МІНІСТЕРСТВО ОСВІТИ І НАУКИ УКРАЇНИ

ДЕРЖАВНИЙ ВИЩИЙ НАВЧАЛЬНИЙ ЗАКЛАД “УКРАЇНСЬКИЙ ДЕРЖАВНИЙ ХІМІКО-ТЕХНОЛОГІЧНИЙ УНІВЕРСИТЕТ”

МЕТОДИЧНІ ВКАЗІВКИ

ДО ЛАБОРАТОРНОГО ПРАКТИКУМУ З РОЗДІЛів "ХІМІЧНА ТЕРМОДИНАМІКА" ТА "Фазові рівноваги" КУРСУ "ФІЗИЧНА ХІМІЯ" ДЛЯ СТУДЕНТІВ ТЕХНОЛОГІЧНИХ СПЕЦІАЛЬНОСТЕЙ за кредитно-модульною системою

Дніпропетровськ УДХТУ 2008

МІНІСТЕРСТВО ОСВІТИ І НАУКИ УКРАЇНИ

ДЕРЖАВНИЙ ВИЩИЙ НАВЧАЛЬНИЙ ЗАКЛАД

“УКРАЇНСЬКИЙ ДЕРЖАВНИЙ ХІМІКО-ТЕХНОЛОГІЧНИЙ УНІВЕРСИТЕТ”

МЕТОДИЧНІ ВКАЗІВКИ

ДО ЛАБОРАТОРНОГО ПРАКТИКУМУ З РОЗДІЛів "ХІМІЧНА ТЕРМОДИНАМІКА" ТА "Фазові рівноваги" КУРСУ "ФІЗИЧНА ХІМІЯ" ДЛЯ СТУДЕНТІВ ТЕХНОЛОГІЧНИХ СПЕЦІАЛЬНОСТЕЙ за кредитно-модульною системою

Затверджено на засіданні кафедри

фізичної хімії.

Протокол № 4 від 3.12.07

Дніпропетровськ УДХТУ 2008

Методичні вказівки до лабораторного практикуму з розділів "Хімічна термодинаміка" та "Фазові рівноваги" курсу "Фізична хімія" для студентів технологічних спеціальностей за кредитно-модульною системою /Укл.: О.А. Бєляновська, І.Л. Плаксієнко, Д.А. Головко, Д.В. Гіренко – Дніпропетровськ: УДХТУ, 2008. – 43 с.

Укладачі: О.А. Бєляновська, к.т.н.

І.Л. Плаксієнко, к.х.н.

Д.А. Головко, к.х.н.

Д.В. Гіренко, к.х.н.

Відповідальний за випуск Ф.Й. Данилов, доктор хім. наук

Навчальне видання

Методичні вказівки

до лабораторного практикуму

з розділів "Хімічна термодинаміка" та "Фазові рівноваги"

курсу "Фізична хімія"

для студентів технологічних спеціальностей

за кредитно-модульною системою

Укладачі: Бєляновська Олена Анатоліївна

Плаксієнко Ірина Леонідівна

Головко Дмитро Аркадійович

Гіренко Дмитро Вадимович

Редактор Л.М. Тонкошкур

Коректор Л.Я. Гоцуцова

Підписано до друку 13.11.03. Формат 60х84 1/16. Папір ксерокс. Друк різограф. Умов.-друк. акр. 2,0. Облік.-вид. акр. 2,0. Тираж 50 прим. Зам. № 182. Свідоцтво ДК №303 від 27.12.2000._____________________________________

УДХТУ, 49005, м. Дніпропетровськ-5, просп. Гагаріна, 8._________________

Видавничо-поліграфічний комплекс ІнКомЦентру

Зміст

ВСТУП 6

1. ТЕРМОХІМІЧНІ ВИМІРЮВАННЯ 7

1.1. Загальні положення калориметрії 7

1.2. Робота з найпростішим калориметричним приладом 8

1.3. Робота з електронним калориметром 13

Лабораторна робота № 1. Визначення інтегральної теплоти розчинення та теплоти гідратоутворення солі 15

