химия лабораторный практикум

110

2.Далее необходимо линеаризовать полученную зависимость. Для этого все точки первичного графика передаются на результирующий график путем нажатия соответствующей кнопки в нижней части окна первичных графиков. При этом все точки передаются на результирующий график и происходит автоматическое переключение программы на соответствующее окно.

3. Линеаризация проводится путем замены переменной Y (ордината преобразованной зависимости) на соответствующую функцию от исходной переменной y (ордината исходной зависимости). Теоретически прямая линия должна получаться в координатах ln(χ∞- χt) от t, поэтому в соответствующем поле преобразования ординаты вводится: ln(«значение χ∞» – y).

4. Расчет параметров линейной регрессии производится по методу наименьших квадратов (МНК). Для этого на управляющей палитре в верхней части окна

нажимается кнопка с пиктограммой линейного графика (с подсказкой «Прямая линия по МНК»). Появляется окно «Линейный МНК», в котором устанавливается диапазон точек для расчета прямой, в случае когда линейность наблюдается только в ограниченном диапазоне графика и необходимо проведение расчета только в линейном диапазоне. Выпадающие точки могут быть исключены из расчета в таблице значений результирующего графика простым кликом «мышки».

111

5. При проведении нескольких экспериментов при разных температурах программа позволяет рассчитать значение энергии активации графическим способом после передачи соответствующих данные на суммарный результирующий график. Для этого необходимо поставить «галочку» в поле «Копировать на сумм. рез. график». При этом при переходе на суммарный результирующий график параметры регрессии будут сохранены в соответствующих переменных

-a и b. Значение дополнительного параметра хранится в переменной d.

6.После соответствующей обработки всех экспериментов на суммарном результирующем графике необходимо провести пересчет полученных наклонов результирующих графиков (параметр b) в константы скорости реакции и линеаризацию зависимости. Линеаризация проводится аналогично п. 3 путем замены переменной Y на соответствующую функцию от исходной переменной y. Теоретически прямая линия должна получаться в координатах ln k от 1/T, поэтому в соответствующем поле преобразования ординаты вводится: ln(– 1/b), а в поле преобразования абсциссы вводится: 1/d.

112

7. Расчет по МНК производится аналогично п. 4.

Вопросы для самоконтроля и повторения

1.Что изучает химическая кинетика?

2.Как графически определить константу скорости реакции?

3.Что называется энергией активации реакции?

4.Запишите уравнение Аррениуса для расчѐта энергии активации реакции.

Лабораторная работа № 10

РАСТВОРЫ. ЭЛЕКТРОХИМИЯ

Опыт 1. Определение произведения растворимости малорастворимых солей

Цель опыта: определить произведение растворимости малорастворимых солей серебра методом потенциометрии. Для этого необходимо:

-измерить ЭДС гальванических элементов с различной концентрацией солей;

-рассчитать значение произведения растворимости исследуемой соли, полученной при различных измерениях;

-усреднить полученные значения и сравнить с данными приведенными в справочной литературе.

Теоретическая часть

Для определения произведения растворимости какого-либо галогенида серебра необходимо составить гальванический элемент, в котором в качестве одного электрода используется электрод 1-го рода, другим электродом служит электрод 2-го рода с осадком исследуемого соединения на электроде

Ag, AgX | КХ || AgNО3(aq.) | Ag,

где X – соответствующий галоген (Сl, Вr или I).

На электродах будут протекать следующие реакции:

Ag+ + е- ↔ Ag,

AgX + е- ↔ Ag + X-

Суммарная реакция, протекающая в электрохимическом элементе, соответствует реакции образования исследуемого малорастворимого соединения из ионов: Ag+ + X- ↔ AgX.

Запишем уравнения Нернста для этих электродов

113

Выражение для ЭДС этого элемента будет

Произведение растворимости малорастворимого соединения связано с ЭДС рассмотренного элемента, и для его определения необходимо измерить ЭДС элемента при известных концентрациях иона серебра (Ag+) в растворе первого электрода и аниона X– в растворе второго.

Практически рассмотренный гальванический элемент составляют из двух частей, каждая из которых представляет собой соответствующий электрод. Электроды соединяются электролитическим мостиком заполненным раствором KNO3 с агар-агаром. В связи с тем, что подвижности ионов калия и нитрат-ионов близки, величина диффузионного потенциала не будет существенно влиять на результаты измерений. Первоначально обе части элемента заполняют раствором AgNO3 для того, чтобы проверить правильности приготовления электродов. Затем, раствор из одной части заменяют раствором галогенида калия (не промывая при этом стаканчик) ион приобретает свойства электрода второго рода.

