Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Физическая химия. Учебное пособие для обучающихся по направлению подготовки 08.03.01 Строительство
.pdf
ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА 5
Изучение взаимной растворимости трех жидкостей
ацетон — бензол (толуол) — вода
Цель работы: построение диаграммы состояния трехкомпонентной
системы, отражающей количественные закономерности взаимной растворимости трех соединений: А — ацетон, В — бензол (толуол) и С —
вода.
Взаимная растворимость жидкостей обусловлена полярностью их
молекул. Вода, обладающая высокой полярностью, хорошо смешивается с полярными жидкостями: низкомолекулярные спирты, альдегиды,
кетоны, карбоновые кислоты. Увеличение молекулярной массы этих
соединений за счет роста неполярного органического радикала снижает
полярность кислородсодержащих соединений и ограничивает их растворимость в воде. Неполярные органические соединения (углеводороды (бензин, бензол), высшие спирты, кислоты, масла и т.п.) с водой
практически не смешиваются.
Более сложная картина наблюдается при смешении трех жидкостей
различной степени полярности. Взаимная растворимость при этом
определяется диаграммой состояния, полученной по экспериментальным данным.
Экспериментальная часть
Внимательно ознакомьтесь с оборудованием работы. Органические
жидкости находятся в соответствующих закрытых склянках, к каждой
из которых прилагается мерный цилиндр с обозначением жидкости.
Мерные цилиндры закрыты пробками. Ознакомьтесь с расположением
делений на пипетках, оцените точность деления. Ознакомьтесь с бюреткой — стеклянной градуированной трубкой с наконечником. В гибком шланге, соединяющем наконечник с трубкой, имеется стеклянный
шарик-запор, препятствующий истечению жидкости из бюретки. Обратите внимание на объем бюретки и цену делений, большого и малого.
Бюретку заполните дистиллированной водой выше нулевого уровня,
заполните наконечник: приподняв его, отожмите каучук от шариказапора, после чего доведите уровень воды в бюретке до нуля по нижнему мениску.
В восьми приготовленных сухих колбочках получите смеси двух
хорошо растворимых друг в друге жидкостей А и В (объемы жидкостей
и рассчитанные массовые проценты приведены в таблице). Смеси
81
должны быть приготовлены очень тщательно. Для этого органические
№ колбы
Объем компонентов, мл
Массовые (объемные) %
А В С А В
С
1
1,5
3,5 30
70
2
2,25
2,75 45
55 3
3.0
2,0 60
40 4
3,5
1,5 70
30 5
4,0
1,0 80
20
6
4,25
0,75 85
15
7
4,5
0,5 90
10
8
4,75
0,25 95 5
мл,
100мл,
%
CBA
C
C
жидкости А и В наливаются в соответствующие мерные цилиндры, куда погружаются одноименные пипетки (не путать!). Точно определите
по пипетке нужный объем (по нижнему мениску) и поместите его в соответствующую пронумерованную колбу.
Таблица 14
Форма записи результатов
В каждую колбочку с приготовленными смесями добавляйте воду
из бюретки до появления помутнения при перемешивании смеси. Осторожнее с колбами № 1 и № 2, где помутнение наступает от нескольких
капель воды. При расчете объема в этих случаях учитываем объем одной капли, равный 0,05 мл.
Затем доведите уровень воды в бюретке до нуля и в последующие
колбы добавляйте воду до помутнения (при перемешивании!), отсчитывая объем по делениям бюретки и доливая воду до нуля при каждом
последующем опыте.
Помутнение жидкости в колбе означает переход гомогенной однофазной системы в гетерогенную — двухфазную. Следует отметить, что
в отсутствие перемешивания помутнение исчезает, но жидкость заметно расслаивается, перемешивание же способствует кратковременному
образованию эмульсии, что и вызывает помутнение в системе.
Запишите в таблицу количество мл воды (С), необходимое для получения гетерогенной системы. Пересчитайте эти количества в объемные проценты по формуле:
(59)
82
Данные расчета запишите в таблицу и на миллиметровой бумаге
постройте диаграмму состояния. Для этого начертите равносторонний
треугольник со сторонами, равными 10 см (рис. 25).
Рис. 25. Общий вид диаграммы состояния
На стороне АВ отложите точки составов двухкомпонентных систем
А-В. Каждую точку состава А-В соедините лучом с вершиной треугольника С. На этих лучах отложите рассчитанные объемные проценты воды, полученные для каждой смеси. Постройте кривую, близкую по характеру с кривой на рис. 25, учитывая при этом достаточно равномерный разброс экспериментальных точек на плоскости треугольника. Обратите внимание, что кривая выпуклостью направлена к компоненту А.
