6515

селективностью, или избирательностью. Различают гомогенный и гетерогенный катализ.

При гомогенном катализе реагирующие вещества и катализатор находятся в одной фазе (обычно в растворе).

При гетерогенном катализе катализатор находится в другой фазе, и химическая реакция протекает на границе раздела фаз.

Выполнение работы

Чистый Н2О2 разлагается медленно, но реакция сильно ускоряется в присутствии солей металлов переменной валентности, таких как железо, хром, марганец и др.

Н2О2 (ж) = Н2О(ж) + ½ О2 (г)

Разложение при комнатной температуре описывается уравнением реакции первого порядка. Скорость реакции проще всего измерять по объему выделяющегося кислорода.

Исследования проводятся на установке, изображенной на рисунке 1. 3-

2 -

- 1

Рисунок - 1. Установка для изучения скорости разложения пероксида водорода. Установка состоит из реакционного сосуда (1), закрытого резиновой пробкой с газоотводной трубкой, бюретки (2) для сбора газа, крана (3).

Порядок выполнения работы

1.8 мл 1%-го раствора пероксида водорода заливаем в длинное колено сосуда, а в короткое колено сосуда заливается 6 мл 1%-го раствора катализатора K2Cr2O7, не допуская попадание раствора катализатора в колено с Н2О2. Сосуд осторожно закрываем резиновой пробкой, соединенной с газоотводным шлангом.

2.Заполняем бюретку (2) водой до нулевой отметки.

3.Смешать раствор катализатора и пероксида водорода, когда в бюретке появится первый пузырек газа включить секундомер. Выделяющийся в результате реакции кислород будет вытеснять жидкость в бюретке, понижая её уровень. Не прекращая перемешивание реакционной смеси, через каждые 0,5 минуты определяем объем выделившегося кислорода. Результаты заносим в таблицу 1. Измерения прекращаются после того как скорость выделения сильно замедлится.

4.После окончания первого опыта провести еще один, с меньшей концентрацией катализатора. Для этого во втором опыте в короткое колено сосуда заливается 4 мл раствора катализатора и 2 мл воды. Таким образом, концентрации катализатора K2Cr2O7 в опытах будут соответственно 1% и 0,67%.

11

Таблица 1 - Влияние концентрации катализатора на скорость разложения пероксида водорода.

5.По уравнению реакции вычислите объем кислорода (V∞), который должен выделиться при полном разложении 8 мл 1% раствора пероксида водорода (ρН2О2=1г/см3) при стандартных условиях.

6.Результаты опытов представить в виде графиков в координатах Vt (мл) (ось y) от t

7.Рассчитать константы скорости реакций, как тангенс угла наклона полученных прямых на графике.

k1= ………….

k2= ………….

Вывод: в выводе отразите влияние уменьшения концентрации катализатора на скорость разложения пероксида водорода.

12

5. Лабораторная работа №4

ОПРЕДЕЛЕНИЕ ЖЕСТКОСТИ ПИТЬЕВОЙ ВОДЫ

Цель работы: Методом комплексонометрии определить общую жесткость воды; методом нейтрализации определить временную (карбонатную) жесткость воды и рассчитать постоянную (некарбонатную) жесткость воды.

ТЕОРЕТИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ

Соли кальция и магния, растворенные в воде, вызывают ее жесткость. Показатель жесткости выражается в мэкв/литр. Один мэкв жесткости соответствует содержанию в литре воды 20,04 мг Са2+ или 12,16 мг Мg2+.

Различают жесткость постоянную и временную.

Временная жесткость обусловлена присутствием в воде гидрокарбонатов кальция и магния Са(НСО3)2 и Мg(НСО3)2, она устраняется длительным кипячением

Са(НСО3)2 ͭ СаСО3 + Н2О + СО2

Эта реакция обратима (равновесна), так как при контакте СО2 с раствором можно снова получить кислую соль. Только при кипячении СО2 улетучивается и равновесие смещается в сторону нерастворимой соли.

