Техника безопасности и правила поведения в лаборатории при выполнении работы

Перед выполнением работы необходимо изучить методические рекомендации, понять цель работы, разобраться с порядком проведе­ния экспериментов. Приступать к работе можно только в хлопчатобу­мажных халатах и с разрешения преподавателя или инженера (лабо­ранта) лаборатории.

В лабораторной работе используются водные растворы неоргани­ческих солей, стеклянная посуда, технические и аналитические весы, которые подключаются к сети электрического тока. Поэтому необхо­димо соблюдать меры безопасной работы с химреактивами, стеклом и электроприборами.

Во время проведения работы следует избегать попадания раство­ров на открытые участки кожи. Если это случилось, то пораженное место сначала промыть обильным количеством воды, а затем водой с мылом. Заполнение пикнометра до метки исследуемым раствором про­водить с использованием воронки и пипетки, аккуратно, избегая разли­ва жидкости. Пролитый раствор собирать ватой или хлопчатобумаж­ной тканью. Вату с жидкостью помещать в эксикатор для отходов. Хлопчатобумажную ткань прополоскать в водопроводной воде.

Обращаться со стеклянным пикнометром и емкостями с жидко­стями аккуратно, чтобы не разбить их. Исследуемые растворы сливать в емкости, из которой они были взяты.

Перед подключением к электрической сети весов убедиться в ис­правности вилок включения, розетки, токополводящих проводов. В случае обнаружения неисправностей сообщить о них преподавателю или инженеру (лаборанту). При выполнении работы на лабораторном столе не должно быть посторонних предметов, кроме принадлежностей работы. Во время проведения работы не отвлекаться какими-либо дру­гими делами и посторонними разговорами.

В лаборатории нельзя носить шорты, сандалии, широкополую одежду. Длинные волосы должны быть прибраны. Нельзя носить в ла-борагории контактные линзы, так как попавшие на них химреактивы могут вызвать серьёзное повреждение глаз.

После завершения работы отключить от электрической сети тех­нические и аналитические весы, слить исследуемые вещества в емко­сти для хранения, сделать уборку рабочего места и сдать его инженеру или преподавателю. Вымыть руки водой с мылом.

КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ

1. Какую систему называют раствором? Что входит в состав жид­
ких растворов?

2. Перечислить способы выражения концентрации растворов.

3. Какие величины являются термодинамическими свойствами
раствора? Дать их характеристику.

4. Что понимают под термином «парциальные молярные величи­
ны»? Свойства парциальных молярных величин.

5. Основные уравнения для парциальных молярных величин
(уравнения Гиббса-Дюгема). В каких случаях их применяют?

6. Методы определения парциальных молярных величин.

7. Какое свойство раствора называют аддитивным? Отличия ре­
ального свойства раствора от аддитивного.

8. Какие величины называют функциями смешения раствора?

9. Какова методика выполнения работы?

10. Как правильно проводить взвешивание на технических и анали­
тических весах?

11. Перечислить основные требования техники безопасности при
выполнении работы.,,_{|г g rfT}^-._14t,_r,_;,;>,>тт>-\-■--■•*; ■ ^ ■--■•-.лог ?*л.

-■■зм-«••^'(iSiKSdvаь:я «•*?; ы-<>1.-г>РЯф^:*5"г\,* манной.,т_ ь;оп rv:yji;

5H j'

^V0Olll.

p,T,n₂ V ^ОП2 _/РГц

_rj, Обозначим

f- ■. — (dX „*,„ ^

где X,- парциальная молярная величина или парциальное молярное

свойство г-го компонента в растворе;

и; - индекс, означающий постоянство состава раствора, т.е. посто­
янство числа молей всех компонентов раствора, за исключением того,
по которому производится дифференцирование.
Тогда для двухкомпонентного раствора "^ «•ын^рь;!^^ sma

^dxoom= X_ldn_l+X₂dn₂, (1.4)

где Х\ и Х~2 - парциальные молярные величины веществ двухкомпо­нентного раствора - растворителя (нижний индекс 1) и растворенного вещества (нижний индекс 2).

