по физической химии:
Методические указания к выполнению лабораторных работ/
Составители: В.А.Хомич, С.А.Эмралиева. – Омск: Изд-во
СибАДИ, 2011. – 30 с.
Методические указания предназначены для выполнения
лабораторных работ по физической химии бакалаврами
направления
280700.62
«Техносферная
безопасность».
Содержание лабораторного практикума является практическим
приложением теоретического материала курса. Настоящие
методические указания включают 8 лабораторных работ.
Ил. 7. Табл. 9. Библиогр.: 2 назв.
2
ВВЕДЕНИЕ
Представленные лабораторные работы являются практическим
приложением теоретического материала изложенного в курсе лекций по
физической химии. по каждой теме курса поставлены лабораторные
работы.
Основам химической термодинамики посвящены лабораторные
работы
 «Определение интегральной теплоты растворения соли»,
 «Определение термодинамических характеристик процесса гидролиза».
Химическому равновесию – лабораторная работа
 «Определение термодинамического равновесия в гомогенной системе».
Фазовым равновесиям – лабораторные работы
 «Изучение равновесия двухкомпонентной системы «Жидкость-пар»,
 «Термический анализ».
Электрохимии - лабораторные работы
 «Изучение электропроводности раствора слабого электролита»,
 «Определение э.д.с. гальванического элемента».
Химической кинетике - лабораторная работа
 «Изучение скорости инверсии сахара».
Перед выполнением лабораторной работы студенты сдают
коллоквиум. Теоретическими вопросами коллоквиума являются вопросы
лекционного материала соответствующей темы.
3
ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА №1
Определение интегральной теплоты растворения соли
Цель работы: определить константу калориметра и удельную
интегральную теплоту растворения соли.
Калориметром или калориметрической системой называется
прибор, в котором определяют тепловой эффект процесса растворения
вещества.
Тепловой эффект, сопровождающий процесс растворения одного
грамма (удельная) или одного моля (молярная) вещества в определенном
количестве
растворителя
называется
интегральной
теплотой
растворения.
Константой калориметра или теплоемкостью калориметрической
системы является количество тепла необходимое для нагревания на один
градус калориметра и вспомогательных устройств.
Константу калориметра, а затем и интегральную теплоту
растворения исследуемой соли определяют по уравнению
Q = [(G + g)C + K] · (ΔT · M /g),
(1)
где Q – молярная интегральная теплота растворения соли, Дж/моль;
G – масса (навеска) воды, г;
g - масса (навеска) соли, г;
С – удельная теплоёмкость раствора соли, равная 4,103 Дж/г·К
(теплоёмкость разбавленных растворов неорганических солей
практически одинакова);
К – константа калориметра, Дж/К;
М – молекулярная масса соли, г/моль;
Т – изменение температуры в процессе растворения соли, С,
определяется графически, рис.1.
Константу калориметра К рассчитывают из экспериментальных
данных растворения хлорида калия в воде и известного значения молярной
интегральной
теплоты
растворения
КСl
(см.
справочник
термодинамических величин).
Затем, зная значение константы калориметра, по экспериментальным
данным растворения исследуемой соли определяют ее молярную
интегральную теплоту растворения.
4
20
T, ºC
18
m16
А
В
F
14
12
l
k10
p
8
6
n
Е
С
4
Д
2
0
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14Время,
15 16
мин.
Рис.1. Графическое определение изменения температуры ΔТ при
растворении соли. Линия АВ – начало периода, СД – окончание периода, ЕF –
главный период изменения температуры. Отрезок ЕF равен ΔТ.
Работа с термометром Бекмана.
Для точного определения разности температур применяется
дифференциальный термометр Бекмана. Он состоит из большого
резервуара с ртутью, капилляра очень малого радиуса и дополнительного
резервуара для ртути (в верхней части термометра). Шкала термометра
разделена на 5 градусов и градуирована на 0,01 градус. Количество ртути в
нижнем резервуаре термометра можно изменять за счет отливания ртути в
верхний резервуар или добавления из верхнего резервуара. Благодаря
этому интервал шкалы термометра может меняться в значительных
пределах (от –35 до +250 С).
Переводя некоторые количество ртути из нижнего резервуара в
верхний или добавляя из верхнего в нижний, всегда можно настроить
термометр так, чтобы при погружении нижнего резервуара в испытуемый
раствор ртутный столбик оканчивался где-нибудь на середине условной
шкалы. С настроенным термометром следует обращаться осторожно, его
нельзя встряхивать, класть горизонтально, а надо закреплять в
вертикальном положении за головку в штатив.
5
Порядок выполнения лабораторной работы.
1. Залить в калориметрический сосуд 150 см3 дистиллированной воды.
2. Взвесить на технических весах около 2г хлорида калия KCl,
предварительно тщательно растертого в ступке.
3. Поместить в калориметрический сосуд термометр Бекмана таким
образом, чтобы ртутный резервуар был полностью покрыт водой.
4. Установить предельную скорость движения мешалки, при которой
не происходит разбрызгивания воды.
5. Когда скорость изменения температуры воды в калориметре не
будет превышать 0,04 градуса в минуту, начать запись показаний
термометра Бекмана через каждые 30 секунд. Сделать 10…15 отсчётов.
6. Высыпать в калориметрический сосуд через воронку навеску
хлорида калия. Температура в процессе растворения KCl сначала падает
(главный период), затем начинает расти. С начала равномерного
повышения температуры сделать ещё 10…15 отсчётов.
7. Построить графическую зависимость изменения температуры от
времени и определить Т.
8. Рассчитать константу калориметра по уравнению (1).
9. Для исследуемой соли (Na2CO3, KNO3 и др.) опыт провести в
последовательности с 1-го по 7-ой пункты.
10.Вычислить молярную интегральную теплоту растворения
исследуемой соли. Q.
11. Сравнить экспериментальную величину Q исследуемой соли со
справочным значением её величины. Определить абсолютную и
относительную ошибки эксперимента. Последняя не должна превышать 20
%.
6
ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 2.
Определение термодинамических характеристик
процесса гидролиза соли.
