3874085_FIZ - liveinternet.ru
реклама
1 КУРСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ МЕДИЦИНСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ ФАРМАЦЕВТИЧЕСКИЙ ФАКУЛЬТЕТ КАФЕДРА ФИЗИЧЕСКОЙ И КОЛЛОИДНОЙ ХИМИИ ЗАДАНИЯ ДЛЯ СТУДЕНТОВ НА САМОСТОЯТЕЛЬНУЮ ПОДГОТОВКУ К ЗАНЯТИЯМ ПО ФИЗИЧЕСКОЙ И КОЛЛОИДНОЙ ХИМИИ КУРСК - 2004 г. 2 ЧАСТЬ I ФИЗИЧЕСКАЯ ХИМИЯ 3 ЗАНЯТИЕ N1 Т Е М А: ПРАВИЛА РАБОТЫ В ЛАБОРАТОРИИ. СРЕЗ ЗНАНИЙ. СПОСОБЫ ОБРАБОТКИ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОГО МАТЕРИАЛА. I. П Л А Н И З У Ч Е Н И Я Т Е М Ы: СПОСОБЫ ОБРАБОТКИ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОГО МАТЕРИАЛА: 1. Правила работы в лаборатории. 2. Способы обработки экспериментального материала: а) назначение таблиц, б) правила построения таблиц, в) назначение графиков, г) правила построения графиков: - проведение осей координат, их обозначение; - выбор масштаба; - проведение линии графика по экспериментальным точкам; - оформление графиков, д) правила округления чисел. II. Р Е К О М Е Н Д А Ц И И П О С П О С О Б А М О Б Р А Б О Т К И Э К С П Е Р И М Е Н Т А Л Ь Н О Г О М А Т Е Р И А Л А. Выполнение лабораторных работ по физической и коллоидной химии направлено на решение различных задач, в том числе: - проверку и практическое обоснование некоторых теоретических положений. - выяснение особенностей в поведении и свойствах систем, их природы на основе определения зависимости между параметрами, характеризующими системы. - приобретение навыка в практическом измерении величин, характеризующих системы. - усвоение теоретических основ физико-химических методов исследования. - приобретение умения определять искомые в методе величины на основе непосредственно измеренных в опыте величин и использования соответствующих уравнений и графиков. 1. П Р А В И Л А П О С Т Р О Е Н И Я Т А Б Л И Ц. При оформлении лабораторных работ таблицы могут быть использованы для систематизации экспериментально полученных и расчетных величин или для установления характера зависимости между соответствующими параметрами, характеризующими изучаемые системы, процессы. При составлении таблиц следует придерживаться следующих правил: а. Таблица должна состоять из строк и столбцов, расположенных в определенной последовательности: в первом столбце (или строке) записываются заданные величины, во втором и последующих экспериментально полученные, табличные и расчетные. 4 б. Каждый столбец (или строка) должен быть подписан с указанием величины и единиц измерения. в. Если цифры, записанные в таблице, представлены как произведение двух величин, одна из которых число 10n,то этот общий сомножитель выносят в обозначение столбца, и если его записывают как произведение к буквенному обозначению величины, то знак в показателе степени изменяют на противоположный. Например, поверхностное натяжение для трех растворов ПАВ различной концентрации равно σ1 = 49,2 · 10-3 Н/м; σ2 = 34,87 · 10-3 Н/м; σ3 = 30,5 · 10-3 Н/м. Эти данные в таблицу можно записать так: № п/п 1 2 3 σ · 10-3 , Н/м 49,2 34,87 30,5 г. цифры, соответствующие заданным данным в столбце, следует записывать либо в порядке возрастания величины, либо в порядке убывания. д. при записи чисел в столбце следует каждый разряд цифр записывать один под другим: десятки под десятками, единицы под единицами, десятые доли под десятыми и т. д. Закрепить правила построения таблиц можно, выполнив задания 1 и 2. 2. О С Н О В Н Ы Е Н А З Н А Ч Е Н И Я Г Р А Ф И К О В. При обработке результатов физико-химических измерений широко пользуются графиками. Они позволяют более наглядно, например, чем таблицы представить взаимные связи между изучаемыми величинами и осуществлять ряд вычислительных операций, в том числе интерполяцию, экстраполяцию, дифференцирование. Графики облегчают сравнение величин, позволяют обнаружить точки перегиба, максимума или минимума, наибольшие и наименьшие скорости изменения величин и другие особенности, которые недостаточно проявляются в таблицах. Метод физико-химического анализа основан на построении диаграмм свойство-состав с последующим их анализом. При помощи графиков не только можно установить характер зависимости между измеряемыми величинами, но и установить ее математическое выражение. Рассмотрим некоторые примеры использования графиков. 1) Определение свойств веществ (систем) на основе характера зависимости между исследуемыми величинами. 5 Примеры: 1. Если с повышением концентрации вещества в растворе поверхностное натяжение уменьшается, вещество является поверхностно-активным (а). Если же с увеличением концентрации поверхностное натяжение раствора возрастает (б), то вещество является поверхностно-инактивным. 2. а) б) Если диаграмма плавкости соответствует рисунку "а" вещества А и В в твердом состоянии не растворяются друг в друге, а сплав представляет механическую смесь кристаллов веществ А и В, если же диаграмма плавкости имеет вид "б" вещества А и В в твердом состоянии растворяются друг в друге, образуя твердый раствор. 2) Количественное определение содержания вещества в смеси на основе калибровочной кривой. Если установить графическую зависимость между показателем преломления раствора и составом раствора, то по показателю преломления раствора nx неизвестного состава x можно определить содержание растворенного вещества в растворе. Этот прием называется интерполяцией. 3) Определение констант в уравнении. Зависимость между изучаемыми величинами графически может представлять собой прямую или получает такой вид после преобразования уравнения, математически описывающего эту зависимость. Построив соответствующий график, можно определить константы в уравнении. х Пример. Уравнение Фрейндлиха имеет вид: Г= x = K C1/n , где "К" и "1/n" - константы. m Данное уравнение соответствует уравнению вида y=axb. График зависимости Г = f(C) или (y = f(x)) представляет параболу. После преобразования уравнения логарифмированием оно принимает вид: lgГ = lgK + 1/n lgC, что соответствует уравнению вида: y = a + bx. Если построить график, отложив по оси "Х" величины lgC, а по оси "У" величины lgГ, то график должен представлять прямую, не проходящую через начало координат, а отсекающую (при продолжении линии графика) на оси "У" отрезок, соответствующий значению lgК. Тангенс угла наклона этой прямой к оси lgС будет соответствовать величине 1/n. 6 ОА = lgК tg 1 DF n BF 4) Экстраполяция. Графическая экстраполяция производится посредством продолжения линии графика за пределы опытных данных. Она достаточно надежна, если изучаемая зависимость выполняется и вне области производимых измерений. Примером экстраполяции может быть рассмотренный в пункте 3 способ нахождения значения отрезка АО, соответствующего lgК. 5)Графическое дифференцирование. В основе графического дифференцирования лежит закономерность: dy tg dx где - угол, образуемый с положительным направлением оси Х касательной, проведенной к кривой y = f(x) через точку М, абсцисса которой соответствует заданному значению "Х". dc bd tg dt ad 3. П Р А В И Л А П О С Т Р О Е Н И Я Г Р А Ф И К О В При построении графиков необходимо провести оси координат, обозначить величины, откладываемые по осям, и единицы их измерения. ПРАВИЛА ВЫБОРА МАСШТАБА ПРИ ПОСТРОЕНИИ ГРАФИКОВ. 1) Разделить оси координат на равные отрезки, каждый из которых обозначить в соответствии с выбранным масштабом. Длина отрезков и их значения по осям "Х" и "У" могут не совпадать. 2) Масштаб выбрать таким, чтобы легко можно было отложить данную величину или прочитать искомую с заданной точностью. Цена деления (например, 1 клеточка на миллиметровой бумаге) масштаба должна соответствовать точности откладываемой величины. Например, если по оси "Х" откладываем числа: 1,25; 2,38; 4,32; и т.д., то при выборе масштаба по оси "Х" следует одно деление принять равным 0,01, но не 0,1 или 1. 3) Цена деления по осям "Х" и "У" может не совпадать. 4) Масштаб должен быть таким, чтобы график занимал все поле между осями координат, а линия графика шла под углом 450. Метод интерполяции в этом случае дает наибольшую точность. 5) Чтобы график занимал все поле чертежа, иногда величины следует откладывать не от "0". 7 ПРОВЕДЕНИЕ ЛИНИИ ГРАФИКА ПО ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫМ ТОЧКАМ. 1) Линия графика не должна быть ломаной (если это не имеет место из теоретических соображений). 2) При проведении линии не обязательно, чтобы все точки легли на нее. Линию следует провести так, чтобы число точек, которые на нее не легли, и расстояние их от кривой по одну сторону равнялись числу точек и расстоянию их от кривой по другую сторону. 3) Линию графика следует проводить тонкой, но хорошо видимой. РЕКОМЕНДАЦИИ К ОФОРМЛЕНИЮ ГРАФИКА. 1) Все графики выполняются на миллиметровой бумаге размером в страницу листа лабораторного журнала. 2) Оси координат и линию графика рекомендуется проводить карандашом. Обозначения осей координат, масштабных отрезков и точек на поле графика - чернилами. 3) Если график построен для нахождения каких-то величин, то на графике следует провести соответствующие пунктирные линии. 4) На листе, где выполнен график, должны быть указаны номер или тема работы и название графика. 5) При проведении графиков можно пользоваться правилом предварительного округления более точных данных: если некоторые данные имеют больше десятичных знаков или больше значащих цифр, чем другие, то их предварительно следует округлить, сохраняя лишь одну лишнюю цифру. Закрепить правила построения графиков можно, выполнив задания 3 и 4. 4. П Р А В И Л А О К Р У Г Л Е Н И Я Ч И С Е Л. Округлением числа называют уменьшение количества цифр в числе путем отбрасывания одной или нескольких последних цифр. Можно пользоваться следующими правилами округления: 1) Если первая отброшенная цифра меньше 5, то последнюю из сохраняемых цифр оставляют без изменения. 2) Если первая отброшенная цифра равна 5 или больше 5, то последнюю сохраняемую увеличивают на единицу. 3) При округлении целых чисел отброшенные цифры заменяют нулями. 4) Как правило, округленные целые числа записывают как произведение двух сомножителей, один из которых представляет число 10n. Например, 264213 264000 = 2,64 · 105. III. З А Д А Н И Я Д Л Я З А К Р Е П Л Е Н И Я П Р А В И Л П О С Т Р О Е Н И Я Т А Б Л И Ц И Г Р А Ф И К О В. Задание 1. 8 При определении при 250С степени диссоциации масляной кислоты в растворах различной концентрации было установлено, что эквивалентная электрическая проводимость раствора ( ) с концентрацией (С) 0,015 моль/л равна 12,48 Ом -1 моль-1 см2; с концентрацией 0,02 моль/л - 10,53 Ом –1 моль-1 см2; а с концентрацией 0,01 моль/л - 15,2 Ом -1 моль-1 см2. Эквивалентная электрическая проводимость раствора масляной кислоты при бесконечном разведении ( ) равна 390,1 Ом -1 моль-1 см2. 1. Пользуясь формулой рассчитайте степень диссоциации масляной кислоты в растворах разных концентраций. 2. Все величины, рассмотренные в задании, представьте в виде таблицы. 3. Сделайте вывод о зависимости степени диссоциации масляной кислоты от ее концентрации в растворе. Задание 2. При определении методом Ребиндера при 200С поверхностного натяжения растворов изоамилового спирта различной концентрации было установлено, что для раствора с концентрацией (С) 0,04 моль/л пузырек воздуха через капилляр проскакивает при разнице в уровнях жидкости в коленах манометра (h) 37 мм, для раствора с концентрацией 0,06 моль/л - при 34 мм, а для воды - при 49 мм. Поверхностное натяжение для воды ( H 2O ) равно 72,75·10-3 Н/м. 1. Пользуясь формулой H 2O h hH 2O , рассчитайте поверхностное натяжение растворов изоамилового спирта разных концентраций. 2. Все величины, рассмотренные в задании, представьте в виде таблицы. 3. Сделайте вывод о зависимости поверхностного натяжения концентрации изоамилового спирта в растворе. Задание 3. Построить график зависимости показателя преломления водных растворов глицерина от состава по следующим данным: w,% 0 20 40 60 80 100 п 1,333 1,359 1,378 1,410 1,427 1,455 Определить по графику, используя прием интерполяции, состав водного раствора глицерина, если показатель преломления этого раствора пх = 1,384. Задание 4. Построить график зависимости поверхностного натяжения водных изоамилового спирта от концентрации спирта в растворе по следующим данным: растворов 9 С, моль/л 0,01 0,02 0,03 0,04 0,05 0,06 0,07 0,08 0,09 0,10 10 3 , Н/м 66,9 62,2 59,1 56,4 54,6 52,3 48,9 47,6 45,8 44,4 H O = 72,8 10-3 Н/м. 2 Сделать вывод о характере изменения поверхностного натяжения водных растворов изоамилового спирта от его концентрации в растворе. 10 ЗАНЯТИЕ N2 Т Е М А: ОПРЕДЕЛЕНИЕ ТЕМПЕРАТУРЫ ПЛАВЛЕНИЯ КАПИЛЛЯРНЫМ МЕТОДОМ. I. П Л А Н И З У Ч Е Н И Я Т Е М Ы: 1. Температура плавления (замерзания) - физико-химическое и фармакопейное определения. 2. Цели измерения температуры плавления веществ и смесей веществ в фармации. 3. Температура плавления смеси веществ, особенности ее измерения капиллярным методом. 