Pract-II-2014

Порядок выполнения эксперимента и обработка полученных результатов описаны в разделе I.2. При выполнении работы используют в качестве растворителя дистиллированная вода. Растворяемая соль берется

вколичестве, указанном преподавателем.

Кзащите лабораторной работы студенту необходимо:

-по графику определить изменение температур при растворении KCl и рассчитать постоянную калориметра,

-по графику определить изменение температур при растворении неизвестной соли и рассчитать удельную теплоту ее растворения,

-рассчитать концентрацию соли в конечном состоянии системы, определить интегральную теплоту растворения 1 моль соли в 1000 г воды и, сопоставив полученные результаты со справочными данными (табл. 31 - 33, стр. 46 - 48 1 ), рассчитать ошибку опыта.

-по известному значению молекулярной массы соли рассчитать мольную теплоту растворения.

Все результаты измерений и расчетов заносятся в табл.I.2.

I.6. ОПРЕДЕЛЕНИЕ ТЕПЛОТЫ РЕАКЦИИ НЕЙТРАЛИЗАЦИИ

Цель работы: Экспериментально определить теплоту нейтрализации сильной кислоты сильным основанием

Реактивы: дистиллированная вода, 0,2 М HCl, гранулированная

КОН.

Оборудование: Работа выполняется на той же установке, на которой проводилось растворение соли в воде, мерные колбы на 50, 10, 250 мл, мерный цилиндр, воронка, пробирка с пробкой, весы.

Порядок выполнения работы:

Рассмотрим еще один процесс реакцию нейтрализации на примере взаимодействия разбавленных растворов сильной кислоты и сильного основания.

HCl aq + KOH aq = KCl aq + H2O

Оба компонента полностью диссоциированы в растворе, поэтому реакцию в ионной форме можно записать так:

H+ aq +	Cl aq + K+ aq + OH aq =		K+ aq + Cl aq + H2O
при этом	выделяется теплота	QP	= нейтр H0 , которая
отвечает тепловому эффекту реакции образования воды:
H+ aq + OH aq = H2O +		aq нейтр Н = 57684 Дж/моль

11

Это уравнение отвечает реакции нейтрализации. Оно справедливо для всех реакций между сильной кислотой и сильным основанием, а, следовательно, энтальпия этих реакций будет одна и та же.

Для определения теплоты нейтрализации необходимо сначала экспериментально найти теплоту растворения гранулированной щелочи в воде, а затем в растворе кислоты. Определение теплоты растворения щелочи в воде проводится точно так же, как описано в разделе I.5 для теплоты растворения соли. Растворитель - дистиллированная вода. Объем воды и примерную навеску гранул щелочи определяет преподаватель.

Определение теплоты растворения щелочи в кислоте проводится точно так же, с тем лишь отличием, что в качестве растворителя используется раствор, приготовленный из 250 или 350 мл дистиллированной воды и 50 мл 0,2 М соляной кислоты. Перед доведением до метки в колбу с дистиллированной водой добавляют 3 -4 капли кислотно-основного индикатора или фенолфталеина для контроля полноты последующей нейтрализации. Количество щелочи и место установки пишущего узла прибора такие же, как при растворении щелочи в воде.

Появление (в случае фенолфталеина) или изменение окраски индикатора после полного растворения щелочи в растворе кислоты указывает на то, что вся взятая кислота нейтрализована щелочью. Растворение щелочи в кислоте согласно закону Гесса может быть обобщенно представлено двух стадийным процессом: растворением щелочи в воде и последующей нейтрализацией кислоты щелочью в растворе. Алгебраическая сумма тепловых эффектов стадий равна тепловому эффекту процесса растворения щелочи в кислоте, определяемому экспериментально. Для того чтобы найти теплоту нейтрализации взятого количества кислоты, необходимо из величины теплоты растворения щелочи в кислоте вычесть теплоту растворения той же навески щелочи в воде

нейтр h = (qр.к - qр.в)mр.к , (Дж) (I.6)

где h нейтр- удельная теплота нейтрализации взятого количества кислоты, qр,к- удельная теплота растворения щелочи в кислоте,

qр.в- удельная теплота растворения щелочи в воде, mр.к- навеска гранул щелочи, растворенная в кислоте.

