Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Теоретические и практические основы физической химии. Учебное пособие
.pdf
Министерство образования и науки Российской Федерации
Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение
высшего профессионального образования
«Оренбургский государственный университет»
А. Г. Макаров, М. О. Сагида, Д. А. Раздобреев
ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ И
ПРАКТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ
ФИЗИЧЕСКОЙ ХИМИИ
Рекомендовано Ученым советом федерального государственного
бюджетного образовательного учреждения высшего профессионального
образования «Оренбургский государственный университет» в качестве
учебного пособия для студентов, обучающихся по программам высшего
образования по направлениям подготовки 04.03.01 Химия, 03.03.02 Физика, а
также по специальности 04.05.01 Фундаментальная и прикладная химия
Оренбург
2015
ISBN 978-5-7410-1245-1
© Макаров А.Г.,
Сагида М.О.,
Раздобреев Д.А., 2015
© ОГУ, 2015
УДК 544(075.8)
ББК 24.5я73
М 15
Рецензент – кандидат биологических наук А.С. Васильченко
Макаров, А. Г.
М 15 Теоретические и практические основы физической химии :
учебное пособие / А. Г. Макаров, М. О. Сагида,
Д. А. Раздобреев; Оренбургский гос. ун-т. –
Оренбург : 2015. – 171 с.
ISBN 978-5-7410-1245-1
В учебном пособии рассмотрены правила применения
графических и аналитических методов в физической химии, основы
термохимии, химической кинетики, понятия химического и фазового
равновесия растворов, растворов электролитов, электродвижущей силы
и термодинамики гальванического элемента.
Учебное пособие для самостоятельной работы студентов по
курсу «Физическая химия» базовой части профессионального цикла
предназначено для студентов, обучающихся по программам высшего
образования по направлениям подготовки 04.03.01 Химия, 03.03.02
Физика, а также по специальности 04.05.01 Фундаментальная и
прикладная химия.
УДК 544(075.8)
ББК 24.5я73
2
Введение………………………………………………………………………..
6
1 Оценка погрешностей измерения физико-химических величин…………
7
1.1 Происхождение и классификация погрешностей………………………..
7
1.2 Определение систематических погрешностей…………………………...
10
1.3 Определение случайных погрешностей………………………………….
15
2 Применение графических и аналитических методов в физической
химии……………………………………………………………………………
26
2.1 Правила составления таблиц и построения графиков…………………...
26
2.2 Расчёты, проводимые с помощью графиков……………………………..
30
3 Термохимия…………………………………………………………………..
39
3.1 Лабораторная работа № 1. Определение удельной теплоемкости
раствора…………………………………………………………………………
43
3.2 Лабораторная работа № 2. Определение теплоты реакции
нейтрализации………………………………………………………………….
47
3.3 Лабораторная работа № 3. Определение теплоты образования
кристаллогидрата………………………………………………………………
50
3.4 Лабораторная работа № 4. Определение теплоты химической реакции
52
4 Химическое равновесие……………………………………………………..
54
4.1 Лабораторная работа № 1. Изучение равновесия гомогенной реакции
в растворе……………………………………………………………………….
60
4.2 Лабораторная работа № 2. Изучение равновесия гетерогенной
реакции………………………………………………………………………….
65
5 Фазовые равновесия…………………………………………………………
69
5.1 Лабораторная работа № 1. Определение критических температур
растворения двух жидкостей………………………………………………….
72
Содержание
3
5.2 Лабораторная работа № 2. Диаграмма плавкости двухкомпонентной
системы…………………………………………………………………………
76
5.3 Лабораторная работа № 3. Исследование равновесия жидкость –
жидкость в трёхкомпонентной системе с одной областью расслоения……
82
6 Растворы……………………………………………………………………...
86
6.1 Лабораторная работа № 1. Определение парциального мольного
объёма растворенного вещества………………………………………………
92
6.2 Лабораторная работа № 2. Определение молекулярного веса
растворенного вещества по понижению температуры замерзания
раствора…………………………………………………………………………
96
6.3 Лабораторная работа № 3. Определение среднего коэффициента
активности сильного электролита в водном растворе по понижению его
температуры замерзания………………………………………………………
100
6.4 Лабораторная работа № 4. Распределение вещества между двумя
несмешивающимися жидкостями…………………………………………….
102
7 Растворы электролитов……………………………………………………...
