Первая страница
Наша команда
Контакты
О нас

    Головна сторінка



Де n ціле число

Де n ціле число




Сторінка3/3
Дата конвертації22.04.2017
Розмір0.92 Mb.
1   2   3

ВИЗНАЧЕННЯ КОЕФІЦІЄНТА РОЗПОДІЛУ РЕЧОВИНИ МІЖ ДВОМА РІДИНАМИ, ЩО НЕ ЗМІШУЮТЬСЯ
Мета роботи. Ознайомити студентів з властивостями рідин, що не змішуються між собою, навчити визначати коефіцієнт розподілу третього компонента між рідинами, які не розчиняються одна в одній.
Компоне́нт (від лат. componens, родовий відмінок componentis - складаючий) - складова частина, елемент чого-небудь.


Основні теоретичні положення. Якщо в систему з двох чистих рідин, що не розчиняються одна в одній, додати невелику кількість третього компонента та перемішати суміш, то згодом встановиться рівновага між двома розчинами третього компонента у двох розчинниках. Здатність речовини розчинятися залежить від хімічної природи речовини і розчинника і визначається характером взаємодії часток розчинника і речовини, що розчиняється. Через це концентрація третього компонента в розчинах буде різною. Збільшення кількості третього компонента в системі визначає пропорційне зростання концентрації цього компонента в обох розчинах, але відношення цих концентрацій при сталій температурі буде величиною сталою. В. Нернст и Н.О. Шилов сформулювали закон розподілу третього компонента між двома рідинами, що не змішуються.
Розчи́нник - індивідуальна хімічна сполука або суміш, здатна розчиняти різні речовини, тобто утворювати з ними однорідні системи змінного складу, що складаються з двох або більшого числа компонентів - розчини.
Закон розподілу ймовірностей - це поняття теорії ймовірностей, яке для дискретної випадкової величини показує множину можливих подій з ймовірностями їхнього настання.

При даній температурі відношення концентрації третього компонента в двох рівноважних рідких фазах, що не змішуються між собою, є величиною сталою, що не залежить від концентрації третього компонента.



,

де і - відповідно концентрації третього компонента в першому і другому розчиннику; - коефіцієнт розподілу, який залежить від природи речовини, що розчиняється, розчинників і температури.

Закон Нернста – Шилова, записаний у такій формі, справедливий, якщо розчинена речовина має однакову молекулярну масу в обох розчинах.

Справедливість - мораль та чеснота, вразливість як на суспільне добро, так і на суспільне зло. За Платоном, справедливість - це найвища чеснота, що утримує мужність, поміркованість та мудрість в повній рівновазі й гармонії («кожному своє»).
У випадку, коли при переході речовини з однієї рідкої фази до другої відбувається її асоціація або дисоціація, закон розподілу записують наступним чином

,

де ; і - молярні маси третього компонента відповідно в першому та другому розчинниках.

Якщо одна із фаз водна, то концентрацію речовини в ній легко визначити шляхом титрування водними розчинами. Оскільки другий розчин не змішується з водним розчином, то концентрацію речовини в ньому титруванням визначити неможливо. Але її легко знайти по зменшенню концентрації розчиненої речовини в першому розчині, якщо вся речовина спочатку знаходилась в ньому.

При досягненні рівноваги з першого розчину в другий перейде молів речовини. Тоді концентрацію третього компонента у другому розчині можна розрахувати за рівнянням



.

Якщо об’єми розчинників однакові і не змінюються у процесі розподілу речовини, що розчиняється, то рівняння закону розподілу можна записати наступним чином



,

де - початкова концентрація у водному розчині речовини, що розчиняється;

Водний розчин - розчин, який складається з води, розчиненої речовини та продуктів їхньої взаємодії - гідратованих (сполучених з молекулами води) йонів.
- рівноважна концентрація цієї ж речовини після екстрагування.

Розглянуте рівняння закону Нернста – Шилова справедливе лише для ідеальних розчинів, для реальних розчинів в рівнянні треба замінити концентрацію речовини, що розчиняється, на активність.

Активність - поняття, яке визначає темп руху і інтенсивність дій речовин, явищ і живих організмів. Активність визначається в порівнянні

Лабораторне устаткування та реактиви. Струшувач, колби на з пробками, мірні циліндри об’ємом 25 і 50 см3, мірні піпетки на , бюретки ємкістю 25 см3, водні розчини чотирьох різних концентрацій, чотирьоххлористий вуглець, крохмаль і розчин .
Порядок виконання роботи. У колби з пробками відміряти циліндром по 25 см3 водного розчину усіх заданих концентрацій, переходячи від меншої до більшої концентрації, а потім в ці ж колби додати по 25 см3 . Колби щільно закрити пробками і поставити у струшувач. Струшувати колби з розчинами на протязі 40 хвилин. По закінченні струшування розчини з колб перелити у циліндри і дати постояти розчинам до повного поділу фаз. В той же час, поки йде струшування розчинів, треба визначити початкові концентрації водних розчинів . Для чого необхідно відібрати пробу розчину (5 см3) і відтитрувати її у присутності індикатора розчином до зникнення синього забарвлення розчину. Титрування кожного розчину повторити 2 - 3 рази. Після повного розділення фаз визначити рівноважні концентрації у водному шарі системи таким же чином, як і при визначенні початкових концентрацій водних розчинів . Результати титрування занести в табл. 4.1.

Таблиця 4.1.

Експериментальні дані титрування

№ пробиОб’єм розчину , витрачений на титрування, см3До розподілуПісля розподілу123Vсер.123Vсер.1234



Обробка експериментальних даних

1. Розрахувати початкову () і рівноважну () концентрації водних розчинів за рівнянням



.

2. Визначити константу розподілу і величину “n” графічним способом з рівняння



.

Прологарифмуємо це рівняння



.

Рівняння, записане наступним чином, відповідає рівнянню прямої



в координатах .

За отриманими даними будуємо графік .



Рис. 4.1. Залежність від

Пряма відсікає на осі ординат відрізок, який дорівнює . . Величина “n” визначається як тангенс кута нахилу прямої до осі абсцис.