Парциальные молярные величины принято обозначать с чертой над буквенным обозначением свойства. Они как бы характеризуют свойство компонента в растворе. Парциальные молярные величины являются интенсивными свойствами.

Математически парциальная молярная величина компонента в растворе - частная производная экстенсивного свойства раствора по числу молей компонента при постоянных температуре, давлении и со­ставе раствора.

Для чистого вещества ооч j s

где xf - свойство чистого компонента при стандартных условиях.

Термодинамическим свойствам раствора У_Общ., Н<ющ., $_общ.> G₀Q_Uf, Робщ и т. п. соответствуют парциальные молярные величины /-го ком­понента:

у. ₌

^дп' h'j,n/ ¹к ^дп>)р,т,_я/ I ^ )р,г,,_у

p,T,_nj

■:#■

(1.5)

5 ЗАДАЧИ

1. При температуре 20°С плотность 60%-ного водного раствора
метилового спирта равна 0,8946 t/cm^j. Парциальный молярный объём
воды в этом растворе равен 16,8 см'/'моль. Определить парциальный
молярный объём спирта. Рассчитать количество молей спирта и воды в
1000 г раствора, а также объём этого раствора.

2. Графическим методом определить парциальные молярные
объёмы солей и воды в двухкомпонентных водных растворах FeCl₃ и
CuSO₄. Для решения задачи использовать данные таблиц 5 и 6.

Таблица 5 - Результаты взвешиваний для раствора FeCl3
при температуре 22°С
Концентрация	Масса пикнометра № 1, г
раствора т,
моль/1000 г р-ля	пустого	с водой	с раствором
-	18,7348	43,9891	-
од2б; ^,„>		44,4118
0,257			44,8446
;:; о,394	., ~ „т.*..,---------------		45.2951
0,536			45,7760

Таблица 6 - Результаты взвешиваний	для раствора CuSO4
при температуре 22°С
Концентрация	Масса	пикнометра № 2, г
раствора т,
моль/1000 г	пустого		с водой	с	раствором
р-ля
| 18.9791		44.5627
"" 0,122				45,1063
№* 0.206					45.4370
■ -- 0,293	____;_..... <		■-■■ :>*J:V,.		45,7729
0,382 ' ^: -.■■-•«			45,1113

По данным таблиц 5 и 6 выполнить все расчеты, привести табли­
цы, построить график и определить парциальные объёмы компонентов
растворов в соответствии с методическими рекомендациями к работе.
Получить уравнение для расчета парциальных молярных объёмов соли
в растворах в виде: -'*- -"-■■■'■;

^]/

общ-

= ^а + ^bn2

(5.1)

где «2 - количество молей соли в растворах.

,23

Вычислить по уравнению (5.1) парциальные молярные объемы солей в растворе с указанием абсолютной ошибки, расчитать по ним парциальные молярные объемы растворителя с использованием урав­нения Гиббса-Дюгема (1.13) и сравнить их с парциальными молярны­ми объемами компонентов раствора, полученными графическим мето­дом. Рассчитать молярные объемы соли и воды для чистых веществ При этом воспользоваться значениями плотности их в чистом состоя­нии: d(FeCl₃₍T)) =2,90г/см³, d(CuSO_4m)⁼3,60 г/см³, с!(Н₂О_(Ж)) (таблица 7) Провести сравнение молярных объёмов и парциальных молярных объ­ёмов веществ растворов.

Вычислить изменения объёма (парциальные молярные функции смешения) одного моля растворов, объёмов компонентов растворов при их растворении, используя уравнение (2.4).

Для наглядности результаты всех расчетов и экспериментов све­сти в таблицы 7 и 8. Сделать выводы по полученным результатам.

