С.Ф. Дунаев - Практическое пособие по общей и неорганической химии для студентов нехимических специальностей, страница 8

Работа 1. Определение молярной массы неэлектролита по температуре кристаллизации его раствора3.2.1. Цель работыВ настоящей работе определяются температуры кристаллизации чистогорастворителя (вода) и раствора неэлектролита, а затем по полученным даннымпо формуле (3.4) рассчитывается молярная масса растворенного вещества.Температуры кристаллизации растворителя и раствора получают из кривыхохлаждения, примерный вид которых дляводы и водного раствора показан на рис.3.1.Как видно из рис.

3.1 а, на кривой охлаждения воды наблюдается участок,соответствующий ее переохлаждению(вода охлаждается до температуры болеенизкой, чем температура 0°С – точка Б).Однако после появления первых кристаллов на кривой охлаждения происходит повышение температуры, котораязатем остается постоянной до тех пор,пока вся вода не замерзнет (участок ВГ).Рис. 3.1. Кривые охлаждения растворителя (воды)(а) и раствора(б).31Затем следует постепенное охлаждение кристаллов льда до температуры охлаждающей смеси (участок ГД).Кривая охлаждения раствора показана на рис.

3.1б. За температуру его кристаллизации принимается температура, соответствующая точке В.3.2.2. РеактивыКристаллические вещества: С6H12O6 (глюкоза); NaCl, KCl; лед.3.2.3. ОборудованиеПрибор для криоскопических исследований (рис. 3.2), мерный цилиндр (10мл), пипетки (10 мл) — 2 шт., стакан химический (100 мл), шпатель.3.2.4.Порядок выполнения экспериментаОпыт 1. Определение температуры кристаллизации водыСоберите прибор для криоскопических исследований (рис. 3.2).Приготовьте охлаждающую смесь из приблизительно 3 частей толченого льда и 1 частихлорида натрия.

Смесь поместите в сосуд 8(рис. 3.2).Измерьте температуру смеси термометром.оЕсли температура выше –5 С, добавьте восмесь соль, если ниже –8 С, то добавьте воду.Отмерьте пипеткой максимально точно 10 млдистиллированной воды и налейте во внутреннюю пробирку 1. Охладите внутреннююпробирку в охлаждающей смеси, не допускаякристаллизации воды. Поместите внутреннюю пробирку во внешнюю 6 и погрузите обев сосуд 8 с охлаждающей смесью.Через каждые 20 с записывайте показаниятермометра. Наблюдайте за изменениями вовнутренней пробирке.оКогда температура достигнет примерно –1 С,Рис. 3.2.

Прибор для криоскопических исследованийт.е. жидкая вода будет переохлаждена, начинайте перемешивать воду мешалкой, поднимая и опуская ее. Старайтесь не повредить термометр.При перемешивании воды выпадут первые кристаллы льда и столбик ртутиначнет подниматься. Продолжайте измерять температуру в пробирке через каждые 15 с.32Отметьте температуру, до которой поднимется столбик ртути. Это и будет температура кристаллизации чистого растворителя.Продолжайте измерять температуру с интервалами в 30 с. до тех пор, пока онане станет понижаться.

После этого фиксируйте изменение температуры еще 3мин.Выньте внутреннюю пробирку, дождитесь, пока кристаллы льда расплавятся, иповторите измерение температуры кристаллизации воды дважды.Вопросы и задания:1) Постройте кривые охлаждения растворителя по результатам измерения температуры (см. рис.3.1а).2) Определите по кривым охлаждения воды температуру начала ее кристаллизации.3) Найдите среднее значение температуры кристаллизации чистой воды.Опыт 2.

Определение температуры кристаллизации водного раствора неэлектролитаВзвесьте или возьмите готовую навеску глюкозы, запишите ее массу.Растворите навеску во внутренней пробирке с 10 мл дистиллированной воды.Охладите пробирку 1 в смеси льда с водой, не допуская кристаллизации раствора. Затем поместите ее во внешнюю пробирку 6 и погрузите обе в сосуд 8 с охладительной смесью.Проведите измерение понижения температуры раствора при его охлаждении также, как в опыте 1 для чистого растворителя. Записывайте показания термометрачерез каждые 20 с.

