49
МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ К ЛАБОРАТОРНОМУ ПРАКТИКУМУ ПО ОБЩЕЙ И НЕОРГАНИЧЕСКОЙ ХИМИИ ЧАСТЬ 1

МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ К ЛАБОРАТОРНОМУ ...phys-chem.mrsu.ru/wp-content/uploads/2017/11/...МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ К ЛАБОРАТОРНОМУ

  • Upload
    others

  • View
    4

  • Download
    0

Embed Size (px)

Citation preview

Page 1: МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ К ЛАБОРАТОРНОМУ ...phys-chem.mrsu.ru/wp-content/uploads/2017/11/...МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ К ЛАБОРАТОРНОМУ

МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ

К ЛАБОРАТОРНОМУ ПРАКТИКУМУ

ПО ОБЩЕЙ И НЕОРГАНИЧЕСКОЙ ХИМИИ

ЧАСТЬ 1

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ

РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ

УЧРЕЖДЕНИЕ

ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ

laquoМОРДОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

им Н П ОГАРЁВАraquo

МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ

К ЛАБОРАТОРНОМУ ПРАКТИКУМУ

ПО ОБЩЕЙ И НЕОРГАНИЧЕСКОЙ ХИМИИ

В двух частях

ЧАСТЬ 1

САРАНСК

ИЗДАТЕЛЬСТВО МОРДОВСКОГО УНИВЕРСИТЕТА

2013

3

Химик требуется не такой который из одного чтения книг

понял сию науку но который собственным искусством

в ней прилежно упражнялся

М В Ломоносов

ПРАВИЛА РАБОТЫ В ХИМИЧЕСКОЙ ЛАБОРАТОРИИ

В химической лаборатории студенты знакомятся с правилами внутренне-

го распорядка охраны труда и строго их выполняют

За каждым студентом на все время работы закрепляются определенное

рабочее место и набор посуды Стол всегда должен быть чистым и на нем

должны находиться только необходимые приборы реактивы и лабораторный

журнал Работать следует в халате а при необходимости надевать перчатки

защитные очки или маску

Перед каждой лабораторной работой необходимо изучить теоретический

материал Опыты выполняются лишь после знакомства с описанием работы и

выяснения непонятных вопросов у преподавателя Работать нужно неторопли-

во вдумчиво аккуратно

Неиспользованные реактивы нельзя сливать в сосуды откуда они были

взяты чтобы не загрязнять исходные материалы Недопустимо уносить реакти-

вы приборы общего пользования на свой рабочий стол Категорически запре-

щается ставить склянки с реактивами на книги и тетради Все опыты с вредны-

ми веществами проводить только под тягой Работать с концентрированными

кислотами нужно в вытяжном шкафу и не переносить их на рабочие места

После окончания работы необходимо помыть посуду и привести в поря-

док рабочее место

Дежурный должен сдать лабораторию обслуживающему лаборанту и уй-

ти из нее последним

Лабораторный журнал

Результаты опытов записываются в лабораторном журнале которым мо-

жет служить большая общая тетрадь с полями для замечаний преподавателя и

собственных корректив

На обложке или на первой странице студент пишет свою фамилию ини-

циалы номер группы и название практикума Записи в журнале следует выпол-

нять только чернилами кратко аккуратно сразу в чистовом варианте

Рекомендуется такая последовательность записей в рабочем журнале

1 Дата 2 Номер работы и ее название 3 Номер опыта и его название 4 Опи-

сание цели эксперимента 5 Краткое теоретическое обоснование 6 Схема

установки 7 Таблицы для записей измерений и первоначальных расчетов (го-

товятся заранее) 8 Наблюдения в ходе опыта (интенсивность процесса усло-

вия его проведения сопутствующие явления ndash появление осадка изменение

4

окраски выделение газа и т д) 9 Выводы (таблицы графики итоговые

обобщения) 10 Ответы на вопросы и решение задач

Студент допускается к выполнению лабораторной работы при наличии

подготовленного лабораторного журнала

Студент не подготовившийся к выполнению лабораторной работы гото-

вится к ней во время занятия под наблюдением преподавателя и допускается к

работе если остается достаточно времени для ее выполнения Если времени на

выполнение лабораторной работы недостаточно то студент направляется на

отработку пропущенной работы в другую группу по расписанию работы препо-

давателя (или направляется в другую группу по договоренности с преподавате-

лем)

Студент выполняет лабораторную работу внося в практическую часть

отчета необходимые сведения уравнения реакций наблюдения расчеты гра-

фики делает необходимые выводы Далее студент должен защитить работу от-

ветив на ряд теоретических и практических вопросов преподавателя по сути

эксперимента решив расчетную задачу

Лабораторный практикум считается выполненным если студент отрабо-

тал и защитил все лабораторные работы набрав при этом минимально необхо-

димую сумму баллов

Работа 1 Определение молярных масс газообразных веществ

Задания для подготовки к лабораторной работе

1 Повторите важнейшие законы газового состояния (Бойля ndash Мариотта

Гей-Люссака Шарля Авогадро объединенный газовый закон) уравнение Кла-

пейрона ndash Менделеева понятия об относительной молекулярной (относитель-

ной атомной) и молярной массах моле абсолютной и относительной плотности

веществ методы определения молярных масс веществ в газообразном состоя-

нии

2 Ознакомьтесь с устройством аппарата Киппа и методикой определения

молярной массы оксида углерода (IV)

Теоретическая часть

Основные химические понятия

Химический элемент ndash совокупность атомов естественного изотопиче-

ского состава этого элемента с одинаковым зарядом ядра

Изотопы ndash разновидности атомов химического элемента с одинаковым

порядковым номером и отличающиеся друг от друга количеством нейтронов и

массовыми числами ( 1

1 Н 2

1 Н 3

1 Н 16

8 О 17

8 О 18

8 О)

Атом ndash наименьшая частица химического элемента являющаяся носите-

лем его свойств и неделимая при химических реакциях

5

Молекула ndash наименьшая частица простого или сложного вещества опре-

деляющая его свойства способная к самостоятельному существованию состо-

ит из атомов одного (простое вещество) или различных (сложное вещество)

химических элементов (С Si P4 S8 O2 O3 Г2 N2 Fe Cu ndash простые вещества

Н2О СО2 СаСО3 Са3(РО4)2 ndash сложные вещества)

Ион ndash это заряженная частица ndash атом или группа химически связанных

атомов несущая на себе при недостатке электронов положительный заряд и

называющаяся катионом а при избытке электронов отрицательный заряд и

называющаяся анионом (Сlminus Са

2+ РО 3

4

)

Вещество ndash это форма материи состоящая из атомов молекул или

ионов

Структурные единицы ndash любой вид реальных частиц (атомов молекул

ионов электронов и т п) и условно существующие доли таких частиц

(13 Н3РО4 15 КМnО4 13 Аl 12 СаСО3 12 Ва2+

и т п)

Число Авогадро ndash число атомов изотопа углерода 12

6С в 120000 г этого

вещества NА = 60221367middot1023

asymp 6022middot1023

атомов

Постоянная Авогадро ndash константа численно равная числу Авогадро и

показывающая число соответствующих структурных единиц в 1 моле таких

единиц NА = 60221367middot1023

asymp 6022middot1023

мольminus1

NА = N число частиц любой системы

количество вещества системы

Пример

Содержание структурных единиц в 1 моле таких единиц

NА атомов Na в 1 моле атомов Na

NА ионов Na+ в 1 моле ионов Na

+

NА молекул Н2 в 1 моле молекул Н2

NА атомов Н в 1 моле атомов Н

2NА атомов Н в 1 моле молекул Н2

NА молекул Са3(РО4)2 в 1 моле молекул Са3(РО4)2

3NА ионов Са2+

в 1 моле молекул Са3(РО4)2

2NА ионов РО 3

4

в 1 моле молекул Са3(РО4)2

3NА ионов Са2+

в 3 молях ионов Са2+

2NА ионов РО 3

4

в 2 молях ионов РО 3

4

13NА атомов Са Р О в 1 моле молекул Са3(РО4)2

Моль ndash единица измерения количества вещества Моль характеризует ко-

личество вещества определенной химической формулы ndash формульной единицы

(ФЕ)

1 моль любого вида структурных единиц ndash это такое количество веще-

ства которое содержит NА соответствующих структурных единиц

Пример

1 моль ионов Na+ содержит NА ионов Na

+

1 моль молекул NaCl NА ионов Na+ и NА ионов Cl

minus

1 моль молекул Са3(РО4)2 3 моль ионов Са2+

(3 middot NА ионов)

6

2 моль ионов РО 3

4

(2 middot NА ионов)

3 моль атомов Са (3 middot NА атомов)

2 моль атомов Р (2 middot NА атомов)

8 моль атомов О (8 middot NА атомов)

1 моль S8 NА молекул S8 (8 middot NА атомов S)

Количество молей вещества обозначается ν и рассчитывается по формуле

ν = m

M =

A

N

N где m ndash масса ν молей вещества M ndash его молярная масса Если

ν = 1 моль то m = M Масса 1 моля вещества равна его молярной массе

(в гмоль)

Пример

1 моль Са3(РО4)2 весит столько чему равна его молярная масса

М[Са3(РО4)2] = 3 middot М (Са) + 2 middot М (Р) + 8 middot М (О) = 3 middot 40078 + 2 middot 30974 + 8 middot

middot 15999 = 310174 гмоль

Масса 1 моля Са3(РО4)2 или 6022middot1023

молекул Са3(РО4)2 равна 310174 г

Атомная единица массы (аем) (другое название ndash углеродная единица

(уе)) Она равна 112 части массы атома легкого изотопа углерода с массовым

числом 12 Атомная единица массы ndash величина постоянная равная

16605402middot10minus24

г

1 аем = 1

12mат (

12

6С) =

261992 10 кг

12

asymp 0166middot10

minus26 кг

Единицы измерения аем ndash граммы килограммы и т д

Масса атомов и молекул mат mмол-лы выражается очень малыми величи-

нами порядка 10minus26

кг

Пример

m (Н) = 0167middot10minus26

кг = 10079 middot аем

m ( 12011

6С) = 1994middot10

minus26 кг = 12011 middot аем

m (СО2) = 7305middot10minus26

кг = 12011 middot аем + 2 middot 15999 middot аем

Единицы измерения масс атомов и молекул кг г аем и т д

mат =

ат

A

М

N= Аr middot аем mмол-лы =

мол-лы

A

М

N= Мr middot аем

mлюбого числа частиц m (N) = A

МN

N = M middot ν

Пример

mат (12

6С) =

23 1

12 гмоль

6022 10 моль = 1992middot10

minus26 кг

mат (12011

6С) = 23 1

12011гмоль

6022 10 моль = 1994middot10

minus26 кг

Относительная атомная масса (Аr) показывает во сколько раз сред-

няя масса атома естественного изотопического состава элемента больше

1 а е м Значения Аr приводятся в периодической системе элементов

7

Д И Менделеева Аr можно рассчитать по формуле Аr = ат эл-таm (кг г)

аем (кг г) Аr minus ве-

личина безразмерная Подстрочная буква laquorraquo minus первая буква английского слова

relative или латинского relativus ndash относительный сравнительный масса атома

сравнивается с 1 аем

Пример

Аr (О) = 159994 Это означает что масса атома кислорода больше аем

в 159994 раз Аr (Н) = 10079 ndash масса атома водорода больше 1 аем в

10079 раз Аr (С) = 12011 ndash масса атома углерода в 12011 раз больше 1 аем

Относительная молекулярная масса (Мr) простого или сложного веще-

ства ndash безразмерная величина равна отношению средней массы естественного

изотопического состава вещества к 1 аем Мr =

мол-лыm кг г

аем кг г Значения Мr рас-

считывают из величин Аr элементов образующих соединения с учетом коли-

чества атомов каждого из них Если химическая формула вещества АхВуСz то

Мr = х middot Аr (А) + y middot Аr (В) + z middot Аr (С)

Пример Мr (N2O5) = 2 middot Аr (N) + 5 middot Аr (О) = 2 middot 14007 + 5 middot 15999 = 108009 те

масса молекулы N2O5 в 108009 раз больше 1 аем

Молярная масса вещества (М) ndash это масса 1 моля вещества Единицы

измерения гмоль кгмоль гкмоль кгкмоль и т д М = m

где m ndash масса ν

молей вещества Молярная масса выраженная в гмоль или кгкмоль численно

равна относительной молекулярной (Мr) а для простых веществ состоящих из

одного атома ndash относительной атомной (Аr) массе Для вещества имеющего

формулу АхВуСz М = х middot М (А) + y middot М (В) + z middot М (С) (гмоль)

Пример

Аr (Cs) = 132905 М (Cs) = 132905 гмоль

Мr(SO2) = Аr (S) + 2 middot Аr (O) = 32064 + 159994 middot 2 = 64063

М(SO2) = 64063 гмоль

1 моль атомов цезия или 6022middot1023

атомов цезия весят 132905 г 1 моль

молекул SO2 или 6022middot1023

молекул SO2 весят 64063 г

Молярный объем газа (Vm) ndash объем занимаемый 1 молем газа Единица

измерения Vm ndash лмоль м3моль млмоль лкмоль и др

1 моль любого газа при одинаковых условиях (Р Т) занимает одинаковый

объем (V) (закон Авогадро) Молярный объем газа при нормальных условиях

(ну 0 оС или 273 К 760 мм рт ст или 101 325 Па)

V 0

m = 224 лмоль = 224middot10minus3

м3моль

Таким образом 1 моль любого газа при ну занимает объем равный

224 л

Vm и V 0

m рассчитываются по формулам

Vm =

V V 0

m =

0V где ν ndash количество вещества (моль) V и V0 minus объемы

газов (мл л м3) соответственно при любых условиях (V) и при ну (V0)

8

Молярный объем газа равен отношению объема (V) к количеству веще-

ства (ν)

Масса 1 л любого газа m = 0

m

М(гмоль)middot1(л)

V (л моль)

Количество вещества (ν) ν = m

М =

mV

V=

0

m

0

V

V

Молярная масса вещества М (гмоль) = m (г) middot 0

m

0

V (л моль)

V (л)

Относительная плотность одного газа (х) по другому газу (В) обозна-

чается Dв ndash величина безразмерная показывающая во сколько раз масса газа х

(mх) больше массы газа В (mв) такого же объема измеренных при одинаковых

условиях (Р Т)

Dв = в

m

mx

Если mх и mв взяты для веществ в количестве 1 моль то Dв = в

M

Mx

Dв показывает во сколько раз 1 моль газа х тяжелее 1 моля газа В

Для расчета Dв можно использовать и абсолютные плотности газов (ρ) В

этом случае Dв = в

ρ

ρx

Таким образом Dв = в

m

mx

= в

M

Mx

= в

ρ

ρx

Мх = Dв middot Мв

Абсолютная плотность вещества (ρ) в любом агрегатном состоянии ndash

это масса единицы его объема

ρ = m

V (кгм

3 гл гмл)

Пример

а) Относительная плотность СО2 по Н2

D2Н =

2

2

H

CO

m

m =

2

2

H

CO

M

M где m

2CO и m2H ndash массы СО2 и Н2 при одинаковых V

Р Т М2CO и М

2H ndash молярные массы СО2 и Н2 те массы СО2 и Н2 объемом

224 л при ну М2CO = D

2Н middot M2H

б) Относительная плотность СО2 по воздуху

Dвозд= возд

CO

m

m2 =

возд

CO

M

M2 М

2CO = Dвозд middot Мвозд

Уравнение Клапейрона ndash Менделеева

PV = νRT = M

mRT P V T ndash условия при которых проводится опыт ν

ndash количество вещества R ndash универсальная газовая постоянная которая рассчи-

тывается по формуле R = 0 0

0

P V

νТ ν = 1 моль

а) R = 3 3101325 Паmiddot (224middot10 ) м

1мольmiddot273 К

= 8314 Дж

моль middotК

9

Па = 2

кг

мmiddotс Дж =

2

2

кг middotм

с= Па middot м

3

б) R = 760 мм рт стmiddot224л

1мольmiddot273 К= 624

мм ртстmiddotл

моль middotК

R = 62 400 мм ртст middotмл

моль middot К

в) R = -3 3 5 222415 10 м 101330 10 Нм

1 моль 273 К

= 8314

Дж

моль К

Из уравнения Клапейрона ndash Менделеева

Мх = mRT

P V где Мх ndash молярная масса определяемого газа m ndash его масса

P V T ndash давление объем температура соответствующие условиям опыта Для

углекислого газа М2CO = 2COm RT

P V

Экспериментальная часть

Опыт 1 Определение молярной массы оксида углерода (IV)

Целью лабораторной работы является знакомство с методами определе-

ния молярной массы газа на примере оксида углерода (IV) приобретение навы-

ков взвешивания и расчетов по газовым законам

1 Собрать прибор как показано на рис 1

2 Записать уравнение реакции получения СО2

3 Сухую колбу с воздухом плотно закрыть пробкой и восковым каран-

дашом сделать отметку по глубине вхождения пробки в горло колбы

1 ndash шарообразная воронка

2 3 ndash соединенные между собой

резервуары

4 5 ndash тубусы 6 ndash кран

7 ndash перетяжка

8 9 ndash промывные склянки

10 ndash приемник СО2

Рис 1 Установка для получения и очистки диоксида углерода состоящая из аппарата

Киппа промывных склянок и приемника СО2

4 Взвесить колбу с пробкой и воздухом на весах

(рис 2) записать в журнале m1 (г) ndash масса колбы с проб-

кой и воздухом

5 Наполнить колбу оксидом углерода (IV) из аппа-

рата Киппа опустив конец газоотводной трубки до дна

колбы Скорость пропускания газа отрегулировать так

чтобы его пузырьки можно было считать при прохожде-

Рис 2 Весы лабораторные нии их через склянки с водой (или раствором

компактные NaHCO3) и концентрированной серной кислотой

10

6 Полноту наполнения колбы углекислым газом проверить с помощью

горящей лучины Держа колбу в вертикальном положении вставить в нее

пробку Закрыть кран аппарата Киппа

7 Взвесить колбу с диоксидом углерода запи-

сать результат взвешивания m2 (г) ndash масса колбы с

пробкой и СО2

8 Провести контрольный опыт колбу повторно

наполнить углекислым газом из аппарата Киппа за-

крыть ее и снова взвесить Разница между взвешивани-

ями не должна быть больше 002 г в противном случае

опыт повторить

9 Записать значения температуры и давления

во время проведения эксперимента

10 Для измерения объема (V) колбы и соответ-

ственно объема газов заполняющих ее наполнить

колбу до метки водой комнатной температуры

11 Измерить объем воды перелив ее из кол-

бы в мерный цилиндр (рис 3) и результат изме-

рения (V мл) при условиях проведения эксперимента Рис 3 Мерные цилиндры

записать в журнал

12 Привести объем (V) газа к ну (V0) используя объединенный газовый

закон

T

PV=

0

00

T

VP V0 = 0

0

P VT

T P

13 Зная V0 рассчитать массу воздуха в объеме колбы (m3)

m3 = возд 0

0

m

M V

V=

029 гмоль V л

224 л моль (по закону Авогадро)

14 Рассчитать массу пустой колбы (без воздуха) m4 = m1 ndash m3 (из массы

колбы с воздухом вычесть массу воздуха)

15 Рассчитать массу СО2 в объеме колбы (m5)

m5 = m2 ndash m4 (из массы колбы с СО2 вычесть массу пустой колбы)

16 Рассчитать М2CO (эксп) по методу Авогадро

М2CO (эксп) =

0

5 m

0

m V

V где V0 рассчитывается по п12

17 Рассчитать Dвозд = 3

5

m

m М

2CO (эксп) = Мвозд middot Dвозд (метод расчета

М2CO используя его относительную плотность по воздуху)

