лабораторный практикум - Бузулукский гуманитарно

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ
ФЕДЕРАЦИИ
Бузулукский гуманитарно-технологический институт (филиал)
федерального государственного бюджетного образовательного учреждения
высшего профессионального образования
«Оренбургский государственный университет»
Кафедра биологии
Е.В. КРИВОЛАПОВА
ФИЗИЧЕСКАЯ И КОЛЛОИДНАЯ ХИМИЯ
ЛАБОРАТОРНЫЙ ПРАКТИКУМ
Рекомендовано к изданию Редакционно-издательским советом
Бузулукского гуманитарно-технологического института (филиала) ОГУ в
качестве учебного пособия для студентов по направлению подготовки
020400.62 - Биология
Бузулук
БГТИ (филиал) ОГУ
1
2012
УБК 577.4
ББК 28.072
К-82
Рецензент: кандидат биологических наук, доцент кафедры биологии
М.С.Малахова; доктор биологических наук Т.Ю.Паршина
Криволапова Е.В.
К-82 Физическая и коллоидная химия: лабораторный практикум
/Е.В.Криволапова; Бузулукский гуманитарно-технологич. ин-т (филиал)
ОГУ - Бузулук: БГТИ (филиал) ОГУ, 2012. – 111 с.
Лабораторный практикум включают в себя методические указания к
выполнению лабораторных работ, контрольные вопросы, задачи, тесты
контроля качества усвоения дисциплины, рекомендуемую литературу для
изучения дисциплины. В него включены работы по разделам, необходимым для
изучения физической и коллоидной химии студентов биологов.
Лабораторный практикум представляет собой руководство для
выполнения лабораторных работ по физической и коллоидной химии
студентам очной формы обучения по направлению подготовки 020400.62 Биология в 3 семестре.
ББК 28.072
УБК 577.4
К-82
© Криволапова Е.В., 2012
2
© БГТИ (филиал) ОГУ, 2012
Содержание
Введение.
Правила техники безопасности в биохимической лаборатории
I Лабораторные работы по физической химии
Лабораторная работа 1. Определение массы моля вещества
измерением его объема в газообразном состоянии.
Лабораторная работа 2. Газовые законы.
Лабораторная работа 3.Вязкость раствора
Лабораторная работа 4. Поверхностное натяжение
Лабораторная работа 5. Химическая термодинамика
Лабораторная работа 6. Скорость химической реакции
Лабораторная
работа
7.
Молекулярные
растворы.
Коллигативные свойства растворов
Лабораторная работа 8. Гальванические элементы
Лабораторная работа 9. Основы электрохимии. Электролиз
II Лабораторные работы по коллоидной химии
Лабораторная работа 1. Введение
Лабораторная работа 2. Методы получения коллоидных систем
Лабораторная
работа 3. Получение лиофильных коллоидов.
Лабораторная работа 4. Адсорбция
Лабораторная работа 5. Коагуляция
Лабораторная работа 6. Определение порога коагуляции.
Взаимная коагуляция
Лабораторная работа 7. Коагуляция желатина путем
дегидратации его спиртом в изоэлектрической точке.
Лабораторная работа 8. Определение электрокинетического
потенциала золя методом электрофореза
Лабораторная работа 9. Пены
Вопросы к зачету по физической и коллоидной химии
Вопросы к экзамену по физической и коллоидной химии
Проверка и контроль знаний по физической и коллоидной
химии
Список использованных источников
3
4
5
7
10
12
14
16
18
20
22
23
25
27
30
32
34
35
38
41
44
46
48
50
52
54
58
Введение
Лабораторные (практические) занятия — одно из важнейших звеньев
учебно-педагогического процесса. Здесь студенты получают навыки
экспериментальной работы, умение обращаться с приборами, самостоятельно
делать выводы из полученных опытных данных и тем самым более глубоко и
полно усваивать теоретический материал изучаемой дисциплины.
Предлагаемое учебное пособие составлено в соответствии с программой курса
«Основы физической и коллоидной химии» для студентов-биологов.
Практикум включает 18 лабораторных работ, исходя из наличия лабораторного
оборудования. В данном издании обращено внимание на размерность единиц,
которые даны в системе международных единиц измерения (СИ).
Лабораторные работы имеют целью практическое освоение студентами
научно-теоретических положений физической и коллоидной химии, овладение
ими техникой экспериментальных исследований и анализа полученных
результатов, привитие навыков работы с лабораторным оборудованием,
контрольно- измерительными приборами и вычислительной техникой.
При выполнении лабораторных работ студенты должны научиться
безопасным приемам обращения с химическими реактивами, приборами и
посудой, приобрести навыки исследования химических процессов и
использования справочной и научной литературы.
Настоящий практикум составлен в соответствии со стандартом и учебной
программой по биологической химии для направления подготовки 020400.62 Биология и может быть успешно использован студентами других
специальностей, изучающими физическую и коллоидную химию.
В лабораторном практикуме приведены правила техники безопасности
при работе в лаборатории неорганической химии, приведены условия и
аналитические эффекты качественных реакций на важнейшие классы
соединений, а также перечислен необходимый минимум лабораторного
оборудования и химической посуды.
Для более углубленного изучения курса физической и коллоидной химии,
в практикум включены таблицы, схемы, рисунки, углубляющие знания основ
физколлоидной химии. Закреплению учебного материала способствуют
приводимые после каждой темы контрольные вопросы и тесты.
Теория и навыки, полученные в ходе изучения физической и коллоидной
химии, позволят студентам лучше разобраться в процессах, протекающих в
природе и при производстве химических веществ.
Для выполнения каждой лабораторной работы необходимо:
1) ознакомиться по рекомендуемому учебнику с тем разделом физической
и
коллоидной
химии,
к
которому
относится
данная
работа;
2) внимательно прочитать и понять содержание теоретического введения
к выполняемой лабораторной работе, в котором рассматриваются основные
закономерности изучаемых физико-химических процессов, физический смысл
4
размерности величин, которые используются при решении практической
задачи, а также формулируется цель работы, которую необходимо отчетливо
представлять, чтобы вполне сознательно выполнить экспериментальную
работу;
3) ознакомиться со схемой и описанием прибора, перечнем необходимой
посуды и реактивов и порядком составления отчета;
4) выполнить опыт;
5) составить отчет о работе;
6) ответить на контрольные вопросы.
Составление отчета
По окончании каждой лабораторной работы составляется отчет. В отчете
указать номер работы, ее название и дату выполнения. Затем записать основные
уравнения и формулы, пользуясь которыми были выполнены соответствующие
расчеты. Полученные данные опыта занести в таблицу, подсчитать средние
величины и произвести расчеты с указанием размерности полученных величин.
В случае если одна из полученных экспериментальных величин намного
отличается от других, она отбрасывается и не учитывается при подсчете
средней величины.
При выполнении некоторых работ требуется составить график или
сделать вычисления на основании графиков. Поэтому от правильности
построения графиков, выбора масштабов по осям координат в значительной
мере зависит правильность и точность ответа. Для графиков, как правило,
следует выбирать по возможности более крупные масштабы.
При их построении следует указать по осям координат единицы
измерения. Обычно на осях координат откладываются не численные значения
опытных данных, а определенные масштабные числа полученных значений
величин. Например, в опыте получено: 0,02; 0,03; 0,05; в этом случае
откладываются масштабные величины: 2, 3, 5 и т. д., а когда в опыте получены
целые числа с некоторой дробной частью, на соответствующей оси координат
следует откладывать только целые числа.
В некоторых опытах функциональная зависимость двух величин является
линейной, т. е. описывается прямой линией, но опытные данные не
укладываются на прямую, а имеют разброс, что объясняется некоторыми
ошибками опыта. В этом случае прямая проводится так, чтобы все полученные
точки (данные эксперимента) ложились равномерно по обе стороны прямой. По
построенным кривым можно найти величины, находящиеся между
экспериментальными точками (данными, полученными опытным путем).
Например, по графику зависимости растворимости веществ от температуры, по
кривой растворимости можно найти растворимость при любой температуре, а
не только при измеренной.
При построении графика рекомендуется пользоваться миллиметровой
бумагой.
5
Техника безопасности в лаборатории неорганической химии
1 Приступая к работе в лаборатории, студенты должны ознакомиться с
расположением средств пожаротушения и первой медицинской помощи.
2 При подготовке к лабораторной работе студенты должны внимательно
изучить задание по выполнению опытов, обратив особое внимание на правила,
обеспечивающие безопасное выполнение работы, а также познакомиться со
свойствами используемых в лаборатории веществ (огнеопасность, токсичность
и т.д.).
3 При работе в лаборатории необходимо соблюдать чистоту,
аккуратность, быть внимательным, исключить попадание веществ на кожу и
одежду, не трогать руками лицо и глаза, тщательно мыть руки с мылом.
4 В лаборатории не разрешается принимать пищу, пить воду из
лабораторной посуды, пробовать вещества на вкус. Нюхать вещества можно
лишь осторожно, направляя к себе пары или газ движением руки.
5 Категорически запрещается одному работать в лаборатории.
6 Нельзя проводить опыты в загрязненной посуде.
7 Органические соединения в паро- и газообразном состоянии в смеси с
воздухом способны взрываться. Не допускайте образования таких смесей .
8 При проведении работ по сплавлению со щелочью, металлическим
натрием, концентрированными кислотами всегда следует пользоваться
защитными очками, резиновыми перчатками.
9 Работу с большинством органических веществ следует проводить
только в вытяжных шкафах или в хорошо проветриваемом помещении.
10 Остатки реактивов следует обезвреживать и сливать в специальные
емкости для отходов.
11 При проведении работы по сплавлению органического вещества с
металлическим натрием следите, чтобы вблизи не было воды. Резать натрий
можно только на сухой фильтровальной бумаге, защитив себя очками или
маской. По окончании работы необходимо тщательно собрать все остатки не
прореагировавшего натрия в банку с керосином, мелкие остатки уничтожают,
растворяя их в спирте.
12 При работе с бромом следует помнить, что это очень ядовитое
вещество, сильно действующее на слизистые оболочки и образующее на коже
трудно заживающие ожоги. Все работы с бромом проводят в вытяжном шкафу.
В случае ожога бромом обожженное место продолжительное время
обрабатывают спиртом, затем направляют пострадавшего в медицинский
пункт.
13 При попадании кислот на кожу нужно быстро промыть пораженное
место струей воды, а затем – 2-3 %-ным раствором соды. При ожоге едкими
щелочами надо также хорошо промыть пораженное место водой, а затем – 23%-ным раствором уксусной кислоты. При случайном попадании кислоты или
щелочи в глаза тотчас промыть их большим количеством воды, а затем
6
обработать тампоном, смоченным в растворе соды или борной кислоты, и вновь
промыть водой.
14 Концентрированные кислоты, щелочи, ядовитые и сильно пахнущие
вещества обязательно хранить в хорошо вентилируемом вытяжном шкафу.
15 Легковоспламеняющиеся и взрывоопасные жидкости должны
храниться в металлических шкафах в количестве, не превышающем
ежедневной потребности.
16 В случае воспламенения одежды необходимо немедленно
набросить на пострадавшего халат, одеяло, пиджак и т.д. Ни в коем случае не
давать ему бежать, так как это усиливает пламя. При возникновении пожара
нужно сразу отключить вентиляцию и электроэнергию и принять меры к
ликвидации загорания. При необходимости вызвать пожарную команду. При
воспламенении эфира, бензола, бензина нельзя применять для тушения воду. В
этих случаях пламя тушат песком или асбестовым одеялом.
17 При работе со стеклом и химической посудой необходимо соблюдать
правила предосторожности.
18 Запрещается беспорядочно смешивать органические вещества и
проводить какие-либо опыты, не связанные с программой обучения.
19 После выполнения опытов сдать реактивы, посуду и оборудование
лаборанту или преподавателю (дежурному).
7
I Лабораторные работы по физической химии
Работа 1 Определение массы моля вещества измерением его объема в
газообразном состоянии.
Цель работы:
- ознакомление с одним из методов определения массы моля веществ,
переходящих при нагревании без разложения в газообразное состояние.
- определение массы моля неизвестного вещества.
Принадлежности для работы. Прибор для определения массы моля
методом вытеснения воздуха; штатив; кристаллизатор на 500 мл;
газоизмерительная трубка на 50 см3; газовая горелка; ампулки; миллиметровая
линейка. Описание прибора. Прибор для определения массы моля вещества
изображен на рисунке 1.
Теоретическая часть. Эквивалент – это реальная или условная частица
вещества, которая может замещать, присоединять, высвобождать, а также быть
каким-либо образом равнозначной одному атому или иону водорода в
кислотноосновных или ионообменных реакциях или одному электрону в
окислительно-восстановительных реакциях.
Эквивалентная масса – это масса моля эквивалентов.
Закон эквивалентов: Вещества взаимодействуют друг с другом в
эквивалентных
соотношениях,
т.е.
эквивалент
одного
вещества
взаимодействует с эквивалентом другого вещества, а моль одного вещества
взаимодействует с молем другого вещества.
Экспериментальная
часть.
Определение
молярной
массы
эквивалентов металла (Мg , А1, или Zn) методом вытеснения водорода
воронка
штатив
бюретка
соединительная
трубка
пробирка
Рисунок 1 – Прибор для определения массы моля методом вытеснения
воздуха
8
Метод основан на измерении объема водорода, который выделяется из
кислоты при действии на него металла.
Укрепите бюретку и пробирку, соединенные резиновой трубкой в
штативе. Налейте в них воды приблизительно до половины. Бюретку закройте
пробкой с газоотводной трубкой, к которой присоедините пробирку, где будет
происходить химическая реакция между кислотой и металлом. Наливаем в
пробирку кислоту, насыпаем туда металл, перемешиваем, определяем объем
водорода выделившегося в результате реакции.
Объем выделившегося водорода определяют по разности уровня воды в
бюретке до и после опыта при давлении, равном атмосферному. Даже при
комнатной температуре пар над поверхностью воды обладает давлением. Для
определения парциального давления водорода необходимо из атмосферного
давления вычесть давление насыщенного водяного пара h.
Выполнение опыта
Получите навеску металла у преподавателя. В пробирку на 1/4 налейте
соляной кислоты, поместите навеску металла так, чтобы он не касался кислоты.
Отметьте уровень воды в бюретке по нижнему мениску. Стряхните металл в
кислоту. Что наблюдаете?
После охлаждения пробирки вновь приведите воду в бюретке к одному
уровню и запишите новый уровень. По разности уровней воды до и после
реакции рассчитайте объем выделившегося водорода.
По данным опыта определите молярную массу эквивалентов металла.
Сравнивая ее с теоретическим значением молярной массы эквивалентов
металлов, определите, какой металл (Мg , А1, или Zn) был взят для реакции.
Запишите уравнение реакции взаимодействия металла с соляной
кислотой.
Экспериментальные данные (пример):
t = 22º; T = 295K;
p = 759 мм.рт.ст.;
mAl = 0,0148 ;
T0 = 273K;
p0 = 760 мм.рт.ст.; h = 19,827 мм.рт.ст.
РН2 = Ратм – h
220
230
240
250
VH = 49 мл.
при температуре
h = 2,64 кПа
h = 2,81 кПа
h = 2,99 кПа
h = 3,17 кПа
9
Расчет экспериментальных данных:
1
Приводим объем выделившегося водорода к нормальным условиям:
V0  p0 V  p  h 
V  p  h   T0 49759  19,827   273

; V0 

 44,1 мл.
T0
T
p0  T
760  295
2
металла:
Определяем эквивалентную массу одного моля эквивалента
m Al  ЭH 2 0,0148  11200
m Al Э Al

;Э Al 

 3,8г / моль ;
VH 2 ЭH 2
VH 2
44,1
3
(1.1)
(1.2)
Рассчитываем относительную и абсолютную ошибку эксперимента:
Абс.ошибка  Э  Этеор  3,8  9  5,2
Отн.ошибка 
Э  Э  100%  3,8  9 100%  57,7%
теор
Этеор
(1.3)
9
Вывод: Определена эквивалентная масса металла Al равная 3,8 г/моль,
ошибка абсолютная равна 5,2 , ошибка относительная равна 57,7%.
Задачи для самостоятельного решения
1 Сколько молей эквивалентов цинка вступило в реакцию с кислотой,
если при этом выделилось 2,8 л водорода, измеренного при нормальных
условиях? Ответ: 0,25 моль эквивалентов.
2 Металл, массой 0,50 г вытеснил из раствора кислоты 198 мл водорода,
собранного и измеренного над водой при 25 0 С и 745мм.рт.ст. Давление
насыщенного водяного пара 23,5 мм рт.ст. Рассчитайте молярную массу
эквивалентов металла. Ответ: 32,7 г/моль
3 При взаимодействии 6,75 г металла с серой образовалось 18,75 г
сульфида. Рассчитайте молярную массу эквивалентов металла. Ответ: 9
г/моль.
4 Вычислить атомную массу двухвалентного металла и определить,
какой это металл, если 8,34 г металла окисляются 0,680 л кислорода
измеренного при нормальных условиях
5 На образование 43,239 г гидрида щелочного металла требуется 5,6 л
водорода, измеренного при нормальных условиях. Вычислите эквиваленты
щелочного металла и его гидрида. Какой это металл?
10
Работа 2 Газовые законы.
Газообразное состояние вещества характеризуется давлением Р,
температурой Т и объемом V. Если давление и температура состояния равны
соответственно 101,325 кПа или 760 мм.рт.ст. (Р0) и 00С или 273 К (Т0), то
условия при которых находится газ, называются нормальными. Газ,
находящийся при нормальных условиях, характеризуется параметрами
состояния Р0, Т0, V0.согласно закона Бойля-Мариотта, при Т-const, давление
данной массы газа обратно пропорционально его объему:
𝑃1
𝑃2
𝑉2
=
𝑉1
или Р𝑉 = 𝑐𝑜𝑛𝑠𝑡
(2.1)
в соответствии с законом Гей-Люссака при Р-const объем газа прямо
пропорционален абсолютной температуре:
𝑉1
𝑇1
=
𝑉2
𝑇2
или
𝑉
𝑇
− 𝑐𝑜𝑛𝑠𝑡
(2.2)
Если V-const, то согласно закону Гей-Люссака, давление прямо
пропорционально абсолютной температуре:
𝑃1
𝑇1
=
𝑃2
𝑇2
или
𝑃
𝑇
− 𝑐𝑜𝑛𝑠𝑡
(2.3)
Объем газа V, его давление и абсолютная температура Т связаны между
собой уравнением, объединяющим законы Бойля-Мариотта и Гей-Люссака:
𝑃𝑉
𝑇
=
𝑃0 𝑉0
𝑇0
(2.4)
где Р0,V0, Т0 – это давление, объем и температура при н.у. Привести
объем газа к н.у. – значит пересчитать его объем при данных условиях на объем
при н.у.
Закон Авогадро: в равных объемах различных газов при одинаковой
температуре и давлении содержится одинаковое число молекул, отсюда
следует, что массы двух одинаковых объемов различных газов (при изобарноизотермических условиях ) будут относиться, как их молекулярные массы:
𝑚1
𝑚2
𝑚1
𝑚2
=
𝑀1
𝑀2
(2.5)
=D – относительная плотность 1-го газа по второму. Если плотность
измерена по Н2, (М2 = 2 г/моль), то М1 = 2D(Н2), если по воздуху - 29D(возд).
Молекулярная масса газа может быть вычислена по уравнению
Менделеева-Клапейрона:
11
𝑃𝑉 =
𝑚
𝑀
𝑅𝑇, откуда 𝑀 =
𝑚𝑅𝑇
(2.6)
𝑃𝑉
где R- универсальная газовая постоянная, R = 8,314 *103Дж/моль*К.
Примеры решения задач
Задача №1 Литр одного газа, взятого при н.у. весит 1,43 гр., второго – 0,9
гр. Найдите число молекул во взятых объемах газов. Исключите лишние
данные и проведите расчеты.
Дано:
m(1 л газа 1) = 1,43 гр
m(1 л газа 2) = 0,09 гр
Найти: N
Решение: n = V/Vm, следовательно, лишние данные – массы газов.
V/Vm= N/NA= 1/22,4 = n/6,02*1023, отсюда N= 6,02*1023/22,4 =
2,68*1022млоекул
Ответ: 2,68*1022молекул
Задача №2. Какой объем занимает 34 гр NН3 при 1270С и давлении 4
атмосферы.
Дано:
m(NН3) = 34 г
Т = 1270С
Р = 4 атм.
Найти: V-?
Решение:
1 способ – с использованием уравнения Менделеева-Клапейрона:
𝑃𝑉 =
𝑚
𝑚𝑅𝑇
𝑅𝑇, откуда 𝑉 =
𝑀
𝑀𝑃
М (NН3) = 17 г/моль
0,082лт атм
34гр ∗ 400К ∗
∗К
𝑚𝑅𝑇
1115,2
моль
𝑉=
=
=
= 16,4 л
𝑀𝑃
17г/моль ∗ 4 атм
68
Ответ: 16,4 л
12
2 способ – с применением закона Бойля-Мариотта:
𝑃𝑉
𝑃0 𝑉0
=
𝑇
𝑇0
𝑃0 − 1 атм
P = 4 атм
𝑇0 − 273К
T = 400K
𝑉0 = 𝑛𝑉𝑚
n = m/M = 34/17 = 2 моль;
𝑉0 = 2 моль ∗ 22,4
моль
= 44,8 л
л
𝑃𝑉
𝑃0 𝑉0
𝑇 𝑃0 𝑉0 400К ∗ 1атм ∗ 44.8л
=
𝑉=
=
= 16.4 л
𝑇
𝑇0
𝑇0 𝑃
273К ∗ 4атм
Задача № 3. Углекислый газ находится в 20-литровой емкости при
температуре 220С и давлении 500кПа. Определить массу газа.
Дано: V= 20л
Т = 220С
Р = 500 кПа
Найти: m -?
𝑃𝑉 =
𝑚
𝑚
𝑃𝑉
𝑀𝑃𝑉
44 ∗ 500 ∗ 20 440 .000
𝑅𝑇, откуда
=
,𝑚 =
=
=
𝑀
𝑀
𝑅𝑇
𝑅𝑇
8.314 ∗ 295
2451.45
= 179.48г
Ответ: 179,48 г
Задача № 4. Сколько молекул содержится в 1 мл хлора при 270С и
давлении 1,2 атм.
Дано: V= 1 мл
Т = 270С
Р = 1,2 атм.
Найти: N-?
𝑚
𝑚
𝑃𝑉
1.2 ∗ 0.001 0.0012
𝑃𝑉 = 𝑅𝑇, откуда
= 𝑛, 𝑛 =
=
=
= 0.0000487
𝑀
𝑀
𝑅𝑇
0.082 ∗ 300
24.6
𝑛=
𝑁
= 0.0000487 ∗ 6.02 ∗ 1023 = 2.931 ∗ 1019
𝑁𝐴
Ответ: 2.931 ∗ 1019
13
Задания для самостоятельного решения
1 Кислород, занимающий объем при Т = 170С и давлении 722 мм.рт.ст,
превратился в озон. Сколько молекул озона получилось?
2 В замкнутом сосуде емкостью 500мл находится 50мл 25% раствора
НС1 с плотностью 1,124г/мл и 0,5 г цинка . Каким будет давление в сосуде,
если до опыта было 1 атм?
3 В стальном баллоне объемом 5 л находится аммиак при температуре
0
22 С и давлении 620 кПа. Какая масса гидросульфата аммония может быть
получена, если весь аммиак пропустить через избыток серной кислоты.
Работа 3 Вязкость раствора. Определение вязкости жидкости
капиллярным вискозиметром
Цель работы:
- знакомство с одним из методов определения вязкости жидкостей при
заданных условиях вискозиметром.,
- изучение температурной зависимости жидкости; сравнение с газом.
Приборы и принадлежности: вискозиметр, термостат, секундомер,
дистиллированная вода, исследуемые жидкости, резиновая груша, термометр,
штатив, резиновая трубка, дистиллированная вода, этиловый спирт, глицерин.
Вязкость жидкости определяют по отношению к вязкости воды, измеряя
время истечения под собственным давлением одинаковых объемов
исследуемой жидкости и воды в одном и том же вискозиметре. Проводить опыт
при постоянной температуре.
Капиллярный вискозиметр Оствальда представляет собой U -образную
трубку АВDЕ (cм. рисунок). Широкое колено трубки -АВ внизу расширено.
Другое колено состоит из капилляра с расширением D вверху, переходящего в
трубку Е. Метки a и b ограничивают определенный объем жидкости. Для
заполнения жидкостью колена ED трубка Е соединена с аспиратором F.
Рисунок 2 – Капиллярный вискозиметр Оствальда
14
Прибор заполнен испытуемой жидкостью и погружен в водяной
термостат так, чтобы уровень воды в термостате был выше метки a. В
аспиратор наливают воду до отростка, переходящего в трубку Е. Если открыть
N -кран аспиратора, то давление в нем уменьшится и испытуемая жидкость
поднимается в расширение D. Кран закрывают, когда жидкость поднимется
немного выше метки a. Если теперь открыть зажим К аспиратора, жидкость
станет перетекать из D в B через капилляр.
Измеряют ∆τ1 - время истечения жидкости от метки а до метки b. Затем
по формуле (3.1) вычисляют коэффициент вязкости. Величины ρ1, ρ2 и η2
берут из таблиц. Опыт повторяют в интервале температур от комнатной до
85С0 через каждые 10С0 и строят график η1= η1(t) .
Ход работы:
1
Вымыть и просушить вискозиметр.
2
Надеть резиновую трубку.
3
Погрузить вискозиметр в большой химический стакан с водой
0
(25 С), так чтобы верхняя метка А находилась в воде.
4
Налейте воды в вискозиметр до метки С. Через 10 минут засосите в
узкую трубку воду, так чтобы она была чуть выше метки А.
5
Выньте резиновую трубку изо рта и следите, когда вода опустится
до метки А. В это время включите секундомер. Остановите его, когда вода
достигнет метки В.
6
Опыт повторите три раза и возьмите среднее значение воды.
7
Возьмите исследуемую жидкость. Промойте ею вискозиметр и
проделайте опыт три раза.
8
На основании результатов опыта рассчитайте относительную
вязкость по формуле:
𝜂ж = 𝜂Н2О
𝜌ж х 𝜏ж
𝜌Н2О х 𝜏Н2О
где η - вязкость (коэффициент вязкости)
ρ – плотность
τ - время истечения
или
𝑔𝑥𝑇𝑥𝐾
𝜂=
9.807
где K - постоянная вискозиметра 0,009086 мм2/с2
η - вязкость жидкости
τ - время истечения жидкости
g - ускорение свободного падения (м/сек2)
вязкость Н2О – 1,005 10 -3Па с
d спирта 0,80 г/см3
d глицерина 1,26 г/см3
15
(3.1)
(3.2)
Работа 4 Поверхностное натяжение
Вопросы для коллоквиума. Поверхностная энергия и поверхностное
натяжение на границе раздела фаз. Адсорбция на границе раствор-пар.
Изотерма поверхностного натяжения, изотерма адсорбции. Уравнение Гиббса.
Поверхностная активность. Поверхностно-активные и инактивные вещества.
Правило Траубе-Дюкло.
Цель работы:
- знакомство с одним из методов определения поверхностного натяжения
при заданных условиях сталагмометром,
- изучение температурной зависимости поверхностного натяжения
жидкости; зависимости от концентрации.
Приборы и принадлежности: сталогмометр, термостат, секундомер,
дистиллированная вода, исследуемые жидкости, резиновая груша, термометр,
штатив, резиновая трубка, дистиллированная вода.
Теоретическая часть. При исследовании поверхностных явлений на
границе газ – жидкость наиболее часто используется метод, основанный на
измерении поверхностного натяжения этой границы раздела, позволяющий,
несмотря на его простоту, получить достаточно надежные данные.
Существующие методы определения поверхностного натяжения делятся
на три группы: статические, полустатические и динамические.
Статическими методами определяется поверхностное натяжение
практически неподвижных поверхностей, образованных задолго до начала
измерений и поэтому находящихся в равновесии с объемом жидкости. К этим
методам относится метод капиллярного поднятия и метод лежащей или
висящей капли (пузырька).
Динамические методы основаны на том, что некоторые виды
механических воздействий на жидкость сопровождаются периодическими
растяжениями и сжатиями ее поверхности, на которые влияет поверхностное
натяжение. Этими методами определяется неравновесное значение  . К
динамическим методам относятся методы капиллярных волн и колеблющейся
струи.
Полустатическими называются методы определения поверхностного
натяжения границы раздела фаз, возникающей и периодически обновляемой в
процессе измерения (метод максимального давления пузырька и
сталагмометрический метод), а также методы отрыва кольца и втягивания
пластины. Эти методы позволяют определить равновесное значение
поверхностного натяжения, если измерения производятся в таких условиях, что
время, в течение которого происходит формирование поверхности раздела,
значительно больше времени установления равновесия в системе.
16
Теоретическое обоснование. Метод счета капель (сталагмометрический). Физические основы сталагмометрического метода заключаются в
следующем.
В момент отрыва капли жидкости от нижнего конца вертикальной трубки
ее вес Р уравновешивается силой поверхностного натяжения F , которая
действует вдоль периметра шейки капли и препятствует ее отрыву. В первом
приближении можно считать, что
P  2 R ,
(4.1)
где R – внутренний радиус трубки. Так как в момент отрыва F =Р, то,
определив вес капли Р, можно вычислить поверхностное натяжение.
Если при вытекании объема жидкости V образовалось n капель, то вес
одной капли Р равен Р  Vg / n , где  – плотность, g – ускорение свободного
падения. При отрыве капли F = Р и
Vg
 2R
n
(4.2)
Для стандартной жидкости (с известным поверхностным натяжением)
V 0 g
 2R 0
n0
(4.3)
Поделив одно выражение на другое, получим
n
n

