Експериментальна частина

Відкриванням водопровідного крана пускають воду в калориметр. Користуючись міткою на крані l, повертають його так, щоб, виходячи із калориметра, вода попадала у відлив.

Підпалюють сухий спирт і протягом 10–15 хвилин дома-
гаються сталості температур вхідної і вихідної води, весь час спосте-
рігаючи за горінням спирту. Температуру вхідної і вихідної води спостерігають на обох термометрах і записують через кожну хвилину протягом 5 хвилин. З одержаних даних знаходять середню температуру води. Потім повертають головку крана так, щоб вода витікала в циліндр Z ємністю 1 літр. Коли в циліндр витече 1 літр води, кран перекривають. По масі сухого спирту, що згорів, і масі води, що набрана в циліндр, і різниці в показниках термометра розраховують теплотворну здатність речовини. Для розрахунків необхідно знати також і барометричний тиск, пружність парів води при заданій температурі і кімнатну температуру.

Кількість тепла (в Дж), яке пішло на нагрівання води при згоранні певної маси речовини розраховують по формулі

,

де т – маса води, кг; С – теплоємність води, Дж/кмоль; Т₁ – температура води (К) на вході калориметра; Т₂ – температура води (К) на виході з калориметру.

Калорійність сухого спирту, розрахована на 1 кг, знаходять по формулі

10³.

Дослід проводять при різній швидкості протікання води і вираховують середнє значення теплотворної здатності сухого спирту. Режим роботи вказується керівником заняття. Запис ведеться за такою формою (див. табл. 1):

Таблиця 1

Пружність парів води в залежності від температури наведена в
табл. 2.

Таблиця 2

2. ВИЗНАЧЕННЯ ТЕПЛОТИ РОЗЧИНЕННЯ І ТЕПЛОТИ ГІДРАТАЦІЇ СОЛІ

Для роботи необхідно: калориметр; термометр; мішалка; пробірка для солі; дистильована вода; секундомір; сіль для розчинення; джерело струму; амперметр; вольтметр; електрообігрівач.

Мета роботи:

1. Визначення теплоємності калориметричної системи методом електро-
обігріву.

2. Визначення питомої теплоємності розчинення солі.

3. Визначення інтегральної теплоти розчинення, тобто теплового ефекту розчинення одного моля солі в такій кількості розчинника, коли Q буде постійним – Q _інт.

4. Визначення теплоти гідратації солі – питомої і віднесеної до одного моля солі.

Тепловий ефект розчинення солі в великій кількості води дорівнює двом тепловим ефектам: зміні тепловмісту солі при руйнуванні криста-
лічної гратки Q ₁, що зв’язано з поглинанням тепла і зміною тепловмісту при розчиненні частинок у розчиннику, що зв’язано з виділенням тепла Q ₂:

.

В залежності від співвідношення величин відповідних ефектів, тепло-
вий ефект розчинення може мати додатне або від’ємне значення. Тепловий ефект розчинення солей у воді здебільшого ендотермічний, тобто процес розчинення супроводжується поглинанням тепла і температура розчину понижується. Дуже рідко спостерігається екзотермічний тепловий ефект. Теплота розчинення заданої солі в заданому розчиннику може змінюва-
тися, якщо змінювати кількість взятої солі і розчинника.

Визначивши теплоти розчинення солей, можна визначити і теплоту гідратації солі. Теплотою гідратації називають кількість тепла, яку сис-
тема повинна одержати для утворення одного грам-моля твердого крис-
талогідрату з твердої безводної солі і відповідної кількості води. Якщо визначити послідовно тепловий ефект розчинення твердої безводної солі і тепловий ефект розчинення кристалогідрату, то із різниці можна знайти теплоту гідратації

,

Q _Б. – тепловий ефект розчинення безводної солі;

Q _К. – тепловий ефект розчинення кристалогідрату з молекули води.

Для визначення теплоти розчинення користуються калориметром з електрообігрівачем. При визначенні теплоємності системи виходять з того, що на систему подають певну кількість тепла електрообігрівом Q_теор. і відраховують зміну температури D t.

Для проведення експерименту збирають прилад (калориметр). У склян-ку наливають 300 г дистильованої води (тобто 300 мл, враховуючи, що густина води при температурі досліду приблизно дорівнює 1). Склянку з мішалкою ставлять у калориметр і закривають кришкою. На кришці калориметру закріплена спіраль для обігріву. Зважують певну кількість солі (на технічних терезах), висипають її в суху пробірку і вставляють у калориметр через отвір на кришці, щоб сіль прийняла температуру калориметричної установки. (Сіль і наважка солі вказується керівником заняття). Коли калориметрична установка зібрана, починають налагод-
жувати термометр Бекмана. Термометр занурюють у воду через отвір на кришці і спостерігають за рівнем ртуті в капілярі. Рівень ртуті повинен знаходитись у нижній частині шкали. (Термометр не повинен торкатись спіралі, стінок стакану, пробірки і мішалки). Якщо рівень ртуті вищий одного градуса, або весь капіляр заповнений ртуттю, то це означає, що її багато в нижньому резервуарі і надлишок її необхідно перелити у верхній резервуар.