Лабораторна робота № 2. Визначення теплового ефекту реакції нейтралізації сильних та слабких кислот 17

2. Хімічна рівновага. Рівноважні процеси 20

Лабораторна робота № 3. Визначення константи рівноваги реакції взаємодії залізо(III) хлориду з калій йодидом 20

Лабораторна робота № 4. Визначення теплоти дисоціації слабкого електроліта 24

3. Фазові рівноваги 29

Лабораторна робота № 5. Визначення теплоти пароутворення рідини 29

Лабораторна робота № 6. Кріоскопія 34

Лабораторна робота № 7. Вивчення взаємної розчинності в двокомпонентній системі 37

Лабораторна робота № 8. Термічний аналіз 39

Питання до теми «Термодинаміка» 42

Питання до теми «Хімічна рівновага. Рівноважні процеси» 44

Питання до теми «Фазові рівноваги» 44

СПИСОК РЕКОМЕНДОВАНОЇ ЛІТЕРАТУРИ 45

Додаток 1. Приклад оформлення лабораторної роботи 47

ВСТУП

Предмет навчальної дисципліни “Фізична хімія” полягає у встановленні взаємозв’язку хімічних і фізичних явищ в різних системах. Сучасна фізична хімія є фундаментом хімічної технології, яка дає кількісний апарат для моделювання і розрахунків хімічних процесів будь-якого профілю з метою вдосконалювати технологічних схем, впровадження нових технологій, конструкційних матеріалів та реагентів. Основною задачею фізичної хімії є теоретичний вибір оптимальних параметрів для проведення технологічних процесів. Вивчення фізичної хімії є однією з важливих складових теоретичної і практичної підготовки сучасного інженера-хіміка.

Освоєння фізичної хімії на рівні самостійного застосування вимагає від студента не тільки якісної теоретичної підготовки, але й кропіткої експериментальної роботи. В ході виконання лабораторного практикуму з хімічної термодинаміки студент знайомиться з основними експериментальними методами визначення термодинамічних величин, дослідження рівноваги хімічних процесів, навчається користуватись необхідним для цього обладнанням.

В результаті вивчення теоретичних основ хімічної термодинаміки та проведення лабораторного практикуму з хімічної термодинаміки студент повинен

ВМІТИ:

1. Використовуючи довідкові дані про теплоти утворення або теплоти згоряння речовин, які беруть участь у хімічному або фізичному процесі, а також теоретичні положення першого закону термодинаміки, розраховувати теплові ефекти при стандартних умовах та за будь-яких температур.

2. Використовуючи довідкові дані і теоретичні положення другого закону термодинаміки, розраховувати зміну ентропії для хімічних процесів, а також абсолютну ентропію речовин за будь-яких температур.

3. Опанувати основні експериментальні методи визначення термодинамічних величин (теплоємності, теплові ефекти, теплоти розчинення, плавлення, випаровування, зміну ентальпії в залежності від Т) та необхідне для цього обладнання.

4. Використовуючи теоретичні положення хімічної термодинаміки в умовах лабораторії або виробництва, навчитись розраховувати можливість перебігу процесу, прогнозувати вплив температури, тиску, присутності інертних газів на вихід продукту, обгрунтовувати вибір параметрів процесу з точки зору виходу продукту та його чистоти.

5. Визначати концентрації (активності) компонентів при рівновазі з метою обчислення констант рівноваги та термодинамічних параметрів.

1. Термохімічні вимірювання

1.1. Загальні положення калориметрії

Термохімія – розділ хімічної термодинаміки, пов’язаний з вивченням теплових ефектів хімічних реакцій і фізико-хімічних процесів.

