Опыт 2. Влияние температуры на равновесие реакции обратимого гидролиза ацетата натрия

В основе опыта лежит реакция гидролиза ацетата натрия:

CH₃COONa + H₂O ⇄ NaOH + CH₃COOH.

В этой обратимой реакции прямая реакция – гидролиз соли, обратная – нейтрализация. При смещении равновесия в сторону гидролиза образуется сильное основание, присутствие которого может быть установлено малиновым окрашиванием фенолфталеина, добавляемого в реакционную систему в качестве кислотно-основного индикатора.

Реактивы: 0,1 Н раствор ацетата натрия, спиртовый раствор фенолфталеина.

Посуда и принадлежности: пробирки, спиртовка, спички, держатель для пробирок.

Методика проведения опыта. Налейте в пробирку 3-4 мл раствора ацетата натрия и добавьте 1-2 капли раствора фенолфталеина. Нагрейте жидкость до кипения. В наблюдениях отметьте окраску раствора до и после нагревания. Охладите пробирку. Отметьте, изменился ли цвет жидкости в пробирке после охлаждения. Объясните, почему окраска фенолфталеина изменяется при нагревании и охлаждении.

Напишите выражение константы равновесия для данной реакции.

В выводах укажите:

– с какими тепловыми эффектами протекают прямая и обратная реакции и почему;

– каково направление смещения химического равновесия в данной реакции при повышении температуры и что является причиной этого.

Опыт 3. Влияние температуры на обратимую реакцию и установление термохимического типа прямой и обратной реакции (УИРС)

При действии раствора иода на крахмал образуется комплексное соединение – иодкрахмал, имеющий характерное синее окрашивание:

(С₆Н₁₀О₅)_n + m I₂ ⇄ (С₆Н₁₀О₅)_n· m I₂; ΔΗ =?

бесцветноежелтая синяя

соединение окраска окраска

Реактивы: раствор иода в воде (c желтой окраской средней интенсивности), свежеприготовленный крахмальный клейстер (приготовить суспензию из 0,5 г крахмала в 10 мл холодной воды, вылить ее в 150 мл горячей воды и довести до кипения).

Посуда и принадлежности: пробирки, спиртовка, спички, держатель для пробирок.

Методика проведения опыта. Налейте в пробирку 2-3 мл раствора крахмального клейстера, добавьте несколько капель раствора иода. Отметьте и запишите в графе "Наблюдения" окраску полученного раствора. Нагрейте пробирку на спиртовке. Отметьте изменение окраски. Пробирку охладите под струей воды из-под крана. Отметьте, что происходит с окраской раствора при охлаждении.

В выводах укажите направления смещения химического равновесия в данной обратимой реакции соответственно при повышении и понижении температуры, а также знаки тепловых эффектов прямой и обратной реакций. Объясните причины этого.

Тема 4. Гетерогенные химические системы и поверхностные явления в них (спецраздел с элементами УИРС) (базовый материал)

Рекомендуемая литература по теме 4 приведена на с. 30.

Гетерогенные химические системы (ГХС) состоят из нескольких фаз.

Фаза – это часть ГХС, однородная по химическому составу и агрегатному состоянию во всех своих точках и отделенная от других частей системы границей раздела (межфазной поверхностью).

Гетерогенные химические системы бывают со сплошными границами раздела фаз (например, жидкость в емкости в контакте с воздухом), а могут быть дисперсными.

Дисперсные ГХС – гетерогенные системы, в которых частицы одной фазы, называемой дисперсной, находятся в раздробленном (диспергированном) состоянии и равномерно распределены между частицами другой фазы, называемой дисперсионной средой. Например, сырая нефть – это гетерогенная дисперсная система (ГДС). В ней диспергированные частицы природной воды, горных пород, газов равномерно распределены между частицами углеводородной дисперсионной среды. Эта система стабилизирована вследствие действия имеющихся в ней природных (нефтяных) поверхностно-активных веществ (ПАВ). В отличие от гомогенных дисперсных систем (истинных растворов), размеры частиц дисперсной фазы в гетерогенных дисперсных системах (ГДС) превышают ионно-молекулярный уровень.

Природа веществ, образующих фазы, различна, поэтому на межфазной поверхности (МП) возникают нескомпенсированные молекулярные силы и, как результат, избыточная поверхностная энергия Гиббса:

DG_пов = s ^. S, кДж,

где S (м²) – суммарная площадь поверхности раздела фаз, s (кДж/м²) – удельная поверхностная энергия Гиббса, т.е. приходящаяся на единицу поверхности раздела фаз. Для систем с конденсированными фазами s называют поверхностным натяжением.

Стремление ГХС уменьшить значение DG_пов обусловливает возникновение в них поверхностных явлений: смачивание, адгезия, сорбция (адсорбция или абсорбция), а в гетерогенных дисперсных системах еще возникает агрегация и коагуляция.

