Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Физическая и коллоидная химия. Методические рекомендации к лабораторные работы
.pdf
7. Сформулировать закон Кольрауша о независимой подвижности ионов. Записать математическое выражениеэтого закона и указать его практическое значение.
8. Сформулируйте закон разведения Оствальда и запишите математическое выражение этого закона.
9. В чем заключается физический смысл разведения?
10. Что называется степенью диссоциации? Какие факторы влияют на степень диссоциации?
11. Что называется константой диссоциации? Написать
выражения для констант диссоциации для НCOOH,
H2CO3 по первой и второй ступеням.
Лабораторная работа 1б. Кондуктометрическое тит-
рование.
Краткая теория:
Измерение электропроводности растворов называют
кондуктометрией или кондуктометрическим титрованием.
Кондуктометрию используют не только для определения
степении константы диссоциации электролитов, но и для
определения концентрации электролитов в растворах, их
растворимости, основности кислот. Кондуктометрическое
титрование применяется при исследовании мутных или
окрашенных растворов, исключающих возможность применения индикаторов. Сущность кондуктометрического титрования заключается в измерении электропроводности раствора, меняющейся в ходе химической реакции после добавления очередной порции титранта. Пополученным данным
строят графическую зависимость электропроводности раствора от количества (мл) добавленного реагента. Подобные
зависимости называются кривыми кондуктометрического
титрования (рис.4). Для кондуктометрического определения
вещества пригодны реакции, на кондуктометрических кривых титрования которых имеется четкий излом в точке экви-
11
валентности. Если титруется смесь веществ, то число изломов на кривой будет соответствовать числу компонентов
титруемой смеси.
Метод основан на присутствии в растворах кислот (или
оснований) высокоподвижных ионов Н+ (или ОН-), что обуславливает хорошую электропроводность. Аномально высокие подвижности гидроксония и гидроксила объясняются
особым механизмом переноса электрического заряда этими
ионами, называемым эстафетным:
При титровании происходит реакция нейтрализации, и
вместо этих ионов в растворе накапливаются ионы солей,
обладающие меньшей подвижностью. В тот момент, когда
вся кислота (или основание) будет нейтрализована эквивалентным количеством основания (или кислоты), электропроводность раствора будет минимальной. Добавление избытка
основания (или кислоты) приводит вновь к появлению высокоподвижных ионов ОН- (или Н+), и электропроводность
начинает резко возрастать.
На кривой кондуктометрического титрования точке эквивалентности соответствует излом, и выполняется закон экви-
валентных отношений:
С
·Vк = Cщ ·V
к
э
(1.11)
где Ск и Cщ – концентрации кислоты и щелочи, Vк – объем
кислоты, взятый для титрования, а Vэ – эквивалентный объем
щелочи, найденный из графика.
12
Кондуктометрия находит широкое применение в биохимических, физиологических, санитарно-гигиенических и
клинических исследованиях. Этот метод используют для
определения общего содержания и состояния электролитов в
различных биологических объектах: плазме и сыворотке
крови, желудочном соке, а также в водах минеральных источников и в продуктах питания.
а)
б)
в)
Рис.4. Кривые кондуктометрического титрования:
сильной кислоты (а) сильным основанием,
слабой кислоты (б) сильным основанием
смеси сильной и слабой кислот (в) сильным основанием
Цель работы: Определить концентрацию раствора сильной
кислоты методом кондуктометрического
титрования.
Оборудование: Портативный измеритель электропроводно-
сти и температуры для стандартных измерений, штатив с
бюреткой, мерный цилиндр, стакан.
Реактивы: Раствор гидроксида калия концентрации 0,05 М,
раствор соляной кислоты неизвестной концентрации, дистиллированная вода.
13
Порядок работы:
1. Промыть стакан и электрод с ячейкой дистиллированной водой.
2. С помощью мерного цилиндра налить в стакан 50 мл
раствора соляной кислоты неизвестной концентрации.
3. Опустить в стакан электрод с ячейкой и поместить стакан подслив бюретки с раствором щелочи.
