Лабораторный практикум по химии. Практикум по общей и неорганической химии

• Название: Практикум по общей и неорганической химии
• Дата: 25.02.2023
• Размер: 2.2 Mb.
• Имя файла: Лабораторный практикум по химии.pdf
• Тип: Практикум; #954944
• страница: 3 из 20

УСТАНОВЛЕНИЕ ФОРМУЛЫ КРИСТАЛЛОГИДРАТА Формула химического соединения показывает, из каких элементов состоит данное вещество и сколько атомов каждого элемента входит в состав его молекулы или формульной единицы. Массовые соотношения элементов в молекулах можно представить как отношение произведений соответствующих атомных масс на число атомов каждого элемента в молекуле, те. можно записать m
1
: m
2
: m
3
= xA
1
: yA
2
: zA
3
, где m
1
, m
2
, m
3
– содержание элементов в соединении (%); x, y, z – число атомов этих элементов в молекуле или в формульной единице А, А, А – атомные массы элементов. Из этого уравнения следует
3 3
2 2
1 1
A
m
:
A
m
:
A
m что позволяет находить отношение между числами атомов в молекуле. Пример Необходимо определить формулу вещества, которое содержит натрий (32,43 %), серу (22,55 %) и кислород (45,02 %). Соотношение чисел атомов в формуле данного соединения
82
,
2
:
705
,
0
:
41
,
1 16 02
,
45
:
32 55
,
22
:
23 Если самое меньшее число (0,705) принять за единицу, то данное отношение становится отношением целых чисел x : y : z = 2 : 1 : 4, следовательно, формула соединения Na
2
SO
4
. Эта формула будет простейшей, поскольку полученное соотношение может быть выражено также и числами, кратными найденным. Для установления истинной или молекулярной, формулы необходимо знать молекулярную (молярную) массу соединения это позволяет найти истинное соотношение атомов в молекуле. Так, например, бензол содержит углерод (92,3 %) и водород (7,7 %). Найденная из этого состава простейшая формула СН. Нов действительности молекулярная масса бензола, определяемая по плотности его пара, равна не 13 (12 + 1), а 78. Следовательно, истинная формула бензола С
6
Н
6
Кристаллогидратами называются кристаллические вещества, включающие молекулы воды, например гипс НО, медный купорос и т.д. Кристаллогидраты при нагревании теряют кристаллизационную воду, переходя в безводные соли. Пользуясь этим,
22

можно определить содержание воды в кристаллогидрате, а затем, зная формулу безводной соли, рассчитать число молекул воды, присоединяющихся к одной молекуле безводной соли. Экспериментальная часть Целью работы является определение количества (моль) воды в кристаллогидрате – медном купоросе. Ход работы. Взвесить пустой фарфоровый тигель с точностью дог. Во взвешенный тигель насыпать 0,5–1 г медного купороса. Тигель с кристаллогидратом снова взвесить.
2. Поместить тигель в нагретую песочную баню на 20–30 минут.
3. Перенести щипцами тигель в эксикатор и охладить.
4. Взвесить охлажденный тигель.
5. Повторить прогревание тигля, снова охладить его в эксикаторе и взвесить. Если масса изменилась не более чем наг, прогревание прекратить. По результатам последнего взвешивания заполнить таблицу результатов опыта Масса пустого тигля, г Масса тигля с кристаллогидратом, г Масса кристаллогидрата, г
Масса тигля с веществом после прокаливания, г
Масса безводной соли, г Масса воды, г
7. Вычислить количество воды, приходящееся на один моль CuSO
4
, и записать формулу медного купороса, определенную опытным путем.
8. Определить относительную погрешность опыта, исходя из того, что реальная формула медного купороса CuSO
4
·5H
2
O.
9. Сделать вывод о проделанной работе. Контролирующие задания
1. Какие вещества называются кристаллогидратами Приведите примеры кристаллогидратов.
2. Расположите по увеличению количества сульфаты натрия, лития, бария, цезия, если их массы одинаковы.
3. Для чего применяются в химическом эксперименте тигель, эксикатор, песчаная баня.
4. Какова формула соединения водорода с кислородом, если мольное соотношение НО = 1:1, а плотность его газа по водороду равна 17?
5. Определить формулу кристаллической соды, если при нагревании г данной соли образовалось 106 г карбоната натрия.
23

