0dd9726 / Методические рекомендации к формированию практических навыков по физической и коллоидной химии

21

ного электрода гальванического элемента). При отжатом положении измеряют активность анионов или положительных потенциалов

Х' — При нажатом положении этой клавиши определяют активность

— двухзарядных ионов, при отжатом – однозарядных ионов

Х"

"mV" — При нажатом положении этой клавиши измеряют ЭДС гальванического элемента (по шкале прибора делают отсчет; полученную величину умножают на 100. ЭДС выражают в мВ).

"рХ (рН)" – При нажатом положении этой клавиши измеряют рН или активность ионов (рХ = – lg ах+)

"t0" — При отжатом положении этой клавиши прибор включен в режиме милливольтметра("mY" или "рХ"); при нажатом – производят отсчет температуры (t0С) по верхней шкале в режиме автоматической настройки или настраивают прибор по температуре раствора при ручной термокомпенсации. При нажатом положении кнопки "t0": при автоматической термокомпенсации, нажав кнопку одного из диапазонов измерения, кроме "-1 – 19", убедиться в неподвижности стрелки прибора; при ручной термокомпенсации измерить термометром температуру исследуемого раствора и ручкой "температура раствора" установить стрелку показывающего прибора по шкале 0 – 100 на значение, соответствующее этой температуре. Во всех случаях, когда измерение непосредственно не производится, клавиша "t0" долж-

на быть нажата

5.Пять клавиш выбора диапазона измерений Диапазон приблизительного измерения: -1–19

Диапазоны точных измерений от -1 до 4; от 4 до 9; от 9 до 14; от 14 до

19

6.Корректор нуля

Последовательность измерений.

1. Собрать гальваническую ячейку для рН-метрии.

Стеклянный измерительный электрод подключить к гнезду "изм" на задней панели прибора; хлорсеребряный электрод сравнения – к гнезду "всп".

Автоматический термокомпенсатор подключить к разъему "Термокомпенсатор". Два электрода гальванического элемента и термокомпенсатор погрузить в стаканчик с дистиллированной водой.

22

2. Подготовить прибор к работе.

Перед началом работы прибор заземлить. Переключатели прибора установить в положение "t0" и "-1–19", после чего прибор включить в сеть и прогреть в течение 20 мин. Электроды промыть дистиллированной водой, осторожно удалить остатки воды фильтровальной бумагой.

3. Провести калибровку прибора по буферным растворам.

Перед измерением рН иономер должен быть настроен на данную электродную систему.

Для настройки необходимы три раствора: контрольный раствор А с минимально возможным значением рН и температурой 200С, контрольный раствор В с максимально возможным значением рН и температурой 200С и контрольный раствор С со значением рН, максимально удаленным от координаты рХИ применяемой электродной системы, и температурой, близкой к предельному значению температуры контролируемого раствора. рН растворов А и В должны лежать в диапазоне измерений (линейности) применяемой электродной системы. При настройке иономера необходимо учитывать особенность, заключающуюся в том, что настройка иономера проводится по разности рН контрольных (стандартных) растворов, при этом значение рН первого раствора (вне зависимости от его значения) предварительно устанавливается на нижний предел диапазона «-1 – 4» (нуль шкалы «0 – 5»), который и принимается за нуль для значения рН контрольных растворов. Так, например, если разность значения рН контрольных растворов составляет 3 рН, то стрелку показывающего прибора необходимо установить на отметку «3» шкалы «0 – 5» ( при нажатой кнопке «-1 – 4»), а если эта разность составляет 7 рН, то стрелку необходимо установить на отметку «2» шкалы «0 – 5» ( при нажатой кнопке «4 – 9»), поскольку 5 рН уже скомпенсировано предшествующим диапазоном измерения.

Настройку иономера производят в такой последовательности:

а) выбирают род температурной компенсации. При ручной термокомпенсации устанавливают ручку «ТЕМПЕРАТУРА РАСТВОРА» в положение, соответствующее температуре раствора А. Температура раствора должна измеряться и устанавливаться с точностью до 0,50С;

б) погружают электроды в раствор А и ручкой «КАЛИБРОВКА» устанавливают стрелку показывающего прибора на начальную отметку на диапазоне «-1 –

4»;

в) после промывки и удаления воды погружают электроды в раствор В и ручкой «КРУТИЗНА» устанавливают стрелку показывающего прибора на отметку,

23

соответствующую разности значений рН растворов А и В на соответствующем диапазоне;

г) ручкой «КАЛИБРОВКА» устанавливают стрелку показывающего прибора на значение, соответствующее рН раствора В.