4. Измерить электропроводность раствора соляной кислоты в стакане, результат записать в таблицу 2.
5. Добавить в стакан 1 мл раствора щелочи, перемешать
раствор и измерить его электропроводность. Добавление по 1 мл щелочи и измерение электропроводности
раствора проводить до тех пор, пока не получите 4–5
возрастающих значений электропроводности раствора.
Все результаты записать в рабочую тетрадь.
6. По окончании работы выключить прибор и привести в
порядок рабочее место.
Таблица 2.
Vщ, мл 0 1 2 3456789101112 …
æ,Ом−1
7. По результатам измерений построить кривую кондуктометрического титрования – зависимость электропроводности раствора æ от объема добавленной щелочи
Vщ.
8. По графику определить точку эквивалентности V
, опу-
э
стив перпендикуляр на ось абсцисс из точки пересечения двухветвей кривой кондуктометрического титрования.
9. Рассчитать концентрацию соляной кислоты по формуле:
СкСщ∙
э
,
к
14
где Cк – искомая концентрация соляной кислоты;
Cщ – концентрация щелочи (0,05 М);
Vк – объем взятого для титрования раствора кислоты
(50 мл);
Vэ – эквивалентный объем щелочи, найденный по
графику.
Вопросы к работе 1б.
1. В чем заключается сущность кондуктометрии? Для
каких целей используют этот метод в медикобиологических исследованиях?
2. Как определяют точку эквивалентности прикондуктометрическом титровании?
3. Когда заканчивают кондуктометрическое титрование?
4. Начертить кривую кондуктометрического титрования
раствора пропионовой кислоты раствором щёлочи.
Объяснить ход кривой и указать ионы, которые участвуют в электропроводности на всех участках этой
кривой.
5. Изобразить на графике зависимость электропроводности раствора едкого натра при титровании его раствором азотной кислоты. Указать ионы, которые участвуют в электропроводности на всех участках этой зависимости.
6. Начертить кривую кондуктометрического титрования
раствора соляной и уксусной кислот раствором щелочи. Объяснить ход кривой.
7. Начертить кривую кондуктометрического титрования
раствора соляной кислоты раствором щёлочи. Указать
ионы, которые участвуют в электропроводности на
всех участках этой кривой.
8. Начертить кривую кондуктометрического титрования
смеси NH3 и KOH раствором сильной кислоты.
15
9. Почему электропроводность сильных кислот и щелочей значительно выше, чем электропроводность их
солей?
10. Чем объясняется аномально высокая подвижность
ионов Н+ и ОН−?
11. Записать закон эквивалентных соотношений.
12. В чем заключается преимущество кондуктометриче-
ского титрования по сравнению с титрованием с индикаторами?
16
Глава II
ЭЛЕКТРОДНЫЕ ПОТЕНЦИАЛЫ
И ЭЛЕКТРОДВИЖУЩИЕ СИЛЫ
Лабораторная работа 2а. Измерение ЭДС медно-
цинкового гальванического элемента и концентрационного элемента.
Краткая теория:
При соприкосновении двух химически или физически
разнородных материалов (металл 1 (проводник I рода) — металл 2 (проводник I рода), металл (проводник I рода) — раствор соли металла (проводник II рода), раствор электролита 1
(проводник II рода) — раствор электролита 2 (проводник II
рода) и т.д.) между ними возникает двойной электрический
слой (ДЭС). ДЭС является результатом упорядоченного рас-
пределения противоположнозаряженных частиц на границе
раздела фаз. Образование ДЭС приводит к скачку потенциала φ, который в условиях термодинамического равновесия
металл (проводник I рода) — раствор соли металла (проводник II рода), называется гальвани-потенциалом.
Система, состоящая из металла, погруженного в раствор
соли, содержащей катионы этого металла, называется элек-
тродом или полуэлементом.
