5Лабораторная работа 3.1. Исследование свойств растворов методом криометрии

Задание:

1. Изучить устройство термометра Бекмана.

2. Определить температуру замерзания растворителя и анализируемых растворов (по заданию преподавателя).

3. Рассчитать относительную молекулярную массу растворенного вещества (неэлектролита); коэффициент Вант-Гоффа, степень диссоциации, осмотический коэффициент для раствора электролита.

Порядок проведения опыта

Работу начинают с подготовки термометра Бекмана.

Метастатический термометр Бекмана, применяемый для точного измерения температур в опытах по термохимии, позволяет вместо абсолютных значений определить разность температур по условной шкале термометра. Термометр Бекмана (рис. 4.4, а) отличается от обычного тем, что его капилляр 3 в верхней части 5 соединяется с дополнительным резервуаром 4 для ртути. Это приспособление позволяет менять количество ртути в нижнем резервуаре 1 термометра и таким образом пользоваться термометром для измерения температуры в широком диапазоне, определяемым пределами принципиальной применимости термометра (от минус 30 до плюс 100 градусов).

Шкала 2 такого термометра обычно разделена на 5 – 6 градусов, цена деления 0.01 градуса, так что, пользуясь лупой, можно делать отсчеты с точностью до 0.002 – 0.003 градуса.

При эндотермических измерениях ртуть в термометре должна находиться в верхней части шкалы (примерно между 3 – 5 градусами), а при экзотермических измерениях – в нижней части шкалы (примерно между 0 – 2). При подготовке термометра Бекмана к работе его погружают в тающий лед или снег, при этом ртуть должна находиться в верхней части шкалы. Если ртуть в капилляре примет указанное выше положение, то термометр готов к работе, в ином случае он должен быть настроен. Если ртуть окажется ниже, чем требуется, то следует добавить ее из верхнего резервуара, для чего, осторожно нагревая нижний резервуар рукой, поднимают столбик ртути в капилляре до верхней части запасногорезервуара, затем переворачивают термометр и легким постукиванием заставляют обе части ртути соединиться. После этого охлаждают

Рис. 4.4. Метастатический термометр Бекмана (а) и способ его настройки (б). нижний резервуар (например, струей водопроводной воды) для того, чтобы втянуть некоторое количество ртути из запасного резервуара в нижний, при этом необходимо следить, чтобы ртуть в верхней части резервуара не оторвалась от ртутного столбика шкалы. Через несколько минут термометр вынимают из-под струи воды и помещают в тающий снег. Затем, придерживая термометр правой рукой за

среднюю часть, коротким ударом верхней части термометра по большому или указательному пальцу левой руки (рис 4.4, б) добиваются разрыва столбика ртути в месте соединения капилляра с запасным резервуаром. Затем снова помещают термометр в тающий лед и наблюдают положение ртути в капилляре.

Если ртуть на этот раз окажется выше делений шкалы, слегка нагревают нижний резервуар рукой и скопившуюся наверху капельку ртути сбрасывают в верхний резервуар, как описано выше. Эти операции иногда приходится повторять несколько раз, чтобы добиться желаемого положения ртути на шкале термометра. Установленный на нужную температуру термометр Бекмана нельзя брать руками за нижний резервуар, переворачивать его и встряхивать.

Определение температуры замерзания

После настройки термометра Бекмана (ртутный столбик должен находиться в верхней части шкалы термометра при помещении его в тающий лед или снег) готовят охладительную смесь из мелко раздробленного льда (или снега) и поваренной соли, температура которой на 2 – 3 градуса ниже температуры замерзания растворителя. Охладительную смесь помещают в криостат – прибор для определения температуры замерзания. Простейший вид криостата представлен на рис. 4.5.

Стакан с охладительной смесью закрывают крышкой со вставленной в нее мешалкой. Консистенция охладительной смеси должна быть такой, чтобы она свободно перемешивалось мешалкой

Затем приступают к определению температуры замерзания растворителя, для чего наливают в пробирку 25 – 30 мл дистиллированной воды, предварительно охладив ее до температуры примерно 4 – 5 градусов, так как вода комнатной температуры может вывести из настройки термометр Бекмана. Протерев чистой тряпочкой или фильтровальной бумагой, чтобы не внести в растворитель никаких посторонних веществ, термометр Бекмана

Рис. 4.5. Криостат

помещают в пробирку с растворителем (водой) и мешалкой. Затем их помещают в охладительную смесь и при постоянном перемешивании растворителя наблюдают за понижением уровня ртути в капилляре термометра. Обычно происходит некоторое переохлаждение растворителя (на 1 – 2 градуса) в сравнении с истинной температурой замерзания, после чего начинается его кристаллизация.