Отметьте, что область правой части треугольника, ограниченная построенной кривой, является гетерогенной областью, где количество
компонента А недостаточно для образования тройной однородной системы. Область, лежащая слева от кривой расслоения, является гомогенной, т.е. зоной полной растворимости всех трех жидкостей.
Начертите диаграмму состояния, сделайте вывод по работе.
83
Ответьте на следующие вопросы:
1. Будет ли наблюдаться расслоение в системе, содержащей 30 %
ацетона, 20 % воды и 50 % бензола (толуола)?
2. Исходная смесь содержит по 50 % веществ А и В. Каким должно
быть максимальное содержание воды, чтобы система была гомогенной?
3. Каково количество фаз в системе, содержащей:
а) 40 % В и 60 % А;
б) 30 % А, 50 % В, 20 % С;
в) 70 % А, и 30 % С.
Примечание: для нахождения составов смесей на диаграмме состояния следует знать:
• состав двухкомпонентной системы на соответствующей стороне
треугольника, где вершины содержат 100 % компонента;
• состав трехкомпонентной системы (точки состава на плоскости
треугольника) находится проведением двух прямых через точку состава
на любую сторону треугольника (прямые параллельны двум другим
сторонам). Отсекаемые на стороне треугольника отрезки отвечают
процентному составу соответствующих компонентов (рис. 26).
Рис. 26. Состав точки «Х»:
компонент А — ВЕ %; компонент В — АД %;
компонент С — ДЕ %.
84
ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА 6
1
2
a
ka
1
2
C
N
k
C
N
1
N
C
2
N
C
Экспериментальное определение коэффициента распределения
Цель работы: провести однократную экстракцию йода из водного
раствора, вычислить коэффициент распределения, оценить эффективность однократной экстракции.
Экстрагирование (экстракция) — извлечение растворенного вещества из раствора с помощью вспомогательного растворителя, не смешивающегося с первым растворителем.
Экстракция является одним из методов регенеративной очистки
сточных вод.
Теоретическая основа экстракции — закон распределения вещества
между двумя жидкими несмешивающимися фазами. Этот закон характеризует равновесное состояние системы.
Вещество распределяется между двумя несмешивающимися фазами в определенном и постоянном соотношении, зависящем от химической природы данных веществ:
, (60)
где k — коэффициент распределения;
а
и а2 — активности распределяемого вещества в первом втором рас-
1
творителе.
Если растворы разбавленные, то отношение активностей можно
заменить отношением концентраций:
где
и
— эквивалентные концентрации растворов распределя-
емого вещества в первом и втором растворителе.
85
, (61)
В этом случае константу распределения называют коэффициентом
n
э
Kvv
v
gg
21
1
0
1
1
v
2
v
распределения.
На основе этого закона проводятся расчеты:
а) необходимого количества растворителя (экстрагента);
б) количества операций экстрагирования (число экстрагирований);
в) степени очистки воды от данной примеси после п-
экстрагирований.
Весовое количество проэкстрагированного вещества:
, (62)
где
— объем сточной воды;
— объем растворителя, применяемого для каждого экстрагирования;
п — число экстрагирований;
g0 — исходное весовое количество экстрагируемого вещества в объеме
сточной воды, г.
Кроме этого, из закона распределения следует, что п — кратное
экстрагирование малыми порциями растворителя более эффективно,
чем однократное экстрагирование его общим объемом.
Экспериментальная часть
1. Приготовить четыре водных раствора йода различной концен-
трации из стандартного раствора по указанию преподавателя.
2. Отмерить цилиндром по 50 мл каждого из этих растворов и по-
местить в склянки с пробками.
3. Затем в склянку добавить 25 мл бензола, используя для этого чистый сухой цилиндр, закрыть пробку и встряхивать склянку одну минуту. Потом содержание склянки перелить в делительную воронку, закрепленную в штативе, и оставить для отстаивания на 10 минут. Когда
граница разделения слоев станет четкой, слить нижний слой в конические колбы с соответствующей нумерацией. Это раствор йода в воде
после экстракции.
86
4. В растворе йода в воде после экстракции определить концентра-
№
п/п
Объем станд.
раствора йода,
мл
D
C
N
A
V
Na2S2O
3
,
мл
С
N
B
К
1.
2.
3.
4.
50
2 2 3 2 2 3
CV
C
Na S O Na S O
N
B
цию йода, оттитровав его раствором тиосульфата натрия в присутствии
крахмала (индикатор) до получения слабо-голубого раствора. Полученные данные, а именно объем тиосульфата натрия, пошедший на титрование, используют для расчета концентрации остаточного йода в воде.
5. Окрашенный бензольный слой сливают в ту же склянку, в которой
он был. Концентрация йода в нем определяется оптическим методом.
6. На ФЭКе определяют оптическую плотность каждого полученного раствора (экстракт йода в бензоле) и, пользуясь калибровочной
кривой, по оптической плотности (D) раствора находят концентрацию
йода в бензольном слое (C
).