Для цього термометр ставлять похило, щоб нижній резервуар знахо-
дився вище верхнього, і трошки підігрівають (торкнувшись рукою ниж-
нього резервуару). Коли частина ртуті перейде у верхній резер-
вуар, стовпчик ртуті розривають. Для цього затискують нижній кі-
нець термометра в руці і легким постукуванням руки по столу роз-
ривають ртуть у капілярі. Пере-
ливання роблять до тих пір, поки при даних умовах ртуть не зупи-
ниться в середині шкали термо-
метра Бекмана. Якщо ртуть зна-
ходиться нижче поділок шкали або зовсім не заповнює капіляр, отже при даних умовах ртуті недостатньо і її потрібно пере-
лити із верхнього в нижній резер-
вуар, тоді швидко перегортають термометр верхнім резервуаром вниз і з’єднують ртуть. Потім обережно перегортають термометр, тримаючи його похило, так, щоб запасний резервуар знаходився вище основного. Коли необхідна кількість ртуті перейде з верхнього резервуару в нижній, стовпчик ртуті розривають, як вказано вище.

Налагоджений термометр вставляють у прилад і приступають до складання електричної схеми (рис. 1). Джерело струму включається тільки після перевірки електричної схеми керівником занять.

Після цього приступають до виконання експерименту. Переміщуючи рідину в калориметрі, включаючи секундомір, починають відлік темпе-ратури по термометру. Температура змінюється внаслідок теплообміну із зовнішнім середовищем. Відлік ведуть кожні півхвилини протягом
5 хвилин – це початковий період. Записавши час і покази термометра останнього відліку початкового періоду, включають струм на 3 хвилини і продовжують відлік через кожні півхвилини. При цьому для рівномірного обігріву води в стакані проводять її перемішування. Починаючи з часу включення струму, проходить нерівномірна зміна температури. Струм відключають і рівномірне падіння температур відраховують протягом
5 хвилин (через кожні півхвилини) – це кінцевий період.

Вмикання і вимикання струму проводять три рази і кожного разу записують покази приладів. Після третього вимикання струму, продов-
жуючи відлік, швидко висипають сіль з пробірки в стакан з водою і енергійно перемішують. При цьому сіль буде швидко розчинятись. Для більш точного визначення D t нагрівання і D t розчинення результати трьох періодів і чотирьох циклів безперервного відліку зміни температури з часом (три цикли і один цикл розчинення солі) заносяться на графік рис. 2.

По осі абсцис відкладають час, по осі ординат – темпера-туру (тобто покази термометра). Прямі початкового і кінцевого періодів екстраполюють, тобто продовжують до середини діа-
грами. Проміжок часу голов-
ного періоду ділять пополам і з цієї точки проводять пряму, па-
ралельну осі ординат до пе-
ретину з обома екстрапольо-
ваними прямими. Відрізок між двома точками перетину відповідає підвищенню температури D t для даного циклу. Аналогічно знаходять D t для всіх циклів досліду.

Дійсну температуру D t_нар. знаходять як середнє арифметичне

.

D t розчинення визначають аналогічно. Якщо після нагрівання на шкалі термометра далі не можна заміряти зміну температури розчинення солі, то дослід після нагрівання зупиняють. Термометр налагоджують на відповідні поділки шкали і проводять цикл розчинення солі.

Знаючи D t нагрівання, вираховують кількість тепла, яка одержана водою під час її нагрівання

,

де с – питома теплоємність води, яку приймають за одиницю;

т – вага води, яка дорівнює її об’єму 300 мл.

Підставляючи ці значення, одержимо

.

Ця кількість тепла менша за Q_теор., у зв’язку з поглинанням тепла системою. Q_теор. можна розрахувати, виходячи з закону Джоуля – Ленца.

(Дж).

Виміряючи силу струму І в амперах, напругу U – у вольтах, а час проходження струму t – в секундах, визначають кількість тепла в джоулях.

Із розрахованої теоретичної кількості тепла віднімають кількість тепла, що одержана експериментально і різницю перераховують на 1 К. Це і буде кількість, яка поглинається всіма частинами калориметру – С_к.

Розраховують її, виходячи з пропорції

,

,

.

Загальна теплоємність системи дорівнює

.

де С_рід. – теплоємність калориметричної рідини, яка дорівнює:

,

С – питома теплоємність розчину, приблизно дорівнює одиниці. Масу розчину приймають рівною об’єму, тобто 300 мл. Тоді С_рід можна прийняти рівною 1293,6 Дж, отже

.

