Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Теоретические и практические основы физической химии. Учебное пособие
.pdf
2
i
1
i
2
2
2
2
1
2
1
ClnRTClnRT
2
или
Tf
RT
C
Cln
1
2
2
2
2
2
1
2
.
(6.16)
Kconst
C
C
2
2
1
2
,
(6.17)
1
2
C
2
2
С
способами можно определять молекулярный вес, а в растворах электролитов
– активность растворенного вещества.
Следствием поведения растворенного вещества является закон
распределения третьего компонента между двумя несмешивающимися
жидкостями, принимающий количественно определенную форму в случае,
если обе жидкие фазы являются разбавленными растворами. При
равновесном распределении компонента между двумя фазами
случае разбавленных растворов
Следовательно, при Т = const
, в
uде
и
K – концентрационный коэффициент распределения, сохраняющий при
каждой температуре постоянное значение.
Если при переходе третьего компонента в раствор имеет место его
диссоциация или ассоциация так что М1 ≠ М2, то закон распределения
принимает форму
– концентрации компонента в 1-ой и 2-ой жидких фазах;
91
K
C
С
n
2
1
,
(6.18)
2
1
M
M
n
Т
K
a
a
2
2
1
2
,
(6.19)
1
2
а
2
2
а
где
– отношение молекулярных весов диссоциированного или
ассоциированного третьего компонента в 1-ой и 2-ой жидкостях.
В общем случае, если растворы не разбавлены, справедливо
соотношение
где
и
– активности компонента в 1-ой и 2-ой несмешивающихся
жидкостях;
KТ – термодинамический коэффициент распределения.
6.1 Лабораторная работа № 1. Определение парциального
мольного объёма растворенного вещества
Цель работы: освоить методику измерения парциальных мольных
объёмов компонентов бинарного раствора.
Приборы и реактивы: пять растворов солей различной концентрации
(MgSO4, NaCl, K2SO4 и др.), дистиллированная вода, пикнометр,
фильтровальная бумага, аналитические весы.
92
2
2
dn
dV
V
.общ
Теоретическое обоснование
В соответствии с уравнением (6.1) парциальный мольный объём
растворенного вещества может быть определен по тангенсу угла наклона
касательной, проведенной к кривой зависимости общего объёма раствора от
количества растворенного вещества n2 при постоянной массе растворителя
(рисунок 6.1).
Рисунок 6.1 – Графическое определение парциального мольного объёма
компонента
В этом случае V
постоянным,
= f(n2), так как число его молей n1 остается
общ
и опыт сводится к определению общего объёма в
серии растворов с различной концентрацией.
93
t,C
Уд. вес
воды, г/см3
t,C
Уд. вес
воды, г/см3
t,C
Уд. вес
воды, г/см3
10
0,9997
17
0,9988
24
0,9973
11
0,9996
18
0,9986
25
0,9970
12
0,9995
19
0,9984
26
0,9968
13
0,9994
20
0,9982
27
0,9965
14
0,9993
21
0,9980
28
0,9963
15
0,9991
22
0,9978
29
0,9960
16
0,9990
23
0,9976
30
0,9957
Методика эксперимента
Взвешивают на аналитических весах последовательно чистый сухой
пикнометр, затем с водой и имеющимися растворами в порядке увеличения
концентрации. При переходе к новой концентрации пикнометр промывают
испытуемым раствором и тщательно обтирают снаружи фильтровальной
бумагой. Успех работы зависит от правильного заполнения пикнометра, т.е.
на стенках последнего не должно быть капель, а в растворе – пузырьков
воздуха, при этом жидкость наливается строго до отметки, и точности
взвешивания. Зная массу воды в пикнометре и её удельный вес (см. таблицу
6.1), определяют рабочий объём пикнометра, а по массе растворов – их
удельный вес. Затем для каждой концентрации вычисляется масса раствора,
содержащего 1000 г воды, и по его удельному весу – находится объём,
приходящийся на 1000 г воды.
Аналитические весы позволяют определить вес с точностью до 4-го
знака после запятой, поэтому все полученные результаты записываются с той
же точностью.
