Химическая технология. Методические указания

p – давление газа, Па; V – объем газа, м3;

R – универсальная газовая постоянная, 8,314 Дж/моль∙К T – абсолютная температура, К;

m – масса вещества, г;

M – молярная масса вещества, г/моль.

Закон Дальтона. Давление, оказываемое смесью газов, равно сумме парциальных давлений отдельных газов, входящих в состав смеси.

Парциальным давлением называют давление компонента смеси, которое он создавал бы, находясь один в занимаемой смесью объеме при той же температуре:

рсм = р1 + р2 + р3 + ... + рn = Σрi.

3.1 Определение молярной массы

Определение молярной массы металла методом вытеснения водорода проводится на приборе, который называется эвдиометром (рисунок 2).

Рисунок 2 – Эвдиометр: 1 – вертикальная стеклянная трубка, на которую нанесены деления в мл; 2 – уравнительный сосуд; 3 – склянка Оствальда

1. Не присоединяя склянку Оствальда, с помощью уравнительного сосуда доводят уровень воды в бюретке примерно до нулевой отметки (по нижнему мениску).

11

2.Присоединяют склянку Оствальда к эвдиометру и проверяют прибор на герметичность. Для этого опускают уравнительный сосуд так, чтобы уровень воды в нем был ниже уровня в бюретке на 15–20 см. При опускании уравнительного сосуда уровень воды в бюретке немного понижается. Если в течение 1–2 мин дальнейшего понижения не происходит, прибор можно считать герметичным. Если уровень воды при опускании уравнительного сосуда падает постоянно, прибор негерметичен. После проверки на герметичность склянку Оствальда снимают.

3.Образец металла помещают в одно из колен склянки Оствальда.

4.Отмеряют с помощью мерного цилиндра 10–12 мл раствора соляной кислоты и аккуратно переливают его в другое колено склянки Оствальда.

5.Присоединяют склянку Оствальда к эвдиометру.

6.Устанавливают одинаковые уровни жидкости в бюретке и уравнительном сосуде. Заносят в таблицу 1 начальное значение уровня жидкости в бюретке.

7.Наклоняют склянку Оствальда, перелив кислоту в то колено, в котором находится металл. Наблюдают растворение металла и выделение водорода, который вытесняет из бюретки воду. Если реакция идет медленно, подогревают реакционную смесь пламенем спиртовки, равномерно обогревая колено склянки Оствальда, не допуская бурного вскипания раствора кислоты. Как только водород начинает интенсивно выделяться, нагрев прекращают. После окончания реакции ждут несколько минут, пока температура раствора не сравняется

скомнатной.

Таблица 1 – Результаты эксперимента

Результаты эксперимента Масса металла, г

Начальный уровень воды в бюретке, мл Конечный уровень воды в бюретке, мл Объем выделившегося водорода, мл и м3 Температура, t, °С и Т, К

Атмосферное давление, Р, мм рт. ст. и Па

Давление паров воды при данной температуре, PН2О Па (см. приложение)

Парциальное давление водорода, PH2, Па

12

8.После прекращения выделения водорода опускают уравнительный сосуд так, чтобы уровень жидкости в сосуде и измерительной бюретке совпадал и определяют положение уровня воды в бюретке, которое записывают в таблицу 1.

9.С помощью термометра и барометра фиксируют температуру и давление, при которых проводился эксперимент.

3.2 Расчет молярной массы металла

1 В условиях опыта водород собирается над водой, поэтому общее давление газа в бюретке равно сумме парциальных давлений водорода и водяного пара (приложение 1). Вычисляют парциальное давление водорода с точностью до трех значащих цифр: PH2 = P - PH2O .

2 Вычисляют количество вещества выделившегося водорода двумя способами:

а) по уравнению Клапейрона–Менделеева:

PН2VН2 =nН2 RT;

б) по объему выделившегося водорода при нормальных усло-

виях.

Приведение объема водорода к нормальным условиям проводится по уравнению Клапейрона:

P0V0 (H2 ) = PH2VH2 .

T0 T

Количество вещества водорода вычисляется по формуле

nН2 =V0V(H2 ).

m

Значения количества вещества водорода, вычисленные двумя способами, должны совпадать.

3 Подставляя различные значения степени окисления z (1, 2,

3) в уравнение Mмет = zmмет , вычисляют соответствующие значения

2nН2

молярной массы металла. Сравнивая полученные значения молярной массы с приведенными в Периодической системе, определяют металл.

13

4.Рассчитают относительную ошибку полученного значения молярной массы металла. Относительная ошибка равна отношению взятой по модулю разности между истинной и определенной величиной молярной массы металла к истинному значению величины молярной массы металла (в %).

5.Записывается уравнение проведенной реакции.

14

4 Тепловые эффекты процессов

Тепловой эффект реакции – количество теплоты, которое выделяется или поглощается при химической реакции.

