Федеральное агентство по образованию
Федеральное государственное образовательное учреждение
высшего профессионального образования
«Новгородский государственный университет
имени Ярослава Мудрого»
Институт сельского хозяйства и природных ресурсов
Кафедра химии и экологии
Гетерогенные равновесия и процессы
Методические указания к лабораторной работе
Великий Новгород
2013 г.
Гетерогенные равновесия и процессы. Методические указания к лабораторной работе / Составители: Н., И. - Великий Новгород, 2013 г. - 6 стр.
РАБОТА ГЕТЕРОГЕННЫЕ РАВНОВЕСИЯ И ПРОЦЕССЫ
ВВЕДЕНИЕ
Гетерогенные процессы и равновесия устанавливаются в насыщенном растворе малорастворимого электролита между осадком (твердой фазой) электролита и ионами электролита в растворе.
В природе, технике, медико-биологической практике протекает огромное количество разнообразных гетерогенных процессов: образование или растворение горных пород, донных отложений; образование или растворение осадков в различных технологических процессах, очистка сточных вод; в организме человека и животных образование костной ткани, а также различного вида камней при почечной и желчнокаменной болезнях; метод осаждения используют в клиническом анализе хлоридов в моче, желудочном соке, крови, в санитарно-гигиенической практике – при анализе питьевых вод.
1 ЦЕЛЬ РАБОТЫ
Получить системные знания по теории гетерогенных процессов:
изучить условия образования осадков; влияние одноименного иона на растворимость малорастворимого электролита; конкурирующие гетерогенные процессы; изучить влияние природы растворителя на образование осадка; изучить условия растворения осадка.
2 ОСНОВНЫЕ ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ПОЛОЖЕНИЯ
2.1 Количественные характеристики насыщенного раствора
Основными количественными характеристиками насыщенных растворов являются константа растворимости KS (или произведение растворимости ПР) и растворимость S.
В зависимости от количества растворенного вещества растворы подразделяют: на ненасыщенные, насыщенные (содержат максимально возможное количество растворенного вещества при данной температуре) и пересыщенные (неустойчивые гомогенные системы).
В системе, состоящей из осадка малорастворимого электролита и насыщенного раствора над ним, устанавливается динамическое равновесие:
Men Xm(тв) ↔ nMem+ + m Xn-
Константа равновесия для данного случая имеет вид
.
Знаменатель этой дроби есть величина постоянная, поэтому произведение Kравн[MenХm] тоже является постоянной при данной температуре. Отсюда, следует, что произведение [Mem+]n·[Xn-]m представляет собой постоянную величину, называемую константой растворимости КS или произведением растворимости ПР. Например:
KS(AgCl) = [Ag+]·[Cl-],
KS (Bi2S3) = [Bi3+]2·[S2-]3
Таким образом, в насыщенном растворе труднорастворимого электролита произведение концентраций его ионов есть величина постоянная при данной температуре.
Если произведение концентраций ионов такого электролита в растворе превышает величину его KS, то образуется осадок, т. е.
сn(Mem+)сm(Xn-) > KS
Если произведение концентраций ионов труднорастворимого электролита в растворе меньше его KS, то осадок не образуется, т.е.
сn(Mem+)сm(Xn-) < KS
. В том случае, когда осадок был получен ранее, а концентрации составляющих его ионов в растворе каким-либо образом уменьшили и значение KS не достигается - происходит растворение осадка.
Растворимость малорастворимого электролита Men Xm (S, моль\л), т. е. молярность его насыщенного раствора, можно вычислить, зная величину KS для этого вещества, по уравнению:
S = 
2.2 Гетерогенные процессы
Последовательность осаждения ионов
Если к раствору, содержащему смесь ионов, осаждаемых одним и тем же ионом осадителя, добавлять этот осадитель, то образование осадков малорастворимых электролитов происходит ступенчато:
- если рассматриваемые электролиты дают при диссоциации одинаковое число ионов, то первым осаждается тот электролит, для достижения константы растворимости KS которого требуется наименьшая концентрация ионов осадителя;
- если рассматриваемые электролиты дают при диссоциации разное число ионов, то первым осаждается тот электролит, для достижения растворимости S которого требуется наименьшая концентрация ионов осадителя.
В этом случае протекают конкурирующие процессы: конкуренция за общий катион или за общий анион.
Достижение полноты осаждения ионов
Для достижения полноты осаждения одного вида ионов малорастворимого сильного электролита из его насыщенного раствора следует увеличить в растворе концентрацию другого вида ионов этого электролита. Таким образом, в присутствии избытка одноименных ионов растворимость малорастворимого вещества понижается и осаждение будет более полным.