Визначивши по графіку D t _розч. і розрахувавши теплоємність калориметричної системи, знаходять тепловий ефект розчинення взятої наважки солі:

.

Тепловий ефект розчинення, віднесений до одного грама розчиненої речовини, дає питому теплоту розчинення:

,

де g – наважка солі в грамах. Молекулярна теплота розчинення дорівнює:

,

де М – молекулярна маса солі.

Для визначення молекулярної теплоти гідратації знаходять моле-
кулярну теплоту розчинення безводної солі і кристалогідрату цієї солі. Різниця одержаних молярних теплот і буде теплотою гідратації

.

Кристалогідрат розчиняють не в 0,3 кг води, а в кількості, меншій на величину, яка міститься в наважці кристалогідрату.

Правильність результатів роботи перевіряється керівником занять.

Результати досліду записуються у табл. 1 і 2:

Таблиця 1

Таблиця 2

V. ПОВЕРХНЕВІ ЯВИЩА (ПОВЕРХНЕВА ЕНЕРГІЯ, ПОВЕРХНЕВИЙ НАТЯГ ТА АДСОРБЦІЯ НА МЕЖІ РОЗДІЛУ ФАЗ)

1. ВИЗНАЧЕННЯ ПОВЕРХНЕВОГО НАТЯГУ РОЗЧИНІВ МЕТОДОМ ВІДЛІКУ КРАПЕЛЬ

(СТАЛАГМОМЕТРИЧНИМ МЕТОДОМ)

Для роботи необхідні: сталагмометр; пікнометр; стаканчик на 50 мл.

Вільна поверхнева енергія, вірніше, надлишок вільної енергії на одиницю площі поверхневого шару на межі розділу рідина – повітря, називається поверхневим натягом, а на межі розділу рідина – рідина – граничним натягом s.

Одиницями виміру поверхневого натягу може бути Дж/м² у випадку, коли його розглядають як надлишок вільної енергії поверхні розділу двох фаз, що накопичується на цій поверхні за рахунок нескомпенсованих міжмолекулярних сил, і в Н/м у випадку, якщо розглянути роботу утво-
рення одиниці нової поверхні.

Існує декілька методів визначення поверхневого натягу.

Найбільш розповсюдженим методом є сталагмометричний (метод відліку крапель).

В основі методу лежить експериментально встановлене положення, що вага краплі, яка повільно відривається під дією сили тяжіння від кін-
чика вертикальної трубки сталагмометра, буде тим більшою, чим більший поверхневий натяг рідини на межі з повітрям.

Вважається, що сила поверхневого натягу F, що діє вертикально по колу трубки, приблизно рівна F = 2prs, підтримує краплю, зрівноважуючи її вагу P. У момент відриву краплі можна вважати ці сили рівними:

, ,

де F – сила поверхневого натягу; P – сила ваги краплі; s – коефіцієнт пропорційності, який зв’язує силу поверхневого натягу з периметром
(в даному випадку, з довжиною кола капіляру, з якого витікає рідина).

При 2pr = 0,01 м коефіцієнт пропорційності рівний силі поверхневого натягу, тобто .

Визначення радіусу капіляру зв’язане з деякими труднощами і тому практично визначають поверхневий натяг відносно стандартної рідини з відомим поверхневим натягом. Стандартною рідиною може бути тільки така рідина, яка утворює краплі, близькі по об’єму до крапель дослід-
жуваної рідини.

При утворенні краплі сила поверхневого натягу досліджуваної речовини дорівнює F=2p rs (якщо вимірювання проводиться в одному і тому ж сталагмометрі).

Силу поверхневого натягу визначити важко, тому при експеримен-
тальних дослідженнях визначають вагу краплі, яка в момент відриву приблизно дорівнює силі поверхневого натягу.

Сила ваги одної краплі досліджуваної рідини

,

де V_р – об’єм рідини, що витікає з сталагмометра;

ρ – густина рідини;

n – число крапель досліджуваної рідини в об’ємі;

g – прискорення сили земного тяжіння.

Аналогічний вираз при одному і тому ж об’ємі приладу можна записати і для стандартної рідини

.

Беруть співвідношення цих рівнянь

.

А так як

, тоді .

Розв’язавши це рівняння відносно поверхневого натягу досліджуваної речовини, одержуємо розрахункову формулу:

,

де s_о, ρ_o – поверхневий натяг і густина стандартної рідини.

Якщо за стандартну рідину береться вода, то s_о при температурі дос-
ліду беруть з табл. 2, що знаходиться в кінці опису. ρ_o для води приблизно дорівнює одиниці.

При досліджуванні розведених розчинів (розчини ізоамілового спирту) густину ρ також можна прийняти за 1.

Густина концентрованих розчинів хлористого натрію береться з табл. 4, а густина води в залежності від температури – з табл. 3.

При дослідженні чистих рідин їх густину необхідно визначити. n, n_o – число крапель стандартної і досліджуваної речовини, визначається з допо-
могою сталагмометра.