Примечание. Настройку по растворам А и В допускается производить методом последовательных приближений, устанавливая последовательно несколько раз сначала ручкой «КАЛИБРОВКА» значение рН раствора А, а затем ручкой «КРУТИЗНА» значение рН раствора В. Настройку производят до получения допускаемой погрешности показаний в обоих растворах;

д) погружают электроды в раствор С, устанавливают (при ручной термокомпенсации) ручку «ТЕМПЕРАТУРА РАСТВОРА» в положение, соответствующее температуре раствора С, и ручкой «рХИ» устанавливают стрелку показывающего прибора на значение рН раствора С при данной температуре.

4. Измерить рН исследуемого раствора.

Электроды промыть дистиллированной водой и удалить фильтровальной бумагой избыток воды. Электроды погрузить в исследуемый раствор. Нажать клавишу диапазона приблизительного измерения рН "-1–19", далее клавишу "рХ" и по нижней шкале определить приблизительное значение рН исследуемого раствора. Зная приблизительное значение рН, нажать клавишу выбранного диапазона точного измерения. Определить точное значение рН по верхней шкале прибора. После измерения рН исследуемого раствора нажать клавишу "t0". Электроды погрузить в дистиллированную воду.

Источники ошибок

Большая инерция при установлении показаний или их полное отсутствие.

Образование осадка хлорида серебра в стеклянном электроде. Образование осадка белка на диафрагме при измерении рН белковых растворов.

Дрейф измеряемого значения рН

Накопление статистического заряда на стеклянной мембране, например при обтирании ее фильтровальной бумагой.

Вопросы для самоконтроля.

1.Дать определение понятию "водородный показатель" – рН.

2.Сформулировать принцип потенциометрического определения рН.

24

3.По какому признаку выбирают индикаторные электроды (электроды определения, измерительные) в рН-метрии.

4.Перечислить электроды, используемые в рН-метрии как индикаторные.

5.Из каких электродов состоит гальванический элемент, используемый в приборе "Иономер универсальный" при измерении рН раствора? Указать электрод определения и электрод сравнения в этом гальваническом элементе.

6.Как устроен стеклянный электрод? Для какого интервала значений рН он может быть использован?

7.К какой группе электродов по механизму возникновения потенциала относится стеклянный электрод? Каков механизм возникновения электродного потенциала стеклянного электрода?

8.Привести уравнения для расчета потенциала стеклянного электрода. Обозначить величины, входящие в это уравнение.

9.Преимущества и недостатки стеклянного электрода.

10.К какой группе электродов по механизму возникновения потенциала относится хлорсеребряный электрод? Как он устроен?

11.Из каких двух узлов состоит "Иономер универсальный"? Каково назначение потенциометра?

12.Какие органы управления находятся на передней панели прибора? Каково назначение каждого?

13.Шкала прибора: отсчет приблизительного и точного значения рН по шкале прибора. Точность отсчета рН по нижней и верхней шкале.

14.Каков диапазон шкалы приблизительного измерения рН. Каковы диапазоны шкалы точного измерения рН?

15.Основные этапы работы с прибором.

16.Как настроить иономер по температуре при ручной термокомпенсации?

17.Как провести калибровку прибора по буферному раствору?

18.Как определить рН исследуемого раствора, если прибор настроен по буферному раствору.

19.Как определить ЭДС гальванического элемента, состоящего из индикаторного электрода и электрода сравнения? Как сделать отсчет ЭДС по шкале прибора?

20.Каким должно быть положение клавиши "t0"

а/ при измерении рН (или Е)?

б/ когда измерение рН (или Е) не производится?

25

ОПРЕДЕЛЕНИЕ ПОВЕРХНОСТНОГО НАТЯЖЕНИЯ ЖИДКОСТИ ПО МЕТОДУ НАИБОЛЬШЕГО ДАВЛЕНИЯ ОТРЫВА ПУЗЫРЬКОВ ВОЗДУХА (метод П.А.РЕБИНДЕРА)

Принцип метода:

Метод основан на определении давления Р, необходимого для выдавливания пузырьков воздуха из стеклянного капилляра через поверхностный слой исследуемой жидкости. Давление, при котором происходит отрыв пузырька, пропорционально поверхностному натяжению жидкости и зависит от радиуса капилляра, через который проскакивает пузырек.

