Опыт 1.4 (г)
В две пробирки налейте по 1 мл 2н раствора соляной кислоты и опустите в них по одному кусочку цинка. Когда в пробирках станет замет- ным выделение пузырьков водорода, в одну из них добавьте 3 – 5 капель раствора формалина. Как изменяется скорость реакции в присутствии фор- малина? Чем в данной реакции является формалин? Составьте уравнение реакции взаимодействия цинка с соляной кислотой.
Опыт 1.5. Зависимость скорости реакции от площади поверхности
реагирующих веществ
Возьмите небольшой кусочек мрамора и приблизительно столько же мрамора в порошке на листке бумаги. Налейте в 2 пробирки на ¼их объе- ма 2н соляной кислоты и добавьте мрамор (кусочек в одну пробирку, по- рошок в другую). Наблюдайте за скоростью реакции в обеих пробирках. В какой пробирке реакция идет более интенсивно?
Напишите уравнение протекающей реакции. Сделайте вывод о влия- нии поверхности соприкосновения на скорость реакции.
2. Изучение влияния различных факторов на смещение химического равновесия
Опыт 2.1. Влияние температуры на смещение химического равновесия
Опыт 2.1 (а) (проводится под тягой!)
Реакция полимеризации диоксида азота протекает по уравнению
2NO |
2 |
↔ N O ; |
r |
H o = −54,39 кДж/моль . |
|
2 4 |
|
Газ NO2 – темно бурого цвета, N2O4 – бледно-желтый, почти бес- цветный. Поэтому по изменению окраски газовой смеси можно судить об изменении концентрации ее компонентов, т.е. о смещении равновесия в сторону прямой или обратной реакции.
Возьмите U-образную трубку и заполните ее диоксидом азота, кото- рый получите взаимодействием концентрированной азотной кислоты с медной стружкой по реакции
Сu + 4HNO3 → Cu(NO3 )2 + 2NO2 − +2H 2O .
Оба конца трубки плотно закройте резиновыми пробками. Перевер- нув ее концами вниз, поместите одно колено трубки в стакан с горячей во- дой, другое – в стакан с холодной водой (воду приготовьте заранее). На-
31
блюдайте уменьшение интенсивности бурой окраски в колене, которое на- ходится в холодной воде, и усиление окраски в колене, находящемся в го- рячей воде. В каком направлении происходит смещение равновесия обра- зования оксидов азота при нагревании и охлаждении? На основании прин- ципа Ле-Шателье сделайте вывод о влиянии температуры на смещение хи- мического равновесия.
Опыт 2.1 (б)
Крахмал представляет собой смесь полисахаридов, их макромолеку- лы имеют сложный состав, который можно условно обозначить формулой [К]. Даже со следовыми количествами иода крахмал образует адсорбцион- ное соединение синего цвета (иодокрахмал). Данная реакция обратима, и ее можно условно представить схемой
иод + крахмал ↔ иодокрахмал; ΔНх.р. < 0
В пробирку накапайте 10 капель раствора крахмала и добавьте 1 кап- лю 0,1н раствора иода. Что наблюдаете (при получении очень интенсивной окраски содержимое пробирки можно разбавить дистиллированной водой)? Нагрейте пробирку и наблюдайте изменение окраски. Затем подождите, пока раствор в пробирке остынет. Что произошло с раствором?
На основании принципа Ле-Шателье сделайте вывод о влиянии тем- пературы на смещение химического равновесия.
Опыт 2.1 (в)
В водном растворе аммиака существует равновесие
NH3 + H 2O ↔ NH 4+ + OH − , r H o <0.
нейтральная среда щелочная среда
Накапайте в пробирку 10 капель дистиллированной воды, добавьте 1 каплю концентрированного раствора аммиака NH4OH и 1 каплю рас- твора фенолфталеина (в щелочной среде окрашивается в малиновый цвет). Отметьте цвет раствора (при получении очень интенсивной окра- ски содержимое пробирки можно разбавить дистиллированной водой). Содержимое пробирки нагрейте и наблюдайте исчезновение окраски. Затем подождите пока раствор охладиться. Что наблюдаете в этом слу- чае? В сторону какой реакции сместилось равновесие? На основании принципа Ле-Шателье сделайте вывод о влиянии температуры на сме- щение химического равновесия.
