МІНІСТЕРСТВО ОСВІТИ УКРАЇНИ
КИЇВСЬКИЙ ПОЛІТЕХНІЧНИЙ ІНСТИТУТ
Методичні вказівки
до лабораторних робіт з курсу фізичної хімії
для студентів нехімічних спеціальностей
та заочної форми навчання
Київ КПІ 1995
Укладачі: Болдог Йосип Йосипович
Грищенко Валентина Федорівна
Рудницька Ганна Анатоліївна
Стаднійчук Павло Мефодійович
Зміст
1. Калориметрія ----------------------------------------------------- 2
2. Кінетика хімічних реакцій-------------------------------------3
3. Термічний аналіз-------------------------------------------------4
4. Тиск насиченої пари рідини-----------------------------------6
5. Визначення молярної маси рідини--------------------------8
6. Рідини, які обмежено змішуються---------------------------9
7. Кріоскопія----------------------------------------------------------10
8. Електропровідність----------------------------------------------11
9. Електрорушійні сили--------------------------------------------14
10. Потенціометричне визначення рН---------------------------16
11. Електроліз-----------------------------------------------------------17
12. Седиментація-------------------------------------------------------19
13. Поверхневий натяг------------------------------------------------22
1. КАЛОРИМЕТРІЯ
Хімічні реакції, процеси розчинення, зміни агрегатного стану речовин супроводжуються виділенням чи поглинанням теплоти.
Тепловий ефект розчинення кристалічної речовини у воді або в іншому розчиннику складається з ендотермічного ефекту руйнування кристалічної решітки та екзотермічного ефекту гідратації (в загальному випадку — сольватації) іонів. Тому, якщо речовина легко гідратується, її розчинення проходить з виділенням теплоти (наприклад, CuSO4, ВаCl2), а якщо гідратація незначна — з поглинанням теплоти (КСl, K2SO4). Розчинення кристалогідратів також супроводжується поглинанням теплоти.
Інтегральною теплотою розчинення називається кількість теплоти, яка виділяється або поглинається при розчиненні одного моля речовини в такій кількості-розчинника, при якій утворюється розчин певної концентрації. Інтегральна теплота розчинення залежить від концентрації одержаного розчину та температури розчинення.
Теплові ефекти визначають за допомогою калориметрів. Найпростіший калориметр - це склянка, яка повністю або частково теплоізольована від навколишнього середовища. В склянку поміщається термометр та скляна паличка-мішалка.
Тепловий ефект процесу, який проходить в калориметрі, можна розрахувати за допомогою рівняння
деCk- теплоємність калориметра, DT - зміна температури, що сталася в результаті розчинення. Теплоємність калориметра розраховується як сума теплоємностей його окремих частин, тобто склянки, мішалки, термометра та розчину.
Зміна температури в результаті процесу визначається за графіком температура - час (рис. 1), який враховує можливий теплообмін калориметра з навколишнім середовищем. При перемішуванні води в склянці роблять декілька вимірювань температури через рівні проміжки часу (0,5 чи 1 хв.) протягом 5-7 хвилин. Ця частина експерименту називається попереднім періодом. Після цього у воду всипають сіль і енергійно перемішують розчин до повного розчинення солі, продовжуючи виміри температури (головний період), і вимірюють температуру протягом 5-6 хвилин (заключний період).
Тривалість головного періоду визначається крайніми точками а і б;зміна температури DT- екстраполяцією на вертикаль, проведену через середину головного періоду.
T, Co
Рис. 1. Графічне визначення DT
Виконання роботи
Задача 1. Визначення теплоти розчинення солі.
На технічних терезах зважують склянку, паличку (для розрахунків їх теплоємності) і 10 г розтертої в ступці солі. Наливають в склянку калориметра 400 мл води. Підвішують термометр, відмічають глибину його занурення у воду і за допомогою мензурки визначають об'єм витісненої ним води, який дорівнює об'єму зануреної частини термометра. Розраховують теплоємність калориметра, перемножуючи масу його частин в грамах і теплоємність матеріалів в Дж/ (г . К) (об'єм зануреної частини термометра помножують на середню об'ємну теплоємність скла та ртуті), а потім підсумовують теплоємність складових частин калориметра.
Питомі теплоємності: скла -0,79 Дж/(г.К);
поліетилену -2,3 Дж/(г.К);
води -4,18 Дж/(г.К).
Об'ємна теплоємність скла та ртуті (середня) -1,9 Дж/(см3.К).
Проводять виміри температури, як було сказано вище; будують графік і визначають за ним DТ.
Розраховують теплоту розчинення солі за рівнянням, Дж/моль:
де М – Молярна маса солі, г/моль; g - маса наважки солі, г; Ск – теплоємність калориметра, Дж/К.
