Николаева Р.Б. Практикум по неорганической химии.Часть 1

Подождите немного. Документ загружается.

На дно воронки Бюхнера кладут два бумажных фильтра: нижний должен быть

такого же размера, как дно воронки, диаметр верхнего – больше первого на 1,5 см.

Для того, чтобы вырезать такой круг, нужно взять листок фильтровальной бумаги,

наложить его на воронку и слегка надавить сверху ладонью. На бумаге получается

отпечаток наружного диаметра воронки.

Обрезав по полученному контуру фильтро-

вальную бумагу ножницами, получаем верхний фильтр (большой). Меньший фильтр

помещают на дно воронки, смачивают небольшим количеством дистиллированной

воды и плотно прижимают ко дну. Сверху кладут второй фильтр, края которого рас-

правляют по стенке воронки, и его тоже смачивают. Прибор присоединяют к насосу,

при этом необходимо, чтобы

фильтры плотно «присосались» ко дну и стенкам во-

ронки.

При фильтровании в воронку Бюхнера по стеклянной палочке наливают рас-

твор с осадком. Когда большая часть жидкости отфильтруется и осадок уплотнится,

нужно следить за тем, чтобы в нем не образовывались трещины. В случае их появ-

ления нужно осторожно загладить трещины широкой

частью стеклянной пробки. Ею

же прижимают осадок ко дну воронки для более полного отделения фильтрата.

Фильтрование можно считать законченным, если на конце воронки больше не

появляются капли фильтрата. Прежде чем закрыть кран водоструйного насоса, необ-

ходимо «погасить» вакуум в колбе. Для этого из нее вынимают пробку с воронкой.

Чтобы снять осадок

с воронки Бюхнера, ее переворачивают на лист фильтро-

вальной бумаги, лежащий на столе. При осторожном постукивании по воронке оса-

док падает на бумагу.

Используя фильтрование под уменьшенным давлением, а также центрифуги-

рование (правила работы с центрифугой приведены отдельно), разделить систему

«осадок-раствор», выданную лаборантом, и показать разделенные раствор и осадок

преподавателю.

Вопросы к семинару

1. Техника лабораторных работ со стеклом (разрезание, сгибание, оплавление,

запаивание трубок, изготовление капилляров).

2. Правила подбора и сверления пробок.

3. Химическая посуда, указать назначение каждой. Мытье химической посуды.

Как проверить ее чистоту?

4. Какую посуду называют мерной, а какую – измерительной? Правила работы

с нею. Устройство и назначение промывалки.

5. Принципиальная схема конструкции лабораторных

весов. Правила взвеши-

вания.

6. Какое физическое свойство в жидкостных термометрах используется при

определении температуры? Какие жидкости, кроме ртути, можно применять для этой

цели?

7. Ареометры. Их назначение, точность определения с помощью ареометров.

Правила пользования ареометром.

8. Техника выполнения различных способов отделения осадка от раствора:

фильтрование (для чего используют складчатый фильтр?), декантация,

центрифуги-

рование. Указать недостатки и преимущества каждого. Что такое центрифугат,

фильтрат? Виды фильтров. Фильтрование с обогревом, под вакуумом. Как провести

фильтрование, если имеется всего 3 капли мутного раствора?

ЭКВИВАЛЕНТ

Эквивалентом вещества в реакциях обмена называется его реальная час-

тица (атом, ион, молекула) или

условная (нереальная) частица (доля атома, иона,

молекулы), которая равноценна иону

H . Реальные частицы - это, например, одно-

зарядные ионы

Na ,

−

Cl ,

−

NO и т.п.. А в качестве условной эквивалентом может

быть, например, треть молекулы фосфорной кислоты

POH3/1 (т.е. фактор эквива-

лентности (f) данной кислоты равен 1/3) или одна десятая молекулы оксида фосфо-

ра(V) –

OP10/1 и т.д. [8].

окислительно-восстановительных реакциях (ОВР) эквивалент – это

частица вещества, участвующая в передаче 1 электрона:

=− LieLi

или

−

=+ CleCl

Указанные частицы –

реальные, а условной в ОВР является, например,

−

MnO3/1 при осуществлении процесса в нейтральной среде (так как в этих условиях

перманганат-ион принимает 3 электрона, следовательно, 1 электрон присоединяется

к 1/3 данного аниона, т.е.

3/1f = ) [8].

Молярная масса эквивалентов вещества (т.е. масса одного моля их) рассчиты-

вается по формуле:

MfM

⋅= , и может быть определена экспериментально, как опи-

сано ниже.

