8 Лабораторная работа № 8. Растворы электролитов

Цель: Изучить реакции, протекающие в растворах с участием электролитов, закрепить умения написания реакций в молекулярно-ионном виде, выяснить условия протекания реакций в растворах до конца.

Теоретическая часть

Растворы электролитов проводят электрический ток. Проводниками электрического тока являются катионы и анионы, образующиеся в растворе в результате электролитической диссоциации растворенных веществ.

Для количественной характеристики электролитической диссоциации введено понятие степени диссоциации.

Степень диссоциации (α) – это отношение числа молекул, диссоциированных на ионы, к общему числу молекул растворенного электролита:

α =

По степени диссоциации в растворах все электролиты делятся на 2 группы: сильные и слабые.

Слабые электролиты.

Электролиты, степень диссоциации которых в растворах имеет значение меньше 0,3 (30%) и уменьшается с ростом концентрации, называют слабыми электролитами. К ним относят воду, органические кислоты и основания, ряд неорганических кислот (угольная, сернистая, синильная и др.), ограниченно растворимые в воде основания, малорастворимые соли.

В растворах слабых электролитов процесс диссоциации протекает обратимо, следовательно, к нему может быть применен закон действующих масс. Так, для процесса диссоциации кислоты

НА Н⁺ + А^- константа равновесия К_с равна

К_с = К_д =

Константа диссоциации (К_д) зависит от природы диссоциирующего вещества и растворителя, а также от температуры и не зависит от концентрации раствора.

Степень диссоциации α изменяется с концентрацией раствора. Если принять исходную концентрацию кислоты равной С, а степень диссоциации α, то зависимость между степенью диссоциации, константой диссоциации и концентрацией для слабых электролитов имеет вид:

α =

Это уравнение называется законом разбавления Оствальда. Из него следует, что степень диссоциации уменьшается с увеличением концентрации слабого электролита.

Многоосновные слабые кислоты и многокислотные слабые основания диссоциируют ступенчато, причем константа диссоциации по каждой последующей ступени, всегда на несколько порядков ниже, чем по предыдущей.

Ионные реакции в растворах

В растворах электролитов присутствуют ионы, подвижность которых выше, чем недиссоциированных молекул. Кроме того, большинство ионов обладают высокой реакционной способностью. Поэтому химические реакции в растворах протекают с высокими скоростями, и химическое равновесие устанавливается быстро.

Химические свойства раствора электролита складываются из свойств образующих его ионов. Группа электролитов, содержащая один и тот же вид ионов, обладает сходными химическими свойствами.

Основным фактором, влияющим на смещение равновесия в растворах электролитов, является изменение концентрации ионов. Поэтому обменные реакции в растворах идут в сторону образования малорастворимых веществ или слабых электролитов. Малорастворимые вещества могут выводиться из раствора в виде осадка или газа.

Экспериментальная часть

Опыт 1. В одну пробирку поместите 2 капли раствора ацетата натрия, в другую – столько же раствора хлорида аммония. В первую прибавьте 2-3 капли фосфорной кислоты, во вторую- 2-3 раствора щелочи. Испытайте на запах обе пробирки. Напишите молекулярные и ионные уравнения реакций.

Опыт 2. Поместите в две пробирки по 3 капли растворов: в одну сульфата меди (II), в другую сульфата никеля (II). Затем в каждую из пробирок прибавить по 3 капли раствора ортофосфата натрия. Отметьте цвет образовавшихся осадков и напишите молекулярно-ионные уравнения реакций.

Опыт 3. Поместите отдельно в пробирки твердые карбонаты натрия, калия, кальция, гидрокарбонат натрия и добавьте в каждую по 5-6 капель раствора фосфорной кислоты. Между какими ионами протекает реакция? Напишите ионные уравнения реакций

.

Опыт 4. Поместите в две пробирки по 2-3 капли раствора аммиака и добавьте по одной капле раствора фенолфталеина. В одну пробирку внесите микрошпателем несколько кристаллов соли хлорида аммония и хорошо взболтайте. Объясните изменение окраски раствора при введении соли хлорида аммония. Напишите уравнение диссоциации гидроксида аммония и константу диссоциации. Что надо добавить к раствору слабого основания, чтобы сместить равновесие в сторону образования малодиссоциированных молекул?