Работа 3. ОПРЕДЕЛЕНИЕ МОЛЯРНОЙ МАССЫ УГЛЕКИСЛОГО ГАЗА Равные объемы газов, взятых при одинаковой температуре и одинаковом давлении, содержат равное число молекул (закон Авогадро. Отсюда следует, что массы равных объемов двух газов относятся друг к другу, каких молекулярные или численно им равные молярные массы
2 1
2 1
M
M
m где m
1
и m
2
– массы газов M
1
и M
2
– молярные массы этих газов. Отношение массы данного газа к массе того же объема другого газа, взятого при той же температуре и том же давлении, называется относительной плотностью первого газа по второму. Например, масса одного литра диоксида углерода равна 1,98 га масса одного литра водорода при тех же условиях составляет 0,09 г, следовательно, плотность CO
2
по водороду равна
1,98 : 0,09 = 22 Обозначим относительную плотность газа буквой D. Тогда
2 1
2 1
M
M
m m
D
=
=
, откуда ММ, то есть молярная масса газа равна его плотности по отношению ко второму газу, умноженному на молярную массу второго газа. Чаще всего плотность газов определяют по отношению к самому лёгкому газу – водороду. Молярная масса водорода равна 2 г/моль, поэтому уравнение для расчета молярных масс газов имеет вид
М = Нередко также молярную массу газа вычисляют, исходя из его плотности по воздуху. Хотя воздух представляет собой смесь нескольких газов, известна его средняя молярная масса, равная 29 г/моль. В этом случае уравнение для расчета молярных масс газов имеет вид М = 29
D
возд.
Молярную массу газа можно определить также через молярный объем, равный 22,4 л/моль. Для этого находят объем, занимаемый при нормальных условиях определенной массой газообразного вещества, а затем вычисляют массу 22,4 л этого вещества. Полученная величина является его молярной массой.
24

Измерения объемов газов обычно проводят при условиях, отличающихся от нормальных. Для приведения объема газа к нормальным условиям (ну) используется уравнение Клапейрона
PV
T
P V
T
=
0 0
0
, где V – объем газа при давлении P и температуре T; V
0
– объем газа при нормальном давлении P
0
(101325 Паи температуре T
0
(273 К. Молярную массу газа можно также вычислить по уравнению состояния идеального газа (уравнению Клапейрона–Менделеева)
PV
m
M
RT
=
, где P – давление газа (Па V – его объем (м m – масса (г M – молярная масса (г/моль); T – температура (К R = 8,31 Дж/(моль·К) – молярная газовая постоянная. Экспериментальная часть Целью работы является определение молярной массы углекислого газа. Ход работы. 1. Ознакомиться с установкой для получения углекислого газа в аппарате Киппа (рис. 1) и убедиться в том, что она работает.
2. Колбу закрыть пробкой и отметить чертой уровень, до которого пробка вошла в горло колбы. Взвесить на технохимических весах колбу с пробкой с точностью дог. Наполнить колбу диоксидом углерода из аппарата Киппа. Газ следует пропускать в колбу медленно, так, чтобы можно было считать пузырьки в промывных склянках.
4. Через 5 мин, не закрывая крану аппарата Киппа, медленно вынуть газоотводную трубку из колбы и тотчас закрыть колбу пробкой после этого закрыть кран 6.
5. Взвесить колбу с диоксидом углерода на тех же весах истой же точностью, что и колбу с воздухом (m
2
).
6. Измерить рабочий объем колбы V
1
, для чего наполнить колбу дистиллированной водой до черты на шейке колбы и замерить объем воды, вылив её в мерный цилиндр.
7. Записать значения атмосферного давления и температуры, при которых проводится опыта также уравнение получения углекислого газа при взаимодействии мрамора с соляной кислотой.
25