.

Контрольні питання


  1. Сформулюйте закон розподілу Нернста – Шилова.

2. Поясніть причини відхилення від закону розподілу третього ком-понента між двома рідинами, що не змішуються.

3. Від яких чинників залежить і не залежить коефіцієнт розподілу?

4. Як впливає температура на коефіцієнт розподілу? Напишіть рівняння і поясніть його.

5. Напишіть математичний вираз закону Нернста – Шилова за умови, що в одному з розчинників відбувається дисоціація розчиненої речовини.

Матема́тика (грец. μάθημα - наука, знання, вивчення) - наука, яка первісно виникла як один з напрямків пошуку істини (у грецькій філософії) у сфері просторових відношень (землеміряння - геометрії) і обчислень (арифметики), для практичних потреб людини рахувати, обчислювати, вимірювати, досліджувати форми та рух фізичних тіл.
Рівняння - аналітичний запис задачі знаходження аргументів, при яких дві задані функції рівні між собою.

6. Яким чином визначають коефіцієнт розподілу? Намалюйте графік і поясніть його.

7. Як визначається величина “n”? Поясніть сутність цього показника.

8. Який процес називається екстрагуванням?

9. Як досягти найбільш повного вилучення речовини з розчину?

10. Поясніть сутність “зонної” плавки.
ЛАБОРАТОРНА РОБОТА №5
ТЕРМІЧНИЙ АНАЛІЗ ДВОКОМПОНЕНТНОЇ МЕТАЛЕВОЇ СИСТЕМИ
Мета роботи. Оволодіти методом термічного аналізу, побудувати діаграму плавкості двокомпонентної системи, визначити склад бінарних сплавів.

Термічний аналіз (рос. термический анализ, англ. thermoanalysis; нім. thermische Analyse f) - метод дослідження фіз.-хім. і хім. перетворень речовини (зокрема гірських порід і мінералів) під впливом температури, а також розділ матеріалознавства, що вивчає зміну властивостей матеріалів під впливом температури.


Основні теоретичні положення. Термічний аналіз ґрунтується на вивченні залежності температур початку та кінця кристалізації (плавлення) системи від її складу. Завданням термічного аналізу є побудова і вивчення діаграм стану (плавкості) та визначення складу сплавів.

Якщо помістити у тигель деяку кількість речовини, нагріти її вище температури плавлення і потім охолоджувати, записуючи через рівні проміжки часу температуру, то графічне зображення результатів експерименту в координатах «температура – час» дасть так звану криву охолодження.

Задача - проблемна ситуація з чітко визначеною метою, яку необхідно досягти; в більш вузькому сенсі задачею називають також цю саму мету, що дана в рамках проблемної ситуації, тобто те, що необхідно виконати.
Кі́лькість речови́ни - фізична величина, що характеризує кількість специфічних однотипних структурних одиниць-елементів (частинок), з котрих складається речовина. Під структурними одиницями розуміються будь-які частинки, з яких складається речовина (атоми, молекули, іони, електрони, протони, нейтрони або будь-які інші частинки).
Температу́ра плáвлення і затверді́ння - температура, при якій тверде кристалічне тіло здійснює перехід у рідкий стан і навпаки. За іншим визначенням - температура, за якої тверда фаза речовини знаходиться в рівновазі з рідкою.
Вимірювання температури при охолодженні розплаву здійснюється за допомогою термопари.
Охоло́дження - процес відведення теплоти від охолоджуваного тіла до іншого тіла (середовища), що має нижчу температуру. При охолодженні відбувається передача теплової енергії за допомогою теплового випромінювання, теплопровідності і конвекції.
Термопа́ра - чутливий елемент термоелектричного перетворювача у вигляді двох ізольованих провідників з різнорідних матеріалів, з'єднаних на одному кінці, принцип дії якого ґрунтується на використанні термоелектричного ефекту для вимірювання температури.

Для виконання термічного аналізу треба отримати і вивчити криві охолодження індивідуальних речовин, що складають систему, та їх сумішей різного складу.

Якщо при охолодженні системи не відбуваються ніякі фазові перетворення, які супроводжуються виділенням чи поглинанням тепла, то температура буде рівномірно знижуватися (більш чи менш круто в залежності від швидкості теплообміну з навколишнім середовищем). При зміні фазового стану системи рівномірність у ході кривої порушується. При цьому можливі два випадки. Перший, коли при кристалізації системи склад розплаву не змінюється. Це відповідає охолодженню індивідуальних речовин та сумішей евтектичного складу. В цьому разі температура кристалізації стала і на кривій охолодження спостерігається зупинка температури – горизонтальна ділянка (криві 1-3, рис. 5.1.).

Евте́ктика (рос. эвтектика, англ. eutectic, нім. Eutektikum n, eutektische Mischung f, eutektisches Gemisch n) - тип кристалізації розплаву, який складається з певних компонентів у співвідношенні, що відповідає найнижчій температурі їх одночасної кристалізації.
Горизо́нт, або о́брій, виднокра́й, небокра́й, видноко́ло (від дав.-гр. ὁρίζων - «те, що обмежує») - уявна лінія торкання небосхилу і земної поверхні. Розрізняють видимий горизонт та істинний горизонт. Кут між площиною істинного горизонту і напрямком на видимий горизонт називають нахилом горизонту (синоніми: пониження горизонту, депресія горизонту).
Температура залишається постійною, доки вся розплавлена система не закристалізується, тому що в цей час тепловіддача системи в оточуюче середовище компенсується теплотою, що виділяється при кристалізації.
Тепловідда́ча (рос. теплоотдача; англ. convective heat exchange; нім. Wärmeabgabe f, Wärmeleistung f) - теплообмін між теплоносієм і тілом, якому передається тепло, які відокремлені між собою твердою стінкою чи іншою поверхнею розділу.
Коли затвердіє остання крапля розплаву, температура знову почне рівномірно спадати. В інших випадках, при кристалізації сумішей склад розплаву безперервно змінюється, тому і кристалізація проходить не за сталої температури. На кривій охолодження відсутня горизонтальна ділянка. В цьому разі тепло, що виділяється при кристалізації, не компенсує втрату тепла за рахунок теплообміну, але уповільнює швидкість охолодження системи і крива охолодження зазнає зламу (криві 4 – 5, рис. 5.1.)