Контрольные вопросы

1) Что такое электролитическая диссоциация?

2) В каких пределах изменяется степень электролитической диссоциации?

3) Что такое константа диссоциации и что она характеризует?

4) Какие вещества называют электролитами?

5) Какие электролиты относят к сильным? А какие к слабым? Привести примеры.

6) В каком случае реакции в растворах электролитов проходят полностью?

7) Определить степень диссоциации уксусной кислоты в 0,2н растворе.

8) Константа диссоциации бинарного слабого электролита равна 0,0001. При какой концентрации степень диссоциации этого электролита достигнет 10%?

9) Смешаны растворы веществ: а) карбоната натрия и хлорида бария; б) сульфата железа (П) и сульфида аммония. Составьте молекулярные и ионные уравнения реакций взаимодействия этих веществ.

9 ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 9. КОЛЛОИДНЫЕ РАСТВОРЫ

Цель: Получить коллоидные растворы, исследовать их коагуляцию под действием электролита, изучить эффект Тиндаля.

Теоретическая часть

Коллоидные системы относятся к дисперсным системам – системам, где одно вещество в виде частиц различной величины распределено в другом. Дисперсные системы чрезвычайно многообразны; практически всякая реальная система является дисперсной. Дисперсные системы классифицируют, прежде всего, по размеру частиц дисперсной фазы (или степени дисперсности); кроме того, их разделяют на группы, различающиеся по природе и агрегатному состоянию дисперсной фазы и дисперсионной среды. 

По степени дисперсности выделяют обычно следующие классы дисперсных систем:

Грубодисперсные системы – системы, размер частиц дисперсной фазы в которых превышает 10^-7 м.

Коллоидные системы – системы, размер частиц дисперсной фазы в которых составляет 10^-7 – 10^-9 м. Коллоидные системы характеризуются гетерогенностью, т.е. наличием поверхностей раздела фаз и очень большим значением удельной поверхности дисперсной фазы. Это обусловливает значительный вклад поверхностной фазы в состояние системы и приводит к появлению у коллоидных систем особых, присущих только им, свойств. 

Коллоидные системы по степени дисперсности занимают промежуточное положение между истинными растворами (молекулярно- или ионно-дисперсными системами) и грубодисперсными системами. Поэтому коллоидные растворы могут быть получены либо путем ассоциации (конденсации) молекул и ионов истинных растворов, либо дальнейшим раздроблением частиц дисперсной фазы грубодисперсных систем.

Методы получения коллоидных растворов также можно разделить на две группы: методы конденсации и диспергирования. Еще одним необходимым для получения золей условием, помимо доведения размеров частиц до коллоидных, является наличие в системе стабилизаторов – веществ, препятствующих процессу самопроизвольного укрупнения коллоидных частиц.

Строение коллоидной мицеллы.

Лиофобные коллоиды обладают очень высокой поверхностной энергией и являются, поэтому термодинамически неустойчивыми; это делает возможным самопроизвольный процесс уменьшения степени дисперсности дисперсной фазы (т.е. объединение частиц в более крупные агрегаты) – коагуляцию золей. Тем не менее, золям присуща способность, сохранять степень дисперсности – агрегативная устойчивость, которая обусловлена, во-первых, снижением поверхностной энергии системы благодаря наличию на поверхности частиц дисперсной фазы двойного электрического слоя и, во-вторых, наличием кинетических препятствий для коагуляции в виде электростатического отталкивания частиц дисперсной фазы, имеющих одноименный электрический заряд.

