ПЯТИГОРСКАЯ ГОСУДАРСТВЕННАЯ ФАРМАЦЕВТИЧЕСКАЯ АКАДЕМИЯ
КАФЕДРА ФИЗИЧЕСКОЙ И КОЛЛОИДНОЙ ХИМИИ
ЛАБОРАТОРНЫЕ РАБОТЫ
И ЗАДАЧИ
по физической химии
|
Пятигорск
1997
Методическое пособие для студентов фармацевтических специальностей “Лабораторные работы и задачи по физической химии” составлено в соответствии с требованиями Государственного образовательного стандарта РФ на основе “Программы по физической и коллоидной химии для студентов фармацевтических институтов и фармацевтических факультетов медицинских институтов” (Львов, 1992) преподавателями кафедры: доц. , доц. , ст. преп. , асс. , асс. , асс. , под общей редакцией доц. .
Компьютерная верстка, оформление, оригинал-макет – асс. .
Рецензенты:
1. Зав. кафедрой общей и неорганической химии, д. ф.н., профессор .
2. Зав. кафедрой токсикологической химии, к. ф.н., доцент .
Утверждено на заседании ЦМС ПГФА «___» _____________ 1997 г.
Председатель ЦМС, профессор
Редакционный совет:
Председатель – проф. , проф. , зам. председателя, проф. , зам. председателя, проф. , проф. , проф. , доц. , доц. , , .
СОДЕРЖАНИЕ
Требования к оформлению лабораторных работ.......
Правила табулирования величин.........................................
Правила построения графиков...............................................
Тема 1. Термохимия......................................................................
Вопросы теоретического минимума для самоподготовки...............
Решение типовых задач.......................................................................
Задачи для самостоятельного решения..............................................
РАБОТА 1.1. Определение теплоты растворения соли
РАБОТА 1.2. Определение теплоты нейтрализации.......
Тема 2. Фазовое равновесие....................................................
Вопросы теоретического минимума для самоподготовки...............
Решение типовых задач.......................................................................
Задачи для самостоятельного решения..............................................
Работа 2.1 Построение диаграммы плавления бинарной смеси..................................................................................................................
Работа 2.2. Построение диаграммы кипения бинарной
смеси....................................................................................................
Работа 2.3. Определение критической температуры растворения системы «фенол–вода»..............................................................
Работа 2.4. Определение коэффициента распределения 3-го компонента между двумя жидкими фазами................
Тема 3. Кондуктометрия............................................................
Вопросы теоретического минимума для самоподготовки...............
Решение типовых задач.......................................................................
Задачи для самостоятельного решения..............................................
РАБОТА 3.1. Определение константы и степени диссоциации (ионизации) слабых электролитов в водных растворах.
Устройство кондуктометра и принцип его действия......................
Работа 3.2. Построение кривой кондуктометрического титрования.......................................................................................
Работа 3.3. Определение растворимости и произведения растворимости труднорастворимой соли.....................
Тема 4. Потенциометрия...........................................................
Вопросы теоретического минимума для самоподготовки...............
Решение типовых задач.......................................................................
Задачи для самостоятельного решения..............................................
Работа 4.1 Потенциометрическое и колориметрическое определение рН растворов и концентрации
водородных ионов.......................................................................
Работа 4.2 Потенциометрическое определение буферной ёмкости.................................................................................................................
Тема 5. Кинетика химических реакций..........................
Вопросы теоретического минимума для самоподготовки...............
Решение типовых задач.......................................................................
Задачи для самостоятельного решения..............................................
Работа 5.1 Изучение кинетики реакции инверсии сахарозы
Работа 5.2 Изучение кинетики реакции взаимодействия
хлорида железа с иодидом калия.....................................
Работа 5.3 Изучение кинетики реакции гидролиза сложного эфира в щелочной среде........................................................................
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ .....................................................................137
ВВЕДЕНИЕ
Методическое пособие для студентов фармацевтических специальностей «Лабораторные работы и задачи по физической химии» составлено в соответствии с требованиями Государственного образовательного стандарта РФ на основе «Программы по физической и коллоидной химии для студентов фармацевтических институтов и фармацевтических факультетов медицинских институтов» (Львов, 1992).
В него входят методические указания к 14 лабораторным работам, включающие описание методик:
· физико-химических измерений (в том числе с использованием рН-метров, фотоколориметров, поляриметров, кондуктометров, калориметров);
· графического представления экспериментальных данных, интерполяции и экстраполяции при графических методах определения искомых величин.
