Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Физическая и коллоидная химия. Методические рекомендации к лабораторные работы
.pdf
Федеральное государственное автономное
образовательное учреждение высшего образования
«РОССИЙСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ ДРУЖБЫ НАРОДОВ»
А.И. Пылинина, Е.И. Поварова
ФИЗИЧЕСКАЯ
И КОЛЛОИДНАЯ
ХИМИЯ
Методические рекомендации
к лабораторные работы
Москва
Российский университет дружбы народов
2018
УДК 544(072.8)
ББК 24.5+24.6
П94
Российского университета
У т в е р ж д е н о
РИС Ученого совета
дружбы народов
Пылинина, А. И.
П94 Физическая и коллоидная химия : методические реко-
мендации к лабораторные работы / А. И. Пылинина,
Е. И. Поварова. – Москва : РУДН, 2018. – 91 с. : ил.
Методические рекомендации содержат краткие теоретические
сведения по основным разделам «Физической и коллоидной химии», а
также подборку лабораторных работ, необходимых для успешного освоения курса.
11.04.00«Агрономия», 36.00.01 «Ветеринария».
РУДН.
ISBN 978-5-209-09045-8 © Пылинина А.И., Поварова Е.И., 2018
Предназначено для студентов, бакалавров направлений
Подготовлено на кафедре физической и коллоидной химии
© Российский университет
дружбы народов, 2018
Глава I.
ЭЛЕКТРОХИМИЯ
Лабораторная работа 1а. Определение константы дис-
социации уксусной кислоты
Краткая теория:
Проводники I рода – металлы и их расплавы, в которых
электричество переносится электронами.
Проводники II рода – растворы и расплавы электролитов
с ионным типом проводимости.
Электролиты – вещества, которые в растворе или рас-
плаве распадаются на ионы – электрически заряженные частицы, способные к самостоятельному существованию в этих
средах.
Сильные электролиты – вещества, практически полно-
стью диссоциирующие при растворении в воде (NaCl, HCl,
HNO3 и т.д.).
Слабые электролиты диссоциируют на ионы частично
(органические кислоты, вода, аммиак, сероводород). Полнота
диссоциации слабого электролита количественно характеризуется степенью диссоциации α – отношение числа молекул,
распавшихся на ионы (Nр), к общему числу молекул этого
электролита, введенных в раствор (Nо):
𝛼
Степень диссоциации α выражают в долях единицы или
в процентах. Степень диссоциации электролита зависит отконцентрации, температуры раствора, характера растворителя, присутствия в растворе одноименных ионов.
Зависимость между степенью диссоциации α, концен-
трацией С и константой диссоциации КД электролита выражается законом разведения Оствальда:
(1.1)
3
Кд
∙∙∙
∙
∙
(1.2)
где Со – концентрация кислоты до диссоциации, α – степень
диссоциации кислоты в растворе.
Для уксусной кислоты при температуре 250С КД = 1,85·10-5.
Для очень слабого электролита α<<1, и тогда величиной
α в знаменателе можно пренебречь (закон разбавления
Оствальда):
К
Кд 𝐶∙𝛼 или 𝛼
д
(1.3)
𝐶
0
Электрический ток есть упорядоченное перемещение
заряженных частиц.
Всякий проводник, по которому течет ток, представляет
для него определенное сопротивление R, которое, согласно
закону Ома, прямо пропорционально длине проводника l и
обратно пропорционально площади сечения S; коэффициентом пропорциональности является удельное сопротивление
материала ρ – сопротивление проводника, имеющего длину 1
см и сечение 1см2:
𝑅 𝜌∙
(1.4)
где ρ – удельное сопротивление, (Ом·м).
Величина W, обратная сопротивлению, называется элек-
тропроводностью – количественной меры способности рас-
твора электролита проводить электрический ток и зависит от
геометрических параметров проводника:
𝑊
∙
æ∙
(1.5)
4
где æ – удельная электропроводность, количественная
характеристика способности проводников проводить электрический ток (Ом-1·см-1) или (См·м-1) (См – сименс). При l
=1 см и S = 1 см2 следует, что æ = W. Физический смысл
удельной электропроводности – это электропроводность
проводника длиной 1 см с площадью поперечного сечения 1
см2.
Зависимости удельной электропроводности от концентрацииводных растворов некоторых электролитов представлены на рис.1.
80
æ, См/м
уксусная
кислота
сульфат магния
40
0
0 5 10 15
хлорид калия
гидроксид
калия
серная кислота
С, моль/л
Рис.1. Зависимости удельной электропроводности
от концентрации водных растворов
некоторых электролитов.
При c→0 величина æ стремится к удельной электропроводности чистой воды, которая составляет приблизительно
10-5 См/м и обусловлена присутствием ионов Н3О+ и ОН-,
возникающих при частичной диссоциации воды. С ростом
концентрации электролита удельная электропроводность æ
сначала увеличивается, что объясняется увеличением числа
ионов (носителей заряда) в растворе. Однако, чем больше
5
ионов врастворе, тем сильнее проявляется ион-ионное взаимодействие, приводящее к замедлению движения ионов, а
также к их ассоциации. Поэтому почти всегда зависимость
удельной электропроводности от концентрации электролита
проходит через максимум.
Мольная электропроводность (эквивалентная электропроводность) λ– это электропроводность объема раствора,
содержащего 1 моль (или 1 грамм-эквивалент) растворенного
вещества и заключенного между электродами, находящимися на расстоянии 1 см. В реальных системах мольная электропроводность всегда зависит от концентрации (рис.2).
