Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Физическая химия. Методические указания
.pdf
МИНИСТЕРСТВО НАУКИ И ВЫСШЕГО ОБРАЗОВАНИЯ
РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ
ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ
ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ОБРАЗОВАНИЯ
«САМАРСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ»
К а ф е д р а «Общая и неорганическая химия»
ФИЗИЧЕСКАЯ ХИМИЯ
Методические указания
Самара
Самарский государственный технический университет
2021
1
Печатается по решению методического совета химико-технологического
факультета СамГТУ (протокол № 1 от 01.02.2021 г.).
УДК 620.3:621.762(07)
ББК 30.3Я73
Ф 50
Физическая химия: методические указания / Сост.: О.А. Блатова. –
2-е изд. – Самара: Самар. гос. техн. ун-т, 2021. – 86 с.
Методические указания по курсу «Химия функциональных материалов».
Рекомендуются для студентов химико-технологического факультета направления 020300 «Химия, физика и механика материалов», профиля «Функциональные, конструкционные материалы и наноматериалы».
Ре ц е н з е н т : канд. хим. наук Т.В. Губанова
УДК 620.3:621.762(07)
ББК 30.3Я73
Ф 50
© О.А. Блатова, составление, 2021
© Самарский государственный
технический университет, 2021
2
ОБЩАЯ ЧАСТЬ
Лабораторные работы – одно из важнейших звеньев учебного
процесса студентов. При их выполнении учащиеся получают экспериментальные навыки, учатся обращаться с приборами, обрабатывать
полученные результаты и самостоятельно делать выводы из экспериментальных данных, тем самым более осмысленно усваивать основной теоретический материал изучаемой дисциплины [1].
Данный лабораторный практикум составлены в соответствии с
программой курса «Химия функциональных материалов» таким образом, что после внимательного ознакомления с теоретической частью студенты могут самостоятельно приступить к проведению цикла экспериментальных работ.
По окончании каждой работы составляется отчет. В отчете указываются исполнитель (или исполнители работы при бригадном методе обучения), название работы и дата ее выполнения. Затем необходимо записать основные уравнения и формулы, пользуясь которыми производят соответствующие расчеты. Полученные экспериментальные и расчетные данные заносят в таблицу, подсчитывают среднее значение полученных величин, определяют возможную величину
погрешности (точность измерения) и указывают размерности полученных величин.
При выполнении некоторых работ требуется составить график
или сделать вычисление на основании графиков. От правильности и
аккуратности построения графиков, выбора масштабов по осям координат в значительной мере зависят правильность и точность ответа.
Для графиков следует выбирать по возможности более крупные масштабы и пользоваться построением полулогарифмических зависимостей. При построении графиков следует указывать по осям координат
расчетные единицы измерения. В некоторых опытах (лабораторные
работы № 2 и № 5) в полулогарифмических координатах функциональная зависимость двух величин является линейной, т.е. описывается уравнением прямой линии, но опытные данные не всегда оказы-
3
ваются точно на прямой, что объясняется погрешностями проведенного эксперимента. В этом случае прямая проводится так, чтобы все
экспериментальные данные (точки) ложились равномерно по обе стороны прямой. По построенным графикам можно найти величины, находящиеся между экспериментальными точками, или, экстраполируя,
определить вероятное значение для любой точки, находящейся вне
экспериментальных данных.
После завершения экспериментальных работ студентам необходимо ответить на поставленные КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ. Результаты ответов на данные вопросы являются тестом, характеризующим степень усвоения изучаемого теоретического материала.
ТЕХНИКА ПРОВЕДЕНИЯ ЛАБОРАТОРНЫХ РАБОТ
Порядок работы
При работе в химической лаборатории необходимо придерживаться следующих правил:
1. Предварительно прочитать соответствующие разделы учебни-
ка, записи лекций, методические указания к лабораторной работе.
2. Не начинать опыт, пока не проверено наличие всего необхо-
димого для него.
3. При работе точно соблюдать порядок и последовательность
операций, указанных в руководстве.
4. Категорически запрещается проводить не предусмотрен-
ные в руководстве опыты без разрешения преподавателя.
5. После окончания работы привести в порядок рабочее место.
Реактивы и обращение с ними
При использовании реактивов необходимо соблюдать следующие
правила:
1. Если нет указаний о дозировке реактивов для данного опыта,
то брать их надо в возможно меньшем количестве (экономия материалов и времени, затрачиваемого на операцию).
4
2. Излишек реактива нужно выливать (или высыпать) в слив и ни
в коем случае не выливать (или не высыпать) обратно в сосуд, из которого он был взят.
3. После употребления реактива банку или склянку тотчас за-
крывать пробкой и ставить на место.