4. Последовательность определения температуры плавления капиллярным методом: - параметры капилляра, используемого для измерения температуры плавления; - техника заполнения капилляра твердым образцом для измерения температуры плавления; - установка для измерения температуры плавления капиллярным методом; - особенности закрепления капилляра на термометре и погружения собранной установки в нагретую масляную баню при измерении температуры плавления; - измеряемые в методе температуры, техника их измерения; - расчет температуры плавления, измеренной капиллярным методом. II. Л И Т Е Р А Т У Р А: МЕТОДИЧЕСКИЕ РЕКОМЕНДАЦИИ К ФОРМИРОВАНИЮ ПРАКТИЧЕСКИХ НАВЫКОВ ПО ФИЗИЧЕСКОЙ И КОЛЛОИДНОЙ ХИМИИ. Курск, 1999. "Определение температуры плавления капиллярным методом." III. Т Е М А П Р А К Т И Ч Е С К О Й Р А Б О Т Ы: "ИЗМЕРЕНИЕ ТЕМПЕРАТУРЫ ПЛАВЛЕНИЯ КАПИЛЛЯРНЫМ МЕТОДОМ". IV. В О П Р О С Ы Д Л Я С А М О К О Н Т Р О Л Я: См. вопросы для самоконтроля по теме "Определение температуры плавления капиллярным методом" в описании данного практического навыка. ОПРЕДЕЛЕНИЕ ТЕМПЕРАТУРЫ ПЛАВЛЕНИЯ КАПИЛЛЯРНЫМ МЕТОДОМ Температура плавления (замерзания) - температура, при которой давление насыщенного пара над твердой и жидкой фазами равны между собой. При практическом измерении температуры плавления руководствуются следующим определением: "Под температурой плавления вещества подразумевается интервал температур между началом плавления - появлением первой капли жидкости и концом плавления - полным переходом вещества в жидкое состояние" (Государственная Фармакопея XI, т.1. М., "Медицина", 1987, с. 16.). Чистые вещества плавятся при постоянной температуре, значение которой определяется природой вещества. В присутствии примесей образцы плавятся в интервале температур. Измеряя температуру плавления можно идентифицировать вещество, установить степень его чистоты. По 11 разнице в температурах плавления растворителя и раствора вещества в данном растворителе можно определить, например, молярную массу растворенного вещества. Измерение температуры плавления можно использовать и для других целей. При измерении температуры плавления смесей (в том числе растворов), плавящихся в интервале температур, определяют температуру конца плавления (исчезновения последнего кристалла), при измерении температуры замерзания смесей (растворов) определяют температуру начала замерзания (появления первого кристалла). Если температуру плавления измерять капиллярным методом, в котором исследуемое вещество находится в стеклянном капилляре, а ртутный резервуар термометра опущен в масляную баню, в момент полного плавления вещества в капилляре температуры бани и внутри капилляра могут не совпадать. Для точного определения температуры плавления в этом случае измеряют температуру исчезновения последнего кристалла при нагревании и температуру появления первого кристалла при охлаждении. Если эти температуры не совпадают (и разница не превышает 2 ОС), за температуру плавления принимают их среднее арифметическое значение. УСТРОЙСТВО УСТАНОВКИ ДЛЯ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ТЕМПЕРАТУРЫ ПЛАВЛЕНИЯ КАПИЛЛЯРНЫМ МЕТОДОМ И ПОСЛЕДОВАТЕЛЬНОСТЬ РАБОТЫ С НЕЙ. Установка состоит из масляной (парафиновой) бани; термометра; стеклянного капилляра, заполненного исследуемым веществом; плитки; подставки; штатива. Исследуемое вещество капилляр помещают диаметром 1 мм и запаянный с в длиной 6 см, одного конца. Заполнение капилляра веществом проводят так: небольшое количество хорошо измельченного вещества помещают на чистую поверхность и, прикасаясь открытым концом капилляра к веществу, вводят его в капилляр небольшими порциями. Затем перемещают вещество концу, постукивая этим к запаянному концом по твердой поверхности, либо бросая капилляр запаянным концом вниз в вертикально расположенную стеклянную трубку высотой не менее 50 см. Операцию повторяют насколько раз, пока высота слоя вещества не будет равна 3 мм. Необходимо, чтобы столбик вещества в капилляре был плотным без видимых разрывов. Подготовленный таким образом капилляр с помощью резинового кольца укрепляют на термометре так, чтобы столбик вещества находился на уровне середины ртутного резервуара термометра, а резиновое кольцо при погружении термометра с капилляром в масляную баню не касалось масла. Термометр с капилляром закрепляют в лапке штатива и опускают в 12 предварительно нагретую баню. При этом термометр не должен касаться дна и стенок бани, а уровень жидкости в бане должен быть выше резервуара термометра примерно на 5 мм. Масляную баню медленно нагревают со скоростью примерно 1,5 ОС в минуту. Отмечают температуру (t1), когда в капилляре исчезает последний кристаллик исследуемого вещества. Затем отключают плитку, заменяют ее на подставку, следя за тем, чтобы капилляр, закрепленный на термометре, не извлекался из масляной бани. Отмечают температуру (t2), когда в капилляре появится первый кристалл. Если разница в температурах t1 и t2 превышает 2 ОС, опыт следует повторить, уменьшая скорость нагревания и охлаждения. Температуру плавления рассчитывают по формуле: t пл t1 t 2 2 ВОПРОСЫ ДЛЯ САМОКОНТРОЛЯ ПО ТЕМЕ: "ОПРЕДЕЛЕНИЕ ТЕМПЕРАТУРЫ ПЛАВЛЕНИЯ КАПИЛЛЯРНЫМ МЕТОДОМ". 1. Физико-химическое определение понятия "температура плавления" (замерзания). 2. Определение понятия "температура плавления" по Фармакопее. 3. Какую температуру принимают за температуру плавления для смеси веществ, которая может плавиться в широком интервале температур? 4. Какие (какая) величины измеряются непосредственно в опыте при определении температуры плавления капиллярным методом? 5. Почему при измерении температуры плавления капиллярным методом в опыте определяют две величины: температуру исчезновения последнего кристалла при нагревании и температуру появления первого кристалла при охлаждении? 6. Какая из двух температур: температура исчезновения последнего кристалла при нагревании t1 или температура появления первого кристалла при охлаждении t2 может быть выше? Почему? 7. Если температура исчезновения последнего кристалла при нагревании t1 и температура появления первого кристалла при охлаждение t2 не одинаковы, то какая разница в значениях этих температур допустима? 8. Если при измерении температуры плавления капиллярным методом, t1 и t2 отличаются между собой более чем на 2 (4) градуса, как добиться допустимой разницы температур? 9. Если в капилляре последний кристалл при нагревании исчезает при температуре t1, а первый кристалл при охлаждении появляется при температуре t2 (t1 t2), то как по этим двум температурам следует определить tпл? 10. Состав установки для определения температуры плавления капиллярным методом. 11. Размеры капилляра. 12. Заполнение капилляра веществом. Требования к заполнению. 13. Почему при заполнении капилляра веществом следует следить за тем, чтобы столбик вещества был плотным без видимых разрывов? Как это достигается? 13 14. Если при расплавлении вещества в капилляре появился пузырек воздуха, как от него освободиться? 15. Требования к закреплению капилляра на термометре. 16. Требования к закреплению термометра с капилляром при погружении их в масляную баню. 17. Основные этапы определения температуры плавления капиллярным методом. 18. С какой скоростью следует нагревать масляную баню? 19. Какое требование следует соблюдать при перенесении масляной бани с термометром и капилляром с плитки на подставку? 20. Практическое значение измерения температуры плавления. 14 З А Н Я Т И Е №3 Т Е М А: СВОЙСТВА РАЗБАВЛЕННЫХ РАСТВОРОВ. I. П Л А Н И З У Ч Е Н И Я Т Е М Ы: 1. Растворы - определение. Способы выражения состава растворов: а) массовая доля компонента ( ); б) молярная доля компонента ( ); в) молярная концентрация компонента (С); г) молярная концентрация эквивалентов компонента (Сэк или Сeq); д) моляльность компонента (в). 2. Насыщенный пар. Давление насыщенного пара над жидкостью, его зависимость от природы жидкости и температуры. 3. Закон Рауля для разбавленных растворов нелетучих неэлектролитов - содержание, словесная и математическая формулировки. 4. Графическая зависимость давления насыщенного пара над растворителем и раствором от температуры, анализ этой зависимости. 5. Физико-химические определения температур кипения и кристаллизации (плавления). Нахождение температур плавления и кристаллизации по графику зависимости давления насыщенного пара от температуры для чистого растворителя и раствора. 6. Криоскопический эффект - определение явлению. Основная закономерность, описывающая это явление. Уравнение зависимости понижения температуры замерзания раствора от концентрации растворенного вещества для разбавленных растворов нелетучих неэлектролитов. 7. Криоскопическая постоянная Ккр: а) физический смысл Ккр; б) факторы, влияющие на величину Ккр; в) способы определения Ккр; 8. Уравнение для расчета молярной массы нелетучего неэлектролита по величине понижения температуры замерзания разбавленного раствора нелетучего неэлектролита. 9. Эбулиоскопический эффект - определение явлению. Основная закономерность, описывающая это явление. Уравнение зависимости повышения температуры кипения раствора от концентрации растворенного вещества для разбавленных растворов нелетучих неэлектролитов. 10. Эбулиоскопическая постоянная Кэб: а) физический смысл Кэб; б) факторы, влияющие на величину Кэб; в) способы определения Кэб; 15 11. Осмос - определение явлению. Осмотическое давление. Закон Вант-Гоффа формулировка и математическое выражение для разбавленных растворов нелетучих неэлектролитов. 12. Изотонические, гипертонические, гипотонические растворы. Гемолиз, плазмолиз. 13. Коллигативные свойства растворов. 14. Закон Рауля, следствие закона Рауля и закон Вант-Гоффа для разбавленных растворов нелетучих электролитов. 15. Изотонический коэффициент - определение понятию. Уравнение, связывающее изотонический коэффициент и степень диссоциации слабого электролита. Осмотический коэффициент. 16. Осмотическая концентрация (осмомолярность или осмомоляльность) растворов и ее определение по величине понижения температуры замерзания растворов электролитов и неэлектролитов. II. Л И Т Е Р А Т У Р А: 1. В.А.Киреев. Краткий курс физической химии. М., 1978, с.166-170, 213-300, 383-386. 2. К.И.Евстратова, Н.А.Купина, Е.Е.Малахова. Физическая и коллоидная химия. М., 1990, с.68-71, 74-82, 120-121. III. В О П Р О С Ы Д Л Я С А М О К О Н Т Р О Л Я: 1. Чему равны: а) молярная доля; б) массовая доля; в) молярная концентрация; г) моляльность сахарозы в растворе, полученном при растворении 17,1 г сахарозы (М = 342 г/моль) в 82,9 г воды С12Н22О11 (М = 18 г/моль). Плотность раствора принять равной Н2О 1,067 103 г/л. Ответ: = 1,08%; = 17,1%; С = 0,53 моль/л; b = 0,6 моль/кг 2. При каком условии жидкость закипит? Какую температуру называют температурой кипения? 3. При каком условии кристаллизуется жидкость? Какую температуру называют температурой замерзания? 4. Какой пар называют насыщенным? Дайте определение давлению насыщенного пара. 5. Почему при одной и той же температуре давление насыщенного пара над водой выше, чем над водным раствором глицерина с массовой долей глицерина 2%? 6. Почему при одном и том же давлении вода замерзает при 0 ОС, а раствор глюкозы в воде с массовой долей глюкозы 18% замерзает при О - 2,27 С? 7. Почему при нормальном атмосферном давлении бензол кипит при 80,1 ОС, а раствор дифениламина в бензоле с массовой долей дифениламина 10% кипит при 80,3 ОС? 16 8. На графике представлены три линии зависимости давления насыщенного пара от температуры: 1 - для жидкой воды 2 - для раствора мочевины в воде 3 - для льда Укажите по графику температуры: а) замерзания воды; б) кипения воды; в) замерзания раствора мочевины в воде; г) кипения раствора мочевины в воде; 9. Приведите уравнения для расчета: а) относительного понижения давления насыщенного пара растворителя над раствором нелетучего неэлектролита, молярная доля которого Х (закон Рауля), б) понижения температуры замерзания раствора неэлектролита,моляльность которого в растворе равна "в", в) повышения температуры кипения раствора неэлектролита, моляльность которого равна "в", г) осмотического давления раствора неэлектролита с молярной концентрацией "С". 10. Криоскопическая постоянная для воды равна 1,86. Что означает эта величина? 11. Эбулиоскопическая постоянная для воды равна 0,513. Что означает эта величина? 12. Перечислите величины, определяемые природой вещества растворителя разбавленного раствора, от которых зависит значение: а) криоскопической постоянной, б) эбулиоскопической постоянной. 13. Имеются два раствора глицерина в воде при нормальном атмосферном давлении. Моляльность первого раствора равна 0,01 моль/кг, второго - 0,02 моль/кг. а. Над каким из растворов давление насыщенного пара выше? б. Для какого из растворов выше температура замерзания (температура кипения)? 14. Приведите уравнения для расчета величины понижения температуры замерзания или повышения температуры кипения для разбавленных растворов нелетучих неэлектролитов. 15. Изотонический коэффициент в водном растворе хлоруксусной кислоты (СН2ClСООН) с моляльностью 0,03 моль/кг равен 1,21. Что означает эта величина? Чему равны степень диссоциации хлоруксусной кислоты ( ) и понижение температуры замерзания раствора ( t ), если Ккр (Н2О) = 1,86. Ответ: = 0,21 t = 0,07 ОС 17 16. Приведите уравнения для расчета осмотического давления в разбавленных растворах неэлектролитов и электролитов, молярная концентрация которых С (закон Вант-Гоффа). 