close

Вход

Забыли?

вход по аккаунту

?

mu fizhimiya 2015

код для вставкиСкачать
Министерство образования и науки Российской Федерации
Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение
высшего профессионального образования
«Санкт-Петербургский государственный университет технологии и дизайна»
А. М. Михаилиди, Т. Л. Филиппова
ЛАБОРАТОРНЫЙ ПРАКТИКУМ
ПО ФИЗИЧЕСКОЙ ХИМИИ
Для студентов, обучающихся по направлению
29.03.03 Технология полиграфического и упаковочного производства
профиль Технология полиграфического производства
Санкт-Петербург
Санкт-Петербургский государственный университет
технологии и дизайна
2015
УДК 541.1
ББК Г5я7
М69
Издание рекомендовано к публикации на заседании кафедры
Технологии полиграфического и упаковочного производства
протокол № 11 от 11.06.2015 г.
Утверждено Редакционно-издательским советом СПГУТД
в качестве методических указаний
М69
Михаилиди А. М., Филиппова Т. Л.
Лабораторный практикум по физической химии. – СПб.:
СПГУТД, 2015. – 40 с.
УДК 541.1
ББК Г5я7
Учебное издание соответствует содержанию дисциплины Б1.В.ОД.1
Физическая и коллоидная химия направления подготовки 29.03.03
Технология полиграфического и упаковочного производства.
Электронное учебное издание зарегистрировано
СПГУТД СЗИП
№ 59 от 11.06.2015
© СПГУТД, 2015
СОДЕРЖАНИЕ
Введение . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4
Общие указания по проведению лабораторных работ . . . . . . . . . . . . . . . 6
Правила техники безопасности в химической лаборатории . . . . . . . . . . 7
Общие правила работы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7
Правила противопожарной безопасности . . . . . . . . . . . . . . . . . 9
Первая помощь при несчастных случаях . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9
Лабораторная работа № 1
Определение интегральной теплоты растворения . . . . . . . . . . . . . . . . . 11
Методика выполнения работы. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11
Порядок выполнения работы. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13
Оформление отчета . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15
Вопросы для самопроверки . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16
Лабораторная работа № 2
Определение электродвижущей силы (ЭДС)
гальванического элемента и потенциалов отдельных электродов . . . . 17
Порядок выполнения работы. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17
Электроды сравнения . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21
Хлорсеребряный электрод . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21
Оформление отчета . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23
Вопросы для самопроверки . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23
Лабораторная работа № 3
Потенциометрический способ определения pH
с помощью хингидронного электрода. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24
Методика выполнения работы. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24
Порядок выполнения работы. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25
Хингидронный электрод. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27
Лабораторная работа №4
Потенциометрический способ определения pH
сильных и слабых электролитов
с помощью стеклянного электрода. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31
Методика выполнения работы. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31
I. Порядок проведения работы на приборе рН-метр-340 . . . 34
II. Отсчет показаний на шкале прибора . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34
III. Калибровка шкалы прибора по буферным растворам . . 34
IV. Измерение рН исследуемых растворов . . . . . . . . . . . . . . . 35
Оформление отчета . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36
Вопросы для самопроверки . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37
Вопросы для самостоятельной подготовки к коллоквиумам . . . . . . . . . 38
ВВЕДЕНИЕ
Курс физической и коллоидной химии играет существенную роль
при подготовке технологов полиграфического производства. Основные
разделы физической химии, такие как Химическая термодинамика,
Электрохимия, Кинетика химических реакций, являются теоретической
базой других дисциплин, а также позволяют технологу понимать суть
процессов, происходящих во время печати и при допечатной подготовке.
Поскольку краски, применяемые при печати, являются коллоидными
системами, необходимо изучить основы коллоидной химии, уметь
применять
коллоидно-химические
закономерности
в
условиях
практической деятельности.
Изучение курса физической и коллоидной химии студентами всех
форм обучения направления 29.03.03 Технология полиграфического и
упаковочного производства включает освоение теоретического
(лекционного) курса, выполнение лабораторных работ, а также
самостоятельную работу. В ходе лабораторных работ студенты
приобретают навыки проведения физико-химических экспериментов,
работы с оборудованием, построения графиков, математической
обработки результатов измерений и анализа погрешностей, работы со
справочной литературой.
Курс физической и коллоидной химии рассчитан на два семестра.
В первом семестре изучается только физическая химия. Сначала
проводятся лекции, и только потом студенты приступают к
лабораторному
практикуму.
В
качестве
текущего
контроля
предусмотрены два коллоквиума. Форма промежуточного контроля в
первом семестре – зачет. Во втором семестре изучается коллоидная
химия, которая также начинается с лекций, и далее проводятся
лабораторные работы. Форма промежуточного контроля по коллоидной
химии – экзамен.
Настоящее издание включает в себя лабораторный практикум по
физической химии. В нем собраны указания для проведения четырех
лабораторных работ. Подача материала во всех лабораторных работах
одинакова, что облегчает восприятие. Сначала определяется цель работы
и приводится список приборов и материалов, необходимый для ее
выполнения. В разделе Методика работы описаны происходящие
процессы, рабочие установки, основные формулы для расчетов и графики
зависимостей (при их наличии). В разделе Порядок выполнения работы
приводится алгоритм, в соответствии с которым работу необходимо
выполнять: последовательность действий, проведение измерений, как
именно требуется работать с прибором. Здесь же есть таблицы для записи
результатов опыта. В следующем разделе даны методические
рекомендации для оформления отчета по работе и указан литературный
источник, в котором можно найти более подробную информацию об
4
особенностях протекания изучаемых физико-химических процессов.
Завершается каждая лабораторная работа списком вопросов для
самопроверки, которые помогут студенту подготовиться к получению
допуска к работе.
Также в данном практикуме можно найти общие указания по
проведению лабораторных работ, требования техники безопасности
работы в химической лаборатории, вопросы для самостоятельной
подготовки к коллоквиумам и список литературы.
5
ОБЩИЕ УКАЗАНИЯ
ПО ПРОВЕДЕНИЮ ЛАБОРАТОРНЫХ РАБОТ
Перед началом лабораторного практикума все студенты проходят
первичный инструктаж на рабочем месте по технике безопасности,
который проводится в устной форме преподавателем в течение 1
академического часа. После проверки знаний студентов они
расписываются в журнале по технике безопасности. Те студенты, которые
показали неудовлетворительные знания, к выполнению лабораторного
практикума не допускаются. Лица, грубо нарушившие правила работы и
техники безопасности в лаборатории, отстраняются преподавателем или
инженером от выполнения лабораторных работ до проведения
внепланового инструктажа.
Перед каждой лабораторной работой обучающиеся заблаговременно
получают у преподавателя тему работы, литературу для подготовки и
список вопросов для самопроверки. То есть подготовка к каждой
лабораторной работе является формой самостоятельной работы
студента – домашним заданием.
Для выполнения лабораторной работы студенты разбиваются на
пары (тройки). Таким образом для них реализуется возможность
научиться работать в команде, принимать коллективные решения, и,
кроме того, это необходимо для безопасного проведения лабораторной
работы.
Каждая лабораторная работа начинается с оформления вводной части
лабораторного журнала (отчета по работе), в ходе которого студенты
работают с данным практикумом, делая краткие записи.
Перед началом эксперимента все студенты должны получить допуск
у преподавателя или инженера, что означает краткое устное описание
эксперимента и ответы на вопросы.
Далее обучающиеся проводят эксперимент, который описан в
Порядке выполнения работы, в строгом соответствии с алгоритмом.
Получив результаты, студенты оформляют отчет, строят
необходимые графики, проводят расчеты и формулируют общий вывод по
работе.
Отчет по лабораторной работе сдается преподавателю или инженеру
для проверки. После каждой лабораторной работы студент должен убрать
свое рабочее место.
6
ПРАВИЛА ТЕХНИКИ БЕЗОПАСНОСТИ
