Учебнометодический комплекс по дисциплине для подготовки дипломированного специалиста по направлению 240000 Химическая и биотехнологии
 Скачать 1.18 Mb.
|
|
Экспериментальная часть Лабораторная работа № 2 Определение молекулярной массы растворенного вещества криоскопическим методом Цель работы: определить молекулярную массу растворенного неэлектролита криоскопическим методом 47 Задачи работы: 1. Настроить термометр Бекмана на используемый температурный интервал. 2. Определить температуру замерзания чистого растворителя и температуру начала кристаллизации раствора неэлектролита. 3. Рассчитать моляльную концентрацию раствора и молекулярную массу растворенного вещества. 4. Вычислить относительную ошибку определения молекулярной массы и предельную погрешность метода; сравнить полученные величины. Обеспечивающие средства: 1. дифференциальный термометр Бекмана; 2. аналитические весы Ход работы. Схема установки, используемой для криоскопических измерений, приведена на рис. 6. В опыте используется дифференциальный термометр Бекмана, который предварительно должен быть настроен на используемый интервал температур. Следует учитывать, что при неосторожном обращении с термометром Бекмана может произойти падение капельки ртути в верхний резервуар термометра, и его настройку придётся производить заново. Для точных измерений необходимо, чтобы охлаждение исследуемой жидкости происходило как можно медленнее. Для этого служит воздушная прослойка между внешней и внутренней пробирками. При проведении опыта исследуемую жидкость необходимо постоянно перемешивать для её равномерного охлаждения. Рис.6.Прибор для криометрических измерений 1. Калибровка термометра Бекмана Для определения понижения температуры кристаллизации раствора термометр Бекмана необходимо откалибровать. Для этого в первом опыте замораживают дистиллированную воду. В тщательно промытую дистиллированной водой и высушенную внутреннюю пробирку наливают 50 мл дистиллированной воды. Термометр Бекмана помещают в пробирку таким образом, чтобы нижний резервуар термометра был полностью погружён в воду. Внутреннюю пробирку с термометром и мешалкой помещают во внешнюю и 48 погружают последнюю в охлаждающую смесь. Непрерывно перемешивая воду, наблюдают за перемещением столбика ртути в капилляре термометра. При проведении опыта обычно имеет место переохлаждение воды (примерно на 1 °С). В этом случае вслед за медленным понижением уровня ртути в капилляре наблюдается его быстрое повышение и стабилизация на значении, которое отвечает температуре кристаллизации воды. Полученное значение tо на шкале термометра Бекмана, отвечающее 0 °С, записывается. Внутреннюю пробирку вынимают из внешней и осторожно нагревают рукой для расплавления образовавшихся кристаллов льда (при правильном проведении опыта кристаллы должны образовываться в объёме жидкости, а не на стенках пробирки). После того, как все кристаллы расплавились и температура воды повысилась на 1-2 °С выше tо, опыт повторяют. Если разность между первым и вторым полученными значениями tо превышает 0,1 °С, опыт проводят ещё раз. По результатам проведённых опытов рассчитывают среднее значение 0 t на шкале термометра Бекмана, отвечающее 0 °С, которое используется в дальнейшем для расчёта понижения температуры кристаллизации раствора. 2. Определение понижения температуры кристаллизации раствора На аналитических весах отвешивают определённое количество растворимого вещества - неэлектролита (по указанию преподавателя или лаборанта). Вынув из внутренней пробирки термометр и мешалку, навеску полностью переносят в пробирку и перемешивают мешалкой до полного растворения вещества. Следует обратить внимание на то, чтобы на стенках пробирки не оставалось прилипших кристалликов. Внутреннюю пробирку помещают во внешнюю и аналогичным описанному выше образом проводят охлаждение раствора, фиксируя температуру начала кристаллизации раствора tкр. Поскольку по мере выпадения кристаллов растворителя концентрация раствора увеличивается, за температуру начала кристаллизации раствора tкр принимают наибольшее значение температуры, достигнутое после переохлаждения. Опыт повторяют трижды и за температуру начала кристаллизации раствора принимают среднее значение KP t Рассчитывают понижение температуры кристаллизации раствора: KP KP t t t − = ∆ 0 . (59) 3. Расчёт молекулярной массы растворённого неэлектролита По полученному значению понижения температуры кристаллизации раствора вычисляют молекулярную массу растворённого вещества: KP t g g K M ∆ ⋅ ⋅ = 1 2 1000 , (60) где К – криоскопическая константа воды (К = 1,86); g 1 – масса растворителя; g 2 – масса растворённого вещества. Используя полученное и истинное значения молекулярной массы, рассчитывают относительную погрешность определения молекулярной массы и сравнивают её с предельной погрешностью метода. Контрольные вопросы 1. Давление насыщенных паров растворителя над раствором. 