Таким чином, при зміні фазового стану системи на кривій охолодження завжди з’являються характерні пороги або заломи, за якими визначають температури початку та кінця кристалізації і будують криві ліквідус і солідус. Отже, виконання роботи зводиться до одержання кривих охолодження відповідних сплавів та чистих компонентів. Для побудови діаграми плавкості двокомпонентної системи з простою евтектикою достатньо одержати три криві охолодження (чистих компонентів А і В та сплаву евтектичного складу) і знати евтектичний склад системи.

Рис. 5.1. Криві охолодження (1, 2 – чистих компонентів А і В; 3 – сплаву

евтектичного складу; 4, 5 – сплавів невідомих складів) та

діаграма стану двокомпонентної системи з простою евтектикою


Маючи діаграму плавкості, можна визначити склад будь-якого сплаву даної системи. Для цього знімають криву охолодження досліджуваного сплаву і за температурою зламу кривої знаходять його склад (температуру початку залому на кривій охолодження переносять ізотермічно на діаграму плавкості). При цьому можливі два випадки:

  1. ізотерма, проведена із початку залому на кривій охолодження, пересікає лише одну лінію ліквідус. Тоді із точки перетину «41» опускають перпендикуляр на вісь складу і знаходять склад сплаву;
    Перпендикуля́рність - бінарне відношення між різними об'єктами (векторами, прямими, підпросторами тощо) в евклідовому просторі. Окремий випадок ортогональності.


2) ізотерма, проведена із початку залому на кривій охолодження, перетинає обидві лінії ліквідус (51 і 511). Тоді досліджуваному сплаву можуть відповідати два склади. Для остаточного визначення складу цього сплаву, треба до нього додати 5 – 10% мас. однієї з речовин (А або В), що входять до складу сплаву, і зняти криву охолодження цієї суміші. Якщо початок залому на кривій охолодження суміші починається при більшій температурі ніж у сплаву, що аналізується, то сплав має той склад, вміст компонента (А або В) в якому більший. І навпаки.

Лабораторне устаткування та реактиви. Термопара, мілівольтметр для вимірювання термоЕРС (температури), електронагрівач, секундомір, набір тиглів із сплавами та чистими компонентами, щипці, азбестова підставка.
Азбéст (рос. асбест, англ. asbestos, нім. Asbest) - загальна назва мінералів класу силікатів, що утворюють тонковолокнисті агрегати.


Порядок виконання роботи. Для кожного сплаву зняти криву охолодження. Для цього тигель, в якому знаходиться чистий компонент або сплав певного складу і термопара, нагріти трохи вище за температуру плавлення. Тигель зняти щипцями з нагрівача і помістити на азбестову підставку. Через певні проміжки часу (0,5 – 1,0 хв.) записувати показання мілівольтметра. Запис температури для чистих речовин і сплаву евтектичного складу вести доти, доки не буде досягнута зупинка температури (горизонтальна ділянка), що відповідає кристалізації. Для інших сплавів (склад яких визначають) запис температури вести трохи нижче температури кристалізації евтектики.
Кристаліза́ція (рос. кристаллизация, англ. crystallisation, нім. Kristallisation, англ. Crystallization) - процес виділення з розчину надлишку розчиненої речовини у вигляді кристалів або перехід речовини з газоподібного, рідкого (розчину чи розплаву) або твердого (аморфного) станів у кристалічний.
Закінчивши дослід з однією системою, переходити до наступної.

Таблиця 5.1

Експериментальні дані температури охолодження систем різного складу

п/пЧас,



сSn,

100%Pb,


100%Евтектика

37% Pb, 63% SnСплав

№1Сплав

№21234567



Обробка експериментальних даних

За отриманими даними на міліметровому папері побудувати криві охолодження для усіх систем. За допомогою кривих охолодження чистих речовин і сплаву евтектичного складу (склад взяти з довідника) на тім же рисунку побудувати діаграму плавкості системи. Для сплавів з невідомим складом визначити склад.



Контрольні питання

  1. Наведіть сутність та завдання термічного аналізу.

2. Наведіть і проаналізуйте діаграму плавкості двокомпонентної системи з простою евтектикою.

3. Дайте визначення понять: крива охолодження, евтектика, евтектична температура, фаза, число компонентів, число ступенів вільності.

Сту́пені ві́льності або ступені свободи - кількість незалежних змінних, які однозначно описують стан фізичної системи.

4. Поясніть сутність побудови кривих охолодження будь-яких систем за діаграмою плавкості.

5. Поясніть сутність побудови діаграми плавкості двокомпонентної системи за кривими охолодження.

6. Наведіть формулювання правила важеля.

7. Поясніть, як по фігуративній точці на діаграмі плавкості можна знайти кількість фаз, їх склад, масу кожної фази, число ступенів вільності.

8. Поясніть, як за кривими охолодження можна визначити склад сплаву.
ЛАБОРАТОРНА РОБОТА №6
ПЕРЕВІРКА ЗАКОНУ ДІЮЧИХ МАС
Мета роботи. Перевірити закон діючих мас. Визначити константу швидкості хімічної реакції. Навчити студентів практичним навикам визначення швидкості хімічної реакції.

Основні теоретичні положення. Швидкість хімічної реакції визначається як зміна концентрації реагуючих речовин за одиницю часу. Істинною швидкістю на даний момент часу називають першу похідну концентрації за часом

.

Момент часу - точка на часовій осі. Про події, що відповідають одному моменту часу, говорять як про одночасні.
Похідна́ - основне поняття диференціального числення, що характеризує швидкість зміни функції. Визначається як границя відношення приросту функції до приросту її аргументу коли приріст аргументу прямує до нуля (якщо така границя існує).