Отметьте температуру появления первых кристаллов (рис.3.1б, точка В) и температуру полного затвердевания раствора (рис. 3.1б, точкаД).Эксперимент закончите через 3 мин после того, как температура начнет понижаться (рис. 3.1б, участок ДЕ).Повторите измерение температуры кристаллизации раствора дважды.Вопросы и задания:1) Постройте кривые охлаждения раствора по результатам измерениятемпературы (см.

рис. 3.1б).2) Определите по кривым охлаждения раствора температуру начала егокристаллизации. Найдите среднее значение.3) Рассчитайте молярную массу растворенного вещества по формуле(3.5), исходя из среднего значения ∆Тзам.4) Вычислите относительную ошибку (%) определения молярной массынеэлектролита относительно теоретической.5) От чего зависит точность определения молекулярной массы веществакриоскопическим методом?333.2.5. Что должен представить студент преподавателюдля сдачи работы:1. Результаты измерения температуры при охлаждении чистой воды ираствора.2. Кривые охлаждения чистой воды и раствора неэлектролита.3.

Результаты определения температур кристаллизации чистойводы и раствора.4. Расчет молярной массы неэлектролита.5. Расчет ошибки определения молярной массы неэлектролита.6. Ответы на вопросы к опытам 1 и 2.3.3. Работа 2. Изучение поведения сильного электролита врастворе криоскопическим методом3.3.1. Цель работыВ настоящей работе предлагается определить изменение температуры кристаллизации растворителя при растворении в нем веществ, являющихся электролитами, и сравнить результаты эксперимента с рассчитанными в предположении отсутствия диссоциации. Это изменение температуры кристаллизациирассчитывается из концентрации электролита по формуле (3.1).Экспериментальное определение температуры кристаллизации раствораэлектролита проводится путем построения кривых его охлаждения.3.3.2.

РеактивыКристаллические NaCl, KCl; лед.3.3.3. ОборудованиеПрибор для криоскопических исследований (рис. 3.2), мерный цилиндр (10мл), пипетки (10 мл) — 2 шт., стакан химический (100 мл), шпатель.3.3.4.Порядок выполнения экспериментаОпыт 3. Изучение поведения сильного электролита в водном раствореСоберите прибор по рисунку 3.2, приготовьте охлаждающую смесь.Мерной пипеткой налейте во внутреннюю пробирку прибора (рис. 3.2) 10 млводы и постройте кривую ее охлаждения по методике, описанной в опыте 1.Определите температуру ее кристаллизации.Взвесьте 0,25 г KCl или NaCl и всыпьте его в воду внутренней пробирки.Проведите измерение температуры кристаллизации раствора по описаннойвыше методике (опыт 2).34Определите температуру кристаллизации раствора.После окончания опыта выньте внутреннюю пробирку, дождитесь, пока кристаллы расплавятся, и еще раз определите температуру кристаллизации раствора.Вопросы и задания:1) Постройте кривые охлаждения раствора по результатам измерениятемпературы.2) Определите по кривым охлаждения раствора температуру его кристаллизации.3) Найдите среднее значение.4) Рассчитайте теоретические ∆Тзам для исследованных растворов.5) Сравните теоретически рассчитанные и экспериментально полученные результаты.

Объясните отличия.6) Вычислите кажущуюся степень диссоциации электролита.3.3.5. Что должен представить студент преподавателюдля сдачи работы:1. Результаты измерения температуры при охлаждении чистой воды ираствора.2. Кривые охлаждения чистой воды и раствора электролита.3. Результаты определения температур кристаллизации чистой воды ираствора.4.