17. Молярная концентрация водных растворов: а) глюкозы, б) глицерина, в) NaCl, г) CaCl2 равна 0,01 моль/л. Укажите: 1) какие растворы имеют одинаковое осмотическое давление, 2) осмотическое давление какого раствора выше? 18. Осмотическое давление крови соответствует осмотическому давлению раствора NaCl с молярной концентрацией 0,15 моль/л. Что и почему произойдет с эритроцитами при помещении их в раствор NaCl с концентрацией: а) 0,05 моль/л, б) 0,5 моль/л ? 19. Запишите уравнение для расчета осмотической концентрации (осмомоляльности) раствора неэлектролита и электролита по величине понижения температуры замерзания раствора ( t ) по сравнению с чистым растворителем. 20. При растворении 0,412 г нафталина в 10 г камфоры, криоскопическая постоянная для которой равна 40,4, произошло понижение температуры плавления на 130С. Привести уравнение для расчета молярной массы нафталина. Рассчитать эту величину. Ответ: М = 128 г/моль. 18 З А Н Я Т И Е №4 Т Е М А: КРИОМЕТРИЯ, ЭБУЛИОМЕТРИЯ, ОСМОМЕТРИЯ. ОПРЕДЕЛЕНИЕ МОЛЯРНОЙ МАССЫ ВЕЩЕСТВА КРИОМЕТРИЧЕСКИ I. П Л А Н И З У Ч Е Н И Я Т Е М Ы: 1. Свойства разбавленных растворов: понижение температуры плавления (замерзания), повышение температуры кипения, осмос - основа криометрического (криоскопического), эбулиометрического и осмометрического методов исследования. 2. Криометрия: явление, лежащее в основе метода; закономерность, описывающая это явление. Уравнение, устанавливающее зависимость между понижением температуры плавления разбавленного раствора по сравнению с температурой плавления растворителя, навесками растворителя и растворенного вещества, молярной массой растворенного вещества, криоскопической постоянной растворителя для растворов неэлектролитов и электролитов. 3. Криометрическое определение: а) молярной массы растворенного вещества; б) изотонического коэффициента, степени и константы диссоциации растворенного вещества, осмотического коэффициента; в) осмотической концентрации и осмотического давления раствора. Принцип методов. 4. Разновидности криометрического метода анализа: а) метод Раста: особенность, преимущество, ограничения и недостаток метода; б) метод Бекмана: особенность, преимущество, ограничения и недостаток метода. 5. Эбулиометрия: явление, лежащее в основе метода; закономерность, описывающая явление. 6. Осмометрия: явление, лежащее в основе метода; закономерность, описывающая это явление. 7. Определение молярной массы вещества эбулиометрически и осмометрически. Принцип методов. Ограничения в использовании методов. II. Л И Т Е Р А Т У Р А: 1. К.И.Евстратова, Н.А.Купина, Е.Е.Малахова. Физическая и коллоидная химия. М., 1990, с.74-82, 120-121. III. Т Е М А П Р А К Т И Ч Е С К О Й Р А Б О Т Ы: "МИКРОМЕТОД ОПРЕДЕЛЕНИЯ МОЛЯРНОЙ МАССЫ ВЕЩЕСТВА КРИОМЕТРИЧЕСКИ (ПО РАСТУ)". 1. Определить криоскопическую постоянную для камфоры по понижению температуры плавления раствора заданного состава нафталина в камфоре, если молярная масса нафталина известна и равна 128,1 г/моль. а. Капиллярным методом измерить температуру плавления камфоры (t1) и смеси нафталина в камфоре (t2) c массовой долей нафталина w = 10%. б. Рассчитать понижение температуры плавления ( t) смеси нафталина в камфоре по сравнению с камфорой t = t1 – t2. 19 в. рассчитать криоскопическую постоянную для камфоры по формуле: K кр М Н t m A , где 1000 m B МН - молярная масса нафталина; mA - навеска камфоры (масса), взятая для приготовления смеси нафталина в камфоре; mB - навеска нафталина. 2. Определить молярную массу бензойной кислоты (С6Н5СООН) по понижению температуры плавления раствора заданного состава бензойной кислоты в камфоре, если криоскопическая постоянная для камфоры известна. а. Капиллярным методом измерить температуру плавления камфоры (t1) и смеси бензойной кислоты в камфоре (t3) с массовой долей бензойной кислоты w = 5%. б. Рассчитать понижение температуры плавления ( t') смеси бензойной кислоты в камфоре по сравнению с камфорой t' = t1 – t3. в. Рассчитать молярную массу бензойной кислоты по формуле: M б .к . К КР m B 1000 , где t m A ККР - криоскопическая постоянная для камфоры, значение которой определено на 1 этапе; mA' - навеска камфоры, взятая для приготовления смеси бензойной кислоты в камфоре; mB' - навеска бензойной кислоты. 3. Рассчитать относительную ошибку ( ). Относительную ошибку рассчитать по формуле: MO MT MT , где М0 - молярная масса бензойной килоты, полученная в опыте; М T - молярная масса бензойной кислоты, взятая из таблицы и равная 122,1 г/моль. Полученные в работе данные представить в таблице: Исследуемая система Температура исчезновения последнего кристалла, OС Температура появления первого кристалла, OС 1. Камфора 2. 10% раствор нафталина в камфоре 3. 5% раствор бензойной кислоты в камфоре РАСЧЕТЫ ПО ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫМ ДАННЫМ. 1. Расчет криоскопической постоянной для камфоры: Температура плавления 20 mA = mB = t= МH = 128,1 г/моль ККР = 2. Расчет молярной массы бензойной кислоты: mA = mB = t '= ККР = Мб.к. = 3. Расчет относительной ошибки опыта: = ПРИМЕЧАНИЯ: Микрометод Раста имеет следующие особенности и преимущества: 1. Использование в качестве растворителя камфоры, имеющей высокую температуру плавления (179 ОС) и высокое значение криоскопической постоянной. 2. Использование обычного термометра с делениями в 0,1О-1О позволяет с высокой точностью определять понижение температуры плавления раствора ( t) по сравнению с температурой плавления чистого растворителя. 3. Для определения температуры плавления требуется небольшая масса образца. Метод имеет ограничения и недостатки: 1. Метод не применим к веществам, нерастворимым в камфоре, реагирующим с ней химически или разлагающимся при температуре ее плавления. 2. В методе необходимо определять криоскопическую постоянную для камфоры, а не использовать табличное значение этой величины. IV. В О П Р О С Ы Д Л Я С А М О К О Н Т Р О Л Я. 1. Назовите физическое явление, лежащее в основе методов криометрии, эбулиометрии, осмометрии. 2. Какая (какие) величины должны быть определены на основе эксперимента при криометрическом, эбулиометрическом и осмометрическом методах исследования? 3. Какие величины следует определить непосредственно в эксперименте при криометрическом определении молярной массы вещества. 4. Приведите уравнение, отражающее закономерность, используемую в криометрическом методе. 5. Приведите уравнение для расчета молярной массы растворенного вещества неэлектролита при криометрическом ее определении, если известны температура плавления 21 растворителя, его криометрическая постоянная, температура плавления раствора и его количественный состав. 6. Какое вещество используют в качестве растворителя в методе Раста? 7. Почему в качестве растворителя в методе Раста рекомендуют использовать камфору? 8. Приведите уравнение, устанавливающее связь между криоскопической постоянной растворителя и его температурой плавления. 9. Какое преимущество приобретает криометрический метод при использовании камфоры как растворителя? 10. Назовите ограничения метода Раста. 11. Назовите недостаток метода Раста. 12. При определении степени диссоциации слабого электролита криометрически по данным эксперимента определяют понижение ( t) температуры замерзания раствора электролита заданного количественного состава по сравнению с температурой замерзания растворителя. Назовите два этапа в расчетах значения степени диссоциации по величине t и приведите соответствующие уравнения. 13. Приведите уравнение для расчета осмомоляльности раствора электролита и неэлектролита по величине понижения ( t) температуры замерзания раствора по сравнению с температурой замерзания растворителя. 14. Какие два этапа следует выделить при определении осмотического давления раствора, содержащего произвольную смесь растворенных веществ, по величине понижения температуры замерзания ( t) этого раствора по сравнению с температурой замерзания растворителя. 15. Приведите уравнения для расчета молярной массы растворенного неэлектролита по экспериментально найденной величине в методах эбулиометрии и осмометрии. 16. Приведите уравнения для расчета молярной массы растворенного вещества электролита по данным криометрии или эбулиометрии. 17. Какие два этапа следует выделить в расчетах молярной массы электролита по величинам tзам и tкип, определенным в эксперименте. 22 З А Н Я Т И Е №5 Т Е М А: ПЕРВОЕ И ВТОРОЕ НАЧАЛА ТЕРМОДИНАМИКИ. ТЕРМОХИМИЯ. I. П Л А Н И З У Ч Е Н И Я Т Е М Ы: 1. Предмет и задачи химической термодинамики. 2. Основные термодинамические параметры: - термодинамическая система: открытая, закрытая, изолированная; - термодинамический параметр; интенсивные и экстенсивные термодинамические параметры; - термодинамический процесс: изохорный, изобарный, изотермический и адиабатический процессы; - термодинамическое равновесие; - функция состояния. 3. Внутренняя энергия. Факторы, влияющие на запас внутренней энергии в системе. Свойства внутренней энергии как термодинамического параметра. 4. Энтальпия, ее связь с внутренней энергией. 5. Теплота и работа как формы передачи энергии. 6. Тепловой эффект процесса, его связь с U и H. 7. Нулевой закон термодинамики - формулировка. 8. Первый закон термодинамики, его различные формулировки и математическое выражение. 9. Закон Гесса - формулировка, практическое использование. 10. Теплота образования (стандартная теплота образования) и теплота сгорания (стандартная теплота сгорания). Расчет теплового эффекта химической реакции по теплотам образования и теплотам сгорания исходных веществ и продуктов реакции. 11. Зависимость теплового эффекта химической реакции от температуры. Закон Кирхгофа (дифференциальная и интегральная формы). 12. Самопроизвольный процесс. Признаки самопроизвольного процесса. 13. Термодинамическая обратимость, критерии термодинамически обратимого процесса. 14. Цикл Карно как основа второго закона термодинамики. 15. Второй закон термодинамики, его формулировки и математические выражения. II. Л И Т Е Р А Т У Р А: 1. В.А.Киреев. Краткий курс физической химии. М., 1978, с.175-198, 202-206, 209-211. 2. К.И.Евстратова, Н.А.Купина, Е.Е.Малахова. Физическая и коллоидная химия. М., 1990, с.12-38. III. В О П Р О С Ы Д Л Я С А М О К О Н Т Р О Л Я: 23 1. Приведите пример термодинамической системы. Назовите признаки открытой, закрытой и изолированной системы. 2. Назовите, какие из перечисленных свойств: температура, концентрация, внутренняя энергия, энтропия, химический потенциал, изобарный потенциал (энергия Гиббса) относятся: а) к экстенсивным параметрам, б) к интенсивным параметрам Ответ обосновать. 3. Перечислите факторы, влияющие на запас внутренней энергии системы. 4. Как внутренняя энергия индивидуального вещества зависит от температуры? 5. Напишите формулу, показывающую, в каком соотношении находятся энтальпия и внутренняя энергия системы? 6. Что общего и чем отличаются между собой понятия теплота и работа? 7. Увеличивается или уменьшается внутренняя энергия (энтальпия) системы при: а) поглощении системой теплоты; б) выделении системой теплоты; в) совершении работы над системой; г) совершении системой работы? 8. Изменению какой термодинамической функции равняется тепловой эффект необратимого процесса, протекающего при постоянной температуре и постоянном: а) давлении; б) объеме? 9. Напишите математическое выражение первого закона термодинамики для бесконечно малого и конечного изменения состояния системы. 10. Если 2 моль гелия нагреть на 1О в закрытом сосуде объемом 1м3, то чему будет равна работа этого процесса? 11. Что называют стандартной теплотой образования хлорида аммония? 12. Что называют стандартной теплотой сгорания уксусной кислоты? 13. Напишите формулу, показывающую в каком соотношении находятся величины Н и U для химической реакции. В каких случаях можно пренебречь разницей между H и U ? 14. Приведите формулировку закона Гесса. 15. В изолированной системе протекает реакция сгорания этилового спирта с образованием воды и диоксида углерода. Изменяются ли внутренняя энергия и энтальпия системы? 16. Напишите формулы для расчета теплового эффекта химической реакции: а) по теплотам образования исходных веществ и продуктов реакции; б) по теплотам сгорания исходных веществ и продуктов реакции. 17. Как зависит тепловой эффект химической реакции от температуры и чем определяется характер этой зависимости? 24 18. Напишите уравнения зависимости теплового эффекта химической реакции от температуры при постоянном давлении (объеме): а) в дифференциальной форме; б) в интегральной форме, если теплоемкость в указанном интервале температур постоянна. 19. Изменение теплоемкости в ходе реакции в некотором интервале температур меньше нуля. Как изменяется тепловой эффект этой реакции при повышении температуры в данном интервале? Почему? 20. Напишите математическое выражение второго закона термодинамики для бесконечно малого изменения состояния в обратимом и необратимом процессах, протекающих в неизолированной системе. 25 З А Н Я Т И Е №6 Т Е М А: "ЭНТРОПИЯ И ЕЕ ИЗМЕНЕНИЕ В РАЗЛИЧНЫХ ПРОЦЕССАХ. ХАРАКТЕРИСТИЧЕСКИЕ ФУНКЦИИ, ИХ ИЗМЕНЕНИЯ КАК КРИТЕРИИ ТЕЧЕНИЯ САМОПРОИЗВОЛЬНЫХ ПРОЦЕССОВ." I. П Л А Н И З У Ч Е Н И Я Т Е М Ы: 1. Энтропия - определение понятию. Многоплановый смысл и свойства энтропии: - функция состояния; - экстенсивная величина; - мера "связанной энергии"; - мера необратимости процесса; - мера неупорядоченности в системе; - критерий направленности и предела самопроизвольного процесса в изолированных системах; - мера термодинамической вероятности нахождения системы в данном состоянии. Уравнение Больцмана. 