Химические уравнения реакций, в которых указывается тепловой эффект, называют термохимическими.

Экзотермическая реакция – термохимическая реакция, протекающая с выделением теплоты (+Q).

Эндотермическая реакция – термохимическая реакция, протекающая с поглощением теплоты (–Q).

При химических процессах может выделяться или поглощаться не только тепловая, но и другие виды энергии: электрическая, световая, механическая и др.

Определение теплового эффекта проводится с использованием калориметра, представленного на рисунке 3.

Рисунок 3 – Калориметр

4.1 Определение теплового эффекта реакции нейтрализации

1  Опускают во внутренний стакан сердечник магнитной мешалки, помещают стакан во внешний стакан калориметра и закрывают калориметр крышкой. Отмеряют мерным цилиндром 50 мл раствора одноосновной кислоты и через отверстие в крышке заливают кислоту во внутренний стакан калориметра, после чего закрывают отверстие крышечкой. В другой цилиндр наливают 50 мл раствора щелочи и ставят его рядом с калориметром.

15

2  Опускают термометр в калориметрический стакан. Ставят калориметр на магнитную мешалку и включают в розетку (220 В) блок питания (при этом на нем должна загореться зеленая лампочка). Включают мешалку. Вращая ручку включения магнитной мешалки, добиваются оптимальной скорости вращения ее сердечника, чтобы магнитный сердечник не задевал стенки стакана и термометр.

3 Включают секундомер и начинают снимать зависимость температуры в калориметре от времени, записывая показания в таблицу 2.

В течение первых двух минут (во внутреннем стакане калориметра только кислота) записываются показания с интервалом в 30 с.

По прошествии двух минут, не отключая секундомер и мешалку, заливают через отверстие в крышке 50 мл раствора щелочи. Быстро закрывают отверстие и продолжают измерение температуры с уменьшенным интервалом – через каждые 15 с.

После того как быстрый рост температуры прекращается, записывают ее изменение еще в течение еще 3 мин с интервалом в 30 с.

Таблица 2 – Показания температуры при проведении реакции нейтрализации

Время, мин 0 0,5 1,0 1,5 2,0 2,25 2,5 2,75 3,0 3,5 4,0 4,5 5,0 5,5 6,0

Температура, °С

4 По окончании измерений выключают мешалку, достают термометр, с помощью магнитного стержня извлекают из стакана сердечник.

4.2 Определение теплового эффекта растворения соли

1 Взвешивают на бумажном фильтре 3 г соли нитрата аммония NH4NO3 с точностью 0,01 г.

2 Опускают во внутренний стакан калориметра сердечник магнитной мешалки, помещают стакан во внешний стакан калориметра и закрывают калориметр крышкой. Отмеряют мерным цилиндром 50 мл дистиллированной воды и через отверстие в крышке заливают воду во внутренний стакан калориметра и закрывают отверстие. Навеску нитрата аммония кладут рядом с калориметром.

3 Опускают термометр в калориметрический стакан. Ставят калориметр на магнитную мешалку и включают в розетку (220 В)

16

блок питания (при этом на нем должна загореться зеленая лампочка). Включают мешалку. Вращая ручку включения магнитной мешалки, добиваются оптимальной скорости вращения ее сердечника, чтобы магнитный сердечник не задевал стенки стакана и термометр.

4 Включают секундомер и начинают снимать зависимость температуры в калориметре от времени, записывая показания в таблицу 3.

В течение первых двух минут (во внутреннем стакане калориметра только вода) снимают показания с интервалом в 30 с.

По прошествии двух минут, не отключая секундомер и мешалку, засыпают через отверстие в крышке 3 г нитрата аммония. Быстро закрывают отверстие и продолжают измерение температуры с уменьшенным интервалом – через каждые 15 с.

После того как быстрый рост температуры прекращается, записывают ее изменение еще в течение 3 мин с интервалом 30 с.

Таблица 3 – Показания температуры при растворении соли

Время, мин 0 0,5 1,0 1,5 2,0 2,25 2,5 2,75 3,0 3,5 4,0 4,5 5,0 5,5 6,0

Температура, °С

5. По окончании измерений выключают мешалку, достают термометр, с помощью магнитного стержня извлекают из стакана сердечник.

4.3 Расчет теплового эффекта

1 По данным эксперимента строят график зависимости температуры от времени. На этом графике можно выделить три прямолинейных участка: горизонтальный начальный, круто поднимающийся второй и слегка наклонный третий (наклон обусловлен теплообменом калориметра с внешней средой).

2 Необходимая для вычисления теплового эффекта величина DТ определяется как вертикальный отрезок между точкой пересечения прямых, отвечающих первым двум участкам, и точкой пересечения вертикали с прямой, полученной линейной экстраполяцией (продолжением) третьего участка графика.