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА

«Определение молярной массы эквивалентов»

Собрать установку, представленную на

рис. 3. Она состоит из штатива (1) с держателя-

ми, бюретки на 50 мл (2), реакционной пробир-

ки (3) и стеклянной воронки (4). Бюретка, про-

бирка и воронка соединены между собой рези-

новыми шлангами (5), пробками с отверстия-

ми (6) и стеклянными трубками (7).

Бюретку укрепить на штативе так, чтобы

нулевое деление оказалось на уровне глаз

на-

блюдателя. Не присоединяя пробирку, запол-

нить (через воронку) установку водой (уровень

ее в бюретке должен быть на нулевом делении,

а в воронке – находиться в средней ее части).

Проверить установку на герметичность.

Для этого присоединить пробирку и опустить

воронку вниз на 15-20 см. Уровень воды в бю-

ретке несколько опустится и

останется постоянным (если установка негерметична, то

уровень воды в бюретке будет непрерывно опускаться, приближаясь к уровню воды

в воронке).

После проверки герметичности отсоединить пробирку, на ее дно поместить

предварительно взвешенную навеску исследуемого металла (0,02-0,03 г). Затем

бы-

стро, чтобы избежать потерь водорода, прилить двукратный избыток 24%-го рас-

Рис.3. Установка для определения

молярной массы эквивалентов металла

по объему вытесненного водорода

твора хлороводородной кислоты к навеске цинка или железа, а в случае алюминия –

10%-ный раствор гидроксида калия, и

плотно присоединить пробирку к установке.

Взаимодействие кислоты с цинком идет при комнатной температуре, а с желе-

зом требует нагрева (для чего рекомендуется погружать реакционный сосуд в стакан

с горячей водой). Реакцию алюминия со щелочью следует ускорить нагреванием в

конце опыта.

Водород, выделяющийся в результате взаимодействия металла с раствором

кислоты или щелочи,

вытесняет из бюретки воду. Воронку при этом надо опускать и

стараться держать воду в ней и в бюретке на одном уровне, чтобы давление газа

внутри установки было все время близким к атмосферному.

Когда весь металл растворится, прекратится и понижение уровня воды в бю-

ретке, однако окончательный отсчет показаний по бюретке делается

лишь после то-

го, как пробирка

охладится до комнатной температуры, и только после окончатель-

ного приведения к

одному уровню жидкости в бюретке и в воронке.

Зарисовать установку и записать результаты измерений в следующем порядке:

 масса металла – m, г;

 объем вытесненного газа в условиях опыта - V, мл;

 температура опыта – t,

 атмосферное давление по барометру – p, мм рт.ст.;

 давление насыщенного пара воды при температуре опыта – h,

мм рт.ст. (см. табл. 7).

Таблица 7. Зависимость давления водяного пара (мм рт.ст.) от температуры (

С)

Температура Давление Температура Давление Температура Давление

1 4,93 11 9,84 21 18,65

2 5,29 12 10,52 22 19,83

3 5,68 13 11,23 23 21,07

4 6,10 14 11,99 24 22,38

5 6,54 15 12,79 25 23,76

6 7,01 16 13,63 26 25,21

7 7,51 17 14,53 27 26,74

8 8,05 18 15,48 28 28,35

9 8,61 19 16,48 29 30,04

10 9,21 20 17,54 30 31,82

Привести объем выделившегося водорода к нормальным условиям (н.у.), при

этом надо учесть, что общее давление газа в бюретке, равное атмосферному давле-

нию, складывается из парциальных давлений [8] водорода и водяного пара. Таким

образом, объем водорода при н.у. следует определять по формуле

760)t273(

273)hp(V

⋅+

⋅−

= ,

а молярную массу эквивалентов металла, соответствующую 1,008 г водорода (по

объему – 11 200 мл

H ), рассчитать по формуле:

Данная формула не учитывает, что давление пара над раствором меньше, чем над чистой водой [8].

Это может быть причиной неточного определения эквивалента металла.

V/m20011M = .

Опыт провести два раза, величину молярной массы эквивалентов металла

найти как среднее из двух определений. Сравнить ее со значением, рассчитанным по

уравнению реакции, и определить абсолютную и относительную ошибки экспери-

мента.

Вопросы к семинару

1. Определение моля и эквивалента. Что такое фактор эквивалентности, как

его рассчитать?

2. Молярная масса и молярный объем. Закон Авогадро. Молярная масса и мо-

лярный объем эквивалентов. Какие вещества имеют переменные значения молярной

массы эквивалентов? Закон эквивалентов.

