Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Физическая химия. Лабораторный практикум-1
.pdf
Ag⏐ AgCl, KCl (0,1 N)⏐ KNO
4
⏐ CuSO4 (0,1 N)⏐ Cu; (11.1)
3 насыщ
2) гальванический элемент, с помощью которого определяется по-
тенциал серебра:
Ag⏐ AgCl, KCl (0,1 N)⏐ KNO
⏐ AgNO3 (0,1 N) ⏐ Ag; (11.2)
3 насыщ
3) медно-серебряный гальванический элемент
Cu ⏐CuSO
(0,1 N) )⏐ KNO
4
⏐ AgNO3 (0,1 N) ⏐ Ag. (11.3)
3 насыщ
Электродом сравнения в работе служит лабораторный стандартный
хлорсеребряный электрод ЭВЛ-1М4, потенциал которого при 20 °С
равен –0,201 В. Температурный коэффициент потенциала в интервале от 5 до 60 °С не превышает ±0,00025 В.
11.3. Порядок выполнения работы
Работу выполняют с использованием учебно-лабораторного ком-
плекса «Химия» (рис. 11.1).
5
2
Рис. 11.1. Учебно-лабораторный комплекс «Химия»:
1 – центральный контроллер; 2 – модуль «Электрохимия»;
3 – электрод; 4 – электролитический мостик; 5 – термопара
1
3
Применяются растворы АgNОз и CuSO4, KCl с концентрацией
0,1 М, дистиллированная вода, два дозатора на 10 см
3
, лабораторная
посуда.
1. Проверить правильность заполнения таблицы «Система управления учебно-лабораторным комплексом» на мониторе компьютера
(рис. 11.2).
91
Рис. 10.2. Таблица на мониторе компьютера
В поле «Измерительные каналы» отметить:
– термодатчик;
– ЭДС.
В поле «Параметры измерения» отметить:
– интервал измерений – 10;
– варьируемый параметр – 0,10;
– размерность – М;
– активировать контроллер.
В поле «Исполнительные устройства» отметить:
– нагреватель – 0 °С;
– термостат – 0 °С;
– источник напряжения – 0,00 В;
– источник тока – 0,0 мА.
2. Составить гальванический элемент
Ag⏐ AgCl, KCl (0,1 N)⏐ KNO
⏐ CuSO4 (0,1 N)⏐ Cu, (11.4)
3 насыщ
измерить его ЭДС и записать полученное значение в табл. 11.1.
3. Разбавить раствор CuSO
ром 10 см
92
3
раствора CuSO4 и поместить вместо него 10 см3 дистил-
в 2 раза. Для этого отобрать дозато-
4
лированной воды (использовать два дозатора – один для раствора,
другой для воды). Измерить ЭДС полученного гальванического элемента и записать значение в табл. 11.1.
Таблица 11.1
Результаты измерений
c , M
CuSO
4
0,1
0,05
0,025
0,0125
, M
c
AgNO
3
0,1
0,05
0,025
0,0125
Медно-серебряный гальванический элемент E, B
E, B
E, B
ε
ε
ε
4. Выполнить 3–4 раза разбавление раствора CuSO4 вдвое с последующим измерением ЭДС.
5. Составить гальванический элемент
Ag⏐ AgCl, KCl (0,1 N)⏐ KNO
⏐ AgNO3 (0,1 N) ⏐ Ag, (11.5)
3 насыщ
измерить его ЭДС и записать полученное значение в табл. 11.1.
6. Разбавить раствор AgNO
ром 10 см
3
раствора AgNO3 и поместить вместо него 10 см3 дистил-
в 2 раза. Для этого отобрать дозато-
3
лированной воды (использовать два дозатора – один для раствора,
другой для воды). Измерить ЭДС полученного гальванического элемента и записать значение в табл. 11.1.
7. Составить медно-серебряный гальванический элемент
Cu ⏐CuSO
(0,1 N) )⏐ KNO
4
⏐ AgNO3 (0,1 N) ⏐ Ag, (11.6)
3 насыщ
измерить его ЭДС и записать полученное значение в табл. 11.1.