Найденная величина может быть пересчитана на 1 моль кислоты по уравнению:

			0		нейтрh1000	, (Дж/моль)	(I.7)
		нейтр			V ( M )

где нейтрH - теплота нейтрализации 1 моля одноосновной сильной кислоты,

12

V - объем взятого в опыте раствора кислоты (50 мл),

(М) - концентрация этого раствора кислоты в моль/л (0,2 М).

Все расчеты проводятся с учетом знаков удельных теплот растворения щелочи в воде и кислоте

Полученные в результате экспериментов данные заносятся в

табл.I.2.

При защите лабораторной работы студенту необходимо:

- по графику определить изменение температуры при растворении щелочи в воде и рассчитать удельную теплоту ее растворения в воде,

-по графику определить изменение температуры при растворении щелочи в растворе кислоты и рассчитать удельную теплоту этого процесса,

-рассчитать мольную теплоту реакции нейтрализации, сравнить с теоретическим значением этой величины и провести анализ источников ошибок при определении теплового эффекта реакции нейтрализации,

-объяснить отличие теплового эффекта этой реакции от теплоты

образования воды, приведенного в справочнике (стр. 77 1 ).

I.7. ОПРЕДЕЛЕНИЕ ТЕПЛОТЫ ОБРАЗОВАНИЯ КРИСТАЛЛОГИДРАТА

Цель работы: Экспериментально определить теплоты растворения CuSO45H2O и безводной соли CuSO4

Реактивы: дистиллированная вода, безводный CuSO4 и

CuSO45H2O.

Оборудование: Работу можно выполнять на любой из установок, технические весы, мерные колбы на 50, 100 и 250 мл.

Порядок выполнения работы:

Для определения теплоты образования кристаллогидрата проводятся определения теплот растворения безводной соли и ее кристаллогидрата так, как описано в разделе I.5.

Запишите по стадиям процесс растворения веществ, начиная с реакции образования кристаллогидрата из безводной соли. Сравните исходные и конечные состояния. Вычислите теплоту образования кристаллогидрата используя закон Гесса.

При проведении эксперимента количества безводной соли и кристаллогидрата задаются преподавателем. Результаты измерений также заносятся в табл.I.2. Порядок выполнения работы такой же, как и при определении теплоты растворения соли в воде.

13

К защите работы необходимо:

-по графику определить изменение температуры при растворении кристаллогидрата, рассчитать его концентрацию и интегральную теплоту растворения

-графическим методом определить изменение температуры при растворении безводной соли, ее концентрацию и интегральную теплоту растворения

-по полученным данным рассчитать теплоту реакции образования кристаллогидрата и сравнить полученные данные со справочными значениями (см. справочник Табл.33 стр.48).

-рассчитать абсолютные и относительные ошибки и объяснить их источники

По завершении работы все приборы должны быть выключены. Рабочее место приведено в порядок.

Таблица I.2 Результаты измерений в лабораторной работе «ТЕРМОХИМИЯ»

№	Название этапа		Взвешивание				Теплота процесса		Ошибка
п/п	работы								опыта,
		вес бюкса
						навеска	q,	Q,
	Определение:					в-ва	Дж/г	кДж/моль	%
		с в-вом		пустого
1.	- постоянной
	калориметра
2.	- теплоты
	растворения
	соли в воде
3.	- теплоты
	растворения
	щелочи в воде
4.	- теплоты
	растворения
	щелочи в
	сильной кислоте
5.	- теплоты
	растворения
	безводной соли
	в воде
6.	- теплоты
	растворения
	кристалло-
	гидрата в воде

14

Тема II. ХИМИЧЕСКОЕ РАВНОВЕСИЕ

II.1. ОПРЕДЕЛЕНИЕ КОНСТАНТ РАВНОВЕСИЯ РЕАКЦИИ КОМПЛЕКСООБРАЗОВАНИЯ

Цель работы: определение констант равновесия реакции комплексообразования в растворе, изучение зависимости ее от температуры и определение термодинамических характеристик реакции комплексообразования.