Расчет теоретического изменения температуры кристаллизации раствора.5. Ответы на вопросы к опыту 3.3.4. Задачи1) Раствор, содержащий 2,5 г С6Н5ОН в 91 г бензола, кристаллизуется приº3,8 С. Вычислить криоскопическую постоянную бензола, зная, что чистый0бензол замерзает при 5,5 С.2) Определите молярную массу спирта, если известно, что раствор, содержащий 0,874 г спирта в 100 г воды, кристаллизуется при температуре –0,354°С.3) При какой температуре замерзает антифриз, состоящий из 9 л воды и 2 л ме3тилового спирта (ρ = 0,8 г/см )?35Глава 4. КИНЕТИКА ХИМИЧЕСКИХ РЕАКЦИЙ4.1. Теоретическая частьВ задачи химической кинетики входит исследование скоростей и механизмов реакций. Результатом этих исследований является определение порядка,константы скорости и энергии активации реакции, а также числа и характерапромежуточных продуктов.Средняя скорость химической реакции определяется как изменение концентрации одного из исходных веществ или продуктов реакции в единицу времени:rср.

= ±∆С∆τ(4.1)Предел этой средней скорости при ∆τ→ 0 называется истинной скоростьюхимической реакции в определенный момент времени τ:dCrист. = ±(4.2)dτЕсли скорость реакции рассчитывается по изменению концентраций исходных веществ, в выражение (4.2) ставится минус, если по изменению концентраций продуктов реакции — плюс.Выбор вещества, концентрация которого контролируется в ходе реакции,определяется исключительно соображениями удобства измерения концентраций.Если реакция протекает в несколько последовательных стадий, то скоростьвсего процесса определяется наиболее медленной из них. Такая стадия называется лимитирующей.Зависимость скорости химической реакции от концентраций реагентов определяется основным законом химической кинетики, согласно которому скорость реакции пропорциональна произведению концентраций реагирующихвеществ (Сi) в некоторых степенях (αI), определяемых экспериментально:r = k ∏ Ci ia(4.3)iУравнение (4.3) называют также кинетическим уравнением химической реакции.Коэффициент пропорциональности k в уравнении (4.3) называется константой скорости химической реакции, а ai – экспериментально определяемый показатель степени при концентрации i-го компонента, порядком реакции по компоненту i.

Сумма всех коэффициентов Σ α i называется суммарным порядком,или просто порядком реакции.36Константа скорости химической реакции зависит от температуры. Эту зависимость определяет уравнение Аррениуса:Eak = Ae RT−(4.4)где Ea – энергия активации процесса (Дж/моль), А – константа, величина которой (как и энергия активации) характерна для каждой реакции; R – универсальДжная газовая постоянная (8,314); T – температура, К.моль ⋅ КЕсли скорость химической реакции зависит от концентрации только одногокомпонента и порядок ее по этому компоненту имеет небольшое целочисленноезначение, для обработки экспериментальных данных часто пользуются уравнением скорости химической реакции, полученным интегрированием выражения:r=−dC= kC αdτ(4.5)Для реакции первого порядка (α = 1) получаем:lnCo= kτC(4.6)или1 Ck = ln oτ C(4.7)где С0 – исходная концентрация вещества, по которому определяется порядокреакции, С – концентрация вещества в момент времени τ, а k – константа скорости данной реакции.Постоянство значений k, вычисленных в различные моменты времени поформуле (4.7), является подтверждением того, что исследуемая реакция имеетдействительно первый порядок.Наряду с константой скорости реакции для характеристики скорости реакции первого порядка часто пользуются временем, или периодом полураспадаt1/2.

Период полураспада — это промежуток времени, в течение которого прореагирует половина исходного количества вещества.Подставив в уравнение (4.7) τ = τ1/2 и С = С0/2 и решив его относительноτ1/2. получим, что период полураспада связан с константой скорости реакциипервого порядка соотношением:t1/2 = 0,69/k(4.8)Простые реакции первого порядка редко встречаются в реальных химических системах. Гораздо чаще кинетика химической реакции описывается уравнением, в котором порядок реакции не является целым числом и скорость реакции зависит от концентрации не одного, а нескольких реагентов.37Для такой реакции кинетическое уравнение имеет вид:r = k ⋅ C Aα ⋅ CBβ ⋅ CCγ .....(4.9)где α, β, γ....— порядки реакции по компонентам А, В и С.Исследование таких реакций затруднено тем, что концентрации всех реагирующих веществ изменяются во времени.