599

Таблица 2.1

Определение степени и константы гидролиза соли

2. ХИМИЧЕСКОЕ РАВНОВЕСИЕ

Вопросы к коллоквиуму

1.Закон действия масс. Константа равновесия.

2.Принцип Ле-Шателье. Связь максимальной работы с константой равновесия.

3.Уравнение изотермы химической реакции; его анализ. Нормальное (стандартное) химическое сродство.

4.Уравнения изобары и изохоры химической реакции. Интегрирование уравнения изобары химической реакции.

11

Лабораторная работа № 3

Определение константы химического равновесия в гомогенной системе

Цель работы: ознакомиться с основными свойствами обратимых реакций и химического равновесия в жидкой фазе на примере реакции

CH3COOH + C2H5OH ↔ CH3COOC2H5 + H2O.

Методические указания к выполнению работы

Изучаемая реакция при комнатной температуре протекает медленно. Поэтому ее проводят при 70…80 °С в присутствии соляной кислоты HCI в качестве катализатора, в течении 4…3 часов. Чтобы низкокипящие вещества не улетучивались при нагревании, реакцию проводят в колбах, снабженных обратными холодильниками. Теплота образования этилацетата очень мала, поэтому константа равновесия этой реакции, как это следует из уравнения Вант-Гоффа, практически не зависит от температуры. За изменением состава смеси следят по изменению в ней концентрации кислоты в течении реакции. Изучение равновесия реакции осуществляется измерением скоростей прямой и обратной реакции при различных исходных концентрациях CH3COOH (для прямой реакции) и CH3COOC2H5 (для обратной). За измерением концентрации реагирующих веществ следят до тех пор пока не наступит равновесие.

Порядок выполнения лабораторной работы

1.Взять 4 сухих колбы емкостью 50 см3 и присоединить к ним обратные холодильники, укрепленные в штативах.

2.Пронумеровать колбы и в каждую налить из бюретки:

в колбу № 1: 15 см3 4 н. раствора уксусной кислоты, 5 см3 0,5 н. раствора HCI, 5 см3 этилового спирта;

в колбу № 2: 15 см3 2 н. раствора уксусной кислоты, 5 см3 0,5 н. раствора HCI, 5 см3 этилового спирта;

в колбу № 3: 15 см3 дистиллированной воды, 5 см3 0,5 н. раствора HCI, 5 см3 этилацетата.

12

в колбу № 4: 12 см3 дистиллированной воды, 5 см3 0,5 н. раствора HCI, 3 см3 этилацетата.

3.Соединить каждую колбу с холодильником и пустить в него воду. Поместить каждую колбу на водяную баню с температурой 70…80 ºС. Интервал между помещением колб на водяную баню - 10…15 минут. Нагревать колбы в течение 2 часов.

4.Определить точную концентрацию соляной и уксусной кислот, используемых для составления смеси. Для этого взять 1 см3 уксусной кислоты и отдельно 5 см3 HCI и титровать 0,5 н. раствором NaOH в присутствии фенолфталеина.

5.После 2 часов нагревания колбы № 1, взять из колбы первую пробу. Для этого колбу с холодильником вынуть из водяной бани и поместить в ледяную воду, для того чтобы понизить давление паров смеси и избежать потери вещества и изменения состава смеси при от-

боре пробы. После охлаждения смеси отсоединить холодильник. Пипеткой отобрать 1 см3 смеси для анализа. Взятую пробу вылить в колбу Эрленмейера, в которую предварительно налить 50 см3 ледяной дистиллированной воды (ледяная вода должна приостановить реакцию и фиксировать момент, к которому относится измерение скорости).

Затем присоединить холодильник к колбе, поместить ее обратно

вводяную баню. Во взятой пробе определить концентрацию кислоты титрованием 0,5 н. раствором NaOH в присутствии фенолфталеина.

6.Через 30 минут после отбора первой пробы взять повторную пробу и оттитровать ее. Пробы брать через каждые 30 минут пока ре-

зультаты титрования последних двух проб не совпадут между собой в пределах 0,1…0,2 см3 0,5 н. раствора NaOH. Это момент наступления равновесия и окончание опыта с данной смесью.

7.Анализ смеси в колбах № 2, № 3, № 4 провести аналогично

(пункты 5 и 6).

8. Расчет константы равновесия провести исходя из количества взятых веществ и концентрации уксусной и соляной кислот в равновесной смеси.