Швидкість реакції завжди є додатною величиною. У тому випадку, коли швидкість реакції визначається через зміну концентрації вихідних речовин за одиницю часу , праву частину рівняння треба брати зі знаком мінус. Коли ж швидкість реакції розраховують за зміною концентрації продуктів, праву частину рівняння, за яким визначають швидкість реакції, слід брати зі знаком плюс.

Швидкість хімічної реакції залежить від хімічної природи реагентів, їх концентрації, температури, наявності каталізатора тощо.

Залежність швидкості реакції від концентрації реагуючих речовин визначається законом діючих мас.

При сталій температурі швидкість хімічної реакції прямо пропорційна добутку концентрацій реагуючих речовин в ступенях, що дорівнюють їх стехіометричним коефіцієнтам в рівнянні реакції.

Каталіза́тор - речовина, яка змінює швидкість хімічних реакцій (найчастіше знижуючи її енергію активації), а сама після реакції залишається хімічно незмінною і в тій же кількості, що й до реакції.
Пряма́ пропорці́йність - стале відношення двох змінних величин. При збільшенні (зменшенні) однієї величини в декілька разів у стільки ж разів збільшується (зменшується) друга величина. Такі величини називаються прямо пропорційними.

Для гомогенної реакції, записаній у загальному вигляді



,

швидкість згідно із законом діючих мас дорівнює



,

де і відповідно концентрації речовин А і В у певний час, кмоль/м3; і - стехіометричні коефіцієнти в рівнянні реакції; - константа швидкості реакції.

Константа швидкості реакції залежить від природи реагуючих речовин, температури і чисельно дорівнює швидкості реакції за умови, що концентрації реагентів дорівнюють одиниці. При сталій температурі константа швидкості реакції – величина стала і може характеризувати реакцію, в той час як швидкість у проміжок часу змінюється і для характеристики реакції не придатна.

В рівняння закону діючих мас не входять речовини, концентрації яких не змінюються при перебігу реакції. Це спостерігається у наступних випадках:

1. Якщо реакція протікає з участю твердих речовин.

2. Якщо речовина знаходиться у великому надлишку.

3. Якщо розчин насичений по відношенню до будь-якої речовини і вона є в розчині у вигляді кристалів.

У даній роботі перевірка закону діючих мас здійснюється на вивченні реакції Ландольта



.

Це складна реакція, що протікає в декілька стадій. За умови надлишку йонів йоду найбільш повільною є



,

яка визначає швидкість всього процесу. Для вивчення швидкості цієї стадії готується реакційна суміш, що містить Калій йодат, Калій йодид, оцтову кислоту, Натрій ацетат, Калій гідросульфіт та крохмаль.

О́цтова кислота́ - органічна сполука, одноосновна карбонова кислота складу CH3COOH. За звичайних умов є безбарвною рідиною із різким запахом. Температура плавлення чистої кислоти дещо нижча від кімнатної температури, при замерзанні вона перетворюється на безбарвні кристали - це дало їй технічне найменування льодяна оцтова кислота.
Крохмаль виконує роль індикатора на вільний йод. Поки в розчині є сульфіт-іони, концентрація йонів йоду залишається сталою, так як увесь вільний йод, що утворюється при перебігу реакції, одразу ж перетворюється в йодид-іони в результаті дуже швидкої реакції



.

Завдяки цьому в рівняння закону діючих мас концентрація йонів йоду не входить.



.

Коли весь Калій гідросульфіт буде витрачений, то вільний йод у присутності крохмалю надасть розчину сине забарвлення.

Знаючи початкову концентрацію Калій гідросульфіту, можна визначити середню швидкість реакції від її початку до повного проходження, яке візуально фіксується по появі синього забарвлення розчину, так як кількість вільного йоду, що утворився на цей момент, дорівнює концентрації Калій гідросульфіту.

Проходження (в астрономії) - видиме пересування небесного тіла на тлі видимого диска іншого.
При невеликих концентраціях і сталих концентраціях йонів водню, які забезпечуються буферним розчином (, середня швидкість дуже мело відрізняється від істинної. Через це при розрахунках можна використовувати значення середньої швидкості замість істинної швидкості реакції. Так як концентрація Калій гідросульфіту в усіх дослідах є сталою величиною, то швидкість реакції можна розрахувати за рівнянням , де - це час від початку реакції до появи синього кольору розчину. Визначивши значення швидкості реакції при різних концентраціях вихідних речовин, можна перевірити формулу залежності швидкості реакції від концентрації реагентів.

Таблиця 6.1

Склади аналізуємих розчинів

№ п/пРозчин №1, см3Розчин №2, см31234561101053560220105256033010515604401055605451050606101253360710155306081017528609102052560101025520601112105336012151053060131710528601425105206015351051060162210523601733105126018421051360192710518602010225236021151252860221515525602315205206024152551560252015520602629205156027202551060282515515602925125186030251751360

Лабораторне устаткування та реактиви. Бюретки ємкістю і , піпетки ємкістю , мірний циліндр ємкістю , стакан ємкістю , секундомір, розчини , , , розчин №2, що містить і з крохмалем.

Мі́рний цилі́ндр, мензу́рка (англ. measuring glass, нім. Mensur f, Messglas n, Strichglas n) - лабораторна посудина з позначеними на ній поділками, якою вимірюють невеликі об'єми рідини.

Порядок виконання роботи. Заповнити 3 бюретки: 1 – розчином ; 2 – розчином (НАс) і 3 - дистильованою водою. Для кожної точки з таблиці 6.1 у стакан №1 відміряти відповідні об’єми , НАс і з бюреток, а заданий об’єм відміряти піпеткою. В циліндр налити 60см3 розчину №2 і вилити його у стакан з розчином №1, одночасно включивши секундомір. Стакан з розчином поставити на білий папір. За допомогою секундоміра зафіксувати момент появи синього кольору розчину. Посудину з розчином не гріти руками! Кожний дослід повторити 2 – 3 рази. Отримані результати занести в таблицю 6.2.