8. После проведения всех измерений перейти в окно «Графики».
9. Для построения графика определить соответствие между координатами графика и данными, полученными на измерительных каналах. Выбрать каналы: для оси абсцисс (х) – «Варьируемый параметр», для оси ординат (у) – «3. ЭДС(*.****)». Получить графики
зависимости потенциала исследуемых электродов от концентрации.
93
10. Рассчитать потенциал исследуемого электрода, используя
уравнение (V.5). ЭДС гальванического элемента равна разности потенциала электрода, на котором идет процесс восстановления, и потенциала электрода, на котором идет процесс окисления.
11.4. Требования к отчету о работе
Отчет должен содержать:
1) цель работы;
2) краткое изложение теории;
3) графики зависимости ЭДС гальванических элементов от концентрации растворов в виде графика и зависимости потенциала исследуемых электродов от концентрации;
4) расчет ЭДС медно-серебряного гальванического элемента по
данным таблицы стандартных электродных потенциалов и сравнение
с экспериментальным значением.
Контрольные вопросы
1. Какие электродные реакции и типы электродов отвечают гальваническим элементам, используемым в работе?
2. От каких факторов зависят значение и знак потенциала данного
электрода в различных элементах?
3. На основе каких законов и уравнений описывается концентрационная зависимость ЭДС гальванического элемента?
4. К какому типу принадлежит стандартный хлорсеребряный
электрод?
5. Какие типы гальванических элементов и электродов вам известны?
94
VI. КИНЕТИКА ХИМИЧЕСКИХ РЕАКЦИЙ
A
D
Скорость химической реакции ω – это изменение концентрации
какого-либо из участников реакции за единицу времени. Она может
быть выражена через изменение концентрации любого исходного
вещества или продукта реакции. Например, для реакции
А + 2В → 3С + D (VI.1)
скорость можно вычислить по формуле
d
c
ω =
где с
, сВ, сC, сD – концентрации веществ.
А
=
−
d
t
−
1
2dd
c
B
t
Уравнение, описывающее зависимость скорости химической ре-
акции от концентрации, называется кинетическим.
В рамках формальной кинетики используют следующую форму
кинетического уравнения:
nn
где с
, сВ, …, сn – концентрации исходных веществ;
А
, nB, …, ni – порядок химической реакции по данному веществу
n
A
AB
kc c cω= (VI.3)
ABi
(степень, в которой концентрации данного вещества входят в кинетическое уравнение (VI.3));
k – константа скорости химической реакции, которая зависит от
температуры и имеет размерность [t]
времени; [c] – размерность концентрации).
=
1
3dd
n
i
,
c
dc
C
=
t
–1
1–n
[c]
(VI.2)
,
d
t
([t] – размерность
Параметр n
может быть как положительным, так и отрицатель-
i
ным, принимать целые и дробные значения.
N = Σn
.
i
Общий порядок реакции равен сумме порядков реакции по всем
реагирующим веществам:
Таким образом, для определения скорости химической реакции
необходимо знать порядки реакции по компонентам или общий порядок реакции и константу скорости при данной температуре.
Если начальные концентрации исходных веществ берутся в стехиометрическом соотношении, то в любой момент времени соотношения между концентрациями будут равны соотношениям стехиометрических коэффициентов. Например, для реакции (VI.1), если
исходная концентрация вещества В в 2 раза больше, чем для вещест-
95
ва А, то сВ = 2сА в любой момент времени. Тогда кинетическое урав-
A
A
нение можно записать в более простом виде:
c
d
ω=− = = = = =
t
d
nn n nn nn
A
AB A AB AB
kcckcc k cckc kc
11 1
BAA AAA A
n
B
22 .
()
n
B
()
+
n
(VI.4)
Число параметров может быть существенно уменьшено также в
том случае, если в начальный момент времени количество одного из
реагентов значительно меньше, чем всех остальных. Тогда изменением концентраций всех реагентов, кроме выбранного, можно пренебречь и считать их концентрации постоянными. Например, если
вещества А взять много меньше, чем вещества B, то значение с
B
можно считать константой и, соответственно,
d
c
ω=− = = =
A
d
t
nn n n n
AB B A A
kc c kc c k c
11.эф
()
BBA A
(VI.5)
Таким образом, в зависимости от условий проведения химической
реакции кинетика процесса различается.
