Файл: Сборник лабораторных работ по Учебной дисциплине Физическая Химия Часть 1, часть 2.doc

Цель работы: определение молекулярной массы растворенного вещества; определение изотонического коэффициента и кажущейся степени диссоциации электролита.

Сущность работы: По понижению температуры замерзания определить моляльную концентрацию вещества, а затем, зная массы растворенного вещества и растворителя, рассчитать молекулярную массу неизвестного растворенного вещества. Если известна молекулярная масса растворенного вещества до растворения, а эксперимент привел к отличному от нее значению, то рассчитать изотонический коэффициент, по значению которого сделать вывод о процессе диссоциации вещества в растворе или, наоборот, ассоциации.

Оборудование и реактивы. Термометр Бекмана; криоскоп (внешняя пробирка, внутренняя пробирка с анализируемой жидкостью, стакан с охлаждающей смесью); мешалка; весы; мерная пипетка, объемом 50 мл; навеска изучаемого вещества (хлорид калия, хлорид натрия, мочевина).

Выполнение работы

1. Получить у преподавателя задание и навеску исследуемого вещества.

2. Взвесить внутреннюю пробирку криоскопа, налить 50 мл дистиллированной воды и снова взвесить.

3. приготовить охлаждающую смесь. Для этого во внешний стакан криоскопа поместить на 2/3 объема льда, поваренную соль и налить воды.

4. Собрать криоскоп.

5. Осторожно поместить термометр Бекмана во внутреннюю пробирку.

6. Непрерывно помешивая содержимое пробирки, наблюдать за охлаждением воды до ее замерзания. За температуру замерзания принимают такое показание термометра Бекмана, которое не меняется в течение 2 – 3 мин.

7. Вынуть пробирку из охлаждающей смеси. Расплавить весь лед и повторить измерение. Результаты опытов не должны отличаться более чем на 0,02°Б.

8. Всыпать в пробирку исследуемое вещество и определить температуру замерзания полученного раствора как описано в п.п. 6, 7.

Содержание протокола лабораторной работы

Объем воды, V(H₂O) = …, мл.

Масса воды, m(H₂O) = …, г.

Температура замерзания чистой воды:

T_кр(Н₂О)₁ = …;

T_кр(Н₂О)₂ = …;

T_кр(Н₂О)_{средняя} = …

Название исследуемого вещества и его химическая формула.

Масса навески m_р.в., г.

Температура кристаллизации раствора:

T_кр(р-р)₁ = ……

T_кр(р-р)₂ = ……

T_кр(р-р)_{средняя} = ……

Обработка результатов эксперимента

В зависимости от задания (по указанию преподавателя)

1. рассчитать молярную массу растворенного вещества по уравнению:

,

где m_р.в. – масса растворенного вещества, г; m_р-ля – масса растворителя (вода), кг; K_кр  криоскопическая постоянная растворителя, 1,86 Ккг/моль; _крТ – изменение температуры замерзания раствора.

2. Вычислить изотонический коэффициент по уравнению:

,

где

– молярная масса вещества до растворения (по таблице Менделеева), г/моль; М₂ – молярная масса вещества в растворе (см. п. 1).

3. Оценить относительную инструментальную погрешность измерения молярной массы растворенного вещества или изотонического коэффициента:

,

где  – абсолютная погрешность измерения данной величины.

4. Определить абсолютную инструментальную погрешность отдельного измерения М и i и записать окончательно ответ в виде:

М_р.в. = М_р.в.  М_р.в. = ……., г/моль;

i = i  i = ……..

5. Сделать вывод о состоянии растворенного вещества в растворе.

Содержание отчета по лабораторной работе

1. Название работы.

2. Цель работы.

3. Ход эксперимента.

4. Экспериментальные данные (см. протокол к лабораторной работе).

5. Обработка экспериментальных данных.

6. Вывод.

Фазовые равновесия в однокомпонентных системах

Краткие теоретические сведения

При изучении свойств гетерогенных систем широко используется метод, получивший название физико-химический анализ и основанный на графическом изображении зависимости между составом и свойствами системы с помощью диаграммам состояния. Поскольку однокомпонентные системы отражают свойства одного вещества, простого или сложного, химический состав которого постоянен и на свойства которого влияют лишь внешние независимые переменные (температура Т и давление Р), диаграммы состояния таких систем могут быть изображены на плоскости в координатах Р-Т или P-V.

На рис.8 в качестве примера изображена простейшая диаграмма состояния однокомпонентной системы, например Н₂О в координатах Р-Т.

