Физическая химия в дорожном материаловедении. Лабораторный практикум для студентов направления подготовки 08.03.01 «Строительство» профиль «Производст

По закону Кольрауша (закон независимости движения ионов)

= H+ + CH3COO- , (4.9)

где H+ , CH3COO- – подвижности соответствующих ионов (данные справочника физико-химических величин).

b 1

0

Рисунок 4.1 - Уравнение Кольрауша (4.9) в графической форме

2. Измерение сопротивления электролитов с использованием реохордного

моста Р -38

Передняя панель реохордного моста изображенная на рисунке 4.2.

Измерение неизвестного сопротивления проводят в следующем порядке.

31

Рисунок 4.2 - Схема установки

1.Вилку 3 прибора включают в сеть сменного тока. При этом загорается сигнальная лампочка 2.

2.Выключатель 1 (питание) ставят в позицию (переменный ток).

3.К клеммам Х подключают сосуд с раствором для измерения сопротивления.

4.Устанавливают выключатель 7 гальванометра в положение «грубо» и

уравновешивают мост вращением рукояток рычага измерения сравнения 4 и

реохорда 6, (мост считается уравновешенным, когда стрелка гальванометра установленная на нулевом делении). Потом выключатель гальванометра переводят в положение «точно» и вращением рукоятки 5 уравновешивают мост.

5.Величина неизвестного сопротивления рассчитывается по формуле

Rx=n•Rcp,

где n – показатель шкалы реохорда 3;

Rcp – сопротивление рычага сравнения 4.

6. По окончанию измерений выключатель 1 ставят в нейтральное положение, а выключатель 7 в положение К3.

32

3. Определение постоянной сосуда для измерения электропроводности

Для определения постоянной сосуда К обычно берут 0.02н или 0.01н

раствор KCl. Раствор KCl готовят с химически чистого KCl, прожаренного при температуре темно – красного каления, которая сохраняется в эксикаторе над серной кислотой. Вода для растворения KCl должна быть повторно перегнана.

В сосуд для измерения электропроводности наливают раствор KCl в

количестве, достаточном для полного погружения электродов.

Сосуд с раствором, погружают к термостат, ожидая 10-15 минут (до достижения раствором температуры термостата) и измеряют сопротивление раствора вышеописанным методом

По измеренному сопротивлению раствора KCl и его удельной электропроводности при температуре опыта рассчитывают постоянную сосуда по уравнению 4.12:

Таблица 4.1 - Зависимость удельной электропроводности раствора KCl от температуры

Значение удельной электропроводности раствора KCl при разных

температурах приведены в таблице 4.1.

33

По окончанию определения постоянной посуды К раствор KCl выливают,

посуду тщательно промывают и заполняют исследуемым раствором. При этом необходимо следить, чтобы электроды не двигались и не нарушался покров на платиновой черни, так как это может привести к изменению постоянной сосуда.

4. Определение электропроводности растворов уксусной кислоты и расчет

степени и константы диссоциации

Вылив из сосуда раствор хлористого калия, ополаскивают ее сначала дистиллированной водой, а потом 1н раствором уксусной кислоты и заполняют им сосуд для измерения электропроводности. Измеряют сопротивление растворов методом, описанным в п.2. Заменяют раствор в сосуде новой порцией и измерения повторяют.

Результаты заносят в таблицу 4.2. Выливают из сосуда 1н раствор уксусной кислоты, ополаскивают его 0.5н раствором кислоты и заполняют измерительный сосуд раствором хлористого калия, измеряя электропроводность.

Измерения повторяют три раза, каждый раз заменяя раствор новым.

Нужно следить, чтобы электроды не сдвинулись друг относительно друга,

иначе изменится константа сосуда.

Описанную операцию проделывают еще два раза, определяют сопротивление 0.25 и 0.125н растворов исследуемого электролита. Каждый раствор перед измерением выдерживают 10-15 мин. в термостате.

Закончив измерения, по формуле (4.8) рассчитывают удельную электропроводность всех четырех растворов, а по формуле (4.5) – их эквивалентную электропроводность.

По полученным результатам строят кривые зависимости удельной и эквивалентной электропроводность от разбавления, откладывая разбавление по оси абсцисс, а соответствующие значения электропроводность – по оси ординат.

34

Из справочника берут значения подвижностей ионов Н+ и СН3СОО- при температуре опыта и по формуле (4.9) определяют предельную электропроводность.

Далее по формуле (4.4) рассчитывают степень диссоциации электролита для каждой из исследованных концентрации.

Константу диссоциации рассчитывают по формуле (4.2). Результаты расчетов записывают в таблицу 4.2.

Таблица 4.2 - Определение электропроводности растворов СН3СООН и расчет степени и константы диссоциации

СДЕЛАЙТЕ ВЫВОД!

ВОПРОСЫ ДЛЯ ЗАЩИТЫ ЛАБОРАТОРНОЙ РАБОТЫ:

1.Что такое электропроводность?

2.Что такое удельная электропроводность?

3.Что такое эквивалентная электропроводность?

4.Почему мы должны определять постоянную прибора?

5.Как изменится удельная электропроводность с разбавлением раствора? Почему?

6.Как изменится эквивалентная электропроводность с уменьшением концентрации раствора слабого электролита? Почему?

35

7.Что такое степень диссоциации?

8.Как изменится степень диссоциации с разбавлением раствора?

Почему?

9.Как изменится константа диссоциации с разбавлением раствора?