18 Если колбу заполнить водородом то его масса в объеме колбы (m6)

будет равной

m6 = 2H 0

0

m

M V

V =

02 гмоль middotV л

224 л моль

19 Рассчитать D2Н D

2Н = 6

5

m

m М

2CO (эксп) = М2Н middot D

11

20 Рассчитать М2CO (эксп) по уравнению Клапейрона ndash Менделеева

М2CO (эксп) = 5m R T

PV где Р V Т ndash условия проведения эксперимента

21 Рассчитать М2CO (теор) = М(С) + М(О) middot 2

22 Рассчитать относительную ошибку опыта по формуле

К = теор

эксптеор

М

ММ middot 100 Ошибка не должна превышать 2

Вопросы и задачи

1 Определите что тяжелее (при одинаковых условиях)

ndash сухой углекислый газ или равный объем газа содержащий водяные па-

ры

ndash метан сухой или метан содержащий водяные пары

2 Смесь озона с кислородом имеет плотность по водороду равную 18

Определите процентный состав смеси (по объему)

Ответ 25 О3 75 О2

3 Вычислите молярную массу газа всеми возможными методами если

062middot10minus3

м3 при 294 К и 101 325 Па имеют массу 124middot10

minus3 кг Сколько молекул

содержится в данном объеме

Ответ 48 гмоль 156middot1022

молекул

4 Зная молярную массу кислорода и азота а также учитывая что в воз-

духе содержится 24 мас кислорода и 76 мас азота определите среднюю

молярную массу воздуха

Ответ 29 гмоль

5 Плотность жидкого хлора равна 15 гмл Сколько литров газообразно-

го хлора получится из 80 мл жидкого хлора

Ответ 379 л

6 Определите в каком объеме аргона при 20 оС и давлении 1 333 Па со-

держится 5middot1016

молекул

7 Найдите относительную плотность по воздуху газовой смеси состоя-

щей из азота кислорода и оксида углерода (IV) объемные доли которых равны

соответственно 60 20 и 20

8 При прокаливании 1 кг СаСО3 получены 056 кг СаO и 0224 м3 СО2

(ну) Подтверждают ли эти данные закон сохранения массы веществ

9 Смешаны водород кислород и оксид углерода (IV) массой по 1 кг каж-

дый Найдите объемные и молярные доли этих газов в полученной смеси

12

10 Вычислите а) объем 20 т (ну) аммиака б) массу 10 мл паров толуола

С7Н8 в) массу молекулы оксида углерода (II)

Следует уметь

1 Пользоваться аппаратом Киппа

2 Взвешивать на электронных весах

3 Заполнять сосуды газами различной плотности

4 Экспериментально определять массу и объем газа при определенных

температуре и давлении

5 Рассчитывать молярную массу вещества по полученным эксперимен-

тальным данным различными способами а) по методу Авогадро б) используя

относительную плотность одного газа по другому газу в) по уравнению Кла-

пейрона ndash Менделеева

Работа 2 Определение молярных масс эквивалентов

простых и сложных веществ

Задания для подготовки к лабораторной работе

1 Повторите основные понятия эквивалент фактор эквивалентности

молярная масса эквивалента масса эквивалента количество вещества эквива-

лента молярный объем эквивалента закон эквивалентов

2 Ознакомьтесь с устройством прибора (рис 4) и методикой определения

молярной массы эквивалента алюминия

3 Ознакомьтесь с методикой экспериментального определения молярной

массы эквивалента карбоната кальция

Теоретическая часть

Эквивалент (э) ndash это либо реальная либо условно существующая струк-

турная единица вещества которая эквивалентна (равноценна) одному положи-

тельно поляризованному атому водорода одному иону водорода одному элек-

трону или одному эквиваленту любого другого вещества

1 э (Н) равноценен 1 атому (Н) (1 эквивалент водорода равноценен

1 атому водорода)

1 э (Н+) равноценен 1 иону (Н

+)

1 э (окислителя или восстановителя) равноценен 1 ē

Пример

а) В соединениях Н2О NН3 СН4 с одним эквивалентом положительно по-

ляризованных атомов водорода соединяются 1

2 доля атома (О)

1

3 доля атома

(N) 1

4доля атома (С) э (О) =

1

2атома (О) э (N) =

1

3 атома (N) э (С) =

1

4атома

(С) В молекуле HCl с 1 э (Н+) соединяется 1 ион Cl

minus э (Cl

minus) = 1 иону Cl

minus

б) Кислотно-основное взаимодействие по теории Аррениуса сводится к

процессу

Н+

(р-р) + ОНminus

(р-р) rarr Н2О(ж)

13

С одним ионом водорода взаимодействует один гидроксид-ион Эквива-

лент (ОНminus) равноценен иону (ОН

minus)

в) Са(ОН)2 + Н2SО4 rarr СаSО4darr + 2Н2О

Одному Н+ эквивалентны

1

2доля иона Са

2+ 1 ион ОН

minus

1

2доля иона

SO 2

4

э (Са2+

) = 1

2 иона Са

2+ э

(SO 2

4

) = 1

2иона SO 2

4

э (ОНminus) = 1 иону ОН

minus э

(Са2+

) э (SO 2

4

) ndash условно существующие частицы э (ОНminus) ndash реальная частица

г) Al(NO3)3 + H3PO4rarrAlPO4 + 3HNO3 Одному Н+ эквивалентны

1

3 доля

Al3+

1 ион NO3

1

3 доля иона РО 3

4

э (Al3+

) = 1

3иона Al

3+ э (NO

3

) = иону NO3

э (РО 3

4

) = 1

3 иона РО 3

4

э (NO3

) ndash реальная частица э (Al3+

) э (РО 3

4

) ndash условно

существующие частицы

+5 +4 +6 minus1

д) КСlО3 + 3MnO2 + 6KOH rarr3K2MnO4 + KCl + 3H2O

ClO3

+ 3H2O + 6 ē rarr Clminus + 6OH

minus 1

MnO2 + 4OHminus minus 2 ē rarr MnO 2

4

+ 2H2O 3

Одна молекула КСlО3 принимает 6 ē значит э (КСlО3) = 1

6 часть моле-

кулы КСlО3 Одна молекула MnO2 отдает 2 ē значит э (MnO2) = 1

2часть моле-

кулы MnO2 В схеме реакции с учетом стехиометрических коэффициентов

участвуют по 6 эквивалентов КСlО3 MnO2 KOH

Фактор эквивалентности (fЭ) ndash число которое показывает какая доля

атома молекулы иона является эквивалентом Если fЭ = 1 то эквивалент ndash ре-

альная частица так как он равноценен атому молекуле или иону если fЭ lt 1 то

эквивалент ndash условная частица так как эквивалент в этом случае какая-то доля

реально существующей частицы

fЭ = 1

z где z ndash эквивалентное число

Для элементов и молекул простых веществ состоящих из одного атома

fЭ = 1

B где В ndash валентность элемента образующего простое вещество те

z = В

Пример

fЭ (Н) = 1 fЭ (О) = 1

2 fЭ (

V

P ) = 1

5 fЭ (Са) =

1

2 fЭ (Al) =

1

3 fЭ (Na) = 1

fЭ (III

P ) = 1

3

Для простых веществ состоящих из нескольких атомов fЭ = 1

B n где nndash

количество атомов элемента в молекуле простого вещества те z = В n

14

Пример

fЭ (Н2) = 1

1 2 =

1

2 fЭ (О2) =

1

2 2=

1

4 fЭ (Г2) =

1

1 2 =

1

2 fЭ (N2) =

1

3 2 =

= 1

6 fЭ (О3) =

1

2 3 =

1

6

Для элемента входящего в состав любого сложного вещества fЭ = 1

х

где х ndash степень окисления этого элемента взятая по модулю

Пример

MnO fЭ (Mn) = 1

2 Mn2O3 fЭ (Mn) =

1

3

MnO2 fЭ (Mn) = 1

4 Mn2O7 fЭ (Mn) =

1

7

Для оксидов R2Oх fЭ = 1

2x где х ndash степень окисления элемента образу-

ющего оксид те z = |2x| Таким образом

fЭ(оксида)=

1

сумма по модулю всех зарядов + или поляризованныхчастиц образующих оксид

fЭ (Al2O3)=

1

3 2 =

1

2 3 =

1

6 fЭ (ОsО4) =

1

8 1 =

1

2 4 =

1

8

Для кислот оснований солей

fЭ = 1

сумма по модулю всех зарядов катионов или анионов

fЭ (Н3РО4) =

1

1 3 =

1

3 1 =

1

3 =

1

основность кислоты z = 3

fЭ (Al(ОН)3) =

1

3 1 =

1

1 3 =

1

3 =

1

кислотность основания z = 3

fЭ (Na2SО4) =

1

1 2 =

1

2 1 =

1

2 z = 2

fЭ [Al2(SО4)3] =

1

3 2 =

1

2 3 =

1

6 z = 6

fЭ (NaНSО4) =

1

1 1 =

1

1 1 = 1 z = 1

fЭ [(AlОН)Cl2] =

1

2 1 =

1

1 2 =

1

2 z = 2

fЭ 3 4 2Cu NH OH =

1

2 1 =

1

1 2 =

1

2 z = 2

Фактор эквивалентности (fЭ )и эквивалентное число (z) зависят от ос-

новности кислоты или кислотности основания в соответствии с которыми они

вступают в химическое взаимодействие

Пример

а) 2Н3РО4 + 3Са(ОН)2 rarr Са3(РО4)2 + 6Н2О

15

Основность кислоты равна 3 кислотность основания равна 2 так как в

кислоте замещаются 3 иона водорода в основании ndash 2 гидроксид-иона

z (Н3РО4) = 3 z (Са(ОН)2) = 2 fЭ (Н3РО4) = 1

3 fЭ (Са(ОН)2) =

1

2

б) 2Н3РО4 + Са(ОН)2 rarr Са(Н2РО4)2 + 2Н2О

Основность кислоты равна 1 кислотность основания ndash 2

z (Н3РО4) = 1 z (Са(ОН)2) = 2 fЭ (Н3РО4) = 1 fЭ (Са(ОН)2) = 1

2

в) Н3РО4 + Са(ОН)2 rarr СаНРО4 + 2Н2О

Основность кислоты равна 2 кислотность основания равна 2

z (Н3РО4) = 2 z (Са(ОН)2) = 2 fЭ (Н3РО4) = 1

2 fЭ (Са(ОН)2) =

1

2

г) Н3РО4 + 3Са(ОН)2 rarr (СаОН)3РО4 + 3Н2О

Основность кислоты равна 3 кислотность основания равна 1

z (Н3РО4) = 3 z (Са(ОН)2) = 1 fЭ (Н3РО4) =1

3 fЭ (Са(ОН)2) = 1

д) 2Al(OH)3 + Н2SO4 rarr [Al(OH)2]2SO4 + 2Н2О

Основность кислоты равна 2 кислотность основания равна 1

z (Al(OH)3) = 1 z (Н2SO4) = 2 fЭ (Al(OH)3) =1 fЭ (Н2SO4) = 1

2

е) Al(OH)3 + Н2SO4 rarr [Al(OH)]SO4 + 2Н2О

Основность кислоты равна 2 кислотность основания равна 2

z (Al(OH)3) = 2 z (Н2SO4) = 2 fЭ (Al(OH)3) =1

2 fЭ (Н2SO4) =

1

2

Для окислительно-восстановительных реакций fЭ (окислителя) = 1

n

fЭ (восстановителя) = 1

n где n ndash число электронов принятых или отдан-

ных 1 молекулой или 1 ионом окислителя или восстановителя соответственно

Пример

MnO4

+ 8H+ + 5 ē rarr Mn

2+ + 4Н2О z = 5 fЭ =

1

5

SO 2

3

+ Н2О minus 2 ē = SO 2

4

+ 2H+ z = 2 fЭ =

1

2

Молярная масса эквивалентов вещества (Мэ гмоль) ndash это масса

1 моля эквивалентов вещества или 6022middot1023

эквивалентов вещества

Мэ = fЭ middot М = M

z =

m

э где М ndash молярная масса гмоль m ndash масса (г) ве-

щества количеством νэ (моль)

Пример

Мэ (Н) = fЭ middot М (Н) = 1 middot 1008 гмоль = 1008 гмоль

Мэ (Н2) = 1

2middot М (Н2) =

1

2middot 2016 гмоль = 1008 гмоль

Мэ (О) = 1

2middot М (О) =

1

2middot 16 гмоль = 8 гмоль

16

Мэ (О2) = 1

4middot М (О2) =

32 гмоль

4 = 8 гмоль

Мэ (Na) = М (Na) = 23 гмоль

Мэ (ОНminus) = М (ОН

minus) = 17 гмоль

Мэ (С) в СО = 12 гмоль

2 = 6 гмоль

Мэ (С) в СО2 = 12 гмоль

4 = 3 гмоль

Для оксидов R2Oх

Мэ (R2Ox) = fЭ middot М (R2Ox)

Мэ (R2Ox) = Мэ (R) + Мэ (O) = fЭ (R) middot М (R) + 8

Пример

Мэ (Al2O3) = 1

6middot M (Al2O3) =

102 гмоль

6 = 17 гмоль

Мэ (Al2O3) = 27 гмоль

3+ 8 гмоль = 17 гмоль

Мэ (кислоты) = fЭ middot М (кислоты)

Мэ (кислоты) = 1

основность кислотыmiddot М (кислоты)

Мэ (кислоты) = Мэ (Н+) + Мэ (А

minus) = 1 гмоль + fЭ middot М (А

minus) = 1 гмоль +

+1

заряд анионаmiddot М (А

minus) где А

minus minus кислотный остаток

Пример

Мэ (Н3РО4) = 1

3middot М (Н3РО4) =

1

3middot 98 гмоль = 3267 гмоль

Мэ (Н3РО4) = Мэ (Н+) + Мэ (РО 3

4

) = 1 + 1

3middot М (РО 3

4

) = 1 гмоль + 1

3middot

middot 95 гмоль = 1 гмоль + 3167 гмоль = 3267 гмоль

Мэ (основания) = fЭ middot М (основания)

Мэ (основания) = 1

кислотность основанияmiddot М (основания)

Мэ (основания) = Мэ (Мn+

) + Мэ (ОНminus) = fЭ middot М (М

n+) + fЭ middot М (ОН

minus) =

= 1

nmiddot М (М

n+) + 17

Пример

Мэ (Al(OH)3) = 1

3middot 78 гмоль = 26 гмоль

Мэ (Al(OH)3) = 1

3middot 27 гмоль + 17 гмоль = 9 гмоль + 17 гмоль =

= 26 гмоль

Для солей состава КхАу

Мэ (соли) = fЭ middot М (соли) = Мэ (Ку+

) + Мэ (Ахminus

) = fЭ (Ку+

) middot М (Ку+

) +

+ fЭ (Ахminus

) middot М (Ахminus

)

17

Пример

Мэ (Al2(SO4)3) = 1

6 middot М [Al2(SO4)3] =

342 гмоль

6 = 57 гмоль

Мэ (Al2(SO4)3) = 27

3 +

96

2 = 9 гмоль + 48 гмоль = 57 гмоль

Мэ (окислителя или восстановителя) = fЭ middot М (в-ва) = 1

nmiddot М (в-ва) где n ndash

число отданных или принятых электронов z ndash эквивалентное число = n

Пример

а) Мэ (KMnO4) = 1

5middot М (KMnO4) =

1

5middot 158 гмоль = 316 гмоль (при пере-

ходе MnO4

в Mn+2

)

Мэ (MnO2) = 1

2middot М (MnO2) =

1

2middot 87 гмоль = 435 гмоль (при переходе

MnO2 в MnO 2

4

)

При определении Мэ веществ участвующих в химических реакциях сле-

дует учитывать их fЭ

Пример

а) Аl(OH)3 + H3PO4 rarr AlPO4 + 3H2O

Мэ (Аl(OH)3) = 1

3middot М (Аl(OH)3)

Мэ (H3PO4) = 1

3middot М (H3PO4)

б) 3Аl(OH)3 + H3PO4 rarr [Al(ОН)2]3PO4 + 3H2O

Мэ (Аl(OH)3) = М (Аl(OH)3)

Мэ (H3PO4) = 1

3middot М (H3PO4)

в) 3Аl(OH)3 + 2H3PO4 rarr [Al(ОН)]3(PO4)2 + 6H2O

Мэ (Аl(OH)3) = 1

2middot М (Аl(OH)3)

Мэ (H3PO4) = 1

3middot М (H3PO4)

г) Аl(OH)3 + 3H3PO4 rarr Al(Н2PO4)3 + 3H2O

Мэ (Аl(OH)3) = 1

3middot М (Аl(OH)3)

Мэ (H3PO4) = М (H3PO4)

д) 2Аl(OH)3 + 3H3PO4 rarr Al2(НPO4)3 + 6H2O

Мэ (Аl(OH)3) = 1

3middot М (Аl(OH)3)

Мэ (H3PO4) = 1

2middot М (H3PO4)

е) Fe(OH)2Cl + HCl rarr Fe(OH)Cl2 + H2O

Мэ (Fe(OH)2Cl) = М (Fe(OH)2Cl)

Fe(OH)2Cl + 2HCl rarr FeCl3 + 2H2O

18

Мэ (Fe(OH)2Cl) = 1

2middot М (Fe(OH)2Cl)

Fe(OH)2Cl + NaOH rarr Fe(OH)3 + NaCl

Мэ (Fe(OH)2Cl) = М (Fe(OH)2Cl)

ж) KCr(SO4)2 + 3KOH rarr Cr(OH)3 + 2K2SO4

Мэ (KCr(SO4)2) = 1

3middot М (KCr(SO4)2)

KCr(SO4)2 + 6KOH rarr K3[Cr(OH)6] + 2K2SO4

Мэ (KCr(SO4)2) = 1

6middot М (KCr(SO4)2)

и) MnSO4 + 2KOH rarr Mn(OH)2 + K2SO4

Мэ (MnSO4) = 1

2middot М (MnSO4)

MnSO4 + 2Cl2 + 8KOH rarr K2MnO4 + 4KCl + K2SO4 + 4H2O

Мэ (MnSO4) = 1

4middot М (MnSO4)

2MnSO4 + 5K2S2O8 + 8H2O rarr 2HMnO4 + 2H2SO4 + 10KHSO4

Мэ (MnSO4) = 1

5middot М (MnSO4)

Масса эквивалента вещества (mэ) (г кг hellip)

mэ = э

A

M

N = fЭ middot

A

M

N=

M

z NA =

э A

m

ν N

Пример

mэ (Mg) =

A

M Mg

N =

23 1

12 гмоль

6022 10 моль = 1993middot10

minus23 г

mэ (СаСО3) = 23 1

300г

6моль 6022 10 моль = 83029middot10

minus23 г

Таким образом эквивалент фактор эквивалентности эквивалентное чис-

ло масса эквивалента молярная масса эквивалента ndash величины переменные

зависящие от валентности степени окисления количества атомов зарядов

ионов в молекулах веществ основности кислоты кислотности основания а в

окислительно-восстановительных реакциях ndash от количества отданных или при-

нятых электронов

Количество вещества эквивалента (νэ моль)

