ЛР Криоскопия - Новгородский государственный университет

Министерство образования и науки РФ
Государственное бюджетное образовательное учреждение
высшего профессионального образования
«Новгородский государственный университет имени Ярослава Мудрого»
Институт сельского хозяйства и природных ресурсов
Кафедра фундаментальной и прикладной химии
«КРИОСКОПИЯ»
Методические указания к лабораторным работам
по физической химии для специальности
020201.65 − Фундаментальная и прикладная химия
Великий Новгород
2013
Криоскопия: Метод указ./Сост. И.В. Летенкова, – Великий Новгород,
2013.–13с.
В методических указаниях изложены рекомендации по выполнению
лабораторных работ по теме «Криоскопия». Методические указания включают
описание двух лабораторных работ: «Определение молярной массы
неэлектролита криоскопическим методом» и «Определение степени
диссоциации электролита криоскопическим методом». Работы предназначены
для изучения коллигативных свойств разбавленных растворов.
2
СОДЕРЖАНИЕ
Введение ....................................................................................................................... 4
Лабораторная работа «Определение молярной массы неэлектролита
криоскопическим методом» ..................................................................................... 5
1 Цель работы .............................................................................................................. 5
2 Основные теоретические положения ..................................................................... 5
3 Требования техники безопасности ......................................................................... 6
4 Экспериментальная часть ........................................................................................ 6
5 Требования к содержанию отчета .......................................................................... 9
6 Вопросы и задания для самоконтроля.................................................................... 9
Лабораторная работа «Определение степени диссоциации электролита
криоскопическим методом» .................................................................................. 11
1 Цель работы ............................................................................................................ 11
2 Основные теоретические положения ................................................................... 11
3 Требования техники безопасности ....................................................................... 12
4 Экспериментальная часть ...................................................................................... 12
5 Требования к содержанию отчета ........................................................................ 13
6 Вопросы и задания для самоконтроля.................................................................. 13
Литература ................................................................................................................. 13
ПРИЛОЖЕНИЕ ......................................................................................................... 13
3
ВВЕДЕНИЕ
Основным вопросом термодинамической теории растворов является
установление зависимостей равновесных свойств растворов от их состава
и свойств компонентов.
Свойства растворов, зависящие от количества растворенного вещества в
единице объема раствора или в единице массы растворителя и не зависящие от
химической природы растворенного вещества, называются коллигативными
свойствами. К коллигативным свойствам относятся:
−понижение давления насыщенного пара над раствором,
−понижение температуры замерзания раствора,
−повышение температуры кипения раствора,
−осмотическое давление.
Изучение температур замерзания растворов называют криоскопией
(криоскопия в переводе с греческого означает «наблюдение охлаждения»).
Определив понижение температуры замерзания раствора, можно вычислить
молярную массу растворенного вещества-неэлектролита. Криоскопический
метод используют для определения изотонического коэффициента и степени
диссоциации электролита в растворе известной концентрации.
4
ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА
«ОПРЕДЕЛЕНИЕ МОЛЯРНОЙ МАССЫ НЕЭЛЕКТРОЛИТА МЕТОДОМ
КРИОСКОПИИ»
1 ЦЕЛЬ РАБОТЫ
1. На основании измерения ΔТзам (понижения температуры замерзания
раствора)
определить
неизвестную
концентрацию
раствора
неэлектролита и молярную массу неэлектролита.
2 ОСНОВНЫЕ ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ПОЛОЖНИЯ
Свойства бесконечно разбавленных растворов, зависящие от количества
растворенного вещества в единице объема раствора или в единице массы
растворителя, называются коллигативными свойствами.
Коллигативные
свойства
бесконечно
разбавленных
растворов
следующие:
– относительное понижение давления насыщенного пара над раствором ΔР/Р10;
– понижение температура замерзания раствора ΔТЗАМ;
– повышение температуры кипения раствора ΔТКИП;
– осмотическое давление раствора π.
Все коллигативные свойства бесконечно разбавленных растворов за
исключением осмотического давления зависят от свойств растворителя и
концентрации раствора и не зависят от свойств растворенного вещества.
Величина осмотического давления раствора не зависит и от свойств
растворителя.