2. Изменение энтропии в обратимом и необратимом процессах для изолированной и неизолированной систем. 3. Расчет изменения энтропии: а) при фазовых превращениях; б) при изменении температуры в изобарном или изохорном процессах. 4. Статистический характер II закона термодинамики. 5. III закон термодинамики. Абсолютная и стандартная энтропии. 6. Энергия Гельмгольца (изохорно-изотермический потенциал) - определение понятию. Изменение энергии Гельмгольца как критерий направленности и предела самопроизвольного процесса при V = const и T = const. 7. Связь изменения энергии Гельмгольца с работой процесса. 8. Энергия Гиббса (изобарно-изотермический потенциал) определение понятию. Изменение энергии Гиббса как критерий направленности и предела самопроизвольного течения процесса при P = const и T = const. 9. Связь изменения энергии Гиббса с работой процесса. 10. Соотношение между максимальной и максимально полезной работой. 11. Характеристические функции, взаимосвязь между ними. 12. Объединенное уравнение I и II законов термодинамики (уравнение ГиббсаГельмгольца) для изохорно-изотер мического и изобарно-изотермического процессов. 13. Способы расчета изменения энергии Гиббса в химических реакциях. Стандартная энергия Гиббса образования. 26 14. Химический потенциал - определение понятию. Критерий самопроизвольного течения процессов в открытых системах. II. Л И Т Е Р А Т У Р А: 1. В.А.Киреев. Краткий курс физической химии. М., 1978, с.202-226, 253-254, 272-276. 2. К.И.Евстратова, Н.А.Купина, Е.Е.Малахова. Физическая и коллоидная химия. М., с.36-49. III. В О П Р О С Ы Д Л Я С А М О К О Н Т Р О Л Я: 1. Дайте определение энтропии, исходя из соотношения dS Q T 2. Напишите математическое соотношение между изменением энтропии и теплотой необратимого процесса, протекающего в неизолированной системе. 3. Как изменяется энтропия в изолированной системе при самопроизвольном течении процесса? 4. В каком соотношении находятся молярные энтропии трех агрегатных состояний одного вещества: газа, жидкости и твердого тела? 5. В изолированной системе самопроизвольно протекает химическая реакция с образованием некоторого количества конечного продукта. Как изменяется энтропия системы? 6. Как изменяется энтропия: а) при кристаллизации 1 моль жидкой воды; б) при плавлении 1 моль льда; в) при нагревании 1 моль воды от 20 ОС до 50 ОС. 7. Приведите уравнение для расчета изменения энтропии 1 моль бензола при нагревании его от 0 ОС до 20 ОС. Температура плавления бензола 5,5 ОС. 8. Как изменяется энтропия изолированной системы, в которой обратимо кристаллизуется вещество? 9. Дайте определение: а) абсолютной энтропии; б) стандартной энтропии. 10. Приведите уравнение Больцмана, устанавливающее связь между энтропией и термодинамической вероятностью состояния системы. 11. Приведите толкование понятия "связанная энтропия" (TS). 12. Как изменяется связанная энергия системы TS при: а) нагревании газа; б) при конденсации водяного пара в жидкость? Ответ обосновать. 13. К какому значению стремится энтропия правильно образованного кристалла при приближении температуры к абсолютному нулю. 14. Приведите математическое выражение, отражающее соотношение между: а) энергией Гиббса и энергией Гельмгольца; 27 б) энергией Гиббса и энтальпией системы; в) энергией Гельмгольца и внутренней энергией. 15. Какой термодинамический потенциал следует выбрать в качестве критерия протекания самопроизвольного процесса при условии постоянства: а) температуры и давления; б) температуры и объема. 16. Перечислите условия, выполнение которых служит критерием термодинамического равновесия в системе: а) изолированной; б) находящейся при P = const и T = const; в) находящейся при V = const и T = const. 17. Какой знак будет иметь величина G для процесса перехода жидкого бензола при 273 К в твердое состояние при той же температуре? Температура плавления бензола равна 278,5 К. Какое состояние бензола - жидкое или твердое - является более устойчивым при 273 К? 18. Для реакции Н2 + Cl2 2HCl изменение энергии Гиббса при 248 К равно - 190,5 кДж. Может ли эта реакция протекать самопроизвольно? Ответ обосновать. 19. При работе гальванического элемента Даниэля-Якоби протекает химическая реакция: Zn + CuCl2 ZnCl2 + Cu Как изменяется величина G этой реакции? 20. Какие условия необходимо соблюдать, чтобы максимальная работа в системе совершалась за счет убыли энергии Гиббса? 21. В каком соотношении находятся полезная работа, совершенная системой над окружающей средой, и изменение энергии Гельмгольца, если процесс протекает: а) обратимо; б) необратимо. 22. Как изменяется энергия Гельмгольца при изотермическом сжатии газа в идеальном состоянии? 23. Напишите уравнение, связывающее изменение энергии Гиббса, температурный коэффициент изменения энергии Гиббса и тепловой эффект процесса при постоянном давлении. 24. Назовите три этапа в расчете изменения изобарного потенциала химической реакции, протекающей в стандартных условиях, если известны значения стандартных теплот образования и стандартных энтропий участников химической реакции. 25. Дайте определение понятию "стандартная энергия Гиббса образования". 26. Приведите уравнение для расчета изменения энергии Гиббса химической реакции по значениям стандартных энергий Гиббса образования всех участников этой реакции. 28 З А Н Я Т И Е №7 Т Е М А: ПРАВИЛО ФАЗ ГИББСА. ОСНОВЫ ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКОГО АНАЛИЗА. ДИАГРАММЫ СОСТОЯНИЯ ОДНОКОМПОНЕНТНЫХ СИСТЕМ. I. П Л А Н И З У Ч Е Н И Я Т Е М Ы: 1. Основные понятия: "фаза", "составляющий компонент", "число независимых компонентов", "число степеней свободы", "фазовый переход", "фазовое равновесие", "фигуративная точка". 2. Классификация систем по числу: а) фаз, гомогенные и гетерогенные; б) независимых компонентов; в) степеней свободы. 3. Фазовый переход и фазовое равновесие. Условия фазового равновесия. 4. Правило фаз Гиббса: содержание, словесная формулировка и математическое выражение. 5. Расчет максимального числа степеней свободы для системы и максимального числа фаз, которые могут находиться в равновесии в системе с заданным числом компонентов. 6. Понятие о физико-химическом анализе. Принципы физико-химического анализа Н.С.Курнакова: непрерывности и соответствия. 7. Диаграмма состояния - инструмент физико-химического анализа. 8. Диаграмма состояния воды: общий вид; максимальное число степеней свободы для воды и максимальное число равновесно сосуществующих фаз; число и качественный состав однофазных, двухфазных и трехфазных систем для воды. 9. Графическое изображение на диаграмме состояния воды однофазных состояний и характеристика полей. Графическое изображение двухфазных состояний и характеристика линий. Тройная точка. 10. Уравнение Клаузиуса-Клапейрона. Особенность хода кривых испарения, возгонки, плавления с позиций выполнения этого уравнения. 11. Диаграмма состояния серы: общий вид; число фаз, образуемых серой и число равновесных состояний из трех фаз; характеристика линий, полей и тройных точек диаграммы состояния серы. 12. Число степеней свободы для однокомпонентных систем (воды и серы), которым соответствуют фигуративные точки, лежащие на полях, линиях, в тройной (тройных) точке. II. Л И Т Е Р А Т У Р А: 1. К.И.Евстратова, Н.А.Купина, Е.Е.Малахова. Физическая и коллоидная химия. М., 1990 с.61-68. 2. В.А.Киреев. Краткий курс физической химии. М., 1978, с.238-251. 29 3. Лекционный материал. III. Т Е М А П Р А К Т И Ч Е С К О Й Р А Б О Т Ы: "ОПРЕДЕЛЕНИЕ ЧИСЛА ФАЗ И ЧИСЛА КОМПОНЕНТОВ В РАЗЛИЧНЫХ СИСТЕМАХ". 1. В три цилиндра с пробками внести: в первый - дистиллированную воду, во второй - дистиллированную воду и бензол, в третий - водный раствор иода и бензол. Содержимое второго и третьего цилиндров перемешать. Цилиндры закрыть пробками. 2. Определить число жидких фаз в каждом из трех цилиндров. Назвать фазы. 3. Определить число компонентов, образующих жидкие фазы в каждом из трех цилиндров. Назвать компоненты. 4. Определить общее число фаз в первом цилиндре. Назвать фазы. IV. В О П Р О С Ы Д Л Я С А М О К О Н Т Р О Л Я: 1. Приведите определение понятий: "фаза", "составляющий компонент", "число независимых компонентов", "число степеней свободы", "фазовый переход", "фазовое равновесие", "фигуративная точка". 2. Правило фаз Гиббса - словесная формулировка. Запишите уравнение правила фаз Гиббса для системы, на которую: - из внешних условий влияют температура и давление; - из внешних условий влияет только температура; - влияет "n" внешних условий. 3. Система состоит из раствора сульфатов калия и натрия в воде, кристаллов сульфата калия и кристаллов сульфата натрия. - Чему равно число независимых компонентов в системе? - Сколько и какие фазы образуют систему? - Приведите вид уравнения правила фаз Гиббса, выполняемого в данной системе. Рассчитайте число степей свободы. 4. Система представляет собой жидкий расплав солей хлорида натрия и нитрата калия, находящихся в равновесии с кристаллами нитрата калия. Между солями в расплаве возможна реакция: NaCl + KNO3 KCl + NaNO3 - Чему равно число независимых компонентов в системе? - Сколько и какие фазы образуют систему? - Приведите вид уравнения правила фаз Гиббса, выполняемого в данной системе. Рассчитайте число степей свободы. 5. Вычислите наибольшее число степеней свободы для однокомпонентной системы (вода) при n=2. 6. Приведите уравнение для расчета максимального числа фаз в однокомпонентной системе (вода) при n=2. 30 7. Сформулируйте принципы физико-химического анализа Н.С.Курнакова: принцип непрерывности и принцип соответствия. 8. Дайте определение "диаграмме состояния". 9. Диаграмма состояния воды имеет вид: - Как называются линии ОА, ОВ и ОС? Зависимость между какими свойствами отражает каждая линия? - Как называются поля I, II, III? Что представляет собой система, характеризуемая любой фигуративной точкой каждого поля? - Каков геометрический образ комплекса из трех равновесных фаз? Перечислите эти фазы. - Как называется фигуративная точка "О"? Почему? - Определите число степеней свободы для систем, которым соответствуют фигуративные точки "d", "e" и "О". 10. Запишите уравнение Клаузиуса-Клапейрона, обозначив входящие в него величины. 11. Приведите вид уравнений Клаузиуса-Клапейрона применительно к процессам: - испарения, - плавления, - возгонки, обозначив входящие в них величины. 12. Приведите общий вид диаграммы состояния серы. Охарактеризуйте линии, поля, тройные точки на данной диаграмме. 31 З А Н Я Т И Е №8 Т Е М А: ОГРАНИЧЕННАЯ ВЗАИМНАЯ РАСТВОРИМОСТЬ ЖИДКОСТЕЙ. ПОСТРОЕНИЕ ДИАГРАММЫ ВЗАИМНОЙ РАСТВОРИМОСТИ. I. П Л А Н И З У Ч Е Н И Я Т Е М Ы: 1. Классификация бинарных жидких смесей по способности компонентов растворяться друг в друге. 2. Классификация бинарных жидких смесей, компоненты которых ограниченно растворимы друг в друге, по характеру зависимости взаимной растворимости от температуры: а. Системы с верхней критической температурой растворения; б. Системы с нижней критической температурой растворения; в. Системы с верхней и нижней критическими температурами растворения. 3. Определение понятиям: "верхняя критическая температура растворения", "нижняя критическая температура растворения". 4. Диаграмма состояния для систем с "верхней", "нижней", "верхней и нижней" критическими температурами растворения в координатах t - состав при p = const (диаграмма взаимной растворимости): а) общий вид диаграммы; б) кривая расслоения (растворимости); в) области (поля) гомогенного и гетерогенного (двухфазного) состояния системы; г) верхняя (нижняя) критическая температура растворения. 5. Определение понятиям: "фигуративная точка", "коннода", "сопряженные точки". 6. Принцип построения диаграммы взаимной растворимости. 7. Анализ диаграмм взаимной растворимости с позиций правила фаз Гиббса. 8. Правило рычага, его использование при анализе диаграмм взаимной растворимости. 9. Правило прямолинейного диаметра В.Ф.Алексеева. II. Л И Т Е Р А Т У Р А: 1. К.И.Евстатова, Н.А.Купина, Е.Е.Малахова. Физическая и коллоидная химия. М., 1990, с.104-106. 2. В.А.Киреев. Краткий курс физической химии. М., 1978, с.316, 324-327. III. Т Е М А П Р А К Т И Ч Е С К О Й Р А Б О Т Ы: "ПОСТРОЕНИЕ ДИАГРАММЫ ВЗАИМНОЙ РАСТВОРИМОСТИ СИСТЕМЫ ФЕНОЛ - ВОДА". 1. Определить температуру взаимной растворимости для шести смесей фенол вода состава: N смеси Массовая доля фенола в смеси w, % 1 2 3 4 5 6 10 20 35 55 65 70 32 а. Перемешав встряхиванием содержимое ампул со смесями, поместить их в водяную баню и при нагревании отметить температуру просветления (t1). б. Не вынимая ампул из водяной бани, охладить их содержимое и отметить температуру (t2), при которой происходит расслоение системы (начинается помутнение). в. Если разница в температурах t1 и t2 не превышает 2 О (4 О), найти среднее арифметическое этих температур и полученную величину принять за температуру взаимной растворимости. Если разница в температурах t1 и t2 больше 2 О (4 О), опыт повторить, уменьшив скорость нагревания и охлаждения. 2. Построить диаграмму взаимной растворимости. В координатах t ОС - состав на поле графика нанести точки, отвечающие температуре взаимной растворимости для смесей каждого состава, и соединить их плавной кривой. 