В пособие также включены типовые задачи с решениями, вопросы и задачи для самоподготовки студентов к семинарам и зачетам по темам.
Лабораторные работы в соответствии с тематикой курса физической химии сгруппированы в пять блоков. Во введении к каждой теме приведены её значение для подготовки специалиста-провизора и при изучении смежных дисциплин, перечень знаний, умений и навыков, которыми должен овладеть студент при её изучении. Заключает методические указания список рекомендуемой учебной и справочной литературы.
Общие указания по технике безопасности
и правила поведения в лаборатории
Перед началом работы в новом семестре студент должен пройти инструктаж по технике безопасности у ведущего преподавателя и расписаться в специальном журнале.
1. В учебной лаборатории студенту предоставляется определенное место для занятий, необходимое для работы оборудование и реактивы, расположенные в соответствии с требованиями безопасности.
2. Вход студентов в лабораторию до подготовки её к работе не разрешается.
3. Трогать химикаты и приготовленную для занятий аппаратуру до инструктажа преподавателя запрещается.
4. Перед началом работы каждый студент обязан внимательно прочитать её описание. При возникновении вопросов необходимо выяснить их с преподавателем и только после этого разрешается приступать к работе.
5. Подготовив прибор или аппаратуру для выполнения задания, студент должен до начала работы пригласить преподавателя или лаборанта для проверки правильности и для получения инструкций по безопасной эксплуатации установки.
6. Все лабораторные работы должны производиться в строгой последовательности, предусмотренной в разделе “Проведение опыта”. Студент обязан беспрекословно выполнять распоряжения и указания преподавателя и дежурного лаборанта, касающиеся выполнения работы.
7. При работе в лаборатории студент обязан соблюдать тишину и порядок, поддерживать чистоту на рабочем месте.
8. В лаборатории категорически запрещается курить, принимать пищу, пробовать на вкус исследуемые вещества.
9. Строго воспрещается выносить из лаборатории приборы, предметы оборудования и реактивы.
10. После выполнения лабораторных работ студент обязан показать результаты преподавателю и привести в порядок свое рабочее место, а именно:
¨ тщательно вымыть и ополоснуть дистиллированной водой посуду своего комплекта,
¨ выключить из сети электрические приборы,
¨ проверить выключение воды и газа,
¨ сдать свое рабочее место дежурному студенту.
11. Перед началом занятий в семестре староста группы назначает дежурных, фамилии которых преподаватель отмечает в кафедральном журнале.
12. Дежурные студенты обязаны:
¨ получать у лаборанта необходимое оборудование для группы, а после окончания занятия – сдавать его,
¨ принимать рабочие места у студентов после окончания занятия,
¨ приводить в порядок оборудование на общих рабочих местах,
¨ приводить в порядок лабораторию после занятия и сдавать её лаборанту.
Требования к оформлению лабораторных работ
При оформлении лабораторных работ к ним предъявляются следующие требования:
1. Под датой четко пишется и подчеркивается название работы.
2. Из методических указаний в журнал обязательно переносятся следующие разделы:
· Цель работы
· Целевые задачи
· Методика выполнения эксперимента.
3. Таблицы экспериментальных данных заполняются четко, без помарок и исправлений.
4. Если графики выполнены на отдельном листе, то они вклеиваются в журнал таким образом, чтобы не закрывать имеющийся на этой странице текст.
5. Все расчеты по уравнениям, включая промежуточные результаты, обязательно должны быть приведены после описания методики эксперимента.
6. Работа должна завершаться формулируемым студентом выводом, кратко и четко отражающим приобретенные знания, умения и навыки, например:
Выводы:
1. Освоена методика поляриметрического определения при помощи прибора “Поляриметр СМ-2”.
2. Измерены углы вращения плоскости поляризации для реакционной смеси, состоящей из 10 мл 1 н. HCl и 10 мл 20%-ного раствора сахарозы в различные моменты времени.
3. Рассчитана константа скорости реакции инверсии сахарозы при 24оС.
4. Рассчитана энергия активации этой реакции.
Правила табулирования величин
Экспериментальные данные для удобства обработки заносятся в таблицы (табулируются). При этом следует руководствоваться следующими правилами:
· В заголовки столбцов должны быть четко вписаны названия и размерности приводимых величин.
· Данные, относящиеся к растворам одного и того же вещества с различной концентрацией, следует располагать сверху вниз в порядке возрастания концентрации. Описание растворителя следует располагать в первой строке столбца.