Относительное понижение давления насыщенного пара над
раствором равно мольной доле растворенного вещества. Это свойство
вытекает из закона Рауля, применимого к растворителю:
Р1 = Р10∙N1, (1)
где Р1  давление насыщенного пара растворителя над раствором;
Р10  давление насыщенного пара над чистым растворителем;
N1  мольная доля растворителя.
Выразив мольную долю растворителя N1 через мольную долю
растворенного вещества (1 − N2) и выполнив алгебраические преобразования,
получим
ΔР/Р10 = N2 , (2)
где ΔР/Р10  относительное понижение давления насыщенного пара над
раствором;
N2  мольная доля растворенного вещества.
Температура замерзания раствора ниже температуры замерзания чистого
растворителя:
ΔТЗАМ = K·Сm, (3)
5
где Сm – моляльная концентрация раствора;
К– криоскопическая константа растворителя, К∙моль-1∙кг, которая
показывает на сколько понижается температура замерзания 1m раствора по
сравнению
с
температурой
замерзания
чистого
растворителя.
-1
Криоскопическая константа воды равна 1,86 К∙ моль ∙кг.
Температура кипения раствора выше температуры кипения чистого
растворителя:
ΔТКИП = ε∙Cm, (4)
где ε – эбуллиоскопическая константа растворителя, К∙моль-1∙кг, которая
показывает на сколько повышается температура кипения 1m раствора по
сравнению
с
температурой
замерзания
чистого
растворителя.
-1
Эбуллиоскопическая константа воды равна 0,52 К∙ моль ∙кг.
Осмотическое давление исследуемого раствора рассчитывается по
формуле:
π = СM ∙R∙T, (5)
где СM – молярная концентрация раствора.
3 ТРЕБОВАНИЯ ТЕХНИКИ БЕЗОПАСНОСТИ
При выполнении данной лабораторной работы необходимо соблюдать
общие правила работы в химической лаборатории.
4 ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ
Опыт сводится к определению понижения температуры замерзания
раствора по сравнению с температурой замерзания чистого растворителя −
ΔТЗАМ раствора. Для определения ΔТЗАМ во внутреннюю пробирку 1 (см. рис.)
отмеряют заданное количество растворителя так, чтобы растворитель покрыл
всю головку термометра Бекмана 4. Затем пробирку с растворителем опускают
в наружную пробирку 7, которая погружена в охладительную смесь 8,
вставляют в пробирку термометр Бекмана и наблюдают за температурой.
Для равномерного охлаждения жидкость медленно перемешивают
мешалкой 5, вставленной в пробирку 1. Когда температура опустится до
значения на 0,5° выше ожидаемой температуры кристаллизации, помешивание
прекращается. После этого следует внимательно следить за понижением
температуры.
6
Рис. – Схема установки для определения Δ ТЗАМ:
1– внутренняя пробирка с исследуемым раствором; 2 – отросток для внесения
растворяемого вещества; 3 – корковая пробка; 4 – термометр Бекмана; 5 –
латунная мешалка; 6 – резиновая пробка пробка наружной пробирки; 7 –
воздушный зазор между стенками внутренней и внешней пробирок; 8 –
охладительная смесь; 9 – мешалка; 10 – термометр.
Без помешивания жидкость легко переохлаждается, о чем
свидетельствуют показания термометра. Для чистого растворителя
переохлаждение допускается 0,5-1°. Затем возобновляют перемешивание.
Возобновление перемешивания переохлажденной жидкости вызывает ее
кристаллизацию. При этом выделяется скрытая теплота кристаллизации, и
температура начинает быстро повышаться. Не прекращая равномерного
перемешивания, следят за температурой и отмечают максимальную
температуру подъема (переохлажденного состояния), которая и будет
истинной температурой кристаллизации данной жидкости.
После этого пробирку вынимают из охладительной смеси и, подогрев ее
рукой, растворяют образовавшиеся кристаллы. Затем пробирку вновь опускают
в смесь и повторяют опыт. Опыт повторяют до тех пор, пока последние два
определения температуры кристаллизации будут отличаться не более, чем на
0,01°.
Затем преподаватель задает массу неизвестного вещества, которое
необходимо растворить в 50 г дистиллированной воды исследуемого вещества.
Точную навеску неизвестного вещества взвешивают на аналитических весах.
Температуру замерзания раствора измеряют аналогичным образом.
Результаты измерений температур замерзания растворителя и раствора
занести в таблицу.
