67

Руководство к выполнению

лабораторно-практических работ

по физической и коллоидной химии

для студентов специальности «Химия»

Данное пособие является руководством для подготовки и выполнения лабораторных работ по курсам физической и коллоидной химии для студентов специальности «Химия». Руководство включает следующие разделы: термохимия, фазовое и химическое равновесие, свойства молекулярных растворов, химическая кинетика, свойства электролитов, свойства электрохимических систем, адсорбция, поверхностные явления и свойства коллоидных систем. Для наиболее полного усвоения материала по каждой теме предусмотрены: краткая теоретическая часть, которая включает в себя основные понятия и закономерности изучаемых явлений, контрольные вопросы для проверки самостоятельной подготовки студента, подробные методики выполнения экспериментальных работ, предлагаются формы отчетности. Лабораторные работы, вошедшие в пособие, долгое время использовались в лабораторном практикуме на занятиях по физической и коллоидной химии.

Настоящее практическое пособие составлено согласно учебной программе курсов. Термохимия

Основываясь на законе Гесса, можно вычислить теплоту гид­ратации соли, произведя измерение теплот растворения безвод­ной соли и ее кристаллогидрата в достаточно больших количе­ствах воды, чтобы полученный раствор в обоих случаях имел оди­наковую концентрацию, и дальнейшее разбавление его происходи­ло бы без теплового эффекта.

Например, раствор сульфата меди определенной концентра­ции можно получить двумя путями, которые графически пред­ставлены на рис. 1:

1) растворить определенное количество сульфата меди (на­пример, 5 г) в данном количестве воды или

2

Рис. 1. Термохимическая схема, иллюстрирующая расчет теплоты гидратации соли на основе закона Гесса.

) это же количество сульфата меди перевести сначала в медный купорос, а затем растворить его в таком количестве воды, чтобы концентрация растворов была одинаковой.

Согласно закону Гесса, тепловые эффекты первого и второго пути должны быть равны:

Q_раств.(CuSO₄) = Q_гидр. + Q_раств. (CuSO₄·5H₂O)

Откуда

Q_гидр. = Q_раств. (CuSO₄) - Q_раств. (CuSO₄·5H₂О)

Здесь также можно исходить из следствия закона Гесса, кото­рое гласит: если два процесса идут из разных начальных состоя­ний и приходят к одинаковому конечному, то разность их тепло­вых эффектов равна тепловому эффекту перехода из одного на­чального состояния в другое.

Для любого теплового эффекта гидратации соли имеем:

Q_гидр. = Q_раств. (соли) - Q_раств. (кристаллогидрата)

При растворении твердого вещества в жидкости необходимо затратить энергию на разрушение кристаллической решетки и равномерное распределение частиц твердого тела (молекул, ионов) в растворителе – процесс эндотермический (-Q₁). С дру­гой стороны, при растворении происходит химическое взаимодей­ствие растворяемого вещества и растворителя, сопровождающееся выделением энергии – процесс экзотермический(+Q₂). Суммар­ный тепловой эффект процесса растворения зависит от соотно­шенияQ₁иQ₂и может быть как положительным, так и отри­цательным.

Обычно определяют интегральную теплоту растворения – тепловой эффект, сопровождающий процесс растворения (при t° = const) 1 моль вещества в данном количестве растворителя с образованием раствора концентрации m. Величина теплового эффекта зависит от концентрации полученного раствора, т. е. для данной соли можно получить ряд теплот растворения, отвечающих раз­личным концентрациям, т₀, т₁, т₂ ... т_п.

Тепловой эффект, полученный при растворении моль вещества в бесконечно большом количестве растворителя (концентрация т₀ приближается к нулю), называется первой интегральной тепло­той растворения ΔН_m0. Практически для получения первой интегральной теплоты растворения достаточно взять 400 и более молей растворителя на 1 моль растворяемой соли, так как при дальнейшем разбавлении растворов ΔН_m0 не меняется. Эти данные обычно приводятся в физико-химических справочниках

ΔН_m0 = - Q_m0.

При калориметрических из­мерениях для выражения кон­центраций пользуются так на­зываемым «разбавлением» — l, представляющим отношение числа моль растворителя (во­ды) к числу моль растворен­ного вещества (соли, кислоты, щелочи), т. е.

. (1)

Рис. 3. Простейший калориметр:

1 – батарейный стакан; 2– внутренний сосуд; 3 – термометр; 4 – мешалка; 5 – пробирка с веществом, на верхний край которой надет кусок резиновой трубки «а»; Д – электродвигатель; R – реостат.

Н

Рис. 2. Зависимость интегральной теплоты растворения хлорида калия от величины разбавления раствора l:

1 – при 18º С; 2 – при 25º С.

На рисунке 2 представлена зависимость интегральных теплот растворения хлорида калия от разбавления l при температу­рах 18° и 25° С.