Лабораториялық жұмыс №1 Тұз еруінің интегралды жылуын анықтау

1. 
   KCl тұз еруінің белгілі жылу бойынша калориметрдің тұрақтысын анықтау.
   
2. 
   Анықталатын тұздың еру жылуын анықтау.
   

Жұмыстың мазмұны:

1. 
   KCl тұз еруінің белгілі жылу бойынша калориметрдің тұрақтысын анықтау, (Н_KCl = 18,67 кДж).
   
2. 
   Анықталатын тұздың еру жылуын анықтау.
   

№1 тәжірибені орындау.

1. 
   Стақанға бөлме температуралы 200 мл су құю. Стақанды калориметрге орналастыру. Араластырғышты орналастыру.
   
2. 
   Есептелінген мөлшерді (0,1-0,069 моль) аналитикалық таразыларда өлшеу және пробиркаға салу, содан кейін пробирканы калориметрдің қақпасында орнықтыру.
   
3. 
   Калориметрдің қақпасындағы тесікке термометрді орналастырып, араластырғышты іске қосу.
   
4. 
   Секундометрді қосып, әрбір 30 с температураның өлшеуін бастау: алғашқы ~ 10 санау алдын ала периодты құрайды. Содан кейін калориметрге пробиркадан суға затты тез салып, пробирканы өз орнына қою, және сонымен бірге температураны өлшеуін тоқтатпау. Араластырғышты сөндірмеу. Тұздың еруі нәтижесінде калориметрдегі температура тез өзгереді. Ол негізгі период болып табылады. Содан кейін ерітінді және қоршаған орта температураның теңеледі. Ол тағы 10 өлшеулері бар ақырғы период. Өлшеулердің жалпы саны 30-ға тең болу керек.
   
5. 
   Тәжірибенің нәтижесін кесте түрінде жазу:
   

g_KCl = 3 г М_KCl = 74,5 г/моль ∆Н _KCl = 18,67 кДж

1. 
   Тәжірибе нәтижелері бойынша «Температура – уақыт» координаталарында график тұрғызу.
   
2. 
   Төмендегі формула бойынша калориметрдің тұрақтысын есептеу:
   

g(KNO)₃ = 3 г М(KNO)₃ = 101 г/моль K =

1. 
   t-ны графикалық анықтау.
   
2. 
   Төменгі формула бойынша тұз еруінің интегралды жылуын есептеу:
   

3. 
   Тәжірибе қателігінің процентін табу.
   

Екі компоненттен кем емес түзілген және белгілі бір шектерде құрамының үзіліссіз өзгеруіне қабілетті бірфазды жүйе ерітінді деп аталады. Ерітіндінің құрамын немесе оның концентрациясын әр түрлі әдістер көмегімен көрсетеді:

• 
  Салмақты процент немесе салмақты үлес;
  
• 
  Мольдік үлес еріген заттың (n₁) моль санының еріткіштің (n₂) және еріген заттың моль санының суммасына қатынасына тең
  

• 
  Молярлық (М) 1 л ерітіндідегі еріген заттың моль санына тең;
  
• 
  Моляльдық (m) – бұл 1000 г еріткіштегі еріген заттың моль саны;
  
• 
  Нормальдық (Н) – 1 л ерітіндідегі еріген заттың грамм-эквивалент саны.
  

1. 
   біртекті және әртекті молекулалар арасындағы әсерлесу күштері шама бойынша жақын:
   

2. 
   идеалды ерітінділердің түзілгенде жылулық эффект байқалмайды: ∆Н = 0.
   
3. 
   идеалды ерітіндінің көлемі компоненттер көлемдерінің суммасына тең және идеалды ерітіндінің түзілуі көлемнің өзгеруінсіз өтеді:
   

4. 
   бір ерітіндінің басқа ерітіндіде өздігінен еруі энтропияның өсуімен қоса жүреді: ∆S > 0;
   
5. 
   идеалды ерітінділерге идеал газдар теориясының кейбір теңдеулер қолданылады.
   

P_A = P⁰_A * N_A P_B = P⁰_B * N_B (2)

Мұндағы P⁰_A, P⁰_В – А және В таза заттарының үстіндегі бу қысымы,

P_A, P_В – ерітінді үстіндегі А және В компоненттер буының парциалды қысымы (ерітінді үстіндегі будың жалпы қысымы P = P_A + P_B),

N_A, N_В – ерітіндідегі А және В заттардың мольдік үлестері.