7
Таблица 1 Экспериментальные результаты
Температура кристаллизации
Исследуемая
система
Измеренная
Средняя
Понижение
температуры
кристаллизац
ии ΔТЗАМ, К
Чистый
растворитель
Раствор
неэлектролита
По измеренной ΔТЗАМ необходимо вычислить моляльную концентрацию
раствора и молярную массу неэлектролита.
ΔТЗАМ
пропорциональна
моляльной
концентрации
бесконечно
разбавленного раствора (3).
Моляльная
концентрация
предельно
разбавленного
раствора
неэлектролита вычисляется по уравнению:
Сm = ΔТЗАМ/К.
Молярная масса растворенного вещества вычисляется с учетом того, что
mр.в.
Сm = νР.В. / mР–ЛЯ =
= ΔТЗАМ/К,
M р.в.  mр-ля
где νР.В. – количество растворенного вещества, моль;
m Р.В. – масса растворенного вещества, г;
М Р.В. – молярная масса растворенного вещества, г∙моль−1;
mР–ЛЯ – масса растворителя, кг
mр.в.  K
M Р.В. =
,
ΔTзам  m р-ля
Полученную молярную массу неэлектролита сравнивают с истинной,
вычислив абсолютную и относительную погрешность определения.
Затем вычисляется ΔТКИП для данного раствора по уравнению (4)
ΔТКИП = ε∙Cm.
Осмотическое давление исследуемого раствора рассчитывается по
уравнению (5):
π = СM ∙R∙T
Для пересчета Cm в См плотность раствора принимается равной 1000
кг/м (1000 г/л).
Относительное понижение давления насыщенного пара над раствором
рассчитывается по уравнению (2).
3
8
Давление насыщенного пара над раствором может быть вычислено также
по закону Рауля (1).
Значения давления насыщенного пара воды Р10 при различных
температурах см. в таблице Приложения [2].
5 ТРЕБОВАНИЯ К СОДЕРЖАНИЮ ОТЧЕТА
Отчет должен содержать:
1. цель работы;
2. результаты измерения температуры замерзания чистого растворителя (не
менее двух сходящихся измерений);
3. результаты измерения температуры замерзания раствора неэлектролита (не
менее двух сходящихся измерений);
4. расчет молярной массы неэлектролита и вычисления абсолютной и
относительной погрешности определения;
5. расчеты коллигативных свойств раствора неэлектролита;
6. выводы.
7.
6 ВОПРОСЫ И ЗАДАНИЯ ДЛЯ САМОКОНТРОЛЯ
1.
Криоскопическая постоянная
а) может быть рассчитана как
RTЗ,12 1000
ΔH 0 ИСП,1  М1
;
б) зависит от свойств растворителя и растворенного вещества;
в) численно равна повышению температуры кипения 1m раствора;
г) имеет размерность К∙кг·моль-1.
2.
Эбуллиоскопическая постоянная
а) не зависит от свойств растворителя;
б) зависит от свойств растворителя и растворенного вещества;
в) численно равна повышению температуры кипения 1m раствора;
г) является безразмерной величиной
3.
Справедливыми являются следующие утверждения:
а) свойства бесконечно разбавленных растворов, зависящие от количества
растворенного вещества в единице объема раствора или в единице массы
растворителя, называются коллигативными свойствами;
б) осмотическое давление не является коллигативным свойством;
в) температура замерзания раствора ниже температуры замерзания чистого
растворителя;
г) все коллигативные свойства зависят от природы растворителя.
9
4.
При 298К давление паров воды равно 3,166 кПа. Какую массу мочевины
необходимо растворить в 100 г воды, чтобы давление пара над раствором
понизилось на 1% по сравнению с давлением водяного пара?
5.
Раствор, содержащий 0,81 г углеводорода СnН2n и 190 г бромэтана,
замерзает при 9,47°С. Температура замерзания чистого бромэтана 10,00°С.
Криоскопическая постоянная бромэтана 12,5 К∙кг∙моль-1. Установите
молекулярную формулу углеводорода.
6.
В 180 г сероуглерода растворили 1,08 г фосфора. Определите молярную
массу фосфора в сероуглероде, если температура начала кипения
полученного раствора на 0,11°С выше нормальной температуры кипения
CS2. Эбуллиоскопическая константа CS2 равна 2,37 К∙кг∙моль-1.
7.
При 30°С давление пара водного раствора сахарозы равно 31,207 Торр.