400
300
200
100
λ, См/Ом∙г-экв
уксусная кислота
хлорид лития
хлорид калия
гидроксид калия
соляная кислота
0
012345
С, г-экв/л
Рис.2. Зависимости эквивалентной электропроводности от
концентрации водных растворов некоторых электролитов.
Размерность λ – (Ом-1·см2·моль-1) или (Ом-1·см2·г-экв-1).
λ = æ·υ (1.6)
где υ – разведение раствора, величина обратная концентрации,(см3 ·моль-1):
6
𝜗
(1.7)
С
При с→0 (или v→∞) величина λ стремится к своему предельному значению λо, отвечающему отсутствию ионионных взаимодействий. Для иллюстрации этого часто используют графическое представление в координатах λ=f(1/c)
(рис.3). В растворах слабых электролитов, где ион-ионные
взаимодействия приводят к образованию нейтральных молекул уже при очень низких концентрациях ионов, выход λ на
предел экспериментально наблюдать не удается.
Разведение, при котором достигается максимальное значение молярной электропроводности, условно называется
бесконечным, а соответствующая ему электропроводность λ
∞
называется молярной электропроводностью при бесконечном разведении. Величину λ∞ рассчитывают по значениям λ
∞
для сильных электролитов, содержащих соответствующие
ионы:
λ∞(CH3COOH) = λ∞(CH3COONa) + λ∞(HCl) − λ∞(NaCl) (1.8)
Электропроводность электролита складывается из электропроводности катиона и аниона. Поэтому можно рассматривать λ∞, как свойство суммарное (аддитивное):
λ∞ = λ+ + λ
-
(1.9)
Уравнение (1.9) является выражением закона Кольрауша:
мольная электропроводность раствора электролита прибесконечном разведении равна сумме подвижностей ионов:
+
= Fu+– подвижность катиона, (м2·Ом-1·моль-1);
λ
-
λ
= Fu-– подвижность аниона, (м2·Ом-1·моль-1);
F – число Фарадея 96487 (Кл/моль),
u+и u- – абсолютные подвижности катиона и аниона,
(м2·В-1·с-1).
7
Зная значения молярной электропроводности при данном и
прибесконечном разведениях можно вычислить степень диссоциациипо формуле Аррениуса:
𝛼
(1.10)
4
,
λ∙10
150
100
См/Ом∙г-экв
0
λ
50
0
0 500 1000
1/С∙10-3,
л/г-экв
Рис.3. Зависимость эквивалентной электропроводности
раствора KCl от разбавления.
Цель работы: С помощью измерения удельной электропро-
водности растворов уксусной кислоты в
интервале концентраций 0,0125 М÷0,1 М,
рассчитать мольную электропроводность,
степень и константу диссоциации уксусной
кислоты. Сделать заключение о применимости законов, справедливых для разбавленных растворов, для описания свойств
раствора изученного слабого электролита −
уксусной кислоты.
Оборудование: Портативный измеритель электропроводно-
сти и температуры для стандартных измерений, мерные ци-
8
линдры и стаканы для растворов уксусной кислоты и дистиллированной воды.
Реактивы: 0,1 M СН3СООН, дистиллированная вода.
Порядок работы:
1. Измерить температуру воздуха в лаборатории и записать в тетрадь.
2. Промыть электрод с ячейкой дистиллированной водой и
раствором уксусной кислоты концентрации 0,1 моль·л
1
.
3. С помощью мерного цилиндра налить в стакан 50 мл
раствора уксусной кислоты концентрации 0,1 моль·л-1.
4. Опустить электрод с ячейкой в стакан с уксусной кислотой и измерить удельную электропроводность раствора.
5. Отлить из стакана 25 мл раствора кислоты и добавить в
стакан 25 мл дистиллированной воды (получили раствор с концентрацией 0,05 моль/л). Тщательно перемешать раствор, измерить его удельную электропроводность.
6. Отлить из стакана 25 мл раствора, добавить 25 мл дистиллированной воды (получили раствор с концентрацией 0,025 моль·л-1). Вновь измерить удельную электропроводность раствора.
7. Отлить из стакана 25 мл раствора, добавить 25 мл дистиллированной воды (получили раствор с концентра-
-1
цией 0,0125 моль·л
). Вновь измерить удельную элек-
тропроводность раствора.
8. Результаты измерений и расчетов записать в рабочую
тетрадь.
9. Рассчитать значения разведения, мольной электропроводности, степени и константы диссоциации по формулам, приведенным в рабочей тетради. Величину λ
рас-
∞
считать, используя подвижности анионов и катионов
при измеренной температуре. (Приложение 5).
-
9
10. Результаты работы представить в виде графиков зави-
симостей:
а) удельной электропроводности от разведения æ = f (С);
б) мольной электропроводности от разведения λ = f (V);
в) степени диссоциации от разведения α = f (V).
Таблица 1.
t = ……. °С
C,
моль·л
1
0,1
0,05
0,025
0,0125
-
V,
3
см
·моль
1
-
Ом
æ,
−1
·см
−1
Ом−1·см2·моль
λ,
−1
αК
Вопросы к работе 1
1. Привести примеры проводников первого и второго
рода. Причина диссоциации электролитов на ионы в
дипольном растворителе. Что является носителем заряда в этихпроводниках?
2. Понятия: электропроводность, удельная электропроводность, молярная электропроводность. Дайте размерности этих величин.
3. Как изменяется степень диссоциации слабого электролита с ростом концентрации его раствора?
4. От каких факторов зависит электропроводность растворов электролитов?
5. Объяснить причины изменения удельной электропроводности растворов сильных и слабых электролитов
при изменении их концентрации.
6. Объяснить причины изменения мольной электропроводности растворов сильных и слабых электролитов
при изменении их концентрации.
К
10
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]