Таблица 6.1 – Зависимость удельного веса воды от температуры
94
Концентрация
раствора, моль на
1000г воды
Масса
пикнометра с
раствором, г
Масса раствора, г
Уд. вес раствора,
г/см
3
Масса раствора на
1000г воды, г
Объём раствора
на 1000г воды, мл
2
V
,
мл/моль
(соль)
1
V
,
мл/моль
(вода)
Пустой
с Н2О
0,005
и т.д.
На основании полученных данных строят график, откладывая по оси
абсцисс число молей соли, содержащихся в 1000 г воды (моляльность
раствора), а по оси ординат – объём соответствующего раствора.
По графику находят парциальные мольные объёмы соли для всех
концентраций. Парциальные мольные объёмы воды находят по уравнению
(6.2).
Полученные данные представляют в форме таблицы 6.2.
Таблица 6.2 – Опытные и расчетные данные
Отчет по работе должен содержать:
теоретическое обоснование экспериментальной части работы и
методику эксперимента;
данные по составу используемой системы и наблюдений
(таблицу 6.2);
графическую зависимость общего объема системы от
концентрации соли, построенную на основании результатов наблюдений;
результаты определения парциального объема в зависимости от
концентрации соли.
95
6.2 Лабораторная работа № 2. Определение молекулярного веса
растворенного вещества по понижению температуры замерзания
раствора
Цель работы: определение молекулярного веса нелетучих веществ
криоскопическим методом.
Приборы и реактивы: термометр Бекмана, пробирка с боковым
отростком, склянка для охлаждающей смеси, низкотемпературный
термометр, вещество с определяемой молекулярной массой, вода,
охлаждающая смесь (колотый лед и поваренная соль).
Теоретическое обоснование
Так как линейная зависимость 6.13 справедлива только для достаточно
разбавленных растворов, величина T оказывается незначительной и её
определение выполняют с помощью чувствительного термометра Бекмана
(рисунок 6.2, а), шкала которого содержит всего 5 – 6 градусов, разделенных
на сотые доли. Тысячные доли градуса отсчитывают на глаз с помощью
лупы. Наличие верхнего резервуара с ртутью позволяет регулировать
термометр на любой уровень температур. Так, при использовании в качестве
растворителя воды термометр должен быть отрегулирован таким образом,
чтобы при замерзании воды (0 С) ртуть в капилляре останавливалась в
верхней части шкалы. Если она останавливается выше нужного уровня,
значит ртути избыток. Тогда термометр погружают на 1 – 2 мин в воду с
температурой 2 – 2,5 С. Ртуть, пройдя весь капилляр, собирается в верхней
части резервуара в виде капли. Эту каплю отрывают, взяв термометр левой
рукой за верхнюю треть и резко ударив пальцем правой по тому месту, где
располагается верхний резервуар. При недостатке ртути (столбик находится в
нижней части шкалы или опускается ниже её пределов) её надо перегнать в
капилляр из резервуара. Для этого рукой нагревают шарик термометра до
образования капли в верхней части резервуара, термометр быстро
96
переворачивают. Ртуть из верхнего резервуара соединяется с каплей, затем
термометр осторожно возвращают в нормальное положение и на 1 – 2 мин
погружают в воду с температурой 2 – 2,5 С. Избыток ртути в верхней части
отрывают, как описано выше.
Методика эксперимента
Для опыта пользуются прибором, показанным на рисунке 6.2, б.
а – термометр Бекмана; б – схема криоскопа; 1, 2 – сосуды; 3 – термометр;
4, 5 – мешалки; 6 – пробирка.
Рисунок 6.2 – Термометр и прибор, используемый в опыте
Сосуд 1 наполняют охлаждающей смесью, температура которой
должна быть на 3 – 4 градуса ниже температуры замерзания растворителя.