 0 , откуда    0 0
 0 0n
0n
(4.4)
Для определения числа капель, образуемых при вытекании
определенного объема жидкости, пользуются сталагмометром (рис. 3).
Он представляет собой стеклянную трубку с расширением посередине,
заканчивающуюся капилляром. Иногда трубка имеет горизонтальную часть
(см. рис. 3), в которую впаян тонкий капилляр, чтобы замедлить истечение
жидкости. Выше и ниже расширения нанесены метки, ограничивающие объем
V. Для расчета  определяют число капель n0 и n, которые образуют
Рисунок 3 – Сталагмометры
17
1
2
3
4
Рисунок 4 – Сталагмометрическая установка
соответственно стандартная жидкость (обычно дистиллированная вода) и
исследуемая жидкость при вытекании от верхней до нижней метки.
Сталагмометрическая установка изображена схематически на рис. 4.
Измерения проводят следующим образом. Перекрыв кран 1, при открытом
кране 2 слегка сжимают резиновую грушу 3, после чего кран 2 закрывают.
Приподняв кювету (стаканчик) 4, погружают кончик сталагмометра в
исследуемую жидкость (кювета должна быть заполнена на ~ 3/4 объема).
Слегка приоткрыв кран 1, медленно засасывают жидкость в сталагмометр. Как
только мениск пересечет верхнюю метку, немедленно закрывают кран, но не
опускают кювету. Необходимо выждать некоторое время, пока не прекратится
повышение уровня жидкости в сталагмометре, иначе в него попадет воздух.
Когда мениск остановится, кювету опускают на столик. Жидкость начинает
медленно по каплям вытекать из сталагмометра. Прибор сообщается с
атмосферой через тончайший капилляр 5, благодаря чему достигается
достаточно малая скорость образования капель (одна капля за ~ 10…15 с). Как
только мениск достигает верхней метки, начинают счет капель, при
достижении нижней метки – заканчивают.
С растворами каждой концентрации (начиная с дистиллированной воды)
проводят измерения не менее трех раз. По окончании работы сталагмометр
промывают дистиллированной водой.
Результаты измерений записывают в таблицу 1.
Таблица 1 – Результаты
сталагмометрическим методом
определения
Исследуемое Концентрация,
Число капель
вещество
моль/л
1
2
поверхностного
Среднее
значение n
3
натяжения
  103,
Н/м
Поверхностное натяжение рассчитывают по формуле (4.5).
 0
n0
0n
18
(4.5)
Значение  0 при температуре опыта берут из справочника либо
рассчитывают по формуле
 0     (T  293) ,
(4.6)
где  0 – поверхностное натяжение воды при температуре 293К (72,75
мН/м);  – температурный коэффициент поверхностного натяжения (для
воды  = -0,15 мН/м К). Отношение 
для используемых в работе
0
разбавленных растворов ПАВ можно принять равным единице.
В таблицу вносят также данные для воды (с = 0).
Работа 5 Химическая термодинамика
Общие закономерности химических реакций
Вопросы для коллоквиума. Первый закон термодинамики формулировки и аналитическое выражение. Внутренняя энергия системы.
Внутренняя энергия как функция состояния. Работа расширения идеального
газа в основных термодинамических процессах. Энтальпия. Термохимия.
Тепловые эффекты химических процессов. Теплоты образования и сгорания
веществ. Теплота растворения. Закон Гесса и его следствия.
Цель занятия:
- изучить основные закономерности протекания химических реакций;
- рассмотреть энергетику химических реакций,
-научиться производить химико-термодинамические расчеты по
вычислению энтальпии, энтропии и энергии Гиббса.
Науку о взаимных превращениях различных видов энергии друг в друга
называют термодинамикой. Любые процессы, происходящие в системе,
сопровождаются изменением внутренней энергии реагирующих веществ (ΔU).
Если внутренняя энергия уменьшается (ΔU<О), то реакция протекает с
выделением энергии (экзотермические реакции). Если внутренняя энергия
увеличивается (ΔU>О), то процесс сопровождаются поглощением энергии из
внешней среды (эндотермические реакции)
Изменения внутренней энергии определяется уравнением.
ΔU = Q - А,
(5.1)
где Q - количество теплоты; А - работа, совершенная системой.
Если реакция протекает при постоянном объеме (ΔV=О), то работа
расширения системы А = рΔV. Если при этом не совершаются и другие виды
19
работы, то ΔU = Q, где Q – тепловой эффект реакции, (т.е. количество
поглощенной системой теплоты) протекающей при постоянном объеме.
Если реакции идут с изменением объема, но при постоянном давлении,
то в этом случае пользуется не внутренней энергией (Q), а энтальпией Н,
которая определяется соотношением
Н = U + рΔV или ΔН = ΔU + рΔV,
(5.2)
т.е изменение энтальпии равно сумме изменения внутренней энергии
(ΔU) и совершенной системой работы ( рΔV).
Энтальпия есть функция состояния системы. Ее изменение определяется
только начальными и конечными состояниями системы и не зависит от пути
перехода.
Термохимические расчеты основаны на законе Гесса:
Тепловой эффект реакции зависит только от природы и физического
состояния исходных веществ и конечных продуктов, но не зависит от пути
перехода.
Следствие из закона Гесса:
Изменение энтальпии химической реакции (ΔНхр) равно сумме теплот
образования Δ Н образования продуктов реакции за вычетом суммы теплот
образования исходных веществ с учетом стереохимических коэффициентов.
ΔНхр = Σ fΔН(прод ) - ΣfΔН (исх)
(5.3)
Примеры решения задач
Пример 1. При взаимодействии кристаллов хлорида фосфора с парами
воды образуется жидкий POCl3 и хлористый водород. Реакция сопровождается
выделением теплоты 111,4 кДж. Напишите термохимическое уравнение этой
реакции
Ре ш е н и е: Уравнения реакций, в которых около символов химических
соединений указывается их агрегатное состояние , а также численное значение
тепловых эффектов, называют термохимическими.
Если в результате реакции выделяется теплота, то ΔН< О, если
поглощается, то ΔН > О, тогда термохимическое уравнение:
PCl5 (к) + H2O (г) = POCl 3(ж)+2НСl(г), ΔНхр = - 111,4 кДж/моль
Пример 2. Пользуясь данными
образования, вычислите ΔНхр реакции
таблицы
2 Mg (к) + СО2 (г) = 2 MgO(к) + C (графит)
20
стандартных
энтальпий
Ре ш е н и е:по данным таблицы: Δ Н обр. (СО2(г)) = - 393,5 к Дж/моль,
∆Н 298MgO (к) = - 601,8 к Дж/моль, стандартные энтальпии образования
простых веществ равны нулю. Отсюда, по следствию из закона Гесса, находим:
∆Нр = ∑f∆Н0298 прод - ∑f∆Н0298 исх.
0
ΔН хр= 2∆Н0298 МgO - ∆Н0298СО2 = - 601,8 + 393,5 = - 810,1 к Дж
Задачи для самостоятельного решения
1 При соединении 2,1 г железа с серой выделилось 3,77 кДж теплоты.
Рассчитайте теплоту образования сульфида железа (1 моль).
2 Рассчитайте количество теплоты, выделяющейся при взрыве 8,4 л
гремучего газа, взятого при нормальных условиях.
3 Определите стандартную энтальпию (Δ Н298) образования РН3 исходя из
уравнения: 2 РН3(г) + 4О2(г) = Р2О5 (к) + 3Н2О (ж), Δ Н = - 2360 к Дж.
4 Исходя из теплового эффекта реакции: 3СаО(к) + Р2О5(к) = Са3(РО4)2 (к)
о
Δ Н = - 739 к Дж, определите Δ Н298 образования ортофосфата кальция.
5 Исходя из уравнения реакции: СН3ОН(ж)+ 3/2О2 (г) = СО2 + 2Н2О(ж) Δ
Нхр = - 726,5 к Дж, вычислите Δ Нобр. метилового спирта.
6 При взаимодействии газообразных сероводорода и диоксида углерода
образуются пары воды и сероводород СS2(г). Напишите термохимическое
уравнение этой реакции, вычислив ее тепловой эффект.
7 При восстановлении 12,7 г оксида меди (II) углем (с образованием СО)
поглощается 8,24 к Дж. Определите Δ Н298 образование СuО.
8 Вычислите, какое количество теплоты выделится при восстановлении
Fe2О3 металлическим алюминием, если было получено 335,1 г железа.
9 Газообразный этиловый спирт
С2Н5ОН можно получить при
взаимодействии этилена С2Н4(г) и водяных паров. Напишите термохимическое
уравнение этой реакции, вычислив ее тепловой эффект.
Химическое сродство
Самопроизвольно могут протекать реакции, сопровождающиеся не
только выделением, но и поглощением теплоты.
Система с одной стороны стремится к упорядочению (агрегации), к
уменьшению энтальпии, с другой – к беспорядку (деагрегации). Первая
тенденция растет с понижением, а вторая с повышением температуры.
Тенденцию к беспорядку характеризует величина энтропия (S).
Она отражает движение частиц вещества и является мерой
неупорядоченности системы. Она возрастает при нагревании, испарении,
плавлении, расширении газа и т.п. Процессы, связанные с упорядочением
системы: конденсация, кристаллизация, сжигание и т.п. – ведут к уменьшению
энтропии.
21
Энтропия являются функцией состояния, т.е. ее изменение Δ S зависит
только от начального и конечного состояния и не зависит от пути перехода.
По закону Гесса и следствию из него
ΔS298 = Σ fΔS (продук.) - Σ fΔS (исход)
(5.4)
Так как энтропия изменяется с повышением температуры, то можно
считать, что мера беспорядка ТΔS. Энтропия выражается в Дж/мольК,
движущая сила процесса складывается из двух стремлений - к упорядоченности
(Н) и стремлению к беспорядку ( S).
Движущая сила процесса называется изобарно-изотермическим
потенциалом (энергией Гиббса) ΔG
ΔG = ΔН – ТΔS
(5.5)
Мерой химического сродства является убыль энергии Гиббса (ΔG),
которая зависит от природы вещества, его количества, и от температуры
энергия Гиббса – это функция состояния
ΔG х.р. = ΣfΔG0298(прод) - ΣfΔG0298 (исх)
(5.6)
Самопроизвольно идут процессы в сторону уменьшение энергии Гиббса
(ΔG <O) т.е. если ΔG< O, то процесс практически осуществим, если ΔG > O,
то процесс самопроизвольно протекать не может.
Примеры решения задач
Задача 1.
Прямая или обратная реакция будет протекать при
стандартных условиях в системе: СН4(г) + СО2(г) = 2СО (г) + 2 Н2(г)
Вычислим ΔG прямой реакции
ΔG х.р. = Σ ΔG0298 (прод) - Σ ΔG0298 (исх).
ΔG298 = 2х (- 137,27 + 210) – (- 50,79 – 394,38) = + 170,63 кДж
т.к. ΔG298 > O – процесс самопроизвольно протекать не может при 298 К
Пример 2. На основании данных таблицы вычислите ΔH0298, ΔS0298 и
ΔG0298 реакции, протекающей по уравнению Fe2O3(к) + 3С = 2Fe + 3CO (г)
Возможна ли реакция восстановления Fe2O3 при температуре 500 и 1000 К.
Решение: Δ Н х.р. = [3(-110,52) + 2,0] - [-822,10 + 3,0] = - 331,56 –
882,0 = + 490,54 кДж
22
ΔS х.р. = (2х27,2 + 3х197,91) – (89,96 + 3х5,69) = 541,1 Дж/К
Энергия Гиббса при 500 К
ΔG = 490,54 кДж –500 541,1/1000= + 219,99 к Дж
ΔG > O - процесс невозможен.
энергия Гиббса при 1000 К
ΔG = 490,54 - 1000 х541,1/1000= - 50,56 кДж; ΔG<O - процесс возможен
Задачи для самостоятельного решения
1 Вычислить ΔG298 для следующих реакций
а) 2Na F(к) + Сl2 = 2 NaCl (к) + F2 (г)
б) Рb O2 (к) + 2 Zn (к) = Pb (к) + 2 ZnO (к)
Возможны ли эти реакции при стандартных условиях.
2 Пользуясь справочными данными показать, что в стандартных условиях
0
25 С (298 К) реакция Сu(к) + ZnO (к) = СuO(к) + Zn(к) невозможна.
3 Вычислите ΔG для реакции
СаСО3(к) = СаО (к) + СО2(г)
при 25, 500 и 1500 С. При какой температуре реакция протекает
самопроизвольно?
4 Вычислите значения Δ G298 следующих реакций:
а) FeO (к) + ½ С (г) = Fe (к) + ½ СО2(г)
б) Fe O (к) + С (г) = Fe (к) + СО (г)
в) FeO (к) + СО (г) = Fe (к) + СО2 (г)
Протекание какой из этих реакций наиболее вероятно.
5 Прямая или обратная реакция будет протекать при стандартных
условиях в системе
2NO (г) +О2(г) ↔2 NO2(г)
6 При какой температуре наступит равновесие системы:
СО (г) + 2Н2(г) ↔СН3 ОН (ж)
Δ Н = - 128,05 к Дж
7 Уменьшится или увеличится энтропия при переходах
а) воды в пар б) графита в алмаз? Почему? Вычислите Δ S для каждого
превращения.
8 Чем можно объяснить, что при стандартных условиях невозможна
экзотермическая реакция:
Н2(г) + СО2 (г) = СО (г) + Н2 О (ж)
Δ Н = - 2,85 к Дж
Вычислите ΔG реакции.
23
Работа 6 Скорость химической реакции
Вопросы для коллоквиума. Скорость химической реакции. Основной
постулат химической кинетики. Константа скорости химической реакции.
Кинетическое уравнение. Молекулярность и порядок реакции. Односторонние
реакции нулевого, первого и второго порядков. Элементарные моно-, би- и
тримолекулярные реакции. Понятие о сложных реакциях (последовательные,
параллельные, цепные).
Влияние температуры на скорость реакции. Правило Вант-Гоффа.
Основы теории активных столкновений. Уравнение Аррениуса. Энергия
активации. Определение энергии активации из экспериментальных данных.
Понятие о теории активного комплекса.
Цель работы:
-изучение скорости химической реакции;
- зависимости скорости реакции от различных факторов: природы
реагирующих веществ, концентрации, температуры.
Приборы и принадлежности: хлороводородная кислота, серная кислота,
уксусная кислота, гранулированный цинк, олово, свинец, литий, кусочек мела,
раствор роданида калия и хлорида железа (III), раствора сульфата меди,
тиосульфата натрия, порошок хлората калия, оксид марганца; пробирки,
пипетки, газоотводные трубки, кристаллизаторы, спиртовки, шпатели, лучина.
Теоретическая часть. Скорость
реакции определяется природой
реагирующих веществ в зависимости от условий протекания процесса
(концентрации реагирующих веществ, температуры, наличия катализатора и
др.)
Скоростью реакции (v) называется количество вещества (n) –
вступившего в реакцию или образующегося в результате реакции за единицу
времени (Δt) в единице объема (V) системы (для гомогенной реакции), на
единице поверхности раздела фаз (S) (для гетерогенной реакции)
Vгом = Δn / Δt;
vгет = Δn / S х Δt
(6.1)
Скорость реакции зависит от концентрации реагирующих веществ и
выражается законом действующих масс:
v = k[ А ] а [В] в
(6.2)
Величина константы скорости k зависит от природы реагирующих
веществ, от температуры и от присутствия катализаторов, но не зависит от
концентрации веществ.
24
Для того чтобы реакция произошла, молекулы взаимодействующих
веществ должны обладать избыточной энергией – энергией активации.
Действие катализаторов объясняется тем, что они снижают энергию активации
реакции, и реакция идет через другие, энергетически более выгодные стадии.
Механизм действия катализатора сводится к уменьшению величины энергии
активации реакции. Скорость реакции при этом увеличивается.
Влияние температуры на скорость реакции оценивается эмпирическим
правилом Вант Гоффа: при увеличении температуры на 10 о скорость реакции
увеличивается от 2 до 4 раз.
Vt  Vt 
2
где: V и
t
1
t 2  t1
10
1
(6.3)
Vt - скорости реакций соответственно при начальной и
2
конечной температурах;  - температурный коэффициент скорости реакции.
Скорость и время, за которое протекают реакции, связаны соотношением
v 1/ v 0 = τ0 / τ1,
(6.4)
где τ0- время, за которое протекает реакция скоростью v 0 ; τ1 – время, за
которое протекает реакция со скоростью v1.
Экспериментальная часть. Влияние концентрации на скорость
химической реакции
Влияние концентрации изучаем на реакции взаимодействия тиосульфата
натрия и серной кислоты:
Na2S2O3 + H2SO4 = Na2SO4 + SO2 + S + H2O
Признаком реакции является помутнение раствора вследствие выделения
серы.
Налейте в три пробирки по 1 мл 1н раствора Н2SO4 . В три другие
пробирки налейте в первую 4 мл 0,05 н раствора Na2S2O3 и 8 мл воды; во
вторую – 8 мл раствора Na2S2O3 и 4 мл воды; в третью 12 мл раствора Na2S2O3
Заметив время, в первую пробирку налейте из пробирки 1 мл отмеренного
раствора серной кислоты и быстро перемешайте полученную смесь. Отметьте
время начала помутнения раствора.
Проделайте то же самое с двумя оставшимися пробирками.
Результаты собственного опыта внесите в таблицу:
25
Таблица 2 - Таблица экспериментальных и расчётных данных (пример)
Количество капель
№
проб
ирки
Раствора
Na2S2O3
1
2
3
4
8
12
Концентра
Общий
ция
Раствора объём
раствора
H2O
раствора
H2SO4
Na2S2O3
8
1
13
с
4
1
13
2с
1
13
3с
Время
течения
реакции
τ, сек
35
16
10
Скорость
реакции
V=1/ τ,
у.е.
0,03
0,06
0,1
Рассчитайте V=1/ τ для второго и третьего случаев, учитывая, что
скорость реакции и время протекания реакции до начала помутнения раствора
обратно пропорциональны. Следовательно,
υ2
τ1
υ1 = τ2
(6.4)
где υ1 – скорость реакции в первом случае (υ1 = 1), υ2 - скорость реакции
во втором (третьем) случае; τ1 – время протекания реакции до начала
помутнения раствора в первом случае, сек; τ2 - время протекания реакции до
начала помутнения раствора во втором (третьем) случае, сек.
По полученным результатам строим график зависимости скорости
химической реакции от концентрации
Рисунок 5 – График зависимости скорости химической реакции от
концентрации
26
Напишите уравнения реакций и сделайте вывод о зависимости скорости
реакции от концентрации Na2S2O3 при данных условиях.
Влияние температуры на скорость химической реакции
Влияние температуры на скорость изучаем на реакции взаимодействия
тиосульфата натрия и серной кислоты:
Na2S2O3 + H2SO4 = Na2SO4 + SO2 + S + H2O
Для опыта взять разбавленные (1:200) растворы Na2S2O3 и H2SO4. Налить
в три большие пронумерованные пробирки по 10 мл раствора Na2S2O3, в другие
три по 10 мл раствора серной кислоты и разделить их на три пары: по пробирке
с раствором Na2S2O3 и H2SO4 в каждой паре.
Отметить температуру воздуха в лаборатории, слить вместе растворы
первых двух пробирок, встряхнуть и определить время с момента добавление
кислоты до помутнения раствора.
Две другие пробирки поместить в химический стакан с водой и нагреть
воду до температуры на 100 выше комнатной. За температурой следить по
термометру, опущенному в воду. Слить содержимое пробирок, встряхнуть и
отметить время от слива до появления мути.
Повторить опыт с двумя пробирками, нагрев их в том же стакане до
температуры на 200 выше комнатной. Записать результаты по следующей
форме с полученными данными собственных исследований:
Таблица 3 – Таблица экспериментальных и расчётных данных (пример)
№ пробирки
1
2
3
Температура
опыта,
tºC
30
40
50
1 
Время течения
реакции
τ, сек
32
25
19
 t  20
;  1  0,05  1,25;
 t 10
0,04
2 
 ср 
Скорость реакции
V=1/ τ, у.е.
 t 10
;  2  0,04  1,3;
t
0,03
1   2
2
;  ср 
27
1,25  1,3
 1,28;
2
0,03
0,04
0,05
По полученным результатам строим график, иллюстрирующий
зависимость скорости реакции от температуры для данного опыта. Для этого на
оси абсцисс нанести в определенном масштабе значения температуры опытов, а
на оси ординат – величины скорости реакции  = 1/.
Сделать вывод о зависимости скорости реакции от температуры. Какие
значения принимает температурный коэффициент для большинства реакций.
Рисунок 6 – График зависимости скорости химической реакции от
температуры.
Напишите уравнения реакций и сделайте вывод о зависимости скорости
реакции от температуры Na2S2O3 при данных условиях.
Влияние поверхности раздела реагирующих веществ на скорость
реакции в гетерогенной системе.
а) Несколько кристаллов иодида калия КI и нитрата свинца Рb(NO3)2
поместите раздельно в две сухие чистые ступки не растирая. Происходит тли
изменение окраски? Энергично
разотрите пестиком кристаллы. Что
происходит? Из пипетки добавьте несколько капель воды; обратите внимание
на изменение окраски. Объясните опыт. Напишите уравнения реакций.
б) Соберите прибор. В колбу емкостью 50 мл внесите 0,2 г порошка
цинка или железа, прилейте 20 мл 2н раствора серной кислоты. Быстро закрыть
пробирку газоотводной трубкой, конец которой подвести под градуированную
пробирку, заполненную водой, и определите объем водорода, выделившегося в
течение 5 мин. Опыт вести при постоянной температуре, взбалтывая смесь
реагирующих веществ.
28
Проделать тот же опыт, используя 0,2 г металла в виде железной стружки
или гранул цинка. Как влияет на скорость химической реакции, протекающей в
гетерогенной среде, величина поверхности реагирующих веществ.
Влияние катализатора на скорость реакции. Гомогенный катализ.
а) Каталитическое ускорение реакции разложения пероксида
водорода. Налейте в пробирку 10 мл 3% раствора пероксида водорода.
Опустите в пробирку тлеющую лучину, не касаясь раствора. Объясните,
почему лучина не вспыхивает?
В коническую колбу налейте 10 мл 0,01 М раствора молибдата натрия
(аммония) Na2MoO4 и затем, постепенно, из пробирки прилейте 10 мл
пероксида водорода.
Наблюдайте изменение окраски раствора и момент начала выделения
пузырьков. Для завершения реакции смесь слегка нагрейте. Убедитесь в
наличии кислорода в колбе при помощи тлеющей лучины.
Объясните наблюдения, приняв во внимание следующие реакции между
молибдатом натрия и пероксидом водорода:
Н2O2 + Na2MoO4 → Na2MoO8 + 4Н2O
Na2MoO8 → Na2MoO4 + О2
И в конечном счете
2Н2O2 → 2Н2O + О2
Какую роль играет молибдат натрия?
б) Каталитическое ускорение реакции окисления.
Окисление
соединений марганца (II) до марганца (VII) в растворе легко наблюдать, так как
ион марганца Мn2+ практически бесцветный, а ион МnО4- окрашен в
фиолетово-красный цвет.
Внесите в две пробирки по 3-4 капли сульфата марганца МnSО4 или
нитрата марганца Мn(NО3)2 и подкислите таким же образом 2 н раствором
азотной кислоты. В одну пробирку добавьте одну каплю раствора нитрата
серебра
АgNО3 и в обе пробирки по одному микрошпателю
пероксидисульфата аммония (NН4)2S2О8
Поместите обе пробирки в водяную баню. В какой пробирке быстрее
изменилась окраска?
Запишите уравнение реакции. Какую роль играла азотная кислота в
данной реакции? Какой ион является катализатором в данном процессе?
в) Каталитическое восстановление роданида железа (III). В две
пробирки налить по 10 капель раствора роданида калия и по 1 капле хлорида
железа (III). Наблюдать изменение окраски. В одну пробирку внести 1 каплю
29
раствора сульфата меди, затем одновременно в обе пробирки добавить по 10
капель тиосульфата натрия (предварительно приготовляем его в двух других
пробирках). Наблюдать изменение окраски в пробирке 1 в оранжевый цвет, в
пробирке 2 – сначала в красный, затем в оранжевый. Напишите уравнение
реакции взаимодействия роданида железа с тиосульфатом натрия. Сделайте
вывод о влиянии катализатора на скорость реакции.
Гетерогенный катализ
а) Каталитическое действие диоксида свинца на разложение
пероксида водорода. Налейте в пробирку 5-8 капель 30%-ного раствора
пероксида водорода. С помощью тлеющей лучины убедитесь в отсутствии
кислорода. Внесите в раствор на кончике шпателя диоксид свинца РbО2 и
наблюдайте выделение газа. Напишите уравнения реакции разложения
пероксида водорода (диоксид свинца РbО2 можно заменить диоксидом
марганца МnО2).
б) Каталитическое действие воды (опыт проводят под тягой).
Смешайте в фарфоровой ступке два микрошпателя порошка алюминия и один
микрошпатель кристаллического йода. Протекает ли реакция между
алюминием и йодом? На полученную смесь капните каплю воды. Наблюдайте
бурную реакцию образования трийодида алюминия, сопровождающуюся
большим выделением теплоты, за счет которой происходит возгонка
непрореагировавшего йода, - появляются пары фиолетового цвета. Составьте
уравнение реакции. Сделайте вывод о влиянии воды как катализатора на
скорость реакции.
Влияние концентрации веществ на химическое равновесие
В данном опыте изучают обратимую реакцию взаимодействия
трихлорида железа FеС13 с тиоционатом аммония (калия) NH4NCS (КNCS).
Тритиоционат железа Fе(NСS)3 придает раствору красную окраску. По
изменению интенсивности окраски можно судить об изменении концентрации
Fе(NСS)3 , т.е. о смещении равновесия в ту или иную строну.
В четыре пробирки внесите по 5-10 капель разбавленного раствора
трихлорида железа FеС13 и тиоционата аммония (калия) NH4NCS (КNCS).
Легким встряхиванием пробирок размешайте раствор. Поставьте пробирки в
штатив.
В одну из пробирок микрошпателем добавьте несколько кристаллов
трихлорида железа, в другую - тиоционат аммония (калия), в третью – хлорида
аммония (калия), четвертую пробирку оставьте для сравнения. Встряхните
пробирки
При оформлении отчета отметьте изменение интенсивности окраски в
каждом случае; запишите уравнение реакции между FеС13 и NH4NCS (КNCS) и
выражение константы равновесия данной реакции.
30
В каком направлении смещается равновесие и как изменяется
концентрация каждого компонента в случае добавления: а) трихлорида железа,
б) тиоционата аммония (калия), в) хлорида аммония (калия)?
Задания для самостоятельного решения
1 Во сколько раз уменьшится скорость прямой реакции 2СО + О2 ↔
2СО2, если при постоянной температуре уменьшить давление в 4 раза?
2 Реакция при температуре 400 С протекает за 180 секунд.
Температурный коэффициент реакции равен 3. За сколько времени завершится
эта реакция при температуре 600С ?
3 Концентрация оксида серы (ΙV) и кислорода составляет 4 моля и 2
моля соответственно; к моменту наступления равновесия в реакцию вступает 80
% от первоначального объема оксида серы (ΙV). Определить состав газовой
смеси в момент наступления равновесия.
4 Во сколько раз изменится скорость реакции 2А + В ↔ А2 В, если
концентрацию вещества А увеличить в 3 раза, а концентрацию вещества В
уменьшить в 3 раза?
5 Температурный коэффициент скорости реакции равен 2. Во сколько
раз возрастет скорость реакции при повышении температуры от 200 С до 700 ?
6 На сколько градусов нужно увеличить температуру, чтобы скорость
реакции возросла в 27 раз (температурный коэффициент равен 3)?
7 При наступлении равновесия реакции N2 + Н2↔ 2 NН3 концентрации
веществ имели следующие значения С(N 2) = 0,5 моль/л; С(Н2) =1 моль/л; С
(NН3) =2 моль/л. рассчитать исходные концентрации N 2 и Н2.
8 В закрытом сосуде находится смесь СО в количестве 2 моль/л и О2 в
количестве 3 моль/л. После нагревания сосуда концентрация угарного газа
понизилась до 1 моль/л. Как изменится концентрация О2 ?
9 Какими изменениями: температуры; давления
можно сместить
равновесие системы Н2 + С12 ↔ 2НС1 + 184,09 кДж?
10 Напишите выражение для константы равновесия системы: С + Н2О
(п) ↔ СО + Н2 Как следует изменить: концентрацию, давление, чтобы сместить
равновесие влево?
11 Напишите выражение для константы равновесия системы: СН4 + СО2
↔ 2СО + 2 Н2 – 251,458 кДж. Как следует изменить давление, чтобы сместить
равновесие вправо
Работа
растворов
7
Молекулярные
растворы.
Коллигативные
свойства
Вопросы для коллоквиума. Общая
характеристика
растворов.
Идеальные растворы. Осмотическое давление. Диффузия и осмос. Уравнение
Вант-Гоффа. Практическое значение осмоса. Плазмолис. Давление пара над
растворами. Закон Рауля. Эбулиоскопия и криоскопия.
31
Растворы газов в жидкостях. Влияние давления и температуры на
растворимость газов в жидкостях. Закон Генри.
Растворы жидкость – жидкость. Ограниченная взаимная растворимость
жидкостей. Влияние температуры на растворимость. Давление пара над
идеальными растворами.
Теоретическая часть. Разбавленные растворы неэлектролитов обладают
рядом свойств (коллигативные свойства), количественное выражение которых
зависит от числа частиц растворенного вещества, находящегося в растворе.
Зависимость этих свойств от концентраций выражается уравнениями:
1 Понижение давления пара растворителя над раствором, ∆р (закон
Рауля):
∆𝑝 = 𝑝0
(7.1)
𝑛2
𝑛1 + 𝑛2
где р0 –давление насыщенного пара над чистым растворителем; n1 –
количество растворителя; n2 – количество растворенного вещества.
2 Понижение температуры кристаллизации раствора, ∆tкрист:
∆tкрист = Кm,
(7.2)
где К – криоскопическая постоянная растворителя, m – моляльная
концентрация растворенного вещества.
3 Повышение температуры кипения раствора, ∆tкип:
∆tкип = Еm,
(7.3)
где Е – эбулиоскопическая постоянная растворителя.
4 Осмотическое давление Р.кПа:
Р = СМRT,
(7.4)
где СМ – молярная концентрация; R – газовая постоянная (8,314
Дж/моль*К), T – температура (К).
Таблица 4 – Значения постоянных
Вещества
Значения постоянных
Криоскопических, К
Вода
1,86
Бензол
5,1
Этиловый спирт
Диэтиловый эфир
1,73
32
Эбуллиоскопических, Е
0,52
2,57
1,16
2,02
Примеры решения задач
Пример 1. Рассчитать, при какой температуре должен кристаллизоваться
раствор, содержащий в 250 г воды 54 г глюкозы С6Н12О6.
Решение. При расчете на 1000 г Н2О содержание глюкозы в растворе
равно 216 г. Поскольку молярная масса глюкозы составляет 180 г/моль, то
моляльность раствора равна m= 216/180 = 1,20 моль на 1000 г Н2О.
По формуле ∆tкрист = Кm находим: ∆tкрист = 1,86 *1,20 = 2,23К.
следовательно, раствор будет кристаллизоваться при – 2,230.
Пример 2. При 250С давление насыщенного пара воды составляет 3,166
кПа (23,75 мм рт. ст.). найти при той же температуре давление насыщенного
пара над 5% раствором карбамида (мочевины) СО(NН2)2.
Воспользуемся формулой ∆𝑝 = 𝑝0 𝑛2 . Для этого вычислим количество
𝑛1 + 𝑛2
молей воды (n1), и количество молей мочевины (n2) по формуле
n = m/M. М(Н2О) = 18 г/моль, М(СО(NН2)2)= 60,05 г/моль. В 5% растворе
содержится воды 95 г мочевины 5 г, тогда
n1 = 95 / 18 = 5,272 моль; n2 = 5/60,05 = 0,083 моль
5,272
∆𝑝 = 3,166
= 3,119 кПа или 23,31 мм рт. ст.
5,272 + 0,083
Задания для самостоятельного решения
1
Чему равно осмотическое давление 0,5 М раствора глюкозы
С6Н12О6 при 250С?
2
Вычислить осмотическое давление раствора, содержащего 16 г
сахарозы С12Н22О11 в 350 г Н2О при 293 К. Плотность раствора считать равной
единице.
3
При 250С осмотическое давление некоторого раствора равно 1,24
МПа. Вычислить осмотическое давление при 00С.
4
Раствор, в 100 мл которого находится 2,30 г вещества, обладает при
298 К осмотическим давлением, равным 618,5 кПа. Определить молекулярную
массу.
5
Чему равно осмотическое давление насыщенного пара над 10%
раствором карбамида СО(NН2)2 при 1000С?
6
На сколько градусов повысится температура кипения воды, если в
100 г воды растворить 9 г глюкозы С6Н12О6?
7
При какой приблизительно температуре будет кипеть 50%-ный
раствор сахарозы С12Н22О11?
8
При какой приблизительно температуре будет кипеть 40%-ный
раствор этилового спирта С2Н5ОН?
33
9
Сколько граммов сахарозы С12Н22О11 надо растворить в 100 г воды
чтобы: а) понизить температуру кристаллизации на 1 градус? б) повысить
температуру кипения на 1 градус?
10
При растворении 5,0 г вещества в 200 г воды получается не
проводящий ток раствор, кристаллизующийся при
-1,450С. Определить
молекулярную массу растворенного вещества.
11
При 315 К давление насыщенного пара над водой равно 8,2 кПа
(61,5 мм рт.ст.). На сколько понизится давление пара при указанной
температуре, если в 540 г воды растворить 36 г глюкозы С6Н12О6?
12
При 250С осмотическое давление раствора, содержащего 2,80 г
высокомолекулярного соединения в 200 мл раствора, равно 0,70 кПа. Найти
молекулярную массу растворенного вещества.
13
Сколько молей неэлектролита должен содержать 1 литр раствора,
чтобы его осмотическое давление при 250С было равно 2,47 кПа?
14
При растворении 13,0 г неэлектролита в 400 г диэтилового эфира
(С2Н5)2О температура кипения повысилась на 0,453 К. Определить
молекулярную массу растворенного вещества.
15
В 100 г Н2О содержится 4,75 г сахарозы С12Н22О11. Найти: а)
температуру кристаллизации раствора, б) температуру кипения раствора.
Плотность раствора считать равной единице.
16
Какова молярность раствора неэлектролита, если при 00С его
осмотическое давление равно 2,27 кПа?
17
В 200 г воды растворено: 1) 31 г карбамида СО(NН2)2; 2) 90 г
глюкозы С6Н12О6. Будет ли температура кипения этих растворов одинакова?
Ответ обоснуйте расчетами.
18
Некоторый водный раствор неэлектролита кипит при 373,52 К.
Какова моляльная концентрация этого раствора?
19
Найти при 650С давление пара над раствором, содержащим 13,68 г
сахарозы С12Н22О11 в 90 г воды, если давление насыщенного пара над водой при
той же температуре равно 25,0 кПа (187,5 мм рт. ст.)
20
Температура кипения водного раствора сахарозы С12Н22О11 равна
0
101,4 С. Вычислить моляльную концентрацию и массовую долю сахарозы в
растворе. При какой температуре замерзает этот раствор?
Работа 8 Гальванические элементы
Вопросы для коллоквиума. Возникновение потенциала на границе
электрод-раствор. Двойной электрический слой, его строение. Электродный
потенциал. Уравнение Нернста. Стандартные электродные потенциалы.
Гальванический элемент. Электродвижущая сила гальванического элемента.
Химические и концентрационные гальванические элементы. Диффузионный
потенциал. Электроды 1-го и 2-го рода, окислительно-восстановительные
электроды. Измерение ЭДС. Электроды сравнения и определение электродных
потенциалов.
34
Цель работы:
- познакомиться с устройством и принципом работы гальванического
элемента.
- научиться определять направления протекания окислительновосстановительных
процессов
по
окислительно-восстановительным
потенциалам реагирующих веществ.
- овладеть методикой расчета ЭДС и напряжений гальванических
элементов и изучение зависимости напряжения от концентрации электролита.
Теоретическая часть. Если металлическую пластинку опустить в воду,
то катионы металла на ее поверхности гидратируются полярными молекулами
воды и переходят в жидкость. При этом электроны, в избытке остающиеся в
металле, заряжают его поверхностный слой отрицательно. Возникает
электростатическое притяжение между перешедшими в жидкость
гидратированными катионами и поверхностью металла. В результате этого в
системе устанавливается подвижное равновесие:
Ме + mН2О→ Ме (Н2О)n m + nе,
в растворе
на металле
где n – число электронов, принимающих участие в процессе. На границе
металл-жидкость возникает двойной электрический слой, характеризующийся
определенным скачком потенциала. Абсолютные значения электродных
потенциалов измерить не удается. Электродные потенциалы зависят от ряда
факторов (природы металла, концентрации, температуры и др.). поэтому,
обычно определяют относительные электродные потенциалы в определенных
условиях – так называемые стандартные электродные потенциалы. (Е0).
Стандартным электродным потенциалом металла называют его
электродный потенциал, возникающий при погружении металла в раствор
собственного иона с концентрацией, равной 1 моль/л, измеренный по
сравнению со стандартным водородным электродом, потенциал которого при
250С равен нулю.
Располагая металлы в ряд по мере возрастания их стандартных
электродных потенциалов, получаем так называемый, ряд напряжений
металлов.
Положение металла в ряду напряжений характеризует его
восстановительную способность, а также окислительные свойства его ионов в
водных растворах при стандартных условиях. Чем меньше значение
электродного потенциала Е0, тем большими восстановительными свойствами
обладает металл в виде простого вещества, и тем меньше окислительные
свойства проявляют его ионы, и наоборот. Электродные потенциалы измеряют
в приборах – гальванических элементах. Окислительно-восстановительная
реакция, характеризующая работу гальванического элемента протекает в
направлении, в котором ЭДС элемента имеет положительное значение.
35
Химические источники тока – это такие устройства, в которых при
протекании химических реакций образуется ток. ХИТ бывают 3-х типов:
однократного действия, многократного действия, непрерывного действия.
В результате взаимодействия металл-раствор электролита металл
приобретает электрический заряд; на границе возникает двойной электрический
слой и возникает разность эл. потенциалов.
 р Ме
 р Ме
 0 Me
n
n
/ Me
/ Me
n
/ Me
  0 Men  / Me 

