Значения эвтектических температур водных растворов различных солей

Вещество	Температура системы, С
CaCO3  6H2O + вторая твердая фаза	1.9
Na2SO4  10H2O	(7.2  8.2)
СaSO4  2H2O	15.0
NaCl  2H2O	(21.1  21.6)
KCl	34.2
MgC2  12H2O	(33.6  36)
CaCl2  6H2O	55

В зонах вечной мерзлоты часто встречается подземный лед и подземные концентрированные рассолы – криопеги. Температура вымораживания криопегов зависит от концентрации солей, их типа и давления. Встречаются подземные рассолы с температурами 10  36 С. Логично предположить, что в северных широтах криопеги и подземный лед образуются одновременно при вымораживании подземных вод. Вымораживание льда из раствора ведет к увеличению концентрации солей, т. е. к появлению подземных концентрированных рассолов.

Экспериментальная часть

Определение молярной массы вещества проводят с помощью установки, изображенной на рис. 2.

Рис. 2. Опытная установка для определения температуры замерзания раствора данной концентрации

Установка состоит из стеклянной широкогорлой пробирки 1 для растворителя с боковым отростком 3 в верхней части, через который можно вносить исследуемое вещество. Пробирка закрывается пробкой 3, в которую вставляются термометр 4 и латунная мешалка 5. При помощи резиновой прокладки 6 пробирка 1 закрепляется в более широкой стеклянной пробирке 7 и помещается в толстостенный сосуд 8 с охлаждающей смесью. Сосуд 8 закрывается крышкой с отверстиями для пробирки 7, мешалки 9 и термометра 10. Воздушная прослойка между пробирками 1 и 7 служит для более равномерного охлаждения жидкости. При работе с водными растворами используется охлаждающая смесь из снега или мелкого раздробленного льда с поваренной солью. При смешении поваренной соли со снегом или мелко раздробленным льдом происходит образование раствора, сопровождающееся выделением значительной теплоты, что приводит к существенному понижению температуры смеси. При растворении NaCl можно получить охлаждающую смесь с температурой –21,6 С, а при растворении СаСl₂ – смесь с температурoй –55 С.

Порядок выполнения работы

1. Определение температуры замерзания растворителя.

1.1. Приготовьте охлаждающую смесь с температурой t  5… 6 ^оС. Для этого кристаллизатор заполните снегом или мелко раздробленным льдом и добавьте в него небольшое количество холодной воды (около 100 мл). Постепенно добавляя соль NaCl и перемешивая смесь, доведите температуру смеси до 5… 6 ^оС. Температуру смеси измерьте обычным термометром.

1.2. Заполните сосуд 8 на 2/3 охлаждающей смесью. В пробирку 1 налейте 40 мл (g₁ = ₁ V₁) охлажденной примерно до плюс (12) ^оС дистиллированной воды. Температура кристаллизации дистиллированной воды равна 0 ^оС. Вставьте термометр с ценой деления (С_дел = С/дел) в пробирку 1 так, чтобы уровень ртути был закрыт жидкостью, и поместите пробирку в сосуд с охлаждающей смесью.

1.3. Наблюдая за показаниями термометра, переохладите дистиллированную воду примерно до t  (12) ^оС. Достигнув необходимого переохлаждения, энергично и осторожно перемешивайте воду мешалкой до образования льда. При образовании кристаллов льда температура системы вода  лед начинает увеличиваться до установления истинной температуры кристаллизации воды, которая затем остается постоянной. Температура воды при образовании льда увеличивается, так как в исследуемую систему выделяется определенное количество теплоты (внутренняя энергия льда меньше внутренней энергии воды):

Q = U + PV = U_лед – U_вода + P (V_лед – V_вода)  U_лед – U_вода < 0

(работа PV невелика, поэтому ею можно пренебречь).

Отметьте деление измерительного прибора (термометра), до которого происходит увеличение температуры воды. Это значение данного измерительного прибора и будет cоответствовать температуре кристаллизации растворителя. Выньте пробирку из охлаждающей смеси и расплавьте выделившиеся кристаллы, нагревая пробирку рукой. Вставьте пробирку 1 в рубашку 7 и снова охладите жидкость, перемешивая ее мешалкой 5. При температуре примерно на 0.5 ⁰ выше температуры кристаллизации помешивание прекратите. Переохладите жидкость на 0.5 ⁰ ниже ориентировочно установленной температуры кристаллизации. Интенсивно перемешивая переохлажденную жидкость, вызовите процесс кристаллизации, при котором температура повышается. Максимальную температуру, наблюдаемую при кристаллизации жидкости, отметьте с помощью лупы с точностью до половины цены деления (если шкала прибора непрерывная) и запишите ее как истинную температуру кристаллизации растворителя. Измерение повторите 2-3 раза, вынимая каждый раз пробирку 1 и расплавляя кристаллы. Найдите среднее арифметическое значение температуры замерзания дистиллированной воды (растворителя) и занесите его в табл. 1.

Таблица 1

Результаты измерений и расчетов

№ п/п	g2, кг	g1 = 1 V1, кг	1, кг/м3	tз.1,C	tз,C	Tз.i= tз.i - tз.1	M2, кг/моль	X=tP, n
1
2
3
< tз.1,C > 					< M2 > 

2. Определение температуры кристаллизации раствора.

Приготовьте навеску растворенного вещества (соли NaCl, глюкозы или мочевины), соответствующую 0.3моль/кг, поместите ее в заранее приготовленный бюкс и взвесьте его с рассчитанной навеской с точностью до 0.01 г. В выражении для расчета навески объем дистиллированной воды измерьте с помощью мензурки (40 мл), а плотность охлажденной воды при данной температуре возьмите из справочника. После этого, подняв пробку с термометром, всыпьте вещество в пробирку 1 и снова взвесьте бюкс. По разности масс найдите массу растворенного вещества g₂ и из соотношения

уточните величину моляльной концентрации m_i, которую используйте в расчетах по определению характеристик раствора.

2. Определите температуру замерзания полученного раствора, как описано в п. 3 части I. Опыт повторите два раза, данные занесите в табл. 1.

3. По полученным данным вычислите молярную массу растворенного вещества для каждого опыта, данные занесите в табл. 1:

,

где i = 2 для соли NaCl; i = 1 для неэлектролитов (глюкозы, мочевины и т. д.)

4. Обработайте результаты измерений:

 найдите среднее арифметическое значение молярной массы <М₂> растворенного вещества; абсолютные погрешности М₂  <М₂> – М_2.i; среднеквадратичное отклонение ;

 определите для вероятности Р = 0,95 ширину доверительного интервала Х(М₂) = t_P,n , где . Для Р = 0.95 и числа измерений n = 3 коэффициент Стьюдента t_P,n = 4,3. Если значение М_2..i выходит за пределы <М₂>  t_P,n, , то это значение является "промахом" и при обработке результатов измерений не учитывается.

5. Запишите результат расчета в виде

М₂ = <М₂>  Х.

6. Сравните значения <М₂> с величиной М₂, определенной из таблицы Менделеева (результат сравнения запишите в виде относительной погрешности).