Почему?

10.От чего зависит константа диссоциации?

Лабораторная работа №5

ИЗУЧЕНИЕ КИНЕТИКИ РЕАКЦИИ ОКИСЛЕНИЯ ЙОДИСТОГО ВОДОРОДА, ПЕРОКСИДА ВОДОРОДА ПРИ ТРЕХ ТЕМПЕРАТУРАХ В

УСЛОВИЯХ ТЕРМОСТАТИРОВАНИЯ

Целью работы является определение константы скорости реакции окисления йодистоводородной кислоты перекисью водорода, зависимости константы скорости реакции от температуры.

Теоретическая часть

Химическая кинетика – учение о скоростях химических реакций.

Реакция, протекающая в одну стадию, называется элементарной химической реакцией.

Реакции, протекающие в однородной среде называются гомогенными, в

неоднородной – гетерогенными. Закономерности протекания гомогенных и гетерогенных реакций различны.

Скорость реакции меняется во времени, поэтому различают истинную и среднюю скорость реакции.

Истинная скорость реакции: dcdt .

Средняя скорость: ct .

Рассмотрим гомогенную элементарную химическую реакцию вида:

36

Количественная зависимость скорости химической реакции от концентрации выражается основным постулатом химической кинетики:

скорость гомогенной реакции при постоянной температуре пропорциональна произведению концентраций реагирующих веществ, взятых в степени равной стехеометрическому коэффициенту.

Его также называют законом действия масс.

где k – константа скорости химической реакции;

А1 , А2 А3 – концентрации реагирующих веществ;

n1, n2, n3….– порядок реакции по реагентам А1 , А2 А3 соответственно. Полный порядок реакции n = n1 + n2 + n3 +…

Константа скорости для каждой реакции при постоянной температуре является величиной постоянной, численно равной скорости реакции при концентрациях реагирующих веществ равных единице.

Константа скорости химической реакции, как и скорость, зависит от природы реагирующих веществ, температуры, наличия катализатора, но не зависит от концентрации.

Пример: синтез аммиака является гомогенной реакцией, протекающей в газовой фазе:

k

N2 г 3H2 г 2NH3 г

k

Скорость прямой реакции:

37

Для реакций, протекающих в газовой фазе, давление является величиной

пропорциональной концентрациям, поэтому:

где pN 2 , pH 2 парциальные давления азота и водорода в системе.

Молекулярность реакции - число молекул, одновременное взаимодействие которых приводит к химическому преобразованию.

Реакции делятся на мономолекулярные, в элементарном акте принимают участие одна молекула, бимолекулярные (реагируют две одинаковые или разные молекулы), тримолекулярные (реагируют три молекулы).

Скорость химических реакций измеряется изменением концентрации реагирующих веществ в единицу времени (обычно за 1 мин.).

Скорость реакции зависит от температуры, природы реагирующих веществ, их концентрации (точнее активности), от природы и количества катализатора.

Однако эти факторы влияют на скорость гомогенных и гетерогенных реакций по-разному. Для гомогенных реакции по закону действующих масс скорость реакции прямопропорциональна произведению концентраций реагирующих веществ.

Поэтому скорость мономолекулярной реакции рассчитываем по формуле:

38

Преобразив это выражение, получим уравнение (5.9) для расчета

константы скорости мономолекулярной реакции:

где k- константа скорости реакции; a- начальная концентрация вещества;

x- изменение концентрации вещества за промежуток времени ; 2.303 – модуль прехода от натуральных логарифмов к десятичным.

Скорость бимолекулярной реакции:

Отсюда получаем следующее выражение (5.11) для расчета константы скорости бимолекулярной реакции:

где а и b – начальные концентрации веществ.

Тримолекулярные реакции очень редки.

Реакции, константы скорости которых, описываются уравнениями (5.9) и

(5.11), называются реакциями первого и второго порядка соответственно.

Константа скорости или удельная скорость реакции есть величина постоянная, характерная для данной реакции, численно равная скорости реакции при концентрации реагирующих веществ, равных единице. Константа скорости зависит от тех же факторов, что и скорость реакции, за исключением,

разумеется, концентрации. При повышении температуры на 10ºС константа скорости, а следовательно, и скорость реакции увеличивается в 2-4 раза, т.е.

температурный коэффициент скорости:

Последний связан с величиной энергии активации по приближенной

где R – универсальная газовая постоянная;

B – константа.

Бимолекулярные и тримолекулярные реакции, в которых изменяется концентрация только одного из реагирующих веществ, при практически постоянной концентрации других (например, при избытке их), протекают по типу мономолекулярной реакции, называются псевдомолекулярнымии и являются реакциями первого порядка.

К числу таких реакций относятся, например, гидролиз (инверсия)

тростникового сахара, гидролиз сложных эфиров в присутствия катализаторов

(ионов Н+ ) и прочие.

Катализаторы – вещества, которые изменяют скорость реакции, и сами в конце реакции остаются химически неизменными.

Количество катализатора может быть очень незначительным по сравнению с количеством реагирующих веществ.

Положительные катализаторы, или просто катализаторы, ускоряют реакцию; отрицательные, или ингибиторы – замедляют ее.

Катализаторам свойственна специфичность, т.е. способность ускорять только определенную реакцию или группу определенных реакций.

Посторонние вещества могут или ослаблять действие катализатора (яды),

либо усиливать его (промоторы или активаторы), либо не осуществлять никакого влияния на действие катализаторов.

40