Порядок расчета константы равновесия прямой реакции

Обозначим индексами: «у.к.» – уксусная кислота, «с.к.» – соляная кислота, «сп.» – этиловый спирт, «э» – этилацетат, «в» – вода.

13

1. Исходную концентрацию уксусной кислоты в смеси определить по формуле:

V

где N – нормальность исходного раствора уксусной кислоты, определенная титрованием, моль/дм3;

V – общий объем смеси, см3;

Vу.к. – объем уксусной кислоты взятый для составления исходной смеси, см3.

2. Исходную концентрацию спирта определить по формуле:

где Vсп. – объем спирта взятый для составления исходной смеси, см3; dсп. – плотность спирта; dсп. = 0,789 г/см3;

Мсп. – молярная масса спирта, г/моль; V – общий объем смеси, см3.

3. Исходное содержание воды, моль/дм3, определить по форму-

ле:

где Vу.к., Vс.к. – объемы соответственно уксусной и соляной кислот, взятые для составления исходной смеси, см3;

dс.к. – плотность соляной кислоты; dс.к. = 1,007 г/см3;

aу.к., aсп. – содержание соответственно уксусной кислоты и спирта в данном объеме, доли единицы;

Мв. – молярная масса воды, г/моль 4. Концентрацию уксусной кислоты в равновесной смеси опре-

делить по формуле:

где С - суммарная концентрация уксусной и соляной кислот в равновесной смеси после реакции, моль/дм3;

Сс.к. – концентрация взятой соляной кислоты, моль/дм3.

5. Концентрацию этилацетата в равновесной смеси рассчитать

как:

6. Концентрацию спирта в равновесной смеси рассчитать как:

14

Порядок расчета константы равновесия обратной реакции

Обозначим: Vэ – исходный объем этилацетата, см3; dэ – плотность этилацетата, 0,901 г/см3; Мэ. – молекулярная масса этилацетата, г/моль; Vв. – объем воды в исходной смеси, см3.

1. Начальную концентрацию этилацетата в исходной смеси рассчитать как:

3. Равновесную концентрацию уксусной кислоты определить по формуле:

4. Равновесную концентрацию спирта определить как:

Ссп. = Су.к. , моль/дм3 . (3.12) 5. Концентрацию этилацетата в равновесной смеси определить

как:

Су.к. Ссп.

1.Экспериментальные данные и результаты расчетов записать в табл. 3.1, 3.2 и 3.3.

15

10. Сделать вывод о свойствах химического равновесия исследуемой обратимой реакции по значениям величин констант равновесия прямой и обратной реакции.

16

3. ФАЗОВЫЕ РАВНОВЕСИЯ И СВОЙСТВА РАСТВОРОВ

Вопросы к коллоквиуму

1.Законы Рауля. Определение молекулярной массы растворенного вещества криоскопическим методом.

2.Осмотическое давление. Закон Вант-Гоффа.

3.Идеальные и реальные растворы. Изотонический коэффици-

ент.

4.Закон Коновалова. Азеотропные смеси.

5.Диаграммы: температура-состав, давление-состав. Правило

рычага.

6.Основы перегонки жидкости.

7.Правило фаз Гиббса.

8.Диаграмма состояния однокомпонентной системы.

9.Диаграммы состояния двухкомпонентной системы «кристаллы - жидкость» с простой эвтектикой. Термический анализ.

10.Диаграмма состояния трехкомпонентной системы.

Лабораторная работа № 4

Изучение равновесия в двухкомпонентной системе «жидкость-пар»

Цель работы: изучить равновесие в двухкомпонентной системе «жидкость-пар», построить диаграмму состояния «состав раствора – температура кипения».

Методические указания к выполнению работы

Диаграмма равновесия двухкомпонентной системы «жидкость – пар» в координатах «температура – состав» при постоянном давлении показана на рис. 2.

Точки Т0А и Т0В – температуры кипения соответствующих чистых компонентов А и В. Верхнее поле на диаграмме отвечает пару, нижнее – жидкости. Нижняя кривая характеризует зависимость температуры кипения раствора от его состава (концентрации). Верхняя кривая показывает состав пара, находящегося в равновесии с жидко-

17

стью при температуре его кипения. Между этими кривыми находится область гетерогенного равновесия «жидкость – пар».

Измерение показателя преломления на рефрактометре ИРФ-45462м.