Таблиця 6.2

Експериментальні дані

завданняЧас до появи синього кольору розчину



12345

Обробка експериментальних даних

1. Для кожного розчину розрахувати швидкість реакції за рівнянням



.

2. Розрахувати початкові концентрації реагуючих речовин з урахуванням їх розведення при зливанні розчинів.



,

де і - відповідно початкова концентрація розчину та його концентрація в реакційній суміші, моль-екв/л; і - відповідно об’єм даного розчину, взятий для досліду, та сумарний об’єм усіх розчинів в реакційній суміші, см3.

3. За розрахованими концентраціями НАс і визначити концентрацію йонів водню в реакційній суміші за рівнянням

,

де - константа дисоціації оцтової кислоти.

Константа дисоціації в хімії та біохімії - специфічний тип константи рівноваги, що описує схильність хімічного об'єкта оборотно розпадатися на компоненти, наприклад, дисоціації комплексу на окремі молекули в його складі або розпаду солі на іони.

4. Розрахувати добуток концентрацій

5. Визначити для кожної реакційної суміші константу швидкості реакції за рівнянням закону діючих мас



.

6. Розрахункові дані занести в таблицю 6.3.

Таблиця 6.3

Розрахункові дані

№ п/п12345

7. Побудувати графік залежності швидкості реакції від добутку концентрацій реагуючих речовин і зробити висновок, чи дотримується закону діючих мас реакція Ландольта.



Контрольні питання

1. Сформулюйте закон діючих мас.

2. Запишіть закон діючих мас для конкретної заданої реакції.

3. Дайте визначення істинної та середньої швидкості реакції.

4. Запишіть математичний вираз істинної швидкості реакції за кожним учасником конкретної реакції.

5. Поясніть, коли треба ставити знак плюс чи мінус у правій частині рівняння, яке використовується для розрахунку швидкості реакції.

6. Який фізичний смисл константи швидкості реакції?

7. Від яких чинників не залежить константа швидкості реакції?

8. Від яких чинників залежить швидкість реакції?

9. Поясніть, чому концентрація йодид-іонів не враховується в рівнянні ЗДМ для реакції Ландольта.

10. Поясніть, концентрація яких йонів чи сильніше впливає на швидкість реакції Ландольта і чому?

11. Поясніть, як за результатами дослідів упевнитись у справедливості закону діючих мас?


ЛАБОРАТОРНА РОБОТА №7
ВИВЧЕННЯ ВПЛИВУ ТЕМПЕРАТУРИ НА ШВИДКІСТЬ ХІМІЧНОЇ РЕАКЦІЇ
Мета роботи. Вивчити вплив температури на швидкість реакції, визначити енергію активації, температурний (декадний) коефіцієнт швидкості реакції та сталу рівняння Арреніуса.
Енергія активації - характерний параметр процесів, зокрема хімічних реакцій, кінетика яких описується рівнянням Арреніуса.


Основні теоретичні положення. Швидкість хімічної реакції визначається зміною концентрації реагуючих речовин за одиницю часу. Для протікання хімічної реакції необхідно зіткнення активних молекул реагуючих речовин, тобто молекул, що мають певний запас енергії. З ростом температури енергія молекул, а як наслідок, і швидкість реакції зростають.

Відповідно до наближеного правила Вант-Гоффа підвищення температури на 10 К збільшує швидкість гомогенної хімічної реакції в 2-4 рази



;
Удар - подія, при якій фізичні тіла взаємодіють між собою зі значними силами впродовж відносно короткого проміжку часу.
Підвищення (елевація) - кутова висота об'єкта спостереження (земного предмета, літального апарату, небесного світила тощо) над істинним горизонтом. Підвищення спільно з азимутом служить для визначення напрямку на об'єкт.
,

де - константа швидкості реакції при певній температурі;



- температурний (декадний) коефіцієнт швидкості реакції.

Проте правило Вант-Гоффа можна використовувати лише в вузьких інтервалах температур через те, що температурний коефіцієнт швидкості реакції не є сталою величиною () і з підвищенням температури зменшується.

Більш точно залежність швидкості реакції від температури відображає рівняння Арреніуса

,

де - константа швидкості реакції; В – стала Арреніуса; Е – енергія активації; R – універсальна газова стала.

Актива́ція - збудження чогось, наприклад, молекул, атомів; перехід молекули з неактивного стану в стан з енергією, достатньою для здійснення хімічної реакції, наприклад, механохімічна активація .
Газова стала (рос. газовая постоянная, англ. gas constant, нім. Gaskonstante) - фізична стала у рівнянні стану ідеального газу. Газова стала дорівнює роботі розширення одиниці маси ідеального газу внаслідок нагрівання на 1 К в ізобарному процесі.

Енергія активації – це додаткова енергія (порівняно з середньою енергією молекул), яку потрібно надати системі, щоб при зіткненні молекул реагуючих речовин відбувалась реакція. Енергія активації залежить від природи реагуючих речовин і не залежить від їх концентрації і температури.

Якщо прологарифмувати рівняння Арреніуса, одержимо рівняння прямої лінії



.
Пряма́ - одне з основних понять геометрії. При систематичному викладі геометрії пряма лінія зазвичай приймається за одне з вихідних понять, яке лише опосередковано визначається аксіомами геометрії. Якщо основою побудови геометрії служить поняття відстані між двома точками простору, то пряму лінію можна визначити як лінію, шлях уздовж якої дорівнює відстані між двома точками.

Останнє використовують для графічного визначення Е і А.

У даній роботі вивчається вплив температури на швидкість реакції окислення йонів йоду йонами персульфату.

Оки́снення (також оксигенація, заст. оки́слення) (рос. окисление (оксигенирование), англ. oxygenation; нім. Oxidation (Oxydation) f) - хімічний процес, під час якого елемент (або сполука) набуває електрони, при цьому ступінь окиснення її елементів понижується.