Цель работы: определить зависимость степени гидролиза соли α от
степени разбавления раствора (величины обратной концентрации) при
различных температурах. Определить термодинамические характеристики
процесса гидролиза соли: энергии Гиббса G, энтальпии Н и энтропии
S.
Степень гидролиза  растворов солей определяется по формуле
= СГ/С,
где СГ - концентрация гидролизованных молекул соли,
С - концентрация негидролизованных молекул соли.
Для разбавленных растворов солей степень гидролиза невелика
(«1); константа гидролиза КГ приближенно равна
КГ=2С.
Здесь концентрацию негидролизованной соли С принимают равной
исходной концентрации.
Для соли, гидролизованной по катиону, например по реакции
NH4NO3 + H2O = NH4OH + HNO3 или
NH4+ + H+OH- = NH4OH + H+ ,
концентрация гидролизованных молекул СГ равна концентрации ионов
водорода [H+], т.е. СГ = [H+], соответственно
 = [H+]/С
и
КГ = [H+]2 /С
Для соли, гидролизованной по аниону, например по реакции
СH3COONa + H2O = СH3COOH + NaOH или
СH3COO- + H2O = СH3COOH + OH- ,
концентрация гидролизованных молекул Сг = КH2O/ [H+] тогда
 = КH2O/ [H+]С
КГ= К2 H2O/ [H+]2 С
где КH2O - ионное произведение воды.
Термодинамические характеристики воды определяются по
формулам:
ΔG = -R·T·lnKГ = -19,15·T·lgKГ;
ΔH = 2,3· R ·1g
ΔS =
К Г2
К Г1
·
Н  G
.
Т
7
Т 2  Т1
;
(Т 1  Т 2 )
При выполнении лабораторной работы исследуются растворы одной
из трех солей NH4Cl, NH4NO3, CH3COONa пяти концентраций (0,4; 0,2;
0,1; 0,05; и 0,025 М) при комнатной температуре, при 50 и 70ºС.
Порядок выполнения лабораторной работы.
1. Измерить водородный показатель рН дистиллированной воды на
приборе «иономер И-130». При 50°С рН воды должен быть не менее 6,0.
2. Приготовить 0,4М раствор соли. Для этого навеску сухой соли
поместить в мерную колбу на 100см3. Сначала растворить соль в
небольшом количестве воды, затем тщательно перемешать раствор и
осторожно довести водой до метки.
3. Приготовить 0,2М раствор соли. Для этого пипеткой емкостью на 50
3
см отобрать раствор из первой колбы и перенести его в мерную колбу на
100см3 и довести водой раствор до метки.
4. Аналогично, путем последовательного разбавления, приготовить
растворы соли 0,1; 0,05 и 0,025М концентрации. Растворы оставшиеся в
колбах использовать для промывания электродов (расход около 15см 3)
перед измерением рН и для измерения рН.
5. Измерить рН растворов всех пяти концентраций при комнатной
температуре. Затем, после выдержки
стаканчиков с растворами в
термостате или водяной бане в течение 20…30 минут, измерить рН при
50°и 70°С.
6. Рассчитайте степень и константу гидролиза для растворов соли пяти
концентраций и трех температур. Расчетные данные занести в табл.1.
Таблица 1
Степень и константа гидролиза растворов соли
Т,°С
комнат
ная
50
Концентрация С,
моль/дм3
0,4
0,2
0,1
0,05
0,025
рН
0,4
0,2
0,1
0,05
0,025
8
[H+],
моль/ дм3

КГ
1/С
70
0,4
0,2
0,1
0,05
0,025
7. Построить график зависимости степени гидролиза соли α от степени
разбавления: α = f(1/С).
8. Рассчитать
термодинамические
характеристики
гидролиза.
Результаты расчетов занесите в табл. 2.
Таблица 2
Термодинамические характеристики процесса гидролиза
Т,°С
Т, К
КГ
ΔG, кДж/моль
ΔН, кДж/моль
ΔS, Дж/моль К
Комн.
50
323
70
243
9. Сделать вывод о зависимости
- степени гидролиза от разбавления раствора,
- степени гидролиза от температуры,
- изменения энергии Гиббса от температуры.
Оценить вклад энтальпийного и энтропийного факторов в изменение
энергии Гиббса процесса гидролиза.
Порядок проведения измерения рН на иономере И-130
1. Прибор включить в сеть и прогревать в течение 30 минут.
2. Переключатель рода термокомпенсации на передней панели прибора
установить в положение «автоматическое» («авт.»).
3. Переключатель рода работ поставить в положение «рН» («рХ+»).
4. Перед погружением в раствор электроды промыть дистиллированной
водой и удалить остатки воды фильтровальной бумагой. Затем электроды
промыть анализируемым раствором. Время установления показаний не
должно превышать 3 минут.
5. После проведения измерений электроды погрузить и хранятся в
дистиллированную воду.
9
ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА №3
Определение термодинамического равновесия
в гомогенной системе
Цель работы: ознакомиться с основными свойствами обратимых
реакций и химического равновесия в жидкой фазе на примере реакции
CH3COOH + C2H5OH ↔ CH3COOC2H5 + H2O
Данная реакция при комнатной температуре протекает медленно.
Поэтому ее проводят при 70…80 °С в присутствии HCI в качестве
катализатора в течении 4…3 часов. Чтобы низкокипящие вещества
улетучивались при нагревании, реакцию проводят в колбах, снабженных
обратными холодильниками. Теплота образования этилацетата очень мала,
поэтому константа равновесия этой реакции, как это следует из уравнения
Вант-Гоффа практически не зависит от температуры. За изменением
состава смеси следят по изменению в ней концентрации кислоты в течении
реакции. Изучение равновесия реакции осуществляется измерением
скоростей прямой и обратной реакции при различных исходных
концентрациях CH3COOH (для прямой реакции) и CH3COOC2H5 (для
обратной). За измерением концентрации реагирующих веществ следят до
тех пор пока не наступит равновесие.
Порядок выполнения лабораторной работы.
1. Взять 4 сухих колбы емкостью 50 см3 и присоединить к ним
обратные холодильники, укрепленные в штативах.