Рауль заңы және идеалды ерітінділердің басқа да заңдылықтары сұйытылған ерітінділер құрамын, яғни еріген зат мөлшері еріткіштің мөлшеріне қарағанда аз болатын ерітінділерді зерттеу үшін қолданылуы мүмкін. Ұшқыш еріткіш пен ұшқыш емес немесе аз ұшатын еріген заттан түзілген сұйытылған ерітінді үшін Рауль заңы тек еріткішке ғана қолданылуы мүмкін:

Мына жағдайда Рауль заңы былай оқылады: «Ұшқыш емес зат ерітіндісінің (бейэлектролит) үстіндегі еріткіштің қаныққан бу қысымының салыстырмалы азаюы еріген заттың мольдік үлесіне тең».

Рауль заңынан шығады: кез келген температурада Т таза еріткіш P⁰_A үстіндегі еріткіштің қаныққан бу қысымы P_A ерітінді үстіндегісіне қарағанда үлкен болады. Осыдан айырма ∆Р = Р⁰_А – Р_А еріген заттың концентрациясы жоғары болса, оңда дұрыс болады.
РАУЛЬ ЗАҢЫН ҚОЛДАНУ

Рауль заңына сәйкес еріткіште, мысалы, суда аз ұшатын зат (бейэлектролит) ерігенде ерітінді үстіндегі еріткіштің қаныққан бу қысымы төмендейді. Үштік нүктенің жанындағы А компоненттің күй диаграммасын 1 суретте қарастырайық.

ОА – таза еріткіш (А) үшін қаныққан бу қысымының (Р⁰_А) температураға тәуелділігі

ВС және ДЕ – еріткіштің (Р_А) қаныққан бу қысымының әр түрлі концентрациялы (m₁ > m₂) 1 және 2 ерітінді немесе 1 және 2 ерітінділер булану сызығы үстіндегі температураға тәуелділігі.

Ерітіндінің қайнау температурасы еріткіштің қайнау температурасынан артық, яғни ол еріткішке қарағанда ерітіндінің қаныққан бу қысымы төмендеуінің негізгі салдары болады. Қайнау температурасының өсуі еріген заттың концентрациясына пропорционалды болады:

мұндағы, ∆T_кип – қайнау температурасының өсуі,

m – ерітіндінің мольдік концентрациясы,

Е – еріткіштің табиғатына ғана тәуелді эбулиоскопиялық тұрақты деп аталатын тұрақты шама.

Егер ерітіндінің концентрациясы m=1, онда ∆T_кип = E, яғни эбулиоскопиялық тұрақты ерітіндінің қайнау температурасының өсуіне тең болады. Таза еріткішке қарағанда 1000 г еріткіштегі ұшқыш емес заттың 1 молі қаәнау температураның моляльды өсуі деп аталады.

Ұшқыш емес заттың үстіндегі бу қысымы өсуінің тағы бір салдары: таза еріткіштің қату температурасы сұйық және қатты фазалар үстіндегі оның бу қысымының теңдік шартымен анықталады. 1 суретте ОД сызығы – қатты күйдегі (егер еріткіш су: мұз) еріткіштің қаныққан бу қысымының тәуелділігі.

Т_0зам – еріткіштің қату температурасы.

Егер ерітінді қатқанда таза еріткіш түзілсе, онда ерітінді үстіндегі бу қысымы да қатты күйдегі еріткіштің қысымына тең болуы керек. Т_1зам, Т_2зам – 1 және 2 ерітінділерінің қату температуралары. Қату температурасының кемуі еріген заттың концентрациясына пропорционалды болады:

мұндағы, К_зам – криоскопиялық тұрақты немесе қату температурасының мольдік кемуі.

К_зам физикалық мағынасы: ол ерітіндінің қату температурасының төмендеуіне тең (таза еріткішке қарағанда 1000 г еріткіште ұшқыш емес заттың 1 молі), яғни m = 1 болғанда, ∆T_зам = К_зам.