. Визначити кінець цієї реакції важко. Тому до реагуючої суміші додають Натрій тіосульфату та крохмаль. Доки в системі залишається Натрій тіосульфату, він відновлює йод до йонів йоду за реакцією

. Коли весь Натрій тіосульфату прореагує (реакція йде дуже швидко), йод, що виділяється у ході реакції, утворює з крохмалєм речовину, забарвлену у синій колір. Тому швидкість реакції визначають за зміною концентрації .

Лабораторне устаткування та реактиви. Термостат, секундомір, бюретки ємкістю , розчини , , , , крохмалю.

Термоста́т - фізичне тіло або пристрій, що забезпечує сталість температури у системі. Термостат підтримує температуру на заданому рівні вмикаючи/вимикаючи нагрівальний або охолоджуючий елемент, чи змінюючи потік теплоносія.

Порядок виконання роботи. У широку пробірку налити за допомогою бюреток розчину і розчину . У вузьку пробірку налити розчину і розчину . Помістити пробірки у термостат і за допомогою контактного термометра задати певну температуру (приблизно або 293 – 298К). Коли температура в термостаті досягне потрібної величини, вилити вміст вузької пробірки у широку і одночасно увімкнути секундомір. В момент забарвлення суміші у синій колір зупинити секундомір, помітити час протікання реакції і температуру (з точністю до 0,1 градуса).

Повторити дослід 5 – 6 разів зберігаючи об’єми реагуючих речовин сталими, але кожного разу підвищуючи температуру в термостаті на 2 – 3 градуси. Отримані експериментальні дані занести до табл. 7.1.


Таблиця 7.1

Дані по впливу температури на швидкість реакції

досліду1…6



Обробка експериментальних даних

1. Визначити концентрацію Натрій тіосульфату у реакційній суміші за рівнянням ,

де - початкова концентрація розчину , моль/дм3;

- об’єм , що взятий для досліду, см3;

- концентрація у суміші, моль/дм3;

- об’єм реакційної суміші, см3.

2. Визначити швидкість реакції при кожній температурі за рівнянням



,

де - швидкість реакції, моль/дм3с; - час протікання реакції (від початку до появи синього коліру), с.

Одержані результати занести до табл. 7.1.

2. Побудувати графік у координатах (рис. 7.1). Відповідно до рівняння Арреніуса, на графіку спостерігається прямолінійна залежність, з якої можна знайти енергію активації і сталу Арреніуса.

З рівняння Арреніуса, якщо використати десяткові логарифми, будемо мати ; (Дж/моль), де α – кут нахилу прямої на графіку.

.

Рис. 7.1. Залежність логарифма швидкості реакції від

зворотної температури

Точка перетину прямої з віссю ординат (D) дає відрізок, що дорівнює логарифму сталої Арреніуса .

Логари́фм (від грец. λόγος - «слово», «відношення» і грец. ἀριθμός - «число») - математична операція, обернена піднесенню до степеня.
Ордината - одна з координат точки в декартовій системі координат. На (х, у)-графіку відповідає осі у, тоді як х відповідає абсцисі точки. Наприклад, точка з координатами (6, 3) має ординату 3.

3. Визначити температурний коефіцієнт швидкості реакції за рівнянням

; ,

де і - швидкості реакції за температур і відповідно.


Контрольні питання

1. Наведіть визначення швидкості реакції і проаналізуйте чинники, що впливають на неї.

2. Проаналізуйте рівняння Вант-Гоффа та Арреніуса.

3. Наведіть визначення енергії активації та чинники, що впливають на неї.

4. Поясніть, як за графіком можна визначити величину енергію активації реакції і сталу Арреніуса.

5. Наведіть визначення температурного коефіцієнта швидкості реакції і рівняння для його розрахунку.

ЛАБОРАТОРНА РОБОТА №8
ВИЗНАЧЕННЯ ЕЛЕКТРОРУШІЙНОЇ СИЛИ ГАЛЬВАНІЧНОГО ЕЛЕМЕНТА І ЕЛЕКТРОДНИХ ПОТЕНЦІАЛІВ
Мета роботи.

Електродний потенціал - різниця електричних потенціалів між електродом та електролітом, в контакті з яким він знаходиться (найчастіше між металом і розчином електроліту).
Виміряти за допомогою компенсаційного методу електрорушійні сили (ЕРС) гальванічного елемента при різних концентраціях розчинів і порівняти їх з теоретично обчисленими значеннями. За допомогою ЕРС елементів, складених із металевих і хлорсрібного електродів, обчислити потенціали металевих електродів і порівняти їх з теоретичними даними.
Електро́д (від електро- та грецького hodos - шлях), (англ. electrode, нім. Elektrode f) - конструктивний елемент електронного, йонного чи електротехнічного приладу чи технологічної установки, який є провідником певної форми, що з'єднує відрізок електричного кола, який знаходиться в робочому середовищі (вакуум, газ, напівпровідник, рідина), з іншою частиною цього кола, яка утворюється дротами.


Основні теоретичні положення. Система, що складається з металу, зануреного в розчин власної солі, є електродом 1-го роду. Стрибок потенціалу на межі поділу метал – розчин розраховується за рівнянням Нернста, яке при температурі 298 К має вигляд

де - стандартний електродний потенціал, В;

Станда́рт - нормативний документ, заснований на консенсусі, прийнятий визнаним органом, що встановлює для загального і неодноразового використання правила, настанови або характеристики щодо діяльності чи її результатів, та спрямований на досягнення оптимального ступеня впорядкованості в певній сфері.
Металу́ргія (англ. Metallurgy) - наука, техніка і галузь промисловості, які пов'язані з одержанням металів з руд або металовмісних речовин з наданням їм необхідних властивостей. У прикладному плані - сукупність зв'язаних між собою галузей і стадій виробничого процесу від видобутку сировини до випуску готової продукції - чорних і кольорових металів та їх сплавів (стопів).
Рівня́ння Не́рнста - рівняння, що описує залежність рівноважного потенціалу електрода від термодинамічної активності (концентрації) потенціал-визначальних компонентів розчину електроліту.

n – кількість електронів, що беруть участь у процесі ;

Електро́н (грец. Ηλεκτρόνιο, англ. electron, нім. Elektron) - стабільна, негативно заряджена елементарна частинка, що входить до складу всіх атомів. Має електричний заряд (-е= −1,6021892(46)×10−19 Кл) і масу (9,109554(906)×10−31 кг).