Растворимость электролитов в воде, как правило, уменьшается, если к их раствору добавить хорошо растворимые вещества: соли, спирт, ацетон и другие. Это происходит вследствие гидратации добавляемых веществ, что приводит к уменьшению содержания в растворе «свободной» и «деструктурированной воды» и делает раствор пересыщенным, вследствие чего из раствора выделяются его компоненты. Особенно широко этот прием используется для выделения из водных растворов органических веществ с ограниченной растворимостью. Этот способ выделения веществ из растворов называется заменой «хорошего» растворителя на «плохой», т. е. изменяется природа растворителя.
Таким образом, превращение гомогенного раствора в гетерогенную систему вследствие образования осадка может происходить, если раствор становится пересыщенным в результате:
а) протекания в нем химических процессов, приводящих к образованию малорастворимых соединений;
б) изменения температуры и давления;
в) разрушения сольватных оболочек растворенных веществ при добавлении в раствор соединений, подвергающихся сольватации.
3 ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ
ЗАДАНИЕ
а) Изучить условия образования осадков;
б) Изучить влияние одноименного иона на растворимость малорастворимого электролита;
в) Поставить опыт по конкуренции гетерогенных процессов;
г) Изучить влияние природы растворителя на образование осадка;
д) Изучить условия растворения осадка.
Приборы, оборудование и реактивы
Пипетки 2 мл; измерительные пробирки; штатив для пробирок и пробирки (10); стеклянные палочки.
Растворы изучаемых электролитов.
Сущность метода заключается в визуальном наблюдении за изменениями происходящими в пробирках, при сливании растворов солей, способных образовывать осадки.
ХОД РАБОТЫ
ЗАДАНИЕ 1 Условия образования осадков
В две пробирки отбирают пипеткой по 2 мл раствора соли кальция с концентрацией 0,01 моль/л. Пипеткой добавляют в одну из пробирок 2 мл раствора оксалата натрия, в другую - сульфата натрия. Концентрации обоих растворов равны также 0,01 моль/л.
Наблюдения заносят в таблицу:
катион С, моль/л | анион С, моль/л | концентрация ионов после смешения, с= | ПС | КS | Наблюдения |
Ca2+ 0,01 | C2O42 0,01 | ||||
Ca2+ 0,01 | SO42- 0,01 |
Оформление результатов опыта
Составить молекулярные и ионно-молекулярные уравнения реакций.
Написать уравнение гетерогенного равновесия, выражение и численное значение произведения растворимости – ПР (константа растворимости - Кs) малорастворимых соединений.
Рассчитать произведение концентраций (ПС) для малорастворимых веществ в полученных растворах.
Объяснить наблюдения сопоставив значения ПР и ПС.
Вывод.
ЗАДАНИЕ 2 Изучение влияния концентрации одного из ионов
труднорастворимого осадка (влияние одноименного иона).
Внести в пробирку 3-4 капли раствора нитрата свинца /0,2 моль/л или 0,5 моль/л/ и добавить 2-3 капли раствора хлорида натрия /0,2 моль/л/.
Прибавить к полученному раствору 1-2 капли насыщенного раствора хлорида натрия. Что наблюдаете?
Оформление результатов опыта
Составить молекулярное и ионно-молекулярное уравнение реакции.
Написать уравнение гетерогенного равновесия, выражение и численное значение произведения растворимости – ПР (константа растворимости - Кs) малорастворимых соединений.
Дать объяснения наблюдениям.
Вывод.
ЗАДАНИЕ 3 Конкурирующие гетерогенные процессы.
I Получение осадков хромата и хлорида серебра.
Внести в пробирку 5 капель раствора нитрата серебра /0,01 моль/л/ и добавить 5 капель раствора хлорида натрия /0,1 моль/л/. Внести в другую пробирку 5 капель раствора нитрата серебра /0,01 моль/л/ и 5 капель раствора хромата калия /0,5 моль/л/. Отметить цвет осадков и пробирки оставить для сравнения.
II Проведение конкурирующих гетерогенных процессов.
Для этого внести в чистую пробирку по 1 мл растворов хлорида и хромата калия. Прибавить по каплям раствор нитрата серебра. Что наблюдаете? Записать наблюдение и используя пробирки для сравнения, определить какой осадок образуется в первую очередь.
Оформление результатов опыта
Составить молекулярные и ионно-молекулярные уравнения реакций.
Написать уравнение гетерогенного равновесия, выражение и численное значение произведения растворимости – ПР (константа растворимости - Кs) малорастворимых соединений.
Сделать вывод о том, с какими ионами в первую очередь реагируют ионы серебра, какое вещество при этом образуется. Какой ион выигрывает конкуренцию? Ответ подтвердите расчетом растворимости солей (S в моль/л).
Наблюдается ли образование обеих нерастворимых солей серебра при дальнейшем добавлении нитрата серебра?
Вывод.
ЗАДАНИЕ 4 Изучение влияния природы растворителя на растворимость осадка
В две пробирки помещают по 3-4 капли раствора хлорида кальция с концентрацией 1 моль/л, в одну из пробирок добавляют столько же капель этанола, затем одновременно в обе пробирки добавляют по 2-3 капли раствора сульфата натрия с концентрацией 1 моль/л. Отмечают изменения, происходящие в пробирках.