· Если в одной графе приводятся величины с одинаковым десятичным множителем, его удобнее вынести в заголовок столбца. При этом знак степени, в которую возводится число 10, меняется на противоположный. Пример равнозначной записи данных:
а | а | а´102 |
0,017 0,038 0,045 0,069 | 1,7´10-2 3,8´10-2 4,5´10-2 6,9´10-2 | 1,7 3,8 4,5 6,9 |
Правила построения графиков
В большинстве лабораторных работ по физической химии для получения необходимых для расчетов величин используется графический метод. Поскольку точность численных величин, определяемых этим методом, зависит от правильности построения графика, рекомендуется руководствоваться следующими правилами:
· График строится, как правило, на миллиметровой (координатной) бумаге.
· Для обозначения осей координат должны использоваться общепринятые обозначения величин с обязательным указанием их размерности (если она имеется). Значение независимой переменной откладывается по оси абсцисс, зависимой - по оси ординат.
· Масштаб выбирается так, чтобы изображение (собственно график) по возможности занимало все координатное поле.
· На осях координат ставятся через равные промежутки отметки, соответствующие кратным масштабным числам. Во избежание неточностей при отсчете и загромождения графика на осях координат не отмечаются точки, соответствующие экспериментальным данным.
· Экспериментальные точки наносятся на координатное поле остро заточенным карандашом. Они должны быть ясно видны, даже если на них накладывается линия. При необходимости точки, принадлежащие разным функциям, могут быть выделены цветом, конфигурацией (например, ð , о) и т. п. Как правило, точки не соединяются посторонними линиями с осями координат.
· Если это специально не оговорено или не диктуется характером исследуемой зависимости, экспериментальные точки соединяются плавными усредняющими кривыми, проводимыми с помощью лекал, или усредняющими прямыми, проводимыми по линейке. Если есть возможность, то при достаточном числе точек линия может быть проведена с помощью обработки данных на ЭВМ.
Пример построения графика зависимости поверхностного натяжения раствора от концентрации поверхностно-активного вещества (изотерма поверхностного натяжения):
С С |
s s
* *
* *
* *
* *
* *неправильно правильно
· Если искомая величина находится экстраполяцией прямолинейного графика, то линия продолжается до пересечения с осью координат по линейке пунктиром. Если она определяется интерполяцией, то исходная и искомая точки соединяются с графиком также пунктиром.
* *
X X экстраполяция интерполяция |
Y Y
* *
* *
* *
Тема 1. Термохимия
Значение темы для фармации: Большинство лекарственных веществ получается на фармацевтических заводах синтетическим путем. Реакции, используемые в синтезе, сопровождаются поглощением или выделением теплоты. Процессы получения лекарств из природного сырья также включают в себя стадии, сопровождаемые тепловыми эффектами. Знание тепловых эффектов реакций помогает правильно разрабатывать условия проведения синтеза лекарственных веществ, поскольку они влияют на выход продуктов реакции.
Термохимические измерения являются базой для расчета термодинамических функций химических реакций, в том числе и протекающих в организме. Поэтому они служат важнейшим средством для проверки теоретических предсказаний во многих областях физической химии, в том числе в учении о химических и фазовых равновесиях, в теории растворов и др.
Изучив данную тему и выполнив лабораторные работы, относящиеся к ней, студент должен знать:
n закон Гесса и его следствия;
n виды тепловых эффектов при химических реакциях и растворении;
n связь величины и знака теплового эффекта с химическим строением и кристаллической структурой веществ;
n экспериментальные и расчетные способы определения тепловых эффектов;
n устройство и принцип действия калориметра.
студент должен уметь:
n собирать простейшую калориметрическую установку, определять её тепловое значение и проводить термохимические измерения;
n графически определять изменение температуры в ходе процесса;
n рассчитывать тепловой эффект растворения, теплоту гидратации (сольватации), теплоту нейтрализации.
студент должен приобрести или закрепить навыки:
n приготовления и отмеривания растворов;
n измерения температуры;
n табулирования данных, построения и анализа графиков;
n использования справочной литературы.
Калориметрические измерения
В основе калориметрических измерений лежат законы Гесса и Кирхгоффа.
Содержание калориметрии - измерение тепловых эффектов химических реакций и физико-химических процессов, измерение теплоёмкостей систем различного состава, установление зависимости тепловых эффектов от параметров состояния.
В настоящем практическом курсе студентами будут измеряться теплота растворения и теплота нейтрализации.
Интегральной теплотой растворения DНр-р(m) называется теплота, выделяющаяся (поглощаемая) при растворении 1 моля вещества в такой массе растворителя, чтобы получился раствор концентрации m (выражаемой в молях растворенного вещества на килограмм растворителя).