RT
ln Me n
nF

(8.1)
 равновесный электродный потенциал;
 стандартный электродный потенциал;
R – газовая постоянная; R=8,31
Дж
моль  К
Т – температура по Кельвину;
n – степень окисления металла (электроны);
F – число Фарадея; F=96500 Кл.
Катод – электрод, на котором происходит процесс восстановления.
Анод – электрод, на котором происходит процесс окисления.
ЭДС ХИТ  К   А
(8.2)
 А  эл. потенциал анода.
 К  эл. потенциал катода;
Экспериментальная часть. Определение
гальванического элемента
Zn (анод)
ЭДС
медно-цинкового
Cu (катод)
3
1
2
ZnSO4
CuSO4
1 – микростаканчики , 2 – электролитический мостик,3 – гальванометр.
Рисунок 7 - Составление медно-цинкового гальванического элемента.
Показания гальванометра – 0,4 В.
Схема собранного элемента: Zn ZnSO4 CuSO4 Cu
Равновесный потенциал – Cu  0,15В  Zn  0,84В
36
Потенциал цинкового электрода имеет более отрицательное значение,
чем потенциал медного электрода, поэтому при замыкании внешней цепи (т.е.
при соединении цинка и меди эл. мостиком) электроны будут переходить от
цинка к меди.
Анод ( – ) Zn
Катод ( + ) Cu
В результате перехода электронов от цинка к меди равновесие на
цинковом электроде сместится вправо, поэтому в раствор перейдёт
дополнительное количество ионов Zn.
В то же время равновесие на медном электроде сместится влево и
произойдёт разряд ионов Cu.
Движение ионов в растворе:
- анионов SO42- к аноду;
- катионов Cu2+, Zn2+ к катоду.
А: Zn 0  2e  Zn 2 φ = – 0,84.
К: 2 H   2e  H 2 0 φ = 0,36.
Сравнивая процессы, происходящие на катоде, происходит процесс с
большим потенциалом, которым является H2 (водород).
ЭДС  К   А  0,36  (0,84)  1,2В
Теоретическая ЭДС равна 1,2В.
Направление
процессов.
протекания
3
окислительно-восстановительных
6
Cr2 (SO4 )3  K 2 SO4  I 2  H 2O  K 2Cr2 O7  KI   H 2 SO4
0
В результате опыта определили, что идёт обратная реакция (влево).
Допустим, что реакция идёт вправо:
Анод:
6
2Cr 3  7 H 2O  6e  Cr2 O7  14H  процесс окисления
0
Катод: I 2  2e  2 I   процесс восстановления
I 2  окислитель
Cr2 (SO4 ) 3  восстановитель
K
( I2 )
 0,54В
А
( Cr )
 1,36В
ЭДС  К   А  0,54  1,36  0,82В
37
ЭДС < 0
Реакция вправо не идёт. Следовательно, реакция идёт влево. Задание.
Возможно ли самопроизвольное протекание реакции?
KMn7O4  Br2  H 2 SO4  Mn 2 SO4  KBr 5O3  H 2O
0
Допустим, что реакция идёт вправо:
Катод: Mn 7O4  8H  5e  Mn 2  4H 2O  восстановление
0
Анод: Br2  6H 2O  10e  2Br 5O3  12H  окисление
KMnO4  окислитель
K
( MnO4 )
Br2  восстановитель
А
 1,50В
 1,52В
( Br2 )
ЭДС  К   А  1,50  1,52  0,02В
ЭДС < 0
Реакция не идёт.
Пример. Вычислить ЭДС гальванического элемента (-) Сd |Сd(NO3)2||
Hg(NO3)2| Hg (+), зная, что концентрации растворов Сd(NO3)2 и Hg(NO3)2
соответственно равны 1М, 0,01М. Напишите электронные уравнения
процессов, происходящих на электродах.
Р е ш е н и е. ЭДС=ЕHg / Hg+2- ЕCd / Cd2+. При концентрации Сd(NO3)2 ЕCd / Cd2+
равен стандартному электродному потенциалу кадмия, т.е. – 40В. ЕHg / Hg+2 ,
вычислим по формуле Нернста:
Е = Е0 + (0,059/z ) х lg[Mez+],
где Е0 - стандартный электродный потенциал металла, z - заряд иона
металла; [Mez+] – концентрация ионов металла в растворе (моль/л)
ЕHg / Hg+2 = 0,85 + (0,059/2)* lg10-2 = 0,791 В
Э.Д.С. = 0,791 – (-0,40) = 1,191 В
Электронные уравнения процессов, происходящих на электродах
А: Сd – 2е = Сd2+,
К: Hg2+ + 2е = Hg
Задачи для самостоятельного решения
1 Напишите уравнения реакций, которые протекают в гальваническом
элементе, составленном из электродов 1М СuSO4 | Cu и 1М АgNO3 | Ag
2 Определить, какой из электродов отрицателен в паре Ni|Ni2+ и Cd|Cd2+
3 Составьте схему двух гальванических элементов, в одном из которых
марганец является положительным, а в другом отрицательным электродом.
38
4 Вычислить ЭДС гальванического элемента (-) Мg | Mg2+||Zn2+|Zn(+) при
следующих концентрациях солей: С(Mg2+)= 0,01моль/л; С (Zn2+) = 0,001 моль/л.
5 Вычислите ЭДС гальванического элемента (-) Мg | Mg2SO4|| Ni SO4 | Ni
(+) зная, что растворы МgSO4 и Ni SO4 одномолярны. Изменится ли ЭДС,
если одномолярные растворы МgSO4 и Ni SO4 заменить 0,1М растворами тех
же солей? Напишите электронные уравнения процессов, происходящих на
электродах.
6 Вычислите ЭДС гальванического элемента (-)Сd|Сd(NO3)2|| АgNO3| Аg
(+) зная, что концентрация растворов Сd(NO3)2 и АgNO3 соответственно равны
0,001М и 0,01М. Напишите электронные уравнения процессов, происходящих
на электродах
7 Составьте схему двух гальванических элементов, в одном из которых
кадмий является анодом, в другом - катодом. Напишите электронные уравнения
процессов, происходящих на электродах.
8 Составьте схему гальванического элемента, при работе которого
протекает
реакция Ni + Pb(NO)2= Ni(NO)2 + Pb. Напишите электронные
уравнения процессов, происходящих на электродах
9 Составьте схему двух гальванических элементов, в одном из которых
медь является анодом, в другом - катодом. Напишите электронные уравнения
процессов, происходящих на электродах.
Работа 9 Основы электрохимии. Электролиз
Вопросы для коллоквиума. Электролиз и коррозия. Концентрационная
и химическая поляризация. Перенапряжение водорода. Практическое
значение перенапряжения водорода. Электролиз. Электрохимическая коррозия
и борьба с нею. Пассивирование металлов.
Цель работы:
- провести электролиз растворов различных солей.
- изучить последовательность электродных процессов, при электролизе с
растворимым и нерастворимым анодом.
- ознакомиться с процессами, протекающими на растворимых и
нерастворимых электродах при электролизе водных растворов электролитов,
- научиться рассчитывать количество электричества, выход по току и
расход энергии.
Теоретическая
часть.
Электролизом
называются
процессы,
происходящие на электродах под действием электрического тока,
подаваемого от внешнего источника. При электролизе происходит
превращение электрической энергии в химическую. Электролиз проводится в
электролизерах, основными составными частями которых являются два электрода и ионный проводник (электролит) между ними. На отрицательном
электроде электролизера (катоде) происходит процесс восстановления, на
39
положительном электроде (аноде) — процесс окисления. На катоде в первую
очередь идут процессы, характеризуемые наиболее положительным
потенциалом, т.е. в первую очередь реагируют сильные окислители. На аноде в
первую очередь идут процессы, характеризуемые наиболее отрицательным
потенциалом, т.е. в первую очередь реагируют сильные восстановители.
Некоторые аноды при электролизе не растворяются из-за положительного
значения их равновесного потенциала или образования на поверхности
защитных пленок. Примерами таких анодов могут быть платиновые металлы,
графит, титан и тантал. В этом случае происходит электролиз с нерастворимым
анодом.
Теоретическое
соотношение
между
количеством
прошедшего
электричества и количеством вещества, окисленного или восстановленного на
электроде, определяется законом Фарадея, согласно которому при
прохождении через электрод одного Фарадея электричества (1F = 96500Кл ==
26,8 А-ч) на нем окисляется или восстанавливается 1 моль эквивалентов
вещества. Например, если через электрод проходит 26,8 А-ч электричества, то
теоретически на электроде должен выделиться 1 моль эквивалентов меди (т.е.
63,54/2 =31,77 г) по реакции
Сu2+ + 2e-→ Сu
или 1 моль эквивалентов кислорода (32/4 — 8 г) или 1/4 моль, т.е 5,6 л
кислорода по реакции
4ОН- — 4е → О2 + 2Н2О
Количество
вещества,
окисляющегося
на
аноде,
восстанавливающегося на катоде или образующегося в растворе,
рассчитывается, исходя из законов Фарадея, в частности по формуле
m=
Эм  I 
,
96500
(9.1)
где m – масса вещества, г; Эм – молярная масса эквивалента вещества,
г/моль; I – сила тока при электролизе, А;  - продолжительность электролиза, с;
96500 – число Фарадея, Кл/моль.
На аноде происходит процесс окисления.
На катоде происходит процесс восстановления.
Процессы при электролизе: к катоду направятся положительные ионы, а к
аноду – отрицательные ионы.
Напряжение разложения – (Uразл ) то минимальное напряжение, которое
нужно подать на электроды, начиная с которого начинается процесс
образования новых продуктов.
U разл  ЭДС пол  IR  
40
(9.2)
ЭДСпол – ЭДС поляризации (гальванического элемента).
IR – омическое сопротивление электролизера.
η – величина перенапряжения.
Экспериментальная часть. Электролиз раствора хлорида олова
(SnCl2)
Приборы и принадлежности: прибор для демонстрации электролиза;
спиртовка; вода дистиллированная, хлорид натрия (насыщенный), хлорид меди
(10%-ный), иодид калия (10%-ный), гидрооксид натрия (10%-ный),
перманганат калия (кристаллический), раствор нейтрального лакмуса, раствор
фенолфталеина, раствор крахмала.
1
2
4
3
1 – штатив, 2 – электроды, 3 – клеммы, 4 – батарея.
Рисунок 8 – Схема электролиза хлорида олова.
Заполнить электролизер хлоридом олова. Опустить графитовые
электроды и пропустить через них постоянный ток.
На катоде (–) наблюдаем выпадение блестящих кристаллов металла.
На аноде (+) наблюдаем выделение пузырьков газа.
SnCl2  Sn 2  2Cl 
H 2O  H   OH 
2
0
На катоде: Sn  2e  Sn
2H   2e  H 2
H
Р
2
Sn0  0,136В
 0,059 pH   H 2  0,41В
C
2
0
φSn > φH → на катоде идет процесс: Sn  2e  Sn .
Cl 0  1,36 В
На аноде: 2Сl   2e  Cl2
4OH   4e  O2  2H 2O
2
O  1,23  0,059 pH  O C  1,99 В
Р
2
41
2
φCl < φO → на аноде идет процесс: 2Сl   2e  Cl2 .
При электролизе SnCl2 на катоде восстанавливается олово, а на аноде
окисляются анионы хлора с образованием Cl2.
Электролиз раствора сульфата натрия (Na2 SO4)
Заполнить электролизер сульфатом натрия. Опустить графитовые
электроды и пропустить через них постоянный ток.
На катоде (–) наблюдаем выделение пузырьков газа.
На аноде (+) наблюдаем выделение пузырьков газа.
NaSO4  Na 2  SO4
2
H 2O  H   OH 

0
На катоде: Na  e  Na
2 H   2e  H 2 
0
H
P
2
 Na 0  2,71В
 0,059 pH   H 2  0,41В
C
φNa < φH → на катоде идет процесс: 2 H   2e  H 2  .
0
 SO  2,05В
2
2
На аноде: 2SO4  2e  S2O8
4OH   4e  O2  2H 2O
2
4
O Р  1,23  0,059 pH  O C  1,99 В
2
2