1.Установить окуляр. Для этого вывинтить окуляр до упора, повернуть его по часовой стрелке пока перекрестие в верхней части и шкалу в нижней части освещенного поля зрения не будет видно резко.

2.Установить освещение. Для этого рефрактометр установить так, чтобы свет падал на входное окно осветительной призмы (верхней) или на зеркало, которым направить свет во входное окно измерительной призмы (нижней).

3.Установить образец. Для этого на чистую полированную поверхность измерительной призмы (нижней) стеклянной палочкой или пипеткой осторожно, не касаясь призмы, нанести 2…3 капли жидкости. Опустить осветительную призму (верхнюю) и прижать ее крючком.

Измерение прозрачных жидкостей проводить в проходящем свете, когда он проходит через открытое окно осветительной призмы (верхней), при этом окно измерительной призмы (нижней) закрыть зеркалом.

4.Измерить показатель преломления. Для этого после установки исследуемого образца на измерительной призме установить окуляр на отчетливую видимость перекрестия. Поворотом зеркала добиться наилучшей освещенности шкалы. Вращением моховика нижней границы светотени ввести в поле зрения окуляра. Вращать верхний маховик до исчезновения окраски граничной линии. Наблюдая в окуляр, нижним маховиком навести границу светотени точно на перекрестия

ипо шкале показателей преломления снять отсчет.

18

Цена деления шкалы – 5,10. Целые, десятые, сотые и тысячные доли отсчитывать по шкале, десятитысячные доли оценивать на глаз.

5. Очистить призмы. Поверхность призм чистить после каждого измерения. Окончив отсчет поднять измерительную призму и фильтровальной бумагой удалить жидкость с рабочих поверхностей призм и оправ. Полированную грань вытирать без нажима. После этого призмы протереть салфеткой, смоченной спиртом или эфиром пока поверхность призмы не станет блестящей.

Измерение показателя преломления на рефрактометре портативном “Карат-МТ”.

1.Установить окуляр. Для этого вывинтить окуляр до упора, повернуть его по часовой стрелке так, чтобы был виден резко штрих сетки.

2.Установить освещение. Для этого рефрактометр установить так, чтобы свет падал на входное окно осветительной призмы.

3.Установить образец. Для этого на чистую полированную поверхность измерительной призмы стеклянной палочкой или пипеткой осторожно, не касаясь призмы, нанести 3…4 капли жидкости и опустить осветительную призму. Измерение прозрачных жидкостей проводить в проходящем свете, когда свет проходит через открытое окно осветительной призмы, при этом окно измерительной призмы закрыть крышкой.

4.Измерить показатель преломления. Для этого после установки исследуемого образца на измерительной призме навести окуляр на резкость (отчетливо виден штрих). Вращать маховик «И», пока граница светотени не попадет в поле зрения окуляра. Вращать маховичок компенсатора «К» до исчезновения окраски граничной линии. Наблюдая в окуляр, маховичком «И» навести границу светотени точно на линию штриха. Снять отсчет. Целые, десятые, сотые, тысячные доли - отсчитывать по шкале. Десятитысячные – на глаз.

5.Очистить призмы. Поверхность призм очистить перед и после измерения. Для этого фильтровальной бумагой протереть рабочие поверхности призм и оправ.

Порядок выполнения лабораторной работы

1. Приготовить десять растворов смеси двух органических жидкостей толуола C6H5CH3 и хлороформа CHCl3 следующего состава.

19

Смеси готовят в сухих конических колбах с притертыми пробками.

2.Измерить показатели преломления чистых жидкостей и растворов известного состава с помощью рефрактометра.

3.Построить калибровочную кривую – кривую зависимости показателя преломления от состава раствора. Калибровочную кривую использовать для определения состава раствора неизвестной концентрации по его показателю преломления.

4.Определить температуру кипения чистых компонентов и их

смесей с помощью прибора изображенного на рис. 3. Для этого в колбу 1 налить 40 см3 жидкости и поместить фарфоровые кусочки (кипелки). Кипелки способствуют равномерному кипению жидкости и предотвращают ее перегрев.

Колбу закрыть пробкой с термометром таким образом, чтобы шарик термометра был погружен в жидкость. Колбу соединить с холодильником, пустить в него воду и медленно нагревать колбу.

Рис. 3. Установка для определения температуры кипения органических жидкостей:

1 – колба с жидкостью, помещенная в водяную баню; 2 – термометр; 3 – водяной холодильник в положении для конденсации пара; 4 – холодильник в положении для отбора конденсата

20