Тепловим ефектом реакції називають максимальну кількість теплоти, віднесену до 1 молю речовини, яка супроводжує реакцію (тобто поглинається або виділяється) при умовах, що:

- реакція відбувається необоротно при сталому тиску чи об'ємі;

- в системі не здійснюється ніякої роботи крім роботи розширення ( );

- вихідні речовини і продукти реакції мають однакову температуру.

Калориметрія – це сукупність методів визначення кількості теплоти, що поглинається або виділяється в різних фізико-хімічних процесах. Калориметричні (термохімічні) вимірювання дозволяють експериментально визначити теплові ефекти різних фізико-хімічних процесів, а також теплоємності систем. Розрахунки теплових ефектів за експериментальними даними проводять на основі законів Гесса і Кірхгофа.

Теплоємністю (С) речовини називають кількість теплоти, яку необхідно передати системі для нагрівання її на один градус. Теплоємність вимірюється в Дж/К. Питома теплоємність відноситься до 1 кг речовини (Дж/кг ∙ К), а мольна теплоємність – до одного моля речовини (Дж/моль ∙ К).

Величина теплоємності залежить від температури, тому розрізняють справжню та середню теплоємності. Справжня теплоємність – це відношення нескінченно малої кількості теплоти до нескінченно малого прирощення температури. Тож, – ізохорна теплоємність; – ізобарна теплоємність. Середня теплоємність для даного інтервалу температур (Т₁ – Т₂) – це відношення певної кількості теплоти до різниці цих температур: .

Більшість калориметричних вимірювань зводиться до того, що процес, тепловий ефект якого необхідно встановити, проводять в спеціальному приладі – калориметрі та спостерігають обумовлену цим процесом зміну температури Т.

Теплові ефекти пов'язують зі зміною температури рівнянням теплового балансу:

Q_p = (m₁C₁+m₂C₂+m₃C₃+……+m_nC_n)Т (1.1),

де m_1,2,3 – маси (г), а С_1,2,3 – мольні теплоємності (Дж/моль·К) компонентів реакційної системи, яка досліджується, та всіх частин калориметра, котрі беруть участь у теплообміні з навколишнім середовищем. Якщо в ході експерименту величини m и C не змінюються в межах точності експерименту, то рівняння (1.1) можна записати в такому вигляді:

Q_p = КТ (1.2),

де К – стала калориметру, тобто кількість теплоти, яку необхідно передати реакційній системі та всім частинам калориметра для нагрівання їх на один градус.

Якщо вивчається процес, що перебігає у водному розчині, то його тепловий ефект можна представити і у вигляді такого рівняння:

(1.3),

де С – теплоємність розчину, що досліджується, К' – стала калориметра, яка враховує теплоємності тільки різних частин калориметра, які приймають участь в теплообміні. До її величини не входить теплоємність реакційного середовища. Тож К^/ – це кількість теплоти, яку необхідно передати всім частинам калориметра для нагрівання їх на один градус.

Якщо порівняти вирази (1.2) та (1.3), то стане зрозумілим взаємозв’язок К і К^/:

(1.4).

Необхідно пам’ятати, що термодинамічна теплота, яку позначають через або , має протилежний знак по відношенню до термохімічної теплоти Q_р, тож Q_р = - . Молярний тепловий ефект реакції (або теплоту) ΔH (Дж/моль) знаходять із співвідношення:

(1.5),

де n – кількість речовини (в молях), яка приймає участь в процесі, що досліджується.

Існує декілька методів визначення К та К´. Сталі калориметра визначають передаючи калориметру та досліджуваній системі певну кількість теплоти (Q) та вимірюють при цьому зміну температури (Т). Точно відому кількість теплоти можна одержати в результаті проведення фізико-хімічного процесу, тепловий ефект якого відомий, наприклад, в ході розчинення наважки KCl у воді. В електронному калориметрі відома кількість теплоти може також задаватися з допомогою електричного нагрівача, потужність якого відома.