3. Способ определения молярной массы вещества. Закон Клапейрона-

Менделеева.

4. Идеальные газы. При каких условиях реальные

газы можно рассматривать

как идеальные?

5. Чем объяснить бóльшую зависимость объема газов от давления и темпера-

туры по сравнению с жидкостями?

6. Сколько молекул содержится в 100 мл воды при 4

С?

7. Сколько содержится атомов в моле вещества?

8. Как определить практически молярную массу эквивалентов металла?

9. Решить одну из следующих задач каждому студенту по [6] C.4 (№10 и

№11), С.5-6 (с №1 по №9), С.21 (с №12 по №16).

СПОСОБЫ ВЫРАЖЕНИЯ СОСТАВА РАСТВОРА

Состав раствора можно выражать различными способами [8], в частности, в

массовых, объемных или молярных долях, или указывая его молярную концентра-

цию.

Массовая доля показывает, какую часть (долю) массы всей системы, состоя-

щей из k компонентов, представляет масса данного вещества. Она равна:

∑

Объемная доля вещества (используется для газообразных систем) равна от-

ношению объема данного газа к объему всей системы, состоящей из k газов. Рассчи-

тывается по формуле:

∑

=ϕ

Молярная доля вещества равна отношению количества данного вещества к

числу молей всей системы, содержащей k компонентов, то есть:

∑

=χ

И массовая, и объемная, и молярная доли могут выражаться в процентах.

Молярная концентрация показывает число молей молекул, ионов или экви-

валентов растворенного вещества, которое находится в 1 литре раствора. Ее обозна-

чение – C.

Например, запись

1,0)HCl(C = моль/л означает, что в 1 литре растворена одна

десятая моля хлороводорода; а

1)KMnO5/1(C

моль – указывает на то, что литр

раствора содержит 1 моль эквивалентов перманганата калия, то есть

15/1

⋅

или

0,2 моль перманганата калия.

Возможна и другая запись молярной концентрации, например: 0,1М НСl – де-

цимолярный раствор. Или

)KMnO5/1(M2

, т.е.

KMnOн2

- это двунормальный рас-

твор (если молярная концентрация выражена через моли эквивалентов, то при ее

названии используется термин «нормальный»).

Молярная концентрация раствора, который приготовлен из навески раство-

ренного вещества m (г) в мерной колбе объема V (мл), рассчитывается по формуле:

).л/моль(

1000m

⋅

Если находят нормальную концентрацию, то вместо М подставляют

M [8].

Рассмотрим на конкретных примерах, как осуществляется переход от одного

способа выражения концентрации раствора к другому.

Пример 1. Определить массовую долю азотной кислоты в 12M ее растворе,

плотность которого (

) равна 1,33 г/мл.

Массовая доля кислоты определяется формулой:

()

рар

HNOm

HNO

−

=ω .

Масса 1 л 12M раствора кислоты равна:

1330100033,1Vm

рар

⋅

−

г;

масса растворенного вещества: г756моль12моль/г63nM)HNO(m

⋅

Следовательно, %7,56567,01330/756)HNO(

=ω .

(Очевидно, в данном растворе

%3,43)OH(

ω ).

Пример 2. Рассчитать молярную и нормальную концентрации фосфорной ки-

слоты с массовой долей кислоты в растворе 3% ( 1

≈

г/мл).

Концентрации определяются формулами:

C =

= .

Если взять 100 г раствора, указанного в задаче, то его объем будет равен:

мл100

мл/г1

г100

рар

−

Количество фосфорной кислоты, содержащейся в нем, равно:

моль0306.0

моль/г98

г3

n === ,

а количество эквивалентов:

()

моль0918.0

983/1

⋅

== .

И тогда:

()

моль

306.0

мл100

мл1000

0306.0POHС

=⋅= ,

()

моль

918.0POH3/1СC

43f

== .

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА

«Приготовление растворов»

1. Приготовление раствора заданного состава

Определить состав концентрированного раствора серной кислоты, имеющегося

в лаборатории, с помощью ареометра и, проведя необходимые расчеты, приготовить

из него 100 мл раствора с массовой долей серной кислоты, указанной преподавате-

лем.

В присутствии препаратора измерить плотность полученного раствора и срав-

нить его значение с представленным в табл. 8.

Рассчитать ошибку определения. Чем она может

быть вызвана?

ПРИМЕЧАНИЕ: Приготовленный раствор серной кислоты обязательно сдать ла-

боранту, ни в коем случае не выливать в раковину!