4. Если реактив отбирают пипеткой, ни в коем случае нельзя той
же пипеткой брать реактив из другой склянки.
5. Категорически запрещается ставить склянки с реактивами на
книги и тетради.
Меры предосторожности при работе в лаборатории:
1. В лаборатории нельзя принимать пищу, курить и громко раз-
говаривать.
2. Если на лицо и руки попадут брызги жидкости, надо сразу же
смыть их большим количеством воды.
3. Брызги кислоты нужно смыть большим количеством воды,
после чего промыть пораженное место разбавленным раствором соды. Щелочь смывать водой до тех пор, пока участок кожи, на который она попала, не перестанет быть скользким. Затем пораженный
участок обработать 3-процентным раствором борной кислоты.
4. При тепловом ожоге следует смочить обожженное место рас-
твором перманганата калия, затем смазать вазелином или мазью от
ожогов и перевязать бинтом.
5. Большинство операций с веществами при химических опытах
проводятся в посуде из тонкого стекла, которое легко растрескивается при ударах и при быстрой смене температур. Поэтому с химической посудой следует обращаться крайне осторожно. При ранении
стеклом необходимо удалить кровь с пореза ватой, смоченной спиртом или раствором перманганата калия, смазать рану йодом и перевязать бинтом [1].
5
ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 1
F =
F>0
А
B
Газ
Жидкость
ПОВЕРХНОСТНОЕ НАТЯЖЕНИЕ ЖИДКОСТЕЙ
Целью работы является определение поверхностного натяжения
жидкостей методом наибольшего давления пузырьков на приборе Ребиндера и расчета молекулярного парахора.
ТЕОРЕТИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ
Возникновение сил поверхностного натяжения
Поверхность жидкости, граничащая с другой средой (воздухом),
обладает свойствами, отличающимися от свойств остальной массы
жидкости. Поверхностный слой жидкости можно представить в виде
упругой пленки, стремящейся сжать жидкость. Появление такого
слоя (пленки) на поверхности жидкости объясняется тем, что молекулы жидкости в поверхностном слое находятся в ином энергетическом
состоянии, чем молекулы внутри жидкости. Каждая молекула внутри
жидкости окружена другими подобными молекулами, и силы взаимодействия ее с этими молекулами по всем направлениям распределены симметрично, т.е. их равнодействующая равна нулю (рис. 1, молекула А) [2].
Рис. 1. Схема возникновения внутреннего давления
6
В другом состоянии находятся молекулы жидкости в поверхностном слое. На молекулу В, находящуюся на поверхности, с одной
стороны действуют молекулы жидкости, а с другой – молекулы газа.
Силы взаимодействия со стороны молекул, находящихся в объеме
жидкости, не уравновешиваются силами взаимодействия с молекулами газа. В результате равнодействующая сил межмолекулярных
взаимодействий стремится втянуть молекулы, находящиеся в поверхностном слое, внутрь жидкости. Эту силу часто называют внутрен-
ним давлением жидкости.
Таким образом, внутренне давление жидкости это сила, стремящаяся увести молекулы с поверхности вглубь жидкости. Нали-
чие внутреннего давления создает в поверхностном слое избыточную
поверхностную энергию, стремящуюся сократить (уменьшить) поверхность жидкости. Чтобы образовать межфазную поверхность, необходимо перевести часть молекул из объема на поверхность. Для
этого надо совершить работу против действия силы внутреннего давления. Эта работа называется поверхностным натяжением жидкости.
Работа, необходимая для увеличения поверхности жидкости
на 1 см², называется поверхностным натяжением.
Можно рассматривать поверхностное натяжение не только как
работу на единицу поверхности, но и как избыток энергии, приходящийся на молекулы поверхностного слоя.
В системе СИ поверхностное натяжение измеряется в джоулях,
деленных на квадратный метр, или в ньютонах на метр. Оба измерения численно совпадают [3].
1 Дж/м2 = 1 H/м.
Поверхностное натяжение обозначается греческой буквой σ. Например, поверхностное натяжение воды составляет
(Н2О)20 = 72,75 · 10ˉ ³ Дж/м² = 72,75 · 10ˉ ³ Н/м.
Поверхностное натяжение характеризует интенсивность сил
межмолекулярного взаимодействия. С увеличением сил межмоле-
кулярного взаимодействия поверхностное натяжение увеличивается.
В табл. 1 приведены значения для различных жидкостей.