В ХИМИЧЕСКОЙ ЛАБОРАТОРИИ
Любой раздел химии как экспериментальной науки предъявляет к
себе определенные требования. Поскольку безопасная работа в
химической лаборатории и для себя, и для окружающих является основой
проведения эксперимента, необходимо строго соблюдать правила
организации работы и техники безопасности. Наиболее вероятными
источниками несчастных случаев являются неумелое обращение с
химическими веществами (отравление, химические ожоги, пожары,
взрывы, аллергии), с лабораторными приборами (поражение
электрическим током, термические ожоги и травмы), а также со
стеклянными приборами и посудой (порезы и т. д.). Только хорошая
организация и охрана труда, строгое соблюдение правил работы и мер
безопасности, соблюдение трудовой и учебной дисциплины позволяют
полностью исключить возможность несчастных случаев и аварий в
лабораториях.
Ответственность за хранение реактивов, приборов, оборудования и
материалов, правила их выдачи возлагаются на инженера лаборатории.
Каждый работающий должен знать, где в лаборатории находится аптечка
для оказания первой медицинской помощи, индивидуальные средства
защиты (маска, перчатки, противогаз, резиновые калоши, фартук),
средства пожаротушения (ящик с песком, огнестойкое одеяло,
огнетушитель), средства для оказания первой медицинской помощи
(аптечка, растворы: гидрокарбоната натрия (3 %), перманганата калия
(1 %), уксусной кислоты (1 %).
Общие правила работы
При выполнении лабораторных работ необходимо строго соблюдать
перечисленные ниже правила.
Перед занятиями студенту необходимо заранее познакомиться с
ходом проведения опытов по учебному пособию, отчетливо уяснить цели
и задачи работы, обдумывая каждое действие. Приступать к выполнению
опытов можно только после получения допуска от преподавателя или
инженера.
1. Работающий должен знать основные свойства используемых
веществ, их действие на организм, правила работы с ними и на
основе этого принять все меры для безопасности проведения
работ.
2. Нельзя выливать избыток реактива из пробирки обратно в
реактивную склянку. Сухие соли набирают чистым шпателем
или ложечкой.
7
3. Не следует путать пробки от разных склянок. Чтобы внутренняя
сторона пробки оставалась чистой, пробку кладут на стол
внешней поверхностью.
4. Запрещено засорять раковины песком, бумагой, битой посудой и
другими твердыми отходами, что приводит к выходу
канализации из строя. Все твердые отходы следует выбрасывать
в урну.
5. При выполнении работ бережно расходуйте реактивы,
электричество и воду. Нельзя оставлять без надобности
включенные электроприборы. По окончании работ нужно
немедленно отключить электроприборы.
6. Выполнение лабораторной работы и каждого отдельного опыта
требует строгого соблюдения всех указаний, содержащихся в
описании работы. Опыт должен исполняться тщательно,
аккуратно и без спешки.
7. Студентам категорически запрещается без разрешения
преподавателя проводить какие-либо опыты, не относящиеся к
данной работе, или изменять порядок проведения опыта. Следует
помнить, что каждый, даже кажущийся внешне простым, опыт
может оказаться при необдуманном выполнении опасным.
8. Перед уходом из лаборатории рекомендуется тщательно мыть
руки.
9. Избегайте непосредственных контактов кожи, глаз и
дыхательных путей с химикатами. Кроме того, если у вас
длинные волосы, их следует аккуратно прибрать, чтобы они не
могли соприкасаться с нагревательными приборами, реактивами
и т. д.
10. Запрещается набирать ртом при помощи пипетки или трубки
любые вещества. Для этого следует пользоваться сифоном или
резиновой грушей.
11. При переливании реактивов нельзя наклоняться над отверстием
сосуда во избежание попадания брызг на лицо и одежду.
12. В лаборатории запрещается пробовать на вкус реактивы, а также
принимать пищу, пить и курить.
13. Нельзя класть на лабораторные столы посторонние предметы
(сумки, шапки и др.), а также вешать в лаборатории верхнюю
одежду.
14. О любом происшествии в лаборатории, даже самом
незначительном, необходимо сообщить преподавателю или
инженеру.
15. Не стесняйтесь спрашивать обо всем, в чем у вас есть сомнения!
8
Правила противопожарной безопасности
Запрещается работать с неисправным оборудованием и приборами.
Категорически
запрещается
использовать
для
подключения
электроприборы с оголенными проводами или с поврежденной
изоляцией.
В случае воспламенения горючих веществ быстро выключите
вентиляцию, обесточьте электроприборы и тушите пожар: а) горящие
жидкости прикройте асбестом, а затем, если нужно, засыпьте песком, но
не заливайте водой; б) в случае возгорания одежды на человеке
необходимо накрыть его асбестовым одеялом; в) небольшие локальные
пожары тушить при помощи углекислотного огнетушителя; при большом
задымлении использовать противогаз.
Во всех случаях пожара в лаборатории студенты должны немедленно
ее покинуть.
Первая помощь при несчастных случаях
В лаборатории бывают случаи, требующие неотложной медицинской
помощи, – порезы рук стеклом, ожоги горячими предметами, кислотами,
щелочами. Для оказания первой помощи в лаборатории имеется аптечка.
В серьезных случаях необходимо пострадавшего сопроводить к врачу.
Основные правила первой помощи сводятся к следующему:
1. При мелких порезах стеклом удалите осколки из раны, смойте
кровь, продезинфицируйте раствором йода (перекиси водорода)
и перевяжите бинтом.
2. При ожоге рук или лица реактивом смойте реактив большим
количеством воды, затем в случае ожога щелочью − 1 %-м
раствором уксусной кислотой, в случае ожога кислотой − 3 %-м
раствором гидрокарбоната натрия, а затем опять водой. Одежду,
соприкасавшуюся с реактивами, следует снять.
3. При ожоге горячей жидкостью или горячим предметом
обожженное место промойте проточной холодной водой в
течение 5–10 мин. Затем следует немедленно доставить
пострадавшего в ближайшее лечебное учреждение.
4. При попадании химического вещества в глаза их необходимо
обильно промыть в течение 10–15 мин струей холодной воды
так, чтобы она стекала от носа к виску. Веки пораженного глаза
во время промывания должны быть осторожно развернуты.
Контактные линзы перед промыванием следует снять. Затем в
любом случае пострадавшего незамедлительно доставить в
глазную клинику.
5. При попадании реактивов внутрь необходимо вызвать рвоту
принятием теплого раствора поваренной соли (3–4 чайные ложки
на стакан воды) и затем надавить пальцем на заднюю часть зева,
давая пострадавшему пить большое количество теплой воды.
9
Если пострадавший потерял сознание или же отравление
вызвано проглатыванием растворителя, кислоты или щелочи, то
рвоту вызывать нельзя. Пострадавшего перенести на свежий
воздух и оставить в спокойном положении в тепле. Немедленно
вызвать бригаду неотложной помощи.
6. При поражении электрическим током необходимо быстро
освободить пострадавшего от действия тока путем отключения
электроэнергии общим рубильником. Вынести пострадавшего на
свежий воздух и при необходимости сделать ему искусственное
дыхание и массаж сердца. Немедленно вызвать скорую помощь.
10
Лабораторная работа № 1
ОПРЕДЕЛЕНИЕ ИНТЕГРАЛЬНОЙ ТЕПЛОТЫ
РАСТВОРЕНИЯ
Цель работы: с помощью калориметрического метода определить
теплоту растворения соли.
По изменению температуры калориметра при растворении соли
определяется ее теплота растворения. Перед проведением измерений
необходимо определить константу калориметра по известной теплоте
растворения соли.
Приборы: калориметр, магнитная мешалка.
Методика выполнения работы
При калориметрических измерениях тепловых эффектов процессов
используют специальные установки, называемые калориметрами. Схема
простейшей установки приведена на рис. 1.
Рис. 1. Схема калориметрической установки:
1 – термометр Бекмана; 2 – пробка; 3 – крышка; 4 – изотермическая «рубашка»;
5 – калориметрический стакан; 6 – стержень-мешалка; 7 – магнитная мешалка.
Величина и знак теплового эффекта процесса Q, протекающего в
калориметре, определяются по изменению температуры ∆t:
 = ∆,
где ∆t – изменение температуры для процесса, протекающего в условиях
отсутствия теплообмена калориметра с окружающей средой;
11
W – суммарная теплоемкость системы, равна массе и удельной
теплоемкости всех веществ, участвующих в теплообмене
(исследуемых веществ, калориметра, мешалке, термометра).
При растворении твердого вещества в воде это уравнение может
быть переписано следующим образом:
 = [( + ) ∙  + ]∆,
где G – навеска воды;
g – навеска соли;
C – удельная теплоемкость раствора (теплоемкость разбавленных
растворов неорганических солей в воде практически одинаковы и
равны 0,980 кал/г.град.);
К – константа прибора, т. е. количество тепла, которое необходимо
сообщить калориметрической системе (калориметру, мешалке,
термометру), участвующей в теплообмене, чтобы повысить ее
температуру на 1° кал/град.
Если тепловой эффект отнести к 1 г растворенного вещества, то
получим удельную теплоту растворения, которая рассчитывается по
формуле:
∆
уд = [( + ) ∙  + ] .