Теплоты растворения твердых веществ, в том числе ионных кристаллов, складываются из поглощаемой теплоты разрушения кристаллической решетки с удалением образовавшихся частиц на расстояния, отвечающие объёму раствора, и выделяемой теплотой гидратации (или сольватации в неводных растворах). Знак суммарного теплового эффекта зависит от того, какое из двух слагаемых больше по абсолютной величине.
Интегральная теплота растворения зависит от концентрации полученного раствора.
Теплота нейтрализации. Установлено, что реакция нейтрализации моля любой сильной одноосновной кислоты (соляной, азотной и др.) сильными основаниями в достаточно разбавленных растворах сопровождается почти одинаковым экзотермическим тепловым эффектом, приблизительно равным ¾55,9 кДж/моль при температуре 298 К. Этот тепловой эффект отвечает реакции образования жидкой воды из гидратированных ионов водорода (гидроксония) и гидроксил-аниона:
H+·aq + OH-·aq ® H2O (ж)
Нейтрализация слабой кислоты сильным основанием (или слабого основания сильной кислотой) сопровождается одновременной диссоциацией слабого электролита с тепловым эффектом DНдисс (теплота диссоциации). Вследствие этого теплота нейтрализации в данном случае отличается от теплоты реакции образования воды из ионов на величинуDНдисс. Теплоту диссоциации можно вычислить по уравнению:
DНдисс = DНсильн - DНслаб,
где DНслаб и DНсильн - соответственно теплоты нейтрализации слабого и сильного электролита (кислоты или основания).
Для измерений тепловых эффектов служат калориметры (или калориметрические системы).
Существует много различных типов калориметров, однако все они включают в себя следующие основные составные части:
1. Калориметрический сосуд с реакционной смесью.
2. Термометр.
3. Мешалка.
4. Термоизолирующая оболочка.
5. Воронка для заливания реакционной смеси.
|
2
3
5
Температура калориметрической системы во время опыта изменяется как за счет теплоты процесса, так и вследствие теплообмена со средой (для сведения которого к минимуму служит термоизолирующая оболочка).
Характер теплообмена определяют по изменению температуры в ходе опыта.
Весь опыт делят на три периода:
n предварительный, длящийся не менее 5 минут (установление теплового равновесия между частями калориметра),
n главный, с продолжительностью, зависящей от скорости изучаемого процесса и интенсивности перемешивания,
n заключительный, продолжающийся также не менее 5 минут.
Главная цель термохимического эксперимента - измерение изменения температуры системы DТ в главном периоде (подробнее об этом говорится в описании работы).
Изучаемый тепловой эффект рассчитывается с помощью DТ и поправки (т. н. теплового значения калориметра w, представляющего собой количество теплоты, необходимое для нагревания калориметра на 1 градус). Значение w определяется в ходе специального опыта.
Вопросы для самоподготовки
1. Предмет физической химии. Значение её для фармации, биологии, медицины. Место физической химии среди других химических дисциплин. Краткий исторический очерк развития физической химии.
2. Разделы физической химии. Методы исследования, используемые в ней. Химическая термодинамика. Предмет и теоретическая база. Особенности законов термодинамики.
3. Термодинамические системы. Определение и классификация. Внутренняя энергия. Определение, составляющие, размерность.
4. Параметры состояния. Факторы. Термодинамический процесс. Функция состояния. Температура. Теплообмен и работа, как формы передачи энергии. Сходство и различие между теплотой и работой.
5. Нулевое начало термодинамики.
6. Первое начало термодинамики. Различные формулировки. Математическое выражение и его анализ.
7. Термохимия. Калориметрические измерения. Термохимические уравнения. Тепловой эффект химической реакции. Знак теплового эффекта и экзо - или эндотермичность реакции.
8. Связь изохорного теплового эффекта с изменением внутренней энергии. Энтальпия. Связь изобарного теплового эффекта с энтальпией.
9. Теплота сгорания. Расчет тепловых эффектов реакций с использованием теплот сгорания.
10. Теплота образования. Расчет тепловых эффектов реакций с использованием теплот образования.
11. Закон Гесса - основной закон термохимии. Формулировка и иллюстрация на примерах.
12. Следствия закона Гесса.
13. Зависимость теплового эффекта реакции от температуры. Вывод уравнения Кирхгоффа для малого интервала температур. Теплоёмкость.
14. Уравнение Кирхгоффа для больших интервалов температур.
15. Теплота растворения. Теплота гидратации (сольватации).