Рис. __________. Диаграмма состояния воды при низком давлении Р₀ = 4,6 мм рт. ст. Т₀ = 0,0076°С

Линии ОА, ОС и ОВ разделяют диаграмму на три поля, показывающие области существования трех устойчивых агрегатных состояний вещества: твердого, жидкого и газообразного. На линиях диаграммы в равновесии находятся две фазы: на линии испарения (или конденсации) OС – газ и жидкость, на линии плавления (или кристаллизации) ОА – жидкая и твердая фазы, а на линии возгонки (сублимации) ОB – твердая фаза и пары. Каждая линия диаграммы показывает зависимость температуры соответствующего фазового превращения от внешнего давления или давления насыщенных паров над жидкой (линия ОС) или твердой (линия ОВ) фазами. Наклон этих линий определяется соотношением плотностей фаз, находящихся в равновесии. Точка О, в которой пересекаются три линии фазовых переходов называется тройной точкой, показывающей температуру Т₀ и давление Р₀, при которых могут сосуществовать в безвариантном равновесии одновременно три фазы.

Ход линий диаграммы описывается уравнением Клаузиуса–Клапейрона, которое в дифференциальной форме имеет вид:

,

где Δ_trH – изменение энтальпии (теплота) фазового перехода, Дж/моль; T_tr – температура фазового перехода, K; ΔV – изменение объема в процессе фазового перехода, м³.

На практике используют различные формы уравнения Клаузиуса-Клайперона, учитывающие особенности протекания того или иного процесса.

Для описания переходов между конденсированными фазами (процессы плавления-кристаллизации), учитывая сравнительно небольшую зависимость температуры перехода между конденсированными фазами от давления применяют следующую форму уравнения Клаузиуса-Клапейрона:

,

где T_m – температура плавления, K; Δ_mH – теплота плавления, Дж/моль.

При фазовых превращениях жидкость – газ (испарение, конденсация) и твердое – газ (возгонка, сублимация), если процесс протекает вдали от критической точки, то объем данного количества вещества в парообразном состоянии намного больше его объема в жидком и тем более твердом состоянии и ΔV ≈ V_g = RT/p. В этом случае уравнение Клаузиуса-Клапейрона может быть преобразовано к виду:

или

,

где Δ_vН – теплота испарения, Дж/моль; Δ_sН – теплота сублимации (возгонки), Дж/моль.

При температуре кипения жидкости или температуре, необходимой для возгонки твердого вещества, давление насыщенного пара равно внешнему давлению, поэтому по уравненю Клаузиуса-Клапейрона можно определить зависимость температуры кипения (возгонки) от внешнего давления.

Теплота при испарении (возгонке) также зависит от температуры: с повышением температуры теплота уменьшается. При критической температуре теплота испарения становится равной нулю. Однако при температуре, далекой от критической, влияние ее на теплоту испарения незначительно и поэтому для сравнительно узкого интервала температур среднее значение теплоты испарения (возгонки) можно принять постоянным. В этом случае

, которое является уравнением прямой в координатах ln

p – 1/T.

По зависимости давления насыщенного пара от температуры можно также определить изменение энтропии процесса. Для этого строят зависимость в координатах lnp – 1/T, по величине углового коэффициента прямой определяют среднюю теплоту процесса испарения и вычисляют изменение энтропии испарения по формуле:

,

где T_v – температура кипения жидкости при нормальном (1 атм.) давлении, принимая при этом, что в небольшом температурном интервале значение Δ_vН остается постоянным.

По правилу Трутона для многих недиссоциированных жидкостей изменение энтропии составляет 88±4 Дж·моль⁻¹·K⁻¹. Значительные положительные отклонения от этого значения указывают на заметную ассоциацию молекул жидкости.

Способы измерения давления пара различных жидкостей зависят от того, насколько летучим является исследуемое вещество. Для мало летучих веществ часто пользуются методом уноса, заключающимся в том, что над поверхностью жидкости медленно пропускают сухой газ, например, воздух, который при этом насыщается парами жидкости. Увлеченные газом пары улавливаются поглотителем (для паров воды можно использовать, например, безводный хлорид кальция), а затем по объему пропущенного газа и массе уловленных поглотителем паров вычисляется давление пара по уравнению Менделеева-Клапейрона.

Для легко летучих веществ применяют статический способ, заключающийся в непосредственном измерении давления пара над жидкостью манометром в замкнутой системе, откуда предварительно удалены посторонние газы и пары.

Для жидкостей средней летучести применяют динамический метод, основанный на том, что давление насыщенного пара при температуре кипения жидкости равно внешнему давлению. Зависимость давления паров жидкости от температуры получают, доводя жидкость до кипения при различных внешних давлениях и измеряя соответствующие им температуры кипения.