2. Определение влажности воздушно-сухой соли

Приготовить 100 мл раствора дихромата калия, исходя из точной навески этой

соли, указанной в задании под соответствующим номером (табл. 9).

Измерить плотность полученного раствора в присутствии препаратора и, ис-

пользуя данные табл. 8, рассчитать количество воды в исходной соли. Каковы мо-

лярная и нормальная концентрации приготовленного раствора соли, а также моляр-

ная доля воды

в нем.

ПРИМЕЧАНИЕ: Приготовленные растворы обязательно сдать лаборанту.

Таблица 8. Плотность водных растворов при 18

W, % H

2 1,013 1,0122

4 1,027 1,0264

6 1,040 1,0408

8 1,055 1,0554

10 1,069 1,0703

12 1,083 –

Таблица 9. Задания к определению влажности соли K

№ задания 1 2 3 4 5 6 7 8

Навеска соли, г 3,9 6,8 8,7 4,6 2,4 7,2 6,4 7,9

Вопросы к семинару

1. Способы выражения состава раствора.

2. Вывод формул перехода от одного способа выражения состава раствора к

другому.

3. Рассчитать, какой объем 98%-ной серной кислоты ( 84,1=

г/мл) нужно

взять для приготовления:

а) 200 мл 84,3%-го раствора ( 77,1

г/мл);

б) 400 мл 0,01н раствора ( 1

≈

ρ г/мл).

4. Решить одну из следующих задач каждому студенту по [6], C.5 (№9), С.6 (с

№1 по №8), С.8 (с №11 по №16).

ТЕРМОХИМИЯ

Химические реакции, как правило, сопровождаются тепловыми эффектами,

которые изучают в специальной области химии – термохимии.

Термохимические исследования широко применяются в практических целей.

Например, для определения тепловых эффектов неизученных реакций, составления

тепловых балансов технологических процессов, а также для решения ряда теорети-

ческих вопросов. (В частности, установлена связь между строением вещества и его

энергетическими характеристиками.)

Термохимические расчеты основаны на применении

закона Гесса (1836 г.):

тепловой эффект химической реакции при постоянном давлении или постоянном

объеме не зависит от способа ее проведения, и определяется лишь начальным и ко-

нечным состоянием системы реагирующих веществ. Следовательно, если химический

процесс проходит в несколько стадий, то его общий тепловой эффект равен сумме

тепловых эффектов всех этих стадий [8].

Теплота растворения соли

Растворение представляет собой физическое или химическое явление в зави-

симости от природы веществ.

Химические процессы растворения, как и химические реакции, сопровождают-

ся тепловыми эффектами, причем, количество тепла, которое выделяется или по-

глощается при растворении одного моля вещества в таком количестве растворителя,

что дальнейшее прибавление последнего уже не вызывает дополнительного тепло-

вого

эффекта, называется полной или интегральной теплотой растворения.

Рассмотрим, почему одни соли в воде растворяются с выделением тепла, на-

пример:

−+

+→+

)aq(

)aq()т(2

Cl2CuaqCuCl

, 8,72H

298

−=∆ кДж/моль,

а другие - с поглощением:

−+

+→+

)aq()aq()т(

ClKaqKCl , 4,18H

298

=∆ кДж/моль.

При растворении соли в воде происходят два основных процесса. Первый –

эндотермический, связанный с

разрушением кристаллической решетки; второй –

экзотермический, обусловленный

гидратацией ионов соли (причем гидраты обра-

зуются тем с большим экзоэффектом, чем больше заряд иона и меньше его радиус).

И в зависимости от того, какой из двух вышеупомянутых процессов

преобладает,

тепловой эффект растворения может быть величиной положительной или отрица-

тельной.

Теплота нейтрализации

Тепловой эффект реакции нейтрализации, как и других химических процессов,

можно представить алгебраической суммой энтальпий разрушения прежних химиче-

ских связей и образования новых.

Так, при сливании растворов сильной кислоты и щелочи энергия затрачивает-

ся на разрушение гидратных оболочек ионов водорода (

→ HH

)aq(

) и гидроксила

(

−−

→ OHOH

)aq(

), но выделяется при образовании молекул воды: (

)ж(2

OHOHH →+

−+

Тепловой эффект суммарного процесса:

)ж(2)aq()aq(

OHOHH ⇔+

−+

равен алгебраической сумме указанных теплот. (Здесь не учитываются теплоты вза-

имного разбавления, имеющие место при сливании растворов.)