Если растворителем является вода, то охлаждающую смесь готовят
прибавлением поваренной соли к смеси воды со льдом при непрерывном
перемешивании. Чистый сухой сосуд 2 взвешивают с пробками на
технических весах с точностью до 0,01 г, наливают в него растворитель
( 20 г) и снова взвешивают. Снимают верхнюю пробку и заменяют её
97
пробкой, в которую вставлен термометр Бекмана 3 и мешалка 5. Термометр
укрепляют так, чтобы шарик его был полностью погружен в растворитель, но
не касался ни стенок, ни дна сосуда 2. Затем сосуд 2 вставляют в широкую
пробирку 6 и все это через отверстие в крышке стакана 1 в охлаждающую
смесь.
Непрерывно помешивая растворитель с помощью мешалки 5, его
охлаждают до появления кристаллов. Если переохлаждение растворителя не
имело места, то падение температуры прекращается и отсчет, сделанный по
термометру, дает приблизительную температуру замерзания растворителя. В
случае переохлаждения появление кристаллов сопровождается
скачкообразным подъёмом температуры до уровня, отвечающего
температуре замерзания. Определив приблизительную температуру
замерзания растворителя, сосуд 2 вынимают и нагревают рукой до полного
исчезновения кристаллов, затем снова вставляют в широкую пробирку 6 и не
перемешивая, переохлаждают растворитель на 1 С ниже его
приблизительной температуры замерзания. После этого быстрым
перемешиванием вызывают кристаллизацию. Температура поднимается до
точки замерзания и в течение продолжительного времени остается
неизменной. Эта температура, отсчитанная с точностью до 0,005 град (при
возможности до 0,002 град), является искомой температурой замерзания
растворителя (Т0). Её определение повторяют еще два раза и для вычисления
молекулярного веса берут среднее из трех определений.
Определив Т0, отвешивают на аналитических весах две навески по
0,25 – 0,3 г вещества, молекулярный вес которого подлежит определению
(сахар, мочевина, глицерин). Первую навеску всыпают в сосуд с
растворителем, подняв пробку с термометром. Перемешивая растворитель,
растворяют навеску и затем, так же, как для чистого растворителя,
определяют температуру замерзания раствора Т1.
Затем содержимое сосуда 2 снова расплавляют (прогревая рукой),
всыпают вторую навеску и определяют температуру замерзания раствора Т2
98
1
2
2
1000
g
gK
M
K
,
(6.20)
при суммарной навеске. По температурам Т0, Т1 и Т2 находят понижение
температуры Т1 и Т2 и рассчитывают молекулярный вес растворенного
вещества из соотношения
где g1 и g2 – навески растворителя и растворенного вещества;
Kк – криоскопическая постоянная воды, определяется из (4.14) или
принимается по справочнику;
Т – экспериментально измеренная величина понижения температуры.
Отчет по работе должен содержать:
теоретическое обоснование экспериментальной части работы и
методику эксперимента;
данные по составу используемой системы и наблюдений;
результаты расчёта молекулярной массы исследуемого вещества
по двум навескам;
из двух значений молекулярного веса принимают среднее и
рассчитывают для него ошибку определения.
99
mK
,
(6.21)
mKj
1
,
(6.22)
6.3 Лабораторная работа № 3. Определение среднего коэффициента
активности сильного электролита в водном растворе по понижению его
температуры замерзания
Цель работы: определение среднеионного коэффициента активности
сильного электролита криоскопическим методом.
Приборы и реактивы: термометр Бекмана, пробирка с боковым
отростком, банка для охлаждающей смеси, низкотемпературный термометр,
вещество с определяемой молекулярной массой, вода, охлаждающая смесь
(колотый лед и поваренная соль).
Теоретическое обоснование
Поскольку сильные электролиты в водных растворах нацело
диссоциированы, то для разбавленного идеального раствора должно было бы
выполняться соотношение
где – число ионов, образующихся из одной молекулы.
В действительности, даже в разбавленных растворах сильных
электролитов меньше, чем это следует из соотношения (6.21) в связи с
электростатическим взаимодействием ионов в растворе и снижением их
активности.
Мерой отклонения величины T от идеального значения,
определяемого соотношением (6.21) является величина j:
где m – моляльность раствора электролита.
100
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]