Давление пара чистой воды при 30°С равно 31,824 Торр. Плотность
раствора равна 0,99564 г·см-3. Вычислите осмотическое давление этого
10
ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА
«ОПРЕДЕЛЕНИЕ СТЕПЕНИ ДИССОЦИАЦИИ ЭЛЕКТРОЛИТА
МЕТОДОМ КРИОСКОПИИ»
1 ЦЕЛЬ РАБОТЫ
1. На основании измерения ΔТЗАМ (понижения температуры замерзания
раствора) определить кажущуюся степень диссоциации сильного
электролита.
2 ОСНОВНЫЕ ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ПОЛОЖНИЯ
Если растворенное вещество является электролитом и диссоциирует в
растворе на ионы, то число частиц в растворе увеличивается. Поэтому в
растворах электролитов относительное понижение давления насыщенного пара,
понижение температуры замерзания, повышение температуры кипения,
осмотическое давление больше, чем в растворе неэлектролитов той же
концентрации в i раз. Коэффициент i называется изотоническим
коэффициентом и показывает, во сколько раз величины понижения давления
пара, понижения температуры замерзания, повышения температуры кипения и
осмотического давления, определенные экспериментально, для раствора
электролита больше, чем вычисленные по его моляльной (или молярной)
концентрации:
ΔТ зам эксп ΔТкип эксп Δπэксп
.


ΔРотнтеор ΔТзам теор ΔТкип теор Δπтеор
i  ΔРотн эксп

Изотонический коэффициент показывает, во сколько раз общее число
частиц (сумма недиссоциированных молекул и образовавшихся ионов) в
растворе электролита больше числа растворенных молекул при отсутствии их
диссоциации.
Поэтому для разбавленных растворов электролитов понижение
температуры замерзания раствора равно:
ΔТЗАМ = i∙К∙Cm,
Изотонический коэффициент связан со степенью диссоциации (долей
диссоциированных молекул) электролита соотношением:
i = 1 + (n  1) α,
где α  степень диссоциации;
n  число ионов, на которые диссоциирует молекула электролита.
Для сильных электролитов, таким образом, вычисляется "кажущаяся"
степень диссоциации. Степень диссоциации сильных электролитов в
разбавленных растворах равна 1 и изотонический коэффициент должен быть
11
равен числу ионов, на которые диссоциирует электролит (должно быть i = n),
но в действительности i < n, так как между ионами в растворе существует
электростатическое взаимодействие.
3 ТРЕБОВАНИЯ ТЕХНИКИ БЕЗОПАСНОСТИ
При выполнении данной лабораторной работы необходимо соблюдать
общие правила работы в химической лаборатории.
4 ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ
Как и при определении молярной массы неэлектролита опыт сводится к
определению ΔТЗАМ раствора по сравнению с температурой замерзания чистого
растворителя. ΔТЗАМ определяется для водного раствора соли (NaCl, KNO3,
ZnSО4 и др.) заданной моляльной концентрации Сm. Концентрация раствора
задается преподавателем. Для приготовления раствора заданной концентрации
рассчитывают и взвешивают на аналитических весах точную навеску
электролита.
mр.в.
Сm = νР.В. / mР–ЛЯ =
,
M р.в.  mр-ля
где νР.В. – количество растворенного вещества, моль;
m Р.В. – масса растворенного вещества, г;
М Р.В. – молярная масса растворенного вещества, г∙моль−1;
mР–ЛЯ – масса растворителя, кг.
Откуда масса электролита:
m Р.В. = Сm ∙М Р.В.∙mР–ЛЯ
Масса растворителя 50г.
Экспериментальными данными заполняют таблицу 2.
Таблица 2 − Экспериментальные результаты
Исследуемая
система
Температура кристаллизации
Измеренная
Средняя
эисталлизации
Понижение
температуры
кристаллизации, К
Чистый
растворитель
Раствор
электролита
12
По измеренной ΔТЗАМ вычисляют изотонический коэффициент и степень
диссоциации соли:
i = ΔТЗАМ / (Cm∙К)
i 1
α=
.
n 1
Затем вычисляется ΔТКИП для данного раствора по уравнению:
ΔТКИП = i∙ε∙Cm.
Осмотическое давление исследуемого раствора рассчитывается по
уравнению:
π = i∙СM∙R∙T
Для пересчета Cm в СМ плотность раствора принимается равной 1000
кг/м (1000 г/л).