2. Пронумеровать колбы и в каждую налить из бюретки:
 в 1-ю: 15 см3 4 н. раствора уксусной кислоты, 5 см3 0,5 н. раствора
HCI, 5 см3 этилового спирта;
 во 2-ю: 15 см3 2 н. раствора уксусной кислоты, 5 см3 0,5 н. раствора
HCI, 5 см3 этилового спирта;
 в 3-ю: 15 см3 дистиллированной воды, 5 см3 0,5 н. раствора HCI, 5
см3 этилацетата.
 в 4-ю: 12 см3 дистиллированной воды, 5 см3 0,5 н. раствора HCI, 3
см3 этилацетата.
10
3. Соединить каждую колбу с холодильником и пустить в него воду.
Поместить колбу на водяную баню с температурой 70…80 ºС. Интервал
помещения колб 10…15 минут. Нагревать колбы в течение 2 часов.
4. Определить точную концентрацию соляной и уксусной кислот,
используемых для составления смеси. Для этого взять 1 см3 уксусной
кислоты и отдельно 5 см3
HCI и титровать 0,5 н р-ром NaOH в
присутствии фенолфталеина.
5. После 2 часов нагревания взять из колбы первую пробу. Колбу с
холодильником вынуть из водяной бани и поместить в ледяную воду, для
того чтобы понизить давление паров смеси и избежать потери вещества и
изменения состава смеси при отборе пробы. После охлаждения смеси
отсоединить холодильник. Пипеткой отобрать 1 см3 смеси для анализа.
Взятую пробу вылить в колбу Эрленмейера, в которую предварительно
налить 50 см3 ледяной дистиллированной воды (ледяная вода должна
приостановить реакцию и фиксировать момент, к которому относится
измерение скорости).
Затем присоединить холодильник к колбе, поместить ее обратно в
водяную баню. Во взятой пробе определить концентрацию кислоты
титрованием 0,5 н. раствором NaOH в присутствии фенолфталеина.
6. Через 30 минут после отбора первой пробы взять повторную пробу и
оттитровать ее. Пробы брать через каждые 30 минут пока результаты
титрования последних двух проб не совпадут между собой в пределах
0,1…0,2 см3 0,5 н. раствора NaOH. Это момент наступления равновесия и
окончание опыта с данной смесью.
7. Анализ смеси в остальных колбах провести аналогично (пункты 5 и
6).
8. Расчет константы равновесия проводится исходя из количества
взятых веществ и концентрации кислоты в равновесной смеси.
Порядок расчета константы равновесия реакции
Обозначение индексов: у.к. – уксусная кислота, с.к. – соляная
кислота, сп. – этиловый спирт, э – этилацетат, в – вода.
1) Исходной концентрации уксусной кислоты в смеси определяется по
формуле:
C 0 у .к . 
N  V у .к .
V
,
где
моль/дм3
N – нормальность исходного раствора уксусной кислоты,
определенная титрованием, моль/дм3;
V – общий объем смеси, см3;
Vу.к. – объем уксусной кислоты взятый для составления исходной
смеси, см3.
2) Исходная концентрация спирта определяется по формуле:
11
С 0 сп. 
Vсп.  d сп.  1000
,
М сп.  V
моль/ дм3
где
Vсп. – объем спирта взятый для составления исходной смеси, см3;
dсп. – плотность спирта, 0,789 г/см3;
Мсп. – молярная масса спирта, г/моль
V – общий объем смеси, см3.
3) Исходная концентрация воды определяется по формуле:
С0в.= [Vу.к.(1 – aу.к.) + Vсп.dcп.(1- acп.) + Vс.к.dс.к.]·1000/(Mв. ·V), моль/дм3.
где
Vу.к., Vс.к. – объемы соответственно уксусной и соляной кислот,
взятые для составления исходной смеси, см3;
dс.к. – плотность соляной кислоты, 1,007 г/см3;
aу.к., aсп. – содержание соответственно уксусной кислоты и спирта в
данном объеме, доли единицы;
Мв. – молярная масса воды, г/моль
4) Концентрация уксусной кислоты в равновесной смеси определяется
по формуле:
C у .к . 
где
5)
6)
7)
8)
С2  С1   Vс.к. ,
V
С2 - суммарная концентрация кислоты в равновесной смеси после
реакции, моль/дм3;
С1 – концентрация взятой HCI, моль/дм3.
Концентрация этилацетата в равновесной смеси рассчитывается как:
Сэ. = Сºу.к. – Су.к. .
Концентрация спирта в равновесной смеси рассчитывается как:
Ссп. = Сº сп. - Сэ. .
Равновесная концентрация воды рассчитывается как:
Св. = С0в. + Сэ. .
Константа равновесия определяется по формуле:
КС. =
C э.  С в .
.
С у .к .  С сп.
Порядок расчета константы равновесия реакции
омыления эфира водой:
Обозначим: Vэ – исходный объем этилацетата, см3;
dэ – плотность этилацетата, 0,901 г/см3;
Мэ. – молекулярная масса этилацетата, г/моль;
Vв. – объем Н2О в исходной смеси, см3.
1) Концентрация этилацетата в исходной смеси рассчитывается как:
12
С0э =
VЭ  d Э  1000
V  MЭ
,
моль/дм3
2) Концентрация воды рассчитывается как:
С0в. =
(Vв.  Vс.к. )  1000
,
М в.  V
моль/дм3
3) Равновесная концентрация уксусной кислоты определяется по
формуле:
Су.к. =
(C 2  C1 )  Vс.к.
, моль/дм3
V
4) Равновесная концентрация спирта определяется как:
Ссп. = Су.к. , моль/дм3
5) Концентрация этилацетата в равновесной смеси определяется как:
Сэ = С0э – Су.к. , моль/дм3
6) Концентрация воды в равновесной смеси рассчитывается как:
Св. = С0в. – Су.к. , моль/дм3
7) Константа равновесия рассчитывается по формуле:
Кс =
C э  С в.
С у.к.  Ссп.
9. Экспериментальные данные и результаты расчетов записать в табл.
3 и 4.
Таблица 3
Номер пробы
Результаты титрования
Кол-во 0,5 н. NaOH, израсходованное на титрование, см3.