104
7.1 Лабораторная работа № 1. Измерение электропроводности растворов
электролитов и определение константы электролитической диссоциации..
116
7.2 Лабораторная работа № 2. Определение растворимости
малорастворимых электролитов………………………………………………
118
7.3 Лабораторная работа № 3. Определение чисел переноса иона
водорода в растворе соляной кислоты методом движущейся границы……
120
8 Электродвижущая сила (ЭДС) и термодинамика гальванического
элемента………………………………………………………………………...
122
8.1 Лабораторная работа № 1. Определение электродвижущих сил
гальванических элементов…………………………………………………….
136
8.2 Лабораторная работа № 2. Измерение температурного коэффициента
гальванического элемента и расчёт термодинамических величин…………
139
8.3 Лабораторная работа № 3. Определение рН буферного раствора с
помощью хингидронного электрода………………………………………….
141
4
8.4 Лабораторная работа № 4. Определение коэффициента активности
измерением ЭДС гальванических элементов………………………………...
143
9 Химическая кинетика………………………………………………………..
145
9.1 Лабораторная работа № 1. Определение константы скорости реакции
гидролиза сложного эфира…………………………………………………….
152
9.2 Лабораторная работа № 2. Определение константы скорости инверсии
тростникового сахара………………………………………………………….
156
9.3 Лабораторная работа № 3. Определение константы скорости реакции
омыления уксусноэтилового эфира…………………………………………..
159
9.4 Лабораторная работа № 4. Определение константы скорости реакции
второго порядка………………………………………………………………..
163
9.5 Лабораторная работа № 5. Определение энергии активации
гомогенной реакции……………………………………………………………
166
10 Контрольные вопросы к экспериментальным работам………………….
169
Список использованных источников…………………………………………
171
5
Введение
Физическая химия представляет собой теоретический фундамент
современной химии. Она использует фундаментальные законы физики и
результаты физико-химических экспериментов для исследования свойств
веществ и химических реакций. Она изучает также влияние внешних
воздействий на свойства веществ, химические и фазовые равновесия, на
скорость протекания химических реакций. Основной целью физической
химии является установление законов, определяющих возможность
протекания химических реакций в интересующем направлении, их скорость,
выход продуктов в зависимости от условий процесса и свойств, участвующих
в нем веществ.
Использование данного учебного пособия позволит студенту грамотно
применять теоретические законы химии к решению конкретных задач;
проводить расчеты выхода продуктов химической реакции; пользоваться
современными справочниками термодинамических величин для расчета
констант равновесия и расчета равновесий в сложных системах; научит
делать грамотные оценки приближенных значений термодинамических
величин (если такие данные отсутствуют); использовать диаграммы
состояния, вычислять кинетические параметры реакций (константы скорости,
энергии активации), составлять кинетические уравнения для задаваемого
механизма химического процесса и т.п.
6
,ааа
i
(1.1)
а
аа
,
(1.2)
1 Оценка погрешностей измерения физико-химических
величин
1.1 Происхождение и классификация погрешностей
Физическая химия является наукой о количественных закономерностях
химических форм движения материи. Поэтому в ней определяющая роль
принадлежит измерениям числовых значений величин, характеризующих
различные свойства систем и процессов. Известно, что любое измерение
может быть произведено с определённой точностью, которая обусловлена
погрешностью измерения.
Под погрешностью измерения величины х будем подразумевать
разность между её истинным значением а и результатом измерения ai
(формула (1.1))
где ∆а – абсолютная погрешность измерения.
Величина δа называется относительной погрешностью. Последняя
может быть выражена в долях единицы или в процентах (формула (1.2))
Физико-химический эксперимент можно представить в виде схемы,
состоящей из трёх основных элементов: объект исследования, прибор,
экспериментатор. Несовершенство работы двух последних элементов этой
схемы вызывает появление так называемой систематической погрешности
7
. Она может быть вызвана дефектом измерительного прибора
сист
(постоянное смещение шкалы, невыверенный разновес, неверно
откалиброванная мерная колба и т.п.); разрешающей способностью, т.е.
чувствительностью прибора; разрешающей способностью органов чувств
экспериментатора. Кроме того, источниками систематических погрешностей
могут быть приближённый характер уравнений и неточные значения
констант, используемых в расчётах. Значение систематической погрешности
остаётся постоянным в серии повторных измерений.