32
Опыт 2.2. Влияние концентрации реагирующих веществ на смещение
химического равновесия
Опыт 2.2 (а)
В две пробирки накапайте по 5 капель раствора аммиака NH4OH и по 5 капель воды. В каждую пробирку добавьте по 1 капле фенолфталеина. Как окрасился индикатор под действием ионов ОН– ? В одну из пробирок добавьте 1 микрошпатель хлорида аммония NH4Cl и перемешайте обрат- ным концом микрошпателя. Что произошло с окраской раствора? На уменьшение или увеличение концентрации гидроксид-ионов указывает изменение окраски раствора? Напишите уравнения диссоциации гидрокси- да аммония и хлорида аммония. Объясните, как смещается равновесие дис- социации гидроксида аммония при добавлении ионов аммония NH4+ (обра- зуются при диссоциации хлорида аммония)? На основании принципа Ле- Шателье сделайте вывод о влиянии продуктов реакции на состояние хими- ческого равновесия.
Опыт 2.2 (б)
В две пробирки накапайте по 10 капель 2н раствора уксусной кисло- ты СН3СООН и по 1 капле метилового оранжевого (в кислой среде красно- го цвета). В одну из пробирок добавьте несколько кристаллов ацетата на- трия CH3COONa, перемешайте стеклянной палочкой и сравните интенсив- ность окраски в обеих пробирках (оранжевый цвет раствора свидетельст- вует о нейтральной среде). Напишите уравнения диссоциации уксусной ки- слоты и ацетата натрия. Объясните, как смещается равновесие диссоциации уксусной кислоты при добавлении ацетат-ионов CH 3COO − (образуются при диссоциации ацетата натрия). На основании принципа Ле-Шателье сделайте вывод о влиянии продуктов реакции на состояние химического равновесия.
Опыт 2.2 (в)
К 50 мл дистиллированной воды (отмерьте цилиндром и перелейте в небольшой стакан) добавьте 1 каплю раствора хлорида железа (III) FeCl3 и 1 каплю раствора роданида калия KCNS (или роданида аммония NH4CNS). В растворе протекает реакция
FeCl3 + 3KCNS Fe(CNS )3 + 3KCl
Роданид железа (III) Fe(CNS)3 интенсивно окрашивает раствор в красный цвет. По изменению окраски раствора можно судить о смещении равновесия в ту или другую сторону.
33
В четыре пробирки при помощи цилиндра разлейте по 5 мл полу- ченного раствора (раствор, оставшийся в стакане, больше не нужен). В первую пробирку добавьте 1 каплю хлорида железа (III), во вторую – 1 каплю роданида калия или аммония, в третью – 1 каплю хлорида калия KCI, четвертая пробирка – контрольная.
Отметьте изменение интенсивности окраски в каждом случае. В ка- ком направлении смещается равновесие при добавлении перечисленных реагентов? Напишите выражение константы равновесия для данной обра- тимой реакции. На основании принципа Ле-Шателье сделайте вывод о влиянии реагентов на состояние химического равновесия.
ВОПРОСЫ ДЛЯ САМОКОНТРОЛЯ
1.Перечислите факторы, влияющие на скорость химической реакции.
2.Сформулируйте закон действующих масс.
3.Сформулируйте правило Вант-Гоффа и запишите его математиче- ское выражение.
4.Сформулируйте принцип Ле-Шателье.
5.Перечислите факторы, влияющие на химическое равновесие.
6.Дайте определение понятия «катализатор».
7.Реакция разложения карбоната кальция при нагревании протекает по уравнению СаСО3 ↔СаО + СО2; ΔН < 0. Как следует изменить темпера- туру, давление, а также концентрацию реагентов, чтобы повысить выход углекислого газа?
8.Взаимодействие оксида азота (II) с кислородом протекает по урав- нению реакции 2NO + O2 → 2NO2 . Как изменится скорость реакции, если
увеличить концентрацию: а) NO в 3 раза; б) О2 в 2 раза; в) NO и О2 в 2 раза.
9.Как изменится скорость прямой реакции при увеличении давления
в4 раза для данных реакции N 2 + 3H 2 → 2NH 3 .
10.Запишите кинетические уравнения для следующих реакций:
N2 + 3H 2 → 2NH 3 ; |
Ca(OH )2 → CaO + H 2O ; |
C + O2 → CO2 ; |
2CO + O2 → 2CO2 . |
11.При 150 ° С некоторая реакция заканчивается за 16 мин. Принимая температурный коэффициент скорости реакции равным 2,5, рассчитайте, через какое время закончится эта реакция, если проводить ее при 80 ° С.