2. Понижение температуры замерзания и повышение температуры кипения предельно разбавленных растворов 3. Криоскопическая и эбуллиоскопическая постоянные растворителя. 4. Криометричское определение молекулярной массы растворенного вещества 49 Лабораторная работа № 3 Определение степени диссоциации электролита криоскопическим методом Цель работы: Определение степени диссоциации электролита криоскопическим методом. Задачи работы: 1. Настроить термометр Бекмана на используемый температурный интервал. 2. Определить температуру замерзания чистого растворителя и температуру начала кристаллизации раствора электролита. 3. Рассчитать кажущуюся молекулярную массу растворенного вещества, изотонический коэффициент Вант-Гоффа и степень диссоциации электролита. 4. Вычислить относительную ошибку определения и предельную погрешность метода; сравнить полученные величины. Обеспечивающие средства: 1. дифференциальный термометр Бекмана; 2. аналитические весы Описание работы Аналогично описанному выше опыту производят определение понижения температуры кристаллизации раствора электролита. Используя полученное значение KP t ∆ , рассчитывают изотонический коэффициент Вант-Гоффа i и степень диссоциации α 1000 2 1 2 ⋅ ⋅ ⋅ ⋅ ∆ = ⋅ ∆ = g K g M t m K t i KP KP , (61) где К – криоскопическая константа воды (К = 1,86); g 1 – масса растворителя; g 2 – масса растворённого вещества; М 2 – молекулярная масса растворённого вещества. 1 1 − − = ν α i , (62) где н – число ионов, образующихся при диссоциации молекулы электролита. Используя полученное и истинное значения степени диссоциации, рассчитывают относительную погрешность определения степени диссоциации и сравнивают её с предельной погрешностью метода. Контрольные вопросы 1. Растворы электролитов. Изотонический коэффициент Вант-Гоффа, его связь со степенью диссоциации. 2. Криометрическое определение степени диссоциации электролита. 3. Методика криометрических измерений. Термометр Бекмана. ГАЛЬВАНИЧЕСКИЕ ЭЛЕМЕНТЫ. ЭЛЕКТРОДНЫЕ ПОТЕНЦИАЛЫ Гальваническим элементом называют электрохимическую систему, в которой за счет протекающих химических процессов совершается электрическая работа. 50 Гальванические элементы имеют разное назначение. Так, некоторые из них применяют в качестве источников постоянного тока, например, элементы Якоби - Даниэля, Лекланше, аккумуляторы. С другой стороны, изучение электродвижущей силы (э. д. с.) гальванических элементов (метод э. д. с.) широко используют во многих физико-химических исследованиях. Так, по э.д.с. гальванического элемента можно определить изменение энергии Гиббса, происходящее в результате реакции, протекающей в элементе, а также соответствующие изменения энтропии и энтальпии. Метод э. д. с. также широко применяют при исследовании свойств растворов электролитов, например, при определении коэффициентов активности, констант протолитической диссоциации, рН водных и неводных растворов, в потенциомет-рическом и полярографическом анализе и т. п. Гальванический элемент - это комбинация электронных и ионных проводников (одного или нескольких). В качестве примера рассмотрим гальванический элемент, представленный схемой: М Металл 1 (электронный проводник 1) Ионный проводник 1 Ионный проводник 2 Металл 2 (электронный проводник 2) М (1) При схематическом изображении гальванического элемента границу между металлом и электролитом, через которую идет ток при замыкании элемента, обозначают вертикальной сплошной линией, а границу между двумя растворами (жидкостное соединение), через которую также идет ток, - вертикальной штриховой. Элемент называют правильно разомкнутым, если на обоих концах его находится один и тот же проводник (металл М). Разность электрических потенциалов на концах (полюсах) правильно разомкнутого элемента и представляет собой его э. д. с. В месте контакта проводника М с металлами возникает контактная разность потенциалов, постоянная при данной температуре и входящая в э. д. с. элемента, как постоянное слагаемое. Элемент можно разделить условно на два полуэлемента, состоящих из металлического электрода и раствора. Любой полуэлемент можно записать в виде следующей схемы: Ионный проводник | Металл (2) Различают два основных типа гальванических элементов: • без жидкостного соединения - элементы без переноса; • с жидкостным соединением - элементы с переносом. На схеме 1 представлен элемент с переносом, так как в нем имеется непосредственный контакт двух ионных проводников - 1 и 2. Так как электрический ток в металлах переносится электронами, а в