- •Физическая химия учебное пособие к лабораторным работам По курсУ «Физическая химия»
- •© Иркутский государственный университет
- •Содержание
- •Введение
- •1. Правила работЫ в химических лабораториях
- •1.1. Общие правила
- •1.2. Правила по технике безопасности
- •2. Основные понятия химии. Закон эквивалентов
- •2.1. Лабораторная работа № 1 «Определение эквивалентной массы магния»
- •3. Термохимия
- •3.1. Лабораторная работа № 2 «Определение теплоты нейтрализации»
- •3.2. Лабораторная работа № 3 «Тепловые эффекты реакций растворения»
- •4. Химическая кинетика
- •4.1. Лабораторная работа № 4 «Определение влияния концентрации веществ и температуры на скорость реакции и смещение равновесия»
- •4.2. Лабораторная работа № 5 «Определение влияния различных факторов на скорость химических реакций и смещение равновесия»
- •4.3. Лабораторная работа № 6 «Изучение влияния различных факторов на скорость химических реакций и смещение равновесия»
- •5. Поверхностные явления. Адсорбция
- •(А) колоночная; (б) газовая; (в) тонкослойная
- •5.1. Лабораторная работа № 7 «Изучение явления адсорбции»
- •5.2. Лабораторная работа № 8 «Адсорбция уксусной кислоты углем»
- •5.3. Лабораторная работа № 9 «Хроматографическое разделение аминокислот»
- •6. Взаимная растворимость жидкостей. Закон распределения. Экстрагирование
- •6.1. Лабораторная работа № 10 «Изучение процесса экстрагирования»
- •7. Рефрактометрия
- •7.1. Лабораторная работа № 11 «Рефрактометрическое определение массовой доли растворенного вещества в растворе»
- •7.2. Лабораторная работа № 12 «Определение строения молекулы и ее полярности по молекулярной поляризации и рефракции»
- •7.3. Лабораторная работа № 13 «Определение концентрации растворенного вещества»
- •8. Оптические методы. СветопоглОщение
- •8.1. Лабораторная работа № 14 «Фотометрическое определение содержания углерода в растворах глюкозы»
- •9. Потенциометрическое титрование
- •9.1. Лабораторная работа № 15 «Потенциометрическое определение рН растворов»
- •9.2. Лабораторная работа № 16 «Определение содержания щелочи и соды при совместном присутствии»
- •9.3. Лабораторная работа № 17 «Построение кривой титрования»
- •10. Электролиз
- •Закономерности катодных процессов
- •Закономерности анодных процессов
- •10.1. Лабораторная работа № 18 «Электролиз солей»
- •11. Коррозия металлов
- •11.1. Лабораторная работа № 19 «Коррозия металлов и методы защиты»
- •Давление насыщенного водяного пара при различных температурах
- •Показатели преломления жидкостей при 20 оС
- •Атомные рефракции rd
- •Инкрименты связей и циклов
- •Диэлектрическая проницаемость (ε) жидкостей
- •Кислотно-основные индикаторы
- •Стандартные электродные потенциалы Eo некоторых металлов (ряд напряжений)
- •Рекомендуемая литература
- •Библиографический список
- •Физическая химия учебное пособие к лабораторным работам
2. Основные понятия химии. Закон эквивалентов
Эквивалентом называется такое количество вещества (моль), которое без остатка соединяется с одним атомом водорода или замещает то же его количество в химических реакциях.
Масса одного эквивалента вещества – это его эквивалентная масса MЭ [г/моль].
Эквивалент вещества, а, следовательно, и эквивалентная масса зависят от валентности элементов.
Валентность – способность атома образовывать определенное число ковалентных связей.
За единицу валентности принимают валентность атома водорода, которая равна 1.
А поскольку все элементы образуют соединения с кислородом и учитывая, что атом кислорода всегда присоединяет два атома одновалентного элемента, нетрудно определить валентности.
Эквивалентная масса элемента определяется из соотношения:
где Аэл. – атомная масса элемента, г/моль.