3. Установить критическую температуру взаимной растворимости (tкр) и охарактеризовать, к какому типу систем по влиянию температуры на растворимость относится система фенол - вода. а. По правилу Алексеева найти точку (К) пересечения прямой, соединив середины двух произвольно выбранных коннод с кривой расслоения. Установить критическую температуру взаимной растворимости, найдя проекцию точки К на ось температур. б. По наличию на диаграмме верхней или нижней критической температуры сделать вывод о типе системы фенол - вода и указать, как меняется растворимость воды и фенола друг в друге с повышением температуры. Полученные в работе данные представить в таблице. № смеси Массовая доля фенола в смеси w, % Температура просветления t1, ОС Температура помутнения t2, ОС Температура взаимной растворимости 1 2 3 4 5 6 IV. В О П Р О С Ы Д Л Я С А М О К О Н Т Р О Л Я: 1. Назовите три типа бинарных жидких систем, выделенных по способности жидкостей растворяться друг в друге. 2. К какому типу систем по способности компонентов растворяться друг в друге относятся жидкие системы: а) вода - бензол; б) вода - анилин; в) вода - этиловый спирт? 3. Назовите три типа бинарных жидких систем, выделенных по характеру зависимости взаимной растворимости жидкостей от температуры. 33 4. К какому типу систем по характеру зависимости взаимной растворимости от температуры относятся системы: а) диэтиламин - вода; б) фенол - вода; в) никотин - вода? 5. Как с повышением температуры изменяется растворимость в системах: а) фенол - вода; б) диэтиламин - вода? 6. Приведите диаграмму взаимной растворимости для системы: а) фенол - вода; б) диэтиламин - вода. 7. Дайте определение понятиям: а) верхняя критическая температура растворения; б) нижняя критическая температура растворения. 8. Диаграмма состояния ограниченно растворимых жидкостей А и В имеет вид: а. К какому типу систем относится система, образованная компонентами А и В, ограниченно растворимыми дуг в друге? б. Зависимость между какими свойствами устанавливает линия диаграммы (кривая расслоения)? в. Укажите на диаграмме поле гомогенного и гетерогенного состояния системы. 9. Жидкость, состоящая из компонентов А и В, имеет валовый состав "х" (рис. пункта 8). Сделав построения, ответьте на вопросы: а. Гомогенна или гетерогенна эта система при температурах t1 и t2? б. Каков состав фаз для гетерогенного состояния системы? в. Какова температура взаимной растворимости системы, с валовым составом "х"? 10. Дайте определение понятиям "коннода", "сопряженные точки". 11. Охарактеризуйте системы, которым на диаграмме взаимной растворимости (рис. пункта 8) соответствуют фигуративные точки "c" и "d", по следующим свойствам: а. Каков валовый состав системы? Какого компонента (А или В) в системе содержится больше? б. Гомогенна или гетерогенна система? в. Какова температура взаимной растворимости компонентов системы? 34 г. Как следует изменить температуру, чтобы гомогенная (гетерогенная) система перешла в гетерогенное (гомогенное) состояния? д. Чему равно число степеней свободы системы? е. Какой компонент (А или В) следует внести в гомогенную систему, чтобы в ней при заданной температуре началось расслоение (помутнение)? 12. Приведите формулировку правила Алексеева. Проиллюстрируйте его на диаграмме взаимной растворимости для систем с верхней или нижней критической температурой растворения. 3. Приведите формулировку правила рычага. Проиллюстрируйте выполнение этого правила на диаграмме взаимной растворимости. 14. Каково практическое использование правила рычага? 35 З А Н Я Т И Е №9 Т Е М А: БИНАРНЫЕ ЖИДКИЕ СМЕСИ С ПОЛНОЙ ВЗАИМНОЙ РАСТВОРИМОСТЬЮ. ОПРЕДЕЛЕНИЕ КОНЦЕНТРАЦИИ СПИРТА В НАСТОЙКАХ ПО ТЕМПЕРАТУРЕ КИПЕНИЯ. I. П Л А Н И З У Ч Е Н И Я Т Е М Ы: 1. Общее и парциальные давления насыщенного пара бинарных жидких смесей. Закон Дальтона. 2. Идеальные растворы, их свойства. Закон Рауля для идеальных растворов. 3. Диаграмма зависимости общего и парциальных давлений насыщенного пара от состава для идеальных растворов. 4. Растворы с положительным и отрицательным отклонениями от закона Рауля: причины отклонения, свойства растворов. 5. Диаграмма зависимости общего и парциальных давлений насыщенного пара от состава для растворов с положительным и отрицательным отклонениями от закона Рауля. 6. Температура кипения жидкости - определение понятию. Зависимость между температурой кипения жидкости и давлением насыщенного пара над жидкостью. 7. Диаграммы кипения в координатах: температура - состав, давление - состав для идеальных смесей и систем с небольшими положительными и отрицательными отклонениями от закона Рауля: а) общий вид диаграмм; б) кривая жидкости и пара; в) поле пара, жидкости и гетерогенного состояния системы. 8. Определение по диаграмме кипения в координатах температура - состав для смеси произвольного состава x: а) температуры кипения (начала кипения) смеси; б) состава первого пузырька пара, образующегося при кипении; в) состава пара и жидкости при нагревании смеси состава x до температуры выше температуры кипения, но ниже температуры полного перехода жидкости в пар; г) температуры конца кипения; д) состава последнего пузырька пара, обазующегося при завершении кипения жидкости. 9. I закон Д.П.Коновалова: формулировка закона, его иллюстрация на диаграммах кипения. 10. Анализ диаграмм кипения с позиций правила фаз Гиббса. 11. Использование правила рычага при определении по диаграммам кипения масс пара и жидкости в равновесной гетерогенной системе. II. Л И Т Е Р А Т У Р А: 1. К.И.Евстратова, Н.А.Купина, Е.Е.Малахова. Физическая и коллоидная химия. М., 1990, с.74, 76-77, 82-84, 93-98. 2. В.А.Киреев. Краткий курс физической химии. М., 1978, с.302-307, 310-312. 36 3. Лекционный материал. 4. Методические рекомендации к формированию практических навыков по физической и коллоидной химии. Курск, 1999. III. Т Е М А П Р А К Т И Ч Е С К О Й Р А Б О Т Ы: "ОПРЕДЕЛЕНИЕ КОНЦЕНТРАЦИИ СПИРТА В НАСТОЙКАХ ПО ТЕМПЕРАТУРЕ КИПЕНИЯ." 1. Измерить капиллярным методом температуру кипения растворов этилового спирта в воде с массовой долей спирта 25%, 50%, 75% и 96%. Смотри описание работы по теме "Определение температуры кипения жидкостей капиллярным методом" в Методических рекомендациях к формированию практических навыков по физической и коллоидной химии". 2. Построить калибровочный график. В координатах t ОС - состав на поле графика нанести точки, отвечающие температурам кипения растворов этилового спирта в воде заданных составов. Соединить полученные точки плавной кривой. 3. Измерить температуру кипения спиртовой настойки не известного состава. Смотри описание работы по теме "Определение температуры кипения жидкостей капиллярным методом". 4. Определить концентрацию спирта в настойке, используя калибровочный график. На оси "температура" отложить значение температуры кипения настойки и, используя прием интерполяции, по калибровочному графику определить массовую долю этилового спирта в настойке. 5. По зависимости температуры кипения водного раствора этилового спирта от состава определить тип отклонения от закона Рауля. а. Соотнести вид калибровочного графика, отражающего зависимость температуры кипения растворов этилового спирта от состава и представляющего собой линию жидкости (диаграммы кипения), к линейной зависимости. б. Представить (мысленно) и описать вид зависимости давления насыщенного пара от состава в этой системе, также соотнеся ее к линейной зависимости. в. Сделать вывод о том, какое отклонение от закона Рауля наблюдается в растворах этилового спирта. IV. В О П Р О С Ы Д Л Я С А М О К О Н Т Р О Л Я: 1. Приведите словесную и математическую формулировки закона Дальтона. 2. Приведите словесную и математическую формулировки закона Рауля. 3. Какие растворы относятся к идеальным (определение)? Примеры идеальных растворов. 4. Перечислите свойства: а. Идеальных растворов. б. Растворов с положительным отклонением от закона Рауля. в. Растворов с отрицательным отклонением от закона Рауля. 37 5. Приведите диаграмму зависимости общего и парциальных давлений насыщенного пара бинарных растворов от состава для: а. Идеальных растворов. б. Растворов с положительным отклонением от закона Рауля. в. Растворов с отрицательным отклонением от закона Рауля. 6. Приведите общий вид диаграммы кипения в координатах температура - состав для идеальных смесей, и систем с небольшим положительным и отрицательным отклонением от закона Рауля. 7. Как расположены по отношению друг к другу линии жидкости и пара на диаграммах кипения в координатах t ОС - состав? 8. Какие свойства бинарного жидкого раствора можно определить, используя диаграмму кипения в координатах t ОС - состав: а. По линии жидкости; б. По линии пара? 9. Приведите формулировку I закона Коновалова. 10. Диаграмма кипения бинарного жидкого раствора имеет вид: а. Какое отклонение от закона Рауля наблюдается в растворах из компонентов А и В? Ответ обосновать. б. Выделите на диаграмме линии и укажите зависимость между какими свойствами устанавливает каждая их них. в. Выделите на диаграмме поля и охарактеризуйте каждое. 11. Жидкость, состоящая из компонентов А и В, имеет валовый состав "х" (рис. пункта 10). Сделав построения, ответьте на вопросы: а. При какой температуре смесь состава "х" закипит? б. Каков состав первого пузырька пара? в. Какого компонента - А или В в образовавшемся паре будет содержаться больше по сравнению с жидкостью состава "х"? г. Сколько и каких фаз будет находиться в системе, если жидкость состава "х" нагреть до температуры t1? д. При какой температуре жидкий раствор состава "х" полностью перейдет в пар? е. Каков состав последней капли жидкости, перешедшей в пар? 38 12. Для систем, которым на диаграмме кипения (рис. пункта 10) соответствуют фигуративные точки K и N установите: а. Гомогенна или гетерогенна система. б. Каков валовый состав системы? в. Каков состав фаз (фазы)? г. Чему равно число степеней свободы? 13. Проиллюстрируйте правило рычага на диаграмме кипения (рис. пункта 10). 14. Диаграмма кипения для бинарной жидкой системы из компонентов А и В имеет вид рис. пункта 10. Приведите диаграмму кипения для этой системы в координатах давление – состав и укажите на ней линию жидкости и пара. 39 З А Н Я Т И Е №10 Т Е М А: II ЗАКОН КОНОВАЛОВА. РЕКТИФИКАЦИЯ. ПРИНЦИПЫ ПОСТРОЕНИЯ ДИАГРАММЫ КИПЕНИЯ. I. П Л А Н И З У Ч Е Н И Я Т Е М Ы: 1. Диаграммы кипения в координатах температура-состав, давление-состав с точками минимума или максимума на линиях жидкости. 2. II закон Коновалова: формулировка закона. 3. Азеотропные смеси, их свойства. 4. Дистилляция (перегонка) - определение методу. Назначение метода дистилляции, его использование в фармации. 5. Виды дистилляции: а) простая (однократная); б) дробная (фракционная); в) ректификация. 6. Закономерность, лежащая в основе метода. 7. Принцип разделения дистилляцией жидких бинарных смесей различного типа на компоненты дистилляцией. Состав остатка и дистиллята (конденсата). 8. Оптимальные условия разделения смесей на составляющие компоненты путем ректификации. II. Л И Т Е Р А Т У Р А: 1. К.И.Евстратова, Н.А.Купина, Е.Е.Малахова. Физическая и коллоидная химия. М., 1990, с.98-104. 2. В.А.Киреев. Краткий курс физической химии. М., 1978, с.311-318. 3. Лекционный материал. III. Т Е М А П Р А К Т И Ч Е С К О Й Р А Б О Т Ы: "ПОСТРОЕНИЕ ДИАГРАММЫ КИПЕНИЯ." 1. Установить данные для построения линии жидкости. а. Приготовить в сухих колбах с плотно притертыми пробками приготовить 5 смесей этанола (С2Н6О) и гептана (С7Н16) с массовой долей гептана 10%, 30%, 46%, 70%, 90%. б. Измерить температуру кипения каждого из растворов, а также температуры кипения этанола и гептана. 2. Установить данные для построения линии пара. а. Из каждого раствора, когда жидкость начнет кипеть, отделить порцию пара (используя холодильник), его сконденсировать, конденсат (15-20 капель) собрать в сухую пробирку с притертой пробкой. б. В конденсате, состав которого равен составу пара, образовавшегося над жидкостью при кипении, определить массовую долю гептана. 40 3. Полученные данные внести в таблицу Массовая доля С7Н16 в растворе w, % 0 10 30 46 70 90 100 № п/п 1 2 3 4 5 6 7 Температура кипения t, ОС 78,4 76,0 71,3 70,0 75,0 85,0 98,4 Массовая доля С7Н16 в паре (конденсате) w, % 0 26 40 46 56 77 100 4. Построить линию жидкости. В координатах t-состав на поле графика нанести точки, отвечающие температурам кипения чистых компонентов и растворов этанола и гептана заданных составов. Соединить полученные точки плавной линией. 5. Построить линию пара. В координатах t-состав на поле графика нанести точки, отвечающие составу пара при температурах кипения растворов заданных составов. Соединить полученные точки плавной линией. 6. Определить, какой тип отклонения от закона Рауля наблюдается в растворах этанола в гептане. а. Соотнести вид линии жидкости к линейной зависимости. б. Представить (мысленно) и описать вид зависимости давления насыщенного пара от состава раствора в этой системе, также соотнеся ее к линейной зависимости. в. Сделать вывод о типе отклонения от закона Рауля. IV. В О П Р О С Ы Д Л Я С А М О К О Н Т Р О Л Я: 1. Приведите формулировку II закона Коновалова. 