Таолица	. 7 - Результаты расчетов и	экспериментов
Номер раст­вора	Концен­трация раст­вора, т	Молярные объёмы соли, см7моль	Молярные объёмы воды, см7моль
	урасч.	у ЭКСП.		у расч.	уЭКСП.
Номер (фор­мула соли)

Таблица 8 - Изменения объёмов растворов, соли и воды при образовании растворов 1 Номер

Общий объём од- | Изменения объёмов раство-ного моля раство- ра, соли и воды, см7моль ра, см'/моль

раство-оа

из опы­тов. V

Кон­центра­ция

AV

^уад

раство­ра, т

Номер (фор­мула соли)

(I.e.

3. По экспериментальным данным, приведенным в таблицах 7, 8 в соответствии с методическими рекомендациями определить графиче­ским методом парциальные молярные объёмы компонентов растворов.

Получить уравнения для вычисления общих объёмов растворов в
виде:.-, _

Кющ. = а. + Ъп_? + сп₂ = а + п_?(Ь + сп_:), _п_ _Ч41.^

где и_7-количество молей соли в растворах.

Вычислить изменения объёмов раствора, солей и воды при обра­зовании растворов.

Таблица 9 - Результаты взвешиваний для исследуемых растворов,-4-
при температуре 20°С
Номер раст-	Концентра-	Масса пикнометра, г
вора	ция раство-
	ра, мае. %	пустого	с водой с раствором
1 Водный	-	24,0837	49,4679	-
раствор	2,0			49,7959
NaNO3,	4,0			50,1469
d(NaNO3) =	6,0			50,5005
2,26 г/см^3 _j	8,0			50,8691
2 Водный	-	17,7683	42,8431	-
раствор	2,0			43,3857
NiSO4,	4,0			43,9308
d(NiS04) =	6,0			44,8091
3,65 г/см^3	8.0	I 45,0285

«8 ЛИТЕРАТУРА

1. Стромберг, А.Г. Физическая химия / А.Г. Стромберг, Д.П.
Семченко. - М.: Высшая школа, 1988.

2. Зимон, А.Д. Физическая химия: учебник для вузов / А.Д. Зи-
мон, Н.Ф. Лещенко. - М.: Химия, 2000.

3. Кудряшов, И.В. Сборник задач и примеров по физической хи­
мии /И.В. Кудряшов, ГС. Каретников. - М.: Высшая школа, 1991.

4. Краткий справочник физико-химических величин / под ред.
А.А. Равделя. A.M. Пономаревой. - Л.: Химия, 1983.

5. Бокштейн, Б.С. Краткий курс физической химии: учебное по­
собие / Б.С. Бокштейн, М.И. Менделеев. - М.: ЧеРо, 1999.

6. Свойства неорганических соединений: справочник / А.И.
Ефимов [и др.]. - Л.: Химия, 1983.

7. Федоров, Н.Г. Парциальные мольные величины: методические
указания к лабораторной работе / Н.Г. Федоров. - Барнаул: Изд-во
АПИ им И.И. Ползунова, S986.

СОДЕРЖАНИЕ

1 ТЕОРЕТИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ................................................................... 3

1.1 Основные понятия и определения, характеризующие
растворы................................................................................................................ 3

1.2 Парциальные молярные величины............................................ 4

1.3 Основные уравнения для парциальных молярных

величин (уравнения Гиббса-Дюгема).............................................. 7

1.4 Аддитивность свойств и функции смешения растворов
(многокомпонентных систем).......................................................................... 8

1.5 Методы определения парциальных молярных величин............. 10

2 ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ............................................................ 12

2.1 Весы и взвешивание......................................................................... 12

2.2 Порядок выполнения работы........................................................ 15

2.3 Обработка результатов экспериментов............................................ 18

2.4 Содержание отчета по работе............................................................ 19

3 ТЕХНИКА БЕЗОПАСНОСТИ И ПРАВИЛА ПОВЕДЕНИЯ

В ЛАБОРАТОРИИ ПРИ ВЫПОЛНЕНИИ РАБОТЫ.......................... 21

4 КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ....................................................................... 22

5 ЗАДАЧИ............................................................................................................ 23

ЛИТЕРАТУРА............................................................................................... 26

где V_i, Н/, Sj, G,-, Fj - парциальный молярный объём, энтальпия, энтропия, изобарный и изохорный потенциалы г-го компонента в рас­творе.