Реактивы: дистиллированная вода, раствор Co(SCN)2 0,001 г/мл , раствор KSCN 0,05 г/мл, ацетон,

Оборудование: фотоэлектрический спектрофотометр, мерные колбы на 25 мл, пипетки, кюветы, термостат,

Порядок выполнения работы:

Многие металлы образуют в растворах комплексные ионы, прочность которых характеризуют константой устойчивости. В случае образования моноядерного комплекса уравнение реакции имеет вид

Мх++nR-MR (nx n )

где М - металл-комплексообразователь, R - лиганд,

n - число лигандов в комплексном ионе.

Константа равновесия KC, называемая в данном случае также константой устойчивости комплекса n, равна:

	[M R( x n ) ]
K C	n	n	(II.1)
	[M x ][R ]n

Для определения константы устойчивости мало прочных комплексов можно применить графический метод Бента и Френча. После логарифмирования обеих частей уравнения (II.1) получим следующее выражение:

ln

[M R ( x n) ]

ln

n ln[R ]

(II.2)

[M x ]

n

Последнее

уравнение

может

быть

представлено

прямой

при

использовании в

качестве

переменных

ln

[M R ( x n ) ]

и ln[R ] ,

как

[M x ]

показано на рис.II.1.

В этом случае отрезок, отсекаемый прямой на оси ординат, равен lnn, что позволяет вычислить константу устойчивости.

15

Равновесие реакции комплексообразования исследуют на примере реакции кобальта (II) с тиоцианатом в водно-ацетоновых растворах:

Co2+ + 4SCN- Co(SCN) 24

Комплексный ион Co(SCN) 24 образуется в заметных количествах при большом избытке тиоционат-ионов в растворе. Этот комплексный ион окрашен в голубой цвет, поэтому для определения его концентрации можно измерять оптическую плотность раствора с помощью фотоэлектрического спектрофотометра.

Спектрофотометрический метод анализа основан на избирательном поглощении излучения определенной длины волны раствором.

	6	D i
	5 ln
		D D i

4

3

2

1

0

-4

-3

-2

-1

0

ln[SCN ]

Рис. II.1. Графическое определение константы равновесия реакции комплексообразования

При обработке результатов измерений используют закон Бугера-

Ламберта-Бера
D c l	(II.2)

где оптическая плотность D ln II0 ,

I0 - интенсивность падающего потока излучения,

I -интенсивность потока излучения, прошедшего через вещество, l - толщина поглощающего слоя,

с - концентрация,

16

- коэффициент погашения, основная характеристика поглощения света раствором при данной длине волны.

При с=1 моль/л и l=1см = D, т.е. коэффициент поглощения - это оптическая плотность раствора с концентрацией 1 моль/л, помещенного в кювету с l=1 см. Для Co(SCN) 24 при длине волны 620 нм коэффициент

погашения составляет 1,9.103 л/(моль.см).

В практической работе измеряют оптические плотности растворов Di, пропорциональные концентрациям комплексного иона Co(SCN) 24 , и оптическую плотность D0 раствора, в котором весь металл связан в комплекс. При обработке опытных данных используют уравнение (II.2) в следующей форме:

	ln		D i	ln n n ln[R ] ,	(II.3)
		D 0	D i

где n=4. Для расчета константы устойчивости следует построить график с

			D i	-
использованием переменных	ln				по оси ординат и ln[R	] по оси
		D 0		D i

абсцисс (см. рис.II.1). При построении графика следует учитывать, что лиганд во всех опытах берется в избытке поэтому частичное связывание лиганда в ионах комплекса практически не уменьшает величину [R-].

Константы устойчивости зависят от температуры, поэтому спектрофотометрические измерения проводят с использованием термостатированных кювет.

II.1.1. Приготовление серии растворов

Исходные растворы - KSCN и Co(SCN)2 с содержанием кобальта 0,001 г/мл и KSCN c содержанием соли 0,05 г/мл надо получить у лаборанта. Серия рабочих растворов готовится четырьмя студентами таким образом, чтобы концентрация комплексообразователя - кобальта во всех растворах оставалась неизменной, а количество лиганда было различным. В одном из растворов концентрация лигандов должна быть достаточно большой для полного подавления диссоциации Co(SCN) 24 . Необходимые количества исходных растворов комплексообразователя и лиганда приведены в табл.II.1 (или задаются преподавателем). Заданные количества растворов Co(SCN)2 и KSCN вносят пипеткой в колбу объемом 25 мл, затем добавляют воду в таком количестве, чтобы суммарный объем составил 10 мл.