Постоянная жесткость - это жесткость кипяченой воды, вызывается присутствием в воде хлоридов и сульфатов кальция и магния двухвалентных. Большие значения жесткости опасны отложениями внутри водопроводных и особенно водонагревательных систем нерастворимого осадка, выводящего из строя оборудование. Борьба с этим явлением сводится к связыванию ионов кальция и магния в нерастворимые соли до подачи такой воды в системы водоснабжения

СaCl2 + Na2CO3 = CaCO3 + 2NaCl

MgSO4 + Na2CO3 = MgCO3 + Na2SO4

Общая жесткость воды - это сумма постоянной и временной жесткости. Обычно показатели временной жесткости в несколько раз превышают индексы постоянной.

Фактор жесткости питьевой воды определяет региональные особенности состояния здоровья населения наряду с характерными для данного пункта, местности вредными примесями в воздухе, воде и почвах.

Принято считать воду с общей жесткостью:

-до 3,5 мэкв/литр - мягкой;

-от 3,5 до 7 мэкв/литр - средней;

-от 7 до 10 мгкв/литр - жесткой;

-свыше 10 мэкв/литр - очень жесткой.

Таким образом, жесткость питьевой воды нормируется, исходя из ее гигиенического значения на уровне 7 мэкв/литр (ГОСТ 2874-82).

13

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ

ОПЫТ 1. ОПРЕДЕЛЕНИЕ ВРЕМЕННОЙ ЖЕСТКОСТИ

Способ основан на реакции между соляной кислотой и гидрокарбонатами.

Ca(HCO3)2 + 2HCl = CaCl2 +2H2O + 2CO2

Титрование контролируется индикатором метиловым оранжевым.

Методика проведения эксперимента.

1.Поместить в три конические колбы по 25 мл исследуемой воды.

2.Добавить в каждую колбу по две-три капли индикатора метилового оранжевого.

3.Заполнить бюретку 0,01н раствором соляной кислоты до верхней нулевой отметки. По каплям добавлять в колбу раствор соляной кислоты из бюретки, осторожно размешивая реагенты покачиванием колбы. Титрование прекратить, как только окраска жидкости в колбе перейдет в розовую.

4.Измерить по шкале бюретки объем кислоты и записать в тетрадь (мл).

5.Вычислить из полученных данных Vк среднее. Использовать это среднее значение для расчетов временной жесткости по формуле:

где Жвр - временная жесткость воды, мэкв/л; Vк - средний объем кислоты, мл;

Ск - нормальная концентрация раствора кислоты

(0,01 н);

Vв - объем пробы воды, мл.

ОПЫТ 2. ОПРЕДЕЛЕНИЕ ОБЩЕЙ ЖЕСТКОСТИ ВОДЫ

Комплексонометрическое титрование (комплексонометрия), основанное на применении реакций образования прочных комплексных соединений катионов с органическими реактивами, называемыми комплексонами. На практике обычно применяют динатриевую соль этилендиаминтетрауксусной кислоты, которую называют комплексоном III или трилоном Б (сокращенно Na2H2Y).

Ход работы

1.Мерной колбой отмерить 25 мл исследуемой Н2О и перелить ее в коническую колбу.

2.Добавить к воде 5 мл аммиачно-буферной смеси, затем щепотку индикатора хрома темносинего.

3.Тщательно перемешать, раствор окрасится в сиреневый цвет.

4.Смесь оттитровать 0,02 н раствором Трилона Б. К концу титрования раствор Трилона Б добавлять по каплям, встряхивая смесь в колбе после добавления каждой капли.

5.Титрование можно считать законченным если после добавления очередной капли окраска раствора приобретает синий цвет и с добавлением лишней капли раствора комплексона не изменяется.

6.Определить объем трилона Б, израсходованного на титрование.

7.Титрование повторить еще 2 раза и для расчета взять среднее значение.

14

Использовать это среднее значение для расчетов постоянной жесткости по формуле:

Вычислив опытным путем величины временной и общей жесткости, можно определить и постоянную жесткость по известной формуле

ПОЛУЧЕННЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ

6. Лабораторная работа №5

ОПРЕДЕЛЕНИЕ МОЛЕКУЛЯРНОЙ МАССЫ ВЕЩЕСТВА МЕТОДОМ КРИОСКОПИИ

Цель работы: Определить молекулярную массу растворенного вещества криоскопическим методом (по понижению температуры замерзания раствора).