Колба 1
Колба 2
Колба 3
Колба 4
Таблица 4
Расчет константы равновесия обратимой реакции
Исходные
Равновесные
Концентрации
концентрации, моль/дм3
концентрации, моль/дм3
колбы
колбы
1
2
3
4
1
2
3
4
суммарная концентрация
в равновесной смеси
уксусной кислоты
этилового спирта
этилацетата
воды
Кс
13
10. Сделать вывод о свойствах химического равновесия исследуемой
обратимой реакции по значениям величин констант равновесия прямой и
обратной реакции.
ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА №4
Изучение равновесия в двухкомпонентной системе «жидкость-пар».
Цель работы: изучить равновесие в двухкомпонентной системе
«жидкость-пар», построить диаграмму состояния «состав раствора –
температура кипения».
Диаграмма равновесия двухкомпонентной системы «жидкость – пар»
в координатах «температура – состав» при постоянном давлении должна
иметь следующий вид, рис. 2.
Т
120
Т0 А
100
80
Т0В60
40
20
0
А0
10 20 30 40 50 60 70 80 90 100
В
(100%)
(100%)
Рис. 2. Диаграмма равновесного состояния двухкомпонентной смеси
«жидкость-пар».
Точки Т0А и Т0В – температуры кипения соответствующих чистых
компонентов А и В. Верхнее поле на диаграмме отвечает пару, нижнее –
жидкости. Нижняя кривая характеризует зависимость температуры
кипения раствора от его состава (концентрации). Верхняя кривая
показывает состав пара, находящегося в равновесии с жидкостью при
температуре его кипения. Между этими кривыми находится область
гетерогенного равновесия «жидкость – пар».
Порядок выполнения лабораторной работы.
1. Приготовить десять растворов смеси двух органических жидкостей
толуола C6H5CH3 и хлороформа CHCl3 следующего состава:
1) Толуол 100% - 50см3
2) Толуол 95% - 47,5см3 + 2,5см3 хлороформа.
3) Толуол 90% - 45,0см3 + 5,0см3 хлороформа.
14
4) Толуол 85% - 42,5см3 + 7,5см3 хлороформа.
5) Толуол 80% - 40,5см3 + 9,5см3 хлороформа.
6) Толуол 70% - 35,0см3 + 15,0см3 хлороформа.
7) Толуол 60% - 30,0см3 + 20,0см3 хлороформа.
8) Толуол 45% - 22,5см3 + 27,5см3 хлороформа.
9) Толуол 30% - 15,0см3 + 35,0см3 хлороформа.
10) Толуол 0%
- 50,0см3 хлороформа 100%.
Смеси готовят в сухих конических колбах с притертыми пробками.
2. Измерить показатели преломления чистых жидкостей и растворов
известного состава с помощью рефрактометра.
3. Построить кривую зависимости показателя преломления от состава
раствора. Калибровочную кривую использовать для определения состава
раствора неизвестной концентрации по его показателю преломления.
4. Определить температуру кипения чистых компонентов и их смесей с
помощью прибора изображенного на рис.3. для этого в колбу 1 налить
40см3 жидкости и поместить фарфоровые кусочки (кипелки). Кипелки
способствуют равномерному кипению жидкости и предотвращают ее
перегрев.
Рис.3. Установка для определения температуры кипения органических жидкостей:
1 – колба с жидкостью, помещенная в водяную баню; 2 – термометр; 3 – водяной
холодильник в положении для конденсации пара; 4 – холодильник в положении для
отбора конденсата.
Колбу закрыть пробкой с термометром таким образом, чтобы шарик
термометра был погружен в жидкость. Колбу соединить с холодильником,
пустить в него воду и медленно нагревать колбу.
После того, как температура жидкости перестанет изменяться
записать температуру кипения. Затем холодильник повернуть в положение
для отбора конденсата, т.е. открытым концом вниз. В заранее
приготовленную сухую пробирку отобрать 5…10 капель конденсата;
пробирку закрыть пробкой. Холодильник вновь установить в вертикальное
положение; продолжить кипячение 2…3 минуты и вновь записать
15
температуру кипения. При этом температура не должна отличаться от
температуры до отбора пробы более чем на 1 градус. Нагревание
прекратить, сосуд охладить и содержимое его вылить в склянку для слива.
Аналогичные измерения температуры кипения жидкостей провести
со всеми 10 смесями. Перед каждым опытом кипелки заливают новым
раствором, им же споласкивают колбу.
5. Измерить показатель преломления конденсата, собранный в
пробирке. По измеренным показателям преломления конденсата,
пользуясь калибровочной кривой определить состав пара жидкости,
температуру кипения которой определяли.
6. Полученные экспериментальные данные записать в табл.5:
Таблица 5
Состав
исходной
жидкой
смеси, %
Экспериментальные данные для построения кривой
зависимости «температура кипения – состав»
Температура кипения, °С
Показатель преломления
До отбора
После
средня жидкости
конденсата
пробы
отбора
я
пробы
Соста
в
пара,
%
7. Построить графическую зависимость в координатах «температура
кипения – состав». Нижнюю кривую строить по температурам кипения до
отбора пробы и по процентному составу исходных смесей. Верхнюю
кривую строить по средним температурам кипения и процентному составу
пара.
Порядок измерения показателя преломления на
рефрактометре ИРФ-45462м.
1. Установить окуляр. Для этого вывинтить окуляр до упора, повернуть
его по часовой стрелке пока перекрестие в верхней части и шкалу в
нижней части освещенного поля зрения не будет видно резко.
2. Установить освещение. Для этого рефрактометр установить так,
чтобы свет падал на входное окно осветительной призмы (верхней) или на
зеркало, которым направить свет во входное окно измерительной призмы
(нежней).
3. Установить образец. На чистую полированную поверхность
измерительной призмы (нижней) стеклянной палочкой или пипеткой
осторожно, не касаясь призмы, нанести 2…3 капли жидкости. Опустить
осветительную призму (верхнюю) и прижать ее крючком.