На рисунку схематично зображений сталагмо-
метр. Піпетка має розширену частину 1 і капіляр 2. Рідина, що витікає з сталагмометру, збирається в краплю, що звисає на нижньому, плоскому добре від-
шліфованому кінці сталагмометра. Крапля відри-
вається від поверхні диску в той момент, коли сила ваги її на незначну величину перевищує силу по-
верхневого натягу, що утримує краплю.

Визначення поверхневого натягу зводиться до відліку кількості крапель, що витікають з капіляру.

Через каучукову трубку, що знаходиться на верхньому кінці втягують рідину вище мітки. Відлік крапель починають тоді, коли рідина проходить міт-
ку. Відраховують число крапель від мітки до остан-
ньої краплини.

Спочатку проводять виміри із стандартною рідиною, якщо це вода, то немає необхідності сушити сталагмометр при переході до водних розчинів. Визначення ведуть, починаючи з розбав-
лених розчинів, переходячи до більш концентрованих. Для кожного роз-
чину визначення кількості крапель проводять не менше трьох разів і знаходять середню кількість крапель. З одержаних даних розраховують поверхневий натяг розчинів поверхнево-активних і поверхнево-неактивних речовин. Будують ізотерму поверхневого натягу в координатах .

Результати досліду і розрахункові дані записуються в табл. 1.

Таблиця 1

Таблиця 2

Поверхневий натяг води в залежності від температури

Таблиця 3

Густина води в залежності від температури

Таблиця 4

Густина розчинів NaCl при 293 К

2. ВИЗНАЧЕННЯ ПЛОЩІ ТА ДОВЖИНИ МОЛЕКУЛИ ПОВЕРХНЕВО-АКТИВНОЇ РЕЧОВИНИ

Для виконання роботи потрібно визначити поверхневий натяг декіль-
кох розчинів поверхнево-активної речовини різної молярної концентрації (за вказівкою викладача). Вимірювання поверхневого натягу проводять сталагмометричним методом, як описано вище.

Для визначення величини адсорбції находять різницю величини по-
верхневого натягу s₂ і s₁, які виміряли для двох сусідніх розчинів різної молярної концентрації с₂(Х) і с₁(Х). Цю різницю s₂ – s₁ = Ds і с₂(Х) – с₁(Х)=Dс(Х) підставляють у рівняння Гіббса:

,

де Г – величина адсорбції, моль/м²;

с(х) – молярна концентрація поверхнево-активної речовини, моль/м³;

R – газова стала, дорівнює 8,31 Дж/моль^.К;

Т – абсолютна температура, К;

σ – поверхневий натяг, Дж/м².

В цьому випадку в якості с(х) беруть середнє арифметичне . Потім розраховують с_ср.(х) і будують графік залежності (вісь ординат) від с_ср.(х) (вісь абсцис). Проводять пряму, за тангенсом кута якої знаходять Г.

Одержані дані заносять в таку таблицю:

Розрахувати площу (S) і довжину (l) молекули поверхнево-активної речовини:

,

де N – постійна Авогадро, дорівнює 6,02×10²³ моль^–1;

Г_max – величина граничної адсорбції, моль/м²;

М(Х) – молярна маса ПАР, кг/моль;

ρ – густина ПАР, кг/м³.

3. АДСОРБЦІЯ ОЦТОВОЇ КИСЛОТИ НА АКТИВОВАНОМУ ВУГІЛЛІ

Ізотерми адсорбції ряду речовин із розчину на поверхні твердого тіла в області середніх концентрацій задовільно описуються емпіричним рів-
нянням Фрейндліха:

, (1)

де Х – кількість адсорбтиву, ммоль;

m – маса адсорбенту, кг;

– величини адсорбції, кмоль/кг;

К і – емпіричні константи, залежні від природи адсорбенту і адсорбативу;

с – рівноважна молярна концентрація адсорбативу, моль/м³.

Величина адсорбції або а розраховується за формулою:

. (2)

Якщо прологарифмуємо рівняння (1), то воно набуде вигляду:

. (3)

Одержане рівняння є рівнянням прямої лінії.

Для визначення К і находять логарифми значень с і і будують графік (див. рисунок: по осі абсцис lg c, а по осі ординат lg ). Величина відрізку АО дорівнює lg K. За значенням логарифму находять К. Постійна дорівнює tg α або відношенню довжин відрізків СВ і АВ, тобто .