Теоретическая часть

Метода анализа, основанный на измерении понижения температуры замерзания растворов, называется криоскопией.

Температура замерзания – это температура, при которой давление пара жидкого растворителя или раствора равно давлению пара растворителя в твердом состоянии (точки А и C на рисунке 2). Вследствие понижения давления насыщенного пара над раствором, температура замерзания последнего (ТЗ/) ниже, чем температура замерзания чистого растворителя TЗ0.

15

Разность между температурами замерзания чистого растворителя и раствора (TЗ0 – ТЗ/) называется относительным понижением температуры замерзания раствора или депрессией раствора (∆TЗ).

Рисунок 2 - Температурная зависимость давления насыщенного пара растворителя АВ – над чистым жидким растворителем (кривая испарения);

CD – над раствором;

CA – над растворителем в твердом состоянии (кривая возгонки).

Для относительного понижения температуры замерзания раствора неэлектролита можно получить следующее уравнение

где i – изотонический коэффициент.

Как следует из уравнений 1 и 2, при данном значении моляльной концентрации понижение температуры замерзания раствора будет тем больше, чем больше криоскопическая константа Kкр. Соответственно, с увеличением значения Kкр возрастает точность измерения ΔTЗ. Криоскопическая постоянная, как правило, значительно выше, эбуллиоскопической константы (E) того же растворителя, поэтому экспериментальное определение понижения температуры замерзания раствора производится с большей точностью, чем определение повышения температуры кипения. Это одна из основных причин более широкого применения криоскопии в сравнении с эбуллиоскопией.

Таблица 2 - Криоскопические (Kкр) и эбуллиоскопические (Kэб) постоянные некоторых растворителей

16

Примечание: Значения температур замерзания растворителей относятся к стандартному давлению

Экспериментальная часть

Схема экспериментальной установки

Для криоскопических измерений применяют установку, предложенную Бекманом (рисунок 3).

Криостат представляет собой толстостенный стакан, наполненный охлаждающей смесью. Стеклянная широкогорлая пробирка 1 предназначена для растворителя и раствора. Пробирку закрывают пробкой 2, в которую вставляют термометр 3 (с точностью 0,010C). При помощи резиновой прокладки 4 пробирку помещают в воздушную стеклянную муфту 5, которую погружают в криостат 6.

Рисунок 3 - Схема установки с детализацией. 1 – широкогорлая пробирка; 2 – пробка; 3

– термометр; 4 – резиновая прокладка; 5 – стеклянная муфта; 6 – криостат.

Ход работы. Определение температуры замерзания

Опыт №1. Измерение температуры замерзания растворителя

1.Готовят охлаждающую смесь изо льда и поваренной соли. Температура охлаждающей смеси должна составлять от –7 до –5 °С. В случае необходимости ее корректируют добавлением нескольких кусочков льда, если температура ниже –7 °С, или посыпанием смеси солью при повышении температуры выше –5 °С. Заполняют охлаждающей смесью широкий стакан.

2.В цилиндр наливают 10 мл дистиллированной воды. Помещают его в охлаждающую смесь, закрывают пробкой с мешалкой, устанавливают в нем термометр. Уровень воды

вцилиндре должен находиться на 0,5–1 см выше уровня ртутного резервуара.

3.Воду в цилиндре интенсивно перемешивают во избежание отложения льда на стенках цилиндра.

17

(Обычно при постепенном охлаждении вода остается жидкой при температуре немного ниже нуля градусов. Затем по достижении некоторой температуры резко начинается кристаллизация по всему объему. При этом температура скачкообразно поднимается до 0° С и остается постоянной во время кристаллизации.) В течение полминуты наблюдают за положением мениска и по положению неподвижного мениска производят отсчет температуры.

4.Вынимают цилиндр из охлаждающей смеси, нагревают рукой. При этом кристаллы льда тают. Оттаивание при перемешивании продолжают, пока ртутный столбик не поднимется до верхнего колена капилляра.