Измерение прозрачных жидкостей проводить в проходящем свете,
когда он проходит через открытое окно осветительной призмы (верхней),
при этом окно измерительной призмы (нежней) закрыть зеркалом.
16
4. Измерить показатель преломления. Для этого после установки
исследуемого образца на измерительной призме установить окуляр на
отчетливую видимость перекрестия. Поворотом зеркала добиться
наилучшей освещенности шкалы. Вращением моховика нижней границы
светотени ввести в поле зрения окуляра. Вращать маховик верхний до
исчезновения окраски граничной линии. Наблюдая в окуляр, нижним
маховиком навести границу светотени точно на перекрестия и по шкале
показателей преломления снять отсчет.
Цена деления шкалы – 5,10. Целые, десятые, сотые и тысячные доли
отсчитывать по шкале, десятитысячные доли оценивать на глаз.
5. Очистить призмы. Поверхность призм чистить после каждого
измерения. Окончив отсчет поднять измерительную призму и
фильтровальной бумагой удалить жидкость с рабочих поверхностей призм
и оправ. Полированную грань вытирать без нажима. После этого призмы
протереть салфеткой, смоченной спиртом или эфиром пока поверхность
призмы не станет блестящей.
Порядок измерения показателя преломления на рефрактометре
портативном “Карат-МТ”
1. Установить окуляр. Для этого вывинтить окуляр до упора, повернуть
его по часовой стрелке так, чтобы был виден резко штрих сетки.
2. Установить освещение. Для этого рефрактометр установить так,
чтобы свет падал на входное окно осветительной призмы.
3. Установить образец. Для этого на чистую полированную
поверхность измерительной призмы стеклянной палочкой или пипеткой
осторожно, не касаясь призмы, нанести 3…4 капли жидкости и опустить
осветительную призму.
Измерение прозрачных жидкостей проводить в проходящем свете,
когда свет проходит через открытое окно осветительной призмы, при этом
окно измерительной призмы закрыть крышкой.
4. Измерить показатель преломления. Для этого после установки
исследуемого образца на измерительной призме навести окуляр на
резкость (отчетливо виден штрих). Вращать маховик «И», пока граница
светотени не попадет в поле зрения окуляра. Вращать маховичок
компенсатора «К» до исчезновения окраски граничной линии. Наблюдая в
окуляр, маховичком «И» навести границу светотени точно на линию
штриха. Снимите отсчет.
Целые, десятые, сотые, тысячные доли - отсчитывать по шкале.
Десятитысячные – на глаз.
17
5. Очистить призмы. Поверхность призм очистить перед и после
измерения. Для этого фильтровальной бумагой протереть рабочие
поверхности призм и оправ.
ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА №5
Термический анализ
Цель работы: построить диаграмму плавкости смеси веществ
нафталина и диазобензола; определить состав эвтектической смеси.
Термический
анализ
изучает
зависимость
температуры
кристаллизации или плавления исследуемой системы от ее состава.
Результаты термического анализа оформляются в виде диаграммы
плавкости в координатах «температура – состав», которая отражает
фазовые превращения в гетерогенных системах. Анализ диаграмм
плавкости позволяет определить число и химическую природу фаз,
границы их существования, характер взаимодействия компонентов,
устойчивость образующихся веществ.
Для построения диаграмм плавкости используют кривые
охлаждения, рис. 4а. Кривые охлаждения строятся в координатах
«температура – время». Если в системе не происходит никаких фазовых
превращений, температура при охлаждении падает равномерно. Появление
кристаллов в расплаве и переход одной кристаллической модификации в
другую сопровождается выделением тепла, и падение температуры
замедляется. Таким образом, всякий излом на кривой охлаждения
соответствует появлению новой фазы
Схема построения диаграммы плавкости показана на рис. 4. Строят
кривые охлаждения для чистых веществ и их смесей. Обычно берут 6…8
Т,ºС
20
а)
20
б)
Т,ºС 18
18
16
16
ТºА 14
14
расплав
12
12
10
10
ТºВ
8
8
6
6
Е
4
4
Д
С2
2
18
кристаллы А и В
0
0
0
1
2
3
4
5
6
7
8
9 10 11 12 13
Время, мин.
А
1
2
3
4
5
6
7
Состав, %
8
9
10
В
смесей различных концентраций. Значения температур соответствующих
Рис. 4. Схема построения диаграммы плавкости: а – кривые охлаждения; б –
диаграмма плавкости; Т0А и Т0В – температура плавления чистых компонентов А и В;
ТАЕТВ – линия ликвидуса; СЕД линия солидуса; Е – эвтектическая точка.
появлению новых фаз (горизонтальные плато) переносят с кривых
охлаждения на диаграмму плавкости (диаграмму состояния системы) в
координатах «температура-состав», рис 4б.
Смесь, которая кристаллизуется без изменения состава называется
эвтектикой. Линия солидуса СЕД соответствует температуре
кристаллизации эвтектики. В эвтектической точке Е сосуществует три
фазы: расплав и кристаллы чистых компонентов А и В. Количество
сосуществующих кристаллических фаз А и В в точке Е определяется по
правилу рычага:
%тв.фазыА ЕД

%тв.фазыВ СЕ
Порядок выполнения лабораторной работы.
1. В пронумерованные пробирки поместить чистые вещества и их
смеси различного состава, табл.6. Пробирки закрывают пробками с
термометрами таким образом, чтобы ртутный шарик был помещен в
вещество. Пробирки опускают в водяную баню и нагревают до полного
расплавления в них вещества.
2. Пробирки вынуть из бани, обтереть досуха и поместить в воздушную
рубашку (узкогорлую колбу с фильтровальной бумагой на дне) для их
равномерного охлаждения.
3. Вести наблюдения за охлаждением системы, записывая температуру
расплава в пробирке через каждые 30 сек., табл.6. Время отсчитывать по
секундомеру. Кристаллизация чистых веществ или эвтектической смеси Таблица 6
сопровождается
продолжительной
Данные
для
построения
температурной остановкой. После
кривых охлаждения
того,
как
все
вещество
или
Номер пробирки
эвтектическая
смесь
Отсчет времени Температура, ºС
закристаллизуется,
происходит
дальнейшее понижение температуры.