2. Приведите общий вид диаграммы кипения в координатах температура-состав для растворов: а. С точкой минимум на линии жидкости. б. С точкой максимум на линии жидкости. 3. Перечислите свойства азеотропных смесей. 4. Почему азеотропные смеси кипят при постоянной температуре? 5. На поле диаграмм представлены линии жидкости для трех систем 41 а. Дорисуйте диаграммы, проведя пунктиром линию пара. б. Какое отклонение от закона Рауля наблюдается в системах 1, 2, 3, приготовленных из компонентов А и В? Ответ обосновать. в. При какой температуре жидкости с валовым составом x и y (рис.2) закипят? г. Каков состав первого пузырька пара, образовавшегося при кипении растворов x и y? д. Какого компонента в парах над растворами состава x и y по сравнению с жидкостью будет больше? е. Выполняется ли для этих растворов I закон Коновалова? Ответ обосновать. 6. Дайте определение методу дистилляции (перегонки). 7. Перечислите назначение метода. 8. Какая закономерность лежит в основе разделения бинарной смеси на компоненты дистилляцией? 9. Почему азеотропные смеси нельзя дистилляцией разделить на компоненты? 10. Перечислите виды дистилляции. 11. Перечислите оптимальные условия разделения смеси веществ на компоненты ректификацией. 12. Диаграммы кипения бинарных жидких растворов имеют вид: Каков конечный результат ректификации смесей состава x1, x2 и x3 при соблюдении оптимальных условий разделения? 42 З А Н Я Т И Е №11 Т Е М А: ФАЗОВЫЕ РАВНОВЕСИЯ В КОНДЕНСИРОВАННЫХ СИСТЕМАХ. ПОСТРОЕНИЕ ДИАГРАММЫ ПЛАВКОСТИ БИНАРНЫХ СМЕСЕЙ. I. П Л А Н И З У Ч Е Н И Я Т Е М Ы: 1. Типы двухкомпонентных систем по способности компонентов растворяться друг в друге в жидком (расплаве) и твердом (сплаве) состояния; характер сплава. 2. Диаграмма плавкости для систем с неограниченной растворимостью компонентов в жидком состоянии и взаимной нерастворимостью в твердом состоянии (для неизоморфных смесей или систем с одной эвтектикой)-I тип: а) общий вид диаграммы; б) кривые ликвидуса и солидуса, их характеристика; в) поля диаграммы, характеристика полей; г) эвтектическая точка. 3. Эвтектические смеси: свойства и особенности кристаллизации. 4. Диаграмма плавкости для неизоморфных смесей, компоненты которых образуют одно устойчивое химическое соединение (для систем с двумя эвтектиками) - II тип - см. вопросы а, б, в, г (эвтектические точки) пункта 2. 5. Состав и температура плавления химического соединения. 6. Диаграмма плавкости для систем с неограниченной растворимостью компонентов в жидком и твердом состоянии (для изоморфных смесей) - III тип - см. вопросы а, б, в пункта 2. 7. Описание по диаграмме плавкости поведения и свойств системы любого состава при охлаждении или нагревании, сопровождаемых фазовым превращением кристаллизация плавление. 8. Термический анализ. Кривая охлаждения. Вид кривых охлаждения для чистых компонентов и смесей любого состава систем I, II и III типов. 9. Описание по кривой охлаждения поведения и свойств системы любого состава при охлаждении, сопровождаемом кристаллизацией. 10. Анализ диаграмм плавкости с позиций правила фаз Гиббса. 11. Использование правила рычага при определении по диаграммам плавкости масс жидкого расплава и выделившихся из него кристаллов. 12. Определение по диаграмме плавкости любого вида для смеси произвольного состава: 1. Температур начала и конца кристаллизации. 2. Состава первого и последнего кристаллов при кристаллизации. 3. Состава расплава и выделившихся кристаллов при охлаждении исходного расплава до температуры ниже температуры начала кристаллизации, но выше температуры полного перехода системы в сплав. 13. Принципы построения диаграмм плавкости. 43 14. Значение свойств эвтектических смесей и фазовых диаграмм для фармации. II. Л И Т Е Р А Т У Р А: 1. К.И.Евстратова, Н.А.Купина, Е.Е.Малахова. Физическая и коллоидная химия. М., 1990, с.87-93. 2. В.А.Киреев. Краткий курс физической химии. М., 1978, с.331-342, 344-347. 3. Лекционный материал. III. Т Е М А П Р А К Т И Ч Е С К О Й Р А Б О Т Ы: "ПОСТРОЕНИЕ ДИАГРАММЫ ПЛАВКОСТИ ДВУХКОМПОНЕНТНОЙ СИСТЕМЫ КАМФОРА-БЕНЗОЙНАЯ КИСЛОТА." 1. Установить данные для построения линии ликвидуса, измерив температуру начала кристаллизации смесей камфора-бензойная кислота состава № смеси Массовая доля бензойной к-ты в смеси w, % 1 2 3 4 5 6 0 20 40 70 90 100 а. Расплавить содержимое каждой из пробирок в парафиновой бане. б. Погрузить в расплав термометр. Убедиться в отсутствие кристаллов в системе. в. Перенести пробирку с термометром, предварительно протерев ее сухой салфеткой, в воздушную "рубашку". г. Отметить температуру появления первого кристалла (температуру начала кристаллизации). 2. Установить данные для построения линии солидуса, сняв кривую охлаждения для одной из смесей, указанной преподавателем. а. Расплавить указанную смесь и погрузить в нее термометр. Смесь перенести в воздушную "рубашку". б. Отмечать температуру смеси с момента внесения термометра (смесь находится в расплавленном состоянии) через каждые 30 с. в. Опыт закончить, когда смесь полностью затвердеет, а температура образовавшегося сплава понизится на 3-4 ОС. О конце кристаллизации смеси можно судить по постоянству температуры системы в течение 2-4 или более последовательных отсчетов времени. г. Построить кривую охлаждения исследуемой смеси в координатах t-время ( ). д. По кривой установить температуру кристаллизации эвтектики tЭ (температуру конца кристаллизации смеси). 3. Построить диаграмму плавкости. На поле графика в координатах t-состав. а. Отложить по оси температур значение температуры конца кристаллизации смесей различного состава tЭ, определенной на втором этапе работы, и провести линию солидуса. 44 б. Нанести на поле диаграммы точки, отвечающие температурам начала кристаллизации (определены на первом этапе работы) смесей заданных составов. в. Соединить точки плавной линией - линией ликвидуса, чтобы ветви линии пересеклись и в точке пересечения коснулись линии солидуса (точка Е). 4. Охарактеризовать способность камфоры и бензойной кислоты растворяться друг в друге в жидком и твердом состояниях, определив тип диаграммы, и установить состав эвтектической смеси. а. О способности камфоры и бензойной кислоты растворяться друг в друге в жидком и твердом состояниях и типе диаграммы плавкости судить по диаграммы виду. б. Состав эвтектики определить, опустив перпендикуляр из точки эвтектики (Е) на диаграмме плавкости на ось состава. Данные для построения кривой охлаждения предложенной смеси записать в виде последовательного ряда значений температур, определенных с интервалом 30 с, указав номер смеси и ее состав. Данные для построения диаграммы плавкости представить в таблице: № смеси Массовая доля бензойной к-ты в смеси w, % Температура начала кристаллизации Температура конца кристаллизации 1 2 3 4 5 6 Кривую охлаждения и диаграмму плавкости построить на миллиметровой бумаге в развернутый тетрадный лист, выбрав одинаковый масштаб для температуры по оси ординат. IV. В О П Р О С Ы Д Л Я С А М О К О Н Т Р О Л Я : 1. Приведите общий вид диаграммы плавкости для неизоморфных смесей. а. Назовите линии диаграммы. Зависимость между какими свойствами устанавливает каждая? б. Перечислите поля диаграммы. Сколько и каких фаз содержится в системах, соответствующих фигуративным точкам, расположенным на каждом поле? 2. Какая фигуративная точка на диаграмме плавкости для неизоморфных смесей называется эвтектической. Сколько и каких фаз содержится в системе, соответствующей этой фигуративной точке? 3. Диаграмма плавкости для системы из компонентов А и В имеет вид: 45 Для смесей состава x и y, сделав построения, установите: а. Гомогенна или гетерогенна система при температурах t1, t2, t3, t4. Каков качественный и количественный состав фазы (фаз). б. Температуру начала кристаллизации. в. Температуру конца кристаллизации. 4. Почему неизоморфные смеси различного состава начинают кристаллизоваться при разных температурах, а заканчивают кристаллизацию при одной температуре? 5. Почему неизоморфные смеси произвольного состава кристаллизуются в интервале температур, а эвтектическая смесь кристаллизуется при постоянной температуре? 6. Чем отличается начало кристаллизации неизоморфных смесей произвольного и эвтектического составов? 7. Можно ли и как по виду кривой охлаждения для смеси двух компонентов определить изоморфными или неизоморфными являются компоненты? 8. Перечислите свойства эвтектических смесей? 9. Какое из свойств эвтектических смесей следует учитывать при приготовлении порошков, чтобы в них не наблюдалось отсыревание или плавление при хранении? 10. С какой целью в фармации может быть использовано свойство твердых эвтектик иметь мелкую кристаллическую структуру? 11. Диаграмма плавкости для системы NaCl - NaBr имеет вид: Определите для смеси состава х, сделав построения: а. Температуру начала кристаллизации. б. Температуру конца кристаллизации. 46 в. Состав первого кристалла, образующегося при кристаллизации этой смеси. Какого компонента в кристалле будет содержаться больше, по сравнению с составом исходного расплава? г. Состав последнего кристалла. д. Каков состав твердой и жидкой фаз, если смесь состава х находится при температуре t1. 12. Для системы, которой на диаграмме плавкости соответствует фигуративная точка Р (см. пункт 11): а. Определить число, характер и состав фаз. б. Определить число степеней свободы. в. Привести уравнение для расчета массы кристаллов, если общая масса системы равна m. 13. Диаграмма плавкости для системы из двух компонентов A и B имеет вид а. Сколько и каких фаз содержится в системах, соответствующих фигуративным точкам, расположенным в полях I, II, III, IV? б. Сколько и каких фаз соответствует точкам Е1 и Е2? 14. Для смеси состава х (см. пункт 13), сделав построения, определите: а. При какой температуре появится при охлаждении из расплава первый кристалл? б. Каков состав этого кристалла? в. При какой температуре закончится кристаллизация? г. Какой вид будет иметь кривая охлаждения для этой смеси? 15. По диаграмме плавкости (см. пункт 13) определите температуру плавления химического соединения и приведите для него вид кривой охлаждения. 47 З А Н Я Т И Е №12 Т Е М А: ЗАКОН РАСПРЕДЕЛЕНИЯ. КОЭФФИЦИЕНТ РАСПРЕДЕЛЕНИЯ. ЭКСТРАГИРОВАНИЕ. I. П Л А Н И З У Ч Е Н И Я Т Е М Ы: 1. Закон распределения Нернста: содержание и словесная формулировка. 2. Математическая формулировка закона распределения (в простейшем виде). Условия выполнения закона. 3. Коэффициент распределения. Факторы, влияющие на величину коэффициента распределения. 4. Особенности распределения третьего компонента при его ассоциации или диссоциации в одной из фаз. Вид уравнения для расчета К. Уравнение Н.А.Шилова и Л.К.Леинь. 5. Способы определения коэффициента распределения. 6. Области использования закона распределения. 7. Экстрагирование: определение методу; закономерность, лежащая в основе метода. Назначение экстрагирования, его использование в фармации. 8. Этапы проведения процесса экстрагирования. Экстракт и рафинат. 9. Требования, предъявляемые к экстрагенту при его выборе. 10. Условия, влияющие на полноту выделения вещества из раствора экстрагированием. Однократная и многократная (дробная) экстракция. 11. Вид уравнений для расчета массы оставшегося после экстрагирования и извлекаемого вещества при однократной и дробной экстракциях. 12. Назначение экстрагирования, его использование в фармации. II. Л И Т Е Р А Т У Р А: 1. К.И.Евстратова, Н.А.Купина, Е.Е.Малахова. Физическая и коллоидная химия. М., 1990, с.110-113. 2. В.А.Киреев. Краткий курс физической химии. М., 1978, с.327-328, 330-331. 3. Лекционный материал. 4. Методические рекомендации к формированию практических навыков по физической и коллоидной химии. Курск, 1999. III. Т Е М А П Р А К Т И Ч Е С К О Й Р А Б О Т Ы: "ЭКСТРАГИРОВАНИЕ ИОДА ИЗ ВОДНОГО РАСТВОРА ОРГАНИЧЕСКИМ РАСТВОРИТЕЛЕМ". Смотри описание работы по данной теме в Методических рекомендациях к формированию практических навыков по физической и коллоидной химии. IV. В О П Р О С Ы Д Л Я С А М О К О Н Т Р О Л Я: 1. Приведите словесную формулировку закона распределения Нернста. 2. Запишите математическую формулировку закона распределения в простейшем виде. 48 3. Назовите четыре условия, при соблюдении которых закон распределения выполняется в простейшем виде. 4. Приведите математическую формулировку закона распределения для случая, когда третий компонент: а. В 1-й фазе находится в виде одиночных молекул, а во 2-й фазе - в полностью диссоциированном состоянии, причем каждая молекула распадается на 2 иона. б. В 1-й фазе - в виде одиночных молекул, во 2-й фазе - в виде ассоциатов из трех молекул. в. В 1-й фазе - в частично диссоциированном состоянии со степенью диссоциации , во 2й фазе - в виде ассоциатов из n молекул. 5. В каком состоянии находится 3-й компонент во 2-й фазе, если закон распределения выполняется в виде: а. K C14 / С 2 б. К = С1 /С2 (1 - ). в. К = С1 /С2? 6. Приведите уравнение закона распределения Шилова-Лепинь. 7. Назовите факторы, влияющие на величину коэффициента распределения. 8. Каков принцип определения коэффициента распределения: а) методом подстановки; б) графическим методом? 