Выражения для величин V\, Н,, 5,-, G,. F, показывают, что парциальные молярные величины являются не свойством компонента в растворе, а изменением свойства раствора. По физическому смыслу парциальные молярные величины представляют изменение экстенсив­ного свойства раствора при добавлении к нему 1 моля компонента при постоянных давлении, температуре и составе. Постоянство состава предполагает добавление моля компонента к столь большому количе­ству раствора, что его концентрация не изменяется, или, что то же, до­бавление к конечному количеству раствора бесконечно малого количе­ства компонента и пересчет полученного изменения на 1 моль компо­нента. Следовательно, парциальные молярные величины отражают изменение свойства системы в целом при бесконечно малой добавке одного из компонентов. В связи с этим они могут принимать значения, которые для свойств чистых веществ являются абсурдными, например, парциальные молярные объёмы могут быть отрицательными.

В то же время (как будет показано ниже, см. уравнение (1.13)
Гиббса-Дюгема) можно сделать вывод, что парциальная молярная ве­
личина является долей экстенсивного свойства раствора, приходящей­
ся на один моль вещества в системе данного состава при постоянных
температуре и давлении. То есть свойство раствора является аддитив­
ной суммой парциальных молярных величин веществ раствора.
:_я Среди парциальных молярных величин наибольшее значение
имеет парциальный молярный изобарный потенциал (парциальная мо­
лярная энергия Гиббса), который тождественен химическому потен­
циалу:. '.....,....... ^., -

- Это вытекает из уравнений "'*'"''''•"*" Ч»'

Oitj

ОП: 1

' уР,Т.П;

Производная химического потенциала /-го компонента по темпе­ратуре соответствует его парциальной молярной энтропии: | s'

era Практическое значение парциальных молярных величин состоит в том, что между ними сохраняются те же термодинамические соотно­шения, что и между обычными термодинамическими величинами.

Например, если провести дифференцирование уравнения изобар­ного потенциала (энергии Гиббса)

^общ. ¹¹оощ. ^1аобщ.. ": ' ■* \¹-'j

по числу молей п, при Р = const, Т = const и щ = const получим: Шл;
^5Go6u/. I _(^дНобщ.]

^i Jpj,nj V ^5й' )_Р,Т,П: l ⁵"' Jp.r.Hy

Учитывая вышеприведенные формулы вместо этой производной можно написать:

где щ, Hj, Sj - химический потенций!, парциальная молярная эн-

тальиия и энтропия г'-го компонента в растворе (или смеси компонен­
тов)..... _t

^fT 1.3 Основное уравнения для парциальных молярных ₊.
величин (уравнения Гиббса-Дюгема) ■ _ti,»_;fa I^s ^-?

Общее свойство раствора равно сумме свойств компонентов -парциальных молярных величин компонентов. Для вывода соотноше­ний между парциальными молярными величинами компонентов рас­твора, состоящего из двух веществ, проинтегрируем уравнение

dX_o6ui=X^+X₂dn₂ (1.11)

при постоянном составе раствора.

Такое условие означает, что оба компонента добавляются к рас­твору небольшими порциями и в таком соотношении, чтобы состав раствора не менялся. В этом случае парциальные молярные величины

Х[ = const и Х₂ ~ const. После интегрирования получим:

г⁺С, ^№;СЛ О-¹²)-

где п, и р-2 - количество молей растворителя и растворенного вещества; С- константа интегрирования.