Наблюдение за охлаждением системы
продолжать еще 5 минут.
Следует учитывать, что на кривых охлаждения могут фиксироваться
температурные задержки при выпадении первых кристаллов из расплава.
4. По экспериментальным данным построить кривые охлаждения и
диаграмму плавкости. Результаты термического анализа занести в табл.7.
19
5. По диаграмме плавкости вычислить состав эвтектической смеси,
то есть процентное содержание в ней нафталина и диазобензола.
Таблица 7
Результаты термического анализа
Номер пробирки
Содержание вещества
нафталина, %
диазобензола, %
Температура
кристаллизации, ºС
1
2
3
4
5
6
7
8
9
0
25
40
50
60
75
85
90,5
100
100
75
60
50
40
25
15
9,5
0
начала
Температура кристаллизации
эвтектики, ºС
20
ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА №6
Измерение электропроводности слабого электролита
Цель работы: измерить электропроводность раствора слабого
электролита и изучить процесс его диссоциации.
Удельная
электропроводность
раствора
æ
–
это
3
электропроводность раствора объемом 1 см , заключенного между
электродами площадью 1 см2. Она является величиной, обратной
удельному электрическому сопротивлению :
æ = 1/ , Ом-1·см-1 или См·см-1
С разбавлением раствора æ уменьшается, т.к. уменьшается
концентрация электролита.
Эквивалентная
электропроводность
раствора

это
электропроводность раствора, содержащего 1 эквивалент растворенного
вещества, объем которого заключен между двумя параллельно
расположенными электродами, отстоящими друг от друга на расстоянии
1см.

  1000
CH
, Ом-1·см2 ·моль-1,
где Сн – нормальная концентрация раствора.
Эквивалентная электропроводность слабых и сильных электролитов
увеличивается с разбавлением: для слабых – вследствие возрастания
степени диссоциации электролита, для сильных – в результате уменьшения
взаимного притяжения.
Эквивалентная электропроводность растворов электролитов с
разбавлением достигает предела, при котором становится независимой от
концентрации. Она называется эквивалентной электропроводностью
бесконечно разбавленного раствора ∞.
Согласно закону Кольрауша или закону независимого движения
ионов в разбавленных растворах:
∞ = ∞+ + ∞-,
где ∞+ и ∞- - ионные электропроводности, при бесконечном разбавлении
или подвижности ионов.
21
Степень диссоциации слабого электролита α можно рассчитать как
отношение
α
λ
.
λ
Константа диссоциации слабого электролита зависит от
температуры, природы растворенного вещества и природы растворителя.
Согласно закона разбавления Оствальда константа диссоциации К
определяется как
К
α 2с
,
1 α
где С – концентрация электролита.
Так как для слабых электролитов α«1, то К= α2С.
Для определения удельной электропроводности электролита, нужно
определить удельную электропроводность воды и вычесть ее значение из
удельной электропроводности раствора. По значениям удельной
электропроводности раствора слабого электролита рассчитывают его
эквивалентную электропроводность, степень диссоциации и константу
диссоциации.
Последовательность выполнения лабораторной работы
1.
В
сосуд
для
измерения
электропроводности
налить
дистиллированную воду и перемешать раствор датчиком. Датчик
погрузить в раствор таким образом, чтобы кондуктометрическая ячейка
была полностью закрыта, а расстояние между корпусом датчика и
стенками сосуда было не менее 1 см. Включить прибор. Выбрать экран
«измерение». Функциональную строку с позицией «УЭП». На экране
наблюдать значения температуры и единицы измерения удельной
электрической проводимости (УЭП) раствора æ. Снять показания. Прибор
выключить, датчик вынуть из раствора и осушить его фильтровальной
бумагой.
2. В мерной колбе на 200 см3 приготовить 0,04 н. раствор слабого
электролита. Для этого навеску соли поместить в колбу, растворить ее в
небольшом количестве воды, тщательно перемешать и осторожно довести
до метки.
3. Замерить удельную электропроводность æ 0,04 н. раствора слабого
электролита, проводя последовательно все операции, как и при измерении
æ дистиллированной воды. Датчик после измерения ополоснуть
дистиллированной водой и осушить фильтровальной бумагой.
4. Приготовить 0,02 н. раствор. Для этого пипеткой на 100 см 3 отобрать
раствор из сосуда для измерения электропроводности и перенесите его в
мерную колбу на 200 см3, затем довести дистиллированной водой до
22
метки. Перелить приготовленный раствор в сосуд для измерения
электропроводности и измерить æ.
5. Последующими разбавлениями приготовить 0,01; 0,005; 0,0025;
0,00125 н. растворы и измерьте их удельную электропроводность æ.
6. Рассчитать удельную и эквивалентную электропроводность
исследуемого электролита для шести концентраций.
7. Построить график зависимости удельной и эквивалентной
электропроводности от концентрации С: æ=f(C); =f(С). Экстраполяцией
до С=0 определить значение ∞.
8. Рассчитать эквивалентную электропроводность при бесконечном
разбавлении для раствора слабого электролита. Подвижности ионов ∞+ и
∞- взять из справочника физико-химических величин. Сравнить
рассчитанное значение ∞.со значением ее величины, найденной
графическим путем.
9. Рассчитать степень диссоциации раствора слабого электролита для
шести концентраций. Построить график зависимости степени диссоциации
электролита α от концентрации С раствора электролита.
10. Рассчитать константу диссоциации К для всех концентраций.
11. Результаты экспериментов и расчетов занести в табл. 7.
Таблица 8
Характеристики процесса диссоциации слабого электролита
Концентрация раствора
æ,
α
К
,
 ∞,
СН, моль/дм3
Ом-1·см-1 Ом-1·см2·моль-1 Ом-1·см2·моль-1
0,04
0,02
0,01
0,005
0,0025
0,00125
12. Охарактеризовать процесс диссоциации слабого электролита с
помощью зависимостей æ=f(C); =f(С), α=f(C) и величины константы
диссоциации.
23
ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА №8
Изучение скорости инверсии сахара
Цель работы: изучить кинетику реакции инверсии тростникового
сахара. Определить аналитическим и графическим путем среднюю
константу скорости реакции.