Для проведения работы предварительно готовят растворы галогенидов (KCl, KBr или KI - в зависимости от того произведение какого галогенида серебра необходимо определить) концентрации 0,01 М и раствор AgNO3 той же концентрации (слегка подкисленный азотной кислотой для предотвращения гидролиза). Следует помнить, что раствор нитрата серебра плохо хранится и для проведения работы необходимо использовать его свежеприготовленным.

Экспериментальная часть

Приборы и реактивы

1.Учебно-лабораторный комплекс «Химия» в следующей комплектации: - центральный контроллер;

- модуль «Электрохимия» в комплекте с двумя стаканчиками (50 см3), двумя серебряными электродами, электролитическим мостиком и двумя шнурами для подсоединения электродов;

2.Растворы AgNО3 и растворы галогенидов щелочных металлов 0,01 М, агарагар, дистиллированная вода;

114

3. Две пипетки на 10 см3, лабораторная посуда.

Порядок проведения эксперимента

1.Перед проведением первого опыта поверхность серебряных электродов осторожно, но тщательно, очищают лезвием от оксидов или сульфидов серебра, которые могли образоваться при хранении электродов.

2.Тщательно вымытые стаканчики на 50 см3 устанавливают в штатив модуля и наливают в каждый стаканчик примерно 20 см3 заранее приготовленного раствора нитрата серебра. Стаканчики закрывают крышкой и устанавливают: электролитический мостик, серебряные электроды и один термодатчик.

3.Подключение электродов и термодатчика производят согласно параграфу «Управление УЛК с помощью компьютера».

4.Производят измерение ЭДС, составленного гальванического элемента. Если значение ЭДС превышает по абсолютному значению 2 мВ, подготовку электродов повторяют (п. 1). Если не превышает, то продолжают выполнение работы.

5.Из одного из стаканчиков выливают раствор нитрата серебра и не промывая наливают в него 20 см3 подготовленного раствора галогенида калия.

6.Производят измерение ЭДС гальванического элемента и заносят полученное значение в таблицу.

7.Производят разбавление раствора галогенида в два раза. Для этого, отбирают пипеткой 10 см3 раствора и помещают вместо него 10 см3 дистиллированной воды (целесообразно использовать две пипетки - одну для раствора, другую для воды). Производят измерение ЭДС гальванического элемента и заносят полученное значение в таблицу.

8.Повторяют разбавление с последующим измерением ЭДС 2–3 раза (п. 7).

9.Проводят расчет произведения растворимости для разных концентраций галогенид-иона, усредняют полученное значение и сравнивают с данными приведенными в справочной литературе.

Рекомендуемый вид таблицы

Опыт 2. Определение значений водородного показателя (pH) водных растворов

115

Цель опыта: определить значения pH ряда водных растворов методом потенциометрии. Для этого необходимо:

-измерить ЭДС гальванического элемента с раствором, pH которого известна, составленного из стеклянного и хлорсеребряного электродов;

-измерить ЭДС гальванического элемента с различными растворами, pH которых неизвестна;

-рассчитать значения pH исследованных растворов.

Теоретическая часть

В настоящее время кислотность среды принято выражать с помощью водородного показателя (pH). Водородный показатель это отрицательный десятичный логарифм активности иона водорода в растворе.

pH = -lg сH+

Так как ионное произведение воды KW = сH+ сOH- = 10-14 при 298 К, то при значениях pH меньше 7 ионов водорода будет больше, чем гидроксид-ионов и говорят, что среда кислая. Если же значение pH больше 7, то соответственно, говорят, что среда щелочная.

Измерение водородного показателя методом потенциометрии осуществляется при помощи электродов, потенциал которых зависит от концентрации иона водорода в растворе. Наиболее распространенными для этой цели в лабораторной практике является стеклянный электрод.