Ерітінділердің қайнау және қату температураларының өлшеулерінде заттардың молекулярлы массаларын анықтаудың эбулиоскопиялық және криоскопиялық әдістері негізделген. Криоскопиялық әдіс (криоскопия) өте көп қолданылады, себебі, әр түрлі еріткіштерді қолданып, кез келген заттардың молекулярлы массаларын анықтауға болады.

Заттың молекулярлы массасы қату температураның төмендеуімен теңдеу арқылы байланысты:

(6)

Осыдан:

мұндағы, М_В – еріген заттың молекулярлы массасы,

g_B – еріген заттың массасы,

G_A - еріткіштің массасы.

мұндағы, V_A – еріткіштің көлемі,

d_A – еріткіштің тығыздығы.

Сайып келгенде, ерітіндінің ∆t_зам эксперименталды шамасын анықтап, еріген заттың молекулярлы массасын табуға болады.

1. 
   ерітінді дегеніміз не?
   
2. 
   ерітінді концентрациясы немен өлешенеді?
   
3. 
   идеалды ерітінді дегеніміз не?
   
4. 
   идеалды және сұйытылған ерітінділер үшін Рауль заңын жызыңыз.
   
5. 
   сұйықтың қайнау температурасы дегеніміз не? Таза еріткіштің қайнау температурасына қарағанда ерітіндінің қайнау температурасы қалай өзгереді?
   
6. 
   сұйықтың қату температурасы дегеніміз не? Таза еріткіштің қату температурасына қарағанда ерітіндінің қату температурасы қалай өзгереді?
   
7. 
   концентрацияға тәуелді болғанда ерітіндінің қайнау және қату температуралары қалай өзгереді? Рауль заңының салдарын жазыңыз. Сурет түрінде көрсетіңіз.
   
8. 
   криоскопиялық және эбулиоскопиялық тұрақтылары дегеніміз не? Олардың физикалық мағыналары неде?
   
9. 
   еріген заттың молекулярлы массасын анықтаудың криоскопиялық әдісі неге негізделген?
   
10. 
    заттың (бейэлектролиттің) молекулярлы массасы оның қату температурасының төмендеуіне байланысты қалай есептелінеді?
    
11. 
    еріген заттың электролиттік диссоциациясы ∆t_зам шамасына қалай әсер етеді?
    
12. 
    изотоникалық коэффициент дегеніміз не?
    
13. 
    диссоциация дәрежесі мен изотоникалық коэффициенттің арасындағы байланысын көрсетіңіз.
    

∆t_зам КРИОСКОПИЯЛЫҚ АНЫҚТАУДЫҢ ӘДІСТЕМЕСІ

Жұмыс криостатта орындалады (1 сур). Криостат араластырғышы 4 бар қардан (немесе ұсақталған мұз), судан және тұздан салқындатқыш қоспаны дайындайтын үлкен стаканнан 5 құралған.

Салқындатқыш қоспаға пробирканы 2 түсіреді; ақырғысы стаканның қақпасында жақсы тіркелуі және салқындатқыш қоспамен біркелкі қоршалуы керек. 2-пробиркаға араластырғышы 6 және Бекман термометрі 3 бар басқа пробирка 1 салынады.

1 сур. Криоскопиялық өлшеулерге арналған аспап.

1. 
   Жұмыстың басында қардан (немесе мұздан), судан және тұздан салқындатқыш қоспаны дайындайды. Жылы аудиторияда қоспаның температурасы -10 ± -12⁰С болуы керек. Қоспаға кең пробирканы 2 салады және оны салқындатқыш қоспамен қоршайды.
   
2. 
   Пипеткамен 30 мл суды өлшеп, пробиркаға 1 құяды және жай лабораториялық термометрмен бірге салқындатқыш қоспаға криостаттан тыс алдын ала салқындату үшін салады.
   
3. 
   Пробиркада 1 еріткіш +1 ± +2⁰С дейін суығанда, пробирканы 1 криостаттағы кең пробиркаға 2 салуға болады және Бекман термометрін орнатуға болады.
   
4. 
   Секундометрді қосып, әрбір 30 с еріткішті араластырғышпен 6 біркелкі араластырып, 0,002⁰ дейінгі дәлдігімен Бекман термометрі бойынша температураны жазу.
   