Раствор доводят до метки ацетоном и перемешивают. Образование комплексов легко заметить по появлению голубой окраски растворов,

17

интенсивность которой увеличивается по мере увеличения количества лиганда в растворе.

Таблица II.1 Рекомендуемые объемы реагентов для приготовления серии

растворов

	№ раствора	Объёмы исходных растворов и растворителей, мл
		Co(SCN)2	KSCN	H2O	CH3COCH3
	1	2.00	1.00	7.0	15
	2	2.00	1.50	6.5	15
	3	2.00	2.00	6.0	15
	4	2.00	2.50	5.5	15
	5	2.00	8.0	0	15

II.1.2. Определение константы устойчивости

1.Колбы с растворами поставьте на 10-15 мин в термостат при температуре, заданной преподавателем.

2.После термостатирования залейте раствор №1 в фотометрическую кювету и поставьте её в кюветное отделение.

3.После стабилизации оптической плотности D, запишите значение в

табл.II.2 :

Таблица II.2 Результаты измерений оптической плотности

№	V(KSCN),	[SCN-],					Di		ln	Di
			ln[SCN-]	Di	D0 -Di		D0 Di			D0 Di		T, K
раствора	мл	моль/л
1	1.00
2	1.50
3	2.00
4	2.50
5	8.0	-	-	(D0)	0		-			-

4.Вылейте раствор из кюветы и промойте её дистиллированной водой.

5.Повторите измерения с другими растворами.

6.Когда оптическая плотность всех растворов измерена, следует установить температуру в термостате на 5-10 °C выше и дождаться

18

постоянства значений на контрольном термометре. После этого цикл измерений повторяется.

Необходимые измерения оптической плотности проводят на фотометре «Эксперт-003». Раствором сравнения, по которому устанавливают нуль оптической плотности, служит смесь 10 мл воды и 15 мл ацетона. Кювету, в которой измеряют оптическую плотность раствора, следует предварительно ополоснуть исследуемым раствором.

II.1.3. Порядок работы на фотометре «Эксперт-003»

Включение прибора

1.Кнопкой включите прибор.

2.Для регулировки яркости дисплея нажмите кнопку .

3.Дождитесь появления экрана с заголовком «Выбор режима». В строке ниже должна быть надпись «Фотометр». Если она отсутствует, используйте кнопки и для переключения в данный режим.

Калибровка прибора

Перед началом измерений один раз выполните установку нуля прибора. Для этого:

1.налейте в фотометрическую кювету дистиллированную воду и поставьте её в термостатируемую рубашку.

2.нажмите кнопку .

3.после установления стабильных показаний нажмите кнопку .

4.выньте фотометрическую кювету, вылейте воду и просушите.

Проведение измерения

1.Заполните кювету исследуемым раствором.

2.Вставьте кювету в термостатируемый кюветодержатель.

3.Запишите показания оптической плотности раствора.

19

4.Для окончания измерения нажмите кнопку .

Отключение прибора

Кнопкой выключите прибор.

II.1.4. Изучение зависимости константы устойчивости комплекса от температуры

Измерение оптической плотности приготовленных растворов следует начать при комнатной температуре (20 С); необходимо убедиться, что измеренное значение оптической плотности остается постоянным в течение 2-3 минут. Затем установить с помощью контактного термометра температуру на 5-10 С выше и дождаться постоянства температуры на контрольном термометре. При температуре выше комнатной растворы в кюветах нужно выдерживать перед измерением оптической плотности не менее 6-7 минут. Каждый раз нужно убедиться в постоянстве значения оптической плотности. Температура при которой проводят измерения не должна превышать 50 С.

Каждый из студентов определяет значение n при одной температуре. Теплоту реакции комплексообразования рассчитывают по уравнению Вант-Гоффа

n (T2 )	r H		1	1
ln (T )				T
	R		T
n 1			1	2

или по графику ln n		1 T , вычислив угловой коэффициент линейной
зависимости tg ln n 1 T				по данным		не менее четырех
опытов, результаты которых заносят в табл.II.3:
						Таблица II.3
	Температурная зависимость константы устойчивости
	t, 0C	T, K		1/T, K-1		lnn
	…	…		…		…

20