Основная закономерность: σ = r × P , где r – радиус капилляра

2

Для вычисления поверхностного натяжения по данным опыта используют

формулу: σ = σ 0 × РХ ,

Р0

где σ 0 - поверхностное натяжение стандартной жидкости

Р0 - давление, при котором проскакивает пузырек воздуха через стандартную жидкость

Р Х - давление, при котором проскакивает пузырек воздуха через исследуемую жидкость

Прибор состоит (рис. 3) из сосуда "А", заполняемого испытуемой или стандартной жидкостью. В жидкость погружается кончик капилляра "B" (стеклянная трубка, переходящая в капилляр). Сосуд "А" резиновой трубкой соединяется с аспиратором "С" (прибором, используемым для создания разряжения в системе; например, делительная воронка) и манометром "М". Соединение всех составных частей прибора должно быть герметичным. Аспиратор заполнен водой. При выливании воды из аспиратора "С" над жидкостями в пробирке и закрытом колене манометра создается разряжение (давление становится ниже атмосферного). Если разница величины атмосферного давления и давления внутри замкнутой системы будет достаточна для преодоления силы поверхностного натяжения, через исследуемую (стандартную) жидкость из капилляра проскочит пузырек воздуха. Перед самым проскоком пузырька воздуха через капилляр уровень жидкости в закрытом колене манометра поднимется на максимальную высоту, а в открытом колене на такой же уровень опустится. Разность уровней жидкости в левом и

26

правом коленах манометра и будет составлять наибольшее давление отрыва пузырька воздуха. Показания манометра в момент отрыва пузырька воздуха следует записать.

Рисунок 3. Устройство прибора для определения поверхностного натяжения по методу П.А. Ребиндера.

Последовательность работы с прибором.

1.Заполнить сосуд "А" стандартной жидкостью (дистиллированной водой) до такого объема, чтобы при герметичном закрывании пробкой, в которую вставлена стеклянная трубка, заканчивающаяся капилляром, конец капилляра был лишь погружен в поверхностный слой жидкости.

2.Аспиратор "С" заполнить водой. Проверить герметичность прибора. С помощью крана «Д» уравновесить давление в системе с атмосферным.

3.Открыть кран аспиратора и выпускать из него воду с такой скоростью, чтобы пузырьки воздуха из капилляра проскакивали примерно с интервалом 8–10 с. Записать показания манометра (разность уровней жидкости в левом и правом коленах манометра) в момент отрыва очередного пузырька воздуха.

4.Опыт со стандартной жидкостью повторить 2–3 раза, взяв для расчетов среднее значение Р0

5.Заменить воду в сосуде "А" испытуемой жидкостью, предварительно промыв сосуд и капилляр этой жидкостью. Измерить давление, при котором проскакивает пузырек воздуха через исследуемую жидкость Рх (см. пункты 3 и 4).

27

Полученные в эксперименте и расчетные данные занести в таблицу:

Поверхностное натяжение рассчитать по формуле:

Х= σ 0 × РХ , где

Р0

σ0 - поверхностное натяжение стандартной жидкости - воды

σН2О = 72,75×10−3 Н / м (или Дж / м2 )

Источники ошибок

Отсутствие герметичности в системе. Глубокое погружение капилляра в жидкость.

Большая скорость истечения жидкости из аспиратора.

Вопросы для самоконтроля.

1.Дать определение понятию "поверхностное натяжение".

2.В каких единицах измеряется поверхностное натяжение в системе СИ?

3.Методы определения поверхностного натяжения: название метода, основная закономерность, лежащая в основе метода. Формула для расчета величины поверхностного натяжения в методе.

4.Принцип определения поверхностного натяженияпо методу П.А. Ребиндера.

5.Уравнение для расчета поверхностного натяжения в методе П.А. Ребиндера при относительном определении поверхностного натяжения.

6.Какая жидкость в работе может быть использована как стандартная?

7.Какое назначение имеет этап определения давления, при котором пузырек воздуха проскакивает через стандартную жидкость?

8.Какая или какие величины при определении поверхностного натяжения методом П.А. Ребиндера являются непосредственно определяемыми в опыте?