Методика експерименту

У чотири колбочки вносять по 1 г активованого вугілля і наливають із бю-
ретки по 25 мл розчинів оцтової кис-
лоти різної молярної концентрації (0,05; 0,1; 0,2; 0,4 моль/л). Колбочки пері-одично збовтують близько 20 хвилин. Потім розчини фільтрують через папе-рові фільтри в сухі колбочки, відкидаючи перші 3–5 мл фільтрату (для уникнення похибок за рахунок адсорбції кислоти на фільтрі). Рівноважну молярну концентрацію кислоти у фільтраті визначають титруванням 5 мл розчину розчином NaOH (c(NaOH) = 0,1 моль/л) у присутності фенол-
фталеїну. Кожний розчин титрують 2–3 рази. Потім за формулою (2) розраховують величину адсорбції оцтової кислоти, а також находять lg c i lg . Результати розрахунків заносять у таку таблицю:

Користуючись даними таблиці, будують ізотерму адсорбції оцтової кислоти, при цьому на осі абсцис відкладають рівноважну молярну концентрацію с, а на осі ординат – значення . Постійні К і у рівнянні Фрейндліха визначають, як було вказано, з графіку залежності lg від lg c.

4. ДОСЛІДЖЕННЯ АДСОРБЦІЇ ЗАБАРВЛЕНИХ РЕЧОВИН ІЗ РОЗЧИНІВ

У ряд пробірок помістити по 1 мл розчину з масовою часткою 0,02% метиленової сині, , , золю , конго червоного, водного розчину фуксину і 1 мл спиртового розчину фуксину. Потім додати в усі пробірки по 0,2 г активованого вугілля, перемішувати про-
тягом 2–3 хв і відфільтрувати. Спостерігати зміну забарвлення та пояснити явище адсорбції.

Результати роботи занести в таблицю:

5. ДОСЛІДЖЕННЯ АДСОРБЦІЇ ІЗОАМІЛОВОГО СПИРТУ ІЗ РОЗЧИНУ ЗА ДОПОМОГОЮ АКТИВОВАНОГО ВУГІЛЛЯ

Для роботи необхідно: 0,1 моль/л розчин ізоамілового спирту; сталагмометр; штатив з пробірками; активоване вугілля.

Поверхневий натяг розчину визначити сталагмометричним мето-
дом, описаним в роботі V.1. Потім помістити 10 мл цього розчину у про-
бірку, додати 0,2 г активованого вугілля і перемішувати протягом 2–3 хв. Відфільтрувати розчин і знову визначити його поверхневий натяг. Пояс-
нити, чому він змінився.

6. ВИЗНАЧЕННЯ ПОВНОЇ ОБМІННОЇ ЄМНОСТІ (ОЄ) КАТІОНІТУ

Для роботи необхідно: 0,1 моль/л NaOH; 0,1 моль/л розчин НСl; мірна колба на 250 мл; катіоніт; індикатор.

Обмінна ємність – це кількість еквівалентів (ммоль) речовини адсор-
бованої 1 г адсорбента. У колбу об’ємом 250 мл помістити 1 г катіоніту, додати 100 мл 0,1 моль/л розчину NaOH, перемішати і залишити на
1 годину. Після цього відібрати піпеткою 25 мл розчину і перенести її в колбу для титрування. До проби додати 1–2 краплі індикатора і відтитрувати 0,1 кмоль/м³ розчином НС1 до зміни забарвлення індикатора. Обмінну ємність вираховують за формулою .

7. ВИЗНАЧЕННЯ ВМІСТУ ЛІКАРСЬКОЇ РЕЧОВИНИ (ГЛЮКОНАТУ КАЛЬЦІЮ) В РОЗЧИНІ МЕТОДОМ ЙОНООБМІННОЇ АДСОРБЦІЇ

Для роботи необхідно: глюконат кальцію; Н-катіоніт; 0,1 М розчин NaOH; індикатор метиловий оранжевий.

УВАГА! При роботі з колонкою не допускається проникнення повітря в йоніт. Рівень рідини не повинен опускатися нижче верхнього рівня йоніту.

Через колонку з Н-катіонітом повільно пропускають 20 мл дослід-
жуваного розчину, який містить глюконат кальцію. Потім колонку проми-
ти 25 мл дистильованої води, збираючи її в ту ж колбу. Весь зібраний фільтрат відтитрувати 0,1 М розчином NaOH з індикатором метиловим оранжевим. Вміст глюконату кальцію вирахувати за формулою:

.

8. ОБЕЗСОЛЮВАННЯ ВОДИ ЗА ДОПОМОГОЮ ЙОНІТІВ

Для роботи необхідно: Н-катіоніт; ОН-аніоніт; оксалат амонію; нітрат аргентуму; піпетка; штатив з пробірками; метилоранж.

Для обезсолювання води взяти воду з водогону. За допомогою якісних реакцій виявити у воді йони хлору (реакцією з AgNO₃) і йони кальцію (реакцією з оксалатом амонію (NH₄)₂C₂O₄).