1 2
3 8
9 10 4
5 6
CaCO
3
HC l
H O
2
H SO
2 Рис. Схема лабораторной установки для получения углекислого газа в аппарате Киппа.
1 – шарообразная воронка, 2, 3 – соединённые между собой резервуары,
4, 5 – тубусы, 6 – кран, 8 – промывная склянка, 9 – склянка Дрекселя для осушки газа, 10 – приёмник углекислого газа.
8. Вычислить объем газа V
0
при ну. по уравнению Клапейрона.
9. Вычислить массу воздуха (m
3
) в объеме колбы, учитывая, что при 0
°C и 101,3 кПа масса одного литра воздуха равна 1,293 г.
10. Найти массу пустой (без воздуха) колбы с пробкой m
4
= m
1
– m
3 11. Найти массу диоксида углерода в объеме колбы m
5
= m
2
– m
4 12. Определить относительную плотность О по воздуху
D
возд.
=
3 5
m
m
13. Вычислить молярную массу CO
2
тремя способами а) по воздуху
М
CО
2
= 29·D
возд.
б) по закону Авогадро
0 в) по уравнению Клапейрона–Менделеева: СО

14. Вычислить среднее значение молярной массы углекислого газа с точностью до одного знака после запятой.
15. Определить погрешность опыта, сравнивая среднее опытное значение с теоретической величиной (44,0 г/моль), и оформить отчёт. Контролирующие задания
1. Во сколько раз углекислый газ тяжелее воздуха
2. В аппарате Киппа для получения СО из мрамора используется соляная кислота. Почему нельзя использовать более дешевую серную кислоту
3. При постоянном давлении и температуре масса одного литра водорода равна 0,082 га одного литра воды – 1 кг. Возможно ли определение плотности воды по водороду Если невозможно, то почему
4. Масса одного литра газа равна 2,86 г. Определите его молярную массу.
5. Плотность газа 1,96 гл. Определите его молярную массу.
6. Установите формулу газообразного вещества, содержащего углерод) и водород (остальное, масса одного литра которого при нормальных условиях равна 2,6 г. Работа 4. ОПРЕДЕЛЕНИЕ ЭКВИВАЛЕНТНОЙ И АТОМНОЙ МАССЫ МЕТАЛЛА Закон эквивалентов гласит массы взаимодействующих без остатка веществ относятся друг к другу, каких эквивалентные массы
)
B
(
эк
M
)
B
(
эк
M
)
B
(
m
)
B
(
m
2 1
2 Эквивалентом называется реальная или условная частица, которая соединяется с одним атомом или ионом водорода, либо замещает его. Реальные частицы – это атомы или молекулы, а условные – их части, например
1
/
2
атома кислорода,
1
/
3
молекулы Н
3
РО
4
и т.д. (в действительности таких частиц не бывает. Масса такой частицы (масса эквивалента, выраженная в атомных единицах массы, называется эквивалентной массой, а масса одного моля (6,02·10 23
) таких частиц (эквивалентов) называется молярной массой эквивалента. Из этого следует, что эквивалентная масса – относительная величина, при этом сравнение идет с водородом, эквивалент которого – его атома эквивалентная масса равна единице.
27