а – активність йонів металу у розчині (для дуже розведених розчинів активність дорівнює концентрації).

Електрод, утворений із металевої пластини, вкритої важко розчинною сіллю цього металу і занурений у водний розчин добре розчинної речовини, аніон якої є таким самим, як і у важко розчинної солі, є електродом 2-го роду. Прикладом такого електрода є хлорсрібний електрод – срібна пластина, вкрита сіллю і занурена у розчин . Потенціал такого електрода залежить від активності йонів хлора

.

Якщо активність йонів хлора постійна, то і значення електродного потенціалу стабільне. Тому електроди 2-го роду використовують як електроди порівняння. Нижче наведено потенціали хлорсрібного електрода залежно від активності .

Активність , моль/дм30,11,0нас., В 0,2900,2370,201 Два різні електроди, з’єднані між собою, являють хімічне джерело струму або гальванічний елемент.

Хімі́чні джере́ла стру́му (ХДС, рос. химические источники тока, ХИТ) - джерела електричної енергії, яка виробляється шляхом перетворення хімічної енергії в електричну, що складаються з одного чи декількох неперезаряджувальних первинних елементів або перезаряджувальних вторинних елементів (акумуляторів), у тому числі інтегрованих у вироби промислового чи побутового призначення.
Наприклад, гальванічний елемент Якобі – Даніеля складається з двох електродів 1-го роду – цинкового і мідного.
Цинк - хімічний елемент з атомним номером 30, проста речовина якого - крихкий блакитно-сірий метал. Цинк разом з кадмієм та ртуттю, за сучасною номенклатурою IUPAC утворюють 12 групу періодичної таблиці і за своїми хімічними властивостями близький до магнію в тому сенсі, що має ступінь окиснення +2.

Форма запису гальванічних ланцюгів така: всі фази записують послідовно і відмічають вертикальною рискою поверхні розділу між ними. Негативний електрод (з меншим значенням потенціалу) записують зліва, позитивний – справа. У дужках (або внизу) вказують активності електролітів у розчинах. Електроди відокремлюють двома рисками. Так, елемент Якобі – Даніеля зображують таким чином



.

При роботі такого елемента на електродах протікають відповідні реакції. На цинковому електроді відбувається окислення цинку , тому цей електрод має надлишок електронів, тобто його заряд – негативний. На мідному електроді відбувається процес відновлення . Склавши ці рівняння, одержимо загальну реакцію



,

яка лежить в основі роботи даного гальванічного елемента.

Якщо дифузійний потенціал є близьким до нуля, то ЕРС елемента дорівнює

де - стандартна ЕРС гальванічного елемента ().

Для вимірювання ЕРС застосовують компенсаційний метод, принцип якого полягає у зрівноваженні ЕРС досліджуваного елемента з відомою різницею потенціалів. Метод дає точні значення, оскільки в момент вимірювання струм через елемент не йде. Найпростішу електричну схему, що використовується в компенсаційному методі, зображено на рис. 8.1.

Дифу́зія (лат. diffusio - поширення, розтікання, розсіювання, взаємодія) - процес взаємного проникнення молекул або атомів однієї речовини поміж молекул або атомів іншої, що зазвичай приводить до вирівнювання їх концентрацій у всьому займаному об'ємі.
Еле́ктрика (від грец. ήλεκτρον - бурштин; раніше також громови́на ) - розділ фізики, що вивчає електричні явища: взаємодію між зарядженими тілами, явища поляризації та проходження електричного струму.
Різниця потенціалів - характеристика електричного поля, різниця електростатичних потенціалів у двох точках простору.
Електри́чна схе́ма - це технічний документ, що містить у вигляді умовних графічних зображень чи позначень інформацію про будову виробу, його складові частини та взаємозв'язки між ними, дія якого ґрунтується на використанні електричної енергії.
Значення електрорушійної сили акумулятора невідоме і може змінюватися з часом, тому для його визначення застосовують елемент з відомим і практично постійним значенням ЕРС. Найчастіше використовують насичений нормальний елемент Вестона, ЕРС якого за 293 К становить 1,018 В. Прилади для вимірювання ЕРС компенсаційним методом називаються потенціометрами. Вони безпосередньо показують значення вимірюваної ЕРС.



Рис. 8.1. Принципова схема потенціометра:

ЕА – акумулятор (або інше джерело струму);

Потенціо́метр (англ. potentiometer)- Прилад для вимірювання електрорушійної сили або зміни напруги (іноді - струму), або величин, функціонально пов'язаних з ними. Потенціометр у сукупності з відповідними перетворювачами може вимірювати електричний струм і потужність, температуру, тиск тощо.
Нормальний елемент - оборотний гальванічний елемент з високостабільним значенням ЕРС, що використовується у вимірювальних цілях.
Принципо́ва схе́ма - схема, що визначає повний склад елементів і зв'язків між ними і, як правило, дає детальне уявлення про принципи роботи виробу (установки).

АВ – еталонний опір; С – рухливий контакт;

ЕН – нормальний елемент Вестона; Г – гальванометр;

Гальвано́метр (гальвано - від прізвища ученого Луїджі Гальвані і дав.-гр. metréo - вимірюю) - високочутливий прилад для вимірювання малих постійних і змінних електричних струмів. Навідміну від звичайних мікроамперметрів, шкала гальванометра може бути проградуйована не лише в одиницях сили струму, але й в одиницях напруги, інших фізичних величин, або мати умовне, безрозмірне градуювання, наприклад, при використанні як нуль-індикаторів.