Для расчета мольной теплоты растворения справедливо уравнение:
м = [( + ) ∙  + ]
∆ 

, (Дж/моль),
где М – молекулярный вес соли.
Для расчета теплового эффекта процесса, протекающего в
калориметре, необходимо знать постоянную калориметра К, которую
можно определить по известной теплоте растворения какой-нибудь соли.
В реальных условиях растворение соли в калориметре
осуществляется не мгновенно, а в течение какого-либо отрезка времени,
поэтому в ходе калориметрического опыта происходят тепловые потери в
окружающую среду, и, как следствие этого, изменение температуры в
процессе опыта будет отличаться от действительного изменения
температуры процесса, протекающего мгновенно без тепловых потерь.
Для определения действительного изменения температуры в
процессе опыта можно использовать графический метод. Для этого весь
калориметрический процесс делится на три периода:
1) начальный период – в течение которого выясняется характер
теплообмена калориметрической системы с окружающей средой до
всыпания соли;
12
2) главный период – в течение которого происходит растворение
соли;
3) конечный период – изменение температуры за счет теплообмена с
окружающей средой после растворения соли (7–10 мин).
Изменение температуры проводят через каждые 30 сек.
По экспериментальным данным строят график зависимости
изменения температуры во времени. Общий вид такой зависимости
представлен на рис. 2. Выбор масштаба температуры должен зависеть от
величины ∆t. Он должен быть таким, чтобы по графику можно было
определить сотые доли градуса.
Рис. 2. АВ – начальный период, ВС – главный период, СД – конечный период
Наклон прямых АВ и СД относительно оси времени зависит от
разности температур между калориметром и окружающей средой, а
продолжительность главного периода (В'C') – от скорости протекания
процесса растворения, определяемой скоростью перемешивания,
природой соли и величиной ее кристаллов.
Чтобы определить действительное изменение температуры процесса,
происходящее в течение главного периода, продолжают линии АВ и СД
до пересечения с перпендикуляром, восстановленным к середине
главного периода (B'C'). Отрезок перпендикуляра (аб) между этими
прямыми дает искомое значение температуры.
Порядок выполнения работы
Определение константы калориметра
растворения соли.
Определение теплоты растворения соли.
по
известной
температуре
Проведение измерений
1. Определение константы калориметра по известной теплоте
растворения соли.
13
Константу калориметра (К) определяют по понижению температуры
при растворении в воде KCl. Зная мольную теплоту растворения
хлористого калия Q = –∆H, которую находят в справочнике,
рассчитывают константу калориметра по уравнению:
м = [( + ) ∙  + ]
К=
∆ 
, т. о.

 ∙ 
− ( + ) ∙ ,
∆ 
где G – навеска воды;
g – навеска KCl;
М – его молекулярный вес;
C – теплоемкость раствора (4,1 Дж/гК);
∆t – изменение температуры в процессе растворения, которое
определяется графически.
Калориметрический стакан взвешивают с точностью до 0,1 г,
наливают в него 200–500 мл дистиллированной воды и снова взвешивают
стакан с водой. По разности находят массу воды G.
В калориметрический стакан опускают цилиндрик магнитной
мешалки и устанавливают в термостат. Закрыв термостат крышкой,
помещают в него термометр Бекмана так, чтобы ртутный резервуар был
полностью покрыт водой. Поскольку растворение KCl идет с
поглощением теплоты, то термометр Бекмана предварительно
настраивают так, чтобы мениск ртути находился в верхней части шкалы.
Взвешивают с точностью до 0,01 г пустую пробирку, насыпают в нее
10 г КCl и снова взвешивают. Исследуемая соль не должна содержать
крупных комков, иначе растворение замедляется и точность опыта
снижается.
Включают магнитную мешалку и добиваются оптимальной скорости
вращения.
Перемешивая воду в калориметре, наблюдают за температурой,
которая изменяется вследствие теплообмена с окружающей средой. Когда
изменения температуры станут одинаковыми, делают ее отсчеты с
точностью 0,01 °С в течение 5 мин через каждые 30 с. На шестой минуте
высыпают из пробирки навеску соли через отверстие в крышке
калориметра, снова закрыв после этого отверстие пробкой. Повторным
взвешиванием пробирки после проведения опыта устанавливают точный
вес растворенной соли g.
После внесения соли продолжают наблюдать за изменением
температуры. Смешивать исследуемые вещества нужно не торопясь и не
опасаясь, что будут пропущены несколько отсчетов, однако точное
количество этих пропусков должно быть учтено при записи опытных
данных и при дальнейшем определении ∆t. Это нужно делать потому, что
пропуск отсчета температуры ведет к сокращению главного периода, а
14
это отразится на величине ∆t, определяемой графически. Концом главного
периода принято считать установление вновь равномерного хода
изменения температуры.
В заключительном периоде изменение температуры отмечается
так же, как и в предварительном, – в течение 5–7 мин.
Опытные и расчетные данные заносят в табл. 1.
Таблица 1
Время
Показания
термометра,
°С
∆t
граф
G воды, г
g соли, г
Константа прибора
 ∙ 
 =
− ( + ) ∙ 
∆ ∙ 
2. Определение теплоты растворения соли.
После определения константы калориметра приступают к
определению теплоты растворения исследуемого вещества.
Опыт и графическое определение ∆t проводят так же, как и при
определении константы калориметра.
Теплоту растворения соли рассчитывают по формуле:
∆
уд = [ + ( + ) ∙ ] ,