νэ = эM

m =

Э

m

Мf = в-ва

Эf

=

m z

M

где m ndash масса вещества г

Пример

m (Аl) = 135 г Мэ (Аl) = 1

3 middot 27 гмоль = 9 гмоль

ν (Аl) = 135г

9гмоль = 15 моль

В 135 г алюминия содержится 15 молей эквивалентов алюминия или (15

middot NA) эквивалентов алюминия z = 3 1 моль атомов алюминия эквивалентен 3

молям эквивалентов алюминия или (3 NA) эквивалентам алюминия

19

1 моль электронов эквивалентен числу Фарадея

F = 160217733middot10minus19

Кл middot 60221367middot10minus1

моль = 96485309 Клмоль

(Клmiddotмольminus1

)

Пример

m = M (O2) νэ = 32г

8гмоль = 4 моль

1 моль молекул O2 содержит 4 моль эквивалентов кислорода

Для сложных веществ Мэ и νэ могут быть рассчитаны по fЭ который ха-

рактеризует их в данной реакции

Молярный объем эквивалента газообразного вещества (Vэ) (лмоль

м3кмоль м

3моль) ndash это объем занимаемый 1 молем эквивалентов этого ве-

щества

Vэ= fЭ middot Vm = 0V

э V 0

э = fЭ middot V

0

m = 0V

э

Пример

V 0

э (О2) =

1

4middot 224 лмоль = 56 лмоль

Это означает что 1 моль эквивалентов О2 при ну занимает объем равный

56 л

V 0

э (Н2) =

1

2middot 224 лмоль = 112 лмоль те 1 моль эквивалентов Н2 при

ну занимает объем равный 112 л

1 моль молекул О2 или 4 моля эквивалентов О2 при ну занимают объем

224 л 1 моль молекул Н2 или 2 моля эквивалентов Н2 при ну занимают объем

224 л

Закон эквивалентов массы веществ реагирующих друг с другом или об-

разующихся в результате химической реакции соотносятся между собой как

их молярные массы эквивалентов

2

1

m

m =

э (1)

э (2)

M

M

1

э (1)

m

М=

2

э (2)

m

М

1

э (1)

m

М = νэ (1)

2

э (2)

m

М = νэ (2)

νэ (1) = νэ (2) ndash количество эквивалентов каждого из участников химической

реакции

Для газообразного вещества

э

m

M =

э

V

V =

0

0

э

V

V = νэ

Закон эквивалентов для химической реакции с участием газа

1

э (1)

m

М=

2

э 2

V

V=

0

2

0

э 2

V

V = νэ (1) = νэ (2)

Мэ (1) =

0

э (2)1

0

2

m middotV

V

Экспериментальное определение эквивалентов и молярных масс эквива-

лента различных веществ может быть проведено различными методами

20

Б2

Л1

Т

Б1

Л2

П

Г

1 Метод прямого определения Эквивалент и молярную массу эквива-

лента устанавливают исходя из соединений данного элемента с водородом или

кислородом

2 Косвенный метод в котором вместо водорода и кислорода использу-

ют другие элементы и вещества с известным эквивалентом и молярной массой

эквивалента

3 Метод вытеснения водорода из кислоты металлом взятой навески

Применим к металлам которые способны вытеснять водород из щелочей и раз-

бавленных кислот

4 Аналитический метод Эквивалент определяют из результатов хими-

ческого анализа элемента в одном из его соединений

5 Электрохимический метод основан на законе Фарадея согласно ко-

торому asymp 96 500 Кл электричества выделяют из электролитов при электролизе

1 моль эквивалентов вещества

Экспериментальная часть

Опыт 1 Определение молярной массы эквивалента алюминия мето-

дом вытеснения

Метод основан на реакции взаимодействия алюминия с соляной кислотой

и измерении объема выделившегося водорода

Собрать прибор представленный на рис 4 Заполнить 14 часть пробирки

раствором соляной кислоты (с массовой долей 15 ) Наклонив пробирку на

ее сухую сторону поместить предварительно взвешенную алюминиевую

Установка состоит из двух бюреток рабочей изме-

рительной Б1 и уравнительной Б2 соединенных

резиновой трубкой Т и заполненных подкрашен-

ной водой К рабочей бюретке при помощи газо-

отводной трубки Г присоединена пробирка П

Рис 4 Лабораторная установка для определения молярной массы эквивалента алюминия

21

фольгу (0015ndash0020 г) так чтобы она не соприкасалась с кислотой Присоеди-

нить пробирку к бюретке и проверить прибор на герметичность Для этого во-

ронку опустить на 10ndash15 см Если прибор герметичен то уровень воды в бю-

ретке несколько снизится а затем останется без изменения Привести давление

в бюретке к атмосферному для чего установить уровень воды в бюретке и во-

ронке на одной высоте в бюретке ndash около нулевого деления но не выше Отме-

тить и записать положение нижнего края мениска в бюретке (А1) После этого

пробирку со штативом наклонить так чтобы кислота смыла алюминиевую

фольгу Для начала реакции содержимое пробирки нагреть на спиртовке (не ка-

саться фитилем дна пробирки не кипятить) Выделяющийся водород бу-

дет вытеснять воду из бюретки После окончания реакции пробирку не снимая

с прибора охладить до комнатной температуры опустив ее в стакан с холодной

водой Затем привести давление внутри прибора к атмосферному и отметить

уровень воды в бюретке (А2)

Объем выделившегося водорода при комнатных условиях V2H = (А2 ndash А1)

привести по объединенному газовому закону (T

PV=

0

00

T

VP) к ну (V0 (H2)) учи-

тывая что общее давление Р = P пар OH2+ P

2Н (где P ndash парциальное давление)

откуда P2Н = Р ndash P пар OH2

тогда объединенный газовый закон T

Vmiddot)P (P пар OH2=

= 0

00

T

VP V

0(H2) = 22общ пар 0 HН О

0

(P Р )middotТ V

Р Т

Таблица 1

Зависимость давления водяного пара от температуры

Т К P OН2 Па Т К P OН2

Па

289 181318 295 233976

290 193317 296 281301

291 206649 297 298641

292 219913 298 317306

293 233314 299 335971

294 247979 300 355970

На основании полученных данных и закона эквивалентов рассчитать молярную

массу эквивалента алюминия (Al)э

Al

M

m=

2

0 2

0

m ( ) H

V (H )

V э

Результаты измерений записать по следующей форме

Навеска

алюминия

г

V2H мл

(А2 ndash А1) Т К

Робщ

Па 2H OP Па V 20 H

мл

Мэ(Al)

гмоль

Ошиб

ка

22

Опыт 2 Определение молярной массы эквивалента карбоната каль-

ция косвенным методом

Взвесить в стакане около 3 г мрамора с точностью до 001 г (m1) При-

лить пипеткой (рис 5) 15 мл раствора соляной кислоты с мо-

лярной концентрацией эквивалента 1 мольл Как только выде-

ление углекислого газа замедлится нагреть стакан до 60ndash70 оС

выдержать при этой температуре до окончания реакции Затем

слить образовавшийся раствор с оставшихся кусочков мра-

мора промыть их два раза дистиллированной водой методом

декантации Стакан с оставшимся мрамором высушить в су-

шильном шкафу при 107 оС и после охлаждения взвесить (m2)

Зная количество молей эквивалентов вступившей в реакцию

соляной кислоты (νэ) и массу прореагировавшего мрамора m3

рассчитать по закону эквивалентов молярную массу эквивален-

та карбоната кальция

Рис 5 Пипетки мерные

Результаты эксперимента записать по следующей форме

m1 г m2 г m3 (CaCO3) =

= m1 ndash m2 г V (HCl) мл

Mэ(СaCO3)

гмоль

Ошибка

νэ (HCl) = Vр-ра (HCl) middot Сэ (HCl)

νэ (СaCO 3 ) = νэ (HCl) )(CaCO э

CaCO

3

3

M

m = Сэ (HCl) middot Vр-ра (HCl)

Мэ (СаСО3) =

3CaCO

HCl э(HCl)

m г

мольV л middotС

л

Вопросы и задачи

1 Как проверить на герметичность прибор для определения молярной

массы эквивалента металла методом вытеснения водорода

2 Как привести давление в герметически закрытом приборе к атмосфер-

ному

3 Под каким давлением по сравнению с атмосферным будет находиться

газ в сосуде если уровень воды в бюретке

а) выше чем в воронке (уравнительном сосуде)

б) ниже чем в воронке

в) на одном уровне

23

4 Как рассчитать парциальное давление газа если он собран над водой

5 Вычислите молярную массу эквивалента металла если навеска техни-

ческого металла массой 0035 г имеющего 20 примесей (не взаимодейству-

ющих с кислотой) вытесняет из кислоты 119 мл водорода собранного над во-

дой при температуре 17 оС и давлении 103middot10

5 Па (давление водяного пара над

водой при 17 оС равно 00193middot10

5 Па)

Ответ 2807 гмоль

6 Чему равны молярные массы эквивалентов мышьяка в его оксидах со-

держащих мышьяк а) 652 (мас) As б) 757 (мас) As

Ответ 1499 гмоль 2492 гмоль

7 Вычислите молярную массу эквивалента фосфорной кислоты и гидрок-

сида алюминия в уравнениях реакций

а) H3PO4 + Ca(OH)2 = CaHPO4 + 2H2O

б) Al(OH)3 + HNO3 = Al(OH)2NO3 + H2O

8 Рассчитайте молярную массу эквивалента олова если

а) при нагревании 092 г его в токе кислорода образуется оксид олова

массой 117 г

б) при восстановлении оксида олова массой 117 г водородом получена

вода массой 016 г

Ответ а) 2944 гмоль б) 5886 гмоль

9 Из 27 г оксида некоторого металла можно получить 63 г его нитрата

Вычислите молярную массу эквивалента металла

Ответ 325 гмоль

10 При восстановлении 51 г оксида металла (III) образовалось 27 г во-

ды Определите молярную массу эквивалента и относительную атомную массу

металла

Ответ 9 гмоль 27

Следует уметь

1 Рассчитывать фактор эквивалентности массу эквивалента и молярную

массу эквивалента элемента простого и сложного веществ исходя из формулы

вещества уравнений реакций в которых участвует вещество закона эквива-

лентов молярного объема эквивалентов любого газообразного вещества

2 Экспериментально определять молярную массу эквивалентов простых

и сложных веществ

24

Работа 3 Приготовление растворов

Задания для подготовки к лабораторной работе

1 Изучите теоретическое введение к лабораторной работе обратив особое

внимание на различные способы выражения содержания растворенного веще-

ства в растворе

2 Проведите все расчеты необходимые для выполнения опытов изучив

метод интерполяции и laquoправило крестаraquo

3 Ознакомьтесь с устройством ареометра мерной посудой и правилами

пользования ими

Теоретическая часть

Раствор ndash это гомогенная система переменного состава состоящая из рас-

творителя растворенных веществ (одного или нескольких) и продуктов их вза-

имодействия Компонент который количественно преобладает и находится в

том же агрегатном состоянии что и образующийся раствор называется раство-

рителем все остальные его части ndash растворенными веществами Основным

признаком характеризующим раствор является его однородность Процесс

растворения часто сопровождается значительными объемными и энергетиче-

скими эффектами По этим признакам растворы больше напоминают химиче-

ские соединения и тем самым отличаются от механических смесей С другой

стороны растворы не имеют строго определенного состава и в этом их суще-

ственное отличие от химических соединений

Первоначально процесс растворения идет самопроизвольно (∆Gр-ния lt 0) и

раствор является ненасыщенным При дальнейшем добавлении вещества

наступает момент когда вещество перестает растворяться и тогда избыток рас-

творенного вещества выпадает в осадок Система оказывается в состоянии ис-

тинного равновесия (∆Gр-ния = 0) те скорости осаждения и растворения равны

Раствор становится насыщенным Можно получить и пересыщенные растворы

те такие массовые доли растворенных веществ в которых выше чем в насы-

щенных растворах (при определенных температуре и давлении) Пересыщен-

ные растворы можно приготовить медленным охлаждением насыщенных при

высокой температуре растворов (например Na2S2O3 NaCH3COO и др) Они

представляют систему находящуюся в кажущемся равновесии (∆Gр-ния gt 0)

Встряхивание или внесение кристаллов того же вещества которое находится в

растворе или изоморфного с ним вызывает кристаллизацию В результате про-

исходит выделение избытка растворенного вещества и раствор становится

насыщенным

Способы выражения концентрации растворов

Состав любого раствора может быть выражен как качественно так и ко-

личественно Раствор с относительно низким содержанием растворенного ве-

щества называют разбавленным с относительно высоким ndash концентрирован-

25

ным Такая количественная оценка условна Например для серной кислоты

концентрированным считается раствор где массовая доля кислоты равна 98 а

для соляной ndash 38

Для количественной оценки состава растворов используют понятие laquoкон-

центрацияraquo Существуют различные способы ее выражения

1 Массовая доля растворенного вещества в растворе Она обознача-

ется Wрв (по первой букве английского слова laquoWeightraquo ndash вес) и рассчитывается

по формуле Wрв = )ткг г(m

)ткг г(m

ра-р

рв Она выражается в долях от единицы и пока-

зывает сколько граммов (кг т) растворенного вещества содержится в 1 г (кг т)

раствора Например W3NaNO = 005 Это означает что в каждом грамме (кг т)

раствора содержится 005 г (кг т) растворенного вещества Массовая доля рас-

творенного вещества в растворе может быть выражена и в процентах Wрв

= ра-р

рв

m

m middot 100 = Wрв middot 100 В этом случае W указывает сколько граммов (кг

т) растворенного вещества содержится в каждых 100 г (кг т) раствора Напри-

мер W3NaNO = 5 в каждых 100 г раствора содержится 5 г NaNO3 или в

каждых 100 кг (т) раствора ndash 5 кг (т) NaNO3

Раствор любой концентрации характеризуется своей плотностью ρ (гмл

кгл гл тм3) которая показывает сколько граммов (кг т) весит 1 мл (л м

3)

раствора данной концентрации Например ρ = 102 гмл Это означает что 1 мл

раствора данной концентрации весит 102 г Плотность раствора рассчитывает-

ся по формуле ρр-ра = ра-р

ра-р

V

m Плотность (ρ) ndash это величина для перехода от массы

раствора к его объему и наоборот

2 Молярная концентрация раствора (См) Ее значение показывает

сколько молей растворенного вещества содержится в 1 л раствора Например

См (р-ра KCl) = 5 мольл Это означает что в каждом литре такого раствора со-

держится 5 моль KCl Молярная концентрация рассчитывается по формуле

См = рв

р-ра

ν

V=

рв

рв р-ра

m

М middotV(мольл) где νрв minus количество растворенного вещества

(моль) mрв ndash масса растворенного вещества (г) М ndash молярная масса раство-

ренного вещества (гмоль) Vр-ра ndash объем раствора (л)

3 Молярная концентрация эквивалента раствора (эквивалентная кон-

центрация или нормальная концентрация) Она обозначается Сэ (используется

также Сн) Ее значение показывает сколько молей эквивалентов растворенного

вещества содержится в 1 л раствора Например Сэ (р-ра HNO3) = 2 мольл Это

означает что в каждом литре раствора содержится 2 моль эквивалентов HNO3

Молярная концентрация эквивалента раствора рассчитывается по формуле

Сэ = э рв

р-ра

ν

V=

рв

э рв р-ра

m

М middotV(мольл)

26

Растворы имеющие одинаковые значения Сэ реагируют между собой в

равных объемах так как содержат равные количества молей эквивалентов рас-

творенных веществ Если растворы имеют различные значения Сэ то вступаю-

щие в реакцию объемы этих растворов обратно пропорциональны их молярным

концентрациям эквивалента 2

1

V

V=

1 э

2 э

С

C или V1 middot Cэ 1 = V2 middot Cэ 2

4 Моляльная концентрация раствора (Сm) Ее значение показывает

сколько молей растворенного вещества содержится в 1 кг растворителя

Например Сm (р-ра H2SO4) = 10 молькг Это означает что в каждом кило-

грамме воды растворено 10 моль H2SO4 Моляльная концентрация раствора

рассчитывается по формуле Сm = рв

р-ля

ν

m=

рв

рв р-ля

m

М middotm(молькг)

5 Молярная (мольная) доля растворенного вещества в растворе Она

обозначается χрв Ее значение показывает сколько молей растворенного веще-

ства содержится в 1 моль раствора Например χ4CuSO = 002 Это означает что в

1 моль раствора содержится 002 моль CuSO4 Если в растворе только одно рас-

творенное вещество то χ ОH2= 098 Сумма мольных долей всех компонентов в

растворе равна единице те 1 моль Мольная доля растворенного вещества в

растворе рассчитывается по формуле χрв = ля-ррв

рв

νν

ν

=

ра-р

рв

ν

ν=

OH

OH

рв

рв

рв

рв

2

2

M

m

М

m

М

m

Если в растворе несколько (К) растворенных веществ то мольная доля любого

из компонентов в том числе растворителя рассчитывается по формуле

χi =

K

1i

i

i

ν

ν Например при наличии трех растворенных веществ и растворителя

χ1 = 4321

1

νννν

ν

χ2 =

4321

2

νννν

ν

χ3 =

4321

3

νννν

ν

χ4 = 4321

4

νννν

ν

χ1 + χ2 + χ3 + χ4 = 1

6 Титр раствора Этот вид выражения состава раствора обозначается

буквой Т Его значение показывает сколько граммов растворенного вещества

содержится в 1 мл раствора Например Т (р-ра Na2CO3) = 15 гмл Это означа-

ет что в каждом миллилитре такого раствора содержится 15 г Na2CO3 Титр

раствора рассчитывается по формуле Т = рв

р-ра

m

V (гмл)