Схему электрода можно представить следующим образом:
Меn+│Ме
φ>0, если на электроде протекает реакция восста-
новления
φ<0, если на электроде протекает реакция окисле-
ния
n+
+ ne– ↔ Ме0,
Ме
0
Me
↔ Меn+ + ne
–
17
Электродным потенциалом металла Е
Ме/ Ме
называет-
ся равновесная разность потенциалов, возникающая на границе фаз проводник I рода/проводник II рода и измеренная
относительно стандартного водородного электрода. Зависимость электродного потенциала металла от его природы,
концентрации металла в растворе и температуры выражается
уравнением Нернста, которое для электродной реакции имеет вид (электродная реакция записывается как реакция восстановления):
Е
Ме/ Ме
= Е
Ме
/ Ме
∙
∙
𝑙𝑛𝐶
Ме
(2.1)
Ме
− стандартный электродный потенциал ме-
/ Ме
гдеЕ
талла (равновесная разность потенциалов между металлом и
раствором при активности катионов металла в растворе 1
моль∙л−1); F – число Фарадея (96500 Кл∙моль−1); R − универсальная газовая постоянная (8,31 Дж∙моль−1∙град−1); n − чис-
ло электронов, участвующих в электродной реакции; 𝐶
Ме
−
концентрации металла в растворе.
Последовательность стандартных электродных потенциалов, представленных в порядке возрастания (или убывания),
называется электрохимическим рядом напряжения металлов
(приложение 4). В паре электродов окислителем будет тот
электрод, значение стандартного электродного потенциала
которого больше, и наоборот.
Гальванический элемент – устройство, состоящее из
двух или более электродов, в котором химическая энергия
окислительно-восстановительной реакции (ОВР) переходит в
полезную электрическую энергию (например, в виде свечения лампы накаливания) при условии пространственного
разделения процессов окисления и восстановления. Электрод, на котором при работе гальванического элемента про-
18
текает процесс окисления, называется анодом, электрод, на
котором идет процесс восстановления – катодом.
Э.Д.С. (Е) – это электродвижущая сила, которая числен-
но равна максимальной работе по перемещению заряда по
замкнутой цепи.
E = Е
прав–Елев
(2.2)
Правила ИЮПАК для записи гальванических элементов и реакций, протекающих в них.
1. В гальваническом элементе работа производится, по-
этому ЭДС элемента считается величиной положительной.
2. Величина ЭДС гальванической цепи Е определяется
алгебраической суммой скачков потенциала на границах раздела всех фаз, но так как на аноде протекает окисление, то
ЭДС рассчитывают, вычитая из числового значения потенциала катода (правого электрода) значение потенциала анода
(левого электрода) – правило правого полюса. Поэтому,
схему элемента записывают так, чтобы левый электрод
был отрицательным (протекает окисление), а правый –
положительный (протекает процесс восстановления).
3. Границу раздела между проводником I рода и провод-
ником II рода обозначают одной чертой.
4. Границу между двумя проводниками II рода изобра-
жают пунктирной чертой.
5. Электролитный мостик на границе двух проводников
II рода обозначают двумя пунктирными чертами.
6. Компоненты одной фазы записывают через запятую.
7. Уравнение электродной реакции записывают так, чтобы слева располагались вещества в окисленной форме (Ox), а
справа – в восстановленной (Red).
Схема медно-цинкового электрохимического элемента
(элемента Даниэля - Якоби) (рис.5):
19
Рис.5. Гальванический элемент
(−) Cu│Zn│ZnSO4 | KCl | СuSO4 │Cu (+)
На поверхности медного электрода протекает восстановление ионов меди
2+
Cu
+ 2e− → Cu0,
Е0=0,337В
а на поверхности цинкового − окисление металлического
цинка:
Zn0− 2e− → Zn2+,
Е0=−0,76В
Складывая, получим суммарное химическое превращение:
Zn0 + Cu
2+
→ Zn2+ + Cu0.
Согласно (2.2) и (2.1) Э.Д.С. медно-цинкового гальванического элемента равна
𝐸 Е
прав
– Е
лев
𝐸
С/
𝐸
/
⟹
20
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]