5. 
   Сынап бағаны төмендейді, және нөлдік нүктесінен шамамен 0,5⁰ үлкен температурада араластыруды тоқтатып, еріткіштің әрі қарай тоңазытуын қадағалау.
   
6. 
   Тоңазыту Бекман термометрдің нөлдік нүктесіне қарағанда 0,5-1⁰ жіберіледі, содан кейін сұйықты қарқынды араластыруды бастайды. Осыдан температура тез өседі, сұйықтың қату температурасының шамасына дейін жетеді де тұрақты болады. Температураны тағы 2-3 өлшеу.
   
7. 
   Пробирканы шығарып, қолмен кристалдардың еруіне дейін жылыту (Бекман термометрін еритін мұзға салу) және тәжірибені қайталау, содан кейін орташа мәнін алу.
   
8. 
   Пробиркаға 1 заттың керек мөлшерін салу. Алынған ерітінді үшін тәжірибені сол кезекте өткізу, бірақ тоңазытуды 0,5⁰ жоғары жібермеу. Тәжірибені қайталау және орташа мәнін алу.
   
9. 
   Бақылаудың нәтижесі бойынша су (еріткіш) мен ерітіндінің салқындату қисығы салынады. Ордината осіне температура, ал абсцисса осіне – уақыт (мин) жазылады.
   

2 сур. Салқындату қисықтары: 1 – еріткіш

2 – ерітінді
Қисықтың 1 минималды нүктесі тоңазыту температурасына жауап береді, өсуінен кейінгі тоқтату судың қату температурасына сәйкес келеді. Қисық 2 үшін де солай.

Ескерту.

1. 
   Салқындатқыш қоспаны және тәжірибеге криостатты дайындау кезінде Бекман термометрін мұзы бар суда ұстау керек.
   
2. 
   Есінде болу керек, Бекман термометрі абай обращение талап етеді: кенет сілкіну болмайды. Еріткішке термометрді салғанда ол пробирканың түбіне 1-2 см жетпеу және араластырғышқа тимеу керек. Осындай термометрді тек тік күйінде ғана ұстауға болады.
   
3. 
   Бекман термометрі үшін нөлдік нүкте орнатылады – бұл еритін мұздың (қардың) температурасына сәйкес келетін термометрдің шкаласындағы температура. Бекман термометрін еритін мұзға салады да шкалада жай лабораториялық термометр бойынша 0⁰С сәйкес келетін сынап бағанасын белгілейді.
   

1. 
   еріткіштің қату температурасын анықтау.
   
2. 
   берілген бейэлектролит ерітіндісінің қату температурасын анықтау.
   
3. 
   сурет түрінде ерітіндінің қату температурасының төмендеуін (температуралық күзеу) анықтау және еріген заттың молекулярлы массасын есептеу.
   

Ерітінділер таза еріткіштің қату температурасына қарағанда төменірек температурада қатады, сонымен бірге ерітіндінің қату температурасы оның концентрацияға және еріткіштің табиғатына тәуелді болады.

Бейэлектолиттердің сұйытылған ерітінділер үшін бұл тәуелділік ∆t_зам = k*m теңдеуі түрінде көрсетіледі,

мұндағы, ∆t_зам – (t⁰_{зам.раст-ля} – t⁰_{зам.р-ра}), таза еріткіштің қату температурасына қарағанда ерітіндінің қату температурасының төмендеуі немесе температуралық күзеу,

m – еріткіштің 1000 г-на еріген заттың мольдегі ерітіндінің концентрациясы, яғни ерітіндінің моляльді концентрациясы,

k – криоскопиялық тұрақты немесе қату температураның моляльді төмендеуі.

Криоскопиялық тұрақты тек қана еріткіштің табиғатына тәуелді, сонда су үшін k(H₂O) = 1,86⁰, бензол үшін k(C₆H₆) = 5,1⁰. Зерттелетін ерітіндінің моляльды концентрациясы келесі теңдеумен көрсетіледі:

мұндағы, g – еріту үшін алынған заттың массасы, г

М – осы заттың молекулярлы массасы,

g₁ – еріткіштің массасы.

Сонда

Және осыдан ізделінетін молекулярлы масса:

Олай болса, заттың молекулярлы массасын анықтау үшін тәжірибе арқылы ∆t_зам шамасын анықтау керек.