Через колонку з Н-катіонітом пропустити повільно 25 мл води з водогону, потім промити 25 мл дистильованої води. З отриманого розчину відібрати піпеткою по декілька крапель у 2 пробірки. В 1-й перевірити наявність Са²⁺ (реакція з (NH₄)₂C₂O₄), в 2-й – наявність йонів Н⁺ (ме-
тилоранж). З одержаного попереднього розчину відібрати 25 мл і про-
пустити через колонку з ОН-аніонітом та промити 25 мл дистильованої води. Відібрати в пробірку декілька крапель розчину і перевірити наявність йонів С1^–.

9. РОЗДІЛЕННЯ ЙОНІВ Fе³⁺, Cu²⁺,Co²⁺ МЕТОДОМ ХРОМАТОГРАФІЇ НА ОКСИДІ АЛЮМІНІЮ

Для роботи необхідно: А1₂О₃; металевий штатив; розчини CuSO₄, FeCl₃ i CoCl₂.

Колонку з адсорбентом (А1₂О₃) закріпити у штатив і пропустити через неї 1 мл суміші, що складається з рівних об’ємів розчинів CuSO₄, FeCl₃ i CoCl₂ з масовою часткою 0,1. Спостерігати забарвлення розчину. У про-
токолі замалювати шари адсорбенту відповідними кольорами.

VI. РОЗЧИНИ НЕЕЛЕКТРОЛІТІВ

1. ВИЗНАЧЕННЯ КРИТИЧНОЇ ТЕМПЕРАТУРИ

ВЗАЄМНОГО РОЗЧИНЕННЯ РІДИН

Для роботи необхідно: прилад для визначення критичної температу-
ри; плитка електрична; технічні терези; піпетка, градуйована на 5–10 мл; штатив з пробірками; фенол; вода.

У випадку обмеження взаємної розчинності двох рідин у певній області концентрації завжди має місце рівновага між двома розчинами різного складу.

Очевидно, при заміні температури ця рівновага буде змінюватися в ту чи іншу сторону. Всі ці співвідношення можуть бути подані графічно на діаграмах температура – склад.

Температура, вище або нижче якої рідини взаємно розчинні у всіх співвідношеннях, називається критичною температурою розчинення. Роз-
різняють верхню і нижню критичні температури розчинення.

Криву взаємної розчинності двох рідин найпростіше знайти, визна-
чаючи температуру зникнення або появи другої фази. Для визначення цієї температури зручно використовувати прилад, зображений на рис. 4.

Колба 1 служить водяною або масляною банею, в пробірку 2 помі-
щають досліджувану суміш, в неї на коркові вставляють термометр 3 і мішалку 4.

Виходячи з загальної наважки і процентного вмісту, розраховують ва-
гові кількості для одержання досліджуваних сумішей.

Якщо другими компонентами буде рідина, то її можна брати в об’єм-
них одиницях. Для цього необхідно знати її густину. Густина води при температурі досліду приймається рівною одиниці.

Для дослідження беруть дві речовини, що погано розчиняються одна в одній, наприклад система фенол – вода.

Готують декілька сумішей з різним процентним складом, який вка-
зується керівником занять. Загальна вага суміші не повинна перевищува-
ти 5–6 г.

Рис. 3. Система з верхньою і Рис. 4. Схема приладу для

нижньою критичними визначення критичної

температурами розчинення температури розчинення.

(нікотин – вода).

Спочатку зважують необхідну кількість фенолу, потім відмірюють не-
обхідну кількість води для одержання суміші певного процентного складу.

Встановлюють пробірку в прилад для визначення критичної темпера-
тури і відмічають дві температурні точки: температуру гомогенізації (пере-
хід системи в одну фазу) і температуру гетерогенізації (розділення системи на дві фази).

Для одержання точних даних потрібно змінювати температуру повіль-
но, при безперервному перемішуванні суміші в пробірці з метою уник-
нення перегріву, переохолодження.

При роботі з фенолом потрібно слідкувати за тим, щоб він не потра-
пив на шкіру, так як він викликає опіки.

По одержаних даних будують діаграму: температура – склад, по якій визначають критичну температуру розчинення і проводять контрольне визначення процентного складу по температурі взаємного розчинення. Результати дослідів заносять у таблицю:

2. ВИЗНАЧЕННЯ МОЛЕКУЛЯРНОЇ МАСИ РОЗЧИНЕНОЇ

РЕЧОВИНИ КРІОСКОПІЧНИМ МЕТОДОМ

Для роботи необхідно: кріоскоп; пробірка для розчину з мішалкою; термометр Бекмана; стаканчик фарфоровий; лід; сіль; речовина і розчини для дослідження.

Виходячи з сучасної теорії розведених розчинів, встановлена залеж-
ність пониження точки замерзання розчинника від концентрації роз-
чиненої в ньому речовини:

,

де К_кр – кріоскопічна стала; g – вага розчиненої речовини, кг; g_о – вага розчинника, кг; М – молекулярна маса розчиненої речовини. Це рівняння справедливе для розведених розчинів, що не дисоціюють на йони, а також неасоційованих.