Пример 1. Один атом хлора соединяется с одним атомом водорода, образуя хлороводород (НС. Следовательно, эквивалентом хлора является его атом. Пример 2. Кислород с водородом образует два соединения Н
2
О
2
(пероксид водорода) и НО (вода. В первом соединении эквивалентом кислорода является его атом и эквивалентная масса равна шестнадцати, а во втором – эквивалентом кислорода является
1
/
2
атома и эквивалентная масса равна восьми. Пример 3. Серная кислота содержит два атома водорода. В реакции замещения одного из них эквивалентом кислоты является её молекула с эквивалентной массой 98, а в реакции замещения двух атомов водорода
– половинка молекулы (условная частица) с эквивалентной массой 49. Эквивалентные массы элементов и соединений используются при выражении концентрации растворов (молярная концентрация эквивалентов, при оценке жесткости воды, в расчетах по электролизу и т. д. Через эквивалентную массу элемента может быть определена его атомная масса, так как они связаны между собой соотношением
В
A
М
r
Эк
=
или
,
M
Ar
В
Эк
=
где В – валентность элемента. При этом эквивалентная масса определяется экспериментально, а атомная масса рассчитывается приблизительно по закону Дюлонга – Пти, который гласит атомная теплоемкость те. произведение удельной теплоемкости Си атомной массы А) простых веществ в твёрдом состоянии примерно одинакова и составляет в среднем около 26 Дж/(моль
⋅
К), то есть А 26. Разделив приблизительную атомную массу на эквивалентную массу, получают валентность элемента, которую округляют до ближайшего целого числа. После этого умножением эквивалентной массы на валентность получают более точное значение атомной массы. Пример 4. При взаимодействии 59,5 мг металла с серной кислотой выделилось 21,9 мл водорода (объем измерен при температуре 17 Си давлении мм рт. ст. Удельная теплоемкость металла 0,39 Дж/(г·К). Вычислить атомную массу металла и определить, какой это металл. Решение 1) Переводим экспериментальные данные в систему СИ
V = 21,9 мл = 21,9·10
-6
м
3
Р = 750 мм рт. ст. =
8
,
99991 760 101325 Па
28

2) По уравнению Клапейрона–Менделеева вычисляем массу водорода г)
3) По закону эквивалентов определяем эквивалентную массу металла, 00182
ЭK
ЭK
m Me M
H
M
Me
m H
⋅
9
⋅
=
=
=
(г/моль)
4) По закону Дюлонга и Пти находим приблизительную атомную массу металла
67
,
66 39
,
0 26
C
26
A
r
=
=
≈
5) Определяем приблизительное значение валентност
04
,
2 69
,
32 67
,
66
В
≈
=
и округляем его до целого числа 2.
6) Рассчитываем точную атомную массу А = М
эк
(Ме)·В = 32,69·2 = 65,38 По периодической системе определяем металл – это цинк. Экспериментальная часть Целью работы является установление эквивалентной и атомной массы неизвестного металла и его определение по периодической системе. Эквивалентная масса металла определяется по водороду, который выделяется при взаимодействии металла с серной кислотой. Теплоемкость металла сообщает преподаватель. Взвешивание металла производится с точностью 0,001 г. Описание установки.Реакция металла с кислотой проводится на специальной установке, изображенной на рисунке 2. Установка собрана на химическом штативе (1). Она состоит из стеклянного реакционного сосуда (4), в котором находится кислота, мерной бюретки (5) для сбора выделяющего водорода и уравнительной воронки (6). Реакционным сосудом (4) является колба Вюрца объемом
50 мл с присоединенной пробиркой (2). Они соединены полихлорвиниловой трубкой, которую можно пережимать съемным зажимом (3).
29