Тәжірибенің орындалуы криоскопиялық өлшеулердің жай әдістемесі бойынша жүргізіледі. Өлшеулердің нәтижесін кестеге жазу:

Тәжірибе нәтижелерін өңдеу

1. 
   ∆t_зам шамасын табу үшін «температура-уақыт» координаталарында салқындату қисықтарын салу.
   
2. 
   Заттың молекулярлы массасын есептеу және қателік процентін табу:
   

3. 
   Нәтижелерді кесте түрінде көрсету:
   

1. 
   Судың қату температурасын анықтау.
   
2. 
   Белгілі моляльды концентрациялы электролит ерітіндісінің қату температурасын анықтау.
   
3. 
   Сурет түрінде ерітіндінің қату температурасының төмендеуін ∆t_{зам.опыт} анықтау және электролиттің изотоникалық коэффициентін және диссоциация дәрежесін есептеу.
   

Ерітінділер таза еріткіштің қату температурасына қарағанда төменірек температурада қатады, сонымен бірге ерітіндінің қату температурасы оның концентрацияға және еріткіштің табиғатына тәуелді болады.

Бейэлектолиттердің сұйытылған ерітінділер үшін бұл тәуелділік ∆t_зам = k*m теңдеуі түрінде көрсетіледі,

мұндағы, ∆t_зам – (t⁰_{зам.раст-ля} – t⁰_{зам.р-ра}), таза еріткіштің қату температурасына қарағанда ерітіндінің қату температурасының төмендеуі немесе температуралық күзеу,

m – еріткіштің 1000 г-на еріген заттың мольдегі ерітіндінің концентрациясы, яғни ерітіндінің моляльді концентрациясы,

k – криоскопиялық тұрақты немесе қату температураның моляльді төмендеуі.

Криоскопиялық тұрақты тек қана еріткіштің табиғатына тәуелді, сонда су үшін k(H₂O) = 1,86⁰, бензол үшін k(C₆H₆) = 5,1⁰. Бірақ, егер еріген зат ерітіндіде иондарға ыдыраса, онда ерітіндідегі бөлшектер саны өседі. Сондықтан электролит ерітіндідегі қату температурасының төмендеуі ∆t_зам моляльды концентрациясы сондай бейэлектролит ерітіндідегіге қарағанда үлкен болады.

Электролит ерітіндісінің қату температурасының төмендеуі бойынша осы электролиттің диссоциация дәрежесі туралы пікір айтуға болады.

Мысалы, еріген заттың молекулалар саны N, оның диссоциация дәрежесі α, осы электролиттің бір молекуласынан ионның n саны түзіледі, онда ерітіндідегі иондар N*α*n және диссоциацияланбаған молекулалар N – Nα немесе N(1-α).

Электролит ерітіндісіндегі бөлшектердің жалпы санының еріген молекулалар санына қатынасын аламыз да, осы қатынасты і шамамен белгілейік.

і – диссоциация нәтижесінде ерітіндідегі бөлшектер саны неше есе рет өскенін көрсететін изотоникалық коэффициент, сәйкесінше, электролиттің ∆t_зам өседі:

∆t_зам = іkm

Тәжірибе жүзінде берілген моляльды концентрацияда ∆t_зам өлшеп, электролиттің изотоникалық коэффициентін және диссоциация дәрежесін есептеуге болады:

Тәжірибенің орындалуы криоскопиялық өлшеулердің жай әдістемесі бойынша жүргізіледі. Өлшеулердің нәтижесін кестеге жазу:

Тәжірибе нәтижелерін өңдеу

1. 
   ∆t⁰_зам шамасын табу үшін «температура-уақыт» координаталарында еріткіш және ерітінді үшін салқындату қисығын салу.
   
2. 
   Изотоникалық коэффициентін және диссоциация дәрежесін есептеу
   
3. 
   Нәтижелерді кесте түрінде көрсету:
   

1. 
   С.А. Балезин. Практикум по физической и коллоидной химии, М., 1972.
   
2. 
   Практикум по физической химии под редакцией проф. С.В. Горбачева, М., 1974.
   