27

Экспериментальная часть

Опыт 1 Приготовление пересыщенного раствора тиосульфата натрия

Положите в пробирку несколько кристаллов Na2S2O3middot5H2O и очень осто-

рожно нагрейте Закройте пробирку ватой и дайте ей охладиться Охлажден-

ную до комнатной температуры пробирку резко встряхните Нагреванием про-

бирки с солью снова получите прозрачный раствор Охладите и внесите не-

большой кристалл исходного вещества Объясните наблюдаемое

Опыт 2 Определение массовой доли серной кислоты по плотности

раствора

Наиболее простой и быстрый способ ndash с помощью ареометра Его приме-

нение основано на том что плавающее тело погружается в жидкость до тех пор

пока масса вытесненной жидкости не станет равной массе самого тела В рас-

ширенной нижней части ареометра находится груз на верхней узкой части ndash

шейке ndash нанесены деления показывающие плотность жидкости в которой

laquoплаваетraquo ареометр

Исследуемый (концентрированный) раствор серной кислоты налейте (под

тягой) в сухой чистый мерный цилиндр на frac34 его объема В раствор осторож-

но не касаясь стенок цилиндра опустите ареометр Каждый ареометр предна-

значен для измерения плотности в определенных пределах При выборе арео-

метра необходимо ориентировочно знать плотность данного раствора Вы-

яснив цену одного деления шкалы ареометра отметьте его показания (по ниж-

нему мениску раствора) Приподняв ареометр на 1ndash2 см вновь опустите его в

раствор и еще раз определите показания По справочной таблице найдите мас-

совую долю растворенного вещества в растворе Если такая величина в таблице

отсутствует то массовую долю находят методом интерполяции (определение

промежуточного значения по двум крайним) Например экспериментальное

показание ареометра равно 1124 гмл Находим ближайшие к этому табличные

значения плотности массовой доли и их разность

ρ гмл W

1130 1831

1120 1701

0010 130

Таким образом изменению плотности на 0010 гмл соответствует изме-

нение массовой доли на 130 Экспериментальное показание ареометра отли-

чается от меньшей табличной величины на 0004 гмл

ρ гмл W

1124

1120 1701

0004

С учетом того что в указанных пределах между плотностью и массовой

долей раствора зависимость линейная составляем пропорцию

28

0010 гмл -----------------130

0004 гмл ----------------- х х = 052

Найденное число (052 ) прибавляем к меньшей массовой доле

(1701 ) взятой из таблицы и соответствующей плотности 1120 Получаем

W = 1701 + 052 = 1753 что соответствует плотности 1124 гмл Этот спо-

соб определения содержания растворенного вещества в растворе применяют в

том случае если не требуется большой точности Более точный способ ndash опре-

деление с помощью титрования Обычно ареометры калибруются при 20 оС В

таблицах значения плотностей растворов приводятся при этой же температуре

Если не требуется особой точности табличными данными можно пользоваться

и для других температур

Опыт 3 Приготовление 50 мл 4 раствора сульфата меди из кри-

сталлогидрата CuSO4middot5H2O

Рассчитайте сколько граммов CuSO4middot5H2O и какой объем воды нужно

взять для приготовления 50 мл раствора с массовой долей CuSO4 4

Взвесьте вычисленную массу кристаллогидрата и перенесите в стакан емко-

стью 100 мл Отмерьте мерным цилиндром (см рис 3) рассчитанный объем

дистиллированной воды перелейте ее в стакан с навеской пентагидрата суль-

фата меди и перемешайте стеклянной палочкой до полного растворения кри-

сталлов соли Полученный раствор перелейте в мерный цилиндр и измерьте

плотность раствора По таблице найдите и запишите массовую долю CuSO4

отвечающую этому значению плотности (ρтеор (4 раствора CuSO4) =

= 104 гмл) пересчитайте на молярную концентрацию молярную концентра-

цию эквивалента моляльную концентрацию и титр раствора

Таблица 2

Исходные данные и полученные результаты приготовления

раствора сульфата меди

Задан-

ная

массо-

вая доля

W

ρтеор

гмл

Рассчитанные

массы компо-

нентов г ρэксп

гмл

Экспериментальные

значения Отн

ошиб

ка

CuSO4middot5H2O Н2О W

См

мольл

Сэ

мольл

Сm

молькг

Т

гмл

Опыт 4 Приготовление 100 мл раствора серной кислоты с молярной

концентрацией эквивалента 01 мольл из более концентрированного раз-

бавлением водой

Для приготовления растворов заданной молярной или эквивалентной

концентраций используются мерные колбы (рис 6) различного объема (25 50

100 200 250 500 1000 мл и более) Рассчитайте объем концентрированного

раствора серной кислоты массовая доля которого определена в опыте 2 необ-

29

ходимый для приготовления 100 мл рас-

твора серной кислоты с молярной кон-

центрацией эквивалента 01 мольл Кис-

лоту перенесите пипеткой (см рис 5) в

мерную колбу объемом 100 мл предвари-

тельно налив в нее примерно 20 мл ди-

стиллированной воды После этого до-

лейте воду в колбу до метки раствор

перемешайте и охладите до комнатной

Рис 6 Мерные колбы температуры Молярная концентрация

эквивалента полученного раствора должна быть близка к 01 мольл Точную

концентрацию раствора серной кислоты определите титрованием щелочью Для

титрования бюретку с наконечником (рис 7) заполните до нулевой

метки титрованным раствором щелочи

предварительно ополоснув им бюретку В

три конические колбы (рис 8) пипеткой

налейте по 10 мл приготовленной серной

кислоты Добавьте в каждую колбу по 2ndash3

капли фенолфталеина и поочередно титруй-

те раствором щелочи из бюретки Щелочь

приливайте медленно левой рукой правой

размешивая раствор Титрование считается

законченным если от прибавления следу-

ющей капли щелочи появляется малиновое

окрашивание которое не исчезает 30 с Рис 8 Колба коническая

Рис 7 Бюретка

мерная для титрования

Для более четкого определения изменения цвета под колбу для титрова-

ния поместите лист белой бумаги Запишите объем щелочи израсходованной

на титрование 10 мл раствора серной кислоты

Аналогично оттитруйте две другие пробы кислоты Результаты парал-

лельных определений не должны различаться между собой более чем на

005ndash010 мл Возьмите из них среднее и рассчитайте точную концентрацию

приготовленного раствора серной кислоты и его титр

Опыт 5 (дополнительный) Приготовление раствора серной кислоты

смешиванием растворов с более высокой и более низкой массовыми долями

Из концентрированного (опыт 2) и имеющегося (опыт 4) в лаборатории

растворов серной кислоты приготовьте 50 мл раствора с массовой долей серной

кислоты равной 30 Для расчета объемов исходных растворов воспользуй-

тесь laquoправилом крестаraquo

30

W1 m1

W

W2 m2

где W ndash массовая доля серной кислоты приготовляемого раствора W1 и W2 ndash

более высокая и более низкая массовые доли H2SO4 в исходных растворах (для

воды W = 0) m1 и m2 ndash массы исходных растворов с более высокой и более

низкой массовой долей Соотношения для исходных растворов таковы

m1 = W ndash W2 m2 = W1 ndash W Таким образом для получения раствора массой

m = (m1 + m2) c массовой долей W необходимо взять m1 г раствора с массовой

долей W1 и m2 г раствора с массовой долей W2 (или V1 р-ра = 1

1m

ρ V2 р-ра =

2

2m

ρ)

Отмерьте вычисленные объемы растворов слейте их в цилиндр объемом 100

мл перемешайте С помощью ареометра и таблицы установите содержание

растворенного вещества в растворе и расхождение практически полученного

значения с заданным

Вопросы и задачи

1 Что произойдет с насыщенным пересыщенным и ненасыщенным рас-

творами алюмокалиевых квасцов при внесении в каждый из них нескольких

кристаллов KAl(SO4)2middot12Н2О

2 Какой объем раствора в котором массовая доля КОН составляет 12

(ρр-ра = 1109 гмл) надо взять чтобы приготовить 250 мл раствора с молярной

концентрацией 2 мольл

Ответ 178 мл

3 В 1 кг воды растворено 666 г гидроксида калия Рассчитайте массовую

долю растворенного вещества в растворе и его концентрации (молярную мо-

ляльную молярную концентрацию эквивалента молярные доли щелочи и во-

ды титр раствора) если его плотность равна 1395 гмл

Ответ 40 995 мольл 119 молькг 0176 0824 0557 гмл

4 В лаборатории имеются растворы с массовыми долями хлорида калия

20 и 40 Сколько граммов каждого раствора надо взять для получения 500 г

раствора с массовой долей соли 25

Ответ 375 г 125 г

5 Плотность раствора карбоната калия равна 122 гмл Из 1 л этого рас-

твора при действии соляной кислоты получено 445 л СО2 (ну) Вычислите

процентное содержание К2СО3 в растворе и его молярную концентрацию экви-

валента

Ответ 225 397 мольл

31

6 В каких объемах должны быть смешаны 01 н и 60 (ρ = 1498 гмл)

растворы серной кислоты чтобы получить 1 л 1 н раствора Н2SO4

Ответ 493 и 9507 мл

7 К 005 л раствора хлорида марганца (II) (ρ = 1085 гмл W = 8 ) при-

бавлено 02 л раствора гидроксида лития массовая доля LiOH в котором 10

(ρ = 1107 гмл) Какое вещество взято в избытке и в каком количестве оно

останется после реакции

Ответ 27 г

8 Для осаждения сульфата бария из раствора BaCl2 (ρ = 106 гмл

W = 8 ) объемом 100 мл требуется раствор Н2SO4 объемом 139 мл Чему равна

молярная концентрация и моляльная концентрация эквивалента раствора

Н2SO4

Ответ 0294 и 0588 мольл

9 Растворы азотной кислоты и гидроксида натрия объемом 1 л каждый

содержат соответственно 189 г HNO3 и 32 г NaOH Какова молярная концен-

трация этих растворов и в каком объемном соотношении они должны быть

смешаны для получения нейтрального раствора

Ответ 03 и 008 мольл 1 375

10 Какова масса Al(OH)3 если для его растворения потребовалось 02 л

раствора азотной кислоты (ρ = 118 гмл W = 30 ) Какой объем 25 н раство-

ра КОН необходимо затратить для растворения этого количества гидроксида

алюминия

Ответ 292 мл 015 л

Следует уметь

1 Выражать содержание растворенного вещества в растворе различными

способами и осуществлять их взаимный пересчет

2 Готовить растворы смешиванием растворенного вещества и раствори-

теля разбавлением водой концентрированного раствора смешиванием двух

растворов разной концентрации выпариванием растворителя добавлением

растворяемого вещества к раствору

3 Пользоваться ареометром мерной посудой установкой для титрова-

ния методом интерполяции laquoправилом крестаraquo

4 Определять содержание растворенного вещества в растворе по его

плотности и с помощью титрования

Работа 4 Методы очистки веществ

Задания для подготовки к лабораторной работе

1 Ознакомьтесь со следующими элементами техники выполнения лабо-

раторных работ взвешиванием на весах измельчением растворением филь-

32

трованием изготовлением простых и складчатых фильтров фильтрованием го-

рячих растворов и фильтрованием растворов под вакуумом нагреванием на

электроплитке растворов в химической посуде промыванием и высушиванием

осадков методами очистки твердых жидких и газообразных веществ

2 Выполните необходимые расчеты

Теоретическая часть

В лабораторной практике большое значение имеет очистка веществ так

как работа с загрязненными реактивами обусловливает получение неточных ре-

зультатов и неправильных выводов

Известны многочисленные методы очистки веществ фильтрование ди-

стилляция дробная перегонка возгонка зонная плавка метод транспортных

реакций и др В лабораторной практике для очистки твердых веществ чаще ис-

пользуются перекристаллизация и возгонка для очистки жидкостей ndash фильтро-

вание и перегонка газов ndash отделение примесей путем поглощения их различ-

ными химическими веществами

1 Очистка твердых веществ от примесей перекристаллизацией и

возгонкой

Перекристаллизация основана на различной растворимости одного и то-

го же вещества при различных температурах Под растворимостью понимают

содержание вещества в насыщенном растворе при данной температуре Она

выражается обычно в граммах безводного вещества на 100 г растворителя

(табл 3) или любым видом концентрации растворов (см работу 3)

Таблица 3

Растворимость солей г100 г воды

Формула соли Температура

оС

0 20 40 60 80

CuSO4 143 205 287 395 555

K2Cr2O7 46 125 259 455 730

NaNO3 727 876 1049 1247 1490

КNO3 133 316 639 1100 1690

NH4Cl 294 372 458 552 656

Зависимость растворимости от температуры изображается также кривы-

ми растворимости (рис 9) Пользуясь табл 3 и рис 9 можно определить

например что в 100 г воды при 20 и 80 оС растворяется соответственно 316 и

1690 г нитрата калия Очевидно при охлаждении насыщенного при 80 оС рас-

твора нитрата калия до 20 оС должно выпасть 1690 ndash 316 = 1374 г соли Чем

ниже температура до которой охлаждают раствор тем большее количество

кристаллов выпадает в осадок

33

При небольшом изменении растворимости в результате повышения тем-

пературы (например хлорида натрия) раствор сначала упаривают а затем

охлаждают Иногда для кристаллиза-

ции к насыщенному водному раствору

вещества добавляют реагенты пони-

жающие его растворимость в воде

(например спирт ацетон концентри-

рованную соляную кислоту) Это явле-

ние называется laquoвысаливаниемraquo

Вещества применяемые в лабо-

раторной практике содержат как пра-

вило немного растворимых приме-сей

относительно которых раствор нена-

сыщен Поэтому при кристал-лизации

вещества из насыщенного раствора

примеси остаются в маточ-ном раство-

ре Маточным называется раствор

оставшийся после отфиль- тровыва-

ния выпавших кристаллов

Рис 9 Кривые растворимости Для получения более чистых ве-

некоторых солей ществ осуществляют повторную крис-

таллизацию

Возгонка ndash это переход вещества при нагревании из твердого состояния

непосредственно в пар минуя жидкое Этим методом очищают твердые веще-

ства от нелетучих примесей например йод серу нафталин хлорид аммония

салициловую кислоту и др Пары возгоняемого вещества конденсируются в

кристаллы на поверхности охлажденных предметов

2 Очистка жидкостей перегонкой

Перегонка основана на различии состава жидкой и паровой фаз Жидкая

фаза одного состава превращается в пар с последующей конденсацией его сно-

ва в жидкость другого состава Этим методом очищают жидкие смеси от рас-

творенных в них твердых веществ или менее летучих жидкостей

Различают несколько способов перегонки жидкостей под нормальным

давлением уменьшенным давлением и с водяным паром

Перегонкой под нормальным давлением пользуются в тех случаях когда

очищаемые жидкости при нагревании не разлагаются и не имеют слишком вы-

сокую температуру кипения Индивидуальное вещество при постоянном давле-

нии кипит при строго определенной температуре Поэтому температура кипе-

ния является характеристикой чистоты вещества Оно тем чище чем меньше

разница между температурой кипения очищаемого вещества и температурой

при которой оно перегоняется

34

3 Очистка газов

Газы для очистки пропускают через поглотительные сосуды содержащие

твердые или жидкие поглотители вступающие в химические реакции с приме-

сями и не реагирующие с очищаемым газом Этот процесс включает высуши-

вание и удаление специфических примесей образующихся в процессе его по-

лучения Пары воды можно поглощать концентрированной серной кислотой

прокаленным хлоридом кальция оксидом фосфора (V) силикагелем безвод-

ным сульфатом меди пары аммиака и хлороводорода ndash водой

Экспериментальная часть

Опыт 1 Очистка медного купороса перекристаллизацией

Пользуясь табл 4 рассчитайте четырьмя способами сколько граммов

воды и медного купороса следует взять для приготовления насыщенного при 80 оС раствора соли из которого при охлаждении до 20

оС выделилось бы 10 г

пентагидрата или 64 г безводного сульфата меди

Таблица 4

Растворимость

безводного сульфата меди и кристаллогидрата сульфата меди

при 80 и 20 оС

t оС

Масса г Масса раствора

г CuSO4 Н2О CuSO4times5Н2О Н2О

80 555 100 8672 6878 1555

8069 14539 12608 100 22608

20

205 100 3203 8847 1205

1594 7774 2490 6878 9368

2317 11303 362 100 1362

I способ расчет на 10 г CuSO4middot5Н2О

m (CuSO4middot5Н2О) m (Н2О)

80 оC 8672 6878

20 оC 2490 6878

II способ расчет на 10 г CuSO4middot5Н2О

m (CuSO4middot5Н2О) m (Н2О)

80 оC 12608 100

20 оC 3620 100

III способ расчет на 64 г CuSO4

m (CuSO4) m (Н2О)

80 оC 5550 100

20 оC 1594 1774

35

IV способ расчет на 64 г CuSO4

m (CuSO4) m (Н2О)

80 оC 8069 14539

20 оC 2317 11303

Примеры расчета масс веществ

Пример 1 Какие массы дихромата калия и воды необходимо взять для

получения очищенной соли массой 30 г если перекристаллизация будет прово-

диться в температурном интервале 80ndash20 оС

Решение

1) По табл 3 находим что при 80 оС в 100 г воды растворяется 7300 г

дихромата калия а при 20 оС ndash 1250 г

2) Следовательно при охлаждении раствора от 80 до 20 оС выделится

7300 ndash 1250 = 6050 г соли

3) Массу дихромата калия необходимую для получения 30 г очищенной

соли вычисляем следующим образом

для выделения 6050 г соли требуется 7300 г дихромата калия

для 30 г -------------------- х г х = 5060

0073middot30= 3619 г

4) Объем воды в котором должна быть растворена эта навеска рассчиты-

вается так

73 г дихромата калия растворяются в 100 г воды

362 г -------------------------------------- в х г

х = 73

100middot236= 4959 г (4959 мл так как плотность воды принимаем

равной 1 гмл)

Пример 2 Какую массу воды и медного купороса надо взять для приго-

товления насыщенного при 80 оС раствора соли из которого при последующем

охлаждении до 0 оС выделяется пентагидрат сульфата меди (II) массой 20 г

Решение

1) Учитывая растворимости безводного сульфата меди при 80 и 0 оС рас-

считаем какой массе кристаллогидрата соответствует масса безводной соли

555 и 143 г (CuSO4)

М(CuSO4middot5Н2О) = 250 гмоль М(CuSO4) = 160 гмоль

160 г безводной соли содержится в 250 г кристаллогидрата

555 г ----------------------------------- в х г

х = 160

250middot555= 867 г (80

оС)

160 г безводной соли содержится в 250 г кристаллогидрата

143 г ----------------------------------- в у г

у = 160

250middot314= 223 г (0

оС)

36

2) Вычисляем массу воды необходимую для растворения кристаллогид-

рата при соответствующих температурах

80 оС 100 ndash (867 ndash 555) = 688 г

0 оС 100 ndash (223 ndash 143) = 92 г

3) Масса медного купороса растворенная в воде массой 688 г при 0 оС

будет равна

в 92 г воды растворяются 223 г медного купороса

в 688 г ----------------------- х г

х = 688middot223

92= 1668 г

4) Масса кристаллогидрата выделяющегося при охлаждении от 80 до

0 оС равна 867 ndash 167 = 700 г

5) По условию задачи требуется получить медный купорос массой 20 г

Для выделения 70 г кристаллогидрата необходимо растворить его 867 г

для выделения 20 г ----------------------------------------------------------- х г

х = 2477 г

6) Масса воды необходимая для растворения 2477 г кристаллогидрата

для растворения 867 г кристаллогидрата требуется 668 г воды

для 2477 г ---------------------------------------------------- х г

х = 1965 г или 1965 мл (так как ρ OH2= 1 гмл)

Рассчитанную массу медного купороса взвесьте поместив его на часовое

стекло Отмерьте мерным цилиндром (см рис3) необходимый объем дистил-

лированной воды Вылейте воду в стакан из термостойкого стекла и нагрейте

до начала кипения Затем поместите навеску медного купороса в стакан с

нагретой водой и растворите при помешивании стеклянной палочкой Если по-

лученный раствор прозрачный и не содержит механических примесей то охла-

дите его до 20 оС помешивая стеклянной палочкой Если в приготовленном ис-

ходном растворе содержатся нерастворимые примеси то прежде чем охладить

раствор его необходимо отфильтровать через воронку для горячего фильтро-

вания (рис 10) с применением складчатого фильтра (рис 11)

Для нагрева воронки можно использовать

горячую воду из водопроводной сети Воронка имеет боковой отросток под который подстав-

ляют газовую горелку для нагревания находя-

щейся между стенками воды

При фильтровании легко воспламеняю-

щихся жидкостей применяют воронки с элек-

трическим обогревом

Рис 10 Воронка для горячего фильтрования

37

Для изготовления складчатого фильтра нужно взять соответствующий

размеру воронки квадрат из фильтровальной бумаги сложить его пополам и за-

тем еще раз пополам Внешние углы обрезать по дуге сложить laquoгармошкойraquo

При изготовлении простого фильтра приготовить конус как описано вы-

ше отогнуть один листочек и полученный конус вставить в воронку смочить

его дистиллированной водой (рис 12) Необходимо чтобы фильтр плотно при-

легал к стенкам воронки и между ними не было пузырьков воздуха Край филь-

тра должен быть ниже края воронки не менее чем на 05 см (рис 12 г)