Дифференциальное уравнение можно решить прямым интегрированием:
c
dc
n
∫
c
c
0
.
(VI.6)
kt
=−
Типичные решения уравнения даны в таблице.
Выражения концентрации исходного вещества, константы скорости
реакции и времени полупревращения для реакций разных порядков
n Зависимость концентра-
ции от времени
0 с = –k0t + с0
1 lnс = –k1t + lnс0
11
kt
2
3
n ≠ 1
=+ k2 =
1
cc
11
=+
22
cc
11
(1)
=− +
11
−−
nn
cc
0
2kt
3
0
nkt
n
k
0
11 1
=
k
3
2
t
111
tn t
−
(1)
k Время полупре-
сс
−
моль
0
=
0
k1 =
11 1
(),
,
лс
t
⋅
сс
ln( / )
(),
−
−
22 2
сс
k
(),
11
nn
−−
сс
0
t
0
0
=
n
−
1
,
с
л
моль сtс с
моль с
0
⋅
2
л
1
с
[]
[]
⋅
n
−
вращения t
tk=
1/2
tk=
1/2
tkc=
1/2
tkc=
1/2
n
21
t
=
1/2
n
c
0
2
ln 2
1
1
20
31
2
30
1
−
−
1
kc
n
1/2
2
1
n
−
0
96
На основании решений уравнений, приведенных в таблице, можно
R
понять, как определить порядок реакции из экспериментальных данных. Если имеется экспериментальная зависимость концентрации от
времени при постоянной температуре, то порядок может быть определен путем подбора координат спрямления, т.е. такой зависимости,
при которой некоторая функция концентрации меняется линейно со
временем. Например, для первого порядка это lnс, а для второго – 1/с.
Алгебраически это означает, что константа скорости, рассчитанная
по уравнению, соответствующему правильно подобранному порядку
реакции, не зависит от концентрации и времени.
Для описания зависимости скорости химической реакции чаще
всего пользуются эмпирическим правилом Аррениуса:
ln,ddkE
=
T
(VI.7)
2
T
где Е – энергия активации химической реакции.
Параметр Е может быть определен из эксперимента и имеет
смысл минимальной энергии, которой должны обладать молекулы
при столкновении, чтобы произошел элементарный акт реакции.
Кроме температуры скорость реакции зависит от многих факторов, в частности от присутствия других веществ, которые ускоряют
(катализаторы) или замедляют (ингибиторы) скорость реакции.
Скорость инверсии тростникового сахара изучают с помощью поляриметра. Если на пути поляризованного луча поместить оптически
активный раствор, то в вышедшем из раствора луче колебания
молекул будут происходить уже в другой плоскости, составляющей с
плоскостью колебаний первого луча некоторый угол α: раствор «поворачивает» плоскость поляризации. Угол вращения α тем больше,
чем выше концентрация раствора и чем толще его слой. Угол вращения плоскости поляризации раствора, содержащий 1 г вещества в 1 см
3
и действующий на поляризованный луч слоем толщиной 1 см, называется углом удельного вращения [α].
Если есть раствор, содержащий в 100 см
3
с г вещества и налитый в
трубку длиной l cм, и если он изменяет плоскость поляризации на
угол α, то угол удельного вращения определяется соотношением
100
α
[α] =
.
lc
Поскольку [α] – известная постоянная величина, то, измеряя тол-
щину слоя l, можно найти концентрацию раствора.
97
Для измерения угла α используют поляриметр. В его состав входят поляризатор, который производит поляризованный луч, и анализатор, который определяет положение плоскости поляризации этого
луча. Поляризатор состоит из двух призм Николя N
и N2. Ход лучей
1
в призме Николя показан на рис.VI.1.