Розв’язавши це рівняння відносно молекулярної маси М, експери-
ментально визначаючи величини, що входять до нього, можна розрахувати молекулярну вагу неелектроліту:

,

де g_о – вага розчинника, кг (її можна брати і в об’ємних одиницях, знаючи густину розчинника). Для води густина приблизно дорівнює 1.

Визначаючи експериментально пониження температури замерзання розчину неелектроліту, можна розрахувати його молярність, виходячи з того, що кріоскопічна стала К_кр – молярне пониження точки замерзання розчинника, тобто таке пониження температури, яке спостерігається, коли в 1 кг розчинника розчинений 1 моль речовини.

Молярну концентрацію розчину неелектроліту визначають за фор-
мулою:

.

Значення кріоскопічної сталої залежить від властивостей і виража-
ється рівнянням:

,

де R – газова стала в калоріях; T – абсолютна температура замерзання розчинника; M_o – молекулярна маса розчинника; l_зам. – молекулярна теплота замерзання розчинника; l_зам. – питома теплота замерзання роз-
чинника.

Температури замерзання деяких розчинників, а також кріоскопічні сталі приведені в табл. 2, що знаходиться в кінці опису.

У випадку слабких електролітів число молекул і йонів у і разів більше числа початково взятих молекул:

,

де і – коефіцієнт Вант-Гоффа; a – ступінь дисоціації; п – число йонів, які утворюються з однієї молекули. Тому рівняння для пониження темпе-
ратури замерзання у випадку слабких електролітів можна записати в такому вигляді:

.

Для електролітів, молекулярна маса яких невідома, розв’язуючи це рівняння, одержимо:

.

У випадку слабких електролітів, при відомій молекулярній масі, можна підрахувати коефіцієнт Вант-Гоффа:

.

Знаючи і, підраховують ступінь дисоціації електролітів

.

Прилад для кріоскопічних вимірювань, зображений на рис. 1, складається з таких частин. Пробірка 1 закріплена на коркові в металевому посуді 2, який відіграє роль повітряної сорочки. Стакан 3, в який помі-
щають охолоджуючу суміш, закривається криш-кою 4 з двома отворами, в один з яких вставляють корок для пробірки 1, а в другий – мішалку 5.

Перш ніж приступити до роботи, необ-
хідно ознайомитися з термометром Бекмана (рис. 2.).

Рис. 2.

Особливістю цього термометра є велика довжина шкали (приблизно
5 см на 1 К) і наявність у верхній частині термометра запасного резервуара з ртуттю, який дає можливість змінювати кількість ртуті в робочій частині термометра. Велика довжина шкали дозволяє робити від-
ліки з необхідною для вимірів точністю, а запасний резервуар дає можливість встанов-
лювати термометр на різні температурні інтервали.

Шкала термометра розділена на 5 К, кожний градус ділиться на десяті долі, а кожна десята доля в свою чергу ділиться на соті долі; тисячні долі можуть бути при-
близно розраховані за допомогою лупи.

Термометр для кріоскопічних вимірів налагоджується так, щоб при температурі замерзання рівень ртуті знаходився між третім і п’ятим градусами. Перед наладкою термометра перевіряють його покази при умовах, необхідних для роботи. Якщо рівень ртуті в капілярі не буде встановлюватися між 3 К і 5 К, термометр необхідно налагодити. Це робиться наступним чином: затискують рукою нижній резервуар ртуті, тобто нагрівають його і з’єднують із стовпчиком ртуті в верхньому резервуарі. Якщо в нижньому резервуарі був надлишок ртуті, тобто ртуть піднімалась у попередньому досліді вище п’ятого градусу, то після з’єднання обох резервуарів необхідно частину ртуті перевести в верхній резервуар. Для цього термометр повертають верхнім резервуаром вниз. Якщо ртуть у попередньому досліді опускалась нижче нуля, тобто в нижньому резервуарі ртуті недостатньо, то частину ртуті необхідно перелити з верхнього в нижній резервуар.

Для цього з’єднують верхній і нижній резервуар, і нижній резервуар охолоджують в суміші льоду і води. Після того, як ртуть перейде в деякій кількості в потрібному напрямку, розривають стовпчик ртуті в капілярі. Нижній резервуар затискають у долоні і легким постукуванням однієї руки по другій розривають стовпчик ртуті. У випадку, коли ртуть не зупи-
няється в потрібному інтервалі температур, налагодження повторюють.

Налагоджений термометр залишають у стакані з льодом і присту-
пають до наступної операції.

Розчинник наливають у пробірку в такій кількості, щоб після зану-
рення в нього термометра Бекмана рівень рідини був на 2–3 см вищий верх-
ньої частини нижнього резервуару, а нижня частина резервуару не повин-на доходити до дна на 1–2 см. У більшості випадків заливають 25–40 мл розчинника.