Рис 11 Складчатый фильтр Рис 12 Изготовление простого фильтра

а-в ndash стадии изготовления г ndash фильтр помещен в воронку

Стеклянную воронку с развернутым складчатым фильтром поместите в

воронку для горячего фильтрования фильтр смочите ди-

стиллированной водой Жидкость перелейте на фильтр по

стеклянной палочке (рис 13) держать которую нужно в ле-

вой руке профильтруйте и охладите раствор до 20 оС

Выпавшие кристаллы отделите от маточного раствора

с помощью прибора изображенного на рис 14

Он состоит из фарфоровой воронки Бюхнера (1) колбы Бун-

зена (2) водоструйного вакуум-насоса или насоса Камовско-

го На сетчатое дно воронки Бюх-

нера положите два кружка филь-

тровальной бумаги Чтобы выре-

зать эти фильтры на верх воронки

положите два листа фильтроваль-

ной бумаги и плот-но прижмите

ладонью затем ножницами вы-

режьте один по обозначенному

контору другой ndash на 3ndash4 мм Рис 13 Фильтрование

меньше

На дно воронки вначале положите фильтр меньшего

размера затем большего смочите их дистиллирован-

ной водой и прижмите края к стенкам воронки

Вставьте воронку в колбу Бунзена перенесите в нее

кристаллы вместе с маточным раствором подсоеди-

Рис 14 Установка для ните прибор к насосу и включите его После отделе-

фильтрования с примене- ния кристаллов промойте их в 5ndash10 мл холодной дис- нием вакуума

38

тиллированной воды для удаления остатков маточного раствора

При перекристаллизации нужно получить вещество в кристаллах средне-

го размера так как крупные кристаллы обычно содержат включения маточного

раствора с находящимися в нем примесями а очень мелкие будучи свобод-

ными от этих включений образуют густую кашицу между отдельными кри-

сталлами которой прочно удерживается маточный раствор и отмыть его полно-

стью без потери вещества не удается

Снять кристаллы с воронки перевернув ее на лист фильтровальной бу-

маги и осторожно постучав по ее стенкам Сушить кристаллы нужно в сушиль-

ном шкафу или между листами фильтровальной бумаги до тех пор пока они

не перестанут прилипать к сухой стеклянной палочке Взвесьте перекристал-

лизованную соль и рассчитайте ее выход в процентах Раствор очищенной со-

ли и маточный раствор испытайте на присутствие хлорид-ионов (Реакция с

нитратом серебра в пробирку с небольшим количеством раствора добавьте

каплю раствора нитрата серебра и две капли азотной кислоты Выпавший бе-

лый осадок является хлоридом серебра)

Для уменьшения потери вещества при перекристаллизации маточный

раствор можно упарить наполовину и выделить новую порцию вещества по ме-

тодике описанной выше

Опыт 2 Возгонка йода

Взвесьте на часовом стекле 020 г йода 005 г йодида калия и 010 г окси-

да кальция (оксид кальция необходим для поглощения влаги йодид калия ndash для

очистки от примесей кислородных и других соединений йода) Смесь помести-

те на дно низкого тонкостенного стакана без носика и осторожно размешайте

стеклянной палочкой Накройте стакан круглодонной колбой наполненной

холодной водой (рис 15)

Поставьте стакан на кольцо штатива с асбестовой сеткой осторожно

нагрейте его дно пламенем спиртовки и наблюдайте возгонку йода По окон-

чании процесса прекратите нагревание и дайте стакану охладиться не снимая с

него колбы Затем поднимите колбу и осторожно снимите стеклянной палочкой

йод на предварительно взвешенное часовое стекло (кристаллы йода не сни-

мать металлическим шпателем так как йод взаимодействует с большинством

металлов) Определите массу йода и рассчитайте его выход в процентах

39

а б

Рис 15 Возгонка йода а ndash начало процесса б ndash конец процесса

Опыт 3 Очистка водопроводной воды перегонкой

Для очистки водопроводной воды соберите прибор для перегонки пред-

ставленный на рис 16 Он состоит из колбы Вюрца (1) в которую вставлен

термометр холодильника Либиха (2) аллонжа (3) колбы-приемника (4) с

хлоркальциевой трубкой Проверьте водопроводную воду на содержание в ней

ионов хлора (с использованием раствора нитрата серебра) ионов кальция и

магния

Для доказательства

наличия ионов кальция и

магния в пробирку налейте

5ndash6 мл водопроводной во-

ды добавьте 1 мл амми-

ачной буферной смеси и 3ndash

4 капли индикатора эри-

хрома черного Т Винно-

красная окраска жидкости

свидетельствует о наличии в

воде ионов кальция и маг-

ния фиолетовая ndash указы-

Рис16 Установка для перегонки воды вает на их отсутствие

Далее колбу Вюрца на 13 объема наполните водопроводной водой поместите

в нее для равномерного кипения жидкости несколько стеклянных капилляров

запаянных с одного конца Закройте отверстие колбы Вюрца пробкой с термо-

40

метром (ртутный шарик термометра должен быть немного ниже уровня отвод-

ной трубки колбы) Заполните холодильник водой (ток воды подается снизу

вверх) Приемник закройте пробкой снабженной аллонжем и хлоркальциевой

трубкой с натронной известью для поглощения углекислого газа из воздуха

Нагрейте на электроплитке воду до кипения предварительно положив под дно

колбы асбестовую сетку Отметьте при какой температуре закипит жидкость

Когда в приемнике соберется приблизительно 10 мл воды нагревание

прекратите Проверьте содержит ли дистиллированная вода ионы которые бы-

ли в водопроводной

Опыт 4 Очистка углекислого газа

Соберите прибор для получения и очистки оксида углерода (IV) (см

рис 1) Он состоит из аппарата Киппа и двух промывных склянок Тищенко В

одной из них находится дистиллированная вода (или раствор гидрокарбоната

натрия) в другой ndash концентрированная серная кислота

Получите углекислый газ в аппарате Киппа Для этого загрузите мрамор в

его средний шар и налейте через воронку такое количество 20 раствора соля-

ной кислоты чтобы он закрыл часть мрамора

Пропустите в течение 2 мин слабый ток оксида углерода (IV) через про-

мывные склянки Убедитесь с помощью обезвоженного сульфата меди содер-

жащегося в хлоркальциевой трубке что углекислый газ сухой Исследуйте

жидкость в склянке с дистиллированной водой на содержание в ней хлорид-

ионов Сделайте выводы

Вопросы и задачи

1 На чем основан процесс перекристаллизации

2 Как перекристаллизовать вещества растворимость которых изменяется

от температуры незначительно

3 Какой раствор называется маточным

4 Где остаются примеси после перекристаллизации и почему

5 От каких факторов зависит величина кристаллов Какие кристаллы со-

держат меньше примесей мелкие или крупные

6 От каких примесей освобождаются при очистке твердых веществ воз-

гонкой На чем основан этот метод

7 С какой целью при возгонке к йоду добавляют йодид калия и оксид

кальция

8 На каких физических процессах основана перегонка

41

9 Какой принцип лежит в основе работы холодильника

10 С какой целью при перегонке в колбу Вюрца добавляют так называе-

мые laquoкипелкиraquo (стеклянные трубки пористые материалы и т д)

11 От каких примесей очищается водопроводная вода при перегонке

12 Какие примеси присутствуют в диоксиде углерода полученном в ап-

парате Киппа и как их устранить

13 В насыщенном при 60 оС растворе сульфата калия его массовая доля

равна 154 Выразите растворимость в граммах на 100 г воды

Ответ 1829 г

14 Какая масса хлорида аммония выпадает в осадок при охлаждении до

0 оС насыщенного при 80

оС раствора массой 800 г

Ответ 17488 г

15 Какую массу воды и дихромата калия нужно взять для получения соли

массой 30 г если насыщение осуществлять при 60 а кристаллизацию ndash при

20 оС

Ответ 9090 г 4136 г

16 Какую массу нитрата натрия можно получить из раствора приготов-

ленного путем насыщения при 60 оС 25 мл воды и охлаждении до 0

оС (раство-

римость веществ приведена в табл 3)

Ответ 13 г

Следует уметь

1 Рассчитывать массы растворенного вещества и растворителя необхо-

димые для получения заданной массы очищенной соли

2 Взвешивать на весах отмерять жидкость цилиндром нагревать хими-

ческую посуду на электроплитке

3 Изготавливать простые и складчатые фильтры фильтровать при обыч-

ном давлении и под вакуумом

4 Рассчитывать практический выход продуктов

5 Правильно называть приборы и химическую посуду

6 Пользоваться аппаратом Киппа холодильником Либиха воронкой го-

рячего фильтрования

7 Проверять воду на чистоту

42

Работа 5 Определение изменения энтальпий физико-химических

процессов

Задания для подготовки к лабораторной работе

1 Повторите основные понятия изменение энтальпии реакции ∆rН изме-

нение энтальпии образования вещества ∆fН тепловой эффект реакции Qр-ции

тепловой эффект образования вещества Qобр закон Гесса и следствия из него

2 Ознакомьтесь с устройством калориметрической установки и зарисуйте

ее схему (рис 17)

Теоретическая часть

Большинство химических реакций сопровождается переходом химиче-

ской энергии в тепловую экзотермические реакции осуществляются с выделе-

нием тепла эндотермические ndash с поглощением

Количество тепла выделяющегося или поглощающегося при химической

реакции называется тепловым эффектом реакции который обозначается Qр-ции

или Qr где индекс laquorraquo ndash первая буква английского слова reaction

Тепловой эффект химической реакции при постоянном давлении Qр (ин-

декс laquoрraquo указывает постоянное давление) численно равен изменению энтальпии

∆rН взятой с противоположным знаком Qp = minus∆rН Тепловой эффект и измене-

ние энтальпии химической реакции измеряются в килоджоулях (кДж) или в ки-

локалориях (ккал) Уравнения химических реакций в которых указываются

тепловые эффекты или изменения энтальпии называются термохимическими

Энергетические эффекты различных процессов определяют эксперимен-

тально а термохимические расчеты проводят на базе основного закона термо-

химии ndash закона Гесса тепловой эффект изменение энтальпии изменение внут-

ренней энергии химической реакции зависят от природы и состояния исходных

веществ и конечных продуктов но не зависят от числа и характера промежу-

точных стадий процесса Этот закон лежит в основе расчета Q ∆Н ∆U различ-

ных процессов minus образования разложения сгорания растворения гидратации

нейтрализации и др

Если в ходе процесса при постоянном давлении системой совершается

работа расширения то Qp = ∆U + Р middot ∆V РV = nRT Р middot ∆V = ∆n middot RT

∆Н = ∆U + ∆n middot RT ∆U = ∆Н minus ∆n middot RT где ∆n ndash изменение числа молей газооб-

разных продуктов реакции и исходных веществ (∆n = продn minus исх

n )

Тепловой эффект (изменение энтальпии) растворения ndash теплота растворе-

ния (энтальпия растворения) данного вещества в данном растворителе опреде-

ляется количеством теплоты (изменением энтальпии) которое выделяется или

поглощается при растворении одного моля вещества в таком количестве рас-

творителя что дальнейшее прибавление последнего уже не вызывает дополни-

тельного теплового эффекта (изменения энтальпии)

Пример 1 Растворение Na2SO4 сопровождается выделением теплоты

(29 кДжмоль) а при растворении кристаллогидрата Na2SO4middot10Н2О происходит

43

поглощение теплоты (787 кДжмоль) Вычислите изменение энтальпии гидра-

тации

Решение

1 Термохимическое уравнение растворения Na2SO4

Na2SO4 (к) + aq rarr Na2SO4middotaq ∆Н1 (растворения безводной соли) = minus29 кДж

2 Процесс гидратации безводной соли

Na2SO4 (к) + 10Н2О(ж) rarr (Na2SO4 middot10Н2О)(к) ∆Н2 (гидратации) minus

3 Термохимическое уравнение растворения кристаллогидрата

Na2SO4middot10Н2О + aq rarr Na2SO4middot aq ∆Н3 (растворения кристаллогидрата) =

= 787 кДж

В соответствии с законом Гесса процесс растворения безводной соли (1)

складывается из процесса гидратации (2) и процесса растворения кристалло-

гидрата (3) те ∆Н1 = ∆Н2 + ∆Н3

Тогда ∆Н2 (гидратации) = ∆Н1 (растворения безводной соли) minus ∆Н3 (рас-

творения кристаллогидрата) = minus29 кДж minus 787 кДж = minus816 кДж

1-е следствие из закона Гесса изменение энтальпии реакции равно

сумме изменения энтальпий образования продуктов реакции за вычетом

суммы изменения энтальпий образования исходных веществ с учетом сте-

хиометрических коэффициентов

Пусть аА + бБ = сС + дД а б с д ndash стехиометрические коэффициенты

Тогда ∆rН = с middot ∆fНС + д middot ∆fНD minus а middot ∆fНА minus б middot ∆fНВ

Пример 2 Вычислите ∆Н 0

298 растворения NaOH в воде при образовании

раствора с концентрацией См = 1 мольл

Решение

Процесс растворения NaOH схематически выражается уравнением

NaOH(к) + aq rarr Na (р)

+ OH р

∆fН0

298 кДжмоль minus4268 minus2397 minus2284

∆rН0

298 = minus2397 minus 2284 + 4268 = minus413 кДж

Опыт подтверждает что растворение твердого NaOH сопровождается

разогреванием раствора

2-е следствие из закона Гесса изменение энтальпии реакции равно

сумме изменения энтальпий сгорания исходных веществ за вычетом суммы

изменения энтальпий сгорания продуктов реакции (с учетом стехиомет-

рических коэффициентов)

Пример 3 Вычислите ∆Н 0

298 реакции которая выражается уравнением

СН3СООН(ж) + С2Н5ОН(ж) = СН3СООС2Н5(ж) + Н2О(ж) ∆rН0

1 minus

Изменение энтальпии этого процесса можно рассчитать алгебраически

суммируя энтальпии сгорания

СН3СООН(ж) + 2О2(г) = 2СО2(г) + 2Н2О(ж) ∆rН0

2 = minus8711 кДж

2С2Н5ОН(ж) + 3О2(г) = 2СО2(г) + 3Н2О(ж) ∆rН0

3 = minus1367 кДж

СН3СООС2Н5(ж) + 5О2(г) = 4СО2(г) + 4Н2О(ж) ∆rН0

4 = minus2284 кДж

44

∆rН0

1 = ∆rН0

2 + ∆rН0

3 minus ∆rН

0

4 = minus8711 minus1367 + 22840 = minus46 кДж

Различают изменение энтальпий фазовых и химических превращений К

фазовым относят сублимацию испарение плавление полиморфные превраще-

ния переход из аморфного состояния в кристаллическое Разновидностью хи-

мических реакций служат процессы электролитической диссоциации и химиче-

ские превращения в водных растворах электролитов

Большое значение для развития химии имеет определение изменения эн-

тальпии нейтрализации кислоты щелочью ∆Ннейтр одного моля сильной кисло-

ты одним молем сильного основания ndash величина постоянная Этот факт объяс-

няет теория электролитической диссоциации Аррениуса согласно которой лю-

бая реакция нейтрализации сводится к следующему процессу

Н р-р

+ ОН р-р

= Н2О(ж)

∆fН0

298кДжмоль 0 minus23019 minus28583 Изменение энтальпии этой реакции

∆Н 0

298 нейтр = minus28583 + 23019 = minus556 кДж

∆Ннейтр слабых кислот слабыми основаниями ndash величина переменная за-

висящая от их констант диссоциации и соответственно от концентрации ионов

водорода Н р-р

и гидроксид-ионов ОН р-р

в растворе и имеет значение мень-

шее чем 556 кДжмоль

Экспериментальная часть

Опыт 1 Определение изменения энтальпии нейтрализации сильного

основания сильной кислотой

Для проведения опыта используйте калориметрическую установку

(рис 17) Она состоит из калориметрического стакана (1) вставленного в дру-

гой стакан (2) который играет роль теплоизо-

лирующей муфты подставки (3) крышки (4)

термометра (5) мешалки (6) пипетки (7) шта-

тива (8)

Взвесьте калориметрический стакан и

влейте в него из пипетки (бюретки) 25 мл рас-

твора NaOH или КОН с концентрацией Сэ

= 1 мольл и отметьте температуру с точностью

до 01 оС В другой стакан налейте из бюретки

25 мл НСl или HNO3 такой же концентрации и

измерьте с той же точностью температуру рас-

твора кислоты Затем быстро но аккуратно

влейте раствор кислоты в калори-

Рис 17 Калориметрическая метрический стакан Перемешивая мешалкой

установка содержимое сосуда отметьте максимальную

температуру смеси

Полученные данные используйте для расчетов Расчет проводите по сле-

дующей схеме

45

1 Вычислите изменение энтальпии реакции

NaOH (КОН) + НСl (HNO3) = Н2О + NaCl (KCl)

∆rН0 = (mж middot Cж + mст middot Cст) middot ∆t ∆t = tкон minus tнач где tкон tнач ndash конечная и

начальная температуры (оС) растворов в калориметрическом сосуде mст mж ndash

масса стеклянного калориметрического сосуда и находящейся в нем жидкости

Cст Cж ndash удельные теплоемкости стекла и жидкости Начальная температура ndash

это среднеарифметическая температура щелочи и кислоты конечная ndash наивыс-

шая температура после сливания растворов плотность раствора принять равной

1 гмл его удельную теплоемкость ndash равной теплоемкости воды

(4184 ДжгmiddotК) а удельную теплоемкость стекла ndash 0753 ДжгmiddotК Массу стакана

(mст) определяют в зависимости от того какая часть его объема заполняется

раствором (если наполовину то стm

2)

2 Составьте ионно-молекулярное уравнение реакции нейтрализации и

рассчитайте изменение энтальпии нейтрализации одного моля эквивалента

кислоты по результатам проведенного опыта

3 Определите относительную ошибку опыта (в процентах)

Опыт 2 Определение изменения энтальпии нейтрализации слабого

основания слабой кислотой

Проведите опыт аналогично первому взяв растворы аммиака и уксусной

кислоты с концентрацией Сэ = 1 мольл Вычислите изменение энтальпии

нейтрализации в расчете на 1 моль эквивалентов уксусной кислоты Сравните

результаты с данными предыдущего опыта

Опыт 3 Определение изменения энтальпии растворения безводного

сульфата меди (II)

Опыт проведите в калориметрической установке (см рис 17) В предва-

рительно взвешенный калориметрический стакан налейте 30 мл дистиллиро-

ванной воды определите ее температуру с точностью до 01 оС Взвесьте 1 г

безводного сульфата меди (II) с точностью до 001 г Быстро и аккуратно

всыпьте соль в калориметрический сосуд Размешивая его содержимое мешал-

кой отметьте максимальную температуру Зная разность температур общую

массу раствора и приняв удельную теплоемкость раствора равной удельной

теплоемкости воды рассчитайте изменение энтальпии данного процесса на

1 моль безводной соли

I 1 CuSO4 (к) + aq rarr CuSO4 middot aq ∆Н 0

р-ния б сminus

Имея в виду что гидратация безводной соли и растворение кристалло-

гидрата выражаются следующими термохимическими уравнениями

1 CuSO4(к) + 5H2O(ж) = CuSO4middot5H2O(к) ∆Н 0

1 = minus778 кДж ndash изменение

II энтальпии при гидратации

2 CuSO4middot5H2O(к) + aq = CuSO4 middot aq ∆Н 0

2 = 117 кДж ndash изменение энталь-

пии растворения кристаллогидрата рассчитайте ∆Н 0

р-ния б с CuSO4 на основе за-

46

кона Гесса ∆Н(р-ния б с) = ∆Н(гидрат) + ∆Н(р-ния кристаллогидрата) Сравните теоретиче-

ские и экспериментально рассчитанные значения изменения энтальпии и опре-

делите относительную погрешность опыта (в процентах)