где Q – теплота растворения 1 г соли.
Результаты опытных и расчетных данных заносят в таблицу 2.
Исследуемая соль ….. ; G = ……; g = ……; K = ….. .
Таблица 2
№
Время отсчета,
с, мин.
Показания
термометра
∆t
Qоп
Qтеор
%
Оформление отчета
Отчет по работе должен содержать название изучаемого объекта,
результаты опыта, занесенные в таблицы; все расчетные данные с
указанием размерности полученных величин; графики, выполненные на
миллиметровой бумаге; расчет процента ошибки.
15
Литература
Киреев, В. А. Краткий курс физической химии [Электронное
издание]: учеб. для вузов. URL: http://techlibrary.ru/update.htm. Параграфы
117, 181, 182, 54.
Вопросы для самопроверки
1. Что такое константа калориметра и как ее определить?
2. От чего зависит суммарная теплоемкость системы и как можно ее
определить?
3. Изменение
какой
термодинамической
функции
равно
наблюдаемому тепловому эффекту при растворении соли?
4. Можно ли по знаку теплового эффекта определить возможную
растворимость веществ в воде?
5. От чего зависит знак теплового эффекта при растворении соли?
6. Как можно определить теплоту гидратации солей с ионной
кристаллической решеткой?
7. Будет ли отличаться ∆t, найденная экспериментально, от ∆t,
определенной по графику?
8. Какое значение имеет сольватация при растворении соли?
16
Лабораторная работа № 2
ОПРЕДЕЛЕНИЕ ЭЛЕКТРОДВИЖУЩЕЙ СИЛЫ (ЭДС)
ГАЛЬВАНИЧЕСКОГО ЭЛЕМЕНТА
И ПОТЕНЦИАЛОВ ОТДЕЛЬНЫХ ЭЛЕКТРОДОВ
Цель работы: определить ЭДС элемента Якоби–Даниэля при
различных концентрациях электролитов, изучить влияние природы
электролита и концентрации потенциалоопределяющих ионов на
величину электродного потенциала.
С помощью комбинированного цифрового прибора Щ-300
определяется ЭДС элемента и величина равновесных потенциалов при
различных концентрациях солей. Полученные данные сопоставляются с
теоретическими значениями, рассчитанными по уравнению Нернста.
Приборы: комбинированный цифровой Щ-300, исследуемый
гальванический элемент.
Порядок выполнения работы
1. Изучение влияния концентрации потенциалообразующих ионов на
величину электродвижущей силы элемента Якоби–Даниэля.
Элемент Якоби–Даниэля состоит из медного и цинкового электродов,
опущенных в растворы сернокислой меди и сернокислого цинка. Растворы
соединяются между собой с помощью электролитического ключа,
заполненного насыщенным раствором хлористого калия. Собранный таким
образом элемент изображен на рис. 3.
Схематическая запись элемента Якоби–Даниэля:
–
Zn|ZnSO4|KCl|CuSO4|Cu+
Перед опытом электроды тщательно зачищают наждачной бумагой и
промывают дистиллированной водой.
Для получения более точных значений ЭДС перед опытом электроды
целесообразно омеднить и отцинковать.
Рис. 3. Элемент Якоби–Даниэля, состоящий из медного и цинкового электродов,
опущенных в растворы сернокислой меди и сернокислого цинка
17
Для этого электроды зачищают наждачной бумагой, промывают
водой и для снятия легкого налета окислов погружают в 3–5 %-й раствор
H2SO4. Тщательно промытые водой электроды завешивают в медную и
цинковую ванны и ведут осаждение металла при комнатной температуре
и плотности тока 1–2 ам/дм2 в течение 15 мин.
После электролиза электроды промывают водопроводной, затем
дистиллированной водой, опускают соответственно в растворы ZnSO4,
CuSO4 и приступают к измерениям. Для измерения ЭДС элемента
используют компенсационную установку (потенциометр постоянного тока).
Полученные
опытным
путем
результаты
сравнивают
с
теоретическими, рассчитанными по уравнению Нернста.
Ɛ = Ɛ0 +
 −+ 2+
ln
.
 −+ 2+
Для перевода натурального логарифма (ln) в десятичный (lg) надо
умножить на 2,303.
Уравнение
для
расчета
напряжения
ЭДС
химического
гальванического элемента:
Ɛ = Ɛ0 + 2.303
 −+ 2+
lg
,
 −+ 2+
Ɛ = Ɛ0 + 0.0295 lg
 = −+ ∙  .
 2+
,
 2+
Для расчета теоретических значений ЭДС, нормальные потенциалы
металлов и значение средних коэффициентов активностей берут из
справочника. Полученные данные заносят в табл. 3.
Таблица 3
t° опыта =
элемент
№
–
Zn|ZnSO4|KCl|CuSO4|Cu+
Концентр., г-экв/л
CuSO4
ZnSO4
1
1N
1N
2
1N
0,1 N
ЭДСопыт.
ЭДСтеор.
Относительная ошибка
Ɛпр. − Ɛтеор.
Ɛтеор.
18
∙  %
3
1N
0,01 N
4
0,1 N
1N
5
0,01 N
1N
6
0,1 N
0,1 N
2. Измерение потенциалов отдельных электродов. Изучение влияния
активности потенциалообразующих ионов на величину равновесного
потенциала.
Задача сводится к определению ЭДС цепи, составленной из
электрода, потенциал которого требуется определить, и из электрода
сравнения с известным и устойчивым потенциалом. В качестве электрода
сравнения можно взять насыщенный каломельный электрод, потенциал
которого равен:
ϕ KCl нас. = 0,2438 – 6.5⋅10–4(t° – 25°) В
или хлорсеребряный электрод:
ϕ Ag/AgCl = 0,202 – 6.4⋅10-4(t° – 25°) В.
Такой гальванический элемент, составленный из исследуемого
электрода и электрода сравнения, изображен на рис. 4.
Рис. 4. Гальваническая система,
состоящая из исследуемого и хлорсеребряного электродов
Для измерения равновесных потенциалов составляют гальванические
элементы по схеме:
–
Zn|ZnSO4|KCl, AgCl|Ag+
–
Ag|AgCl, KCl|CuSO4|Cu+
и определяют их электродвижущие силы компенсационным методом.
19
Электродвижущая сила равна разности электродных потенциалов,
составляющих данный гальванический элемент:
Ɛ = ϕ1 – ϕ2.
Зная величину потенциала электрода сравнения и какую роль он
играет в данном гальваническом элементе (положительного или
отрицательного электрода), рассчитывают потенциал исследуемого
полуэлемента.
Например, в паре с медью хлорсеребряный электрод отрицателен, т. е.
Ɛ = ϕ�
 2+
или
ϕ�
 2+
− ϕ�

= Ɛ + ϕ�

.
Наоборот, в цепи для определения потенциала цинка
хлорсеребряный полуэлемент выполняет роль положительного электрода
Ɛ = ϕ�

или
−ϕ�
 2+
(ϕ�
− ϕ�
 2+
= Ɛ − ϕ�

.
Измеренные экспериментально величины электродных потенциалов
и ϕ�
) сравнивают с их теоретическими значениями, которые
2+
2+


рассчитывают по уравнению Нернста по заданным концентрациям:
ϕ = ϕ0 +

0.0002
ln  2+ ∙ С 2+ = ϕ0 +
  2+


Таблица 4
t° опыта = ...
ϕ�
№
1

= ...
Измеряемая цепь
С+ ,
Ag|AgCl, KCl|CuSO4|Cu+
1N
-
г-экв.
+
20
ЭДС,
В
ϕоп. ,
В
ϕтеор. , Относит.
В
ошибка
2
-«- -«-
0,1 N
3
-«- -«-
0,001N
Zn|ZnSO4|KCl, AgCl|Ag+
1N
5
-«- -«-
0,1 N
6
-«- -«-
0,001N
4
-
Стандартные потенциалы (ϕ0 ) и коэффициенты активности −+ ионов
берут из справочника.
Результаты измерений заносят в табл. 4.
Электроды сравнения
Для определения электродных потенциалов методом измерения ЭДС
применяют
электроды
сравнения,
обладающие
известными
потенциалами, которые не изменяются в процессе их работы. Такими
электродами могут служить водородный, каломельный и хлорсеребряный
электроды.
Водородный электрод обладает очень хорошей воспроизводимостью,
но из-за трудности, связанной с его изготовлением и эксплуатацией,
применяется сравнительно редко.
Поэтому чаще всего в лабораторной практике в качестве электрода
сравнения используется каломельный электрод, который может быть
легко изготовлен и потенциал которого обладает хорошей
воспроизводимостью и постоянством. Но ввиду вредности работы со
ртутью, каломельный электрод может быть замещен аналогичным ему
хлорсеребряным, который более удобен в обращении. Хлорсеребряный
электрод можно применять в том случае, если в исследуемом растворе нет
ионов Br-, I-, NH4+, OH-, NO3-, а также сильных окислителей.
Хлорсеребряный электрод
Хлорсеребряный электрод состоит из серебряной проволоки со слоем
AgClтв., помещенной в раствор KCl определенной концентрации (рис. 5) и
представляет собой электрохимическую систему Ag|AgCl,KCl, в которой
протекает электродная реакция:
AgCl + e =  +  −.
Равновесный потенциал серебра, измеренный по отношению к
стандартному водородному потенциалу, будет зависеть от активности Ag+
в растворе по уравнению:
ϕ�
 +
= ϕ0
� +
+

 + .

Катионы серебра образуются за счет растворения по реакции:
21
AgClтв. = + +  −.
Рис. 5. Хлорсеребряный электрод
Эта соль является труднорастворимым соединением, и наличие
избытка твердого AgCl обеспечивает постоянство концентрации Ag+.
Присутствие в растворе хорошо растворимого хлорида калия, имеющего с
AgCl общий анион, еще больше снижает растворимость хлористого
серебра, т. е. активность Ag+ будет определяться активностью ионов
хлора, так как они связаны произведением растворимости (ПР):
 + ∙  − = ПР, тогда потенциал хлорсеребряного электрода будет равен:
или
ϕ�

= ϕ0
ϕ�

� +
+
= ϕ0


ПР
 + = ϕ0
+

� +

  −
� +
+


ПР −
 − .


Поскольку ПР для данного электролита при данной температуре
является величиной постоянной, то
нормального потенциала, т. е.:
тогда
ϕ0
� +
ϕ�

+


ПР можно включить в значение

ПР = ϕ0
,
�

= ϕ0
�
22
−

 − .

Таким образом, потенциал хлорсеребряного электрода относительно
стандартного водородного при 25 °С будет равен:
ϕ�

= ϕ0
�
− 0.059 − .
В
насыщенном
растворе
хлористого
калия
потенциал
хлорсеребряного электрода при различных температурах рассчитывается
по уравнению:
ϕ Ag/AgCl = 0,202 – 6.4⋅10–4(t° – 25°) В.
Оформление отчета
Отчет по работе должен содержать описание измерительной схемы,
расчетные формулы и необходимые расчеты, все экспериментальные
данные, занесенные в таблицы, с указанием температуры опыта.
Литература
Киреев В. А. Краткий курс физической химии [Электронное издание]:
учеб. для вузов. URL: http://techlibrary.ru/update.htm. Параграфы 198–203,
205.
Вопросы для самопроверки
1. В чем состоит принцип метода компенсации?
2. Какие требования предъявляются к электродам сравнения? Каково
их назначение? Какие электроды сравнения вам известны?
3. Как изменяется ЭДС элемента Якоби при его работе? Что надо
предпринять, чтобы измеряемая ЭДС была близка к теоретической?
4. Можно ли ЭДС гальванического элемента измерить при помощи
вольтметра? Почему?
23
Лабораторная работа № 3
ПОТЕНЦИОМЕТРИЧЕСКИЙ СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ
pH С ПОМОЩЬЮ ХИНГИДРОННОГО ЭЛЕКТРОДА
Цель работы: определить рН исследуемых растворов с помощью
хингидронного электрода. С помощью прибора комбинированного
цифрового Щ-300 определяют электродвижущие силы гальванических
элементов, составленных из электрода сравнения и индикаторного
(хингидронного) электродов. На основании экспериментальных значений
ЭДС рассчитывают рН исследуемых растворов. Полученные результаты
сравнивают с теоретическими величинами рН, рассчитанными по
формулам.
Приборы:
прибор
комбинированный
цифровой
Щ-300,
гальванический элемент.
Методика выполнения работы
Концентрация водородных ионов, а следовательно, и рН растворов
может быть определена различными методами. Наиболее удобным и
надежным является потенциометрический метод определения рН.
Он основан на измерении ЭДС элемента, в котором один электрод
является электродом сравнения, т. е. обладает устойчивым и известным
потенциалом (например хлорсеребряный электрод), а второй –
индикаторный электрод – должен быть обратим относительно ионов Н+
или ОН-, т. е. его потенциал должен изменяться при изменении
концентрации этих ионов (например, хингидронный электрод).
Схема гальванической цепи с применением хлорсеребряного и
хингидронного электродов может быть изображена следующим образом:
+
Pt/хингидрон aH+ = x / KCl, AgCl/Ag–.
Ее электродвижущая сила равна:
Ɛ = ϕ0х−г − ϕ�
 .
Зная, что потенциал хингидронного электрода связан с рН
следующим соотношением:
получаем, что
откуда
ϕх−г = ϕ0х−г − 0.0002 ∙ Т ∙ рН,
Ɛ = ϕ0х−г − 0.0002 ∙ Т ∙ рН − ϕ�

24
,
рН =
где
а
(ϕ0х−г − ϕ�

0.0002 ∙ Т
)−Ɛ
,
ϕ0х−г = 0.6992 − 7.4 ∙ 10−4 (° − 25°),
ϕ�

Величину ϕ0х−г − ϕ�
= 0.202 − 6.4 ∙ 10−4 (° − 25°).