ЛІТЕРАТУРА: 1, с. 151-155, 189-190, 323-324
2. КІНЕТИКА ХІМІЧНИХ РЕАКЦІЙ
При незмінному об'ємі системи під швидкістю хімічної реакції розуміють зміну концентрації будь-якого з її учасників за одиницю часу:
Якщо швидкість хімічної реакції визначається за зміною концентрації вихідних речовин, права частина рівняння має знак "-", а якщо за зміною концентрації продуктів, похідна має знак "+".
За законом діючих мас швидкість реакції пропорційна добутку концентрацій реагуючих речовин, взятих в певних степенях. Коли реакція
аА+bВ=еЕ+fF
проходить в одну стадію, тобто є простою (елементарною), її швидкість виражається рівнянням
в якому показники степеня при концентраціях тотожні стехіометричним коефіцієнтам в рівнянні реакції.
Якщо реакція складна, показники степеня при концентраціях реагентів в наведеному рівнянні швидкості відрізняються від стехіометричних коефіцієнтів, тоді
де k- константа швидкості хімічної реакції, яка чисельно дорівнює швидкості реакції при одиничних концентраціях реагентів; р і q- порядки реакції по компонентах А і В, відповідно, або окремі порядки. Суму р+q = п називають порядком хімічної реакції. Порядок реакції може бути цілим, дробовим і нульовим. Реакції, у яких п >3, зустрічаються дуже рідко. Рівняння, що зв'язує швидкість реакції з концентраціями реагуючих речовин, називається кінетичним рівнянням реакції.
На основі закону діючих мас для реакцій різних порядківможутьбути виведені рівняння для обчислювання константи швидкості реакції.
Для реакцій першого порядку швидкість V= -dC/dt= k.C, звідки константа швидкості реакції
де С0 - початкова концентрація реагуючої речовини, С - її концентрація в момент часу t. Константа швидкості реакції першого порядку маєрозмірність (одиниця часу)-1 і не залежить від того, в яких одиницях визначається концентрація.
Розрахунки константи швидкості реакції першого порядку можна робити також за формулою
де а - початкова концентрація вихідної речовини, х — зменшення концентрації за час t, (а - х) - концентрація речовини в момент часу t. Для реакцій другого порядку можна записати
,
або
Окремі порядки по компонентах і порядок хімічної реакції в цілому можна визначити тільки експериментальне, спостерігаючи за зміною концентрації будь-якого з реагентів протягом певного часу. За одниміз методів визначають зміну концентрації за декілька проміжків часу і підставляють ці дані в рівняння для констант швидкості першого, другого або третього порядків. Рівняння, яке дає при розрахунках сталі значення константи k, відповідає порядку досліджуваної реакції.
Виконання роботи
Задача 1. Дослідження швидкості реакції розкладу пероксиду водню.
Пероксид водню самодовільно розкладається згідно з рівнянням
2Н2О2 = 2Н2О+О2
Відомо, що ця реакція має перший порядок. Метою роботи є експериментальне підтвердження цього порядку, розрахунок константи швидкості реакції і вивчення впливу на неї каталізатора.
Рис. 2. Схема приладу для вивчення кінетики реакції розкладу пероксиду водню
Кінетику реакції розкладу пероксиду водню вивчають, вимірюючи об'єм кисню, який виділяється через певні проміжки часу (газометричний метод). Схема приладу зображена на рис. 2. В пробірку з двома відростками 1 за допомогою піпетки наливають розчини пероксиду водню та каталізатора в кількостях, які будуть запропоновані викладачем, і вставляють її в термостат. Зрівноважувальну лійку 3 встановлюють так, щоб рівень води в газовій бюретці 2 був на 2-3 см вищим від "0". Щільно закривають пробірку пробкою, через яку пропущена з'єднана з газовою бюреткою трубка. Нахиляючи пробірку, змішують розчини пероксиду водню та каталізатора. Через деякий час, коли розчин стає насиченим, кисень починає з нього виділятися і рівень води в бюретці буде знижуватись. Коли рівень води опуститься до 0, включають секундомір. Після виділення кожних 3-5 мл газу записують час від початку реакції та загальний об'єм газу, що виділився.
Дуже важливо, щоб на початку експерименту і при кожному наступному вимірі рівні води в газовій бюретці та в зрівноважувальній лійці були однаковими (щоб об'єм газу визначався при однаковому тиску); для цього по мірі виділення газу лійку 3 поступово опускають вниз. Експеримент завершують тоді, коли виділиться весь газ.
Каталізаторами цієї реакції можуть бути розчини йодиду калію, хлоридів заліза та міді різних концентрацій.
Після завершення експерименту будують графік V=f(t) (загальний об'єм виділеного кисню — час від початку експерименту) і визначають за ним Vкін, що відповідає кінцю реакції. Оскільки величина Vкін пропорційна початковій концентрації пероксиду водню "а", а об'єм виділеного кисню V— зменшенню концентрації "Х", константу швидкості реакції розраховують за допомогою рівняння