N
A
7. Калибровочный график получите у преподавателя.
Полученные данные заносят в таблицу:
Таблица 15
Форма записи результатов
где 50 мл — объем воды после экстракции;
C
Na2S2O3
V
Na2S2O3
рование.
8. Расчет концентрации йода в водном слое проводят по формуле:
, (63)
— нормальность раствора тиосульфата натрия;
— объем раствора тиосульфата натрия, затраченного на тит-
87
9. Рассчитать коэффициент распределения для каждой концентрации:
N
N
B
C
À
KC
N
À
C
N
B
C
, (64)
где
10. Определить среднее значение коэффициента распределения.
11. Сделать вывод по работе.
1. Что называется раствором? Какие применяются способы выражения концентрации раствора?
2. От каких физических факторов зависит растворимость газа в
жидкостях?
3. От чего зависит взаимная растворимость ограниченно смешивающихся жидкостей?
4. Что такое осмос и от чего зависит осмотическое давление
раствора?
5. Какова структура жидкой воды?
6. Каково строение молекулы воды?
7. Первый и второй закон Коновалова.
8. Охарактеризуйте трехкомпонентную диаграмму состояния
системы.
— концентрация раствора йода в бензоле;
— концентрация раствора йода в воде.
КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ
88
ГЛАВА 4. ХИМИЧЕСКАЯ КИНЕТИКА
Термодинамика не учитывает ни фактора времени, ни фактора ско-
рости; она информирует лишь о принципиальной возможности осуществления того или иного процесса. Например, кусок железа реагирует с кислородом воздуха (ржавеет) очень медленно, бумага окисляется
кислородом еще медленнее (века), а кусок белого фосфора воспламеняется на воздухе.
Все приведенные примеры представляют собой реакции с кислоро-
дом воздуха, но эти реакции значительно отличаются друг от друга по
времени протекания, т.к. реакции протекают с различными скоростями.
Факторами, определяющими скорость, могут быть концентрации, температура, давление, природа растворителя, присутствие катализатора и др.
Раздел физической химии, изучающий скорости химических реакций, их зависимости от концентраций реагирующих веществ, температуры, давления, наличия катализатора и других факторов, носит название химической кинетики.
Это значит, что в сферу действия химической кинетики попадают
такие важнейшие для строителей процессы, как твердение строительных материалов, старение органических (в частности, лакокрасочных)
материалов, коррозия изделий и конструкций, стабильность эмульсий и
ряд других актуальных для строительства химических процессов, развивающихся во времени.
Одна из задач химической кинетики — количественное описание
хода химической реакции во времени при постоянной температуре в
зависимости от концентрации реагирующих веществ. Это так называемая формальная кинетика. Она не раскрывает сущности происходящих
процессов.
Задачей кинетики является и изучение механизма химических
реакций.
В понятие механизма реакции входят данные о ее промежуточных
стадиях, а также о скорости и последовательности протекания этих стадий, позволяющие установить, какая из них как самая медленная будет
определять кинетику всего процесса в целом.
89
Скорость химической реакции определяется количеством молекул,
dN
Vdt
idN
Vdt
22( ) ( )
()
dN H dN N
dt dt
2 2 31 ( ) 1 ( ) 1 ( )
32
dN N dN H dN NH
V dt V dt V dt
12
12
1 1 1 1
...
i
nn
i
nn
dNA dNA dNA dNA
vV dt v V dt v V dt v V dt
реагирующих в единицу времени в единице объема. Так как это число
эквивалентно изменению количества какого-либо вещества (исходного
или продукта), то тогда можно записать:
υ = ±
, (65)
где υ — скорость реакции;
V — реакционный объем;
dN/dt — изменение количества вещества в единицу времени.
Рассмотрим реакцию образования аммиака: N2 + 3H2 ↔ 2NH3.
Уменьшение концентрации водорода в единицу времени превышает
уменьшение концентрации азота в 3 раза. Рассчитав скорость по уменьшению концентрации азота и по уменьшению концентрации водорода,
получаем неравнозначные значения. Для исключения каких-либо неясностей введены два понятия: скорость реакции по данному веществу:
υi= ±
; (66)
и скорость реакции в целом (просто скорость реакции):
υ =
В общем случае для реакции ν1А1 + ν2А2 + ... + νnАn → ν
′
+ ... + ν
′
А
n
n
. (67)
′
′
А
+ ν
1
1
′
А
2
(68)
υ =
2′
В этом случае можно сравнивать скорости различных реакций. Для
определения скорости химической реакции достаточно знать изменение
во времени количества одного из участвующих в реакции веществ (исходного или конечного), т.к. изменение количества всех остальных веществ можно определить из стехиометрического уравнения.
90
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]