Лабораторная работа №1 Определение молярной массы неэлектролита криоскопическим методом

Цель работы  научиться работать с термометром Бекмана; определять криоскопическим методом молекулярную массу неэлектролита и степень диссоциации известного электролита по понижению температуры замерзания.

Теоретический материал

При любой температуре часть молекул растворителя переходит из жидкой в парообразную фазу. Пар растворителя, находящийся в равновесии с раствором при данной температуре, называется насыщенным паром. С увеличением концентрации растворяемого вещества давление насыщенного пара растворителя понижается, так как часть молекул растворителя связана молекулами или ионами растворённого вещества в гидратные или сольватные оболочки, кроме того, часть поверхности занята растворённым веществом и испарение происходит с меньшей поверхности.

Следовательно, давление насыщенного пара растворителя над раствором всегда меньше, чем над чистым растворителем, а понижение давления пара будет тем больше, чем больше концентрация растворённого вещества.

Количественно зависимость понижения давления пара растворителя от концентрации раствора выражается первым законом Рауля: относительное понижение давления насыщенного пара растворителя над раствором равно мольной доле растворённого вещества в растворе.

Для растворов неэлектролитов первый закон Рауля можно записать так:

, (1) гдеp₀давление насыщенного пара над растворителем,p₁давление насыщенного пара над раствором,n₁число молей растворённого вещества,nчисло молей растворителя.

Для растворов электролитов необходимо учитывать электролитическую диссоциацию, т. к. при диссоциации молекул электролита происходит увеличение числа частиц в растворе по сравнению с числом недиссоциированных молекул. В этих случаях в закон Рауля вводится изотонический коэффициент Вант-Гоффа i, который показывает, во сколько раз количество частиц в растворе электролита (число ионов плюс число непродиссоциировавших молекул) в растворе больше числа растворённых молекул в этом веществе. И тогда для электролитов закон Рауля принимает вид:

(2)

Известно, что растворы, как правило, замерзают при более низких температурах, чем чистые растворители, причём температура замерзания раствора зависит от его концентрации и природы растворителя. Объяснить понижение температуры замерзания можно по диаграмме состояния воды (рисунок 1.1).

Рисунок 1.1  Диаграмма состояния воды

Овкривая паржидкость для чистой воды

О´в´кривая паржидкость для водного раствора

Всякая жидкость замерзает тогда, когда давление насыщенных паров становится равным давлению над кристаллами этой жидкости, т. е. для чистой воды это точка О иt₀. Для растворов кривая пар-жидкость проходит ниже 0 ⁰С, т. к. давление пара над раствором ниже, чем над чистым растворителем (по первому закону Рауля). И раствор будет замерзать при t₁.

Количественно зависимость понижения температуры замерзания от концентрации растворённого вещества для растворов неэлектролитов выражается вторым законом Рауля:

или(3) где– понижение температуры замерзания раствора по сравнению с температурой замерзания чистого растворителя; Kкриоскопическая постоянная; Cмоляльная концентрация; g-количество граммов растворённого вещества; Mмолярная масса растворённого вещества; Gколичество граммов растворителя.

Криоскопическая постоянная К для каждого растворителя величина постоянная, так , . По физическому смыслу К это понижение температуры замерзания одномоляльного раствора.

Для растворов электролитов уравнение (3) примет вид:

(4)

Практическая часть

1. Определение молекулярной массы неэлектролита

В работе используется криостат прибор, изображённый на рисунке 1.2.

Рисунок 1.2  Криостат

Работу начните с приготовления охладительной смеси. При работе с водными растворами в качестве охладительной смеси применяют смесь разбавленного водой льда и поваренную соль, температура охладительной смеси для нормальной работы прибора должна быть – 8…12 ⁰С. Для этого сосуд 1 заполните на 2/3 объёма раздробленным льдом, добавьте около 200 мл воды и затем при перемешивании добавляйте NaCl до требуемой температуры.

Настройку термометра Бекмана проводите вместе с преподавателем. Сначала определите температуру замерзания чистой воды. Для этого в пробирку 5 налейте 10 мл дистиллированной воды и поместите в неё термометр Бекмана. Затем пробирку 5 с термометром Бекмана поместите в более широкую пробирку и всё вместе поставьте в охладительную смесь. Далее приведите в действие мешалку и наблюдайте за понижением уровня ртути в термометре Бекмана.

Кристаллизация воды (как и любого раствора) сопровождается выделением тепла, т. е. с началом кристаллизации температура будет повышаться до некоторой температуры замерзания и потом некоторое время будет оставаться постоянной. Эту температуру записывают –

Затем в эту же пробирку поместите раствор вещества, молекулярную массу которого определяете. Для этого возьмите навеску (около 1 г) исследуемого вещества, взвешенную на аналитических весах с точностью 0,0001 г , поместите её в пробирку 5 и налейте 10 мл H₂O, растворите исследуемое вещество и определите температуру замерзания раствора  .

По полученным результатам рассчитайте  .

И, наконец, рассчитайте молекулярную массу исследуемого вещества:

; .

2. Определение степени диссоциации электролита

Если растворённое вещество – электролит, то число частиц в растворе не равно числу молекул и завышено вследствие распада молекул на ионы. Так, если в растворе находится С молекул электролита и степень его диссоциации , то число молекул, распавшихся на ионы будет –, а тогда число нераспавшихся молекул будет. Если молекула распадается наn ионов, то число ионов в растворе будет и тогда

i -1 =

(5)

Определите температуру замерзания чистой воды, затем температуру замерзания 5% раствора NaСl. Далее рассчитайте . Затем по формуле

Найдите i изотонический коэффициент Вант-Гоффа и по формуле рассчитайте  степень диссоциации NaCl при данной концентрации.