φSO > φO → на аноде идет процесс: 4OH  4e  2 H 2O  O2  .
0
При электролизе Na2SO4 на катоде выделяются пузырьки водорода Н2, а
на аноде выделяются пузырьки кислорода О2.
Электролиз водных растворов с растворимыми анодами (CuSO4)
Заполнить электролизер сульфатом меди. Опустить графитовые
электроды и пропустить через них постоянный ток.
На катоде (–) наблюдаем образование красного налёта меди.
На аноде (+) наблюдаем выделение пузырьков газа.
CuSO4  Cu 2  SO4
2
H 2O  H   OH 
Cu 0  0,34В
2
0
На катоде: Cu  2e  Cu
2 H   2e  H 2 
0
H
P
2
 0,059 pH   H 2  0,41В
2
0
φCu > φH → на катоде идет процесс: Cu  2e  Cu
42
C
 SO  2,05В
2
2
На аноде: 2SO4  2e  S2O8
2
4
O Р  1,23  0,059 pH  O C  1,99 В
4OH   4e  2 H 2O  O2 
0
2
2
φSO > φO → на аноде идет процесс: 4OH   4e  2 H 2O  O2  .
0
При электролизе CuSO4 на катоде восстанавливается медь, а на аноде
выделяются пузырьки кислорода О2.
Меняем полюса на электродах:
При этом электрод покрывшийся медью станет анодом.
Наблюдается растворение налёта меди с анода, на катоде образовывается
медный налёт.
2
0
Cu 0  0,34В
На катоде: Cu  2e  Cu
H
2 H   2e  H 2 
0
P
2
 0,059 pH   H 2
Cu
 0,97 В
2
0
φCu > φH → на катоде идет процесс: Cu  2e  Cu
2
На аноде: 2SO4  2e  S2O8
4OH   4e  2 H 2O  O2 
0
 SO
2
2
 2,05В
4
O P  1,23  0,059 pH  O Cu  1,77 В
2
2
Cu  0,34В
Сu 0  2e  Cu 2
0
0
2
φCu < φO < φSO → на аноде идет процесс: Сu  2e  Cu .
На катоде идет процесс восстановления меди (Cu), а на аноде процесс
окисления меди (Cu).
Электролиз раствора солей
1.1 Электролиз раствора хлорида меди (II)
Налить в сосуд 5-10%-ный раствор хлорида меди (II) и опустить в раствор
графитовые электроды. Подключить электроды к источнику постоянного тока
напряжением 4-5 В. Через некоторое время ток отключить и
продемонстрировать присоединенный к клемме источника питания, электродкатод, покрытый налетом меди, а на втором электроде-аноде – пузырьки газа с
запахом хлора.
Напишите процессы, протекающие на катоде и на аноде.
1.2 Электролиз раствора хлорида натрия
Заполнить
сосуд
насыщенным
раствором
поваренной
соли,
подкрашенным раствором нейтрального лакмуса, и опустить в раствор
графитовые электроды.
Подключить электроды к источнику постоянного тока напряжением 4-5 В
и пропустить ток в течение нескольких минут. Наблюдать на катоде выделение
пузырьков газа и синюю окраску раствора, соприкасающегося с катодом, из-за
43
образовавшихся ионов гидроксида. На аноде выделится хлор, поэтому окраска
раствора, вначале становится красной, а затем обесцвечивается,
(выделяющийся хлор разрушает лакмус). Хлор обнаруживается по запаху.
Напишите процессы, протекающие на катоде и на аноде.
1.3 Электролиз раствора иодида калия
Для опыта следует использовать изогнутые электроды из нержавеющей
стали.
Опустить электроды в сосуд до дна, заполнить сосуд 5%-ным раствором
иодида калия так, чтобы уровень раствора был на 2-3 см выше
неизолированного конца электродов. Заполнить раствором иодида калия две
пробирки. В одну пробирку добавить 1 мл раствора фенолфталеина, а в другую
– 1 мл расвора крахмала. Закрыть пробирки пробкой с держателем, перевернуть
их вверх дном, опустить их в сосуд, вынуть пробки из пробирок и, не допуская
выливания из них растворов, надеть на электроды, причем пробирку с добавкой
фенолфталеина на катод, а пробирку с добавкой крахмала – на анод.
Подключить электроды к источнику постоянного тока напряжением 4-5 В
и через некоторое время наблюдать появление малиновой окраски в катодном
пространстве (в пробирке с фенолфталеином) и синей окраски в анодном
пространстве (в пробирке с крахмалом). Отключить ток.
Напишите процессы, протекающие на катоде и на аноде.
Электролиз воды
Для опыта использовать электроды из нержавеющей стали.
Опустить электроды в сосуд до дна, заполнить сосуд дистиллированной
водой с добавкой 2-3 мл 10%-ного раствора гидроксида натрия так, чтобы
уровень был на 2-3 см выше неизолированного конца электродов. Заполнить
дистиллированной водой с добавкой 10%-ного раствора гидроксида натрия две
пробирки. Закрыть пробирки пробкой с держателем, перевернуть их вверх
дном, опустить их в сосуд, вынуть из пробирок и, не допуская выливания из
них воды, надеть на электроды.
Подключить электроды к источнику постоянного тока напряжением 4-6 В
и наблюдать образование газов в пробирках. В пробирке, надетой на катод,
объем газа в два раза больше, чем в пробирке, надетой на анод (почему?).
Отключить ток.
Вновь закрыть пробирки пробкой с держателем и вынуть их из воды.
Пробирку с большим количеством газа перевернуть, снять пробку и быстро
поднести к пламени спиртовки. Легкий хлопок указывает на наличие водорода.
Сняв пробку со второй пробирки, поднести к ней тлеющую лучину.
Вспыхивание лучины указывает на наличие кислорода.
Движение ионов в электрическом поле
Закрепить графитовые электроды в зажимах «крокодил» за длинную
44
часть. Поместить на керамической (или из оргстекла) пластине фильтр, обильно
смоченной 10%-ным раствором хлорида натрия или калия.
В
центр
фильтра
осторожно
положить
2-3
кристаллика
марганцовокислого калия, не допуская распыления его по всей поверхности
фильтра. Графитовые электроды плотно прижать к фильтру таким образом,
чтобы кристаллы марганцовокислого калия оказались в центре, на равном
расстоянии от каждого электрода.
Подключить электроды к источнику постоянного тока напряжением 4-6В
и через некоторое время наблюдать за смещением окрашенной полосы соли к
аноду. Отключить ток, снять электроды с фильтра и продемонстрировать
результат опыта. Сделать вывод о зарядах ионов и их движении в
электрическом поле.
Законы Фарадея.
Пример 1.Сколько граммов меди выделится на катоде, если через раствор
Сu SO4 пропустить ток, силой 4А в течении 1 часа?
Решение. Количество выделившейся меди вычисляется по формуле
m = Мэ It
96500
(9.2)
Масса эквивалентная меди в СuSO4 равен 63,54/2 = 31,77 г/моль.
Подставив в вышеприведенную формулу значения: Мэ = 31,77 г/моль, I = 4, t =
60*60=3600 сек, получим
m = 31,77*4*3600 = 4,74 г.
96500
Пример 2 Сколько времени надо пропускать ток, силой 8А, чтобы из
раствора АgNO3 выделить 5,3935 г серебра?
Решение. Эквивалент серебра107,87 г/моль
t = m*96500 / ЭI = 5,3935*96500 /107,87*8 = 603 сек = 10мин 3 сек
Пример 3. Какой силы ток следует пропускать через раствор КС1 в
течение 20 мин 5 сек, чтобы на катоде выделилось 280 мл водорода,
измеренного при нормальных условиях?
Решение. Эквивалентный объем водорода при нормальных условиях
равен 11200 мл.
I = 96500* VН2 / VЭ(Н2)* t + 280*96500 / 11200*1205 = 2А
Задачи для самостоятельного решения
45
1 Через раствор серной кислоты пропускали ток, силой 2А в течение 2ч.
Сколько литров водорода, измеренного при нормальных условиях, выделилось
на катоде? Составьте электронные уравнения процессов, происходящих на
электродах.
2 Составьте электронные уравнения процессов, происходящих на
электродах при электролизе растворов: Ni SO4, Ni С12. В обоих случаях анод
угольный.
3 При электролизе раствора СuSO4 на аноде выделилось 420 мл
кислорода, измеренного при нормальных условиях. Сколько граммов меди
выделилось на катоде?
4 Сколько граммов воды разложилось, если через раствор К2SO4
пропускали ток, силой 4А в течение 3ч?
5 Через раствор нитрата серебра пропускали ток, силой 2А в течение 4ч.
Сколько граммов серебра выделилось на катоде?
6 Через раствор сульфата некоторого металла пропускали ток, силой 6А
в течение 45 мин, в результате чего на катоде выделилось 5,49 г металла.
Вычислите эквивалент металла.
7 Напишите уравнения реакций, которые протекают при электролизе с
инертными анодами водных растворов KI, AgNO3, H2SO4, SnCl2. Как
изменятся процессы, если аноды будут растворимы? Из каких металлов их
можно сделать?
8 Вычислите время, необходимое для полного выделения хлора,
содержащегося в 1л 1н раствора NaС1 при электролизе током 6А.
9 Напишите уравнения реакций, которые протекают при электролизе
расплавов бромида натрия, карбоната калия, хлорида магния.
10 Рассмотрите электродные процессы на примерах электролиза водного
раствора сульфата меди: а) с медным; б) с нерастворимым анодом и электролиза водного раствора сульфата цинка а) с цинковым; б) с нерастворимым
анодом.
11 Рассчитайте ток в цепи и массу вещества, которое подверглось разложению при электролизе водного раствора сульфата калия с нерастворимым
анодом, если на катоде выделилось 0.224 л водорода, измеренного при
нормальных условиях. Время электролиза 1 ч. Ответ: 0,536 А; 0,18 г.
12 Рассчитайте ток в цепи, массу вещества, которое подверглось разложению при электролизе водного раствора сульфата калия с никелевым анодом,
а также выход кислорода по току, если на катоде выделилось 0,448 л водорода,
а на аноде - 0,14 л кислорода (н.у.). Время электролиза 1 ч. Ответ: 1,072 А; 0,36
г; 63%.
II Лабораторные работы по коллоидной химии
46
Работа1 Введение
Вопросы для коллоквиума. Предмет коллоидной химии, признаки
объектов КХ, классификация поверхностных явлений, классификация
дисперсных систем по агрегатному состоянию фаз, по характеру
взаимодействия дисперсной фазы и дисперсной среды, по структурно механическим свойствам.
Теоретическая часть. Чтобы понять другие способы получения
коллоидных систем, необходимо рассмотреть строение золей.
mAgNO3 + (m+n)KI mAgI*nI- + nK++ mKNO3
а) Избыток КI – получается частица – мицелла – микроструктура,
образующаяся при взаимодействии компонентов дисперсной фазы и
дисперсионной среды.
mAgI *nI-(n-х)K+ х- хK+ , (золь условно отрицательный)
где m- число молекул AgI,образующий нерастворимый в воде агрегат,
n – число потенциалопределяющих ионов (I-), при этом (m>n)
n-x
–
число
противоионов
К+,
образующими
вместе
с
потенциалопределяющими ионами I адсорбционный слой.
х- число противоионов К+, находящихся в дисперсионной среде. Они
конденсируются вокруг ядра, образуя диффузный слой.
Потенциалопределяюпроитвоионы
щие ионы,
связанные
свободные
mAgI *nIядро
ный слой
(n-х)K+ хадсорбцион-
твердая среда
хK+ ,
диффузный слой
жидкая среда
гранула
мицелла
Рисунок 7 – Строение мицеллы золя
Жидкая фаза, окружающая мицеллу, называется интермицеллярной
жидкостью. Она содержит стабилизаторы и примеси.
б) Избыток AgNO3
(m+n) AgNO3 + mKI mAgI*nAg++ nNO3-+ mKNO3
mAgI *nAg+ (n-х)NO3-х+х NO3- , (золь условно положительный).
47
1 Из растворов на поверхности коллоидных частиц адсорбируются ионы,
близкие по своей природе к составу ядра (образуют ядро)
2 Противоионы «связанные» уменьшают заряд ядра, но не нейтрализуют
его полностью.
3Знак
заряда
гранулы
определяется
числом
(знаком)
потенциалопределяющих ионов, т.к. они находятся в адсорбционном слое в
избытке n>( n-х)
4 Противоионы диффузного слоя нейтрализуют избыточный свободный
заряд гранулы, мицелла в целом электронейтральна.
Эти случаи образования мицелл относятся к лиофобным растворам:
Лиофобные коллоидные системы растворы называются золями или
лиозолями.
Мицеллой лиофобной системы называется гетерогенная микросистема,
которая состоит из микрокристалла ДФ, окруженного сольватированными
ионами стабилизатора
Ядром мицеллы лиофобного коллоидного раствора называется
микрокристалл маолорастворимого вещества, на поверхности которого
адсорбированы потенциалопределяющие ионы, сообщающие заряд ядру
мицеллы.
Получение дисперсной системы серы и канифоли. Гидрозоли
Цель:
- познакомить студентов с предметом коллоидной химии,
- изучить классификацию дисперсных систем по различным признакам.
Принадлежности для работы: мерный цилиндр на 100 мл; две
плоскодонные колбы на 100 мл с пробками; 2 % -ный раствор канифоли в
этиловом спирте; насыщенный раствор серы в этиловом спирте, Н2О
дистиллированная.
Насыщенный раствор серы в абсолютном спирте вливают по капле в
дистиллированную воду при взбалтывании. Получается молочно-белый
опалесцирующий золь. 5 –10 мл 2% спиртового раствора канифоли добавляют
по капле при энергичном взбалтывании к 100 мл дистиллированной воды.
Образуется молочно-белый, устойчивый золь.
Написать строение золей:
1) кремневой кислоты
2) золь гидроксида железа (III)
Указать ядро коллоида, ионный стабилизатор, мицеллу.
a) ядро m [SiO2]
b) ионный стабилизатор n H2SiO3 ⇄ 2n H+ + n SiO3 248
c) мицелла {m [SiO2] n SiO3 2- 2 (n – х) H+}2х- 2хН+
а) ядро m [Fe(OН)3]
b) ионный стабилизатор n FeСl 3 ⇄ n Fe3+ + 3хСlc) мицелла {m [Fe(OН)3] n Fe3+3(n – х)Сl-}3х+ 3хСlРабота 2 Методы получения коллоидных систем
Вопросы для коллоквиума. Методы получения коллоидных систем.
Физические и химические методы конденсации и диспергирования. Очистка
коллоидных систем. Диализ, электродиализ и ультрафильтрация.
Агрегативная устойчивость коллоидных систем. Строение коллоидной
мицеллы. Коагуляция. Закономерности коагуляции лиофобных коллоидных
систем электролитами. Коагулирующее действие ионов. Порог коагуляции.
Правило Шульце-Гарди и лиотропные ряды. Коагуляция смесью электролитов.
Кинетика быстрой и медленной коагуляции по Смолуховскому. Зависимость
скорости коагуляции от концентрации электролита. Взаимная коагуляция
золей. Кинетическая устойчивость коллоидных систем. Седиментация.
Эмульсии; общие свойства и классификация ("масло в воде" и "вода в
масле"). Стабилизация эмульсий.
Цель:
- изучить методы получения коллоидных систем;
- получить практически коллоидные растворы методом конденсации,
пептизации, и диспергирования;
-закрепить умения работы с реактивами.
Получение лиофобных коллоидных растворов
А. Метод конденсации. Получение золя Fe(OH)3
Принадлежности для работы: треножник, асбестированная сетка,
спиртовка, коническая колба на 150 мл, пипетка, 2%-ный раствор FeCl3,
дистиллированная вода.
Реакция получения гидрооксида железа (III)
FeCl3 + H2O = Fe(OH)3 +3HCl
Поверхностные молекулы агрегата Fe(OH)3 вступают в химическое
соединение с HCl
Fe(OH)3 +HCl =FeOCl +2H2O
Молекулы FeOCl , подвергаясь диссоциации ,образуют ионы FeO+ +Cl49
Руководствуясь правилом С.М. Липатова, заключающимся в том, что из
растворов на поверхности коллоидных частиц адсорбируются ионы, близкие по
своей природе к составу ядра, схематически можно изобразить строение частиц
золя гидрооксида железа следующим образом:
FeOCl =FeO+ + Cl{[Fe(OH)3] n +mFeO+ +mCl- =[Fe(OH)3] n mFeO+ (m –n)Cl-}О
Ход работы: 100 мл дистиллированной воды нагревают до кипения.
Затем в кипящую воду по каплям добавляют 5-10 мл 2%-ного раствора FeCl3.
Получают коллоидный раствор гидроксида железа интенсивного краснокоричневого цвета.
В. Получение золя двуокиси марганца.
Перманганат калия восстанавливается тиосульфатом натрия до двуокиси
марганца.
8 KMnO4 + 3 Na2S2O3 + 8 H2O = MnO2 + 3 K2SO4 + 2 KOH + 3 Na2SO4
Потенциалопределящие ионы МnО4-, противоионы К+.
Ход работы: К 1 мл 1,5 %-го раствора KMnO4 в пробирке добавляют 10
мл воды. По каплям из пипетки вводят 0,5 мл 1 % -го раствора тиосульфата
натрия.
Получение золя иодида серебра (реакция двойного обмена)
Принадлежности для работы: Шесть конических колб на 100 мл, две
пипетки на 20 мл с делением в 0,1 мл, растворы: 0,05 М КI, 0,5 М AgNO3.
Реакция образования иодида серебра:
AgNO3 +KI= AgI ↓ + KNO3
AgI практически не растворим в воде.
Ход работы: Опыт А: В три конические колбы наливают пипеткой по 20
мл 0,05 М раствора иодида калия и затем медленно при сильном взбалтывании
добавляют из бюретки в первую колбу 16 мл, во вторую – 18 мл и в третью 20
мл 0,05М раствора нитрата серебра.
Опыт В: Повторяют предыдущий опыт с той разницей, что вначале
отмеривают в колбу по 20 мл раствора AgNO3, а затем из бюретки добавляют
раствор KI также 16, 18 и 20 мл.
При помощи электрофоретического зонда можно проверить, в каком
случае получились заряженные частицы и в каком отрицательно заряженные.
50
Получение гидрозоля серы методом окисления.
Принадлежности для работы: Три стакана на 100 мл; капельная воронка,
водяная баня, газовая горелка, термометр, стекловата, лед, концентрированная
серная кислота, ( ρ =1,84 г/см2 ), насыщенный раствор чистого хлорида натрия,
кристаллический тиосульфат натрия Na 2S2OO3 X 5H2 O.
При окислении сероводорода кислородом воздуха или оксидом серы (IV)
сера выпадает в коллоидном состоянии:
2H2S + SO2= 3S + 2H2O
Практически наиболее удобно получить золь серы из раствора
тиосульфата натрия, действуя на него серной кислотой:
Na2S2O3 + H2SO4 → S +SO2 + Na2SO4 + H2O
Ход работы: 50 г кристаллического тиосульфата натрия растворяют в
30 мл воды. В стакан на 300 мл прибавляют 38 мл концентрированной серной
кислоты. Стакан погружают в мелко истолченный лед, тщательно
перемешивают кислоту и медленно приливают к ней из капельной воронки
приготовленный раствор тиосульфата натрия (работать под тягой!). В
результате реакции образуется густая масса бледно-желтого цвета. К ней
прибавляют 100 мл воды и нагревают на кипящей водяной бане, изредка
помешивая, в течение 30-60 мин. После охлаждения полученной молочнобелый золь серы отфильтровывают через стекловату. Золь серы содержит
значительный избыток электролитов, главным образом серной кислоты и
сульфата. Для удаления последних золь сразу же подвергают полной
коагуляции (осаждению) путем прибавления к нему небольшого количества
насыщенного раствора чистого хлорида натрия. Полученный осадок после
полного отстаивания отделяют от жидкости, отжимают между листами
фильтровальной бумаги и пептизируют его в дистиллированной воде. Не
растворившуюся в воде часть отделяют сливанием золя в другой стакан.
Полученный таким образом коллоидный раствор серы обладает высокой
степенью дисперсности.
Значение концентраций реагирующих веществ для получения
коллоидных растворов
Принадлежности для работы: Три стакана на 100 мл, бюретки на 50 мл,
растворы: 0,005 М и насыщенный FeCl3, 0,005 М, 0,1М и насыщенный желтой
кровяной соли K4[Fe (CN)6].
Опыт А. В стакан на 100 мл наливают 5 мл 0,005 М раствора хлорида
железа и добавляют 5 мл 0,005 М раствора желтой кровяной соли K4[Fe (CN)6].
Разбавляют полученный раствор 50 мл дистиллированной воды. Получается
прозрачный коллоидный раствор берлинской лазури Fe4[Fe (CN)6].
51
Опыт В. Выполняют то же, что и в опыте 1, беря растворы хлорида
железа и желтой кровяной соли 0,1 М концентрации. Из мутного раствора
выпадает осадок берлинской лазури.
Опыт С. В стакан на 100 мл наливают 5 мл насыщенного раствора
хлорида железа и10 мл насыщенного раствора желтой кровяной соли.
Образуется студнеобразный осадок. Часть полученного осадка переносят в
стакан со 100мл дистиллированной воды и размешивают. Получается
устойчивый золь берлинской лазури.
Практическое задание
Укажите вещества, которые могут служить стабилизаторами для
указанных коллоидных систем, полученных в результате обменной реакции.
Приведите формулы мицелл.
Дисперсионная среда
вода
вода
вода
вода
вода
вода
вода
вода
вода
Дисперсная фаза
AgNO3
Fe(OH)3
BaSO4
As2S3
H2 SiO3
Sb2S3
AgS
CuS
AgI
Работа 3 Получение лиофильных коллоидов
Цель:
- научиться получать лиофильные коллоиды путем растворения
высокомолекулярных веществ в соответствующих растворителях;
- доказать их устойчивость к нагреванию и действию электролитов.
Принадлежности для работы: Ступка с пестиком; фарфоровая чашка;
песчаная баня; технические весы; мерные колбы на 100 и 50 мл; два стакана на
100 мл; бюретка на 50 мл; крахмал; пищевой желатин; казеин в порошке;
куриное яйцо; 0,1 М раствор ацетата натрия; золь берлинской лазури;
насыщенный раствор сульфата аммония.
Золь крахмала. 0,5 г крахмала тщательно растирают в фарфоровой
ступке, переносят в фарфоровую чашку и перемешивают с 10 мл
дистиллированной воды, после чего добавляют еще 90 мл воды. Затем при
постоянном помешивании доводят полученную смесь крахмала в воде до
кипения. После нескольких вскипаний получается 0,5%-ный опалесцирующий
золь крахмала.
52
Золь желатина. 0,5 г желатина вносят в стакан на 200 мл, заливают 50
мл дистиллированной воды и оставляют на 6-8 ч для набухания. После
набухания добавляют в стакан еще 50 мл воды и нагревают на водяной бане
при температуре 40-50 0С до полного растворения желатина. В полученный
золь добавляют несколько капель формальдегида ( для консервирования)
Золь яичного альбумина. В мерную колбу на 100 мл вносят 10 г белок
куриного яйца. Заливают белок 40-50 мл холодной дистиллированной водой и
взбалтывают до полного растворения (при необходимости процедить через 3-4
слоя марли). Затем доливают в колбу воды до метки. Получается золь белка.
Золь казеина. В мерную колбу на 50 мл наливают 5 мл 0,1М раствора
ацетата натрия, 10 мл воды и добавляют 0,2 г порошка казеина. Затем
нагревают до 40-50 0С, все время взбалтывая и доводя казеин до растворения.
Охлаждают раствор и доливают в колбу дистиллированной воды до метки.
Получают слегка опалесцирующий золь казеина.
Устойчивость гидрофильных растворов к нагреванию и
электролитам.
В четыре пробирки наливают по 5 мл полученных растворов
гидрофильных золей и нагревают до кипения. Отмечают, какой из испытуемых
золей является устойчивым к нагреванию.
В одну пробирку наливают 5 мл золя берлинской лазури. В четыре
другие наливают по 5мл гидрофильных золей: крахмала, желатина, яичного
альбумина, казеина. В каждую из 5 пробирок из бюретки добавляют
насыщенного раствора сульфата аммония до коагуляции коллоидного раствора,
отмечая количество электролита, необходимое для коагуляции каждого
раствора. Полученные результаты записывают в таблицу:
Таблица 5 – Устойчивость
электролитам
Золь
гидрофильных растворов к нагреванию и
Количество мл сульфата аммония,
вызывающее коагуляцию золя
Берлинская лазурь
Крахмал
Яичный альбумин
казеин
53
Бензол в воде и подсолнечное масло в воде
Принадлежности для работы: Колба на 100 мл; мерный цилиндр с
притертой пробкой на 100 мл; градуированная пипетка на 5 мл; С 6Н6;
подсолнечное масло; 2%-ный спиртовой раствор мыла; кристаллическая бура.
При взбалтывании бензола с водой образуется эмульсия, которая быстро
расслаивается. Для придания устойчивости эмульсии взбалтывание необходимо
вести в присутствии эмульгатора, в данном случае – мыла. Стабилизирующее
действие мыла при образовании эмульсии вызывается строением
адсорбционных слоев на границе двух фаз.
Опыт А. В цилиндр с притертой пробкой наливают около 50 мл воды и
добавляют 10 мл бензола. Энергично взбалтывают. Дают постоять. Эмульсия
не образуется – быстро наступает расслоение жидкости. После этого добавляют
10 мл 2 % -ного раствора мыла и энергично взбалтывают. Образуется эмульсия
бензола.
Опыт В. Отвешивают 4-5 г буры и растворяют ее при нагревании в 95 мл
дистиллированной воды. Полученный раствор наливают в мерный цилиндр с
притертой пробкой, добавляют 2-3 мл подсолнечного масла и сильно
взбалтывают. Получается устойчивая эмульсия.
Таблица 6– Свойства типичных взвесей, золей и истинных растворов
№
п\п
1
2
3
4
5
6
Грубая
взвесь
Свойства
Коллоидный
раствор
Истинный
раствор
Средний размер частиц
Способность проходить через
бумажный фильтр
Способность проходить через
полупроницаемые мембраны
Оптические свойства
Можно ли обнаружить частицы
при помощи, ультрамикроскопа
Осмотическое давление
Отчет о работе. Сопоставить свойства типичных взвесей, золей и
истинных растворов, заполнив таблицу. Написать схемы образования
коллоидных систем.
Работа 4 Коагуляция
Цель работы:
- ознакомиться с методами коагуляции гидрофобных золей и наблюдения
правила значимости;
- ознакомиться с коагуляцией гидрофильных коллоидов;
54
- изучить явления защиты и перезарядки золей.
Коагуляция золей гидрооксида железа (III) (электроположительного)