5 6
2 Рис. 2. Схема установки для определения эквивалентной массы металла
1 – штатив, 2 – пробирка, 3 – зажим,
4 – колба Вюрца, 5 – мерная бюретка,
6 – уравнительная воронка Ход работы. 1. Получив от преподавателя кусочек металла массой
0,02–0,03 г, взвесить его на аналитических весах и узнать у преподавателя его теплоёмкость. Массу и теплоемкость записать в таблицу 1.
2. Снять пробирку (2), поднять и закрепить уравнительную воронку
(6) на штативе в таком положении, при котором уровень столбика воды в мерной бюретке (5) находится вблизи крайнего верхнего деления. При необходимости долить в воронку воду. После этого перекрыть полихлорвиниловую трубку зажимом (3), положить в пробирку (2) металл и вставить пробирку в полихлорвиниловую трубку.
3. Проверить прибор на герметичность. Для этого опустить уравнительную воронку (6) вниз примерно до
1
/
3
–
1
/
2
высоты штатива, наблюдая за уровнем воды в мерной бюретке (5). Если уровень воды не изменяется, то прибор герметичен, и на нем можно продолжить работу. Если уровень воды все время понижается, то прибор не герметичен. В этом случае устранить неисправность или попросить заменить установку.
4. Возвратить воронку (6) в исходное (верхнее) положение и записать уровень воды в мерной бюретке (5). Открыв зажим, сбросить металл в кислоту. Наблюдать протекание реакции и выделение водорода по понижению уровня воды в мерной бюретке (5). Передвигать уравнительную воронку (6) вниз синхронно с понижением уровня воды в бюретке. После окончания реакции выдержать около 10 мин для охлаждения водорода до температуры в лаборатории (реакция идет с выделением тепла. После этого уровень воды в бюретке (5) и воронке (6) установить одинаковыми записать его.
30

6. Записать значения температуры и давления в таблицу 1, вычислить и записать остальные показатели опыта.
7. По примеру, приведенному во введении, вычислить эквивалентную массу металла, его валентность и атомную массу. Таблица Результаты эксперимента по определению эквивалентной и атомной массы металла
№ п/п Название величины Обозначение Единица измерения Значение Масса металла m
(Ме)
г
2 Удельная теплоемкость металла С
Дж/(г
⋅К)
3 Начальный уровень воды в бюретке мл
4 Уровень воды после реакции мл
5 Объем водорода мл
6 Температура в лаборатории t о
7 Температура по абсолютной шкале T
K
8 Давление по барометру P мм рт. ст Давление водяного пара мм рт. ст Давление водорода мм рт. ст Давление водорода Па При вычислении массы водорода иметь ввиду, что в реакции выделяется влажный водород и поэтому его давление равно общему давлению по барометру за вычетом давления водяного пара (таблица 2):
Р
(Н
2
)
= Р – Р
(Н
2
О)
Таблица 2 Давление водяного пара при различных температурах
T,
0
C О, кПа О, мм рт. ст.
T,
0
C
P
(H
2
О),
кПа О, мм рт. ст,
0
C
P
(H
2
О),
кПа О, мм рт. ст 1,226 9,2 15 1,706 12,8 20 2,333 17,5 11 1,306 9,8 16 1,813 13,6 21 2,479 18,0 12 1,399 10,5 17 1,933 14,5 22 2,639 19,8 13 1,493 11,2 18 2,066 15,5 23 2,813 21,1 14 1,599 12,0 19 2,199 16,5 24 2,986 22,4 9. По полученной в опыте атомной массе найти данный металл в периодической системе и записать его теоретическое (табличное) значение атомной массы.
31

10. Вычислить ошибку в определении атомной массы металла по формуле
%
100
А
А
А
теор теор пр r
⋅
−
=
η
11. Оформить отчет, сформулировать вывод. Контролирующие задания
1. Приведите определение понятий эквивалент и эквивалентная масса химического элемента и соединения.
2. Эквивалентная масса какого элемента равна 1?
3. Вычислите молярную массу эквивалента элемента, оксид которого содержит 22,2 % кислорода.
4. Чему равна молярная масса эквивалента ортофосфорной кислоты, если 1 моль Н
3
РО
4
провзаимодействовал смоль гидроксида калия
5. Молярная масса эквивалента металла равна 56,2 г/моль. Вычислите массовую долю металла в его оксиде.
6. Какой объем кислорода (ну) потребуется для реакции с 15 г элемента, имеющего молярную массу эквивалента 3 г/моль? Работа 5.