9. Если закон распределения выполняется в виде К = C1 , то график зависимости lgС1 = C 2n f(lgС2) имеет вид: Укажите по графику нахождение коэффициента распределения К и коэффициента n. 10. При распределении иода между амиловым спиртом и водой закон распределения выполняется в виде К = C1 . C2 С1 - равновесная концентрация иода в амиловом спирте, С2 - в воде. Если величина К в этой системе равна 230, что означает эта цифра? 11. Коэффициент распределения иода между амиловым спиртом и водой равен 230, а между четыреххлористым углеродом и водой - 85,5. В каком из растворителей амиловом спирте или четыреххлористом углероде иод лучше растворяется? Какой из растворителей С5Н11ОН или CCl4 следует выбрать в качестве экстрагента при извлечении иода из водного раствора экстрагированием? 49 12. Коэффициент распределения иода в системе CCl4 - H2O равен 85,5, а коэффициент распределения этилового спирта в этой же системе растворителей равен 0,02. Если в рассмотренных системах закон распределения выполняется в простейшем виде, то какое вещество - I2 или С2Н5ОН лучше растворяется в воде? 13. Перечислите области использования закона распределения. 14. Смотрите вопросы самоконтроля к практической работе по теме: "Экстрагирование иода из водного раствора органическим растворителем". 50 З А Н Я Т И Е №13. Т Е М А: "ФАЗОВЫЕ РАВНОВЕСИЯ. МЕТОДЫ РАЗДЕЛЕНИЯ СМЕСЕЙ НА ОСНОВЕ ФАЗОВЫХ ПЕРЕХОДОВ". Итоговое занятие по разделу "Термодинамика фазовых равновесий", при подготовке к которому необходимо пользоваться планом изучения темы и вопросами для самоконтроля к занятиям №№7 - 12, а так же следующими вопросами: 1. Диаграмма зависимости общего и парциальных давлений насыщенного пара от состава смеси из двух взаимонерастворимых жидкостей. 2. Свойства бинарных систем из двух взаимнорастворимых жидкостей. Соотношение между температурой кипения смеси произвольного состава и температурами кипения чистых компонентов. 3. Перегонка с водным паром: принцип метода, его назначение. В каком случае применяют перегонку с водяным паром? 4. Как проводится перегонка с водяным паром? 5. Расходный коэффициент пара. Уравнение для расчета массы вещества, выделяемого при перегонке с водяным паром. 6. Использование перегонки с водяным паром в фармации. 7. Сравнительный анализ физико-химических свойств систем по диаграммам состояния свойство-состав: а. Взаимной растворимости. б. Кипения (для идеальных смесей, смесей с небольшими отклонениями от закона Рауля и смесей, компоненты которых образуют азеотроп). в. Плавкости (для систем с одной эвтектикой, двумя эвтектиками и для изоморфных смесей). 8. Физико-химические методы разделения, очистки и изучения свойств веществ, основанные на процессах фазового перехода: а. Дистилляция. б. Перекристаллизация. в. Экстрагирование. г. Перегонка с водяным паром. Характеристика перечисленных методов предусматривает знание следующих вопросов: 1. Назначение метода (область использования). 2. Физическое (физико-химическое) явление, лежащее в основе метода. 3. Основная закономерность, используемая в методе. 4. Принцип метода. 5. Принципиальное устройство прибора, установки. 51 6. Основные преимущества, недостатки, особенности, ограничения метода. Оптимальные условия проведения процесса разделения. 7. Использование метода в фармации. 52 З А Н Я Т И Е №14 Т Е М А: "СВОЙСТВА БУФЕРНЫХ РАСТВОРОВ" I. П Л А Н И З У Ч Е Н И Я Т Е М Ы: 1. Ионное произведение воды. Зависимость ионного произведения воды от температуры, его значение при 25 ОС. 2. Нейтральная, кислая, щелочная реакция среды. 3. Водородный показатель (рН). Его значение для нейтральной, кислой или щелочной среды при 25 ОС. 4. Гидроксильный показатель, показатель ионного произведения воды. Взаимосвязь между рН, рОН и рКВ. 5. Общая, активная и потенциальная кислотность (основность) в растворах слабых электролитов, их измерение. 6. Буферные растворы: определение понятия. 7. Состав буферных растворов. 8. Механизм буферного действия при добавлении к буферному раствору небольших количеств сильной кислоты, щелочи или при разведении. 9. Уравнение для расчета рН буферных растворов (уравнение Гендерсона-Гассельбаха), образованных слабой кислотой и солью этой кислоты и сильного основания или слабым основанием и солью этого основания и сильной кислот. Вывод уравнения. 10. Факторы, влияющие на величину рН буферных растворов. 11. Использование уравнения Гендерсона-Гассельбаха для: а. Объяснения механизма действия буферных растворов при разведении. б. Выделения факторов, от которых зависит рН буфера. в. Расчета рН буфера, рК слабого электролита, входящего в его состав, соотношения концентраций компонентов (или объемов компонентов), необходимого для приготовления буфера с заданным значением рН. 12. Зона буферного действия - качественная и количественная характеристика. Интервал соотношения концентрацией буферных растворов, определяемых зоной буферного действия. 13. Буферная емкость - качественная и количественная характеристика. 14. Зависимость величины буферной емкости от: а. Концентрации буферного раствора. б. Соотношения концентраций компонентов буферного раствора. в. Природы буфера. 15. Буферные кривые, их анализ. 16. Способы приготовления буферных растворов. 17. Практическое использование буферных растворов. Их значение для биологии, медицины. 53 II. Л И Т Е Р А Т У Р А: 1. К.И.Евстратова, Н.А.Купина, Е.Е.Малахова. Физическая и коллоидная химия. М., 1990, с.114-116, 123-131. 2. Методические рекомендации к формированию практических навыков по физической и коллоидной химии. Курск,1999. 3. М.И.Равич-Щербо, В.В.Новиков. Физическая и коллоидная химия. М., 1975, с.90-100. 4. Лекционный материал. III. Т Е М А П Р А К Т И Ч Е С К О Й Р А Б О Т Ы: "СВОЙСТВА БУФЕРНЫХ РАСТВОРОВ". 1. ЗАВИСИМОСТЬ рН БУФЕРНОГО РАСТВОРА ОТ СООТНОШЕНИЯ КОНЦЕНТРАЦИЙ КОМПОНЕНТОВ И ОТ РАЗВЕДЕНИЯ. 1) Приготовить три ацетатных буферных раствора с различным соотношением концентраций компонентов. В три одинаковые по диаметру пробирки пипетками отмерить заданные объемы растворов уксусной кислоты и ацетата натрия по схеме: №№ пробирок Объем (мл) раствора СН3СООН с концентрацией 0,2 моль/л Объем (мл) раствора СН3СООNa с концентрацией 0,2 моль/л 1 2 3 1 5 9 9 5 1 Содержимое пробирок перемешать. 2) Каждый из приготовленных буферных растворов развести в 9 раз. В другие три одинаковые пробирки отобрать по 1 мл каждого из приготовленных на первом этапе буферных раствора и добавить по 8 мл дистиллированной воды. Содержимое пробирок перемешать. 3) Оценить зависимость рН буферного раствора от соотношения концентраций компонентов. а. В каждую из пробирок первого ряда (до разведения) добавить по 5 капель индикатора метилового красного. Содержимое перемешать. б. Сопоставить окраску индикатора в каждом из трех растворов и сделать вывод о зависимости рН буферного раствора от соотношения концентраций компонентов. 4) Оценить влияние разведения на рН буферного раствора. а. В каждую из пробирок второго ряда (после разведения) также добавить по 5 капель индикатора метилового красного. Содержимое перемешать. б. Сопоставить окраску индикатора в растворах с заданным соотношением концентрации компонентов до и после разведения и сделать вывод о влиянии разведения на рН буферного раствора. 54 2. ОПРЕДЕЛЕНИЕ БУФЕРНОЙ ЕМКОСТИ АЦЕТАТНОГО БУФЕРНОГО РАСТВОРА ПО КИСЛОТЕ. Смотри описание работы "Измерение буферной емкости" в Методических рекомендациях к формированию практических навыков по физической и коллоидной химии. IV. В О П Р О С Ы Д Л Я С А М О К О Н Т Р О Л Я: 1. Что такое ионное произведение воды? Чему равна эта величина при 25 50 0С? 2. Какая среда является: а. Нейтральной. б. Кислой. в. Щелочной. 3. Какие значения может принимать концентрация ионов водорода в кислой, нейтральной или щелочной среде при 25 50 0С. 4. Дайте определение понятию "водородный показатель". 5. Какие значения имеет водородный показатель (рН) в кислой, нейтральной или щелочной средах при 25 50 0С? 6. Что такое общая, активная, потенциальная кислотность (основность)? 7. Как определяют общую, активную, потенциальную кислотность (основность)? 8. Смотри вопросы для самоконтроля к практическим работам: "Приготовление буферного раствора с заданным значением рН", "Измерение буферной емкости" (Методические рекомендации к формированию практических навыков по физической и коллоидной химии). 55 З А Н Я Т И Е №15 Т Е М А: "ЭЛЕКТРОПРОВОДНОСТЬ РАСТВОРОВ ЭЛЕКТРОЛИТОВ. КОНДУКТОМЕТРИЧЕСКОЕ ОПРЕДЕЛЕНИЕ СТЕПЕНИ И КОНСТАНТЫ ДИССОЦИАЦИИ СЛАБОГО ЭЛЕКТРОЛИТА." I. П Л А Н И З У Ч Е Н И Я Т Е М Ы: 1. Электрическая проводимость. Проводники I и II рода. Связь электрической проводимости с cопротивлением проводника. 2. Удельная электрическая проводимость, ее зависимость от различных факторов. 3. Эквивалентная электрическая проводимость, ее зависимость от различных факторов. 4. Связь между удельной и эквивалентной электрическими проводимостями. 5. Абсолютная скорость движения ионов. Ионные эквивалентные электрические проводимости (подвижности) анионов и катионов. 6. Зависимость удельной и эквивалентной электрической проводимости растворов электролитов от разведения. Причины, объясняющие характер этой зависимости для растворов сильных и слабых электролитов. 7. Эквивалентная электрическая проводимость при бесконечном разведении (предельная эквивалентная электропроводность). Закон Кольрауша. 8. Аномальная подвижность ионов водорода (гидроксония) и гидроксила. Причины аномального поведения ионов. 9. Электропроводность неводных растворов. 10. Измерение сопротивления раствора электролита с помощью моста Кольрауша. 11. Определение удельной электропроводности по величине сопротивления раствора электролита. 12. Кондуктометрия. Прямая кондуктометрия и кондуктометрическое титрование. 13. Определение степени диссоциации и константы диссоциации слабого электролита, ионного произведения воды, произведения растворимости труднорастворимой соли по электропроводности раствора электролита. 14. Кондуктометрическое титрование. Назначение, особенности и техника выполнения метода. 15. Кривые кондуктометрического титрования. Анализ хода кривых титрования: а) сильной кислоты сильным основанием; б) слабой кислоты сильным основанием; в) смеси сильной и слабой кислот сильным основанием. II. Л И Т Е Р А Т У Р А: 1. К.И.Евстратова, Н.А.Купина, Е.Е.Малахова. Физическая и коллоидная химия. М., 1990, с.139-160. 2. В.А.Киреев. Краткий курс физической химии. М., 1978, с.397-408. 56 3. Лекционный материал. III. Т Е М А П Р А К Т И Ч Е С К О Й Р А Б О Т Ы: "КОНДУКТОМЕТРИЧЕСКОЕ ОПРЕДЕЛЕНИЕ СТЕПЕНИ И КОНСТАНТЫ ДИССОЦИАЦИИ СЛАБОГО ЭЛЕКТРОЛИТА." 1. Определить константу кондуктометрической ячейки. а. Используя прибор "СПУТНИК РАДИОЛЮБИТЕЛЯ", измерить сопротивление раствора KCl с концентрацией 0,01 моль/л - RKCl (Ом). б. Рассчитать константу ячейки по формуле: KЯ = k KCl RKCl, используя табличное значение удельной электропроводности раствора KCl с концентрацией 0,01 моль/л 2. Определить удельную электропроводность раствора уксусной кислоты заданной концентрации СХ. а. Измерить сопротивление раствора уксусной кислоты с концентрацией СХ - RСН3СООН (Ом) б. Рассчитать, используя найденное на 1 этапе значение постоянной ячейки, удельную электропроводность раствора уксусной кислоты по формуле: CH 3COOH KЯ R CH 3COOH (Ом 1см 1 ) 3. Рассчитать значение эквивалентной электропроводности раствора уксусной кислоты заданной концентрации Сс. Эквивалентную электропроводность раствора уксусной кислоты с концентрацией СХ рассчитать по формуле: CH 3COOH CH 3COOH CX 1000(Ом 1 моль 1см 2 ) 4. Рассчитать степень диссоциации уксусной кислоты заданной концентрации. Степень диссоциации уксусной кислоты в растворе с концентрацией СХ рассчитать по формуле: CH 3COOH CH 3COOH - эквивалентная электропроводность при бесконечном разведении. Ее вычисляют по закону Кольрауша CH 3COOH H CH 3COO 5. Рассчитать константу диссоциации уксусной кислоты. Константу диссоциации уксусной кислоты рассчитать по формуле: 2CH 3COOHC X C 2 K 1 CH CH CH 3COOH 3COOH 3COOH 57 Примечание: 1. Для расчетов использовать следующие табличные данные: KCl ,0,01M = 0,001413 Ом-1см-1 H = 349,8 Ом-1моль-1см2 CH 3COO = 40,9 Ом-1моль-1см2 2. Сопротивление раствора KCl с концентрацией 0,01 моль/л и сопротивление раствора уксусной кислоты с концентрацией СХ определить, используя прибор "СПУТНИК РАДИОЛЮБИТЕЛЯ". Прибор состоит из трех блоков: 1. Измерительный блок; 2. Звуковой генератор; 3. Блок питания. Измерительный блок служит для измерения сопротивления (R), индуктивности (L) или емкости (С). Собран измерительный блок по мостиковой схеме, принципиально имеющей вид: Мост питается от 2-го блока - звукового генератора, переменное напряжение от которого подается на диагональ моста "cd". Звуковой генератор генерирует 8 фиксированных частот, которые могут быть использованы в работе. При измерении сопротивления растворов KCl или СН3СООН используется частота 1000 или 3000 гц. Питание звукового генератора осуществляется блоком питания, который в свою очередь питается от сети переменного тока с частотой 50 гц и напряжением 220 В. ПОСЛЕДОВАТЕЛЬНОСТЬ РАБОТЫ С ПРИБОРОМ. 1. Блок питания подключить в сеть переменного тока f = 50 гц, V = 220 В. 2. К клемам "RL" измерительного блока подключить электролитическую ячейку. Электролитическая ячейка представляет собой 2 платиновых электрода с фиксированным расстоянием между открытой частью. Электроды погрузить в испытуемый раствор так, чтобы уровень раствора был на 5 мм выше уровня открытой части электродов. 