Опыт 4 Определение изменения энтальпии гидратации карбоната

натрия

Опыт проведите по методике описанной в опыте 3 Взятая навеска кар-

боната должна составлять примерно 07 г Опыт и расчеты повторите для кри-

сталлогидрата Na2CO3middot10Н2О (навеска ndash 15 г на 30 мл воды) По найденным

изменениям энтальпий растворения Na2CO3 и Na2CO3middot10Н2О вычислите изме-

нение энтальпии гидратации карбоната натрия и сравните с литературными

данными

(∆Н 0

р-ния б с= minus251 кДжмоль ∆Н

0

гидрат = minus920 кДжмоль

∆Н 0

р-ния кристаллогидрата = 669 кДжмоль)

Вопросы и задачи

1 Почему химические и фазовые превращения сопровождаются выделе-

нием или поглощением энергии Почему в одних случаях энергия выделяется а

в других поглощается

2 Рассчитайте среднюю энергию связи в молекулах СН4 и SiH4 если из-

вестны изменения энтальпий образования Н (г) С (г) Si (г) и СН4 (г) SiH4 (г)

Объясните различия средней энергии связи С ndash Н Si ndash Н

Ответ 415325 кДжмоль

3 Вычислите среднюю энергию связи Н ndash О в молекуле воды если из-

вестно изменение энтальпии образования Н2О (г) Н (г) и О (г)

Ответ 462 кДжмоль

4 Вычислите изменение энтальпии реакции нейтрализации растворов

КОН и НСl CsOH и H2SO4 NaOH и HNO3 в случае очень разбавленных рас-

творов в расчете на 1 моль Н2О в стандартных условиях Почему изменение эн-

тальпий этих реакций одинаковы Почему значения изменения энтальпий

нейтрализации разных слабых оснований и кислот различны

Ответ minus556 кДжмоль

5 При растворении 10 г СаСl2 в 200 мл воды температура раствора повы-

силась на 77 К Вычислите изменение энтальпии гидратации СаСl2 если изме-

нение энтальпии растворения СаСl2middot6Н2О равна 1908 кДжмоль Удельную

теплоемкость раствора примите равной удельной теплоемкости воды

(4184 ДжгmiddotК) Ответ minus9423 кДжмоль

6 При растворении 8 г хлорида аммония в 20 г воды температура понизи-

лась на 2 оС Вычислите ∆Н растворения NH4Cl в воде принимая удельную

теплоемкость полученного раствора равной 41870 Дж(г middot К)

Ответ minus163 кДжмоль

47

7 Рассчитайте ∆rН растворения алюминия в разбавленной соляной кисло-

те если стандартные изменения энтальпий образования реагирующих веществ

равны ∆fНHCl (p-p) = minus1675 кДжмоль ∆fН 3 р-р

AlCl = minus6723 кДжмоль

Ответ minus3396 кДж

8 При растворении 5206 г BaCl2 в 400 моль Н2О выделяется 216 кДж

теплоты Вычислите ∆Н гидратации безводного BaCl2

Ответ 2713 кДжмоль

9 При растворении 16 г СаС2 в воде выделяется 313 кДж теплоты Опре-

делите изменение стандартной энтальпии образования Са(ОН)2

Ответ minus98633 кДжмоль

10 Вычислите изменение энтальпии при сгорании 20 л диборана (ну)

если ∆fН (В2О3 (к)) = minus1264 кДжмоль ∆fН (В2Н6 (г)) = 314 кДжмоль Целе-

сообразно ли использовать в качестве топлива диборан вместо этана если

стандартное изменение энтальпии сгорания этана равно minus155988 кДжмоль

Ответ minus19220 кДж

Следует уметь

1 Используя калориметрический метод рассчитывать энтальпию различ-

ных физико-химических процессов

2 Вычислять энтальпию реакции по энтальпиям образования исходных

веществ и конечных продуктов пользуясь законом Гесса и его следствиями

3 Учитывать влияние прочности химических связей в продуктах реакции

и исходных веществах на энтальпию реакции

48

Библиографический список

1 Еремин В В Основы общей и физической химии В В Еремин

А Я Борщевский ndash М Интеллект 2012 ndash 800 c

2 Неорганическая химия в 3 т под ред Ю Д Третьякова ndash М Ака-

демия 2011 minus 2012 ndash Т 1 ndash 240 с Т 2 ndash 368 с Т 3 (1) ndash 352 с Т 3 (2) ndash 400 с

3 Павлов Н Н Общая и неорганическая химия Н Н Павлов ndash М Лань

2011 ndash 496 с

4 Росин И В Общая и неорганическая химия Современный курс И

В Росин Л Д Томина ndash М Юрайт 2012 ndash 1338 с

5 Шрайвер Д Неорганическая химия в 2-х т Д Шрайвер П Эткинс ndash

М Мир 2013 Т 1 ndash 679 с Т 2 ndash 486 с

Содержание

Правила работы в химической лабораторииhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip3

Работа 1 Определение молярных масс газообразных веществhelliphelliphelliphellip4

Работа 2 Определение молярных масс эквивалентовhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip12

Работа 3 Приготовление растворовhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip24

Работа 4 Методы очистки веществhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip32

Работа 5 Определение изменения энтальпий

физико-химических процессовhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip42

Библиографический списокhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip48

Page 2: МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ К ЛАБОРАТОРНОМУ ...phys-chem.mrsu.ru/wp-content/uploads/2017/11/...МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ К ЛАБОРАТОРНОМУ

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ

РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ

УЧРЕЖДЕНИЕ

ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ

laquoМОРДОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

им Н П ОГАРЁВАraquo

МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ

К ЛАБОРАТОРНОМУ ПРАКТИКУМУ

ПО ОБЩЕЙ И НЕОРГАНИЧЕСКОЙ ХИМИИ

В двух частях

ЧАСТЬ 1

САРАНСК

ИЗДАТЕЛЬСТВО МОРДОВСКОГО УНИВЕРСИТЕТА

2013

3

Химик требуется не такой который из одного чтения книг

понял сию науку но который собственным искусством

в ней прилежно упражнялся

М В Ломоносов

ПРАВИЛА РАБОТЫ В ХИМИЧЕСКОЙ ЛАБОРАТОРИИ

В химической лаборатории студенты знакомятся с правилами внутренне-

го распорядка охраны труда и строго их выполняют

За каждым студентом на все время работы закрепляются определенное

рабочее место и набор посуды Стол всегда должен быть чистым и на нем

должны находиться только необходимые приборы реактивы и лабораторный

журнал Работать следует в халате а при необходимости надевать перчатки

защитные очки или маску

Перед каждой лабораторной работой необходимо изучить теоретический

материал Опыты выполняются лишь после знакомства с описанием работы и

выяснения непонятных вопросов у преподавателя Работать нужно неторопли-

во вдумчиво аккуратно

Неиспользованные реактивы нельзя сливать в сосуды откуда они были

взяты чтобы не загрязнять исходные материалы Недопустимо уносить реакти-

вы приборы общего пользования на свой рабочий стол Категорически запре-

щается ставить склянки с реактивами на книги и тетради Все опыты с вредны-

ми веществами проводить только под тягой Работать с концентрированными

кислотами нужно в вытяжном шкафу и не переносить их на рабочие места

После окончания работы необходимо помыть посуду и привести в поря-

док рабочее место

Дежурный должен сдать лабораторию обслуживающему лаборанту и уй-

ти из нее последним

Лабораторный журнал

Результаты опытов записываются в лабораторном журнале которым мо-

жет служить большая общая тетрадь с полями для замечаний преподавателя и

собственных корректив

На обложке или на первой странице студент пишет свою фамилию ини-

циалы номер группы и название практикума Записи в журнале следует выпол-

нять только чернилами кратко аккуратно сразу в чистовом варианте

Рекомендуется такая последовательность записей в рабочем журнале

1 Дата 2 Номер работы и ее название 3 Номер опыта и его название 4 Опи-

сание цели эксперимента 5 Краткое теоретическое обоснование 6 Схема

установки 7 Таблицы для записей измерений и первоначальных расчетов (го-

товятся заранее) 8 Наблюдения в ходе опыта (интенсивность процесса усло-

вия его проведения сопутствующие явления ndash появление осадка изменение

4

окраски выделение газа и т д) 9 Выводы (таблицы графики итоговые

обобщения) 10 Ответы на вопросы и решение задач

Студент допускается к выполнению лабораторной работы при наличии

подготовленного лабораторного журнала

Студент не подготовившийся к выполнению лабораторной работы гото-

вится к ней во время занятия под наблюдением преподавателя и допускается к

работе если остается достаточно времени для ее выполнения Если времени на

выполнение лабораторной работы недостаточно то студент направляется на

отработку пропущенной работы в другую группу по расписанию работы препо-

давателя (или направляется в другую группу по договоренности с преподавате-

лем)

Студент выполняет лабораторную работу внося в практическую часть

отчета необходимые сведения уравнения реакций наблюдения расчеты гра-

фики делает необходимые выводы Далее студент должен защитить работу от-

ветив на ряд теоретических и практических вопросов преподавателя по сути

эксперимента решив расчетную задачу

Лабораторный практикум считается выполненным если студент отрабо-

тал и защитил все лабораторные работы набрав при этом минимально необхо-

димую сумму баллов

Работа 1 Определение молярных масс газообразных веществ

Задания для подготовки к лабораторной работе

1 Повторите важнейшие законы газового состояния (Бойля ndash Мариотта

Гей-Люссака Шарля Авогадро объединенный газовый закон) уравнение Кла-

пейрона ndash Менделеева понятия об относительной молекулярной (относитель-

ной атомной) и молярной массах моле абсолютной и относительной плотности

веществ методы определения молярных масс веществ в газообразном состоя-

нии

2 Ознакомьтесь с устройством аппарата Киппа и методикой определения

молярной массы оксида углерода (IV)

Теоретическая часть

Основные химические понятия

Химический элемент ndash совокупность атомов естественного изотопиче-

ского состава этого элемента с одинаковым зарядом ядра

Изотопы ndash разновидности атомов химического элемента с одинаковым

порядковым номером и отличающиеся друг от друга количеством нейтронов и

массовыми числами ( 1

1 Н 2

1 Н 3

1 Н 16

8 О 17

8 О 18

8 О)

Атом ndash наименьшая частица химического элемента являющаяся носите-

лем его свойств и неделимая при химических реакциях

5

Молекула ndash наименьшая частица простого или сложного вещества опре-

деляющая его свойства способная к самостоятельному существованию состо-

ит из атомов одного (простое вещество) или различных (сложное вещество)

химических элементов (С Si P4 S8 O2 O3 Г2 N2 Fe Cu ndash простые вещества

Н2О СО2 СаСО3 Са3(РО4)2 ndash сложные вещества)

Ион ndash это заряженная частица ndash атом или группа химически связанных

атомов несущая на себе при недостатке электронов положительный заряд и

называющаяся катионом а при избытке электронов отрицательный заряд и

называющаяся анионом (Сlminus Са

2+ РО 3

4

)

Вещество ndash это форма материи состоящая из атомов молекул или

ионов

Структурные единицы ndash любой вид реальных частиц (атомов молекул

ионов электронов и т п) и условно существующие доли таких частиц

(13 Н3РО4 15 КМnО4 13 Аl 12 СаСО3 12 Ва2+

и т п)

Число Авогадро ndash число атомов изотопа углерода 12

6С в 120000 г этого

вещества NА = 60221367middot1023

asymp 6022middot1023

атомов

Постоянная Авогадро ndash константа численно равная числу Авогадро и

показывающая число соответствующих структурных единиц в 1 моле таких

единиц NА = 60221367middot1023

asymp 6022middot1023

мольminus1

NА = N число частиц любой системы

количество вещества системы

Пример

Содержание структурных единиц в 1 моле таких единиц

NА атомов Na в 1 моле атомов Na

NА ионов Na+ в 1 моле ионов Na

+

NА молекул Н2 в 1 моле молекул Н2

NА атомов Н в 1 моле атомов Н

2NА атомов Н в 1 моле молекул Н2

NА молекул Са3(РО4)2 в 1 моле молекул Са3(РО4)2

3NА ионов Са2+

в 1 моле молекул Са3(РО4)2

2NА ионов РО 3

4

в 1 моле молекул Са3(РО4)2

3NА ионов Са2+

в 3 молях ионов Са2+

2NА ионов РО 3

4

в 2 молях ионов РО 3

4

13NА атомов Са Р О в 1 моле молекул Са3(РО4)2

Моль ndash единица измерения количества вещества Моль характеризует ко-

личество вещества определенной химической формулы ndash формульной единицы

(ФЕ)

1 моль любого вида структурных единиц ndash это такое количество веще-

ства которое содержит NА соответствующих структурных единиц

Пример

1 моль ионов Na+ содержит NА ионов Na

+

1 моль молекул NaCl NА ионов Na+ и NА ионов Cl

minus

1 моль молекул Са3(РО4)2 3 моль ионов Са2+

(3 middot NА ионов)

6

2 моль ионов РО 3

4

(2 middot NА ионов)

3 моль атомов Са (3 middot NА атомов)

2 моль атомов Р (2 middot NА атомов)

8 моль атомов О (8 middot NА атомов)

1 моль S8 NА молекул S8 (8 middot NА атомов S)

Количество молей вещества обозначается ν и рассчитывается по формуле

ν = m

M =

A

N

N где m ndash масса ν молей вещества M ndash его молярная масса Если

ν = 1 моль то m = M Масса 1 моля вещества равна его молярной массе

(в гмоль)

Пример

1 моль Са3(РО4)2 весит столько чему равна его молярная масса

М[Са3(РО4)2] = 3 middot М (Са) + 2 middot М (Р) + 8 middot М (О) = 3 middot 40078 + 2 middot 30974 + 8 middot

middot 15999 = 310174 гмоль

Масса 1 моля Са3(РО4)2 или 6022middot1023

молекул Са3(РО4)2 равна 310174 г

Атомная единица массы (аем) (другое название ndash углеродная единица

(уе)) Она равна 112 части массы атома легкого изотопа углерода с массовым

числом 12 Атомная единица массы ndash величина постоянная равная

16605402middot10minus24

г

1 аем = 1

12mат (

12

6С) =

261992 10 кг

12

asymp 0166middot10

minus26 кг

Единицы измерения аем ndash граммы килограммы и т д

Масса атомов и молекул mат mмол-лы выражается очень малыми величи-

нами порядка 10minus26

кг

Пример

m (Н) = 0167middot10minus26

кг = 10079 middot аем

m ( 12011

6С) = 1994middot10

minus26 кг = 12011 middot аем

m (СО2) = 7305middot10minus26

кг = 12011 middot аем + 2 middot 15999 middot аем

Единицы измерения масс атомов и молекул кг г аем и т д

mат =

ат

A

М

N= Аr middot аем mмол-лы =

мол-лы

A

М

N= Мr middot аем

mлюбого числа частиц m (N) = A

МN

N = M middot ν

Пример

mат (12

6С) =

23 1

12 гмоль

6022 10 моль = 1992middot10

minus26 кг

mат (12011

6С) = 23 1

12011гмоль

6022 10 моль = 1994middot10

minus26 кг

Относительная атомная масса (Аr) показывает во сколько раз сред-

няя масса атома естественного изотопического состава элемента больше

1 а е м Значения Аr приводятся в периодической системе элементов

7

Д И Менделеева Аr можно рассчитать по формуле Аr = ат эл-таm (кг г)

аем (кг г) Аr minus ве-

личина безразмерная Подстрочная буква laquorraquo minus первая буква английского слова

relative или латинского relativus ndash относительный сравнительный масса атома

сравнивается с 1 аем

Пример

Аr (О) = 159994 Это означает что масса атома кислорода больше аем

в 159994 раз Аr (Н) = 10079 ndash масса атома водорода больше 1 аем в

10079 раз Аr (С) = 12011 ndash масса атома углерода в 12011 раз больше 1 аем

Относительная молекулярная масса (Мr) простого или сложного веще-

ства ndash безразмерная величина равна отношению средней массы естественного

изотопического состава вещества к 1 аем Мr =

мол-лыm кг г

аем кг г Значения Мr рас-

считывают из величин Аr элементов образующих соединения с учетом коли-

чества атомов каждого из них Если химическая формула вещества АхВуСz то

Мr = х middot Аr (А) + y middot Аr (В) + z middot Аr (С)

Пример Мr (N2O5) = 2 middot Аr (N) + 5 middot Аr (О) = 2 middot 14007 + 5 middot 15999 = 108009 те

масса молекулы N2O5 в 108009 раз больше 1 аем

Молярная масса вещества (М) ndash это масса 1 моля вещества Единицы

измерения гмоль кгмоль гкмоль кгкмоль и т д М = m

где m ndash масса ν

молей вещества Молярная масса выраженная в гмоль или кгкмоль численно

равна относительной молекулярной (Мr) а для простых веществ состоящих из

одного атома ndash относительной атомной (Аr) массе Для вещества имеющего

формулу АхВуСz М = х middot М (А) + y middot М (В) + z middot М (С) (гмоль)

Пример

Аr (Cs) = 132905 М (Cs) = 132905 гмоль

Мr(SO2) = Аr (S) + 2 middot Аr (O) = 32064 + 159994 middot 2 = 64063

М(SO2) = 64063 гмоль

1 моль атомов цезия или 6022middot1023

атомов цезия весят 132905 г 1 моль

молекул SO2 или 6022middot1023

молекул SO2 весят 64063 г

Молярный объем газа (Vm) ndash объем занимаемый 1 молем газа Единица

измерения Vm ndash лмоль м3моль млмоль лкмоль и др

1 моль любого газа при одинаковых условиях (Р Т) занимает одинаковый

объем (V) (закон Авогадро) Молярный объем газа при нормальных условиях

(ну 0 оС или 273 К 760 мм рт ст или 101 325 Па)

V 0

m = 224 лмоль = 224middot10minus3

м3моль

Таким образом 1 моль любого газа при ну занимает объем равный

224 л

Vm и V 0

m рассчитываются по формулам

Vm =

V V 0

m =

0V где ν ndash количество вещества (моль) V и V0 minus объемы

газов (мл л м3) соответственно при любых условиях (V) и при ну (V0)

8

Молярный объем газа равен отношению объема (V) к количеству веще-

ства (ν)

Масса 1 л любого газа m = 0

m

М(гмоль)middot1(л)

V (л моль)

Количество вещества (ν) ν = m

М =

mV

V=

0

m

0

V

V

Молярная масса вещества М (гмоль) = m (г) middot 0

m

0

V (л моль)

V (л)

Относительная плотность одного газа (х) по другому газу (В) обозна-

чается Dв ndash величина безразмерная показывающая во сколько раз масса газа х

(mх) больше массы газа В (mв) такого же объема измеренных при одинаковых

условиях (Р Т)

Dв = в

m

mx

Если mх и mв взяты для веществ в количестве 1 моль то Dв = в

M

Mx

Dв показывает во сколько раз 1 моль газа х тяжелее 1 моля газа В

Для расчета Dв можно использовать и абсолютные плотности газов (ρ) В

этом случае Dв = в

ρ

ρx

Таким образом Dв = в

m

mx

= в

M

Mx

= в

ρ

ρx

Мх = Dв middot Мв

Абсолютная плотность вещества (ρ) в любом агрегатном состоянии ndash

это масса единицы его объема

ρ = m

V (кгм

3 гл гмл)

Пример

а) Относительная плотность СО2 по Н2

D2Н =

2

2

H

CO

m

m =

2

2

H

CO

M

M где m

2CO и m2H ndash массы СО2 и Н2 при одинаковых V

Р Т М2CO и М

2H ndash молярные массы СО2 и Н2 те массы СО2 и Н2 объемом

224 л при ну М2CO = D

2Н middot M2H

б) Относительная плотность СО2 по воздуху

Dвозд= возд

CO

m

m2 =

возд

CO

M

M2 М

2CO = Dвозд middot Мвозд

Уравнение Клапейрона ndash Менделеева

PV = νRT = M

mRT P V T ndash условия при которых проводится опыт ν

ndash количество вещества R ndash универсальная газовая постоянная которая рассчи-