и сульфида мышьяка (III) (электроотрицательного) электролитами.
Принадлежности для работы: Шесть конических колб на 100мл; две
пипетки на 25 мл; две бюретки; восковой карандаш для стекла; золи: Fe (OH)3 ;
As2S3; растворы:2 M NaCl; 0,01 M CaCl2; 0,001 M AlCl3; 0,01 M Na2SO4; 0,001 M
K3[Fe(CN)6].
Ход работы: В три чистые сухие конические колбы на 100 мл
пипеткой вливают по 25 мл отдиализованного гидрозоля As2S3 и затем второй
пипеткой вливают в три такие же колбы по 35 мл также отдиализованного
гидрозоля Fe (OH)3 После этого в каждую колбу с золем осторожно (по каплям)
добавляют из бюретки растворы электролитов до появления первых признаков
коагуляции. Результаты записывают в таблицу
Таблица 7 - Коагуляция золей
Опыт с гидрозолем As2S3
Опыт
с
гидрозолем
Na Cl
CaCl2
AlCl3
2,0
0,01
0,001
Na Cl
CaCl2
AlCl3
Объем электролита в
пересчете на 0,001М
раствор, мл
Объем электролита,
необходимого для
коагуляции, мл
Концентрация раствора
электролита М
Электролит
Объем электролита в
пересчете на 0,001М
раствор, мл
Объем электролита,
необходимого для
коагуляции, мл
Концентрация раствора
электролита М
Электролит
Fe(OH)3
2,0
0,01
0,001
Начало коагуляции для золей можно наблюдать только с помощью
ультрамикроскопа. Простым глазом можно заметить только начало явной
коагуляции, например появление мути. Объем электролита, который
потребовался, чтобы вызвать коагуляцию соответствующего золя, определяют с
точностью до одной капли (объем капли равен приблизительно 0,05 мл).
Полученные результаты следует перенести на график, откладывая
на оси абсцисс логарифмы числа миллилитров 0,001 М раствора, а на оси
ординат – величины, обратные значению степени окисления коагулирующих
ионов.
Таким образом, можно получить наглядное представление о том, как с
уменьшением числа зарядов коагулирующего иона возрастает количество
электролита, необходимое для коагуляции.
55
Работа 5 Определение порога коагуляции. Взаимная коагуляция
Минимальная
концентрация
электролита,
вызывающая
явную
коагуляцию, называется порогом коагуляции лиофобных золей. Порог
коагуляции выражается в миллимолях на литр (ммоль/л) электролита. Порог
коагуляции вычисляют по формуле:
Спор=100СV ,
(5.1)
где С - молярная концентрация электролита, V- наименьшее число
миллилитров раствора электролита, достаточное для коагуляции золя.
Определение порога коагуляции золя гидроксида железа (III)
Принадлежности для работы: Двенадцать пробирок; 1М раствор КС1;
0,01 М раствор К2SО4; 0,001 М раствор K3[Fe(CN)6]; золь гидроксида железа
(III).
Ход работы: В двенадцать пробирок наливают по 5 мл золя гидроксида
железа и указанный в таблице объем дистиллированной воды и раствора
электролита. Затем содержимое пробирок хорошо перемешивают и через 1 час
отмечают, в каких пробирках наблюдается явная коагуляция (помутнение) и
седиментация.
Таблица 8 – Определение порога коагуляции золя гидроксида железа (III)
Результаты наблюдений. Реагенты.
1
5
4,5
0,5
Золь гидроксида железа (III),мл
Дистиллированная вода, мл
Раствор электролита, мл
Коагуляция через 30 мин.
№ пробирки
2
3
5
5
4
3
1
2
4
5
1
4
В случае, если ни водной пробирке не произойдет коагуляция, то
повторяют опыт с более (в 2-5 раз) концентрированными растворами
электролитов. Вычисляют порог коагуляции для каждого электролита и
записывают результаты в таблицу.
Таблица 9 – Порог коагуляции
Электролит, молярная Коагулирующий ион
концентрация
KCl, 2 M
K2SO4, 0,05 M
K3[Fe(CN)6], 0,05 M
56
Порог коагуляции
Взаимная коагуляция двух коллоидов
При сливании двух коллоидов с противоположными зарядами полная
коагуляция наступает, когда общее число зарядов частиц одного коллоида
нейтрализует общее число противоположных зарядов частиц другого коллоида.
При иных соотношениях частица будет нести знак заряда тех коллоидных
частиц, которые окажутся в избытке.
[nAgI]xI- + [nAgI]xAg+ →
[2nAgI] +[xAgI]
→ (2n+x)AgI ↓
т.е. в результате такого взаимодействия противоположно заряженных
частиц в эквивалентных количествах выпадает осадок AgI, лишенный заряда.
При избытке того или иного золя образуются мицеллы с иным
соотношением между числом ионно-генного комплекса и числом молекул AgI,
что наглядно можно представить схемой:
[mAgI]xAg+ + [nAgI]yI- → [(m+n+y)AgI](x - y)Ag,
где х >y
При таких условиях золь с положительно заряженными частицами будет
менее устойчивым, т. к. заряд x Ag+ больше заряда (x-y)Ag+.
При x<y коллоидные частицы будут обладать отрицательным зарядом.
Взаимная коагуляция золей
В 10 пробирок наливают золь Fе(ОН)3 в убывающем количестве по
порядку (табл. 12). В каждую пробирку приливают золь MnО2 в количестве,
указанном в таблице 6. По окончании опытов отмечают номер пробирки, в
которой наблюдается максимум коагуляции.
Таблица 10 - Взаимная коагуляция золей
№ пробирки
1
2
3
4
5
6
7
Fe(OH)3, мл
MnO2, мл
9,9
9,7
9,5
9,0
7,0
5,0
3,0
0,1
0,3
0,5
1,0
3,0
5,0
7,0
57
Результаты
смешивания
Принадлежности для работы: Деревянный штатив с одиннадцатью
пробирками; две бюретки; восковой карандаш; золи AgI с положительно и
отрицательно заряженными частицами; гидрозоль Fe(OH)3.
В одиннадцать пробирок наливают коллоидный раствор иодида серебра с
отрицательно заряженными частицами; в первую пробирку наливают 1 мл, во
вторую - 2 мл и т.д., т.е. в каждую следующую пробирку на 1 мл больше, чем в
предыдущую. В десятую пробирку наливают 10 мл раствора, а одиннадцатую
оставляют пустой. Затем добавляют во все пробирки коллоидный раствор
иодида серебра, частицы которого заряжены положительно, в таком
количестве, чтобы общий объем жидкости в каждой пробирке равнялся 10 мл; в
одиннадцатую пробирку наливают 10 мл этого золя. Таким образом, десятая и
одиннадцатая пробирки представляют собой контрольные, а в остальных
наблюдают процесс коагуляции. (Пробирки встряхивать). Результаты
записывают в таблицу:
Таблица 11 – Взаимная коагуляция золей иодида серебра
Реагенты. Результаты
наблюдений.
1
Золь с отрицательно
заряженными
частицами, мл
1
Золь с положительно
заряженными
частицами, мл
9
Заряд частиц после
смешивания
№ пробирки
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
2
3
4
5
6
7
8
9
10
0
8
7
6
5
4
3
2
1
0
10
Цифры по вертикали обозначают содержание в каждой пробирке того или
другого раствора (в мл). В составленной таблице выделяют цифры,
относящиеся к пробиркам, в которых прошла коагуляция. Отмечают знаком (+)
или ( -) коллоидные растворы с положительными и отрицательно заряженными
частицами.
Очистка воды коагуляцией
Принадлежности для работы: Колба на 1 л; шесть пробирок; золь
гидроксида железа (III); глина. Приготавливают загрязненную воду, для чего в
литре водопроводной воды взбалтывают 0,1 г глины.
Описание работы: В шесть пробирок наливают по 10 мл полученной
мутной воды и различные количества золя гидроксида железа (III) в
количествах, указанных в таблице. В таблицу вносят результаты наблюдений
через определенные промежутки времени.
58
Таблица12 - Очистка воды коагуляцией
Результаты
наблюдений
через
№
Количество капель
промежутки времени
пробирок гидроксида железа (III)
30 мин
1 час
1ч 30мин
1
0
2
1
3
3
4
4
5
8
6
16
Работа 6 Коагуляция желатина путем дегидратации его спиртом в
изоэлектрической точке.
Цель работы:
-изучить процесс коагуляции желатина путем дегидратации его спиртом
в изоэлектрической точке;
-доказать наличие заряда коллоидной частицы при определенных
значениях рН.
Отсутствие заряда у дисперсной фазы соответствует изоэлектрическому
состоянию, в котором белки обладают наименьшей устойчивостью,
наименьшей вязкостью, минимальным осмотическим давлением и наименьшей
способностью к набуханию.
Молекулы белковых веществ настолько велики, что в растворе обладают
коллоидными свойствами; в растворах эти молекулы способны диссоциировать
на ионы. Так, строение коллоидной частицы белка может быть представлено
формулой:
NH 2
[R]
COOH
При избытки водородных ионы преобладает положительно заряженный,
в щелочной же среде отрицательно заряженный белок.
Принадлежности для работы.
Деревянный штатив с девятью
пробирками на 25 мл; четыре бюретки на 25 мл, две пипетки на 2 мл,
безводный этиловый спирт, растворы: 0,1 М ацетата натрия; 0,1 М и 0,1 М
уксусной кислоты, 1% - ного желатина.
59
Ход работы: Приготовляют девять чистых сухих пробирок емкостью по
25 мл, установленных в ряд в деревянном штативе. Пробирки следует
пронумеровать.
Растворы уксусной кислоты и дистиллированную воду для каждой
жидкости бюреток. Состав приготовляемых смесей указан в таблице:
Таблица 13 – Коагуляция желатина путем дегидратации его спиртом в
изоэлектрической точке
Состав смеси
0,1 М CH3COONа, мл.
0,1 М CH3COOН, мл.
1,0 М CH3COOН, мл.
Вода, мл
1 % раствор желатина
рН смеси
№ пробирок
1
2
2
2
0,12 0,25
3,88 3,75
2
2
6
5,6
3
2
0,5
3,5
2
5,3
4
2
1
3
2
5
5
2
2
2
2
4,7
6
2
4
2
4,1
7
2
0,8
3,2
2
4,1
8
2
1,6
2,4
2
3,8
9
2
3,2
0,8
2
3,5
Растворы ацетата натрия и желатина отмеривают пипетками.
Приготовленные в соответствии с таблицей смеси имеют равные объемы (8
мл); следовательно, концентрация желатина во всех пробирках одна и та же.
При помещении приливают из бюретки этиловый спирт (по возможности
безводный) сначала в пробирку № 5 (содержащую желатин в изоэлектрическом
состоянии при рН = 4,7) до начала легкого помутнения. Затем точно такое же
количество его добавляют во все другие пробирки (при помешивании или
взбалтывании). Результаты можно наблюдать спустя 0,5 – 1 ч, когда заметно
усилится помутнение в пробирке № 5 и начинается помутнение в соседних с не
пробирках. С течением времени образуются хлопья.
Этот опыт иллюстрирует теорию устойчивости гидрофильных
коллоидов.
Устойчивость последних зависит от двух факторов – заряда и гидратации.
В данном опыте в изоэлектрической точке коллоид лишен заряда:
следовательно, его устойчивость обусловливается только наличием
гидратированных частиц. Если к такому коллоиду прибавить водоотнимающее
вещество, например этиловый спирт, то происходит дегидратация и коллоид,
лишенный последнего фактора устойчивости, выпадает в осадок (проб. № 5).
Коллоид, находящийся в состоянии, близком к изоэлектрическому, еще
обладает некоторой устойчивостью после дегидратации, но через некоторое
время под влиянием находящихся в растворе электролитов выпадает в осадок
(пробирки № 3, 4, 6, и 7). Так же, где коллоидные частицы имеют достаточно
большой заряд, спирт, несмотря на его дегидратирующее действие, не может
вызвать коагуляцию (пробирки № 1 и 9).
60
Работа 7 Электрические свойства дисперсных систем
Вопросы коллоквиума
1 Электрокинетические явления: электрофорез, электроосмос, потенциал
течения, потенциал оседания. Причины возникновения электрокинетических
явлений.
2 Основные теории строения двойного электрического слоя:
2.1 Теория Гельмгольца-Перрена.
2.2 Теория Гуи-Чепмена.
2.3 Теория Штерна.
3 Строение коллоидных мицелл. Правило Фаянса-Пескова о выборе
потенциалопределяющих ионов.
4 Понятие электрокинетического потенциала, место его нахождения.
Влияние различных факторов на величину электрокинетического потенциала:
концентрации индифферентных и неиндифферентных электролитов, толщины
двойного электрического слоя, диэлектрической проницаемости и рН среды.
5 Методы определения электрокинетического потенциала. Уравнение
Гельмгольца-Смолуховского.
Теоретическая часть. Строение коллоидных частиц может быть
объяснено существованием двойного электрического слоя (ДЭС). При
помещении коллоидного раствора в постоянное электрическое поле у
дисперсных частиц обнаруживается заряд, который обусловлен или
диссоциацией молекул, или избирательной адсорбцией ионов одного знака из
дисперсионной среды. Поскольку коллоидная система электрически
нейтральна, то в дисперсионной среде, окружающей дисперсные частицы,
должны появиться электрические заряды противоположного знака и
компенсирующие заряд частиц.
Существование ДЭС на границе раздела фаз играет важную роль во
многих явлениях, имеющих место в дисперсных системах. Это
электрокинетические
и
электрокапиллярные
явления,
а
также
электростатическое взаимодействие частиц, которое определяет устойчивость
или неустойчивость дисперсных и коллоидных систем.
Теории строения двойного электрического слоя
Первые представления о строении двойного электрического слоя были
высказаны Гельмгольцем. Гельмгольц полагал, что ДЭС состоит из двух
равномерно расположенных слоев зарядов противоположного знака. Это
позволило рассматривать двойной слой как обычный плоский конденсатор,
одна обкладка которого связана с твердой поверхностью (частицей, стенкой
капилляра и т. д.), а другая, несущая противоположный знак заряда, находится
в жидкости на очень малом расстоянии от первой.
Дальнейшее развитие теория двойного электрического слоя получила в
работах Гуи и Чэпмена. Они полагали, что тепловое движение оказывает
61
влияние на распределение той части зарядов, которая находится со стороны
раствора. Согласно теории Гуи - Чэпмена, возле твердой поверхности, как и в
любой другой части раствора, происходит тепловое движение ионов.
Совместное воздействие электрического поля, с одной стороны, и теплового
движения, с другой, приводит к тому, что двойной электрический слой
оказывается не плоским, а размытым, диффузным. При возрастании
температуры и диэлектрической постоянной среды диффузность двойного слоя
увеличивается, а с увеличением концентрации электролита – падает.
Теория строения ДЭС, учитывающая специфическую адсорбцию и
собственные размеры ионов, была предложена Штерном. Согласно этой
теории, первый слой противоионов или даже несколько слоев удерживаются
особенно прочно у поверхности за счет действия электростатических сил и сил
специфической адсорбции. Эту часть двойного слоя называют адсорбционной
или плотной частью. Строение ее зависит от того, сохраняется ли гидратная
оболочка иона при его адсорбции или же ион частично дегидратирован.
Электрокинетические явления Существование двойного электрического
слоя на границе раздела фаз, т.е. пространственного разделения разноименных
ионов вблизи поверхности, обусловливает возникновение ряда характерных
свойств дисперсных систем, в частности, электрокинетических явлений. К
электрокинетическим явлениям относятся процессы взаимного смещения фаз
под действием электрического поля. Это электрофорез – движение частиц
дисперсной фазы в дисперсной среде и электроосмос – перенос дисперсионной
среды через пористую перегородку под действием постоянного внешнего
напряжения, а также обратные процессы - процессы возникновения разности
потенциалов при взаимном смещении фаз - потенциалы течения и
седиментации.
Определение
электрокинетического
электрофореза и электроосмоса
потенциала
методами
С помощью любого электрокинетического явления можно определить
знак заряда коллоидной частицы, а также вычислить величину потенциала,
возникающего на границе скольжения – электрокинетического потенциала.
Электрокинетический ζ (дзета) потенциал - потенциал, возникающий
на границе скольжения фаз при их относительном перемещении в
электрическом поле. Электрокинетический потенциал отражает свойства ДЭС и
определяется экспериментально из электрокинетических явлений. Скорость,
как электрофореза, так и электроосмоса, при постоянной разности потенциалов
пропорциональна величине ζ. Поэтому, определяя скорость перемещения
заряженных частиц или скорость перемещения жидкости, можно вычислить
величину электрокинетического потенциала.
При наложении электрического поля происходит разрыв ДЭС по
плоскости скольжения. Электрическая сила, действующая на частицу при
наложении внешнего электрического поля, вызывающая движение заряженной
62
частицы к противоположно заряженному электроду, уравновешивается силой
трения возникающей в жидкости. При этом скорость перемещения коллоидной
частицы в электрическом поле будет зависеть:
от свойств дисперсионной среды (вязкости η, диэлектрической
проницаемости ε);
от
строения
ДЭС
коллоидной
частицы
(величины
электрокинетического потенциала ζ),
от напряженности внешнего электрического поля Н.
Линейная скорость движения дисперсной фазы (дисперсионной среды)
(U), отнесенная к единице напряженности электрического поля (Н), называется
электрофоретической (электроосмотической) подвижностью (U0):
U0 = U/H
(7.1)
где: U0 – электрофоретическая подвижность, м2/В·с; U – линейная
скорость движения границы золь – боковая жидкость, м/с; H – напряженность
электрического поля, В/м.
Электрокинетический потенциал связан с электрофоретической
(электроосмотической) подвижностью,
уравнением
Гельмгольца
–
Смолуховского:
𝜉=
𝜂
𝜀 ·𝜀0
𝜂𝑈
𝑈=
𝜀 ·𝜀0 𝐻
(7.2)
где: ζ - величина электрокинетического потенциала, В;
η - вязкость среды, для водных сред составляет 0,001 Н·с/м2;
ε - диэлектрическая проницаемость среды, для водной среды равная 81
(безразмерная величина);
ε 0 - электрическая константа (диэлектрическая проницаемость вакуума),
равная 8,85·10-12 Ф/м;
U – линейная скорость движения границы золь – боковая жидкость,м/с;
H – напряженность электрического поля, В/м.
Линейную скорость движения границы золь – боковая жидкость
рассчитывают как отношение смещения границы раздела за время
электрофореза:
𝑈=
ℎ
𝑡
(7.3)
где: h – смещение границы золь - боковая жидкость за время
электрофореза, м;
t – время электрофореза, с.
63
Напряженность
электрического
поля
рассчитывают как отношение приложенной
расстоянию между электродами:
𝐻=
(градиент
потенциала)
разности потенциалов к
𝐸
(7.4)
𝑙
где: Е – приложенная разность потенциалов, В; l – расстояние между
электродами, м.
Тогда уравнение Гельмгольца - Смолуховского для электрофореза
примет вид:
𝜉=
Определение
электрофореза
𝜂𝑈
𝜀 ·𝜀0 𝐻
=
ℎ𝜂𝑙
(7.5)
𝑡 𝜀 ·𝜀0 𝐸
электрокинетического
потенциала
методом
Цель работы:
определение знака заряда частиц и электрокинетического потенциала в
дисперсных системах;
- изучение электрокинетических явлений на примере электрофореза;
-определение
скорости
электрофореза,
вычисление
величины
электрокинетического потенциала методом макроэлектрофореза.
Принадлежности для работы:
- источник постоянного тока;
- прибор для макроэлектрофореза, представляющий собой Uобразную трубку с градуированными в единицах длины (мм) коленами;
- два инертных графитовых электрода;
- исследуемый коллоидный раствор – золь гидроксида железа
Fe(OH)3;
- боковая жидкость – раствор хлорида аммония NH4Cl;
- воронка с капилляром для заполнения U-образной трубки
исследуемым золем;
- U-образная линейка для измерения расстояния между электродами.
Экспериментальные методы изучения электрофореза и определения
электрокинетического потенциала основаны на измерении линейной скорости
движения границы раздела коллоидный раствор – дисперсионная среда
(макроэлектрофорез) или линейной скорости движения отдельных частиц в
суспензиях (микроэлектрофорез).
При
определении
электрокинетического
потенциала
методом
макроэлектрофореза используют метод движущейся границы. Для этого, в
нижнюю часть U-образной трубки помещают окрашенный коллоидный
64
раствор, а в верхнюю боковую часть - бесцветную жидкость, в которую
погружены инертные электроды. Подключая электроды к источнику
постоянного тока, наблюдают за перемещением границы раздела золь - боковая
жидкость. В одном колене трубки граница раздела поднимается, так как
коллоидные частицы переходят в боковую жидкость; в другом – опускается, за
счет движения коллоидных частиц вглубь коллоидного раствора.
Боковая жидкость, необходимая для создания границы раздела, не должна
содержать коагулирующих ионов и по своему составу должна быть близка к
межмицеллярной жидкости. Для получения четкой границы раздела
необходимо, чтобы электрическая проводимость боковой жидкости была
больше электрической проводимости коллоидного раствора.
Ход работы.
1 Заполнение U-образной трубки растворами. Чистый, промытый
дистиллированной водой, прибор для электрофореза наполовину наполняют
боковой жидкостью. Закрепляют прибор в штативе, помещают в верхнюю его
часть электроды так, чтобы их нижний конец находился на расстоянии 1,0÷1,5
см от верха трубки. Исследуемый коллоидный раствор наливают в воронку с
капилляром, капилляр через узкую трубочку прибора погружают в боковую
жидкость. Медленно заполняют прибор коллоидным раствором, который
остается в нижней части прибора, вытесняя боковую жидкость вверх.
Заполнение прибора золем ведется до тех пор, пока электроды не будут
погружены в боковую жидкость на 0,5÷1,0 см. Чем медленнее вводить золь в
прибор, тем более четкой получается граница раздела фаз: золь – боковая
жидкость.
Рисунок 9 - Прибор для определения ξ - потенциала с помощью
электрофореза.
2
Регистрация
экспериментальных
данных.
Отмечают
местонахождение границы раздела золь – боковая жидкость. Подключают
электроды к источнику постоянного тока. На электроды подают напряжение 70
65
÷ 100 В (по указанию преподавателя). Наблюдают за перемещением границы
раздела золь – боковая жидкость в обоих коленах прибора. Отмечают:
а) либо положение границы раздела через равные промежутки времени (2
мин.);
б) либо время прохождения одинакового пути границей раздела (2÷3 мм).
Измерения проводят 3-4 раза.
По окончании измерений прибор выключают. С помощью U-образной
линейки или гибкой проволоки определяют расстояние между электродами (их
торцевыми частями) вдоль U-образной трубки. Раствор из прибора выливают.
Значение электрокинетического потенциала вычисляют по уравнению (5).
Определяют знак заряда коллоидной частицы
3 Обработка результатов. Так как скорость передвижения границы
довольно сильно зависит от температуры, то все точные электрофоретические
измерения рекомендуется проводить в приборе, помещенном в термостат.
Источник постоянного тока должен иметь достаточно высокое напряжение (100
В), так как скорость переноса частиц при прочих равных условиях
пропорциональна разности потенциалов, приложенной к электродам.
Приложенное напряжение измеряется вольтметром, включенным параллельно с
электродами, и поддерживается во время опыта постоянным (не менее 80
вольт). Результаты эксперимента и их обработку представляют в виде таблицы:
Таблица 14 - Результаты эксперимента
Исследуемый коллоидный раствор
Боковая жидкость
Знак заряда коллоидной частицы
Расстояние между электродами, м
Приложенное к электродам напряжение, В
Путь перемещения границы раздела, м –
(все значения)
Время перемещения границы раздела, с –
(все значения)
Значение электрокинетического
потенциала, В
Формула мицеллы
Работа 8 Адсорбция
Вопросы для коллоквиума
Адсорбция жидкостей и газов на твердых поверхностях. Физическая и
химическая адсорбция. Теория мономолекулярной адсорбции Лэнгмюра.
66
Анализ изотермы адсорбции Лэнгмюра. Эмпирическое уравнение адсорбции
Фрейндлиха. Графическое определение констант уравнения Фрейндлиха.
Полимолекулярная адсорбция. Капиллярная конденсация.
Адсорбцией называется самопроизвольное перераспределение (сгущение,
концентрирование) растворенного вещества из объема фазы на поверхность
раздела фаз, отнесенное к единице поверхности. Процесс, обратный адсорбции,
называется десорбцией. Вещество, на поверхности которого происходит
адсорбция, называется адсорбентом (как правило, это вещество с большей
плотностью). Вещество, которое может адсорбироваться, называется
адсорбтив, а которое уже адсорбировалось – адсорбат (как правило, это
газообразные или жидкие вещества).
В зависимости от агрегатного состояния адсорбента и адсорбтива
различают адсорбцию на границе твердое тело – газ (т-г), жидкости и газа (ж-г)