При определении эквивалентной массы оксида удобно пользоваться формулой:
Мэ,оксида = Мэ,эл. + 8,
где МЭ,эл. – эквивалентная масса элемента, г/моль;
8 – эквивалентная масса кислорода в оксидах, величина постоянная, найденная из соотношения г/моль.
Эквивалентная масса вещества В (MЭ,В) определяется из соотношения
где MB – молярная масса вещества В, г/моль;
fЭ – эквивалентное число (фактор эквивалентности).
При вычислении эквивалентных масс кислот, оснований или солей эквивалентные числа определяются:
fЭ (кислоты) – числом ионов H+ (например, для H2SO4, fЭ = 2);
fЭ (основания) – числом ионов OH– (например, для Al(OH)3, fЭ = 3);
fЭ (соли) – суммарным зарядом всех катионов данной соли (например, Al(OH)2Cl, fЭ = 1, Al2(SO4)3; fЭ = 6 и т.д.).
Эквивалентное число и молярная масса эквивалента – величины не постоянные и зависят от стехиометрии реакции, в которой они принимают участие.
fЭ определяется в:
– кислотно-основных реакциях fЭ определяется числом замещенных ионов водорода;
– окислительно-восстановительных реакциях fЭ определяется числом принятых или отданных электронов;
– реакциях комплексообразования – числом зарядов катионов металла, которые принимают участие в образовании молекулы комплексного иона;
– реакциях осаждения – числом зарядов катионов металла, участвующих в образование малорастворимого соединения.
Например, реакция нейтрализации гидроксида натрия (NaOH) фосфорной кислотой (H3PO4) может протекать с образованием кислых (1, 2) и средней (3) солей:
1)
2)
3)
В первом случае только один ион водорода фосфорной кислоты замещается на катион металла, отсюда и эквивалентное число равно единице. Во втором случае два иона водорода фосфорной кислоты замещаются на ионы металла, следовательно, В третьем случае три иона водорода кислоты замещаются на катионы натрия,
Окислительно-восстановительные реакции. Рассмотрим на примере восстановления (ионов) в зависимости от реакции среды.
Полуреакция
выражает восстановление ионов в ионыв кислой среде (рН < 7), в результате чего происходит принятие пяти электронов, следовательно,
В щелочной среде (рН > 7) ионы восстанавливаются до молекулы оксида марганца (IV) , что выражается полуреакцией
,
в результате которой происходит принятие трех электронов. Следовательно,
В нейтральной среде ионы восстанавливаются до ионов, что связано с принятием только одного электрона:
, а
Так, для , в зависимости от реакции среды,fЭ может принимать значения 1, 3 или 5.
Реакции комплексообразования. Рассмотрим на примере реакции образования гексацианоферрата (II) калия-цинка (), которая протекает по схеме
и определим fЭ гексацианоферрата калия (K4[Fe(CN)6]). В двух молях гексацианоферрата (II) калия было замещено шесть ионов калия тремя ионами цинка, следовательно, в каждой молекуле было замещено 3 иона калия, или во взаимодействии с каждой молекулой приняли участие 3 иона цинка, следовательно, .
Реакции осаждения. Разберем на примере образования сульфата бария () по реакции
В данной реакции участвует один катион бария с зарядом иона +2 (), отсюда
Закон эквивалентов (Рихтер, 1792-1794 гг.). Массы, объемы реагирующих веществ прямо пропорциональны их эквивалентным массам (MЭ), эквивалентным объемам ().
, ,.
Математическая запись закона эквивалентов представлена в трех вариантах через:
– массы реагирующих веществ;
– массы и объемы реагирующих веществ;
– объемы реагирующих веществ.
Эквивалентным объемом называется объем одного эквивалента вещества [л/моль]. Имеет смысл только для газообразных веществ и может быть определен следующим образом:
,
где Vo – мольный объем газа, т.е. объем, занимаемый газом при нормальных условиях (Ро = 760 мм рт. ст. = 101325 Па; То = 273 K), л.
Например:
л/моль;
л/моль;
л/моль.