При взаимодействии слабой кислоты и щелочи энергия затрачивается не толь-

ко на дегидратацию реагирующих частиц, но и на осуществление диссоциации сла-

бого электролита, например:

+−

+⇔ HCOOCHCOOHCH

Последний процесс более энергоемок, чем дегидратация, следовательно сум-

марный тепловой эффект данной реакции нейтрализации менее экзотермичен, чем в

первом случае.

Экспериментально тепловые эффекты химических процессов определяют в

специальных приборах – калориметрах.

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА

«Калориметрическое определение тепловых эффектов»

1. Определение теплоты растворения соли. Расчет теплового значения

калориметра

Для определения теплоты растворения соли

собрать калориметрическую установку (рис. 4).

Она состоит из сосуда Дьюара емкостью 1 л (1),

внутри которого помещены теплоизолирующая

прокладка (2) и сосуд объемом 200 мл (3). Сосуд

Дьюара закрывается крышкой (4), имеющей три

отверстия: для помещения термометра (5), не-

большой воронки с широким тубусом (6) и мешал-

ки (7).

В калориметр с помощью мерного цилиндра

налить

80 мл дистиллированной воды (температура

ее должна быть близка к комнатной). С точностью

до сотых долей грамма взять указанную навеску

одной из солей, приведенных в табл. 10.

При помощи специального держателя укрепить термометр (его перед началом

опыта надо вставлять в калориметр последним, а после окончания опыта вынимать

из установки в первую очередь).

Во время опыта один студент перемешивает жидкость с помощью мешалки;

одновременно он следит за секундомером и диктует время отсчета (за пять секунд

до начала отсчета диктующий говорит: «Внимание». В это время второй студент с

лупой оценивает приблизительное положение ртутного столбика в термометре и, ко-

гда диктующий скажет: «Отсчет!» – записывает соответствующее показание

термо-

метра).

На протяжении всего опыта показания термометра фиксировать с помощью

лупы до десятых долей градуса

через каждую минуту.

Рис.4. Калориметрическая

установка.

Таблица 10. Навески солей для определения ∆H их растворения

Название соли Формула Навеска, г

Хлорид калия KCl 6,55

Кристаллическая сода OH10CONa

232

⋅

3,26

Дихромат калия

722

OCrK 3,34

Гидрофосфат натрия (12-ти водный) OH12HPONa

242

⋅

4,07

Эксперимент начинают с определения температурного хода калориметриче-

ской системы. Для этого измеряют температуру калориметра в течение не менее

5 мин. Если при этом температурные изменения достаточно равномерны и невелики

(начальный период опыта), то в определенный момент отсчета в калориметр через

воронку, не прекращая перемешивания, высыпают навеску соли. С этого момента

начинается главный период опыта, при котором также фиксируют показания

термометра.

После того, как растворение соли закончится, температурный ход в калори-

метре снова станет равномерным и небольшим. В этом последнем периоде опыта

температурные отсчеты делать в течение 5 мин.

Провести не менее

двух параллельных опытов по определению теплового

эффекта растворения соли.

Результаты эксперимента изобразить в виде графика на миллиметровой бума-

ге, при этом на оси абсцисс откладывать

время в минутах (1 см соответствует

1 мин), а на оси ординат – показания тер-

мометра (рис. 5).

Наличие температурного хода в на-

чальном (АВ) и конечном (СД) периодах

свидетельствует о том

, что во время опыта

имеет место теплообмен калориметра с

окружающей средой. В расчетах этот теп-

лообмен учитывается следующим образом:

прямая АВ экстраполируется вправо, СД –

влево. Через среднюю точку (Е) отрезка

ВС проводится перпендикуляр к оси абс-

цисс до пересечения его с линиями АВ и CD. Величина отрезка LN соответствует из-

менению температуры

калориметра:

ttt

−

∆

, вызванному растворением соли

(с поправкой на теплообмен).

Теплоту растворения соли рассчитывают по формуле:

m/MtKH

.раств

⋅∆⋅=∆

(кДж/моль),

где m-навеска соли в граммах, М – молярная масса соли, а K – так называемое

теп-

ловое значение калориметра

(оно равно количеству тепла, которое необходимо

затратить, чтобы нагреть калориметр с его содержимым на 1

С). Тепловое значение

калориметра представляет собой сумму теплоемкостей всех составных частей, вхо-

дящих в калориметрическую систему. Его можно определить, если точно знать массы

и удельные теплоемкости всех деталей и содержимого калориметра.

Рис.5. График изменения температуры в

процессе растворения соли.

мин