и твердого тела и жидкости (т-ж). При установлении равновесия адсорбция ↔
десорбция количество адсорбированного вещества в поверхностном слое
зависит от концентрации, давления и температуры.
Адсорбцию выражают в абсолютных и избыточных величинах.
Абсолютная адсорбция (А) – это количество адсорбата на единице поверхности
адсорбента. Она равна концентрации адсорбата в поверхностном слое сS
умноженной на толщину этого слоя h:
А = cSh
(8.1)
Избыток адсорбата в поверхностном слое по сравнению с его
первоначальным количеством в этом слое характеризует избыточную, или так
называемую гиббсовскую адсорбцию (Г). Она показывает, насколько
увеличилась концентрация адсорбата в результате адсорбции:
Г = A – ch = Г – N,
(8.2)
где с – равновесная концентрация адсорбтива в объеме; N – количество
адсорбата в адсорбционном слое, когда его концентрация на поверхности
соответствует концентрации в объемной фазе. Когда концентрация адсорбата
на поверхности адсорбента значительно превышает его концентрацию в
объеме, т.е. сS >> с, то величиной N можно пренебречь и считать, что Г = А. В
случае адсорбции на границе раздела жидкость – газ и адсорбции на твердых
гладких поверхностях величины Г и А определяют относительно единицы
площади границы раздела фаз, т.е. размерность Г и А будет моль/м2. Для
твердого и особенно пористого порошкообразного адсорбента, имеющего
значительную поверхность раздела фаз, адсорбцию выражают по отношению к
единице массы адсорбента, т.е. в этом случае величины Г и А имеют
размерность моль/кг.
Таким образом, величина адсорбции для i-го компонента
67
Гi = n/S (моль/м2) или Гi = n/т (моль/кг),
(8.3)
где n – избыточное число молей адсорбата i-го компонента на
поверхности по сравнению с eго содержанием в объеме; S – площадь
поверхности раздела фаз, м2; т – масса пористого порошкообразного
адсорбента, кг.
В случае адсорбции одного компонента уравнения (8.3) упрощаются:
Г = n/S или Г = n/т,
(8.4)
Зависимости количества адсорбированного вещества от его концентрации
в растворе при постоянной температуре называют изотермами адсорбции
(рис.5).
-----------------------------
I
II
Г
III
I –удельная адсорбция Г прямо пропорциональна концентрации газов
II – продолжение адсорбции
III – полное насыщение поверхности молекулами адсорбата адсорбента
Рисунок 10 – Изотерма адсорбции
Цель работы:
- изучить адсорбцию растворов различными адсорбентами;
- на практике установит связь между адсорбцией вещества и
концентрацией;
-доказать влияние растворителя на процесс адсорбции.
Принадлежности для работы: штатив с пробирками, технохимические
весы, три воронки, шесть колбочек, три колбочки с пробками, стеклянная
трубочка длиной 10 см и внутренним диаметром 5-6 мм, пипетка на 50 мл, на
10 мл, мерная пробирка, бюретка, сероводородная вода, раствор индиго,
раствор иода, 0,05%-ный раствор азотнокислого свинца, фильтровальная
бумага, раствор иодистого калия, водный и спиртовой раствор фуксина
одинаковой концентрации, 0,5 н растворы солей Cu2+, Co2+,Fe3+, окись
алюминия, фенолфталеин, 0,1н раствор едкого натра, тонко измельченный
древесный уголь, 0,2н; 0,1 н; 0,05 н; растворы уксусной кислоты.
68
Адсорбция углем различных веществ из растворов. В одну пробирку
налейте сероводородную воду, в другую – раствор индиго, в третью – раствор
иода. В каждую пробирку всыпьте 0,2 г древесного угля, хорошо взболтайте и
отфильтруйте. Исследуйте фильтрат на запах и цвет.
Объясните наблюдаемые явления.
Адсорбция ионов свинца углем. В две пробирки налейте по 0,5 мл 0,5%ного раствора азотнокислого свинца. В одну пробирку добавьте небольшое
количество раствора йодистого калия для доказательства наличия ионов свинца
в растворе.
В другую пробирку добавьте около 0,2 г древесного угля и взбалтывайте
в течение 5 мин. Отфильтруйте раствор и проверьте присутствие ионов свинца
реакцией с йодистым калием.
Напишите уравнение качественной реакции на Pb2+
и объясните
наблюдаемое явление.
Влияние природы растворителя на адсорбцию. В одну пробирку
налейте 5 мл слабоокрашенного водного раствора фуксина, в другую такое же
количество спиртового раствора. В обе пробирки внесите по 0,2 г угольного
порошка и взбалтывайте в течение 5 мин. Отфильтруйте растворы. Почему в
одном случае адсорбция идет хорошо, а в другом плохо?
Хроматографическое разделение солей. В качестве адсорбента
используется окись алюминия. Для проведения опыта возьмите стеклянную
трубочку длиной около 10 см и внутренним диаметром 5-6 мм. Закрыв трубку с
одного конца пробочкой из фильтровальной бумаги, заполните её окисью
алюминия слоем около 5 см. налейте в небольшую пробирку по 5-6 капель 0,5 н
растворов солей Cu2+, Co2+,Fe3+ и опустите в смесь солей трубку, заполненную
адсорбентом. При капиллярном поднятии раствора в трубку указанные ионы
солей будут избирательно адсорбироваться на поверхности зерен окиси
алюминия и распределяться в виде окрашенных слоев на высоте адсорбента.
Зная, в какой цвет окрашены ионы меди, кобальта и железа, укажите, в
каком порядке эти соли адсорбируются из раствора.
Адсорбция уксусной кислоты углем. В три чистые, сухие и
пронумерованные колбы внесите по 1 г взвешенного на технохимических весах
угольного порошка. Отмерьте пипеткой и внесите в колбы по 50 мл уксусной
кислоты следующих концентраций: в первую- 0,2н, во вторую – 0,1 н, в третью
– 0,5 н.
Закройте колбы пробками и взбалтывайте содержимое в течение 20 мин.
После этого отфильтруйте растворы в отдельные, пронумерованные колбы.
Количество адсорбируемой кислоты углем можно узнать, проанализировав
количество уксусной кислоты, оставшейся в фильтрате. Для этого возьмите по
10 мл каждого фильтрата в отдельные колбочки, добавьте по капле
69
фенолфталеина и оттитруйте 0,1 н раствором едкого натра. Для этого раствор
натра наливают в бюретку и титруют им до бледно-розового окрашивания
растворов в колбочках с уксусной кислотой. Запишите количество
израсходованного 0,1 н раствора едкого натра на титрование в первом, во
втором и третьем случаях.
Нормальность уксусной кислоты рассчитайте по формуле:
СкVк = СщVщ
(8.1)
где Ск и Vк концентрация (нормальность) и объем уксусной кислоты, Сщ и
Vщ - концентрация (нормальность) и объем щелочи.
Рассчитайте нормальность раствора кислоты после адсорбции в первой,
второй и третьей колбочках. На основании данных расчета можно определить
количество адсорбированной уксусной кислоты во всех трех случаях.
Количество кислоты, поглощенной 1 г адсорбента (угля) из 50 мл её раствора,
определяют по формуле:
х=
С0 −Ср 50
1000
ммоль/г ,
(8.2)
где С0 – концентрация уксусной кислоты до адсорбции, Ср –
концентрация уксусной кислоты после адсорбции (равновесная концентрация).
Используя данные опыта, постройте кривую адсорбции, откладывая по
оси абсцисс значение Ср, а по оси ординат – количество адсорбированной
кислоты на 1 г адсорбента.
Сделайте вывод о зависимости адсорбции от концентрации растворенных
веществ.
Работа 9 Пены
Дисперсные системы, в которых дисперсная фаза – газ, а дисперсионная
среда – жидкость, называются пенами.
Пена- это концентрированная эмульсия газа в жидкости. Характерным
свойством пен является то, что пузырьки газа, связанные друг с другом
отделяющими их пенками, образуют сплошную ячеистую массу. Эти ячеистые
структуры, как и эмульсии, являются неустойчивыми. В пенах с пузырьками
газа соприкасается сравнительно большая поверхность жидкости, а поскольку
система стремится уменьшить поверхность раздела жидкость – воздух, то
быстро разрушается.
Для получения устойчивой пены (как и эмульсии) необходим третий
компонент - стабилизатор, уменьшающий поверхностную энергию. Таким
веществами являются сапонин, фенол, мыло, белок и др. они адсорбируются у
поверхности раздела газ - раствор, образуя слой ориентированных молекул,
который обладает значительной механической прочностью.
70
1) Пенообразующая способность раствора – количество пены,
выражаемое её объемом (см3) или высотой столба (м), которое образуется из
заданного постоянного объема пенообразующего раствора при соблюдении
некоторых стандартных условий пенообразования в течение постоянного
времени.
2) Кратность пены b, которая представляет собой отношение объема пены
Vп к объему раствора Vж, пошедшего на ее образование:
,
(9.1)
где Vг- объем газа в пене.
Кратность пены увеличивается с увеличением концентрации
пенообразователя. Все пены со временем разрушаются. Время существования
пузырька пены называется жизнью пены.
3) Стабильность (устойчивость) пены - ее способность сохранять общий
объем, дисперсность и препятствовать вытеканию жидкости (синерезису).
Часто в качестве меры стабильности используют время существования
(«жизни») выделенного элемента пены (отдельного пузырька или пленки) или
определенного объема пены.
4) Дисперсность пены, которая может быть охарактеризована средним
размером пузырьков, распределением их по размерам или поверхностью
раздела «раствор - газ» в единице объема пены.
Цель работы:
- получить пены;
- изучить их свойства.
Принадлежности для работы: Мерный цилиндр с притертой пробкой на
50 –100 см3; стакан на 50 см3; кольцо из платиновой или медной проволоки
диаметром 15-20 мм; жидкое мыло.
Получение пены. В цилиндр емкостью 50 – 100 см3 наливают 10 мл воды
и 1 мл жидкого мыла. Встряхивают эту смесь в течение 15-20с. После
прекращения встряхивания включают секундомер, одновременно отмечая
объем образовавшейся пены. Наблюдают изменение объема во времени.
Затем повторяют этот опыт при разбавлении раствора в 2, 4, 8 раз.
Полученные результаты записывают в таблицу и строят графики:
1
зависимость максимального объема образовавшейся пены от
концентрации пенообразователя;
2
изменения объема пены по времени.
71
Таблица 15 - Зависимость максимального объема образовавшейся пены от
концентрации пенообразователя
Концентрация пенообразователя
С1
Объем
Время,
пены V,
с
см 3
С2= С1
2
Время,
с
С3= С1
4
Объем
Время,
пены V, см
с
3
Объем
пены V,
см 3
С4= С
1
Время,
с
8
Объем
пены
V, см 3
Время жизни пены. Говорят растворы, как в опыте 1. Исследуемый
раствор в стаканчик на 50 см 3 и перемешивают. Затем в него погружают
платиновое проволочное кольцо. Кольцо осторожно вынимают из жидкости и
по секундомеру отмечают время с момента образования пленки до ее
разрушения. Для каждого из приготовленных растворов проводят 20 – 30
отсчетов времени жизни элементарной пены и вычисляют среднюю величину.
Результаты опытов наносят на график, где на оси ординат отмечают
время, а на оси абсцисс – концентрацию раствора.
Отчет о работе. 1. Вычертить график зависимости устойчивости пены от
концентрации раствора (на основании табличных данных). 2. Построить график
зависимости устойчивости пены от концентрации эмульгатора.
Контрольные вопросы
1
Что общего между эмульсиями и пенами?
2
От чего зависит время жизни пены?
3
В какой области промышленности производства применяются
пены?
Контрольная работа
Цель:
-проверить и систематизировать знания студентов по темам:
«Дисперсные системы», «Электрические свойства Д.С.», «Оптические свойства
Д.С.», «Молекулярно-кинетические свойства Д.С.»
Задание № 1.Укажите вещества, которые могут служить стабилизатором
для коллоидной системы, полученной в результате обменной реакции.
Приведите формулы мицелл, строение мицелл в изоэлектрической точке.
72
Таблица 16 – Примеры для задания 1
№
варианта
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
Дисперсная среда
Дисперсная фаза
Вода
Вода
Вода
Вода
Вода
Вода
Вода
Вода
Вода
Вода
Вода
Вода
Ag2SO3
Mg3(РО4)2
Sn(ОН)2
SrSО3
HgI2
Вi2S3
CaSiО3
CuCrО4
ВаSiО3
Cr (ОН)3
Zn3(РО4)2
Аl2(SiО3)3
Задание № 2. Вычислите величину дзета – потенциала указанного ниже
золя:
№
варианта
Таблица 17 – Примеры для задания 2
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
ДФ – ДСр.
Почва – вода
Почва – вода
Свинец метанол
Кварц –вода
Сульфид
мышьяка –
вода
Золото – вода
Олово – этанол
Висмут – вода
Бензол – сахар
Хлорид калия
- изоамиловый
спирт
Почва – вода
Висмут –
метанол
Скорость
перемещения
частиц
см/сек.
0,8*10
1,4 *10
Градиент
внешнего
поля В/см
(Н)
1,8
3,2
Диэлектрическ
ая
проницаемость
Д
81
81
1,1 * 10
3,0 * 10
3,1
10
34
81
6,1 *10
0,01
1,73 * 10
8
81
0,01
2,2 * 10
1,8 * 10
1,1 * 10-5
13,5 * 10
1
5
10
4
81
25,5
81
69,1
0,01
0,012
0,01
2,5 * 10
2,45 * 10
3
54,8
4,5 * 10
0,8 * 10
1,2
81
0,01
1,1 * 10
4,2
34
1,2 * 10
73
Вязкость
(пуаз) ŋ
0,01
0,01
Задание № 3.
1 Какие оптические свойства наблюдаются в коллоидных системах в
отличие от истинных растворов?
2 Объясните сущность нефелометрии.
3 Какие скачки потенциалов выделяют в мицелле? В каком соответствии
друг с другом они находятся?
4 Что такое электрофорез? Как величина электрофореза зависит от
величины дзета – потенциала в мицелле?
5
Что такое электроосмос? От каких факторов зависит величина
электроососа?
6 Какие молекулярно- кинетические свойства проявляют коллоидные
системы. Чем они отличаются от истинных растворов?
7
В чем сущность закона рассеяния света Рэлея. Как этот закон
объясняет световые явления в коллоидах.
8
Дайте объяснение эффекту Фарадея – Тиндаля.
9
Что такое седиментация, седиментационное равновесие, чем оно
характеризуется?
10
Что такое потенциал течения, потенциал оседания? Их отношение
к электроосмосу и электрофорезу.
11
Какое состояние частиц называется изоэлектрическим? Чем оно
обусловлено?
12
Разберите строение мицеллы. Покажите, как будут двигаться
частицы мицеллы при наложении электрического тока.
74
Приложение 1
Статистическая обработка результатов анализа
1 Проведя серию определений пробы, прежде всего отбрасывают те из
полученных результатов, которые следует признать грубо ошибочными. Для
этого проводят так называемый Q-тест. Все варианты определения располагают
по порядку от наименьшего до наибольшего: х1, х2, х3, …,хn.
Для первого и последнего рассчитывают
Q' = х2 – х1 / хn – х1
Q'' = хn - хn-1 / хn – х1
Больший из этих показателей (Q' или Q'') сравнивают с табличным
значением Q (см. таблицу)
Таблица18 – Значение Q-теста в зависимости от общего числа выполненных
определений (n) и от принятой доверительной вероятности α
α
90%
95%
99%
3
0,94
0,98
0,99
4
0,76
0,85
0,93
5
0,64
0,73
0,82
6
0,56
0,64
0,74
7
0,51
0,59
0,68
8
0,47
0,54
0,63
9
0,44
0,51
0,60
10
0,41
0,48
0,57
Чаще всего при проведении Q-теста доверительную вероятность
принимают равной 90%. Это означает, что сомнительное значение можно
отбросить, если статистическая вероятность того, что этот результат получился
с недопустимо грубой ошибкой равна 90%. Если результат х 1 или хn будет
отброшен, то число оставшихся результатов уменьшается на 1 и тогда Q-тест
повторяют для n-1 значений. Так продолжают, пока не будут отброшены все
результаты, полученные с недопустимо грубой ошибкой.
3 Затем находят:
а) среднее арифметическое Х оставшихся значений х
Х = х1+ х2+ х3+ …+хn/n
и рассчитывают
б) среднее отклонение d (среднее арифметическое отдельных отклонений
от средней величины):
d = 1/3 [|хn –Х| + | х2 - Х| + | х3 - Х| + | хn -Х|]
75
(знаки отклонений в расчет не принимаются);
в) относительное среднее отклонение, равное (d/Х) 100%
г) стандартное отклонение, выражающее воспроизводимость метода,
которым были получены результаты:
S = {1/n-1 |( х1 –Х)2 +( х2 –Х)2 + …( хn –Х)|2 }1/2
д) относительное стандартное отклонение sn = s/Х *100%;
е) доверительные границы, в которых найденное значение должно
соответствовать истинному содержанию определенному компоненту пробы:
Х + ts/√n> х>Х- ts/√n
Константу t для избранной доверительной вероятности (вероятности
того, что значение Х окажется в указанных границах), называемую часто
коэффициентом Стьюдента, находят по таблице.
Таблица 19 – Значение коэффициентов Стьюдента для расчета
доверительных границ
Число
измерений,
n
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
∞
Степень
свободы
К = n-1
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
∞
80
3,08
1,89
1,64
1,53
1,48
1,44
1,42
1,40
1,38
1,37
1,36
1,36
1,35
1,34
1,29
Доверительная вероятность, %
90
95
99
6,31
2,92
2,35
2,13
2,02
1,94
1,90
1,86
1,83
1,81
1,78
1,78
1,77
1,76
1,64
12,7
4,30
3,18
2,78
2,57
2,45
2,36
2,31
2,26
2,23
2,18
2,18
2,16
2,14
1,96
63,7
9,92
5,84
4,60
4,03
3,71
3,50
3,36
3,25
3,17
3,06
3,06
3,01
2,98
2,58
99,9
637
31,6
12,9
8,60
6,86
5,96
5,40
5,04
4,78
4,59
4,32
4,32
4,22
4,14
3,29
Во всех этих расчетах предполагается, что примененный метод анализа
свободен от систематических ошибок. При сомнении следует провести тем же
76
методом анализ стандартного образца такого же материала с известным
содержанием в нем определяемого компонента. Сделав несколько
параллельных определений, обработать полученные результаты как получено
выше, и рассчитать содержание в нем искомого компонента в доверительных
границах. Если известное истинное содержание компонента окажется в этих
границах, можно принять, что систематические ошибки отсутствуют.
Расчет абсолютной погрешности:
Еабс = t * d /√n
Расчет относительной погрешности:
Еотн = Еабс * 100 / Х
Задачи для самостоятельного решения
1 В организме человека реакция окисления этилового спирта
протекает в две стадии:
1. С2Н5ОН + 1/2O2 → СН3СНО + Н2O; ΔН10 = – 256 кДж.
2. СН3СНО +1/2О2 → СНзСООН; ΔН20 = – 237 кДж.
Рассчитайте ΔН0 реакции окисления этанола до уксусной кислоты.
2 В организме человека в результате метаболизма образуется
глицерин (СН2ОН)2СНОН, который далее превращается в СО2 (г) и Н2О (г).
Вычислите ΔG0 реакции, если ΔG0 образования глицерина = – 480
кДж/моль.
3 Определите константу равновесия для реакции получения
хлороводорода Н2(г) + Cl2(г) → 2HCl(г) при 298 °К, если известно, что её
стандартный тепловой эффект равен 92,34 ∙ 103 Дж/моль, а изменение
энтропии, при условии что парциальное давление реагирующих веществ
поддерживается равными 1,013 ∙ 105 Па, составляет 20,05 Дж/моль ∙ град.
4 Зная ΔG0298 образования бензойной кислоты С6Н5СООН (ΔG0298 = –
57950 кал/моль) и значение константы диссоциации бензойной кислоты (К =
6,46 ∙ 10–5),определите ΔG0298 бензоат-иона.
5 Константа равновесия для реакции взаимодействия хлороводорода
с кислородом: 4HCl + O2 → 2H2O + Cl2 при 660 °К равна 8,0 ∙ 10–4.
Определите стандартное изменение энергии Гиббса для этой реакции при
указанной температуре.
77
6 Найдите изменение энтропии при изотермическом смешении 1
кмоль азота с 1 кмоль кислорода, взятом при том же давлении. Допустите,
что оба газа подчиняются уравнению состояния идеальных газов.
7 Рассчитайте температуру начала кристаллизации 8 %-ного раствора
глюкозы С6Н12О6 в воде, если при нормальной температуре плавления (0 °С)
удельная теплота плавления равна 332 КДж/кг.
8 Рассчитайте теплоту испарения этилового спирта, если известно,
что этиловый спирт кипит при температуре 351,4 °К, а его 0,5 моляльный
раствор – при 352,0 °К.
9 Температура кипения раствора, содержащего 6,4 г гормона
адреналина в 360 г CCl4, на 0,49 выше температуры кипения чистого CCl4.
Эбулиоскопическая константа – 5,02 кг∙К/моль. Какова молярная масса
адреналина?
10 Содержание соляной кислоты в желудочном соке человека
составляет 0,4 – 0,5 %. Рассчитайте примерную величину рН желудочного
сока, приняв его плотность за 1 г/мл.
11 Вычислите рН раствора, полученного при растворении таблетки
аскорбиновой кислоты массой 0,5 г в таком количестве воды ,чтобы объём
достигал 0,4 л. Ка аскорбиновой кислоты равна 8,0 ∙ 10–5 моль/л.
12 Имеется 1 %-ный раствор альбумина. Какова должна быть в этом
растворе процентная концентрация примеси NaCl (степень диссоциации =
1), чтобы осмотическое давление увеличилось в два раза? (Молекулярная
масса альбумина 68 000).
13 Депрессия крови в норме 0,56 – 0,58. Если депрессия в
патологических случаях составляет 0,8 – 1,0, на что это указывает? На
осмотическую гипертонию или гипотонию крови?
14 Вычислите криоскопические постоянные для растворителей воды и
бензола. Температура плавления соответственно равна 0 и 5,5 °С, а удельная
теплота плавления – 332 КДж/кг и 125 КДж/кг.
15 Рассчитайте ионную силу раствора, содержащего 0,08 Кмоль
Na2SO4 и 0,02 Кмоль Cr2(SO4)3 в 1000 г воды.
78
16 Рассчитайте ёмкость буферного раствора по кислоте, если при
добавлении к 50 мл этого раствора 2 мл соляной кислоты с концентрацией
0,8 моль/л рН изменяется от 7,3 до 7,0.
17 Чему равна константа ассоциации амидопирина в водном растворе,
если константа диссоциации 1 ∙ 10–7 ?
18 Рассчитайте средний коэффициент активности
растворов MgCl2 при концентрациях 0,002 и 0,01 моль/л.
для
водных
19 Рассчитайте удельную электрическую проводимость раствора KCl
концентрации 0,05 моль/л при 25 °С. Подвижность катиона (К +) равна 73,5 ∙
104 Cм∙м2/моль; аниона (Сl‾) – 76,3 ∙ 104 См ∙ м/моль.
20 Как должен быть составлен гальванический элемент, чтобы в нём
протекала следующая химическая реакция: 2Ag + Hg2Cl2 → 2AgCl +2Hg и
ЭДС такой цепи равнялась бы разности стандартных потенциалов? Чему она
равна?
21 Напишите химическую реакцию (указав её направление),
протекающую в данном гальваническом элементе в стандартных условиях:
(Pt)/Н+, МnО4‾, Мn2+ || Со3+, Со2+/(Pt).
22 Рассчитайте потенциал водородного электрода, опущенного в
буферную смесь состоящую из 0,1 м СН3СООН и 0,1 м CH3COONa.
Объёмные соотношения соли и кислоты 1:1. Кд (СНзСООН) = 1,75 ∙ 10–5.
23 Окислительно-восстановительный потенциал системы в 0,1 М
растворе HCl при отношении Fe2+/Fe3+ = 106 равен 0,387 В. Вычислите ΔG0,
если средние коэффициенты активности FеС13 и FеСl2 равны
соответственно 0,08 и 0,33 (t = 25 °C).
24 Запишите
гальваническую
цепь,
соблюдая
правила,
рекомендованные ИЮПАК для гальванического элемента, состоящего из: а)
стандартного водородного и стандартного цинкового электродов; б)
стандартного водородного и стандартного медного электродов.
25 Какова ЭДС цепи при 25°С – (Pt) H2 / СН3СООН ||
CH3CH(OH)COOH / H2, (Pt) +, если С (СНзСООН) = 1 М, С [CHзCH(OH)COOH] = 0,5
М, К(СНзСООН) = 1,75 ∙ 10–5, К[CHзCH(OH)COOH] = 1,37 ∙ 10–4 . Задачу решите в
приближении, пренебрегая коэффициентами активности.
79
26 Константа скорости некоторой реакции при 20 °С равна 0,055 мин –
1
, при 40°С – 0,165 мин–1. Чему равна энергия активации?
27 Какой должна быть энергия активации, чтобы скорость реакции
увеличилась в 3 раза при возрастании температуры от 45 до 55 °С?
28 В ферментативной реакции через 1 час после её начала осталось 48
г субстрата, а через 3 часа – 27 г. Определите начальную концентрацию
субстрата, считая, что реакция имеет первый порядок.
29 Напишите схемы строения мицелл сульфида цинка, образующихся
при получении золя а) в случае избытка ZnSO4; б) в случае избытка (NH4)2S
по следующей реакции: ZnSO4 + (NH4)2S → ZnS + (NH4)2SO4.
30 Константы уравнения Штáудингера для синтетического каучука в
хлороформе таковы: степень диссоциации = 0,56; К = 1,85 ∙ 10 –5.
Определите, чему равна характеристическая вязкость образца, молекулярная
масса которого3 ∙ l05.
31 Определите, к какому электроду должны перемещаться частицы
золя, получаемого по реакции при небольшом избытке H2S: 2H3AsO3 + 3H2S
→ As2S3 + 6H2O.
32 Рассчитайте молекулярную массу поливинилового спирта, для
водного раствора которого характеристическая вязкость равна 0,15; степень
диссоциации = 0,74; К = 4,53 ∙ 10–5.
80
Тестовые задания
Выбор одного варианта ответа из предложенного множества
Инструкция студенту: Выберите один правильный вариант и нажмите
кнопку «Ответить»
1 Агрегатные состояния веществ
1.1 Компонент – это