Смачивание – это межмолекулярное взаимодействие на границе раздела фаз между веществами двух конденсированных фаз (жидкость – жидкость или твердое тело – жидкость), находящихся в контакте с газовой фазой. Полное (растекание) или частичное смачивание поверхности одной фазы веществом другой фазы оказывается возможным только если эти вещества способны к какому-либо межмолекулярному взаимодействию (силы Ван-дер-Ваальса, водородные связи и др.).

Адгезия – это смачивание, завершаемое прилипанием одной фазы к поверхности другой фазы.

Когезия – это взаимодействие между частицами вещества внутри одной фазы.

Адсорбция – это концентрирование вещества, растворенного в одной фазе (эта фаза представляет собой истинный раствор), на поверхности другой фазы, т.е. на границе раздела фаз. Вещество, которое адсорбируется – адсорбат; вещество, на поверхности которого происходит адсорбция – адсорбент. Процесс адсорбции обратим и достигает состояния равновесия. Обратный процесс – десорбция.

В основе адсорбции лежит тот или иной вид межмолекулярного взаимодействия между адсорбатом и адсорбентом на границе раздела фаз. Существует правило: подобное адсорбируется на подобном, т.е. полярные вещества адсорбируются на полярных адсорбентах и наоборот.

Смачивание и адсорбция приводят к частичной компенсации нескомпенсированных молекулярных сил на границе раздела фаз и в результате – к снижению удельной поверхностной энергии s, а, следовательно, и к уменьшению DG_пов.

Особую роль играет адсорбция поверхностно-активных веществ (ПАВ). Молекулы ПАВ дифильны, они в своей структуре имеют одновременно неполярный гидрофобный фрагмент и полярный гидрофильный фрагмент. Благодаря такому строению молекулы ПАВ могут адсорбироваться на любой межфазной поверхности: полярной частью на полярной поверхности, а неполярной частью на неполярной поверхности.

В результате адсорбции ПАВ происходит уравнивание полярностей поверхностей фаз на границе их раздела и, как результат – снижение s и DG_пов.

Отличительным признаком действия ПАВ является возрастание эффекта снижения поверхностного натяжения s по мере увеличения концентрации ПАВ (т.е. степени адсорбции) на границе раздела фаз (до момента достижения равновесия).

Разновидностью ПАВ являются мыла. Мыла представляют собой растворимые соли карбоновых кислот с числом атомов углерода С₁₄-С₂₀. Такие кислоты образуются при гидролизе жиров, поэтому им дали название «жирные кислоты». Мыла ROO^-M⁺ (M⁺ = Na⁺, K⁺; R – углеводородный остаток) представляют собой водорастворимые анионактивные ПАВ, т.к. при их диссоциации в воде образуется поверхностно-активный анион ROO^-:

Примером действия ПАВ является стабилизация эмульсии, образующейся из сырой нефти и воды в присутствии природных поверхностно-активных веществ:

Гетерогенные дисперсные системы (ГДС) имеют громадное множество границ раздела между частицами дисперсной фазы и дисперсионной среды. В результате этого суммарная площадь поверхности раздела фаз (S) и, следовательно, DG_пов в ГДС очень значительны. Гетерогенные дисперсные системы имеют возможность самопроизвольно уменьшить величину S путем слипания или слияния частиц дисперсной фазы. Такое явление называется агрегацией. В результате укрупнения частиц дисперсной фазы их масса растет, и в какой-то момент происходит их оседание под действием сил тяжести. Такое явление называется седиментацией.

Агрегация, приводящая к седиментации и имеющая необратимый характер, называется коагуляцией. В результате коагуляции происходит разрушение ГДС.

Стабилизация ГДС может быть достигнута в результате адсорбции ПАВ или возникновения двойного электрического слоя на границах раздела частиц дисперсной фазы и дисперсионной среды. Возможность действия этих факторов определяется природой частиц фазы и среды.

В зависимости от размера частиц дисперсной фазы ГДС подразделяются на коллоидные растворы (размер частиц фазы 10^-7 – 10^-5 см) и взвеси (размер частиц фазы более 10^-5 см). Взвеси подразделяются на микрогетерогенные системы (размер частиц 10^-5 – 10^-3 см) и грубодиспер-сные системы (размер частиц 10^-3 – 1 см).

По агрегатному состоянию дисперсной фазы и дисперсионной среды ГДС подразделяются на следующие разновидности (табл. 1.8):

Таблица 1.8 – Разновидности гетерогенных дисперсных систем

Рекомендуемая литература по теме 4:[1], гл. 10, §§ 10.1-10.3, 105, 108; [2], гл. 6, §§ 6.5, гл. 8, §8.7; [4], гл. 9, § 1-6.