Относительное понижение давления насыщенного пара над раствором
рассчитывается по уравнению:
ΔР/Р10 = i∙N2 .
Значения давления насыщенного пара воды Р10 при различных
температурах см. в таблице Приложения [2].
По результатам работы делают выводы.
3
5 ТРЕБОВАНИЯ К СОДЕРЖАНИЮ ОТЧЕТА
1.
2.
3.
4.
5.
6.
Отчет должен содержать:
цель работы;
результаты измерения температуры замерзания чистого растворителя (не
менее двух сходящихся измерений);
результаты измерения температуры замерзания раствора электролита (не
менее двух сходящихся измерений);
расчет степени диссоциации сильного электролита;
расчеты коллигативных свойств раствора электролита;
выводы.
6 ВОПРОСЫ И ЗАДАНИЯ ДЛЯ САМОКОНТРОЛЯ
1. От природы растворителя в бесконечно разбавленном растворе не зависит
а) относительное понижение давления насыщенного пара над раствором;
б) понижение температура замерзания раствора;
в) повышение температуры кипения раствора;
г) осмотическое давление раствора.
13
2. Справедливыми являются следующие утверждения:
а) свойства бесконечно разбавленных растворов, зависящие от количества
растворенного вещества в единице объема раствора или в единице массы
растворителя, называются коллигативными свойствами;
б) давления насыщенного пара над раствором нелетучего вещества в
летучем растворителе пропорционально мольной доле растворенного
вещества;
в) температура кипения раствора выше температуры кипения чистого
растворителя;
г) все коллигативные свойства зависят от природы растворителя.
3. Осмотическое давление идеального раствора рассчитывается по уравнению
RT
1. π =  0 lnN 1 , где V01 –
V1
а) объем раствора;
б) молярный объем растворителя в состоянии чистой жидкости;
в) молярный объем растворителя в состоянии пара;
г) объем растворителя.
4.
Изотонический коэффициент i в растворах электролитов
а) равен 1;
б) принимает значения больше 1;
в) зависит от валентного типа электролита;
г) не зависит от степени диссоциации электролита.
5.
Давление насыщенного пара воды при 90°С равно 526 Торр. При
растворении в 100 г воды 3,4 г хлорида бария давление насыщенного пара
понизилось на 3,85 Торр. Вычислите кажущуюся степень диссоциации
хлорида бария в этом растворе.
6.
Вычислите температуру замерзания 1,5%-ного раствора хлорида натрия,
если кажущаяся степень диссоциации соли в этом растворе равна 84,5%.
Криоскопическая константа воды равна 1,86 К∙кг∙моль-1.
7.
Раствор, содержащий 0,608 г бензойной кислоты в 25 г воды, кипит при
температуре 100,104°С. К слабым или к сильным электролитам относится
бензойная кислота? Эбуллиоскопическая константа воды равна 0,52
К∙кг∙моль-1.
8.
Раствор, содержащий в 100 мл 11,07 г нитрата бария, изотоничен с 0,912 М
раствором глюкозы. Вычислите кажущуюся степень диссоциации нитрата
бария в этом растворе.
14
ЛИТЕРАТУРА
1.
2.
3.
4.
Гельфман М.И. Практикум по физической химии: Учеб. пособие/ Под ред.
М.И. Гельфмана – СПб.; М.; Краснодар: Лань, 2004. – 254с.
Краткий справочник физико-химических величин. Изд. 10-е, исп. и доп. /
Под ред. А.А. Равделя и А.М. Пономаревой. – СПб.: «Иван Федоров», 2003.
– 240 с., ил.
Практикум по физической химии. Учеб. пособие для вузов. Изд. 3-е.
перераб. и доп. / Под ред. С.В. Горбачева. М.: – Высшая школа, 1974.–
496с.
Стромберг А.Г., Семченко Д.П. Физическая химия: Учеб. для хим.-технол.
спец. вузов. Изд. 3, перераб. и дополн. / Под ред. А.Г. Стромберга. – М.:
Высшая школа, 2006. – 526 с., ил.
ПРИЛОЖЕНИЕ
Таблица −Давление насыщенного пара воды [2]
t,°С
Р, Па
10
1227,1
15
1704,1
20
2336,8
25
3166,3
30
4241,7
35
5621,7
15