тывается по формуле R = 0 0

0

P V

νТ ν = 1 моль

а) R = 3 3101325 Паmiddot (224middot10 ) м

1мольmiddot273 К

= 8314 Дж

моль middotК

9

Па = 2

кг

мmiddotс Дж =

2

2

кг middotм

с= Па middot м

3

б) R = 760 мм рт стmiddot224л

1мольmiddot273 К= 624

мм ртстmiddotл

моль middotК

R = 62 400 мм ртст middotмл

моль middot К

в) R = -3 3 5 222415 10 м 101330 10 Нм

1 моль 273 К

= 8314

Дж

моль К

Из уравнения Клапейрона ndash Менделеева

Мх = mRT

P V где Мх ndash молярная масса определяемого газа m ndash его масса

P V T ndash давление объем температура соответствующие условиям опыта Для

углекислого газа М2CO = 2COm RT

P V

Экспериментальная часть

Опыт 1 Определение молярной массы оксида углерода (IV)

Целью лабораторной работы является знакомство с методами определе-

ния молярной массы газа на примере оксида углерода (IV) приобретение навы-

ков взвешивания и расчетов по газовым законам

1 Собрать прибор как показано на рис 1

2 Записать уравнение реакции получения СО2

3 Сухую колбу с воздухом плотно закрыть пробкой и восковым каран-

дашом сделать отметку по глубине вхождения пробки в горло колбы

1 ndash шарообразная воронка

2 3 ndash соединенные между собой

резервуары

4 5 ndash тубусы 6 ndash кран

7 ndash перетяжка

8 9 ndash промывные склянки

10 ndash приемник СО2

Рис 1 Установка для получения и очистки диоксида углерода состоящая из аппарата

Киппа промывных склянок и приемника СО2

4 Взвесить колбу с пробкой и воздухом на весах

(рис 2) записать в журнале m1 (г) ndash масса колбы с проб-

кой и воздухом

5 Наполнить колбу оксидом углерода (IV) из аппа-

рата Киппа опустив конец газоотводной трубки до дна

колбы Скорость пропускания газа отрегулировать так

чтобы его пузырьки можно было считать при прохожде-

Рис 2 Весы лабораторные нии их через склянки с водой (или раствором

компактные NaHCO3) и концентрированной серной кислотой

10

6 Полноту наполнения колбы углекислым газом проверить с помощью

горящей лучины Держа колбу в вертикальном положении вставить в нее

пробку Закрыть кран аппарата Киппа

7 Взвесить колбу с диоксидом углерода запи-

сать результат взвешивания m2 (г) ndash масса колбы с

пробкой и СО2

8 Провести контрольный опыт колбу повторно

наполнить углекислым газом из аппарата Киппа за-

крыть ее и снова взвесить Разница между взвешивани-

ями не должна быть больше 002 г в противном случае

опыт повторить

9 Записать значения температуры и давления

во время проведения эксперимента

10 Для измерения объема (V) колбы и соответ-

ственно объема газов заполняющих ее наполнить

колбу до метки водой комнатной температуры

11 Измерить объем воды перелив ее из кол-

бы в мерный цилиндр (рис 3) и результат изме-

рения (V мл) при условиях проведения эксперимента Рис 3 Мерные цилиндры

записать в журнал

12 Привести объем (V) газа к ну (V0) используя объединенный газовый

закон

T

PV=

0

00

T

VP V0 = 0

0

P VT

T P

13 Зная V0 рассчитать массу воздуха в объеме колбы (m3)

m3 = возд 0

0

m

M V

V=

029 гмоль V л

224 л моль (по закону Авогадро)

14 Рассчитать массу пустой колбы (без воздуха) m4 = m1 ndash m3 (из массы

колбы с воздухом вычесть массу воздуха)

15 Рассчитать массу СО2 в объеме колбы (m5)

m5 = m2 ndash m4 (из массы колбы с СО2 вычесть массу пустой колбы)

16 Рассчитать М2CO (эксп) по методу Авогадро

М2CO (эксп) =

0

5 m

0

m V

V где V0 рассчитывается по п12

17 Рассчитать Dвозд = 3

5

m

m М

2CO (эксп) = Мвозд middot Dвозд (метод расчета

М2CO используя его относительную плотность по воздуху)

18 Если колбу заполнить водородом то его масса в объеме колбы (m6)

будет равной

m6 = 2H 0

0

m

M V

V =

02 гмоль middotV л

224 л моль

19 Рассчитать D2Н D

2Н = 6

5

m

m М

2CO (эксп) = М2Н middot D

11

20 Рассчитать М2CO (эксп) по уравнению Клапейрона ndash Менделеева

М2CO (эксп) = 5m R T

PV где Р V Т ndash условия проведения эксперимента

21 Рассчитать М2CO (теор) = М(С) + М(О) middot 2

22 Рассчитать относительную ошибку опыта по формуле

К = теор

эксптеор

М

ММ middot 100 Ошибка не должна превышать 2

Вопросы и задачи

1 Определите что тяжелее (при одинаковых условиях)

ndash сухой углекислый газ или равный объем газа содержащий водяные па-

ры

ndash метан сухой или метан содержащий водяные пары

2 Смесь озона с кислородом имеет плотность по водороду равную 18

Определите процентный состав смеси (по объему)

Ответ 25 О3 75 О2

3 Вычислите молярную массу газа всеми возможными методами если

062middot10minus3

м3 при 294 К и 101 325 Па имеют массу 124middot10

minus3 кг Сколько молекул

содержится в данном объеме

Ответ 48 гмоль 156middot1022

молекул

4 Зная молярную массу кислорода и азота а также учитывая что в воз-

духе содержится 24 мас кислорода и 76 мас азота определите среднюю

молярную массу воздуха

Ответ 29 гмоль

5 Плотность жидкого хлора равна 15 гмл Сколько литров газообразно-

го хлора получится из 80 мл жидкого хлора

Ответ 379 л

6 Определите в каком объеме аргона при 20 оС и давлении 1 333 Па со-

держится 5middot1016

молекул

7 Найдите относительную плотность по воздуху газовой смеси состоя-

щей из азота кислорода и оксида углерода (IV) объемные доли которых равны

соответственно 60 20 и 20

8 При прокаливании 1 кг СаСО3 получены 056 кг СаO и 0224 м3 СО2

(ну) Подтверждают ли эти данные закон сохранения массы веществ

9 Смешаны водород кислород и оксид углерода (IV) массой по 1 кг каж-

дый Найдите объемные и молярные доли этих газов в полученной смеси

12

10 Вычислите а) объем 20 т (ну) аммиака б) массу 10 мл паров толуола

С7Н8 в) массу молекулы оксида углерода (II)

Следует уметь

1 Пользоваться аппаратом Киппа

2 Взвешивать на электронных весах

3 Заполнять сосуды газами различной плотности

4 Экспериментально определять массу и объем газа при определенных

температуре и давлении

5 Рассчитывать молярную массу вещества по полученным эксперимен-

тальным данным различными способами а) по методу Авогадро б) используя

относительную плотность одного газа по другому газу в) по уравнению Кла-

пейрона ndash Менделеева

Работа 2 Определение молярных масс эквивалентов

простых и сложных веществ

Задания для подготовки к лабораторной работе

1 Повторите основные понятия эквивалент фактор эквивалентности

молярная масса эквивалента масса эквивалента количество вещества эквива-

лента молярный объем эквивалента закон эквивалентов

2 Ознакомьтесь с устройством прибора (рис 4) и методикой определения

молярной массы эквивалента алюминия

3 Ознакомьтесь с методикой экспериментального определения молярной

массы эквивалента карбоната кальция

Теоретическая часть

Эквивалент (э) ndash это либо реальная либо условно существующая струк-

турная единица вещества которая эквивалентна (равноценна) одному положи-

тельно поляризованному атому водорода одному иону водорода одному элек-

трону или одному эквиваленту любого другого вещества

1 э (Н) равноценен 1 атому (Н) (1 эквивалент водорода равноценен

1 атому водорода)

1 э (Н+) равноценен 1 иону (Н

+)

1 э (окислителя или восстановителя) равноценен 1 ē

Пример

а) В соединениях Н2О NН3 СН4 с одним эквивалентом положительно по-

ляризованных атомов водорода соединяются 1

2 доля атома (О)

1

3 доля атома

(N) 1

4доля атома (С) э (О) =

1

2атома (О) э (N) =

1

3 атома (N) э (С) =

1

4атома

(С) В молекуле HCl с 1 э (Н+) соединяется 1 ион Cl

minus э (Cl

minus) = 1 иону Cl

minus

б) Кислотно-основное взаимодействие по теории Аррениуса сводится к

процессу

Н+

(р-р) + ОНminus

(р-р) rarr Н2О(ж)

13

С одним ионом водорода взаимодействует один гидроксид-ион Эквива-

лент (ОНminus) равноценен иону (ОН

minus)

в) Са(ОН)2 + Н2SО4 rarr СаSО4darr + 2Н2О

Одному Н+ эквивалентны

1

2доля иона Са

2+ 1 ион ОН

minus

1

2доля иона

SO 2

4

э (Са2+

) = 1

2 иона Са

2+ э

(SO 2

4

) = 1

2иона SO 2

4

э (ОНminus) = 1 иону ОН

minus э

(Са2+

) э (SO 2

4

) ndash условно существующие частицы э (ОНminus) ndash реальная частица

г) Al(NO3)3 + H3PO4rarrAlPO4 + 3HNO3 Одному Н+ эквивалентны

1

3 доля

Al3+

1 ион NO3

1

3 доля иона РО 3

4

э (Al3+

) = 1

3иона Al

3+ э (NO

3

) = иону NO3

э (РО 3

4

) = 1

3 иона РО 3

4

э (NO3

) ndash реальная частица э (Al3+

) э (РО 3

4

) ndash условно

существующие частицы

+5 +4 +6 minus1

д) КСlО3 + 3MnO2 + 6KOH rarr3K2MnO4 + KCl + 3H2O

ClO3

+ 3H2O + 6 ē rarr Clminus + 6OH

minus 1

MnO2 + 4OHminus minus 2 ē rarr MnO 2

4

+ 2H2O 3

Одна молекула КСlО3 принимает 6 ē значит э (КСlО3) = 1

6 часть моле-

кулы КСlО3 Одна молекула MnO2 отдает 2 ē значит э (MnO2) = 1

2часть моле-

кулы MnO2 В схеме реакции с учетом стехиометрических коэффициентов

участвуют по 6 эквивалентов КСlО3 MnO2 KOH

Фактор эквивалентности (fЭ) ndash число которое показывает какая доля

атома молекулы иона является эквивалентом Если fЭ = 1 то эквивалент ndash ре-

альная частица так как он равноценен атому молекуле или иону если fЭ lt 1 то

эквивалент ndash условная частица так как эквивалент в этом случае какая-то доля

реально существующей частицы

fЭ = 1

z где z ndash эквивалентное число

Для элементов и молекул простых веществ состоящих из одного атома

fЭ = 1

B где В ndash валентность элемента образующего простое вещество те

z = В

Пример

fЭ (Н) = 1 fЭ (О) = 1

2 fЭ (

V

P ) = 1

5 fЭ (Са) =

1

2 fЭ (Al) =

1

3 fЭ (Na) = 1

fЭ (III

P ) = 1

3

Для простых веществ состоящих из нескольких атомов fЭ = 1

B n где nndash

количество атомов элемента в молекуле простого вещества те z = В n

14

Пример

fЭ (Н2) = 1

1 2 =

1

2 fЭ (О2) =

1

2 2=

1

4 fЭ (Г2) =

1

1 2 =

1

2 fЭ (N2) =

1

3 2 =

= 1

6 fЭ (О3) =

1

2 3 =

1

6

Для элемента входящего в состав любого сложного вещества fЭ = 1

х

где х ndash степень окисления этого элемента взятая по модулю

Пример

MnO fЭ (Mn) = 1

2 Mn2O3 fЭ (Mn) =

1

3

MnO2 fЭ (Mn) = 1

4 Mn2O7 fЭ (Mn) =

1

7

Для оксидов R2Oх fЭ = 1

2x где х ndash степень окисления элемента образу-

ющего оксид те z = |2x| Таким образом

fЭ(оксида)=

1

сумма по модулю всех зарядов + или поляризованныхчастиц образующих оксид

fЭ (Al2O3)=

1

3 2 =

1

2 3 =

1

6 fЭ (ОsО4) =

1

8 1 =

1

2 4 =

1

8

Для кислот оснований солей

fЭ = 1

сумма по модулю всех зарядов катионов или анионов

fЭ (Н3РО4) =

1

1 3 =

1

3 1 =

1

3 =

1

основность кислоты z = 3

fЭ (Al(ОН)3) =

1

3 1 =

1

1 3 =

1

3 =

1

кислотность основания z = 3

fЭ (Na2SО4) =

1

1 2 =

1

2 1 =

1

2 z = 2

fЭ [Al2(SО4)3] =

1

3 2 =

1

2 3 =

1

6 z = 6

fЭ (NaНSО4) =

1

1 1 =

1

1 1 = 1 z = 1

fЭ [(AlОН)Cl2] =

1

2 1 =

1

1 2 =

1

2 z = 2

fЭ 3 4 2Cu NH OH =

1

2 1 =

1

1 2 =

1

2 z = 2

Фактор эквивалентности (fЭ )и эквивалентное число (z) зависят от ос-

новности кислоты или кислотности основания в соответствии с которыми они

вступают в химическое взаимодействие

Пример

а) 2Н3РО4 + 3Са(ОН)2 rarr Са3(РО4)2 + 6Н2О

15

Основность кислоты равна 3 кислотность основания равна 2 так как в

кислоте замещаются 3 иона водорода в основании ndash 2 гидроксид-иона

z (Н3РО4) = 3 z (Са(ОН)2) = 2 fЭ (Н3РО4) = 1

3 fЭ (Са(ОН)2) =

1

2

б) 2Н3РО4 + Са(ОН)2 rarr Са(Н2РО4)2 + 2Н2О

Основность кислоты равна 1 кислотность основания ndash 2

z (Н3РО4) = 1 z (Са(ОН)2) = 2 fЭ (Н3РО4) = 1 fЭ (Са(ОН)2) = 1

2

в) Н3РО4 + Са(ОН)2 rarr СаНРО4 + 2Н2О

Основность кислоты равна 2 кислотность основания равна 2

z (Н3РО4) = 2 z (Са(ОН)2) = 2 fЭ (Н3РО4) = 1

2 fЭ (Са(ОН)2) =

1

2

г) Н3РО4 + 3Са(ОН)2 rarr (СаОН)3РО4 + 3Н2О

Основность кислоты равна 3 кислотность основания равна 1

z (Н3РО4) = 3 z (Са(ОН)2) = 1 fЭ (Н3РО4) =1

3 fЭ (Са(ОН)2) = 1

д) 2Al(OH)3 + Н2SO4 rarr [Al(OH)2]2SO4 + 2Н2О

Основность кислоты равна 2 кислотность основания равна 1

z (Al(OH)3) = 1 z (Н2SO4) = 2 fЭ (Al(OH)3) =1 fЭ (Н2SO4) = 1

2

е) Al(OH)3 + Н2SO4 rarr [Al(OH)]SO4 + 2Н2О

Основность кислоты равна 2 кислотность основания равна 2

z (Al(OH)3) = 2 z (Н2SO4) = 2 fЭ (Al(OH)3) =1

2 fЭ (Н2SO4) =

1

2

Для окислительно-восстановительных реакций fЭ (окислителя) = 1

n

fЭ (восстановителя) = 1

n где n ndash число электронов принятых или отдан-

ных 1 молекулой или 1 ионом окислителя или восстановителя соответственно

Пример

MnO4

+ 8H+ + 5 ē rarr Mn

2+ + 4Н2О z = 5 fЭ =

1

5

SO 2

3

+ Н2О minus 2 ē = SO 2

4

+ 2H+ z = 2 fЭ =

1

2

Молярная масса эквивалентов вещества (Мэ гмоль) ndash это масса

1 моля эквивалентов вещества или 6022middot1023

эквивалентов вещества

Мэ = fЭ middot М = M

z =

m

э где М ndash молярная масса гмоль m ndash масса (г) ве-

щества количеством νэ (моль)

Пример

Мэ (Н) = fЭ middot М (Н) = 1 middot 1008 гмоль = 1008 гмоль

Мэ (Н2) = 1

2middot М (Н2) =

1

2middot 2016 гмоль = 1008 гмоль

Мэ (О) = 1

2middot М (О) =

1

2middot 16 гмоль = 8 гмоль

16

Мэ (О2) = 1

4middot М (О2) =

32 гмоль

4 = 8 гмоль

Мэ (Na) = М (Na) = 23 гмоль

Мэ (ОНminus) = М (ОН

minus) = 17 гмоль

Мэ (С) в СО = 12 гмоль

2 = 6 гмоль

Мэ (С) в СО2 = 12 гмоль

4 = 3 гмоль

Для оксидов R2Oх

Мэ (R2Ox) = fЭ middot М (R2Ox)

Мэ (R2Ox) = Мэ (R) + Мэ (O) = fЭ (R) middot М (R) + 8

Пример

Мэ (Al2O3) = 1

6middot M (Al2O3) =

102 гмоль

6 = 17 гмоль

Мэ (Al2O3) = 27 гмоль

3+ 8 гмоль = 17 гмоль

Мэ (кислоты) = fЭ middot М (кислоты)

Мэ (кислоты) = 1

основность кислотыmiddot М (кислоты)

Мэ (кислоты) = Мэ (Н+) + Мэ (А

minus) = 1 гмоль + fЭ middot М (А

minus) = 1 гмоль +

+1

заряд анионаmiddot М (А

minus) где А

minus minus кислотный остаток

Пример

Мэ (Н3РО4) = 1

3middot М (Н3РО4) =

1

3middot 98 гмоль = 3267 гмоль

Мэ (Н3РО4) = Мэ (Н+) + Мэ (РО 3

4

) = 1 + 1

3middot М (РО 3

4

) = 1 гмоль + 1

3middot

middot 95 гмоль = 1 гмоль + 3167 гмоль = 3267 гмоль

Мэ (основания) = fЭ middot М (основания)

Мэ (основания) = 1

кислотность основанияmiddot М (основания)

Мэ (основания) = Мэ (Мn+

) + Мэ (ОНminus) = fЭ middot М (М

n+) + fЭ middot М (ОН

minus) =

= 1

nmiddot М (М

n+) + 17

Пример

Мэ (Al(OH)3) = 1

3middot 78 гмоль = 26 гмоль

Мэ (Al(OH)3) = 1

3middot 27 гмоль + 17 гмоль = 9 гмоль + 17 гмоль =

= 26 гмоль

Для солей состава КхАу

Мэ (соли) = fЭ middot М (соли) = Мэ (Ку+

) + Мэ (Ахminus

) = fЭ (Ку+

) middot М (Ку+

) +

+ fЭ (Ахminus

) middot М (Ахminus

)

17

Пример

Мэ (Al2(SO4)3) = 1

6 middot М [Al2(SO4)3] =

342 гмоль

6 = 57 гмоль

Мэ (Al2(SO4)3) = 27

3 +

96

2 = 9 гмоль + 48 гмоль = 57 гмоль

Мэ (окислителя или восстановителя) = fЭ middot М (в-ва) = 1

nmiddot М (в-ва) где n ndash

число отданных или принятых электронов z ndash эквивалентное число = n

Пример

а) Мэ (KMnO4) = 1

5middot М (KMnO4) =

1

5middot 158 гмоль = 316 гмоль (при пере-

ходе MnO4

в Mn+2

)