Процесс инверсии сахара является гидролитическим расщеплением
сахарозы С12Н22О11 на глюкозу и фруктозу:
С12Н22О11 + Н2О → С6Н12О6 + С6Н12О6.
Глюкоза Фруктоза
Реакция бимолекулярна, поэтому скорость реакции V, которая
определяется как
V= k·С C H O ·С H O .
Так как реакция протекает в избытке воды, поэтому концентрацию
воды С H O можно считать постоянной, тогда
V= k´·С C H O
(1)
Следовательно, скорость инверсии зависит только от концентрации
сахарозы и реакция протекает как реакция первого порядка. Тогда
константу скорости инверсии тростникового сахара можно расчитать как
12
22 11
2
2
12
1
k =  ln

22 11
C0
,
C0  C
(2)
где С0 – концентрация сахара в исходном растворе;
Сτ - концентрация сахара, прореагировавшего за время τ;
τ - время от начала реакции до момента измерения;
С0 – Сτ - концентрация сахара в данный момент времени.
Катализатором реакции являются ионы Н+.
Оптические свойства растворов сахарозы. Тростниковый сахар и
продукты его разложения (глюкоза, фруктоза) – оптически активные
вещества, т.е. они способны изменять положение плоскости поляризации
проходящего света. Их оптическая активность связана с наличием в
24
молекуле асимметричных атомов углерода. Угол смещения называется
углом вращения плоскости поляризации α. Его величина
прямопропорциональна толщине слоя d раствора и концентрации в нем
активного вещества С:
α = ±а∙С·d,
где а – удельное вращение при С=1 г-экв/дм3 и d=1 дм; оно зависит от
природы вещества, длины волны света, температуры и природы
растворителя; асахорозы = 66,55º, аглюкозы = 52,5º, афруктозы=-91,9º.
± - отвечают соответственно правому и левому вращению.
Смесь глюкозы и фруктозы вращает плоскость поляризации влево.
По мере протекания инверсии α τ уменьшается, затем становится
отрицательной величиной и к окончанию реакции принимает постоянное
значение α ∞.
В выражении для константы скорости (2) концентрации С0 и Сτ
можно заменить пропорциональными им разницами углов вращения:
k=
2,3

lg
C0
const ( 0    )
2,3

 lg
,
C0  C

const ( 0    )  const ( 0   )
2,3   
или k= lg 0  ,

 0  
где α0 – угол вращения в момент начала реакции, ατ - угол вращения в
данный момент времени, α∞ - угол вращения, соответствующий окончанию
реакции.
Значение α0 практически определить не удается, т.к. от начала
реакции до первого измерения проходит значительное время, поэтому его
определяют экспериментально. Для этого строят график в координатах
lg(ατ - α∞) =f(τ) и экстраполяцией полученной прямой до τ = 0 определяют
lg(α0 - α∞) и затем, вычисляют α0, рис. 5.
lg(ατ - α∞)
lg(α0 - α∞)
τ, мин.
Рис. 5. Графическое определение α0
Принцип работы поляриметра СМ-3.
Колебания поляризованного света проходят только в одной плоскости. Плоскость,
перпендикулярная плоскости колебания поляризованного луча, называется
25
плоскостью поляризации. При проникновении поляризованного света через раствор
оптически активного вещества плоскость поляризации вращается. Угол вращения
данного раствора определяют с помощью поляриметра, рис. 6.
Рис. 6. Принципиальная оптическая схема поляриметра
В поляриметре применен принцип уравнивания яркостей разделенного на части
хроматической фазовой пластинкой (5) поля зрения. Свет от лампы (1), пройдя через
светофильтр (2), конденсатор (3) и поляризатор (4), одной частью пучка проходит через
хроматическую фазовую пластинку (5), защитное стекло (6), кювету (два покровных
стекла (7), трубки (8, 9, 10, 11) и анализатор (12), а другой частью пучка только через
защитное стекло, кювету и анализатор. Вид поля зрения поляризатора показан на рис.
7.
а)
б)
в)
Рис. 7. Положение нимба и поле зрения: а) при установке анализатора на
равную яркость полей сравнения в чувствительном положении при введенной кювете,
наполненной дистиллированной водой (нулевое положение); б) после ввода кюветы,
наполненной раствором, и вторичной установки окуляра на резкость изображения
линии раздела полей сравнения; в) при установке анализатора на равную яркость полей
сравнения в чувствительном положении с кюветой, наполненной раствором
26
Определение нулевого отсчета производят с кюветой,
наполненной дистиллированной водой. Вращением втулки
наблюдательной трубки установить окуляр по глазу на резкое изображение линии
раздела полей сравнения. После этого вращения ручку на передней панели
поляриметра, повернуть анализатор и добиться равенства яркостей полей сравнения в
чувствительном положении. При этом в поле зрения не должно наблюдаться
окрашивания частей поля зрения и не должно быть заметно резкого выделения стороны
хроматической фазовой пластиной. Если в поле зрения наблюдается окрашивание, то
необходимо немного отжать покровные стекла кюветы.
Установку на равномерную яркость полей сравнения повторить пять раз со
снятием отсчетов по шкале лимба и отсчетного устройства и вычислением среднего
арифметического значения. Полученное значение является нулевым отсчетом.
Для определения угла вращения плоскости поляризации кювету с исследуемым
раствором поместить в кюветное отделение поляриметра и закрыть крышкой. Затем
установить втулкой окуляр наблюдательной трубки по глазу на резкое изображение
линии раздела полей сравнения.
Плавным и медленным поворотом анализатора установить равенство яркостей
полей сравнения и снять отсчет следующим образом. Определить, на сколько градусов
повернута шкала лимба по отношению к шкале первого отсчетного устройства, затем
по штрихам первого и второго отсчетных устройств, совпадающим со штрихами
шкалы лимба, отсчитать доли градуса. Величина отсчета по нониусу 0,02°.
Оцифровка отсчетного устройства: «10» соответствует 0,10°; «20»
соответствует 0,20° и т. д.