растворах - ионами, то через границу металл-раствор ток проходит только в том случае, если на этой границе возможен процесс, позволяющий току «сменить» носитель электричества. Таким процессом является гетерогенная реакция, носящая название электрохимической или электродной реакции, в которой должны участвовать электроны металла и ионы раствора. ОПРЕДЕЛЕНИЕ ИЗМЕРЕНИЕМ Цель работы: определить кислоты Задачи работы: 1. Построить график зависимости 2. определить коэффициент активности Обеспечивающие средства 1. Микробюретка - 1 шт.; 2. колбы конические емкостью 3. колбы мерные емкостью 4. стаканы объемом 50 мл 5. пипетки емкостью - 5, 25 Описание работы. Коэффициенты активности разными методами, но наиболее силы (э.д.с.) соответствующих без жидкостных границ, чтобы один из электродов обратим по Пусть, например хлороводородной (соляной) кислоты Составляют цепь в которой положительный электрод рода), а отрицательный электрод Электродвижущая сила и при 298 К где Е о - электродвижущая сила средняя активность и средний Из уравнения (63) находим При с→0 будет стремится Для определения величины экспериментальные значения Экстраполируя прямую до с 51 ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 4 ОПРЕДЕЛЕНИЕ КОЭФФИЦИЕНТА АКТИВНОСТИ ИЗМЕРЕНИЕМ ЭЛЕКТРОДВИЖУЩИХ СИЛ ГАЛЬВАНИЧЕСКИХ ЭЛЕМЕНТОВ определить коэффициент активности и активность график зависимости значения Е+0,1183 log c от концентрации коэффициент активности и активность растворов соляной Обеспечивающие средства: ; конические емкостью 50 мл - 6 шт.; емкостью 50 мл - 6 шт.; мл - 6 шт.; 5, 25 мл циенты активности в растворах электролитов могут методами но наиболее доступным из них является измерение соответствующих гальванических элементов. С этой целью , чтобы отсутствовал диффузионный потенциал электродов обратим по отношению к катиону, а другой - по отношению например, необходимо определить коэффициенты соляной) кислоты при различных концентрациях. - Pt,H 2 I HCl I AgCl, Ag+, положительный электрод будет обратим по отношению к отрицательный электрод - по отношению к Н + Электродвижущая сила цепи будет равна: электродвижущая сила элемента при активность и средний коэффициент активности соляной к ) находим: будет стремится к единице и Е 0 =(Е +0,1183 lgc) c→0 . определения величины Е о строят график. На оси ординат значения Е + 0,1183 lg с, а на оси абсцисс - соответствующие прямую до с →0, получают отрезок, равный Е о . Зная КОЭФФИЦИЕНТА АКТИВНОСТИ ЭЛЕКТРОДВИЖУЩИХ СИЛ ЭЛЕМЕНТОВ и активность растворов соляной от концентрации растворов; растворов соляной кислоты. электролитов могут быть определены измерение электродвижущей С этой целью составляют элемент диффузионный потенциал. В таком элементе по отношению к аниону. коэффициенты активности отношению к Сl - (электрод второго (63) - соответственно соляной кислоты. (64) (65) На оси ординат откладывают соответствующие значения с. Зная Е о , можно по уравнению 52 (64) вычислить средний коэффициент активности соляной кислоты при любой ее концентрации. Цель работы. Определение коэффициента активности кислоты при заданных ее концентрациях (НС1, H 2 SO 4 , HNO 3 ). Порядок выполнения работы. Готовят 0,1; 0,05; 0,01; 0,005; 0,001 и 0,0005 н растворы соляной кислоты. Концентрации растворов должны быть проверены титрованием их раствором едкого натра в присутствии индикатора фенолфталеина. Конструкция гальванического элемента при определении коэффициента активности серной кислоты та же самая, что и при определении рН раствора с помощью водородного электрода на рН-метре или иономере ЭВ-74. Измерения э.д.с. элемента ведутся, начиная с самого разбавленного раствора кислоты. На основании полученных результатов, вычисляют значения Е + 0,1183 lg с, строят график, находят и вычисляют по уравнению (64) коэффициент активности и активность растворов соляной кислоты. Результаты измерений и вычислений заносят в таблицу. Контрольные вопросы 1. Каков принцип действия гальванического элемента? 2. Что характеризует стандартный электродный потенциал по водородной шкале? 3. Приведите уравнения, описывающие зависимость электродного потенциала от активности потенциалоопределяющих ионов (уравнение Нернста). 4. Каков принцип действия концентрационного гальванического элемента? 5. Как можно на основании потенциалов сопряженных пар определить направление окислительно-восстановительных процессов в гальванических элементах? 6. Что представляют собой редокс-электроды? 7. Приведите уравнения, по которым можно рассчитать: максимально-полезную работу; изменение свободной энергии Гиббса реакции; ЭДС гальванического элемента; константу токообразующей реакции. 