вещество – составная часть системы

молекулы и ионы, образующие данную систему

вещество – составная часть системы, количество которого можно
изменять без изменения числа компонентов системы

вещество, определяющее фазовый состав системы
1.2 Температура возгонки – это температура, при которой твердое
вещество

испаряется

находится в равновесии со своим паром

находится при температуре, когда давление его пара равно
внешнему давлению

кипит
1.3 Многокомпонентные системы – это системы, образованные

большим числом компонентов

двумя компонентами

больше чем одним компонентом

больше чем двумя компонентами
1.4 Фаза – это

гомогенная часть гетерогенной системы

совокупность частей системы в одинаковом агрегатном состоянии

части системы с одинаковым химическим составом

совокупность гомогенных частей системы с одинаковым
химическим составом и физическими свойствами
1.5 Правило фаз Гиббса относится к

гетерогенным системам

многокомпонентным системам

многофазным системам

системам, находящимся в равновесии
1.6 Система инвариантна, если число степеней свободы равно
81




0
1
2
3
1.7 Перегретая вода – это

стабильная фаза

метастабильная фаза

газообразная фаза
1.8 Пример метастабильной фазы

пересыщенный раствор

насыщенный раствор

концентрированный раствор

разбавленный раствор
1.9 Возгонка – это фазовый переход

Г→Ж

Т→Ж

Т→Г

Ж→Г
1.10 Температура кипения – это температура, при которой

жидкость испаряется

жидкость быстро испаряется

парообразование происходит во всем объеме жидкости

давление пара жидкости становится равно внешнему давлению
2 Термодинамические функции, первое начало термодинамики
2.1 Свойства внутренней энергии системы в общем случае

функция состояния системы

функция процесса

экстенсивная функция

интенсивная функция

функция, равная теплоте процесса

функция, равная работе процесса

абсолютное значение функции неизвестно
2.2 Выражение первого начала термодинамики, имеет вид

Q=U-А

Q=U+А

U=Q+А
82


U=Q-А
А=U+Q
2. 3 Условия, отличающие изолированную термодинамическую систему

совокупность материальных объектов, занимающих ограниченную
область пространства

совокупность материальных объектов, занимающих
неограниченную область пространства

исключен обмен веществом и энергией с окружающей средой

возможен обмен энергией с окружающей средой, но исключен
обмен веществом

возможен обмен веществом с окружающей средой, но исключен
обмен энергией
– возможен обмен веществом и энергией с окружающей средой
2.4 Уравнение химической реакции, стандартное изменение энтальпии в
которой соответствует стандартной энтальпии образования твердого карбоната
кальция при температуре 298К

СаО(тв) + CO2(г) = СaСО3(тв)

Сa(тв) + 1/2 O2(г) + CO2(г) = CaCO3(тв)

Сa(тв) + 3/2 O2(г) + C(тв, графит) = CaCO3 (тв)

Сa(тв)+3/2O2(г)+C(тв,алмаз)= CaCO3 (тв)

ССl2(р-р) + Na2CO3(р-р) = СaСО3(тв) + 2NaCl(р-р)

Ca(OH)2(р-р) + CO2(г) = CaCO3(тв) + H2O(ж)
2.5 Математическое выражение второго начала термодинамики в
наиболее общем виде

ΔS>0

ΔS=ΔH/T

dS=δQ/T

TdS=dU + PdV

ΔS=Q/T

ΔS<0

dS≥δQ/T

TdS=dH – VdP
2.6 При самопроизвольном приближении к равновесию энтропия
изолированной системы

стремится к нулю

стремится к бесконечности

достигает минимума

достигает максимума

линейно убывает
83
2.7 Какая термодинамическая характеристика из перечисленных ниже не
является функцией состояния:

работа,

внутренняя энергия,

теплота,

энтальпия,

энтропия.
2.8 Состояние системы, при котором ее свойства постоянны во времени
при наличии потоков энергии и вещества, называется:

начальным,

стационарным,

переходным,

стандартным,

конечным.
2.9 Каково соотношение между Ср и Сv для идеального газа?

Ср + Сv = R

Ср = Сv + R

Ср / Сv = R

Ср = Сv + RT
2.10 Можно ли по изменению энтропии судить о направлении
протекания процесса? Да, если система:

закрытая,

изолированная,

открытая,

в любых типах систем,
2.11 Теплосодержание расширенной системы – это

энтропия

энтальпия

внутренняя энергия

температура
2. 12 Экстенсивным свойством термодинамической
системы является

температура

давление

объем

концентрация
84
2.13




Изохорный процесс протекает при
р=const
T= const
Q=const
V=const
2.14




Единицей измерения энергии является
Джоуль
Кельвин
Ватт
килограмм
2.15 Взаимные переходы теплоты и работы изучает

электрохимия

химическая кинетика

фотохимия

термодинамика
2.16




Приставка кило- означает
10-3
103
10-6
106
2.17




Живая клетка является
открытой термодинамической системой
закрытой термодинамической системой
изолированной термодинамической системой
не является термодинамической системой
2.18




При протекании реакции N2+3H2=2NH3
S>0
S<0
S=0
S=Н
2.19 Тепловой эффект (ΔН) реакции 2Mg+CO2=2МgО+C равен
 237,7 кдж/моль
 -345,6 кдж/моль
 -541,4 кдж/моль
 -809,6 кдж/моль
85
2.20 Рассчитать калорийность продукта, содержащего в 100г продукта
11,6г белков, 0,3г жиров и 5,0г углеводов. Калорийность белков и углеводов –
17,1 КДж/г, жиров – 38,8 КДж/г




228,8 КДж/100г
375,23 КДж/100г
295,5 КДж/100г
669,12 КДж/100г
2.21 Что изучает химическая термодинамика?

скорость протекания химических превращений и механизмы этих
превращений.

энергетические характеристики физических и химических
процессов и способность химических систем выполнять полезную работу.

условия смещения химического равновесия.

условия образования химической связи

получение и свойства ВМС
2. 22 Закрытой системой называют такую систему, которая:
 не обменивается с окружающей средой ни веществом, ни энергией
 обменивается с окружающей средой и веществом, и энергией
 обменивается с окружающей средой энергией, но не обменивается
веществом
 не обменивается с окружающей средой энергией, но обменивается
веществом
 обменивается с окружающей средой энергией
2.23 К какому типу термодинамических систем принадлежит раствор,
находящийся в запаянной ампуле, помещенной в термостат?

изолированной

открытой

закрытой

замкнутой

стационарной
2.24 К какому типу термодинамических систем принадлежит живая
клетка?

открытой

закрытой

изолированной

замкнутой

стационарной
86
2.25 Какие параметры термодинамической системы называются
интенсивными?
 величина которых не зависит от числа частиц в системе
 величина которых зависит от числа частиц в системе
 величина которых зависит от агрегатного состояния системы
 величина которых зависит от давления в системе
 величина которых зависит от температуры в системе
3 Химическая кинетика и катализ. Химическое равновесие
3.1 При некоторой температуре в системе А(г) + В(г) = С(г) + D(г),
находящейся в химическом равновесии, концентрации веществ А, В, С И D
составили соответственно 6, 2, 4 и 3 моль/л. Какова константа равновесия
при данной температуре

1

2

4

0,5
3.2 Реакции, протекающие через ряд последовательных стадий, называют

параллельными

последовательными

сопряженными

цепными
3.3 Куда сместится равновесие в системе 3Fe(т) + 4H2O(г) . 4H2(г) +
Fe2O3(т), Δ H = 25,1 КДж/моль при увеличении концентрации водорода

вправо

влево

не изменится

реакция не будет протекать
3.4 Выберите верное утверждение: порядок химической реакции – это

то же, что и молекулярность

сумма стехиометрических коэффициентов

сумма показателей степеней в кинетическом уравнении

число частиц, принимающих участие в элементарном акте
3.5 Выберите верное утверждение

Δ G > 0 - это признак химического равновесия

Δ G = 0 - это признак химического равновесия

Δ G < 0 - это признак химического равновесия
87
3.6 Если равновесие смещено (а не смещается!) влево, это значит, что

скорость прямой реакции меньше скорости обратной Реакции

константа скорости прямой реакции меньше константы Скорости
обратной реакции

Кравн.>1

Кравн =1
3.7 Для реакции нулевого порядка константа скорости реакции имеет
размерность

л2/(моль2·с)

л/(моль·с)

1/с

моль/(л·с)
3.8 Тепловой коэффициент реакции равен 2. На сколько градусов надо
повысить температуру, чтобы скорость химической реакции увеличилась в 16
раз

100С

200С

300С

400С
3.8 Начальная концентрация некоторого вещества равна 6 моль/л, а через
2 мин – 2 моль/л. средняя скорость реакции равна

2 моль/л•мин

3 моль/л•мин

4 моль/л•мин

5 моль/л•мин
3.10 Как изменится скорость прямой реакции 2CO+O2=2CO2 при
увеличении концентрации CO в 3 раза

в 9 раз

в16 раз

в 2 раза

в 3 раза
3. 11 Какие из перечисленных воздействий приведут к изменению
значения константы равновесия химических реакций?

введение катализатора

изменение концентраций реагирующих веществ

изменение температуры

уменьшение объема системы

увеличение объема системы
88
3.12 Какое утверждение справедливо: а) в состоянии химического
равновесияконцентрации исходных веществ и продуктов реакции со временем
не изменяются; б) при равновесии масса исходных веществ всегда равна массе
продуктов; в) при равновесии никакие химические реакции в системе не
протекают; г) в состояния всегда равны концентрации исходных веществ и
продуктов.

в, г

а, б, в, г

а

г

в
3.13 В каких ниже приведенных реакциях изменение давления не вызовет
нарушения равновесия: а)H2(г)+I2(г) ↔ 2HI(г); б)2SO2(г)+O2 ↔ 2SO3(г);
в)4HCl(г)+O2↔2H2O(г)+2Cl2(г); г)CO(г)+H2O(г) ↔CO2(г) + H2(г).

б, в

а, г

а, б

б, г

а
3.14 Влияние различных факторов на химическое равновесие определяет:

принцип Ле-Шателье

константу химического равновесия

закон действующих масс

закон Вант-Гоффа

закон Генри
3.15 Какие воздействия на систему 2SO2(г) + O2 ↔ 2SO3(г) приведут к
смещению равновесия влево:
а) увеличение концентрации О2;
б) увеличение концентрации SO3;
в) повышение давления;
г) возрастание объема реакционного сосуда.

б, г

а, в

б, в, г

а, в, г

в, г
3.16 В каком направлении сместится равновесие в системе 4Fe 2↔2Fe2O3
при увеличении давления?

в сторону прямой реакции
89




не сместится
в сторону обратной реакции
сначала в сторону обратной реакции, затем прямой
сначала в сторону прямой реакции, затем в сторону обратной
3.17 Если объем закрытого реакционного сосуда, в котором установилось
равновесие: 2SO2(r) + O2 ↔ 2SO3(г), уменьшить в 2 раза:

равновесие не сместится

равновесие сместится влево

равновесие сместится вправо

сначала сместится влево, затем сместится вправо

сначала сместится вправо, затем сместится влево
3.18 В каком направлении будет смещаться равновесие реакции:
CH4(г)+O2(г) ↔ СO(г)+3H2(г) при уменьшении объема системы?

влево

вправо

не сместится

сначала вправо, затем влево

сначала влево, затем вправо
3.19
Время, необходимое для распада половины количества
радиоактивного вещества (реакция 1-го порядка) …

прямо пропорционально константе скорости процесса распада

обратно пропорционально константе скорости процесса распада

зависит от исходного количества вещества.

зависит от давления

зависит от агрегатного состояния вещества.
3.20 Если константа скорости одной реакции (k’) ,больше константы
скорости второй реакции (k”), то какое соотношение между энергиями
активации этих реакций:

Е’а>Е”а
Е’а<Е”а


нельзя определить

Е’а=Е”а
Е’а= 1/2Е”а

4 Растворы. Электрохимические процессы
4.1 Растворы – это

двухкомпонентные гомогенные системы

многокомпонентные гомогенные системы
90


смеси нескольких веществ
системы, при образовании которых выделяется теплота
4.2 Коллигативными свойствами растворов называются такие, которые
определяются

природой частиц

концентрацией частиц

размером частиц

природой растворителя
4.3 Раствор кипит при температуре

большей температуры кипения растворителя

равной температуре кипения растворителя

ниже температуры кипения чистого растворителя

при средней температуре кипения между температурами

кипения растворителя и растворенного вещества
4.4 Вычислите осмотическое давление при 27°С раствора сахара, один
литр которого содержит 91г растворенного вещества

332 кПа

663 кПа

2457 кПа

1326 кПа
4.5 Осмотическое давление некоторого раствора при -3°С составляет 2735
кПа. При какой температуре осмотическое давление достигнет 3040 кПа.