Лабораториялық жұмыс № 6

Мыс және темір иондарының йодсутекті қышқылдың калий персульфатымен тотығу жылдамдығына ықпалын зерттеу.

Мына реакция жылдамдығы туралы крахмал индикаторы қатысуымен натрий тиосульфаты ерітіндісімен титрлеп, уақыттың әртүрлі арасында бөлінген йод мөлшерінен көріп айтуға болады.

Жұмыстың барысы:

Тәжірибе 1. Конус тәріздес колбаға 50 мл + 25 мл ерітіндісін + 25 мл 0,1н күкірт қышқылы ерітіндісін және 25 мл ерітіндісін құяды. Ерітіндіге -ті құйған сәт тәжірибенің басталғаны болып есептеледі.

Жылдам пипетка көмегімен 10 мл қоспаны алып, крахмал қатысуымен 0,01н тиосульфат ерітіндісімен титрлейді. Содан соң 5, 10, 20, 40 минуттан кейін қайта 10 мл – ден қоспа алып, тиосульфатпен титрлейді.

Тәжірибе 2. Конус тәріздес колбаға 25 мл + 25 мл ерітіндісін + 25 мл ерітіндісін, 25 мл күкірт қышқылын , 25 мл . Алынған қоспаның 10 мл жылдам тез арада тиосульфатпен титрлейді, содан соң 5, 10, 20, 40 минуттан кейін тиосульфат ерітіндісімен титрлейді.

Тәжірибе 3. Конус тәріздес колбаға мыс купоросы ерітіндісінің орнына темір купоросы ерітіндісін құйып, алынған қоспаның 10 мл жылдам тез арада титрлейді де, содан 5, 10, 20, 40 минуттан соң қалғанын.

Тәжірибе 4. Конус тәріздес колбаға 25 мл ерітіндісін + 25 мл + 25 мл + 25 мл + 25 мл ерітіндісін құйып, алынған қоспаның 10 мл жылдам тез арада титрлейді де, содан 5, 10, 20, 40 минуттан соң қалғанын.

Бақылаулар нәтижелерін өңдеу

Өлшеулер нәтижелерін кестеге жазады:

Тәжірибе №	0,01н ерітіндісінің титрлеуге кеткен мөлшері, мл
	Уақыт (минут)
	0	5	10	20	40
1. катализаторсыз
2. катализатор
3. катализатор
4. катализатор +

Лабораториялық жұмыс № 3

Жұмыстың мақсаты:

1. Калориметр тұрақтысын белгілі KCl тұзының еру жылулығымен анықтау.

2. Қышқылдың сұйылту жылулығын анықтау.

3. Қышқылдың бейтараптану жылулығын анықтау.
Жұмыстың барысы:

1 г-экв. қышқыл 1г-экв. сілті бейтараптануындағы энтальпия өзгерісін бейтараптану жылуы деп атайды.

Қышқыл және сілті ерітінділерін құйған кезде бейтараптанудан басқа екі компоненттердің сұйылту процесстері жүреді. Сондықтан калориметрдегі жылу эффектісі жиынтық мөлшер болып саналады. Бұл жылу эффектісіне, бейтараптану жылуынан басқа, сонымен қатар, қышқылдың негізбен сұйылту жылуы және негіз ерітіндісінің қышқылмен сұйылту жылуы кіреді.

Бейтараптану тәжірибелері сайып келгенде былай өткізіледі: сілті артық мөлшерде алынады да, ол зерттелетін қышқылды түгелдей бейтараптайды. Егер қышқыл ерітіндісінің концентрациясы негіз ерітіндісінің концентрациясынан бірнеше есе артық болса, онда (негізінен қышқылдың аз көлемімен негіз сұйылтылмайды) нөлге жақын болады да, төмендегіні қабылдауға болады:

бұдан:

Демек, бейтараптану жылуын анықтау үшін, тәжірибелік жолмен қышқылдың негізбен сұйылту жылуын (), калориметрде бақыланатын () өзіне меншікті бейтараптану жылуынан және қышқылдың негізбен сұйылту жылуынан тұратын жиынтық жылу эффектісін табу керек.
Жұмыс үш тәжірибелерден тұрады:

1. Калориметр тұрақтысын белгілі () тұзының еру жылулығымен анықтау.