ЕХ – досліджуваний елемент; К – перемикач


Для вимірювання електродних потенціалів складають гальванічний елемент, одним з електродів якого є досліджуваний, а другий – електрод порівняння (хлорсрібний).
Перемика́ч або вимикач, іноді ту́мблер (англ. tumbler від to tumble - «гойдатися», «хитатися») - електронний компонент, електромеханічний пристрій для розмикання електричного кола або перемикання електричного струму з одного провідника на інший.
Виміривши ЕРС елемента і знаючи потенціал хлорсрібного електрода, розраховують потенціал досліджуваного електрода.

Лабораторне устаткування та реактиви. Потенціометр постійного струму, нормальний елемент Вестона, гальванометр, ячейка гальванічного елемента, хлорсрібний електрод, досліджувані електроди (мідний, цинковий), розчини різних концентрацій і , насичений розчин , електролітичний ключ.

Наси́чений ро́зчин - розчин, в якому розчинена речовина за даних умов досягла максимальної концентрації і більше не розчиняється. Осад даної речовини знаходиться в рівноважному стані з речовиною в розчині.



Порядок виконання роботи

1. Виміряти ЕРС елемента Якобі – Даніеля. Зібрати елемент Якобі – Даніеля. Для цього в одну склянку налити розчин та занурити цинковий електрод, у другу налити та занурити мідний електрод. Електроди попередньо треба зачистити наждаковим папером та промити водою. Обидві склянки з’єднати гальванічним ключем – вигнутою скляною трубкою, яка заповнена желатиновим розчином .

Желати́н (фр. gelatine, від лат. gelātus «заморожений») - білковий продукт тваринного походження, який являє собою суміш лінійних поліпептидів з різною молекулярною масою; продукт денатурації колагену, гідролізований колаген.
Елемент підключити до потенціометра, який попередньо треба настроїти за допомогою елемента Вестона, і виміряти ЕРС. Дослід повторити з іншими концентраціями розчинів і . Одержані дані занести до табл. 8.1.

2. Визначити потенціали мідного і цинкового електродів. Зібрати гальванічні елементи, у яких один з електродів є досліджуваний, а другий – хлорсрібний. Схема елемента при вимірюванні потенціалу мідного електрода: ; .

Схема елемента при вимірюванні потенціалу цинкового електрода



; .

Елементи підключити до потенціометра і виміряти ЕРС. Дослід повторити з іншими концентраціями розчинів і . Одержані результати занести до табл. 8.2.


Обробка експериментальних даних

1. За формулою Нернста розрахувати теоретичні значення потенціалів цинкового та мідного електродів для різних концентрацій і . ; .

2. Визначити ЕРС елементу Якобі – Даніеля за рівнянням

.

Результати розрахунків занести до табл. 8.1 та порівняти з одержаними експериментально даними. Визначити похибку експерименту.


Таблиця 8.1

Значення ЕРС елемента Якобі – Даніеля при різних концентраціях



і

дослідуКонцентрація,



моль/дм3Значення ЕРС елемента, ВПохибка

% експериментальнітеоретичні11,01,020,11,031,00,140,10,1


Таблиця 8.2

Значення електродних потенціалів при різних концентраціях розчинів



і



До-слі-ду



Схема елементаЕкспери-

ментальне

значення

ЕРС еле-

мента, ВЗначення електродних потенціалів, ВПо-хиб-ка,

%експе-римен-тальнітеорети-чні1. 2. 3. 4.

3. Розрахувати на основі дослідних даних значення електродних потен-ціалів. Для мідного електрода , для цинкового . Результати занести до табл. 8.2. Туди ж занести результати розрахунків теоретичних значень потенціалів за рівнянням Нернста.

4. Порівняти експериментальні та теоретичні дані. Визначити похибку експерименту.

Контрольні питання

1. Наведіть визначення електродів 1-го і 2-го роду. Дайте приклади електродів.

2. Наведіть визначення гальванічного елемента.

3. Наведіть і проаналізуйте рівняння Нернста.

4. Наведіть схему гальванічного елемента Якобі – Даніеля, реакції на електродах, загальну реакцію.

5. Наведіть формулу для розрахунків ЕРС елемента Якобі – Даніеля та проаналізуйте її.

6. Накресліть та поясніть схему компенсаційного метода визначення ЕРС гальванічних елементів.

7. Наведіть схеми гальванічних елементів для визначення потенціалів мідного і цинкового електродів і рівняння для розрахунків потенціалів цих електродів.



ЛІТЕРАТУРА
1. Стромберг А.Г., Семченко Д.П. Физическая химия. – М.: Высш. шк., 1988. – 496 с.

2. Жуховицкий А.А., Шварцман Л.А. Физическая химия. – М.: Металургія, 1987. – 688 с.

3. Голиков Г.А. Руководство по физической химии. – М.: Высш. шк., 1988. – 383 с.

4. Краткий справочник физико – химических величин /Под ред. А.А.Равделя, А.М. Пономарёвой. – Л.: Химия, 1983. – 232 с.



ЗМІСТ

ПЕРЕДМОВА . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3

Визначення теплового ефекту реакції нейтралізації . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5

Визначення константи рівноваги реакції взаємодії Ферум (III) хлориду

з Калій йодидом . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10

Визначення критичної температури розчинності двокомпонентної

рідкої системи з обмеженою розчинністю рідин . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15

Визначення коефіцієнта розподілу речовини між двома рідинами,

що не змішуються . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18

Термічний аналіз двокомпонентної металевої системи. . . . . . . . . . . . . . . . . . 22

Перевірка закону діючих мас . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26

Вивчення впливу температури на швидкість хімічної реакції . . . . . . . . . . . . 32

Визначення електрорушійної сили гальванічного елемента і

електродних потенціалів . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36

ЛІТЕРАТУРА . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41

ЗМІСТ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42

__________________________________________________________________

Підписано до друку 15.11.09. Формат 60х84 1/16. Папір друк. Друк плоский.



Облік.-вид. арк..2,47. Умов. друк. арк. 2,44. Тираж 100 пр. Замовлення № 81.

  • Національна металургійна академія України


49600, Дніпропетровськ - 5, пр. Гагаріна, 4


1   2   3