12.При 20 оС реакция растворения железа в соляной кислоте закан- чивается за 2 минуты, а при 40 оС – за 30 секунд. Определите, за какое время реакция закончится при 70 оС.
34
13.Две реакции протекают при 25 ° С с одинаковой скоростью. Тем- пературный коэффициент скорости первой реакции равен 2,0, второй – 2,5. Найти отношение скоростей этих реакций при 95 ° С.
14.Чему равен температурный коэффициент скорости реакции, если при увеличении температуры на 30 градусов скорость реакции возрастает в
15,6 раза?
15.Рассчитайте равновесные концентрации H2 и I2 при условии,
что их начальные концентрации составляли 2 моль/л, а равновесная кон-
центрация HI – 3 |
моль/л. |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||
16. |
Через некоторое время после начала реакции 3A + B → 2C + D |
||||||||||||||||||||||
концентрации |
веществ составляли: [A] = 0,03 |
моль/л; |
[B]= 0,01 |
моль/л; |
|||||||||||||||||||
[C] = 0,008 моль/л. Каковы исходные концентрации веществ А и В? |
|
||||||||||||||||||||||
17. |
Определите, как необходимо изменить температуру и давление, |
||||||||||||||||||||||
чтобы увеличить выход продуктов реакции |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||
1 |
N |
2 |
+ |
3 |
H |
2 |
NH |
3 |
, |
r |
H o |
<0; |
NO + NO |
2 |
N O , |
r |
H o |
<0; |
|||||
2 |
|
|
2 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
2 3 |
|
|
|||||||
MgCO MgO + CO , |
r |
H o |
>0; |
N |
2 |
+ 1 |
O N |
O , |
r |
H o |
>0. |
||||||||||||
|
|
|
3 |
|
|
|
2 |
|
|
|
|
|
2 |
2 |
2 |
|
|
|
|||||
35
Лабораторная работа № 4 СВОЙСТВА РАСТВОРОВ
Вещества, водные растворы или расплавы, которые проводят элек- трический ток, называются электролитами.
Распад электролитов на ионы под действием молекул растворителя называется электролитической диссоциацией.
Согласно современным представлениям электролитическая диссоциа- ция в растворе происходит в результате сложного физико-химического взаи- модействия молекул электролита с полярными молекулами растворителя.
Например, процесс растворения в воде вещества К + А− (вещество с ионной связью) может быть записан следующим образом:
К + А− + хН2О ® К + × (Н2О)k + А− × (Н2О)( х−k ) . |
|
кристалл жидкий |
раствор |
растворитель |
|
Ассоциации К + × (Н2О)k |
и А− × (Н2О)( х−k ) представляют собой гид- |
ратированные катионы и анионы.
Количественными характеристиками электролитической диссоциа- ции являются:
1) степень электролитической диссоциации a – это отношение числа молекул, распавшихся на ионы ( Nu ), к общему числу молекул рас- творенного вещества в растворе ( N o )
α = |
Nu |
(17) |
|
NO
Степень диссоциации зависит: а) от природы растворителя; б) от температуры;
в) от концентрации раствора (например, концентрированная (безвод- ная) уксусная кислота не проводит электрический ток, а разбавленная – проводит).
Значение a можно интерпретировать так: если, например, a = 30 %, то это означает, что из каждых 100 внесенных в раствор молекул на ионы распадается (диссоциирует) только 30.
В зависимости от значения a все электролиты делят на группы:
· электролиты, для которых значение a > 30 %, называются сильными (практически степень диссоциации потенциального электролита никогда не
36
может быть равной 100 %, за исключением гипотетических предельно раз- бавленных растворов), например, HCl, HNO3 , HBr, HClO3 , H2 SO4( разб) ;
∙ слабые электролиты (α существенно меньше 100 %), в химической практике иногда выделяют группу электролитов средней силы (3 % > α < 30 %),
например, H3 PO4 , H2 SO3 , HF , HNO2 .