53 ТРЕХКОМПОНЕНТНЫЕ СИСТЕМЫ Теоретическая часть В трехкомпонентных системах существует большое число вариантов взаимной расторимости. Рассмотрим некоторые из них, наиболее характерные и часто встречающиеся на практике. 1. Любые два из трех компонентов системы смешиваются друг с другом во всех соотношениях (рис. 7а). В тройных системах жидкости также смешиваются во всех соотношениях (например в системе вода – спирт этиловый - ацетон). В тройных смесях в некоторой области концентраций наблюдается расслоение системы на две фазы (например, в системе вода – фенол – ацетон при 67 – 90 0 С) (рис. 7б). 2. Два компонента (А и С) ограниченно растворимы друг в друге, а остальные две пары компонентов (А – В и В – С) обнаруживают неограниченную взаимную растворимость (например, в системе вода – хлороформ – уксусная кислота) (рис. 7в). 3.Два компонента (А и С) неограниченно растворимы друг в друге, а остальные две пары компонентов (А – В и В – С) обнаруживают ограниченную взаимную растворимость (например, в системе анилин – фенол – вода). Добавление третьего компонента к двухфазной двухкомпонентной системе увеличивает взаимную растворимость и приводит к образованию в однофазной системы (рис. 7г). Добавление третьего компонента к двухфазной системе почти не увеличивает взаимной растворимости (или уменьшает ее). Возможен непрерывный переход от двухфазной смеси компонентов А и В к двухфазной смеси компонентов В и С (рис. 7д). 4. Для всех трех пар компонентов (А – В, В – С и А – С) наблюдается ограниченная взаимная растворимость (например, в системе вода – анилин – гексан). Добавление к двухфазной системе третьего компонента резко увеличивает взаимную растворимость двух компонентов и приводит к образованию однофазной системы (рис. 7е). Добавление к двухфазной системе третьего компонента существенно не увеличивает взаимной растворимости и может привести к образованию трехфазной системы (рис. 7ж). Все три компонента совершенно нерастворимы друг в друге (например, в системе вода – ртуть – бензол) (рис.7з). 5. 33 Отнести данную систему к тому или иному типу можно лишь с учетом условий (например, температуры), при которых она рассматривается. Изменение температуры влияет на взаимную растворимость жидкостей и иногда столь значительно, что может изменить даже тип диаграммы (изотерма взаимной растворимости). Рис. 7. Основные типы диаграмм взаимной растворимости трех жидкостей 54 Состав трехкомпонентной системы изображается на диаграмме, представляющей правильный треугольник (рис. 8). Вершины равностороннего треугольника соответствуют чистым веществам А, В и С. На сторонах, соединяющих вершины, откладываются составы двух компонентных систем, образованных веществами, находящимися в прилегающих вершинах треугольника. Все точки, расположенные внутри треугольника, выражают составы трехкомпонентных систем. Процентное содержание каждого из компонентов в системе тем больше, чем ближе расположена данная точка к соответствующей вершине. Существуют два метода определения состава трехкомпонентной системы. В методе, предложенном Гиббсом, за 100% (или единицу) принимается высота правильного треугольника. Метод основан на том, что сумма длин перпендикуляров, опущенных из любой точки внутри треугольника на его стороны, есть величина постоянная и равная высоте этого треугольника. Процентное содержание каждого компонента определяется расстоянием от точки р, отражающей состав системы, до стороны треугольника, противолежащей вершине, соответствующей чистому компоненту (рис. 8а). Отрезок ра соответствует процентому содержанию компонента А, отрезок pb - процентному содержанию компонента В, отрезок рс - процентному содержанию компонента С. По методу Розебома за 100% (или единицу) принимается длина стороны правильного треугольника. Сумма отрезков, проведенных параллельно сторонам треугольника из точки р, отражающей состав системы (ра + +pb + pc), равна стороне треугольника: содержание компонента А (рис.2б) - длина отрезков pa=bc=b'b=ac', содержание компонента В - длина отрезков pb = a'b=Ac=c'C, содержание компонента С - длина отрезков pc=Aa'=cb'=Ba. Оба метода приводят к одинаковым результатам. На рис. 9 приведена треугольная диаграмма взаимной растворимости системы вода (В) - ацетон (А) - хлороформ (С) при постоянных температуре (25° С) и давлении. Состояние такой системы есть функция четырех термодинамических параметров: температуры, давления и концентраций двух компонентов. Поскольку температура и давление заданы (298К и 1,013·10 5 Па), то можно задавать в известных пределах произволь- но значения еще двух параметров - концентраций, не изменяя числа фаз в системе. Это значит, что на треугольной диаграмме область существования однофазных систем должна быть двухмерной, занимая часть треугольника состава. |