можно принять равной 0,497, так как она
почти не зависит от температуры. Тогда:
 =
0.497 − Ɛ
.
0.0002 ∙ 
Таким образом, определив из опыта ЭДС хингидроннохлорсеребряной цепи, можно рассчитать величину рН при температуре
опыта.
Порядок проведения работы
Исследуемый раствор наливают в стакан (20-40 мл) и добавляют
щепотку хингидрона. Раствор тщательно перемешивают и погружают в
него платиновый электрод и электролитический ключ, ведущий к
электроду сравнения (рис. 6).
Рис. 6. Гальваническая система,
состоящая из платинового и хлорсеребряного электродов
Измеряют электродвижущую силу по описанной в Лабораторной
работе № 2 методике, рассчитывают рНоп. исследуемых растворов по
формуле:
25
оп. =
0.497 − Ɛ
.
0.0002 ∙ 
Зная концентрации исследуемых растворов, рассчитывают
теоретические значения рНт:
а) для растворов сильных электролитов с учетом коэффициента
активности :
т = − lg(−+)  + = − + .
б) для слабых кислот с учетом константы диссоциации (Кд):
т = − + , где  + = �кисл. ∙ Кд .
в) для буферных растворов по формуле:
т = − + , где  + =
Скисл.
∙К .
+
−соли
∙ Ссоли д
Полученные данные заносят в табл. 5.
Таблица 5
t° опыта =
№
Исследуемый раствор
1
H2Oдист.
2
H2Oводоп.
3
CH3COOH – 0,5 N
4
CH3COOH – 0,1 N
5
CH3COOH – 0,01 N
6
H2SO4 – 0,05 N
7
H2SO4 – 0,01 N
8
H2SO4 – 0,005 N
9
CH3COOH+CH3COONa
0,1 N
Измер.
ЭДС
0,1 N
26
рНоп
+
−
+
рНт
%
10
CH3COOH+CH3COONa
разбавленные водой в 10 р
11
CH3COOH+CH3COONa+
+ H2SO4 – 0,05 N
(1/10 часть по объему)
Хингидронный электрод
В некоторых случаях вместо водородного электрода при
определении рН удобнее использовать хингидронный электрод,
потенциал которого, при соблюдений определенных условий, также будет
зависеть от концентрации водородных ионов.
Хингидронный
электрод
относится
к
окислительновосстановительным потенциалам и представляет собой гладкую
платиновую пластину, погруженную в насыщенный раствор хингидрона.
Хингидрон – органическое соединение, состоящее из молекулы
хинона и гидрохинона (С6Н4)2О2(ОН)2, которое при растворении в воде
распадается на эквимолярное количество хинона и гидрохинона до
установления равновесия:
(С6 Н4 )2 О2 (ОН)2 = С6 Н4 О2 + С6 Н4 (ОН)2
хинон
гидрохинон
Если в водный раствор, содержащий хингидрон, опустить
платиновую пластину, то между хиноном и гидрохиноном начинает
протекать окислительно-восстановительная реакция с участием Н+ и
электронов платины.
В том случае, когда концентрация водородных ионов в растворе
велика (рН<<7) или, если электроны поступают на платину
(хингидронный
электрод
в
гальваническом
элементе
будет
положительным), ионы водорода, восстанавливаясь на поверхности
платины, в свою очередь восстанавливают хинон до гидрохинона по
реакции:
2Н+ + 2 → 2
Суммарная реакция
С6 Н4 О2 + 2 → С6 Н4 (ОН)2
С6 Н4 О2 + 2Н+ + 2 → С6 Н4 (ОН)2
При малой концентрации водородных ионов (рН>7) или если
образующиеся при реакции электроны будут отводиться с платины
(хингидронный электрод в гальваническом элементе работает как
отрицательный), гидрохинон будет окисляться в хинон по уравнению:
27
С6 Н4 (ОН)2 ↔ С6 Н4 О2 − + 2Н+
Суммарная реакция
С6 Н4 О2 − − 2е = С6 Н4 О2
С6 Н4 (ОН)2 − 2е → С6 Н4 О2 + 2Н+
Таким образом, общий процесс, протекающий на электроде можно
записать следующим образом:
С6 Н4 (ОН)2
-2е
→
←
С6 Н4 О2 + 2Н+
+2е
Константа равновесия этого процесса будет равна:
К=
[6 4 2 ] ∙ [Н+]2
,
[С6 Н4 (ОН)2 ]
и тогда для потенциала хингидронного электрода справедливо следующее
уравнение:
или
ϕ = ϕ0 +
ϕ = ϕ0 +
 [6 4 2 ] ∙ [Н+]2

,
[С6 Н4 (ОН)2 ]
2
[6 4 2 ]



+
[Н+],
2 [С6 Н4 (ОН)2 ] 
где ϕ0 – нормальный электродный потенциал хингидронного электрода,
измеренный по отношению к нормальному водородному
потенциалу, и при 25 °С он равен 0,6992В. Потенциал
хингидронного
электрода
имеет
сравнительно
большой
температурный коэффициент, и его зависимость от температуры
можно выразить следующим уравнением:
ϕ0 = 0.6992 + 7.4(25° − °) ∙ 10−4 , В
В кислых растворах (рН<8) степень диссоциации гидрохинона
ничтожно мала, и поэтому активности хинона и гидрохинона можно
считать равными друг другу и постоянными.
т. е.
[6 4 2 ] ≈ [С6 Н4 (ОН)2 ] = ,
28
[6 4 2 ]
≈ 1,
[С6 Н4 (ОН)2 ]
тогда выражение для потенциала хингидронного электрода приобретает
следующий вид:
т. к.


ϕ = ϕ0 +
∙ 2.3 = 0.0002, то:

[Н+],

ϕ = ϕ0 + 0.0002 ∙ T ∙ [Н+] = ϕ0 − 0.0002 ∙ T ∙ 
Таким образом, потенциал хингидронного электрода при данной
температуре зависит только от активности ионов водорода, т. е. является
своеобразным водородным электродом и может применяться в качестве
индикаторного электрода при потенциометрическом определении рН.
Хингидронный электрод, по сравнению с водородным, имеет ряд
существенных преимуществ: он прост по конструкции, его потенциал
очень быстро достигает равновесного значения и хорошо
воспроизводится.
Однако этот электрод нельзя использовать в присутствии сильных
окислителей и восстановителей, участие которых в окислительновосстановительной реакции на платине искажает значение потенциала.
В концентрированных растворах нейтральных солей хингидронный
электрод дает значительную ошибку при измерении рН вследствие
неодинакового изменения активности хинона и гидрохинона.
Существенным недостатком хингидронного электрода является то,
что он может применяться для измерения рН только в кислых и
слабощелочных средах. В растворах, где рН выше 8, равновесие реакции
С6 Н4 (ОН)2
→
←
С6 Н4 О2 2− + 2Н+
резко сдвигается в сторону образования диссоциированных форм
гидрохинона. Отношение
[6 4 2 ]
≠1
[С6 Н4 (ОН)2 ]
будет непрерывно увеличиваться. Кроме того в сильно щелочных
растворах хинон химически разлагается. Все это приводит к тому, что
уравнение
ϕх−г = ϕ0х−г − 0.0002 ∙ Т ∙ рН
29
становится неприменимым для расчета рН.
Литература
Киреев, В. А. Краткий курс физической химии [Электронное
издание]: учеб. для вузов. URL: http://techlibrary.ru/update.htm. Параграфы
187, 189, 213.
30
Лабораторная работа №4
ПОТЕНЦИОМЕТРИЧЕСКИЙ СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ
pH СИЛЬНЫХ И СЛАБЫХ ЭЛЕКТРОЛИТОВ
С ПОМОЩЬЮ СТЕКЛЯННОГО ЭЛЕКТРОДА
Цель работы: определить рН растворов с помощью стеклянного
электрода.
С помощью прибора рН-метр-340 определяется водородный
показатель исследуемых растворов. Полученные опытные данные
сравниваются с теоретическими значениями рН, рассчитанными по
формулам.
Приборы: прибор рН-метр-340, гальванический элемент.
Методика выполнения работы
Потенциал стеклянного электрода зависит только от активности
ионов Н+, поэтому он, также как хингидронный, может служить
индикаторным электродом при определении рН.
Стеклянный электрод представляет собой стеклянную трубку, на
конце которой находится тонкая
стеклянная мембрана из стекла
определенного состава, богатого катионами щелочных металлов.
Если только что изготовленный стеклянный шарик погрузить в
концентрированный раствор кислоты, то произойдет обмен между
катионами щелочного металла и ионами водорода, находящимися в
растворе, до наступления ионообменного равновесия. При этом
поверхность стекла насыщается катионами водорода.
Если затем обработанный подобным образом шарик поместить в
исследуемый раствор, содержащий Н+, с неизвестной концентрацией, а
внутреннюю часть шарика заполнить буферным раствором с известной и
неизменяющейся концентрацией Н+, то при соприкосновении с более
разбавленными растворами кислот стекло начнет отдавать ионы Н+ в
раствор, что приведет к возникновению отрицательного заряда на
поверхности стеклянной пленки, за счет избытка анионов кремниевой
кислоты, и положительного заряда у поверхности стекла. То есть на
внутренней и наружной стенках стекла возникнут скачки потенциалов,
зависящие от электрохимических свойств стекла и от активности ионов
водорода в растворе (рис. 7):
ϕстекла = ϕ0ст. +

 +

ϕстекла = ϕ0ст. − 2.3
31

.

Рис. 7. Схема образования двойного электрического слоя на стеклянном шарике
Поскольку в стеклянном электроде наружная и внутренняя стороны
стеклянной мембраны соприкасаются с растворами, имеющими
различную активность ионов Н+, то разность потенциалов, возникающая
по обе стороны стеклянной мембраны, будет равна
∆ϕ = ϕнаруж − ϕвнутр = �ϕ0наруж − ϕ0внутр � +
+


.
+

известн
Если наружная и внутренняя поверхность мембраны тождественны
по своим физико-химическим свойствам, то
и
ϕ0наруж − ϕ0внутр = 0
∆ϕ =
+


,
+

известн
но, как правило, этого не наблюдается, и в уравнение потенциала
стеклянного электрода вводят потенциал асимметрии:
ϕасим = ϕ0наруж − ϕ0внутр .
Потенциал асимметрии сказывается на определении рН, но для
данного электрода он изменяется сравнительно мало и может быть учтен
введением поправки в процессе калибровки электрода.
Следовательно,
∆ϕ = ϕасим +
тогда можно записать:
+