3. Величину Q рассчитывают по формуле, приняв в качестве допущения, что удельная теплоемкость и плотность исследуемых рас-

17

творов равны этим величинам для чистой воды: с = 4,18 кДж/(кг К) и r = 1 г/мл.

Q = T cр-раmр-ра,

где cр-ра – удельная теплоемкость раствора, кДж/(кг К); mр-ра – масса раствора, кг.

Масса раствора, полученного в опыте 1:

mр-ра =Vр-ра rр-ра ,

плотность раствораможнопринять равной плотности водыrр-ра= 1 г/мл. Масса раствора, полученного в опыте 2:

mр ра = mH2O + mNH4NO3 ;

T – изменение температуры, К.

4.1 Пересчет теплового эффекта реакции нейтрализации на один моль образующейся воды (опыт 1):

Qнейтр = nQ .

H2O

Число моль воды равно числу моль прореагировавшей щелочи (количество вещества щелочи и кислоты одинаково) и равно произведению объема раствора щелочи (л) на молярную концентрацию щелочи c (моль/л):

nH2O = nNaOH =Vc.

Составляют термохимическое уравнение реакции.

4.2 Пересчет теплового эффекта растворения соли на один моль растворяющейся соли (опыт 2):

Число моль нитрата аммония рассчитывают исходя из его массы:

18

5 Скорость химической реакции и смещение химического равновесия

По принципу однородности реакции можно разделить на два типа: протекающие в одной фазе, гомогенные, и протекающие в двух и более фазах, гетерогенные.

Фаза –- однородная часть системы, отделенная от других частей системы поверхностью раздела и имеющая во всех точках одинаковые химические и физические свойства.

Скоростью гомогенной реакции называется количество ве-

щества, вступающего в реакцию или образующегося при реакции за единицу времени в единице объема системы.

Скоростью гетерогенной реакции называется количество ве-

щества, вступающего в реакцию или образующегося при реакции за единицу времени на единице площади поверхности фазы.

Закон действующих масс. При постоянной температуре скорость химической реакции прямо пропорциональна произведению молярных концентраций реагирующих веществ.

По признаку обратимости реакции можно разделить на обратимые и необратимые.

Обратимые химические реакции – это химические реакции,

одновременно протекающие в прямом и обратном направлениях в одних и тех же условиях.

Необратимые химические реакции – это химические реак-

ции, протекающие в одном направлении до полного превращения реагирующих веществ в продукты реакции.

Для обратимых реакций направление смещения равновесия определяется с помощью принципа Ле-Шателье. Если на систему, находящуюся в равновесии, оказать какое-либо воздействие, то в результате протекающих в ней процессов равновесие сместится в таком направлении, что оказанное воздействие уменьшится.

1  При увеличении концентрации какого-либо из веществ, участвующих в равновесии, равновесие смещается в сторону расхода этого вещества; при уменьшении концентрации какого-либо из веществ равновесие смещается в сторону образования этого вещества.

2  При повышении температуры равновесие смещается в направлении эндотермической, а при понижении – в направлении экзотермической реакции.

19

3  При увеличении давления путем сжатия системы равновесие сдвигается в сторону уменьшения числа молекул газов, т.е. в сторону понижения давления; при уменьшении давления равновесие сдвигается в сторону увеличения числа молекул газов.

Зависимость скорости реакции от концентрации реагирующих веществ изучается на примере реакции тиосульфата натрия с раствором серной кислоты. При добавлении серной кислоты к раствору тиосульфата натрия протекают следующие реакции:

Реакция (1) – реакция ионного обмена, она протекает практически мгновенно. Скорость всего процесса определяется скоростью более медленной реакции разложения тиосерной кислоты (2).

Разложение тиосерной кислоты сопровождается выделением эквивалентного количества серы. Скорость реакции можно оценить, измеряя время от момента сливания растворов тиосульфата натрия и серной кислоты до появления суспензии серы. Промежуток времени t обратно пропорционален скорости реакции. Величину, обратную t, называют относительной средней скоростью реакции.

5.1 Определение зависимости скорости от концентрации

1  В три конические колбы с помощью мерных цилиндров наливают необходимые объемы растворов тиосульфата натрия с концентрацией 0,25 моль/л и воды в соответствии с таблицей 4.

2  Отмеряют с помощью мерного цилиндра 10 мл раствора серной кислоты.

3  Ставят колбу № 1 с раствором тиосульфата натрия на рисунок сетки. Заливают серную кислоту в колбу и одновременно начинают отсчет времени по секундомеру, наблюдая за раствором сверху (рисунок 4).

4 Момент исчезновения видимого рисунка сетки – конец измерений. Сразу же выливают раствор из колбы и ополаскивают ее.

5 Точно так же проделывают опыт с растворами в колбах № 2 и 3. Результаты заносят в таблицу 4.

20