Значение степеней диссоциации некоторых электролитов при 18 °С в 0,1М водном растворе приведены в табл. 9.
|
|
|
Таблица 9 |
|
Степень диссоциации некоторых электролитов в 0,1М растворе |
||||
|
|
|
|
|
Кислота |
Формула |
a, % |
|
|
|
|
|
|
|
Соляная |
HCl |
92 |
сильные |
|
|
|
|
электролиты |
|
Азотная |
HNO3 |
92 |
||
|
||||
|
|
|
|
|
Фосфорная |
H3 PO4 |
26 |
электролиты |
|
|
|
|
||
Сернистая |
H2 SO3 |
20 |
||
|
||||
|
|
|
|
|
Фтороводородная |
HF |
8 |
|
|
|
|
|
|
|
Уксусная |
CH3COOH |
1,40 |
|
|
|
|
|
|
|
Угольная |
H2CO3 |
0,17 |
слабые |
|
|
|
|
||
Сероводородная |
H2 S |
0,10 |
||
|
|
|
|
|
Вода |
H2O |
2×10–7 |
|
|
|
|
|
|
|
Следует помнить: разделение электролитов на сильные и слабые за- висит не от растворимости вещества; а от того, сколько его молекул от об- щего числа растворенных распалось на ионы. Поэтому могут быть хорошо растворимые вещества, но слабые электролиты и, наоборот, плохо раство- римые вещества, но сильные электролиты (табл. 10).
Таблица 10 Растворимость и характеристика электролитической способности некоторых веществ
Вещество |
Растворимость |
Электролит |
Вещество |
Растворимость |
Электролит |
|
|
|
|
|
|
AgNO3 |
хорошая |
сильный |
Fe(OH )3 |
плохая |
слабый |
|
|
|
|
|
|
BaSO4 |
плохая |
сильный |
CH3COOH |
хорошая |
слабый |
|
|
|
|
|
|
Ca(OH )2 |
плохая |
сильный |
C6 H12O6 |
хорошая |
неэлектролит |
|
|
|
глюкоза |
|
|
|
|
|
|
|
|
37
2) константа электролитической диссоциации (Kд ) – это кон-
станта химического равновесия для процесса диссоциации электролита
|
KA Û K + + A− |
|
|||
|
Kд = |
[K + ] ×[ A− |
] |
|
|
|
|
|
, |
(18) |
|
|
[KA] |
|
|||
|
|
|
|
|
|
где [ K + ] и [ |
A− ] – равновесные концентрации ионов K + и |
A− соответст- |
|||
венно; [KA] – |
концентрация непродиссоциировавших молекул KA . |
||||
Константа диссоциации зависит: |
|
|
|
||
а) от природы электролита; |
|
|
|
|
|
б) от температуры. |
|
|
|
|
|
Количественная зависимость между a и Kд для растворов слабых |
|||||
электролитов описывается законом разведения Оствальда |
|
||||
|
Кд = a2 × С , |
|
|
(19) |
|
|
|
1 - a |
|
|
|
где a – степень диссоциации; С – начальная концентрация электролита;
Kд – константа диссоциации.
Следовательно, с уменьшением концентрации раствора степень дис- социации слабого электролита увеличивается.
Варианты записи уравнений диссоциации:
1. Средние соли диссоциируют в одну стадию и необратимо
KCl ® K + + Cl− ; Al2 (SO4 )3 ® 2 Al3+ + 3SO42− ;
2. Кислые соли слабых кислот диссоциируют ступенчато, т.е. в не- сколько стадий; по первой стадии необратимо, далее – обратимо
KHCO ® K |
+ + HCO− |
NH |
H |
PO ® NH |
+ + H PO− |
|||||
3 |
3 |
|
4 |
|
2 |
4 |
|
4 |
2 |
4 |
HCO− « H + |
+ CO2− |
H |
PO− |
« H |
+ + HPO2− |
|
|
|||
3 |
3 |
2 |
|
4 |
|
|
|
4 |
|
|
HPO2− « H + |
+ PO3− |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
4 |
4 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
3. Сильные одноосновные кислоты диссоциируют необратимо
HCl ® H |
+ + Cl |
− ; HNO « H |
+ + NO− |
|
|
3 |
3 |
38
4. Слабые одно- и многоосновные кислоты диссоциируют обратимо; многоосновные – ступенчато, причем каждая последующая ступень диссо- циации менее эффективна по сравнению с предыдущей
HF « H + + F − |
|
|
|
H PO « H + + H PO− |
, a |
|
||||
|
; |
|
|
|
3 |
4 |
2 |
4 |
1 |
|
HNO « H |
+ + NO− |
|
|
|
H PO− « H + |
+ HPO2− |
, a |
2 |
||
2 |
2 |
|
|
|
2 |
4 |
|
4 |
|
|
HPO2− « H + + PO3− |
, a |
3 |
|
|
|
|
|
|
||
4 |
4 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Поскольку при диссоциации H3 PO4 a1 >> a2 >> a3, то в водном рас- |
||||||||||
творе концентрация ионов |
H |
+ наибольшая, а ионов PO3− – |
наименьшая. |
|||||||
|
|
|
|
|
|
4 |
|
|
|
|
5. Сильные одно- и многоосновные основания (щелочи) диссоции- |
||||||||||
руют в одну стадию необратимо |
|
|
|
|
|
|
||||
KOH ® K + + OH − ; |
|
Ba(OH )2 ® Ba2+ + 2OH − . |
|
|||||||
6. Слабые одно- и многоосновные основания диссоциируют в одну |
||||||||||
стадию обратимо, причем многокислотные основания – |
ступенчато |
|||||||||
NH3 × H2O ® NH4+ |
+ OH − ; |
Mg(OH )2 ® MgOH + |
+ OH − ; |
|||||||
MgOH + ® Mg 2+ + OH −
Экспериментальная часть
Цель: изучить теорию и практику механизма образования растворов, влияние различных факторов на диссоциацию электролитов и раствори- мость солей.
