Физическая и коллоидная химия (стр. 4 )

Потом вместо обычного термометра в отверстие пробки пробирки вставляют термометр Бекмана так, чтобы резервуар с ртутью был полностью погружен в растворитель, а внутрен­нюю пробирку с термометром вытирают фильтровальной бу­магой, переносят и закрепляют во внешнюю широкую пробир­ку, находящуюся в охладительной смеси. По термометру Бек­мана наблюдают за понижением температуры растворителя. Поскольку охлаждение происходит медленно, жидкость во внутренней пробирке переохлаждается и не замерзает ни­же точки ее замерзания (для воды ниже 0 °С). Однако при встряхивании растворителя в состоянии переохлаждения ме­шалкой сразу начинается кристаллизация, сопровождающая­ся, как правило, выделением тепла, и температура повышается до точки замерзания растворителя. Столбик ртути при этом поднимается и останавливается в точке замерзания. Здесь и выполняют с помощью лупы точный отсчет температуры по тер­мометру Бекмана и записывают. Это и будет температура за­мерзания растворителя. С целью повышения точности опыт повторяют 2–3 раза и берут средний отсчет. Для этого внут­реннюю пробирку с термометром и мешалкой вынимают из «воздушной рубашки» (широкой пробирки), теплом руки при перемешивании мешалкой расплавляют образовавшийся лед и опыт повторяют. Растворитель после опыта оставляют в пробирке.

Определение температуры замерзания раствора. По указа­нию преподавателя берут вещество, молекулярную массу ко­торого необходимо определить. Взвешивают на аналитических весах навеску этого вещества в пределах 0,30–0,60 г с точностью до 0,0002 г и всыпают в растворитель внутренней пробирки. Перемешивают раствор мешалкой, помещают в ох­ладительную смесь. Измерение температуры замерзания раст­вора производят аналогично измерению температуры замер­зания растворителя. Опыт повторяют 2–3 раза. Данные за­писывают в таблицу.

Используя уравнения (2.1), (2.2), (2.4), рассчитывают ∆T и молеку­лярную массу.

Наименование жидкости	Температура замерзания	∆Т = Т0–Т1
1-й отсчет	2-й отсчет	3-й отсчет	Средняя
Растворитель (Т0) Раствор (Т1)

Опыт 2. Определение степени электролитической диссо­циации хлорида калия

Определение кажущейся степени дис­социации хлорида калия проводят по описанной в опыте 1 методике. Взвешивают (с точностью до 0,0002 г) 0,5 г хло­рида калия и высыпают в 25 мл растворителя внутренней пробирки, температура которого определена ранее. Затем оп­ределяют температуру замерзания раствора. Нагревают про­бирку рукой и определение повторяют 2–3 раза. Получен­ные результаты заносят в таблицу, аналогичную таблице в опыте 1. Получают ∆T экспериментальное (∆Тэксп). По урав­нениям (2.4), (2.5) рассчитывают ∆T теоретическое (∆Ттеор). Затем, используя уравнения (2.6), (2.7), рассчитывают изотонический коэффициент i и кажущуюся степень электролитической дис­социации а.

Опыт 3. Определение осмотического давления раствора

Методика работы по определению температуры замерзания растворителя и раствора такая же, как и в опыте 1. На ос­новании данных опытов 1 и 2, используя формулы (2.8), (2.9), рассчитывают осмотическое давление неэлектролитов и элект­ролитов.

Контрольные вопросы

1. Чем вызвано понижение температуры замерзания раст­воров?

2. Сформулируйте закон Рауля и запишите его математи­ческое выражение.

3. В чем заключается физический смысл криоскопической константы К?

4. На чем основан криоскопический метод определения молекулярной массы, осмотического давления растворов и степени электролитической диссоциации электролитов?

5. Чем отличается термометр Бекмана от обычного термо­метра?

6. Что такое осмос и осмотическое давление?

7. Сформулируйте закон Вант-Гоффа и запишите его математическое выражение.

8. Каков физический смысл изотонического коэффициента Вант-Гоффа?

2.2. Ионное произведение воды. Водородный показатель

Необходимо обратить внимание на свойства воды как растворителя. Вода является слабым электролитом и диссоциирует на ионы водорода и гидроксида очень незначительно:

Н2О ↔ Н+ + ОН–.

Ионы водорода легко гидратируются, образуя ионы гидроксония Н3О+, которые в дальнейшем для простоты будем обо­значать как Н+.

Константу диссоциации записанного равновесия можно выразить уравнением

, или .

Величина константы диссоциации воды (при 25 °С) равна:

Кд = 1,8 ∙ 10–16.

Вследствие незначительной концентрации ионов [Н+] и [ОН–] концентрация недиссоциированных молекул воды равна:

[Н2О] = 1000 / 18 = 55,56 моль/л.

Таким образом, можно выразить ионное произведение воды:

[Н+] · [ОН–] = 1,8 ∙ 10–16· 55,56 = 10–14.

В чистой воде и нейтральных растворах [Н+] = [ОН–] = 10–7 моль/л.