Потім готують охолоджену суміш із води, льоду і солі з температурою на 3–4 К нижче температури замерзання розчинника. Заповнюють охо-
лоджуючою сумішшю стакан 3, проводять наближене визначення t_o замерзання розчинника. Для цього пробірку з розчинником і вставленим в неї термометром поміщають безпосередньо в охолоджуючу суміш. Перемішуючи рідину, спостерігають за показами термометра. Внаслідок переохолодження температура опускається нижче точки замерзання; коли починається кристалізація в результаті виділення теплоти кристалізації, температура розчину починає підвищуватися. По термометру відра-
ховують максимальну температуру, яка й приймається за наближену температуру замерзання. Наближеною вона являється тому, що дослід проводиться в умовах, які не виключають нерівномірностей охолодження.

Після наближеного визначення температури пробірку виймають з охолоджуючої суміші і розплавляють утворені кристали, опускаючи про-
бірку у воду кімнатної температури. Потім ставлять пробірку у повітряну сорочку 2 приладу. Для прискорення процесу охолодження рідину в пробірці 1 перемішують мішалкою 5. Коли встановиться температура приблизно на 0,5 К вище попередньо знайденої наближеної температури кристалізації, перемішування припиняють і переохолоджують рідину на 0,2–0,5 К нижче наближеної температури. Перемішуючи переохолоджений розчинник, зумовлюють його кристалізацію. Процес кристалізації супро-
воджується виділенням прихованої теплоти плавлення, яка, в свою чергу, веде до збільшення температури. Максимальну температуру, яка спосте-
рігалась при кристалізації, відмічають, користуючись лупою з точністю до 0,002 К і записують як температуру замерзання розчинника.

Вимірювання температури замерзання чистого розчинника повто-
рюють декілька разів. Після кожного визначення пробірку 1 виймають з приладу, утворені кристали розплавляють, як було вказано вище.

Середнє арифметичне з окремих вимірів приймають за дійсне зна-
чення температури замерзання розчинника. Графічна похибка не повинна перевищувати 0,005 К.

Для визначення молекулярної маси досліджуваної речовини беруть наважку g 0,2–0,3 г з точністю зважування до 0,0001 г і розчиняють її в даному розчиннику.

Наближену температуру кристалізації визначають так, як і для роз-
чинника.

Визначення проводять 3 рази. Середнє значення трьох вимірів беруть за дійсне.

В даній роботі студент повинен виконати наступні завдання:

1. Визначити молекулярну масу речовини.

2. Визначити ступінь дисоціації слабкого електроліту або коефіцієнт активності сильного електроліту.

3. Визначити молярну концентрацію розчину неелектроліту.

Результати роботи і розрахункові дані записують по формі:

Об’єм розчинника V =

Вага розчинника g_o =

Вага розчиненої речовини g =

Електроліт для визначення ступені дисоціації

Об’єм, взятий для досліджування молярної концентрації V_k =

Вага розчинника g_o =

Вага розчиненої речовини g =

Досліджувані і розрахункові дані заносяться в табл. 1.

Таблиця 1

Таблиця 2

VII. РОЗЧИНИ ЕЛЕКТРОЛІТІВ

1. ВИЗНАЧЕННЯ ЕЛЕКТРОПРОВІДНОСТІ ЕЛЕКТРОЛІТІВ І ОБЧИСЛЕННЯ СТУПЕНЯ ДИСОЦІАЦІЇ

Для роботи необхідно: реохорд АВС; звуковий генератор ЗГ; на-
вушники Т або осцилограф; посуд для визначення електропровідності і платинові електроди Б; мірна колба на 50–100 мл; піпетки мірні; колбочки мірні; розчини електролітів; магазин опору.

Так як електропровідність є величиною обернено пропорційною опо-
рові, то визначення її зводиться до вимірювання опору. Електрична схема, за якою проводиться вимірювання опору, подана на рис. 1.

Рис. 1. Електрична схема для визначення

електропровідності (мостик Кольрауша).

Від джерела струм поступає в А, розгалужується, іде по АВС і АДС. Переміщаючи контакт С по дротині АВ, можна знайти таке положення, при якому на відрізку ДС струму не буде. Це має місце, коли

,

звідки

.

При визначенні електропровідності користуються слабкими стру-
мами високої частоти. Як джерело струму використовують звуковий генератор; як нуль-інструмент використовують навушники або осци-лограф. Точка рівноваги визначається таким положенням контакту С, при якому в навушниках зовсім не чути звуку, або він є мінімальним, або на екрані осцилографу чітка яскрава точка.

Прилад для визначення електропровід-ності зображений на рис. 2. Це скляна посу-
дина з опущеними в неї трубками А і В.

До нижніх кінців трубок впаяні плати-
нові електроди С і D. Щоб запобігти поля-
ризації, поряд із застосуванням слабких змін-
них струмів високої частоти збільшують по-
верхню електродів. З цією метою електроди платинуються.