Опыт 1. Тепловой эффект растворения
Рассчитайте количества солей (в соответствии с вариантом (табл. 11), необходимые для приготовления 50 мл 0,1М растворов и взвесьте на техно- химических весах с точностью до 0,1 г. Налейте в стакан на 100 мл 50 мл воды, измерьте температуру термометром. Затем внесите в этот стакан от- вешенное количество сначала одной соли, перемешайте стеклянной палоч- кой и снова определите температуру. Как изменилась температура раство- ра? Проделайте аналогичный опыт со второй солью.
Какова связь между тепловым эффектом растворения вещества и из- менением его растворимости с повышением температуры? Как можно это объяснить, применяя принцип Ле-Шателье?
39
|
|
|
|
Таблица 11 |
|
|
|
Варианты опыта |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Вариант |
А |
Б |
В |
Г |
|
|
|
|
|
|
|
Соли |
NH4NO3 |
NH4CNS |
KNO3 |
KCNS |
|
Li2SO4 |
KAl(SO4)2·12H2O |
CH3COONH4 |
AlCl3 |
||
|
Опыт 2. Электролитическая диссоциация
ВНИМАНИЕ! Для проведения наблюдения необходимы ламповый реостат (подставка, на которой укреплена электрическая лампочка) и два графитовых электрода. Электроды следует брать только за ту часть, где имеется изоляция. Электроды не должны касаться дна стаканчика и сопри- касаться между собой.
Стакан емкостью 50 мл наполните на ½его объема дистиллирован- ной водой и накройте крышкой с укрепленными в ней графитовыми элек- тродами, которые должны быть частично погружены в воду. Поставьте стакан на подставку прибора, присоедините зачищенные концы проводов к электродам и включите прибор в сеть. Загорается ли лампочка? Проводит ли ток дистиллированная вода?
Приподняв крышку с электродами, внесите в стакан с водой 3 – 4 микрошпателя соли (в соответствии с вариантом (табл. 12), размешайте обратным концом микрошпателя и опустите электроды в раствор. Загоре- лась ли лампочка? Проводит ли ток раствор соли?
Таблица 12
Варианты опыта
Вариант |
А |
Б |
В |
Г |
|
|
|
|
|
|
|
|
Н2О |
Н2О |
Н2О |
Н2О |
|
|
Na3PO4 |
||||
|
CuSO4 |
K2SO4 |
ZnCl2 |
||
Вещества |
Na3PO4(К) |
||||
CuSO4(К) |
K2SO4(К) |
ZnCl2(К) |
|||
|
0,1н H2S – работать под |
||||
|
0,1н CH3COOH |
0,1н NH4OH |
0,1н H3PO4 |
||
|
тягой |
||||
|
|
|
|
||
|
|
|
|
|
Отключите прибор от сети, выньте электроды, опустите их в стакан с дистиллированной водой и вытрите фильтровальной бумагой. В сухой ста- кан насыпьте соль (в соответствии с вариантом), накройте крышкой с элек- тродами, чтобы они касались соли. Включите прибор в сеть. Загорелась ли лампочка? Использованную соль высыпьте обратно в баночку.
Объясните, почему водный раствор соли является проводником тока, хотя в отдельности сухая соль и дистиллированная вода тока не проводят.
Аналогично в соответствии с вариантом испытайте электропровод- ность 0,1н раствора. По интенсивности загорания лампочки отметьте силь-
40