27°С

3°С

30°С

9°С
4.6 Электролитом называется

электропроводное вещество

водный раствор вещества

вещество, образованное ионами

неводный раствор вещества
4.7 Степень диссоциации электролита – это

отношение произведения концентраций (активностей) ионов к

концентрации (активности) непродиссоциировавших молекул

константа равновесия диссоциации электролита

отношение числа продиссоциировавших молекул к числу
растворенных
91

отношение числа непродиссоциировавших молекул к числу
продиссоциировавших молекул
4.8 рН– это
 отрицательный логарифм концентрации ионов водорода
 отрицательный десятичный логарифм концентрации ионов
водорода
 отрицательный десятичный логарифм активности ионов
водорода
 отрицательный логарифм концентрации ионов гидроксогруппы
4.8 Концентрация ионов водорода в растворе с рН=2

0,01 смоль/л

0,1 моль/л

1 моль/л

10 моль/л
4.9 Рассчитайте рН буферного раствора, содержащего 0,5 моль/л ацетата
натрия и 1моль/л уксусной кислоты (рК=4,76)

4,76

4,45

4,26

5,76
4.10




Первый химический источник тока создал
В. Нернст
М. Фарадей
Л. Гальвани
А. Вольта
4.11В проводниках первого рода носителями электричества являются

ионы

молекулы

электроны

радикалы
4.12 Величина, равная обратному значению удельного сопротивления
называется

удельной проводимостью

молярной проводимостью

предельной электрической проводимостью

электрической подвижностью
92
4.13




Степень окисления хрома в K2Cr2O7 равна
+2
+7
-2
+6
4.13 Какова нормальная концентрация 1М раствора KNO2 как
восстановителя, если он окисляется в KNO3

0,5н

1н

2н

0,2н
4.15 При потенциометрическом определении рН в качестве
индикаторного используют

хлорсеребряный электрод

платиновый микродисковый электрод

стеклянный электрод

каломельный электрод
4.16 Сколько минут следует пропускать ток силой 0,5А через раствор
АgNO3 для выделения 0,27г серебра

5 мин

10 мин

8 мин

12 мин
4.17Величина, измеряемая обратным значением удельного сопротивления
называется

электропроводность

эквивалентная электрическая проводимость

молярная электрическая проводимость

удельная электрическая проводимость
4.18 Растворимость – это

концентрация раствора

максимально возможная концентрация раствора

концентрация насыщенного раствора

скорость растворения вещества
4.19 Давление пара над раствором

выше давления пара над чистым растворителем

ниже давления пара над чистым растворителем
93


равно давлению пара над чистым растворителем
равно нулю
4.20 Раствор замерзает при температуре

большей температуры замерзания растворителя

равной температуре замерзания растворителя

ниже температуры замерзания растворителя

при средней температуре между температурами замерзания
растворителя и растворенного вещества
4.21 Чему равно при температуре -7,5°С осмотическое давление раствора,
в 1,5л которого содержится 276г глицерина
 4413 кПа
 2880 кПа
 1380 кПа
 2760кПа
4.22 Осмотическое давление раствора, в 250 мл которого содержится 0,66
г мочевины, равно 111,1 кПа
при 33°С. ВЫЧИСЛИТЕ МОЛЕКУЛЯРНУЮ МАССУ МОЧЕВИНЫ

60,4 г/моль

5,6 г/моль

28,3 г/моль

56 г/моль
4.23 Сильным элктролитом называется

сильная кислота

соль

вещество, имеющее степень диссоциации 100%

вещество, имеющее степень диссоциации более 30%
4.24 Выберите неверный ответ: электролитами могут быть вещества

твердые

жидкие

газообразные

4)аморфные
4.25 Вычислите рН 0,01 М раствора НСl

0,01

0,1

1

2
94
5 Поверхностные явления
5.1 Число капель воды равно 100, число капель кислоты равно 110,
G(воды)=72,5 эрг/см2, поверхностное натяжение G (CН3СООН) равно

79,75

65,90

72,5

80
5.2 Поверхностно - активные вещества

понижают поверхностное натяжение

не изменяют поверхностное натяжение

вызывают коллоидную защиту

увеличивают поверхностное натяжение
5.3 Адсорбция газов при увеличении температуры

увеличивается

уменьшается

не изменяется
5.4 Уравнение Гиббса, связывающее величину адсорбции с
концентрацией поверхностно- активного вещества имеет вид

Г = Г∞Р /А+Р

Г = - С /RT · ΔG / ΔC

α = β P1/n

Г = Г∞C / A+C
5.5 Адсорбционная способность ионов зависит от величины

заряда

массы электролита

взаимодействия молекул

диффузии молекул
5.6 По закону Генри, концентрация растворенного в жидкости газа
пропорциональна

парциальному давлению этого газа над раствором

температуре раствора

концентрации газа в растворе

концентрации растворенных веществ
5.7 Неполярными (гидрофобными) адсорбентами являются

сажа

алюмогель
95


глина
силикагель
5.8 Указать адсорбент, хорошо поглощающий полярные вещества

активированный уголь

тальк

силикагель

сажа
5.9 Свободной поверхностной энергией называется термодинамическая
функция

учитывающая энергетику и неупорядоченность системы

При изобарно-изотермических условиях

характеризующая энергию межмолекулярного

Взаимодействия частиц на поверхности раздела фаз

характеризующая скорость химической реакции

характеризующая энергетическое состояние системы
5.10 Свободная поверхностная энергия не зависит

от количества частиц на поверхности раздела

от площади раздела фаз

от удельной энергии межфазного взаимодействия

от возбуждения клеточной мембраны
5.11 Удельная свободная поверхностная энергия G зависит

от природы контактирующих фаз и температуры

от концентрации компонентов в буферном растворе

от концентрации акцептора протонов

от концентрации доноров протонов
5.12 К самопроизвольным поверхностным явления, которые
сопровождаются уменьшением G не относятся

коалесценция – слияние капель жидкости или пузырьков газа

коагуляция – слипание частиц в дисперсных системах

смачивание

биологическая активность белков
5.13 Сорбция это

гетерогенный процесс самопроизвольного поглощения

Твердым телом веществ из окружающей среды

определение электрической проводимости

измерение электрического сопротивления кожи

работа образования единицы поверхности раздела
96
5.14 Сорбентом называется
–
поглощаемое вещество

твердые тела или жидкости, способные поглощать вещества

Из окружающей среды

процесс диффузии вещества в объеме

поступление питательных веществ через мембрану
5.15




Запах пищевых продуктов появляется из-за
абсорбции
адсорбции
десорбции
диффузии
5.16




К процессам абсорбции можно отнести
образование двойного электрического слоя на границе раздела фаз
растворение вещества в растворителе
снижение растворимости газов при повышении температуры
усиление кислотных свойств
5.17




При физической адсорбции не характерны
обратимость
неспецифичность
экзотермичность
образование химических связей
5.18 При физической адсорбции из смеси газов или паров лучше
адсорбируется тот компонент, который

имеет меньший радиус молекул

который труднее сжижается

который легче сжижается

у которого выше пористость
5.19
-
Изотерма мономолекулярной адсорбции описывается
теорией Ленгмюра
мембранным равновесием Доннана
уравнением Гиббса
уравнением Гендерсона-Гассельбаха
5.20 Шарообразная форма капли объясняется
тем, что молекулы, находящиеся на поверхности испытывают
неодинаковое притяжение со стороны жидкости и газа
тем, что молекулы, находящиеся на поверхности испытывают
одинаковое притяжение со стороны жидкости и газа
97
тем, что плотность газа меньше плотности жидкости
тем, что поверхностные молекулы жидкости находятся под
действием силы стремящейся втянуть их внутрь
5.21 Поверхностное натяжение – это поверхностная энергия
отнесенная к единице поверхности
отнесенная к одному молю вещества
отнесенная к одному кг вещества
отнесенная к одному молю кристалла
5.22 Зависимость поверхностного натяжения растворов от концентрации
пав описывается уравнением
Гельмгольца - Смолуховского
Гендерсона – Гассельбаха
Б.И.Шишковского
Гиббса
5.23 Поверхностно-активными свойствами обладают
неорганические соли
щелочи
сульфокислоты
слабые основания
5.24 Сорбция – это
способность одного вещества поглощать другое вещество
дипольный момент полярных групп
вещество, имеющее малое сродство к воде
увеличение полярности функциональной группы
5.25 Адсорбция растворенных
адсорбентов описывается
уравнением Гиббса
уравнением Гельмгольца
уравнением Вант-Гоффа
уравнением Ленгмюра
веществ
на
поверхности
жидких
6 Коллоидные системы
6.1 Золь, полученный, смешением 10 мл 0,1э сульфата меди и 10мл 0,05э
раствора гексоцианоферрита калия имеет заряд гранулы
положительный
отрицательный
нейтральный
гранула
98
6.2 Знак заряда частиц золя, если пороги коагуляции электролитов этого
золя равны γ (KNO3)=50, γ (MgCI2)=0,7, γ AlCI3=0,093 будет
положительный
нейтральный
отрицательный
цвиттерионы
6.3 К какому электроду будут передвигаться частицы белка при
электрофорезе, если его ИЭТ равна 9,6, А рН раствора 7,0
к аноду
к катоду
не будет передвигаться
и к аноду и к катоду
6.4 Для разделения двух аминокислот с (ИЭТ)1=2,7, (ИЭТ)2=9,5
электрофорезом необходимо создать рН среды
6,2
4,7
9,5
8
6.5 Порог коагуляции золя Fe(OH)3 при добавлении к 100 мл его 10мл 1э
раствора KCI равен; моль/л
100
90,9
0,09
0,80
6.6 Порог коагуляции золя Al(OH)3 составляет 0,63 ммоль/л. какое
количество 0,01М раствора К2Сr2O7 надо добавить к 100 мл золя, чтобы вызвать
его коагуляцию
20,2 мл
10,7 мл
6,7
5,3 мл
6.7 ζ-потенциал коллоидной
Гельмгольца – Смолуховского
U=RJ
H= E /l
ε·ζ·H / 4 πη
λ = χ /С
частицы
99
определяется
уравнением
6.8 Указать заряд гранулы золя, полученного смешением 10 мл 0,1Э
AgNO3и 15 мл 0,1э KBr
положительный
отрицательный
нейтральный
без заряда
6.9 Пептизация – это процесс перевода свежеобразованного осадка в
коллоидное состояние с помощью
стабилизатора – избытка электролита
стабилизатора пептизатора
фермента пепсина
реакцией гидролиза
6.10 Для ионов одного заряда коагулирующая способность зависит от
ЭОО элемента
числа электронов
заряда иона
числа протонов
6.11 Золь имеет положительный заряд гранулы. Указать электролит с
наименьшим порогом коагуляции
AlCl3
K2SO4
Na2CrO4
(NH4)3PO4
6.12 Голубая окраска неба обусловлена
отражением света
рассеиванием света каплями воды
поглощением света коллоидными частицами
коллоидные частицы оптически пусты
6.13 Красный свет виден в туманную погоду на большие расстояния,
вследствие
большого рассеивания в проходящем свете
большего поглощения света
малого рассеивания в проходящем свете
нет рассеивания или поглощения света
6.14 Электрофорез – это перемещение под действием электрического
поля
-
жидкой среды
100
-
твердой фазы
электронов
ионов
6.15 Агрегативная устойчивость дисперсных систем – это способность
системы сохранять определенную степень дисперсности, вследствие
отсутствия заряда
отсутствия сольватной оболочки
увеличения температуры
наличия электрического заряда у дисперсных частичек
6.16
способная
-
Порог коагуляции – это наименьшая концентрация электролита
получить гомогенный раствор
вызвать коагуляцию золя
повысить температуру
понизить осмотическое давление
6.17 Правило Шульце– Гарди: коагулирующая способность ионов зависит
от концентрации электролита
от температуры
от давления
величины заряда коагулирующего иона
6.18 Аддитивность – коагулирующее действие электролитов в смеси
равно
6.19
становится
-
сумме коагулирующих действий каждого электролита,
разности действию каждого иона
увеличению степени гидратации
уменьшению степени гидратации
Антагонизм – коагулирующее действие электролитов в смеси
больше, чем в отдельности одного электролита;
становится меньше, чем в отдельности одного электролита;
меньше, чем у обоих электролитов
равным коагулирующему действию обоих электролитов
6.20 Характерной особенностью строения молекул ПАВ являются
дифильность молекул ПАВ
способность повысить поверхностное натяжение
адсорбироваться во всем объеме
увеличивать взаимодействие между молекулами ПАВ и воды
101
6.21 Синергизм – коагулирующее действие ионов в смеси
повышается
понижается
не изменяется
образует гомогенный раствор
6.22 Под кинетической устойчивостью д.с. понимают
адсорбцию на поверхности раздела фаз
адсорбцию частиц в объеме
способность находиться во взвешенном состоянии
слипание частиц
6.23 Под устойчивостью дисперсной системы понимают способность
сохранять во времени
средний размер частиц
вязкость раствора
число электронов
температуру раствора
6.24 Солюбилизация – это
способность сохранять размеры молекулы
диэлектрическая проницаемость растворителя
явление диффузии вмв
явление растворения веществ в мицеллах ПАВ
6.25 Осмос это –
явление
односторонней
диффузии
растворителя
полупроницаемую мембрану
явление односторонней диффузии растворенного вещества
Через полупроницаемую мембрану
выравнивание концентраций двух растворов
через
6.26 Под устойчивостью дисперсной системы понимают ее способность
сохранять во времени
средний размер частиц
вязкость раствора
число электронов
температуру раствора
6.27 При разбавлении буферных растворов изменяется
рН буферной системы
буферная емкость
концентрация компонентов
соотношение компонентов системы
102
6.28 Антогонизм – коагулирующее действие электролитов в смеси
становится
больше, чем в отдельности
становится меньше, чем в отдельности
меньше, чем у обоих электролитов
равным, коагулирующему действию обоих электролитов
6.29 Порог коагуляции – это наименьшая концентрация электролита,
способная
получению гомогенного раствора
вызвать коагуляцию золя
повысить температуру
понизить осмотическое давление
6.30 Агрегативная устойчивость дисперсных систем – это способность
системы сохранять, определенную степень дисперсности, вследствие
отсутствия заряда
отсутствия сольватной оболочки
увеличения температуры
наличия электрического заряда у дисперсных частичек
6.31 Примером природных пав являются
неорганические соли
неорганические кислоты
желчные кислоты
щелочи
6.32 Под кинетической устойчивостью понимают
способность системы сохранять степень дисперсности
наличие дисперсной фазы и дисперсионной среды
способность дисперсной фазы седиментироваться
нарушение агрегативной устойчивости
6.33 Коллоидные растворы отличаются от истинных
слабые электролиты
неустойчивостью
сильные электролиты
агрегатным состоянием
6.34 Электрофорез – это
распад на ионы
подвижность дисперсной фазы
подвижность дисперсной среды
изоэлектрическое состояние
103
6.35 Порог коагуляции измеряется в
моль электролита на 1 л золя
моль золя на 1 л электролита
процентах
г / мл
6.36 При полном удалении ( сведении на нуль)
заряда на мицелле коллоидный раствор
станет ионным
скоагулирует
подвергнется электрофорезу
станет устойчивым
6.37 Эмульгаторы это
сильные электролиты
слабые электролиты
молекулы поверхностно-активных веществ
молекулы инактивных веществ
6.38 Агрегативная устойчивость определяется
наличием гидративных противоионов
минимальной гидратацией ионов
высокой степенью дисперсности
отсутствием стабилизатора
6.39 Коагуляцию коллоидных растворов вызывают
сильные кислоты
сильные щелочи
любые ионы, содержащие кислород
любые ионы противоположного знака заряду гранул
6.40 Пептизация – это процесс
обратный коагуляции
обратный защитному действию
обратный диссоциации
обратный гидролизу
6.41 Необходимым условием защитного действия вещества является
выпадение осадка
хорошая адсорбируемость
одноименный заряд с гранулой
малая растворимость в дисперсной среде
6.42 Величина обратная порогу коагуляции называется
железным числом
104
-
коагулирующим действием
изоэлектрической точкой
коллоидной защитой
6.43 Электрокинетический потенциал образуется на границе
ядро - адсорбционный слой
адсорбционный – диффузный слой
потенциалопределяющие ионы – противоионы
твердая фаза – жидкость
6.44 Седиментационная устойчивость коллоидов – это
способность частиц дисперсной фазы не оседать
способность частиц сохранять форму
способность поддерживать осмос
способность к коллоидной защите
6.45 Потенциалом седиментации называется
разность потенциалов, возникающая при оседании частиц
Д.ф. В жидкой д.с.
разность потенциалов, возникающая на концах
капиллярной системы при протекании жидкой дисперсионной
среды
направленное движение д.с. Под действием электрического поля
направленное движение д.ф. Под действием электрического поля
6.46 Электрофорезом называется
направленное движение д.ф относительно д.с. под
действием электрического поля
направленное движение д.с относительно д.ф. под
действием электрического поля
разность потенциалов, возникающая при оседании частиц Д.ф. в
жидкой д.с.
разность потенциалов, возникающая на концах капиллярной
системы при протекании жидкой дисперсионной среды
6.47 Солевым растворением называется
повышение растворимости белков при изменении
концентрации протонов
уменьшение растворимости белков при изменении
концентрации протонов
повышение растворимости белков в присутствии солей
уменьшение растворимости белков в присутствии солей
6.48 Наибольшим коагулирующим действием на
105
золе гидроксида железа обладает раствор соли
KCI
K2SO4
K3[Fe(CN)6]
Al2(SO4)3
6.49 Синергизм – это
ослабление коагулирующего действия одного электролита в
присутствии другого
суммарное коагулирующее действие ионов, вызывающих
коагуляцию
усиление коагулирующего действия одного электролита в
присутствии другого
состояние коллоидных частиц в изоэлектрической точке
6.50 Коллоидной защитой называется повышение
устойчивости лиофобных золей при добавлении к ним
растворов солей
растворов ВМС
раствора пептизатора
раствора стабилизатора
агрегативной
6.51 При синерезисе происходит
разделение студня на две фазы
увеличение объема студня
увеличение прозрачности
поглощение жидкости
6.52 Молекулярные коллоиды это
гомогенные, однофазные системы
гетерогенные системы
неустойчивые и необратимые системы
растворы малорастворимой соли
6.53 Теория светорассеяния была развита
М. Фарадеем
Д.Тиндалем
Д. Рэлеем
А.Лавуазье
6.54 Дисперсная система – это
гетерогенная система, состоящая из дисперсной
дисперсионной среды
гомогенная система, состоящая из дисперсной фазы и
106
фазы
и
-
Дисперсионной среды
хроматографический метод разделения веществ
физическая смесь веществ
6.55 С помощью хроматографии нельзя определить
присутствие в крови алкоголя
присутствие в крови наркотиков
присутствие в крови допинга
физико-химические свойства молекул
7 Растворы ВМС Студни и гели Эмульсии и пены
7.1 Эмульсии – это дисперсные системы типа
газ в жидкости
жидкость в жидкости
твердое в жидком
газ в твердом
7.2 Полимер, массой 4г поместили в склянку с бензолом. через 10мин
полимер вынули из склянки, и взвесили, масса стала 5,3. Степень набухания
полимера равна
32,5
20,5
23,5
50,2
7.3 ИЭТ белка это: рН, при котором белок находится в виде
катионов
анионов
цвиттерионов
молекул
7.4 К высокомолекулярным соединениям относятся
глюкоза
сахароза
белки
соли
7.5 ИЭТ, это значение рН, при котором белок принимает
положительный заряд
отрицательный заряд
не изменяет заряда
становится нейтральным
107
7.8 На вязкость растворов белков влияет
движение молекул
рН раствора
осмотическое давление
применение катализатора
7.9 Тиксотропия это
действие низкомолекулярных электролитов
повторное разрушение студня и геля
влияние рН
влияние анионов
7.10 Процессу застудневания способствует
повышение температуры
понижение температуры
увеличение количества воды
4) увеличение кинетической энергии молекул полимера.
7.11 Устойчивость полимеров зависит
от величины полимера
от наличия гидратной оболочки
гидрофобного взаимодействия
от температуры
7.12 Синерезис, процесс разделения геля или студня на две фазы,
сопровождается
уменьшением объема
увеличением объема
увеличение прозрачности
образование гомогенного раствора
7.13 ИЭТ – это значение рН, при котором белок
имеет положительный заряд
заряд 7+
не изменяет заряда
становится нейтральным
7.14 Наименьший высаливающий эффект проявляют
анионы
мягкие основания – катионы, которые слабо гидратируются
и хорошо адсорбируются на молекулах полимеров
растворы ВМС
все варианты
108
7.15 Примерами синерезиса не является
набухание желатина
свертывание крови
явление свертывания скисшего молока
все варианты
7.16 Высаливание желатина из воды произойдет при добавлении
воды
этанола
желатина
все примеры
7.17 Каучук лучше набухает в растворителе
этаноле
бензоле
воде
все примеры
7.18 К методам определения типов эмульсии относятся
определение электропроводности
метод отрыва кольца
метод счета капель
метод окрашивания
7.19 ИЭт белка это, рн при котором белок находится в виде
катионов
анионов
цвиттер-ионов
молекул
7.20 Примерами отрицательного синерезиса
являются
отмокание фруктовых джемов
черствение хлеба
самопроизвольное отделение жидкости от творога, в
процессе созревания сыра
4) все примеры
7.21 Примером неограниченного набухания
являются
набухание желатина в горячей воде
набухание желатина в холодной воде
набухание каучука в бензине
все варианты
109
7.22 Эмульсии – это дисперсные системы типа
газ в жидкости
жидкость в жидкости
твердое в жидком
газ в твердом
7.23 Аэрозоли – дисперсные системы типа
газ в жидкости
твердое в жидком
жидкость в жидкости
газ в твердом
7.24 Высокомолекулярные соединения в отличие от низкомолекулярных
характеризуется
точным значением молекулярной массы
средним значением молекулярной массы
малой массой вещества
законом независимого движения ионов
7.25 К полисахаридам относятся
растворы белков
аппарат искусственная почка
нуклеиновые кислоты
гликоген
7.26 Ограниченное набухание – это
проникновение растворителя в пустоты между
макромолекулами
уменьшение объема полимера
набухание, заканчивающееся растворением
набухание, не переходящее в растворение
7.27 Неограниченное набухание – это
набухание, заканчивающееся растворением
набухание, не переходящее в растворение
уменьшение объема полимера
проникновение растворителя в пустоты между макромолекулами
7.28 Ограниченно набухают полимеры, имеющие
ионные связи между макромолекулами
химические связи –«мостики» между макромолекулами
водородные связи
донорно-акцепторные связи
110
Список использованных источников
1 Балезин, С. А. Практикум по физической и коллоидной химии / С. А.
Балезин.- 6-е изд., доп. - М. : Просвещение, 2009. - 280 с. : ил
2 Болдырев, А. И. Физическая и коллоидная химия: учебник для вузов /
А. И. Болдырев .- 2-е изд., перераб. и доп. - М. : Высш. шк., 1983. - 408 с. : ил.. Библиогр.: с. 402. - Предм. указ.: с. 406-407.
3 Гамеева, О. С. Сборник задач и упражнений по физической и
коллоидной химии : учеб. пособие / О. С. Гамеева. - М. : Высш. шк., 1966. - 275
с.541
4 Дулицкая, Р. А. Практикум по физической и коллоидной химии / Р. А.
Дулицкая, Р. И. Фельдман .- 2-е ид., перераб., испр. и доп. - М. : Высш. шк.,
1978. - 296 с. : ил.
5 Задачи и упражнения по физической и коллоидной химии: учеб.
пособие для сред. спец. учеб. заведений - Л. : Химия. Ленингр. отд-ние, 1989. 239с. : ил. 4 М50
6 Новокшанова, А. Л. Лабораторный практикум по органической,
биологической и физколлоидной химии/ А. Л. Новокшанова,- ГИОРД, ISBN:
978-5-98879-087-7; 2009 г, 224 с
6 Практикум по физической и коллоидной химии : учеб. пособие для
студентов фармацевт. ин-тов и фармацевт. фак. мед. ин-тов / под ред. К. И.
Евстратовой . - М. : Высш. шк., 1990. - 255 с. : ил.. - Прил.: с. 243-251.
7 Журналы «Химия и жизнь», «Химик».
8Интернет-ресурсы:
- http://books4study.biz/c16;
- http://www.xumuk.ru/
111