5.Помещают стакан снова в охлаждающую смесь и определяют показание термометра, соответствующее температуре замерзания. Всего производят три таких определения. За результат принимают среднее арифметическое трех определений.

Опыт № 2. Определение температуры замерзания раствора

1.Отмеряют 10 мл 5% раствора исследуемого вещества.

2.Споласкивают цилиндр небольшой порцией раствора. Затем наливают в него 10 мл раствора.

3.Проводят определение температуры замерзания, как описано выше. За результат принимают среднее арифметическое трех параллельных определений.

По результатам определения рассчитывают молекулярную массу определяемого вещества.

Обработка результатов эксперимента

Результаты эксперимента для наглядности представлены в таблице 3.

Таблица 3 – Результаты измерений

По полученным данным рассчитываем молярную массу растворенного вещества.

Вывод:

7. Лабораторная работа № 6

ФАЗОВОЕ РАВНОВЕСИЕ В ОДНОКОМПОНЕНТНЫХ СИСТЕМАХ

Цель работы: определение зависимости давления паров жидкости от температуры с помощью статического метода и расчет энтальпии испарения.

Приборы и реактивы

18

Установка для измерения упругости пара. Стакан с водой. Магнитная мешалка. Нагревательный элемент.

(или другие), называются фазовыми равновесиями. Испарение, возгонка, плавление и др. – это процессы, связанные с изменением состояния системы без изменения химического состава.

В однокомпонентных системах различают следующие фазовые равновесия (фазовые переходы):

–жидкость ↔ пар (испарение и конденсация);

–тв. вещество ↔ пар (возгонка и сублимация);

–тв. вещество ↔ жидкость (плавление и кристаллизация);

–тв. вещество ↔ тв. вещество (полиморфные превращения).

В химии и химической технологии особое место занимает испарение жидкостей. В настоящей лабораторной работе рассматривается именно процесс испарения жидкостей.

Одним из важнейших свойств жидкости является давление её насыщенного пара, характеризующее способность жидкости к испарению. Насыщенным паром называется пар, находящийся в динамическом равновесии с жидкостью, из которой он образовался. Давлением насыщенного пара (Р) называется давление, которое оказывает пар, находящийся в равновесии с жидкостью, на поверхность жидкости и стенки сосуда. Давление насыщенного пара зависит от природы жидкости и температуры и не зависит от объема пара и количества жидкости. На давление пара оказывают влияние также форма (кривизна) поверхности жидкости и наличие на ней электрического заряда. Давление насыщенного пара для каждого вещества является величиной постоянной при данной температуре. При повышении температуры давление насыщенного пара жидкостей возрастает вследствие увеличения кинетической энергии молекул. Температура, при которой давление насыщенного пара жидкостей сравнивается с внешним давлением, а переход молекул из жидкости в пар осуществляется не только с поверхности жидкости, но и по всему объему, называется температурой кипения. Таким образом, над кипящей жидкостью присутствует насыщенный пар, давление которого равно внешнему давлению, а температура кипения жидкостей будет определяться природой жидкости и внешним

форма уравнения Клапейрона–Клаузиуса. В точных расчетах учитывается, что теплота испарения зависит от температуры: с повышением температуры теплота испарения понижается. При критической температуре теплота испарения равна нулю. Однако при температурах, далеких от критической, изменения Нисп с температурой не очень велики. В небольшом интервале температур Нисп можно считать постоянной.

Для случая фазового равновесия жидкость пар (испарение) уравнение принимает вид:

19

Чтобы получить это уравнение, достаточно ввести условие: мольный объем жидкого химического соединения во много раз меньше, чем объем газообразного соединения ( V = Vпар – Vж Vпар). Тогда уравнение Клаузиуса – Клапейрона преобразуется:

Экспериментальная часть

Установка для измерения упругости пара представляет собой стеклянный манометр, состоящий из узкого – 1

Порядок выполнения работы

1.Поместить установку в водяную баню, чтобы широкое колено было полностью погружено в воду

2.При постоянном перемешивании включаем

нагрев воды.

3.В процессе повышения температуры, начиная с 25оС, через каждые 5о, измеряем высоту ртутного столба в узком колене

4.Результаты заносим в таблицу

20