Термодинамика процесса диссоциации уксусной кислоты в водной среде по данным pH-метрии со стеклянным электродом Выполнили: студенты 2 курса 4 группы ФПХ Красникова Я.В, Попова Ю.С Введение Электролитами называются вещества, растворы которых обладают электрической проводимостью. В данной работе будет изучаться термодинамика процесса диссоциации уксусной кислоты. Цель работы: Изучение термодинамики процесса диссоциации уксусной кислоты. Задачи работы: 1. Приготовление исследуемых растворов. Калибровка стеклянного электрода при различных температурах по стандартным буферным растворам. Нахождение изоэлектрической точки. Измерение напряжения гальванического элемента в исследуемых растворах при различных температурах. 2. Построение графиков зависимости напряжения растворов от их pH. 3. Определение константы диссоциации уксусной кислоты, ΔG°, ΔS° и энтальпии процесса диссоциации, сравнение результатов. 4. Оценка влияния температуры на степень диссоциации уксусной кислоты. 2 Теория электролитов Электролит — вещество, которое проводит электрический ток вследствие диссоциации на ионы, что происходит в растворах и расплавах, или движения ионов в кристаллических решётках твёрдых электролитов. Примерами электролитов могут служить кислоты, соли, основания и некоторые кристаллы. Электролиты — проводники второго рода, вещества, электропроводность которых обусловлена подвижностью положительно или отрицательно заряженных ионов. Классификация электролитов. Существуют сильные электролиты, которые полностью диссоциируют в растворе, и слабые электролиты, которые не диссоциируют полностью. 3 Теория Аррениуса. Недостатки теории Аррениуса Начало развития представлений о строении растворов началось с теории электролитической диссоциации Аррениуса. 1. При растворении молекулы неорганических и органических кислот, оснований и солей, спонтанно диссоциируют на ионы. Теория Аррениуса не предполагала взаимодействие частиц друг с другом. В этой теории диссоциация молекул на ионы является неполной, лишь их часть, называемая степенью диссоциации α, распадается. Недостатки теории Аррениуса. 1. Не учитывает взаимодействие между ионами в растворе. Согласно теории Аррениуса, ионы в растворе распределены хаотично. Если это так, то раствор электролита идеальный. В реальности, это применимо только к слабым электролитам, поэтому данную теорию называют теорией слабых электролитов; 2. Не учитывает взаимодействие ионов с растворителем; 3. Не учитывает природу растворителя; 4. Не объясняет причину диссоциации электролитов в растворе на ионы. 4 Механизм образования растворов электролитов. Наиболее распространенным в природе растворителем является вода. Она обладает высокой диэлектрической проницаемостью, ε = 83. Диэлектрическая проницаемость - это отношение напряженности электрического поля в вакууме к напряженности поля в однородной изотропной среде при неизменных зарядах, создающих поле. Именно высокая диэлектрическая проницаемость воды является причиной разложения на ионы. При диссоциации происходит химическая реакция взаимодействия иона с молекулой растворителя (воды). Этот процесс называется сольватацией (гидратацией). Если при растворении в воде или другом растворителе энергия гидратации (сольватации) окажется равной или близкой к энергии связей кристаллической решетки, то в этом случае произойдет разрушение кристаллической решетки вещества и начнется процесс растворения и образования гидратированных (сольватированных) ионов. 5 Экспериментальная часть Этап 1. Получение калибровочных прямых Для получения калибровочных прямых использовали 5 стандартных растворов pH-метрии. Нашли изоэлектрическую точку по уравнениям калибровочных прямых для каждой из температур: при 18°С — 4,33; при 23°С — 4,30; при 30°С — 4,25; при 35°С — 4,25; E 170 120 70 20 -30 -80 -130 -180 -230 -280 f(x) = − 57,2579225452741 x + 247,810572233997 R² = 0,999138201389413 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 pH Рис 1. Калибровочный график при 18°С при 40°С — 4,18. 6 Экспериментальная часть Этап 2. Приготовление растворов уксусной кислоты По результатам объемного титрования получили растворы с концентрациями (моль/дм3): 0,3; 0,15; 0,075; 0,03; 0,015; 0,0075; 0,003; 0,0015. Этап 3. Определение напряжения гальванического элемента Результаты измерений представлены в таблице 2. Таблица 2. Напряжение в цепи, составленной из стеклянного и хлоридсеребряного электродов, в растворах уксусной кислоты при различных температурах 7 Экспериментальная часть Этап 4. Определение pH растворов уксусной кислоты при различных температурах По полученным уравнениям калибровочных прямых определили рН растворов уксусной кислоты для каждой из температур. Полученные значения представлены в таблице 3. Таблица 3. pH растворов уксусной кислоты при различных температурах 8 Экспериментальная часть Этап 5. Определение константы диссоциации уксусной кислоты С помощью уравнения нашли значения pKa . Затем через уравнение определили константу диссоциации уксусной кислоты для каждой из температур и концентраций. Полученные значения занесли в таблицу 4 и 5. Таблица 4. рКа растворов уксусной кислоты при различных температурах Таблица 5. Константа диссоциации растворов уксусной кислоты при различных температурах 9 Экспериментальная часть Этап 6. Вычисление ΔG0, ΔS0 и энтальпии процесса диссоциации Для вычислений использовали формулу и формулу . Полученные результаты вычислений для каждой из температур занесли в таблицу 7. Получили график зависимости энергии Гиббса от температуры. Из полученного уравнения свободный коэффициент является энтальпией, а энтропия — тангенсом угла наклона. ΔH = 7,404 кДж/моль ΔS = 0,064 кДж/моль Таблица 7. Средние значения энергии Гиббса при различных температурах Рис 7. График зависимости энергии Гиббса от температуры 10 Экспериментальная часть Этап 7. Оценка влияния температуры на степень диссоциации уксусной кислоты Нашли степень диссоциации уксусной кислоты через закон разведения Оствальда: α= √ К дис С Полученные значения занесли в таблицу 7. Проанализировав таблицу, сделали вывод о том, что с ростом температуры и уменьшением концентрации растет степень диссоциации. Таблица 7. Степень диссоциации уксусной кислоты при различных концентрациях и температурах 11 Заключение По данным рН-метрии определены константы диссоциации уксусной кислоты при различных температурах (18, 23, 30, 35 и 40 °С): 2,37•10-5, 2,21•10-5, 2,07•10-5, 2,48•10-5, 3,09•10-5 соответственно. Получены значения ΔG0 при температурах 18, 23, 30, 35 и 40 °С: 25,754; 26,368; 27,157; 27,142 и 27,011 кДж/моль соответственно, ΔS0 = 0,064 кДж/моль и ΔH = 7,404 кДж/моль. 12 Список использованной литературы 1. Дамаскин, Б. Б. Электрохимия / Б. Б. Дамаскин, О. А. Петрий, Г. А. Цирлина 4; 2-е изд. – Москва : КолоС, 2006. 2. Практические работы по физической химии / Под ред. К.П. Мищенко, А.А. Равделя, А.М. Пономаревой. - Л., 1982. 3. Кравцов В.И. Равновесие и кинетика электродных реакций комплексов металлов / В.И. Кравцов. - Л., 1985. 4. Шаталов А.Я. Практикум по физической химии / А.Я. Шаталов, И.К. Маршаков. - М., 1975. 5. Практикум по физической химии / Под ред. В.В. Буданова, Н.К. Воробьева. – М., 1986. 6. Клындюк А.И. Физическая химия / А.И Дамаскин, Г.С Петров, Е.А Чижова, 2013. 13