9.Этапы определения экспериментальных величин.

10.Устройство прибора для измерения поверхностного натяжения по методу П.А. Ребиндера.

11.Назначение аспиратора.

12.Назначение манометра. Как и в какой момент делают отсчет давления по манометру?

28

13.Какое требование следует выполнять при погружении капилляра в исследуемую (стандартную) жидкость?

14.В каком случае при полном открытии крана делительной воронки (аспиратора) пузырьки воздуха не будут проскакивать через капилляр в жидкость?

15.Как проверить герметичность прибора?

16.С каким интервалом должны проскакивать пузырьки воздуха через капилляр при выливании воды из аспиратора?

17.Какое требование следует соблюдать при замене в сосуде стандартной жидкости на исследуемую?

18.Практическое значение определения поверхностного натяжения:

а) идентификация жидкости; б) проверка чистоты жидкости;

в) определение концентрации раствора по величине поверхностного натяжения;

г) определение поверхностной активности вещества д) нахождение дины и площади, занимаемой молекулой ПАВ в поверхност-

ном слое.

29

ДЕИОНИЗАЦИЯ ВОДЫ МЕТОДОМ ИОНООБМЕННОЙ КОЛОНОЧНОЙ ХРОМАТОГРАФИИ

Воду можно освободить от присутствующих в ней солей с помощью ионообменной адсорбции, последовательно пропустив ее через катионит в Н+-форме и анионит в ОН--форме (или наоборот). Этот процесс называет-

ся деионизацией или обессоливанием.

Процесс деионизации воды, содержащей, например, хлорид калия, с помощью сульфо-катионита в Н+-форме и амино-анионита в ОН--форме можно представить следующей схемой:

а/ на катионите

R-SO3- H+ + K+ + Cl- ↔ RSO3- K+ + H+ + Cl

элюат I

или

R-- H+ + K+ + Cl- ↔ R-- K+ + H+ + Cl-

б/ на анионите

R – NH 3+ OH- + H+ + Cl- ↔ R – NH 3+ Cl- + H2O

элюат II

или R+ – OH - + H+ + Cl- ↔ R+ – Cl - + H2O

Последовательность проведения деионизации воды.

1.Зарядить катионит в колонке Н+-ионами (перевести в Н+-форму). Для этого, через колонку, заполненную набухшим катионитом, медленно пропустить 10 мл раствора HCl с концентрацией 1 моль/л. Промыть катионит дистиллированной водой до желтой окраски элюата по метиловому оранжевому. Контроль рН элюата проводить, нанося каплю элюата на предметное стекло и добавляя к ней каплю индикатора метилового оранжевого.

2.Зарядить анионит в колонке ОН--ионами (перевести в ОН-- форму). Для этого через колонку, заполненную набухшим анионитом, медленно пропустить 10 мл раствора NaOH c концентрацией 1 моль/л.

Промыть анионит дистиллированной водой до бесцветной окраски элюата по фенолфталеину. Контроль рН элюата проводить, нанося каплю элюата на предметное стекло и добавляя к ней каплю индикатора.

3.Медленно пропустить через катионит 10 мл воды, в которой содержатся примеси соли (например, сульфата меди). Элюат (I) собрать в пробирку.

30

4.Элюат (I) медленно пропустить через анионит. Элюат (II), выходящий из колонки с анионитом, собрать в пробирку.

5.Проверить качество воды, подвергнутой деионизации. Для этого в порциях

элюата (II) провести соответствующие качественные реакции на анион SO42- и катион Cu2+, присутствовавшие в загрязненной воде.

Источники ошибок.

Недостаточно регенерированные или плохо отмытые иониты. Большая скорость элюации воды и фильтрата через колонки.

Большой объем очищаемой воды, превышающей обменную емкость ионитов.

Вопросы для самоконтроля.

1.Сформулировать принцип деионизации воды.

2.Назначение метода.

3.Явление, лежащее в основе метода.

4.Как приготовить катионит в Н+-форме?

5.Как приготовить анионит в ОН--форме?

6.Привести схему деионизации воды, содержащей ионы SO42- и Cu2+ с помощью сульфо-катионита в Н+-форме и амино-анионита в ОН--форме.

7.Этапы проведения деионизации воды, содержащей ионы SO42- и Cu2+.

8.Как провести проверку качества очистки воды деионизацией?