С = 0, так как при п_х = 0 и и₂ — 0 Х_об_щ. = 0. То есть в окончатель­ном виде можно записать:

_ _ к _ '

1Щ Хобщ. ^{= п}\^х\^+П2^х2 или в общем виде Х_о6щ =Y*ⁿi^xi ■ О-¹³)

Продифференцируем уравнение (1.13) для двухкомпонентного раствора, при этом будем считать, что {п,, п_:, Х\. Х₂) = var (перемен­ные величины):

Жо/щ. ={x_{dni + X₂dn₂)+{n_xdX_x + n₂dX₂). (1.14)

При сравнении выражений (1.14) и (1.11) видно, что первое сла­гаемое равно с1Х₀5щ.. С учетом этого получим:

- - ^к -

n^dX] + n₂dX₇ = 0 или в общем виде У,я,<й'_; =0. (1.15)

Ы

Разделим обе части уравнений (1.13) и (1.15) на сумму (п_л ■+ /ъ). Учитывая, что:

Л', =—^—иЛ,=——, (3.16)

^п\ + ^п2 ^ ^п\ + ^п2

где Ni и Л^ - молярные доли растворителя и растворенного вещества, получим:

X = /V, Х_х + N₂ Х₂ и /Vi u?Xj + ЛЧ d^₂ = 0, (1.17)

где Х- —ii^_ _ свойство одного моля раствора. " " ' '-
П] +п₂ ■.-■ «,!■,:■«-

Для раствора из г компонентов суммирование нужно сделать по всем i компонентам, тогда в интегральной форме:

■ ■ ■-:■•. к _ к _

■■;■■ - Х = 1ЗД ирД=0. (1.18)

Уравнения (1.13, 1.15, 1.18) - уравнения Гиббса-Дюгема. Они ус­танавливают связь между парциальными молярными величинами и изменениями парциальных молярных величин компонентов в растворе.

Из уравнений Гиббса-Дюгема можно вычислить парциальную молярную величину одного компонента, если известна парциальная молярная величина другого компонента (для двухкомпонентного рас­твора) или изменение парциальных молярных величин.

1.4 Аддитивность свойств и функции смешения растворов (многокомпонентных систем)

Свойство одного моля раствора называется аддитивным, если оно вычисляется по уравнению:

Для двухкомпонентного раствора " '-^:"' "" у,-

■■■■■'-XaO^NiXf+^X*, (1.20)

где Xj и Х^ - свойства одного моля чистых компонентов в стан­дартном состоянии.

Следовательно, аддитивное свойство раствора складывается из свойств чистых компонентов пропорционально их содержанию в рас­творе.

Для двухкомпонентной системы

N_{=\-N₂. (1.21)

Если подставить это значение Л^ в уравнение для X_ад (1.20), то получим:

Х_ад=Х\+(Х\-Х*)П₁:~ ' (1.22)

Из уравнения (1.22) видно, что зависимость величины X _а(, от N₂ линейная, так как величины X® и (Х^ - Х_}) - постоянные величины.

В уравнении Гиббса-Дюгема для одного моля двухкомпонентно­
го раствора.,,...

""" "X = N_XX_X + N₂X₂ "° "" '"" " (1.23)

зависимость величины X от величины N₂ нелинейная, так как величины
Х\ и Х₂ изменяются от состава. Поэтому свойство реального раствора
в общем случае представляет собой неаддитивную величину. ~"^:*

Отклонения свойств раствора от аддитивности называют измене­ниями свойств раствора или функциями смешения раствора. Из урав­нения (1.22) для величины^' _а$ и уравнения Гиббса-Дюгема (1.23) для одного моля раствора можно получить:

ЛХ = А^г, ДТ, +N₂AX₂, (1.24)

где АХ - X — Х_ад - изменение свойства одного моля раствора - инте­гральная функция смешения одного моля раствора;

АХ; = X] -X. - изменение парциального молярного свойства рас­творителя — парциальная молярная функция смешения растворителя; ДХ₂ = Х₂ - Xj - изменение парциального молярного свойства

растворенного вещества - парциальная молярная функция смешения растворенного вещества.

---

Дата добавления: 2015-09-02