7
Поверхностная энергия системы зависит от величины сил по-
Жидкость
Температура,
С
ж103,
Дж/м2
Жидкость
Температура,
С
ж103,
Дж/м2
Ртуть
20
485,0
Керосин
20
24
Вода
0
75,64
Na2SO4
884
196,0
20
72,75
NaCl
801
114,0
50
71,97
Спирт эти-
ловый
20
21,6
75
63,5
Ацетон
20
23,7
Глицерин
20
63,0
Na2OSiO2
1130
302,0
Анилин
20
42,9
PbOSiO2
1000
200
верхностного натяжения () и от площади поверхности раздела между фазами (S). Самопроизвольно могут протекать только процес-
сы, уменьшающие энергию системы. Уменьшение поверхностной
энергии возможно за счет снижения площади поверхности раздела
фаз (S) или за счет уменьшения поверхностного натяжения (). Сле-
довательно, самопроизвольно могут протекать только такие процессы, которые сопровождаются уменьшением σ или S. К поверх-
ностным явлениям, связанным с уменьшением S, можно отнести:
1. Стремление тел принять сферическую форму, так как сфера
обладает наименьшей площадью поверхности. Этим объясняется
сферическая форма капель воды, космических тел (планет, звезд и
т.д.), округлая форма овощей, фруктов и ягод и т.д.
2. Самопроизвольное укрупнение частиц дисперсной фазы (коа-
гуляция и коалесценция), например, образование капель жидкости в
тумане, слипание мелкодисперсных порошков, коагуляция золей и др.
3. Рост кристаллов.
Если площадь поверхности остается постоянной, то уменьшение
поверхностной энергии может происходить за счет уменьшения сил
поверхностного натяжения. Этот процесс возможен в результате
адсорбции вещества на границе раздела фаз.
Таблица 1
Поверхностное натяжение жидкостей
8
Смачивание
Смачивание – это поверхностное явление, заключающееся во
взаимодействии жидкости с твердым телом при наличии одновременного контакта с воздухом. Смачивание характеризуют с по-
мощью краевого угла смачивания (рис. 2).
Краевой угол () – это угол между твердой поверхностью
и касательной к поверхности жидкости в точке соприкосновения фаз.
Как уже было сказано выше, самопроизвольно протекают процессы, связанные с уменьшением поверхностной энергии, которая
характеризуется поверхностным натяжением σ. До того как каплю
нанесли на твердую поверхность, эта поверхность находилась в контакте с воздухом и имела поверхностное натяжение σ
ное натяжение жидкости на границе с воздухом σ
. Когда капля ока-
ж/г
. Поверхност-
тв/г
залась на твердой поверхности, между ними возникла граница, характеризующаяся поверхностным натяжением σ
рактеризуется соотношением σ
тв/г
и σ
. Если σ
тв/ж
. Поведение капли ха-
тв/ж
тв/г
> σ
, то системе
тв/ж
выгодно, чтобы капля закрыла часть поверхности, т. е. растеклась по
ней. При этом происходит замена поверхности с большей поверхностной энергией (σ
(σ
), что приводит к уменьшению общей поверхностной энергии
тв/ж
) поверхностью с меньшей свободной энергией
тв/г
системы. Однако при растекании капли увеличивается площадь поверхности «жидкость – газ», а это приводит к увеличению поверхностной энергии системы [3].
Отсюда можно сделать вывод, что если (
тв/г–тв/ж
)>
ж/г
, то
при растекании капли жидкости по поверхности твердого тела
будет уменьшаться. Этот процесс энергетически выгоден, поэтому жидкость будет растекаться по поверхности, т. е. смачивать
ее. В этом случае краеугольный угол смачивания <90° (рис. 2, а).
Если смачивающей жидкостью является вода, то такая поверхность называется гидрофильной (от греческого «гидро» – вода,
«фило» – любовь).
9
Если
тв/г<тв/ж
, то при растекании капли жидкости поверхностная энергия будет увеличиваться. Это энергетически невыгодно, поэтому жидкость будет стремиться принять округлую форму. В этом случае >90°, и жидкость не смачивает поверхность
твердого тела (рис. 2, б). Если смачивающей жидкостью является
вода, то такая поверхность называется гидрофобной (от греческого «гидро» – вода, «фобос» – страх).
а б
Рис. 2. Положение капли на поверхности:
а – смачивание жидкостью поверхности твердого тела;
б – несмачивание жидкостью поверхности твердого тела
Краеугольный угол смачивания для различных жидкостей можно
определить экспериментально. Значение связано с величиной поверхностного натяжения уравнением Юнга:
. (1)
Поверхностное натяжение и смачивание жидкостью твердого тела играют важную роль в различных процессах, в том числе в технологии силикатов и строительных материалов. От поверхностного натяжения зависят процесс удаления пузырьков из расплавленной стекломассы, округление острых краев при нагревании стеклоизделий,
спекание металлокерамических масс, портландцементного клинкера,
производства стекловолокна, минеральной ваты, остеклованных микропроводов, эмалирование и глазурование изделий и другие технологические процессы.
10
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]