,
+

известн
32
∆ϕ = ϕасим − 0.0002 ∙  ∙  + 0.0002 ∙  ∙ известн .
Для данного стеклянного электрода при данной температуре φасим и
рНизвестн являются величинами постоянными, поэтому
∆ϕ =  − 0.0002 ∙  ∙  ,
таким образом, измерив ∆ϕ стеклянного электрода, можно определить рН
исследуемого раствора.
Для определения потенциала стеклянного электрода собирают
гальванический элемент. Для этого во внутреннюю часть стеклянного
шарика опускают вспомогательный платиновый электрод. Исследуемый
раствор электролитически соединяют с электродом сравнения (например
каломельным). Такой гальванический элемент можно представить
следующей схемой:
ЭДС этой цепи будет равна алгебраической сумме потенциалов,
возникающих на границе раздела всех фаз, т. е. Ɛ = ϕ1 + ϕ2 + ϕ3 + ϕ4 или
Ɛ = ϕ1 + ∆ϕ + ϕ4 , где ∆ϕ = ϕ2 + ϕ3 . При данной температуре величина
потенциалов ϕ1 и ϕ4 постоянна, поэтому, определив ЭДС цепи, можно
рассчитать ∆ϕ, а, стало быть, и рН исследуемого раствора, т. е.
откуда
или
Ɛ = ∆ϕ + ′,
∆ϕ = Ɛ −  ′
 =
 ′ − Ɛ
,
0.0002 
где const' – постоянная величина, зависящая от свойств стеклянного
электрода и от потенциала электрода сравнения.
33
Достоинством стеклянного электрода является то, что с его помощью
можно определять концентрацию ионов водорода в достаточно большом
интервале pH.
Электродная реакция, протекающая на этом электроде, сводится к
обмену ионами водорода между раствором и стеклом, т. е. протекает без
участия электронов, поэтому ни окислители, ни восстановители на него
не действуют, что дает возможность использовать этот электрод при
определении рН растворов любого химического состава.
Недостатком стеклянного электрода является его хрупкость и
высокое внутреннее сопротивление. Поэтому обычная компенсационная
схема неприменима для измерения ЭДС цепи, включающей стеклянный
электрод, так как сопротивление стеклянной мембраны настолько велико
(108–10–9 Ом), что через цепь протекает ничтожно малый ток и его
компенсацию невозможно осуществить, имея даже самые чувствительные
гальванометры. Поэтому для измерения ЭДС в этом случае применяют
ламповые вольтметры, в которых имеется ламповый усилитель тока.
Измерительные шкалы таких приборов обычно проградуированы не
только в милливольтах, но и в единицах рН, поэтому эти приборы часто
называют рН-метрами.
I. Порядок проведения работы на приборе рН-метр-340
1. Переключатели «Виды работ» и «Пределы измерений» установить
соответственно в положении «рН» и «2-14».
2. Установить указатель температурного корректора против
соответствующей температуры рабочего раствора.
3. С помощью сетевого шнура включить прибор в сеть на 220 В.
4. Включить прибор
с помощью тумблера, установив его в
положение «Вкл.». При наличии питания передней панели прибора
загорается контрольная лампочка. Дать прибору прогреться 30 мин.
II. Отсчет показаний на шкале прибора
1. При установке переключателя «Пределы измерения» в положение
«2-14» отсчет рН производится по нижней шкале прибора.
2. При более точных измерениях следует пользоваться более узкими
диапазонами измерения (4 единицы рН на всю шкалу).
III. Калибровка шкалы прибора по буферным растворам
Перед измерением рН исследуемых растворов необходимо проверить
показания прибора. Это осуществляется с помощью стандартных
буферных растворов.
Если рН исследуемых растворов меняется в небольших пределах, то
достаточно проверить показания прибора по одному стандартному
буферному раствору.
34
Рекомендуется применить буферный раствор, величина рН которого
лежит в том же диапазоне измерений, что и рН исследуемого раствора.
Если рН контролируемых растворов меняется в широких пределах,
то проверку прибора следует проводить по стандартным буферным
растворам, имеющим рН = 1.68 и рН = 6.86.
1. Электроды перед погружением в буферный раствор тщательно
промывают дистиллированной водой. Остатки воды с электродов удаляют
фильтровальной бумагой.
2. Промытые электроды помещают в стаканчики со стандартным
буферным раствором (например, рН = 4.00). Переключатель «Пределы
измерений» ставят на диапазон «2-6» рН.
3. Ручкой «Настройка по буферному раствору» устанавливают
стрелку прибора назначения 4,00 рН по шкале прибора.
4. Таким же способом проводят проверку показания прибора по
буферным растворам, имеющим рН = 1,68 (на диапазоне измерения от –2
до +2 рН) и рН = 9,22 (на диапазоне измерения 6–10 рН).
IV. Измерение рН исследуемых растворов
1. Перед каждым погружением электродов в исследуемый раствор их
необходимо промыть дистиллированной водой и удалить избыток ее
фильтровальной бумагой.
2. Отсчет рН по шкале прибора проводится по методике, описанной
выше. Отсчет следует проводить после того, как показания примут
установившиеся значения. Обычно это время не превышает 0,5–1 мин.
Полученные значения рН для растворов сильных электролитов
заносят в табл. 6.
Таблица 6
t° опыта =
№
Исследуемый
Концентрация
раствор
раствора
рНоп
γ+
−
+
pHтеор
%
Для растворов сильных электролитов с учетом коэффициента
активности (γ+−):
 = lg�γ+
� ∙  + = − + .
−
Для растворов слабых электролитов значения рН заносят в таблицу 7.
Таблица 7
t° опыта =
35
№
(Кд):
Исследуемый
Концентрация
раствор
раствора
рНоп
Кд
pHтеор
%
Для растворов слабых электролитов с учетом константы диссоциации
где
 = − + ,
С + = �Скисл ∙ Кд .
Оформление отчета
Отчет по работе должен содержать описание установки, формулы
для расчета, все расчетные и экспериментальные данные, занесенные в
таблицу.
36
Литература
Киреев В. А. Краткий курс физической химии [Электронное издание]:
учеб. для вузов. URL: http://techlibrary.ru/update.htm. Параграфы 187, 189, 213.
Вопросы для самопроверки
1. Какие индикаторные электроды можно использовать при
потенциометрическом определении рН?
2. В каком случае можно использовать хингидронный электрод при
потенциометрическом определении рН? В чем его преимущества и
недостатки?
3. Что из себя представляет стеклянный электрод? В чем его
положительные и отрицательные свойства?
5. Что такое буферные растворы? Как рассчитывается их рН? Как
изменяется рН буферного раствора при разбавлении водой?
6. Как рассчитывается рН для сильных и слабых кислот и оснований?
37
ВОПРОСЫ ДЛЯ САМОСТОЯТЕЛЬНОЙ
ПОДГОТОВКИ К КОЛЛОКВИУМАМ
В качестве средства текущего контроля при изучении раздела
Физическая химия применяются теоретические коллоквиумы. Первый
коллоквиум проводится в середине учебного семестра, в него входят
следующие темы: Химическая термодинамика, основные понятия и
величины, Законы термодинамики, Термодинамический потенциал,
Функции Гиббса и Гельмгольца, Термодинамика химических равновесий.
Студент получает один вопрос, на подготовку к которому отводится 30
мин, после чего студент отвечает устно. Ответ оценивается по
пятибалльной шкале.
Второй коллоквиум проводится в конце семестра и включает темы
Фазовые химические равновесия, Растворы, Гальванические системы.
Форма проведения такая же, как и коллоквиума 1.
Вопросы к коллоквиуму 1
1. Химическая термодинамика. Основные термины и величины.
2. Нулевой и первый закон термодинамики. Закон Гесса.
3. Теплота и тепловой эффект процессов. Их определение.
4. Теплоемкость
термодинамических
систем.
Зависимость
теплоемкости и теплового эффекта от температуры. Закон Кирхгофа.
5. Второй закон термодинамики. Циклические процессы. КПД
цикла.
6. Приведенная теплота. Статистическая природа второго закона
термодинамики.
7. Энтропия – критерий, определяющий направление процесса в
изолированных системах.
8. Расчет изменения энтропии для различных физико-химических и
химических процессов.
9. Тепловая теорема Нернста. Постулат Планка. Третий закон
термодинамики. Стандартная абсолютная энтропия.
10. Неизолированные системы. Энергии Гиббса и Гельмгольца –
критерии, определяющие направление процесса в неизолированных
системах.
11. Химическое сродство.
12. Химический
термодинамический
потенциал.
Связь
с
концентрацией и активностью, парциальным давлением и летучестью.
13. Химическое
термодинамическое
равновесное
состояние.
Уравнение изотермы Вант–Гоффа для стандартных и для любых условий
изохорного и изобарного процессов.
14. Константы равновесия Кс и Кр, связь между ними. Принципы Ле
Шателье–Брауна смещения химических термодинамических равновесий.
15. Уравнения изохоры и изобары химических процессов.
38
Вопросы к коллоквиуму 2
1. Фазовое равновесие. Основные понятия. Условия фазового
равновесия. Правило фаз Гиббса.
2. Основы физико-химического анализа. Принципы построения
диаграмм состояния.
3. Диаграммы состояния однокомпонентных многофазных систем.
Уравнение Клаузиуса–Клапейрона и его применение.
4. Двухкомпонентные системы (жидкость – газ). Идеальные
растворы. Термодинамика растворов. Парциальные термодинамические
величины растворов. Теплота растворения.
5. Двухкомпонентные системы (жидкость – жидкость). Диаграммы
состояния. Законы Коновалова.
6. Двухкомпонентные системы (твердое – жидкость). Диаграммы
состояния с образованием твердых растворов, диаграммы состояния
компонентов, нерастворимых в твердом состоянии. Диаграммы состояния
с образованием химических соединений.
7. Диаграммы состояния трехкомпонентных систем.
8. Растворы электролитов. Степень и константа диссоциации, связь с
уравнением изобары. Ионное произведение воды, связь с уравнением
изобары.
9. Теория сильных электролитов Дебая и Хюккеля, Онзагера,
Робинсона и Стокса.
10. Электрическая проводимость растворов электролитов. Удельная,
молярная. Зависимость их от различных факторов. Уравнение Кольрауша.
11. Подвижность ионов. Числа переноса.
12. Гальванические элементы, их термодинамика. Измерение
напряжения (ЭДС) гальванических элементов и определение
термодинамических характеристик.
13. Классификация электродов.
14. Химическая кинетика. Молекулярность и порядок реакций.
Кинетические уравнения реакций первого и второго порядков. Энергия
активации.
15. Методы определения водородного показателя pH, степени и
константы уравнения реакций первого и второго порядков. Энергия
активации.
39
Учебное издание
А. М. Михаилиди, Т. Л. Филиппова
ЛАБОРАТОРНЫЙ ПРАКТИКУМ
ПО ФИЗИЧЕСКОЙ ХИМИИ
Санкт-Петербургский государственный университет
технологии и дизайна (СПГУТД)
191186, Санкт-Петербург, ул. Большая Морская, 18
Подписано в печать 11.06.2015 г.
Гарнитура Newton. Формат 60 x 841/16.
Печ. л. 2,5. Заказ № 59
Отпечатано с оригинал-макета
в Издательско-полиграфическом центре СПГУТД СЗИП
191180, Санкт-Петербург, пер. Джамбула, 13
тел. (812) 315-91-32 (145)
Документ
Категория
Без категории
Просмотров
76
Размер файла
595 Кб
Теги
2015, fizhimiya
1/--страниц
Пожаловаться на содержимое документа