К числу градусов, взятых по шкале лимба первого отсчетного
устройства, прибавить средний арифметический отсчет по шкале первого
и второго отсчетного устройства. Таких наводок сделать пять и взять
среднее арифметическое из них. Из полученного среднего
арифметического отсчета вычесть нулевой отсчет.
Пример 1. При определении нулевого положения с кюветой,
наполненной дистиллированной водой, был получен результат 0,06°, а
после ввода кюветы, наполненной исследуемым раствором, получен
отсчет 3,56°. Разность в отсчетах между конечной и начальной
установками равна углу вращения плоскости поляризации исследуемого
раствора: 3,56° —0,06° = 3,50°
Пример 2. После ввода кюветы, наполненной исследуемым
раствором с левым вращением, был получен результат 357,14°. В этом
случае нулевой отсчет следует принять равным 360,06°. Разность между
конечным и нулевым отсчетом равна углу вращения плоскости
поляризации исследуемого раствора:
357,14° — 360,06° = —2,92°
Порядок выполнения лабораторной работы.
1. Определить нулевое положение отсчетного устройства, заполняя
поляриметрическую трубку дистиллированной водой.
27
 Перед началом измерений кювету тщательно прочистить: через
трубку протолкнуть пробку из фильтрованной бумаги, пропитанную
спиртом, покровные стекла протереть салфеткой, смоченной в спирте.
 Перед наполнением кюветы раствором на один конец трубки
положить покровное стекло и резиновую прокладку, прижать втулкой и
затянуть гайкой.
 Наполнить кювету раствором так, чтобы на верхнем конце появился
вогнутый мениск, который сдвигают в сторону при перемещении
покровного стекла. Затем на него положить резиновую прокладку, прижать
втулкой и затянуть гайкой так, чтобы не было натяжений в покровных
стеклах и кювета не подтекала.
 Кювету с наружной стороны протереть мягкой салфеткой.
В кювете не должно быть воздушных пузырьков. Если они есть, то их
завести в утолщенную часть, чтобы они не мешали наблюдению.
2. Приготовить 20 %-ый раствор сахара. Для этого отвесить 10 граммов
сахара, высыпать в мерную колбу на 50 см3 и довести дистиллированной
водой до метки.
3. Пипеткой отобрать в плоскодонную колбу 25 см3 раствора и туда же
влить 25 см3 раствора соляной кислоты HCl. Смесь перемешать, закрыть
пробкой с обратным холодильником (стеклянная трубка) и поставить в
водяную баню на 1,5…2 часа. Температура водяной бани не должна
подниматься выше 50…60 °С.
4. Оставшиеся 25 см3 раствора сахара смешать таким же образом с 25
см3 соляной кислоты, перемешать. Момент вливания кислоты отметить по
часам как момент начала реакции.
5. Приготовленную
смесь
вливают
в
хорошо
вымытую
поляриметрическую; трубку, предварительно промыв ее этим же
раствором. При наполнении трубки следить за тем, чтобы в нее не попал
воздух, так как пузырьки воздуха вызывают искажение поля зрения или
появление на нем темных пятен.
6. Наполненную трубку обтереть фильтровальной бумагой, обратив
особое внимание на чистоту и прозрачность стекла, и поместить в желобок
поляриметра в крайнее положение, ближе к окуляру. Отсчеты проводить
после наведения на фокус шкалы и поля зрения по своим глазам, что
достигается вращением соответствующей муфточки на зрительной трубке
поляриметра.
Измерение угла вращения производят через определенные промежутки
времени: в начале реакции - через каждые 10 минут, в конце реакции через 15…20 минут. Во время измерений реакция в трубке продолжается,
28
поэтому при последовательных измерениях не получаются одинаковые
результаты отсчетов.
7. Сделать 5…7 определений, причем записывать показания шкалы
прибора и соответствующее ему время.
8. Инверсия сахара при комнатной температуре заканчивается за
1…5 суток в зависимости от концентрации катализатора. Инверсию
ускоряют нагреванием. Реакция протекает в течение 1,5 часов при
50…60оС. После охлаждения раствора до комнатной температуры
наполнить им трубочку. Через 10…15 минут отсчет повторить и,
убедившись, что угол вращения не меняется, принять его за α∞.
Предельный или конечный угол вращения α∞ получается
отрицательным, т.к. в растворе глюкоза и фруктоза вызывают левое
вращение. Всякий
промежуточный
угол вращения определяется
содержанием в растворе одновременно трех веществ.
9. Результаты измерений представить в виде табл.8.
Таблица 9
Результаты измерения скорости инверсии сахара
№
измер
ения
Время от
начала
реакции,
ατ
α
ατ - α∞
lg(ατ-α∞)
α0 - α∞
Константа
скорости
инверсии, k
kср
5
6
7
8
9
∞
τ,мин
1
2
3
4
10. По полученным результатам построить график зависимости
lg(ατ-α∞) от τ и экстраполяцией к τо определить lg(αо-α∞), вычислить α0.
11. Расчитать среднее значение константы скорости инверсии kср, как
среднее арифметическое значений k.
Библиографический список
1. Физическая химия. Кн.1. Строение вещества. Термодинамика: Учеб. для вузов
/Под ред. К.С.Краснова. – М.: Высш. шк., 2001. – 511с.
2. Стромберг А.Г., Семченко Д.П. Физическая химия: Учеб. для химич. спец.
вузов. – М.: Высш. шк., 2001. – 865с.
29
Содержание
ВВЕДЕНИЕ………………………………………………………………………. 4
ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА №1. Определение интегральной теплоты
растворения соли…………………………………………………………………………..5
ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА №2. Определение термодинамических
характеристик процесса гидролиза……………………………………………………… 8
ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА №3. Определение термодинамического
равновесия в гомогенной системе……………………………………………………….. 11
ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА №4. Изучение равновесия
двухкомпонентной системы «жидкость-пар»……………… ……………………..…… 15
ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА №5. Термический анализ…………………………. 19
ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА №6. Измерение электропроводности
раствора слабого электролита…………………………………………………….……... 22
ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА №7………………………………………………….. 11
ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА №8. Изучение скорости инверсии сахара……… 25
Библиографический список………………………………………………………… 30
30
31