Оформление результатов опыта
Составить молекулярные и ионно-молекулярные уравнения реакций.
Написать уравнение гетерогенного равновесия, выражение и численное значение произведения растворимости – ПР (константа растворимости - Кs) малорастворимых соединений.
В обеих пробирках образуется осадок одного и того же вещества, какую роль играет этанол? В какой пробирке осадок образуется быстрее?
Вывод.
ЗАДАНИЕ 5 Полнота удаления ионов из раствора
Получить хлорид свинца (осадок белого цвета) взаимодействием растворов нитрата свинца (0,5Н) и соляной кислоты (2 Н). Дать раствору отстояться и в пробирку аккуратно по каплям добавлять 0,5 Н раствор йодида калия, наблюдая за изменением окраски осадка.
Оформление результатов опыта
Написать уравнение реакции образования хлорида свинца в молекулярном и ионно-молекулярном виде. Записать выражение и численное значение произведения растворимости хлорида свинца. Написать реакцию протекающую при добавлении йодида калия. Записать выражение и численное значение произведения растворимости йодида свинца. Сопоставить значения произведений растворимости двух малорастворимых солей. В каком случае ионы свинца удаляются из раствора наиболее полно?
Вывод.
ЗАДАНИЕ 6 Условия растворимости осадка; влияние величины произведения растворимости на растворение осадка
Внести в одну пробирку несколько капель 0,5 Н раствора сульфата железа (II), в другую – несколько капель 0,5 Н раствора сульфата меди. В каждую пробирку добавить по несколько капель 0,5 Н раствора сульфида натрия. Записать цвета осадков. Прилить к осадкам сульфидов по 1 мл 2 Н раствора соляной кислоты. Какой из сульфидов растворяется и почему?
Оформление результатов опыта
Составить молекулярные и ионно-молекулярные уравнения всех реакций. Написать выражения произведений растворимости сульфидов железа (II) и меди, сравнить их численные значения.
Объяснить наблюдения, исходя из условия растворения осадка.
Вывод.
ЗАДАНИЕ 7 Условия растворения осадка; влияние силы кислоты на растворение осадка
В двух пробирках получить осадок оксалата кальция взаимодействием 0,5Н растворов хлорида кальция и оксалата аммония (несколько капель). Добавить в одну пробирку несколько капель 2 Н раствора соляной кислоты до полного растворения осадка, в другую пробирку – столько же 2 Н раствора уксусной кислоты. Записать наблюдения.
Оформление результатов опыта
Составить молекулярные и ионно-молекулярные уравнения протекающих реакций. Написать выражение и численное значение произведения растворимости оксалата кальция. Объяснить наблюдения. Концентрация какого иона влияет на растворение оксалата кальция в кислотах?
Вывод.
ПРИЛОЖЕНИЕ
Константы растворимости некоторых малорастворимых электролитов при 25°C
Электролит | ПР | Электролит | ПР |
AgCl AgI Ag2CrO4 BaCO3 BaSO4 CaCO3 CaC2O4 Ca(OH)2 CaSO4 Co(OH)2 Cu(OH)2 CuS Fe(OH)2 Fe(OH)3 | 1,8·10-10 1,1·10-6 4,0·10-12 5,0·10-9 1,1·10-10 5,0·10-9 2,0·10-9 5,5·10-6 6,1·10-5 2,0·10-16 2,2·10-20 6,0·10-36 1,0·10-15 3,8·10-38 | FeS Mg(OH)2 MgCO3 Mn(OH)2 MnS Ni(OH)2 PbCl2 PbI2 Pb(OH)2 PbS Zn(OH)2 ZnS | 5,0·10-18 5,0·10-12 2,0·10-5 4,0·10-14 1,4·10-15 7,0·10-14 2,0·10-5 8,0·10-9 2,0·10-16 1,0·10-29 5,0·10-17 8,0·10-26 |
Литература
1. Ахметов, Н. С. Общая и неорганическая химия : Учеб. для вузов / Н. С. Ахметов. - 7-е изд.,стер. - М.: Высшая школа, 2008. – 742 с.
2. Гельфман, М. И. Неорганическая химия: Учеб. для вузов / М. И. Гельфман, В. П. Юстратов. - 2-е изд.,стер. - СПб. : Лань, 2009. – 527 с.
3. Суворов, А. В. Вопросы и задачи по общей химии: Учеб. пособие для вузов / А. В. Суворов, А. Б. Никольский. - СПб.: Химиздат, 2002. – 304 с.
4. Ахметов, Н. С. Лабораторные и семинарские занятия по общей и неорганической химии: Учеб. пособие для студентов ун-тов, хим.-технол. и пед. вузов / Н. С. Ахметов, М. К. Азизова, Л. И. Бадыгин. - 5-е изд.,испр. - М.: Высшая школа, 2003(2002). – 366 с.
Основные порталы (построено редакторами)