68°
О
В
О
Рис. VI.1. Ход лучей в призме Николя
Анализатор состоит из призмы Николя N3 с диафрагмой и зри-
тельной трубой. Между поляризатором и анализатором предусмотрен зазор, в который вдоль оси прибора вставляется наполненная исследуемым раствором трубка. Поляризатор неподвижен, анализатор
можно поворачивать вокруг оси прибора, при этом прикрепленный к
нему указатель отмечает угол вращения.
Призма N
поляризатора меньше, чем N1. Обе призмы расположе-
2
ны таким образом, что плоскости поляризации проходящих через
них лучей образуют между собой некоторый угол. Вследствие этого
поле зрения делится на две половины, освещенные поляризованными
лучами, но с разными плоскостями поляризации. Если призму N
3
анализатора поставить таким образом, чтобы плоскость поляризованных им лучей была перпендикулярна к плоскости поляризации,
вызванной призмой N
или N2, то в поле зрения будет или правая по-
1
ловина светлая, левая же темная, или наоборот (рис. VI.2).
Рис. VI.2. Освещение поля зрения в зависимости
от расположения анализатора N3
98
Если же анализатор поставить так, чтобы плоскость поляризованных им лучей была перпендикулярна к линии, делящей плоскости
поляризации N
и N2 пополам, то все поле зрения будет одинаково
1
затемнено. Это нулевое положение анализатора. При малейшем повороте анализатора в ту или другую сторону нарушается равенство освещенности поля зрения. Угол вращения отсчитывается с помощью
лупы и нониуса. Точность отсчета в различных приборах может достигать 0,05°. Приборы такого типа носят название полутеневых.
Рассмотрим оптическую схему и принцип действия полутеневого
сахариметра (рис. VI.3).
Свет от источника 1 (лампа накаливания) делится на два пучка.
Один из них (показан штриховой линией) служит для освещения
шкалы 2 и нониуса 3 прибора, которые рассматриваются через окуляр 4. Второй пучок света проходит через светофильтр 5, выделяющий красную область спектра. Система линз 6 (конденсор) формирует параллельный пучок света, который поступает на вход поляризатора 7 (призма Николя). Получающийся плоскополяризованый свет
проходит последовательно через кювету с раствором сахара 8, ком-
пенсатор 9 (клин переменной толщины, изготовленный из правовращающего кварца) и попадает на вход анализатора 10 (призма Николя
или поляроидная пленка). Визуальное наблюдение осуществляется
через окуляр зрительной трубы 11. Если главные плоскости пропускания поляризатора и анализатора образуют прямой угол, а оптически активное вещество между ними отсутствует, то свет через такую
систему не пройдет и поле зрения трубы будет темным. В присутствии
активного вещества плоскость поляризации повернется на некоторый
угол и в соответствии с законом Малюса
1
интенсивность света за анали-
затором уже не будет равна нулю; при этом поле зрения просветляется.
Рис. VI.3. Оптическая схема и принцип действия
полутеневого сахариметра
–––––––––
1
Установлен Э.Л. Малюсом в 1810 г.
99
Чтобы вновь добиться полного затемнения, необходимо повернуть анализатор на угол, равный углу поворота плоскости поляризации света после прохождения через активное вещество. В полутеневом сахариметре обычная призма Николя, используемая в качестве анализатора (или поляризатора), разрезана вдоль главной плоскости пропускания на две равные части. Полученные грани сошлифованы на
клин под небольшим углом β = 2,0…2,5°, а затем обе половины вновь
склеены. При этом плоскости пропускания П
и П2 обеих половин ана-
1
лизатора (рис. VI.4) образуют между собой малый угол 2β, а круглое
поле зрения разделено пополам вертикальной линией (рис. VI.5).
Рис. VI.4. Угол между плоскостями пропускания
а
Рис. VI.5. Освещение поля зрения
б в
Если плоскость поляризации РР света, выходящего из поляризатора, перпендикулярна к биссектрисе угла между главными плоскостями половин анализатора П
и П2, то обе половины поля зрения
1
освещены одинаково:
I
100
= I2 = I0 sin2β,
1
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]