В кислых растворах [Н+] > 10–7 моль/л, [ОН– ] < 10–7 моль/л.

В щелочных растворах [Н+] < 10–7 моль/л, [ОН–] > 10–7 моль/л.

На практике концентрацию водородных и гидроксидных ионов выражают через водородный (рН) и гидроксидный (рОН) показатели:

pH = –lg[H+] и pОH = –lg[ОН–].

Ионное произведение воды можно прологарифмировать, и тогда получим следующее уравнение:

pH + pОH = 14.

Для чистой воды и для нейтральных сред pH = pОH = 7.

Для кислых растворов pH < 7 и pОH > 7.

Для щелочных растворов pH > 7 и pОH < 7.

Л а б о р а т о р н а я р а б о т а 3. ОПРЕДЕЛЕНИЕ

КОНЦЕНТРАЦИИ ИОНОВ ВОДОРОДА В РАСТВОРАХ

КИСЛОТ И ЩЕЛОЧЕЙ

Потенциометрический метод определения рН растворов ос­нован на измерении с помощью потенциометра и двух элект­родов электродвижущей силы (э. д. с.) концентрационной цепи. Для измерения рН используют потенциометры различ­ных типов со стеклянными измерительными (индикаторными) электродами. Стеклянные электроды применяются для определения рН в диапазоне от 1 до 14. Стеклянный электрод представляет собой стек­лянную трубочку, заканчивающуюся стеклянным шариком, заполненным 0,1 н. НСl, в которую погружена серебряная проволочка, покрытая AgCl.

На границе раздела стекло – раствор возникает скачок по­тенциала, величина которого зависит от состава стеклянного шарика и активной концентрации водородных ионов в раст­воре.

Ионы щелочных металлов, входящих в состав электрод­ного стекла, например Li+ или Na+, могут обмениваться на ионы водорода в растворе.

При определенных условиях устанавливается равновесие между ионами Н+, вошедшими в поверхностный слой стекла, и ионами Н+ в испытуемом растворе. Величина скачка потен­циала будет определяться соотношением активностей ионов Н+ в стекле и растворе.

В цепь для измерения рН кроме стеклянных индикатор­ных электродов входят также и хлорсеребряные электроды сравнения (вспомогательные электроды). Они представляют собой серебряную прово­лочку, покрытую слоем AgCl, помещенную в стеклянную тру­бочку с насыщенным раствором КСl. В сужение стеклянной трубочки впаяна асбестовая нить (электролитический ключ), через которую раствор КСl медленно (от 0,3 до 3,5 мл в сутки) протекает и контактирует с испытуемым раствором.

Схему гальванической цепи для измерения рН с применением вышеуказанных электродов можно представить следующим образом:

(+)Ag | AgCl | 0,1 н. НCl | стеклянная мембрана | Н+ | КCl | AgCl | Ag |(–).

стеклянный электрод хлорсеребряный электрод

Потенциометрический метод определения рН характеризу­ется большой точностью (до 0,01 рН), быстротой измерения, позволяет определять рН окрашенных и мутных растворов.

Реактивы и материалы: пипетки, промывалка, ста­канчики, фильтровальная бумага, буферные растворы для настройки приборов, растворы: 0,01 н. и 0,1 н. НСl, 0,01 н. и 0,1 н. СН3СООН, 0,01 н. NaOH.

Опыт 1. Потенциометрический метод определения

рН растворов

Прежде чем приступить к выполнению работы по потенциометри-ческому определению рН растворов, необходимо изучить по инструкции устройство, настройку, порядок работы и технику безопасности при работе на соответствующих при­борах.

Хлорсеребряный электрод сравнения при необходимости заполнить через специальное отверстие, закрываемое проб­кой, насыщенным раствором КСl. Не бывший в употреблении электрод после заполнения выдерживается в насыщенном растворе КСl 48 ч, а не бывший в употреблении стеклян­ный электрод необходимо выдержать в 0,1 М НСl в течение 24 ч.

Подключить электроды в соответствующие гнезда, находя­щиеся на обратной стороне прибора: в гнездо «Изм.» – стеклянный электрод, а в гнездо «Всп.» – вспомогательный хлорсеребряный электрод.

Измерить значения рН в исследуемых растворах. Рассчитать концентрации ионов водорода, гидроксид-ионов и вычислить степень диссоциации. Расчеты занести в таблицу.

Раствор	рН индикатора	рН иономера	[H+]	[OH–]	α

Контрольные вопросы

1. Что такое ионное произведение воды? Как оно опреде­ляется? Чему равна его величина в воде и водных растворах?

2. Чему равна концентрация ионов водорода и гидроксида в нейтральной среде? Каковы значения концентрации ионов водорода: а) в кислой среде; б) в щелочной среде?

3. Что такое рН? Какие значения он принимает в кислой, нейтральной и щелочной средах?

4. Почему для характеристики как кислотности, так и ще­лочности раствора применяется рН?

5. Как изменится рН раствора, если к нему добавить раст­вор щелочи?

6. Как необходимо изменить концентрацию ионов водорода в растворе, чтобы рН его уменьшился на единицу? Увеличился на единицу?