При этом выделяется теплота кристаллизации, температура повышается до истинного значения температуры замерзания и остается постоянной. Эту температуру и считают температурой замерзания растворителя.

Затем пробирку вместе с термометром и мешалкой вынимают из охладительной смеси, нагревают рукой, чтобы расплавить все кристаллики льда, снова помещают в охладительную смесь и повторно определяют температуру замерзания. Расхождение не должно превышать 0.02 градуса, в противном случае операцию повторяют. Из отдельных измерений вычисляют среднее значение температуры замерзания растворителя.

Термометр Бекмана вынимают из пробирки, помещают в сосуд с тающим льдом или снегом.

Взвешивают на аналитических весах пакет с анализируемым веществом (по заданию преподавателя), вводят вещество в пробирку с растворителем (25 мл), пустой пакет взвешивают; после растворения вещества в воде пробирку охлаждают до температуры примерно 4 – 5 С и опускают в нее термометр Бекмана и мешалку, все помещают в охладительную смесь. Далее при постоянном перемешивании наблюдают за температурой раствора. Температурой замерзания раствора следует считать температуру, установившуюся после выделения теплоты кристаллизации.

При определении температуры замерзания раствора недопустимо сильное переохлаждение, так как быстрая кристаллизация больших количеств растворителя приводит к изменению концентрации раствора.

Температуру замерзания определяют 2 – 3 раза (до получения воспроизводимых результатов), расплавляя кристаллы льда и снова охлаждая раствор, затем вычисляют среднее значение температуры замерзания раствора.

Аналогично определяют понижение температуры замерзания других растворов по заданию преподавателя. Если используются приготовленные растворы с известной концентрацией, то взвешивать или отмерять точный объем не обязательно.

По понижению температуры замерзания растворов (4.15) и (4.17) рассчитывают следующие величины:

1. Константу замерзания растворителя К по данным для раствора неэлектролита.

2. Молекулярную массу выданного вещества (неэлектролита) по рассчитанной константе замерзания растворителя и понижению температуры замерзания этого раствора.

3. Коэффициент Вант-Гоффа i, степень диссоциации , осмотический коэффициент g для электролита.

Все расчеты основаны на использовании второго закона Рауля:

,

Моляльность m каждого из растворов определяют по известным концентрациям (% мас.) или массе вещества.

Молекулярная масса M_х входит в формулу для расчета моляльности, величину которой определяют по уравнению (4.15), и затем рассчитывают М_х.

Коэффициент Вант-Гоффа i рассчитывают по экспериментальным данным по уравнению (4.17), и затем по известной величине i рассчитывают степень диссоциации электролита

,

где - количество ионов, на которые диссоциирует электролит.

Осмотический коэффициент показывает степень отклонения реального раствора от идеального g= i / _.

Форма отчета

1) Растворитель (наименование и формула): …

Температура замерзания растворителя …

2) Раствор неэлектролита (наименование и формула) …

Концентрация раствора неэлктролита …

Температура замерзания раствора неэлектролита …

Понижение температуры замерзания Т_{зам р-ля} – Т_{зам р-ра}…

Расчет моляльности раствора m, моль/1000 г растворителя

Расчет криоскопической константы

3) Исследуемое вещество (неэлектролит) с неизвестной молекулярной массой:

Масса пакета с навеской …

Масса пустого пакета …

Масса вещества …

Температура замерзания раствора …

Понижение температуры замерзания …

Рассчитать молекулярную массу …

4) Раствор электролита …

Концентрация раствора…

Относительная молекулярная масса растворенного вещества…

Температура замерзания раствора …

Понижение температуры замерзания раствора …

Рассчитать коэффициент Вант-Гоффа …

Рассчитать степень диссоциации …

Рассчитать осмотический коэффициент …