16. Обратимые и необратимые реакции. Критерии самопроизвольности протекания процессов. Термодинамическая вероятность состояния системы.
17. Энтропия. Её связь с термодинамической вероятностью. Уравнение Больцмана. Закон возрастания энтропии.
18. Второе начало термодинамики. Различные формулировки и математическое выражение.
19. Третье начало термодинамики. Постулат Планка. Абсолютное значение энтропии. Расчет энтропии для химических реакций.
20. Энергия Гиббса. Энергия Гельмгольца. Вывод математического выражения. Связь с максимальной и максимальной полезной работой. Критерий химического сродства.
Решение типовых задач
Задача 1. Для реакции крекинга метана
CН4 (г) = С (т) + 2Н2 (г) + DН
с помощью таблиц термодинамических величин рассчитать DНоr 298, DНоr 500, DSоr 298, DGоr 298, DAоr 298. Определить, экзо- или эндо-термична данная реакция; возможно ли самопроизвольное протекание её при температуре 298 К.
Решение: Необходимые данные возьмем в справочнике:
Вещество | DНос 298 , кДж/моль | Sо, Дж/моль•К | DGо298, кДж/моль | Сор, Дж/моль•К |
CН4 (г) | -890,31 | 186,27 | -50,85 | 35,71 |
С (т) | -393,51 | 5,74 | 0 | 8,54 |
Н2 (г) | -285,84 | 130,52 | 0 | 28,83 |
1. Расчет DНrо298 .
В соответствии со следствием закона Гесса:
DНrо = SniDНос i исх. - SniDНос i прод. =
= DНoс СН4 - (DНoс С + 2 DНoс Н2) =
= -890,31 - [-393,51 + 2(-285,84)] = +74,88 кДж.
Так как эта величина положительна, реакция является эндотермической.
2. Расчет DНro500.
Воспользуемся уравнением Кирхгоффа:
DН2 = DН1 + DСр(Т2 - Т1).
Сначала находим DСор для реакции:
DСор r = SniСор i прод. - SniСор i исх. =
= (Сор С + 2Сор Н2 ) - Сор СН4 =
= 8,54 + 2´28,83 - 35,71 = 30,49 Дж/К » 0,03 кДж/К.
Подставим найденные значения в уравнение:
DНоr 500 = DНоr 298 + DСор r (=
= 74,88 + 0,03´202 = +80,94 кДж.
3. Расчет DSоr.
DSоr = SniSоi прод. - SniSоi исх. =
= SоC + 2SоH2 - SоCH4 =
= 5,74 + 2´130,52 -186,27 =
= 80,51 Дж/К » 0,08 кДж/К.
4. Расчет DGоr.
а) DGоr = SniDGоi прод. - SniDGоi исх.= DGоC + 2DGоH2 - DGоCH4 =
= 0 + 2´,85) = +50,85 кДж
б) DGоr = DHîr - ТDSоr = 74,8´0,08 = +50,89 кДж.
Tак как DGоr 298 > 0, то при 298 К реакция самопроизвольно в прямом направлении не пойдет.
5. Расчет DAоr.
Между DGоr и DAоr существует соотношение:
DАоr = DGоr - DnRT,
где Dn - изменение числа молей газообразных веществ в ходе реакции, R - универсальная газовая постоянная.
Находим Dn: Dn = Snпрод. - Snисх. = 2 - 1 = 1.
Отсюда:
DАоr = DGоr - DnRT = 50,89 -1´8,314´10-3´298 = 48,41 кДж.
Задача 2 . Вычислите тепловое значение калориметра, если при растворении 1,898 г хлорида калия наблюдается снижение температуры на 2,5оС, а DН растворения КСl равна 17,47 кДж/моль.
Решение. Тепловое значение калориметра рассчитывается по уравнению
DHKCl · n w = - ¾¾¾¾¾ , DT |
где DНКСl – энтальпия (теплота) растворения КСl, n - количество вещества в молях (nKCl = 1,898/74,5 = 0,0255 моль), DТ - изменение температуры при растворении навески КСl (DТ = Т2 - Т1 = -2,5).
Отсюда
17,47´0,0255 w = - ¾¾¾¾¾¾ = 0,1782 кДж/К. -2,5 |
Задача 3. Вычислите теплоту нейтрализации 15 мл 1М раствора НСl таким же объёмом 1М раствора NaOH, если в калориметре отмечено при этом повышение температуры на 4,7о. Тепловое значение калориметра равно -0,178 кДж/град.
|
Из за большого объема этот материал размещен на нескольких страницах:
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 |