Стеклянный электрод - ион-селективный электрод селективный по отношению к ионам водорода находящимся в растворе. Потенциал стеклянного электрода зависит от концентрации ионов водорода следующим образом:

Для определения рН некоторого раствора составляют цепь, состоящую из стеклянного электрода, погруженного в исследуемый раствор, и электрода сравнения, потенциал которого сохраняется постоянным в ходе эксперимента. В современной практике в качестве электрода сравнения обычно используется насыщенный хлорсеребряный электрод (ХСЭ). Тогда мы можем записать ЭДС всей цепи

Следовательно, потенциал такого элемента будет линеен относительно значения рН. Зная потенциал элемента, содержащего раствор с известным значением рН, можно рассчитать значение всех постоянных величин, входящих в

117

1.Тщательно вымытый стаканчик на 50 см3 устанавливают в штатив модуля и наливают в него примерно 40 см3 заранее приготовленного буферного раствора (рекомендуется стаканчик и электроды предварительно ополоснуть буферным раствором). Стаканчик закрывают крышкой и устанавливают стеклянный и хлорсеребряный электроды и термодатчик.

2.Подключение электродов и термодатчика производят согласно параграфу «Управление УЛК с помощью компьютера».

3.После установления равновесия (равновесие устанавливается в течение 3-5 минут) производят измерение ЭДС, составленного гальванического элемента.

4.Повторяют опыт с другими приготовленными растворами. Полученные данные заносят в таблицу.

5.Проводят расчет значений pH растворов.

Рекомендуемый вид таблицы

Управление УЛК с помощью компьютера

Измерение разности потенциалов (ЭДС гальванических элементов) можно производить на 4-м или 5-м измерительных каналах. Измерение разности потенциалов возможно производить в диапазоне от от - 5 до + 5 В с разрешением 100 мкВ и с разрешением 10 мкВ.

Измерение температуры раствора можно производить подключением датчика температуры к любому свободному каналу (1-3). Для этого штекер термодатчика подключается к разъему соответствующего канала.

Подготовка модуля к работе производится путем его подключения к центральному контроллеру с помощью соединительного кабеля. Далее необходимо подключить центральный контроллер к сети переменного тока (напряжение 220 В, частота 50 Гц).

Подключение ячеек в опыте 1 Для подключения элемента для определения произведения растворимо-

сти можно использовать 4-й или 5-й измерительный канал. Например, серебряный электрод, в котором раствор не будет меняться в ходе эксперимента, подключается к разъему 5, а второй электрод (второго рода), в котором будет

118

происходить разбавление раствора, подключается к разъему –ө- Термодатчик подключается к первому каналу (разъем 1).

Подключение ячеек в опыте 2 Гальванический элемент подключают к 4-му или 5-му измерительному

каналу. Например, стеклянный электрод - к разъему 5, хлорсеребряный электрод - к разъему –ө- (может быть использован универсальный кабель для подключения обоих электродов к разъему 5). Термодатчик подключается к первому каналу (разъем 1).

Управление с помощью компьютера

1.Универсальный контроллер подключается к персональному компьютеру через СОМ-порт с помощью специального соединительного шнура.

2. При включенном контроллере необходимо запустить программу управления УЛК «Химия» — elsms2.exe.

3.В появившемся окне инициализации («Добро пожаловать в УЛК») необходимо выбрать вариант работы с УЛК - «Работа с контроллером». При правильно подсоединенном модуле и контроллере справа должны быть надписи: «Контроллер активен» и ниже «Модуль: Электрохимия». Затем необходимо войти в программу управления УЛК путем нажатия кнопки «Вход».

4.Далее попадаем в окно управления программой. Соответствие между измерительными каналами и датчиками происходит автоматически, необходимо лишь включить используемые в работе датчики. Например: включить «Термодатчик» на первом канале и «ЭДС (*.****)» на четвертом.

119

5.В ходе проведения работы будет изменяться концентрация или состав раствора, поэтому устанавливается режим измерения по варьируемому параметру. Для этого в группе элементов «параметры измерения» необходимо выключить «Автоматический режим» (убрать галочку). После этого необходимо настроить параметры одиночного измерения: для опыта 1 рекомендуется проводить измерения через 10 с с включенным «Усреднением»; для опыта 2 рекомендуется проводить измерения через 60 с включенным «Усреднением».

6.Далее в соответствующих полях вводятся значение параметра (в случае опыта 1 - концентрации, а для опыта 2 — номер исследуемого раствора) и его размерность (М). После этого необходимо произвести измерение значения ЭДС исследуемого гальванического элемента путем нажатия кнопки «Измерение» (прим. пока не заполнено или обновлено поле значения варьируемого параметра кнопка «Измерение» заблокирована).

7.Появится окно состояния измерения - «Обмен данными с контроллером». После проведения измерения текущий эксперимент будет дополнен результатом измерения.