Строение структурной единицы лиофобных коллоидов – мицеллы – может быть показано лишь схематически, поскольку мицелла не имеет определенного состава. Рассмотрим строение коллоидной мицеллы на примере гидрозоля иодида серебра, получаемого взаимодействием разбавленных растворов нитрата серебра и иодида калия:

AgNO₃ + KI  →  AgI + KNO₃

Коллоидная мицелла золя иодида серебра образована микрокристаллом иодида серебра, который способен к избирательной адсорбции из окружающей среды катионов Ag⁺ или иодид-ионов. Если реакция проводится в избытке иодида калия, то ядро будет адсорбировать иодид-ионы; при избытке нитрата серебра микрокристалл адсорбирует ионы Ag⁺. В результате этого микрокристалл приобретает отрицательный, либо положительный заряд; ионы, сообщающие ему этот заряд, называются потенциалопределяющими, а сам заряженный кристалл – ядром мицеллы. Заряженное ядро притягивает из раствора ионы с противоположным зарядом – противоионы; на поверхности раздела фаз образуется двойной электрический слой. Некоторая часть противоионов адсорбируется на поверхности ядра, образуя адсорбционный слой противоионов; ядро вместе с адсорбированными на нем противоионами называют коллоидной частицей или гранулой. Остальные противоионы, число которых определяется, исходя из правила электронейтральности мицеллы, составляют диффузный слой противоионов; противоионы адсорбционного и диффузного слоев находятся в состоянии динамического равновесия адсорбции – десорбции.

Схематически мицелла золя иодида серебра, полученного в избытке иодида калия (потенциалопределяющие ионы – анионы I^–, противоионы – ионы К⁺) может быть изображена следующим образом:

{[AgI]_m · nI^– · (n-x)K⁺}^x– · x K⁺

При получении золя иодида серебра в избытке нитрата серебра коллоидные частицы будут иметь положительный заряд:

{[AgI]_m · nAg⁺ · (n-x)NO₃^–}^x+ · x NO₃^–

Экспериментальная часть

Опыт 1. Получение золя гидроксида железа (III).

Приготовьте 50 мл кипящей дистиллированной воды и влейте в нее 3-5 мл 2% раствора FeCl₃. Получается коллоидный раствор красно-коричневого цвета. Исследуйте раствор на наличие эффекта Тиндаля.

Напишите уравнение реакции гидролиза FeCl₃ и строение мицеллы золя Fe(ОН)₃.

Укажите способы получения данных золей. Полученный золь сохраните для опыта №2,4.

Опыт 2. В три цилиндрические пробирки возьмите по 1 мл коллоидного раствора гидроксида железа, приготовленного в опыте 1. Затем в каждую пробирку прибавьте по каплям до появления мути или осадка следующие растворы солей: в первую пробирку NaCl, во вторую Na₂SO₄ и в третью Na₃PO₄.

В какой пробирке коагуляция протекает быстрее? Почему?

Опыт 3. Изменение знака заряда коллоида в зависимости от способа получения.

Возьмите 1 мл 0,01н раствора азотнокислого серебра и добавьте из пипетки по каплям 0,1 мл 0,01н раствора иодида калия. Образуется золь с положительно заряженными частицами. В другую пробирку налейте 1 мл раствора иодида калия и добавьте по каплям из пипетки 0,1 мл 0,01н раствора азотнокислого серебра. Образуется золь с отрицательно заряженными частицами. Определите заряд коллоидной частицы методом капиллярного анализа. Он основан на том, что целлюлозные стенки капилляров фильтровальной бумаги заряжаются отрицательно, а пропитывающая бумагу вода - положительно. Нанесите на листок фильтровальной бумаги каплю исследуемого золя. Опишите результаты наблюдений и объясните их.

Опыт 4. Диализ золя гидроксида железа (III).

Возьмите золь, полученный в опыте № 1, и налейте его в полиэтиленовый мешочек. Затем опустите этот мешочек на 2/3 в стакан с дистиллированной водой; воду периодически меняйте до тех пор, пока в отдельно взятой порции воды ионы хлора будут обнаруживаться лишь по слабому помутнению раствора от прибавления нескольких капель раствора нитрата серебра.

Контрольные вопросы

1) На какие группы делятся все методы получения золей. Что является основанием для такого деления?

2) Назовите необходимые условия для получения коллоидных систем по любому из методов синтеза.

3) На чем основаны конденсационные методы получения золей?

4) Для чего применяют диализ? Объяснить принцип работы диализатора.

5) Чем строение мицеллы отличается от строения коллоидной частице?