3. Установить переключатель частот звукового генератора на частоту 1000 или 3000 гц. 4. Переключатель вида измерения (1-й блок) установить на минимальное омическое сопротивление (R1). 58 5. Вращением ручки "множитель", стрелка-указатель которой покажет значение R3/R2, добиться минимального звука в телефонных наушниках. Если при данном значении R1 минимальный звук отсутствует при всех возможных положениях переключателя "множитель" или имеет место, когда этот переключатель находится в одном из крайних положений, следует изменить величину сопротивления R1 и подобрать такое его значение, при котором минимальный звук в телефонных наушниках будет иметь место, когда стрелка-указатель "множителя" находится внутри шкалы. Перемножив показание переключателя вида измерений на показание "множителя", получим значение измеряемого сопротивления: R X R1 R3 R2 IV. В О П Р О С Ы Д Л Я С А М О К О Н Т Р О Л Я: 1. Дайте определение понятию "электрическая проводимость". 2. Назовите две группы проводников электрического тока. В чем их различие? 3. Дайте определение удельной и эквивалентной электропроводности. В каких единицах с системе СИ выражаются эти величины? 4. Приведите уравнение, устанавливающее взаимосвязь между удельной и эквивалентной электрическими проводимостями. 5. Приведите уравнение, связывающее сопротивление раствора электролита с удельной электрической проводимостью, расстоянием между электродами и площадью их поперечного сечения. 6. Что отражает "константа (постоянная) кондуктометрической ячейки"? 7. Запишите уравнение для расчета константы кондуктометрической ячейки (КЯ) по измеренному сопротивлению стандартного раствора и табличному значению его удельной электропроводности. 8. Приведите уравнение для расчета удельной электрической проводимости раствора электролита по величине сопротивления раствора электролита и константе кондуктометрической ячейки. 9. Перечислите факторы, влияющие на величину удельной и эквивалентной электропроводности. 10. Приведите кривые, отражающие зависимость удельной электропроводности от разведения для раствора: а) сильного электролита; б) слабого электролита. 11. Как и почему изменяется удельная электропроводность от разведения в растворе: а) сильного электролита; б) слабого электролита? 12. Приведите кривые, отражающие зависимость эквивалентной электропроводности от разведения для раствора: 59 а) сильного электролита; б) слабого электролита. 13. Как и почему изменяется эквивалентная электропроводность от разведения в растворе: а) сильного электролита; б) слабого электролита? 14. Дайте определение понятию "разведение" - V. Как эта величина связана с молярной концентрацией эквивалента? 15. Дайте определение понятию "абсолютная скорость движения иона". 16. Что такое "подвижность иона" (ионная эквивалентная электрическая проводимость)? 17. Как электрическая проводимость зависит от: а) заряда иона; б) размера (радиуса) иона? 18. Электропроводность какого электролита будет выше: расплава NaCl или расплава KCl? Почему? 19. Электропроводность какого электролита будет выше: раствора NaCl с молярной концентрацией 0,1 моль/л или раствора KCl с молярной концентрацией 0,1 моль/л? Почему? 20. Электропроводность какого электролита будет выше: раствора KCl с молярной концентрацией 0,1 моль/л или раствора CaCl2 c молярной концентрацией 0,1 моль/л? Почему? 21. Электропроводность какого электролита будет выше: раствора H2SO4 с молярной концентрацией 0,1 моль/л или раствора H2SO3 c молярной концентрацией 0,1 моль/л? Почему? 22. Электропроводность какого электролита будет выше: раствора НCl с молярной концентрацией 0,1 моль/л или раствора NaCl c молярной концентрацией 0,1 моль/л? Почему? 23. Как изменится электропроводность, если к 10 мл водного раствора HCl с концентрацией 0,1 моль/л добавить 1 мл водного раствора NaОН с концентрацией 0,1 моль/л? Почему? 24. Приведите словесную и математические формулировки закона Кольрауша. 25. Какое разведение (V) считают бесконечным: а) для сильного электролита; б) для слабого электролита? 26. Какие величины можно определить, измеряя электропроводность (сопротивление) раствора электролита? 27. Как определить кондуктометрически: а) степень диссоциации слабого электролита; б) константу диссоциации слабого электролита; в) ионное произведение воды; г) произведение растворимости труднорастворимой соли? 28. Запишите уравнение для расчета степени и константы диссоциации слабого электролита по измеренной электропроводности. 60 29. Почему электропроводность растворов электролитов измеряют при постоянной температуре? 30. Назовите особенности, назначение и преимущества кондуктометрическтго титрования. 31. Приведите кривые кондуктометрического титрования раствора: а) сильной кислоты; б) слабой кислоты; в) смеси сильной и слабой кислоты раствором щелочи. 32. Объясните особенности хода кривых кондуктометрического титрования раствора: а) сильной кислоты; б) слабой кислоты; в) смеси сильной и слабой кислоты раствором щелочи. 33. Приведите схему моста Кольрауша и охарактеризуйте принцип определения сопротивления раствора электролита. 34. Почему при измерении сопротивления раствора электролита пользуются переменным током высокой частоты? 61 З А Н Я Т И Е №16 Т Е М А: "ЭЛЕКТРОДНЫЙ ПОТЕНЦИАЛ. ПОТЕНЦИОМЕТРИЯ. ПОТЕНЦИОМЕТРИЧЕСКОЕ ОПРЕДЕЛЕНИЕ рН РАСТВОРА". I. П Л А Н И З У Ч Е Н И Я Т Е М Ы: 1. Электродный потенциал. Механизм возникновения потенциала на металлической пластине, погруженной в раствор соли металла. 2. Схематическая запись электрода (полуэлемента). Уравнение окислительно- восстановительной реакции, сопровождающей образование электродного потенциала. 3. Факторы, влияющие на величину электродного потенциала. 4. Уравнение Нернста для расчета величины электродного потенциала. 5. Стандартный электродный потенциал. 6. Практическое определение величины электродного потенциала. 7. Классификация электродов по применению: а) электроды сравнения (вспомогательные); б) электроды определения (индикаторные, измерительные). 8. Классификация электродов по механизму возникновения электродного потенциала (по устройству электродов и свойством веществ, участвующих в потенциалопределяющих процессах): а) электроды I рода; б) электроды II рода; в) окислительно-восстановительные г) ионообменные электроды (ионселективные). 9. Водородный электрод: устройство, механизм действия, уравнение окислительновосстановительной реакции, сопровождающей образование электродного потенциала. 10. Стандартный водородный электрод, водородный электрод определения, уравнение Нернста для расчета величины электродного потенциала. Недостатки водородного электрода. 11. Устройство, механизм действия, уравнение окислительно-восстановительной реакции, уравнение для расчета величины потенциала электродов: а) каломельного; б) хлорсеребряного; в) хингидронного. 12. Уравнение Петерса для расчета величины электродного потенциала редокс-электродов. 13. Стеклянный электрод. Устройство, механизм возникновения электродного потенциала, уравнение для расчета величины электродного потенциала. Преимущества и недостатки стеклянного электрода, его использование в рН-метрии. 14. Потенциометрия. Прямая потенциометрия и потенциометрическое титрование. 15. Потенциометрическое измерение рН. Принцип метода. Электроды определения, используемые для измерения рН. 62 16. Измерение рН "Иономером универсальным ЭВ - 74" с использованием стеклянного электрода. 17. Контактный и диффузионный потенциалы. II. Л И Т Е Р А Т У Р А: 1. К.И.Евстратова, Н.А.Купина, Е.Е.Малахова. Физическая и коллоидная химия. М., 1990, с.160-170, 172-183,188-189. 2. В.А.Киреев. Краткий курс физической химии. М., 1978, с.410-412, 419-429, 433-437. 3. Лекционный материал. 4. Методические рекомендации к формированию практических навыков по физической и коллоидной химии. Курск, 1999. III. Т Е М А П Р А К Т И Ч Е С К О Й Р А Б О Т Ы: "ПОТЕНЦИОМЕТРИЧЕСКОЕ ИЗМЕРЕНИЕ рН С ПОМОЩЬЮ СТЕКЛЯННОГО ЭЛЕКТРОДА". Смотри описание работы по данной теме в Методических рекомендациях к формированию практических навыков по физической и коллоидной химии. IV. В О П Р О С Ы Д Л Я С А М О К О Н Т Р О Л Я: 1. На границе каких двух сред (фаз) возникают потенциалы: а) электродный; б) диффузионный; в) контактный? 2. Дайте определение: а) электродному потенциалу; б) стандартному электродному потенциалу; в) стандартному окислительно-восстановительному электродному потенциалу. 3. Назовите три фактора, от которых зависит величина электродного потенциала. 4. Приведите схему устройства, запишите уравнение окислительно-восстановительной реакции, сопровождающей образование потенциала, и уравнение для расчета величины электродного потенциала для электродов: а) водородного; б) хингидронного; в) каломельного; г) хлорсеребряного. 5. Что общего и чем отличаются стандартный водородный электрод и водородный электрод определения? 6. Приведите пример электрода, относящегося к: а) электродам I-го рода; б) электродам II-го рода; в) редокс-электродам. 7. Назовите основной признак электродов I-го рода, II-го рода, редокс-электродов. 63 8. Назовите основной признак и перечислите используемые в практике электроды сравнения. 9. Назовите основной признак электродов определения. 10. Назовите три электрода, используемые как электроды определения при измерении рН раствора. 11. Какие электроды можно использовать как электроды определения при измерении концентрации CuCl2 в растворе? 12. Можно ли измерить рН раствора с помощью цинкового электрода, опущенного в исследуемый раствор? Ответ обосновать. 13. Как можно измерить электродный потенциал? 14. ЭДС гальванического элемента, составленного из медного и цинкового электродов, опущенных соответственно в растворы солей меди и цинка, равна 1,1В. Потенциал медного электрода Cu 2 = + 0,34В. Рассчитайте потенциал цинкового электрода, учитывая, что Cu 2 / Cu Zn 2 / Zn 15. Приведите схему устройства стеклянного электрода. 16. Смотри вопросы для самоконтроля к практической "Потенциометрическое измерение рН с помощью стеклянного электрода". работе по теме: 64 З А Н Я Т И Е №17 Т Е М А: "ПОТЕНЦИОМЕТРИЧЕСКОЕ ТИТРОВАНИЕ". I. П Л А Н И З У Ч Е Н И Я Т Е М Ы: 1. Гальванический элемент. Устройство; принцип работы. 2. Химические гальваничекие элементы: а) схематическая запись элемента; б) уравнение химической реакции, протекающей при работе гальванического элемента. 3. Электродвижущая сила гальванического элемента (Е) определение понятию. Расчет величины Е по значениям электродных потенциалов электродов, составляющих элемент. 4. Уравнение Нернста для расчета величины ЭДС гальванического элемента (вывод). 5. Стандартная ЭДС гальванического элемента (Е0), ее связь с изменением энергии Гиббса в стандартных условиях ( G0). 6. Расчет термодинамических характеристик химической реакции ( G, H, S, KР) по величине ЭДС гальванического элемента. 7. Обратимые и необратимые гальванические элементы. 8. Концентрационные гальванические элементы: а) устройство; б) схематическая запись; в) уравнение для расчета ЭДС гальванического элемента. 9. Гальванические элементы с переносом и без переноса ионов. 10. Компенсационный метод измерения ЭДС гальванического элемента. Нормальный элемент Вестона. 11. Потенциометрическое титрование. Принцип и особенности метода. 12. Интегральная и дифференциальная кривые титрования. 13. Интегральная кривая титрования слабой кислоты сильным основанием: особенности хода кривой, определение рК кислоты по этой кривой. II. Л И Т Е Р А Т У Р А: 1. К.И.Евстратова, Н.А.Купина, Е.Е.Малахова. Физическая и коллоидная химия. М., 1990, с.167-172, 175,183-188,190-194. 2. В.А.Киреев. Краткий курс физической химии. М., 1978, с.412-426, 429-438. 3. Лекционный материал. III. Т Е М А П Р А К Т И Ч Е С К О Й Р А Б О Т Ы: "ПОТЕНЦИОМЕТРИЧЕСКОЕ ТИТРОВАНИЕ РАСТВОРА ХЛОРОВОДОРОДНОЙ КИСЛОТЫ РАСТВОРОМ ГИДРОКСИДА НАТРИЯ". 1. Провести титрование раствора HCl раствором NaOH с концентрацией 0,01 моль/л. а. В химический стаканчик внести, отмерив пипеткой, 15 мл исследуемого раствора HCl. 65 б. Собрать гальванический элемент из стеклянного электрода, опущенного в раствор HCl, и хлорсеребряного электрода. Измерить рН раствора. в. К исследуемому раствору из пипетки порциями по 1 мл добавлять раствор NaOH. После добавления каждой порции титранта раствор перемешивать и после установления равновесия на стеклянном электроде снимать показания рН раствора. После резкого изменения рН раствора добавить еще 3-4 порции раствора титранта по 1мл каждую. 2. Построить интегральную и дифференциальную кривые титрования, по которым определить эквивалентный объем раствора NaOH - VэNaOH а. Интегральную кривую титрования построить в координатах рН-объем раствора титранта (VNaOH). Точку эквивалентности и эквивалентный объем раствора NaOH найти по средней части второго линейного участка кривой. б. Дифференциальную кривую построить в координатах pH = f (Vср. NaOH), где V Vср. NaOH - среднее значение объема между предыдущим и последующим объемами приливаемого раствора титранта. Точку эквивалентности и эквивалентный объем раствора NaOH определить по пику на кривой титрования. 3. Рассчитать концентрацию хлороводородной кислоты в растворе. Концентрацию HCl в растворе рассчитать по уравнению: C HCl C NaOH V эNaOH V HCl СNaOH = 0,01 моль/л VHCl = 15 мл