Опыт показывает, что многократные измерения одной и той же
величины часто дают отличающиеся друг от друга результаты. Это
объясняется тем, что строгого постоянства всех условий опыта при
повторных измерениях обеспечивать не удаётся. Всегда имеет место
незначительная вибрация измерительных устройств, колебание температуры,
атмосферного давления, колебание силы трения в движущихся частях
приборов и т.д. Изменение внешних условий влияет на все элементы
вышеприведённой схемы: на объект исследования, прибор и исследователя.
В результате этого появляются так называемые случайные погрешности
измерений
. При повторных измерениях значение случайной
случ
погрешности колеблется.
Разделение погрешностей измерений на систематические и случайные,
как и любая классификация, весьма условно. Допустим, что экспериментатор
располагает несколькими приборами, для которых значение погрешности,
обусловленной их дефектами, неизвестно. Проведя серию измерений с этими
приборами, получим ряд отличающихся друг от друга результатов.
Погрешность этих результатов здесь уже выступает как случайная.
От погрешностей измерений следует отличать промахи. Последние
вызваны недостаточным вниманием экспериментатора. Например,
неправильным отсчётом по шкале прибора, неверным взятием навесок,
объёмов растворов и т.п.
8
случсист
.
(1.3)
Если допустить, что систематическая и случайная погрешность
взаимонезависимы, общую погрешность измерения можно выразить
следующим образом
При измерениях с помощью приборов, обладающих низкой
чувствительностью, обычно получают совпадающие результаты. При этом
будет ничтожно мала по сравнению с
случ
. Ясно, что в данном случае
сист
нет необходимости в проведении многократных измерений. Для того чтобы
исключить промахи, достаточно ограничиться двумя-тремя измерениями.
Проводя измерение с помощью чувствительных приборов, мы уменьшаем
систематическую погрешность, при этом заметно увеличивается вклад
случайной погрешности. В последнем случае возникает необходимость в
проведении многократных измерений, что нужно для расчёта случайной
погрешности. Поясним это следующим примером.
Принцип измерения электродвижущей силы (ЭДС) гальванического
элемента состоит в её уравновешивании (компенсации) внешним
напряжением, которое известно. В момент компенсации сила тока в цепи
должна быть равна нулю. Последнюю определяют с помощью
гальванометра. Если в распоряжении экспериментатора имеется
гальванометр малой чувствительности (например, 10-6 А/деление), ЭДС
элемента удаётся определить с точностью второго знака после запятой. При
этом повторные измерения каждый раз дают одно и то же значение,
например, 0,10 В, поскольку изменение компенсирующего напряжения в
третьем знаке после запятой (от 0,095 до 0,105 В) не вызывает смещение
стрелки гальванометра от нулевого деления шкалы. В этой ситуации
случайная погрешность ничтожно мала по сравнению с систематической
погрешностью, которая обусловлена чувствительностью измерительного
устройства и равна 0,005 В.
9
Если в качестве нуль-инструмента использовать более совершенный
гальванометр (чувствительность 10-9 А/деление), можно получить
следующие результаты повторных измерений ЭДС (В): 0,1035; 0,1034;
0,1033; 0,1038; 0,1030. Изменение компенсирующего напряжения в третьем и
даже четвёртом знаке после запятой здесь уже будет влиять на отклонение
стрелки гальванометра от нулевой отметки. Изменение внешнего напряжения
в пятом знаке в пределах 0,00005 В не регистрируется гальванометром. В
данном случае колебание результатов измерений будет обусловлено
случайной погрешностью. Систематическая погрешность будет относительно
невелика.
1.2 Определение систематических погрешностей
Рассмотрим способы определения составляющих погрешностей и
вклад каждой из них в общую систематическую.
Погрешности, обусловленные дефектом прибора, обычно находят
путём сравнения показаний данного прибора с другим, не имеющим дефекта.
Если найденное таким способом отклонение будет непостоянно по длине
шкалы прибора, то строят график в координатах: отклонение (с учётом знака)
- показание прибора. С помощью этого графика находят значение отклонения
для каждого результата измерений. Если погрешность, обусловленную
дефектом прибора, путём прямого сравнения показаний двух приборов
определить не представляется возможным, применяют различные косвенные
методы. Примером применения таких методов является градуировка
проволоки реохорда, градуировка мерных колб и бюреток и т.д. Для того
чтобы не допустить погрешностей в последующих расчётах, необходимо
результат каждого измерения заносить в рабочий журнал с учётом поправки
на дефект прибора, если таковая имеет место.
10
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]