Мэ (MnO2) = 1

2middot М (MnO2) =

1

2middot 87 гмоль = 435 гмоль (при переходе

MnO2 в MnO 2

4

)

При определении Мэ веществ участвующих в химических реакциях сле-

дует учитывать их fЭ

Пример

а) Аl(OH)3 + H3PO4 rarr AlPO4 + 3H2O

Мэ (Аl(OH)3) = 1

3middot М (Аl(OH)3)

Мэ (H3PO4) = 1

3middot М (H3PO4)

б) 3Аl(OH)3 + H3PO4 rarr [Al(ОН)2]3PO4 + 3H2O

Мэ (Аl(OH)3) = М (Аl(OH)3)

Мэ (H3PO4) = 1

3middot М (H3PO4)

в) 3Аl(OH)3 + 2H3PO4 rarr [Al(ОН)]3(PO4)2 + 6H2O

Мэ (Аl(OH)3) = 1

2middot М (Аl(OH)3)

Мэ (H3PO4) = 1

3middot М (H3PO4)

г) Аl(OH)3 + 3H3PO4 rarr Al(Н2PO4)3 + 3H2O

Мэ (Аl(OH)3) = 1

3middot М (Аl(OH)3)

Мэ (H3PO4) = М (H3PO4)

д) 2Аl(OH)3 + 3H3PO4 rarr Al2(НPO4)3 + 6H2O

Мэ (Аl(OH)3) = 1

3middot М (Аl(OH)3)

Мэ (H3PO4) = 1

2middot М (H3PO4)

е) Fe(OH)2Cl + HCl rarr Fe(OH)Cl2 + H2O

Мэ (Fe(OH)2Cl) = М (Fe(OH)2Cl)

Fe(OH)2Cl + 2HCl rarr FeCl3 + 2H2O

18

Мэ (Fe(OH)2Cl) = 1

2middot М (Fe(OH)2Cl)

Fe(OH)2Cl + NaOH rarr Fe(OH)3 + NaCl

Мэ (Fe(OH)2Cl) = М (Fe(OH)2Cl)

ж) KCr(SO4)2 + 3KOH rarr Cr(OH)3 + 2K2SO4

Мэ (KCr(SO4)2) = 1

3middot М (KCr(SO4)2)

KCr(SO4)2 + 6KOH rarr K3[Cr(OH)6] + 2K2SO4

Мэ (KCr(SO4)2) = 1

6middot М (KCr(SO4)2)

и) MnSO4 + 2KOH rarr Mn(OH)2 + K2SO4

Мэ (MnSO4) = 1

2middot М (MnSO4)

MnSO4 + 2Cl2 + 8KOH rarr K2MnO4 + 4KCl + K2SO4 + 4H2O

Мэ (MnSO4) = 1

4middot М (MnSO4)

2MnSO4 + 5K2S2O8 + 8H2O rarr 2HMnO4 + 2H2SO4 + 10KHSO4

Мэ (MnSO4) = 1

5middot М (MnSO4)

Масса эквивалента вещества (mэ) (г кг hellip)

mэ = э

A

M

N = fЭ middot

A

M

N=

M

z NA =

э A

m

ν N

Пример

mэ (Mg) =

A

M Mg

N =

23 1

12 гмоль

6022 10 моль = 1993middot10

minus23 г

mэ (СаСО3) = 23 1

300г

6моль 6022 10 моль = 83029middot10

minus23 г

Таким образом эквивалент фактор эквивалентности эквивалентное чис-

ло масса эквивалента молярная масса эквивалента ndash величины переменные

зависящие от валентности степени окисления количества атомов зарядов

ионов в молекулах веществ основности кислоты кислотности основания а в

окислительно-восстановительных реакциях ndash от количества отданных или при-

нятых электронов

Количество вещества эквивалента (νэ моль)

νэ = эM

m =

Э

m

Мf = в-ва

Эf

=

m z

M

где m ndash масса вещества г

Пример

m (Аl) = 135 г Мэ (Аl) = 1

3 middot 27 гмоль = 9 гмоль

ν (Аl) = 135г

9гмоль = 15 моль

В 135 г алюминия содержится 15 молей эквивалентов алюминия или (15

middot NA) эквивалентов алюминия z = 3 1 моль атомов алюминия эквивалентен 3

молям эквивалентов алюминия или (3 NA) эквивалентам алюминия

19

1 моль электронов эквивалентен числу Фарадея

F = 160217733middot10minus19

Кл middot 60221367middot10minus1

моль = 96485309 Клмоль

(Клmiddotмольminus1

)

Пример

m = M (O2) νэ = 32г

8гмоль = 4 моль

1 моль молекул O2 содержит 4 моль эквивалентов кислорода

Для сложных веществ Мэ и νэ могут быть рассчитаны по fЭ который ха-

рактеризует их в данной реакции

Молярный объем эквивалента газообразного вещества (Vэ) (лмоль

м3кмоль м

3моль) ndash это объем занимаемый 1 молем эквивалентов этого ве-

щества

Vэ= fЭ middot Vm = 0V

э V 0

э = fЭ middot V

0

m = 0V

э

Пример

V 0

э (О2) =

1

4middot 224 лмоль = 56 лмоль

Это означает что 1 моль эквивалентов О2 при ну занимает объем равный

56 л

V 0

э (Н2) =

1

2middot 224 лмоль = 112 лмоль те 1 моль эквивалентов Н2 при

ну занимает объем равный 112 л

1 моль молекул О2 или 4 моля эквивалентов О2 при ну занимают объем

224 л 1 моль молекул Н2 или 2 моля эквивалентов Н2 при ну занимают объем

224 л

Закон эквивалентов массы веществ реагирующих друг с другом или об-

разующихся в результате химической реакции соотносятся между собой как

их молярные массы эквивалентов

2

1

m

m =

э (1)

э (2)

M

M

1

э (1)

m

М=

2

э (2)

m

М

1

э (1)

m

М = νэ (1)

2

э (2)

m

М = νэ (2)

νэ (1) = νэ (2) ndash количество эквивалентов каждого из участников химической

реакции

Для газообразного вещества

э

m

M =

э

V

V =

0

0

э

V

V = νэ

Закон эквивалентов для химической реакции с участием газа

1

э (1)

m

М=

2

э 2

V

V=

0

2

0

э 2

V

V = νэ (1) = νэ (2)

Мэ (1) =

0

э (2)1

0

2

m middotV

V

Экспериментальное определение эквивалентов и молярных масс эквива-

лента различных веществ может быть проведено различными методами

20

Б2

Л1

Т

Б1

Л2

П

Г

1 Метод прямого определения Эквивалент и молярную массу эквива-

лента устанавливают исходя из соединений данного элемента с водородом или

кислородом

2 Косвенный метод в котором вместо водорода и кислорода использу-

ют другие элементы и вещества с известным эквивалентом и молярной массой

эквивалента

3 Метод вытеснения водорода из кислоты металлом взятой навески

Применим к металлам которые способны вытеснять водород из щелочей и раз-

бавленных кислот

4 Аналитический метод Эквивалент определяют из результатов хими-

ческого анализа элемента в одном из его соединений

5 Электрохимический метод основан на законе Фарадея согласно ко-

торому asymp 96 500 Кл электричества выделяют из электролитов при электролизе

1 моль эквивалентов вещества

Экспериментальная часть

Опыт 1 Определение молярной массы эквивалента алюминия мето-

дом вытеснения

Метод основан на реакции взаимодействия алюминия с соляной кислотой

и измерении объема выделившегося водорода

Собрать прибор представленный на рис 4 Заполнить 14 часть пробирки

раствором соляной кислоты (с массовой долей 15 ) Наклонив пробирку на

ее сухую сторону поместить предварительно взвешенную алюминиевую

Установка состоит из двух бюреток рабочей изме-

рительной Б1 и уравнительной Б2 соединенных

резиновой трубкой Т и заполненных подкрашен-

ной водой К рабочей бюретке при помощи газо-

отводной трубки Г присоединена пробирка П

Рис 4 Лабораторная установка для определения молярной массы эквивалента алюминия

21

фольгу (0015ndash0020 г) так чтобы она не соприкасалась с кислотой Присоеди-

нить пробирку к бюретке и проверить прибор на герметичность Для этого во-

ронку опустить на 10ndash15 см Если прибор герметичен то уровень воды в бю-

ретке несколько снизится а затем останется без изменения Привести давление

в бюретке к атмосферному для чего установить уровень воды в бюретке и во-

ронке на одной высоте в бюретке ndash около нулевого деления но не выше Отме-

тить и записать положение нижнего края мениска в бюретке (А1) После этого

пробирку со штативом наклонить так чтобы кислота смыла алюминиевую

фольгу Для начала реакции содержимое пробирки нагреть на спиртовке (не ка-

саться фитилем дна пробирки не кипятить) Выделяющийся водород бу-

дет вытеснять воду из бюретки После окончания реакции пробирку не снимая

с прибора охладить до комнатной температуры опустив ее в стакан с холодной

водой Затем привести давление внутри прибора к атмосферному и отметить

уровень воды в бюретке (А2)

Объем выделившегося водорода при комнатных условиях V2H = (А2 ndash А1)

привести по объединенному газовому закону (T

PV=

0

00

T

VP) к ну (V0 (H2)) учи-

тывая что общее давление Р = P пар OH2+ P

2Н (где P ndash парциальное давление)

откуда P2Н = Р ndash P пар OH2

тогда объединенный газовый закон T

Vmiddot)P (P пар OH2=

= 0

00

T

VP V

0(H2) = 22общ пар 0 HН О

0

(P Р )middotТ V

Р Т

Таблица 1

Зависимость давления водяного пара от температуры

Т К P OН2 Па Т К P OН2

Па

289 181318 295 233976

290 193317 296 281301

291 206649 297 298641

292 219913 298 317306

293 233314 299 335971

294 247979 300 355970

На основании полученных данных и закона эквивалентов рассчитать молярную

массу эквивалента алюминия (Al)э

Al

M

m=

2

0 2

0

m ( ) H

V (H )

V э

Результаты измерений записать по следующей форме

Навеска

алюминия

г

V2H мл

(А2 ndash А1) Т К

Робщ

Па 2H OP Па V 20 H

мл

Мэ(Al)

гмоль

Ошиб

ка

22

Опыт 2 Определение молярной массы эквивалента карбоната каль-

ция косвенным методом

Взвесить в стакане около 3 г мрамора с точностью до 001 г (m1) При-

лить пипеткой (рис 5) 15 мл раствора соляной кислоты с мо-

лярной концентрацией эквивалента 1 мольл Как только выде-

ление углекислого газа замедлится нагреть стакан до 60ndash70 оС

выдержать при этой температуре до окончания реакции Затем

слить образовавшийся раствор с оставшихся кусочков мра-

мора промыть их два раза дистиллированной водой методом

декантации Стакан с оставшимся мрамором высушить в су-

шильном шкафу при 107 оС и после охлаждения взвесить (m2)

Зная количество молей эквивалентов вступившей в реакцию

соляной кислоты (νэ) и массу прореагировавшего мрамора m3

рассчитать по закону эквивалентов молярную массу эквивален-

та карбоната кальция

Рис 5 Пипетки мерные

Результаты эксперимента записать по следующей форме

m1 г m2 г m3 (CaCO3) =

= m1 ndash m2 г V (HCl) мл

Mэ(СaCO3)

гмоль

Ошибка

νэ (HCl) = Vр-ра (HCl) middot Сэ (HCl)

νэ (СaCO 3 ) = νэ (HCl) )(CaCO э

CaCO

3

3

M

m = Сэ (HCl) middot Vр-ра (HCl)

Мэ (СаСО3) =

3CaCO

HCl э(HCl)

m г

мольV л middotС

л

Вопросы и задачи

1 Как проверить на герметичность прибор для определения молярной

массы эквивалента металла методом вытеснения водорода

2 Как привести давление в герметически закрытом приборе к атмосфер-

ному

3 Под каким давлением по сравнению с атмосферным будет находиться

газ в сосуде если уровень воды в бюретке

а) выше чем в воронке (уравнительном сосуде)

б) ниже чем в воронке

в) на одном уровне

23

4 Как рассчитать парциальное давление газа если он собран над водой

5 Вычислите молярную массу эквивалента металла если навеска техни-

ческого металла массой 0035 г имеющего 20 примесей (не взаимодейству-

ющих с кислотой) вытесняет из кислоты 119 мл водорода собранного над во-

дой при температуре 17 оС и давлении 103middot10

5 Па (давление водяного пара над

водой при 17 оС равно 00193middot10

5 Па)

Ответ 2807 гмоль

6 Чему равны молярные массы эквивалентов мышьяка в его оксидах со-

держащих мышьяк а) 652 (мас) As б) 757 (мас) As

Ответ 1499 гмоль 2492 гмоль

7 Вычислите молярную массу эквивалента фосфорной кислоты и гидрок-

сида алюминия в уравнениях реакций

а) H3PO4 + Ca(OH)2 = CaHPO4 + 2H2O

б) Al(OH)3 + HNO3 = Al(OH)2NO3 + H2O

8 Рассчитайте молярную массу эквивалента олова если

а) при нагревании 092 г его в токе кислорода образуется оксид олова

массой 117 г

б) при восстановлении оксида олова массой 117 г водородом получена

вода массой 016 г

Ответ а) 2944 гмоль б) 5886 гмоль

9 Из 27 г оксида некоторого металла можно получить 63 г его нитрата

Вычислите молярную массу эквивалента металла

Ответ 325 гмоль

10 При восстановлении 51 г оксида металла (III) образовалось 27 г во-

ды Определите молярную массу эквивалента и относительную атомную массу

металла

Ответ 9 гмоль 27

Следует уметь

1 Рассчитывать фактор эквивалентности массу эквивалента и молярную

массу эквивалента элемента простого и сложного веществ исходя из формулы

вещества уравнений реакций в которых участвует вещество закона эквива-

лентов молярного объема эквивалентов любого газообразного вещества

2 Экспериментально определять молярную массу эквивалентов простых

и сложных веществ

24

Работа 3 Приготовление растворов

Задания для подготовки к лабораторной работе

1 Изучите теоретическое введение к лабораторной работе обратив особое

внимание на различные способы выражения содержания растворенного веще-

ства в растворе

2 Проведите все расчеты необходимые для выполнения опытов изучив

метод интерполяции и laquoправило крестаraquo

3 Ознакомьтесь с устройством ареометра мерной посудой и правилами

пользования ими

Теоретическая часть

Раствор ndash это гомогенная система переменного состава состоящая из рас-

творителя растворенных веществ (одного или нескольких) и продуктов их вза-

имодействия Компонент который количественно преобладает и находится в

том же агрегатном состоянии что и образующийся раствор называется раство-

рителем все остальные его части ndash растворенными веществами Основным

признаком характеризующим раствор является его однородность Процесс

растворения часто сопровождается значительными объемными и энергетиче-

скими эффектами По этим признакам растворы больше напоминают химиче-

ские соединения и тем самым отличаются от механических смесей С другой

стороны растворы не имеют строго определенного состава и в этом их суще-

ственное отличие от химических соединений

Первоначально процесс растворения идет самопроизвольно (∆Gр-ния lt 0) и

раствор является ненасыщенным При дальнейшем добавлении вещества

наступает момент когда вещество перестает растворяться и тогда избыток рас-

творенного вещества выпадает в осадок Система оказывается в состоянии ис-

тинного равновесия (∆Gр-ния = 0) те скорости осаждения и растворения равны

Раствор становится насыщенным Можно получить и пересыщенные растворы

те такие массовые доли растворенных веществ в которых выше чем в насы-

щенных растворах (при определенных температуре и давлении) Пересыщен-

ные растворы можно приготовить медленным охлаждением насыщенных при

высокой температуре растворов (например Na2S2O3 NaCH3COO и др) Они

представляют систему находящуюся в кажущемся равновесии (∆Gр-ния gt 0)

Встряхивание или внесение кристаллов того же вещества которое находится в

растворе или изоморфного с ним вызывает кристаллизацию В результате про-

исходит выделение избытка растворенного вещества и раствор становится

насыщенным

Способы выражения концентрации растворов

Состав любого раствора может быть выражен как качественно так и ко-

личественно Раствор с относительно низким содержанием растворенного ве-

щества называют разбавленным с относительно высоким ndash концентрирован-

25

ным Такая количественная оценка условна Например для серной кислоты

концентрированным считается раствор где массовая доля кислоты равна 98 а

для соляной ndash 38

Для количественной оценки состава растворов используют понятие laquoкон-

центрацияraquo Существуют различные способы ее выражения

1 Массовая доля растворенного вещества в растворе Она обознача-

ется Wрв (по первой букве английского слова laquoWeightraquo ndash вес) и рассчитывается

по формуле Wрв = )ткг г(m

)ткг г(m

ра-р

рв Она выражается в долях от единицы и пока-

зывает сколько граммов (кг т) растворенного вещества содержится в 1 г (кг т)

раствора Например W3NaNO = 005 Это означает что в каждом грамме (кг т)

раствора содержится 005 г (кг т) растворенного вещества Массовая доля рас-

творенного вещества в растворе может быть выражена и в процентах Wрв

= ра-р

рв

m

m middot 100 = Wрв middot 100 В этом случае W указывает сколько граммов (кг

т) растворенного вещества содержится в каждых 100 г (кг т) раствора Напри-

мер W3NaNO = 5 в каждых 100 г раствора содержится 5 г NaNO3 или в

каждых 100 кг (т) раствора ndash 5 кг (т) NaNO3

Раствор любой концентрации характеризуется своей плотностью ρ (гмл

кгл гл тм3) которая показывает сколько граммов (кг т) весит 1 мл (л м

3)

раствора данной концентрации Например ρ = 102 гмл Это означает что 1 мл

раствора данной концентрации весит 102 г Плотность раствора рассчитывает-

ся по формуле ρр-ра = ра-р

ра-р

V

m Плотность (ρ) ndash это величина для перехода от массы

раствора к его объему и наоборот

2 Молярная концентрация раствора (См) Ее значение показывает

сколько молей растворенного вещества содержится в 1 л раствора Например

См (р-ра KCl) = 5 мольл Это означает что в каждом литре такого раствора со-

держится 5 моль KCl Молярная концентрация рассчитывается по формуле

См = рв

р-ра

ν

V=

рв

рв р-ра

m

М middotV(мольл) где νрв minus количество растворенного вещества

(моль) mрв ndash масса растворенного вещества (г) М ndash молярная масса раство-

ренного вещества (гмоль) Vр-ра ndash объем раствора (л)

3 Молярная концентрация эквивалента раствора (эквивалентная кон-

центрация или нормальная концентрация) Она обозначается Сэ (используется

также Сн) Ее значение показывает сколько молей эквивалентов растворенного

вещества содержится в 1 л раствора Например Сэ (р-ра HNO3) = 2 мольл Это

означает что в каждом литре раствора содержится 2 моль эквивалентов HNO3

Молярная концентрация эквивалента раствора рассчитывается по формуле

Сэ = э рв

р-ра

ν

V=

рв

э рв р-ра

m

М middotV(мольл)

26

Растворы имеющие одинаковые значения Сэ реагируют между собой в

равных объемах так как содержат равные количества молей эквивалентов рас-

творенных веществ Если растворы имеют различные значения Сэ то вступаю-

щие в реакцию объемы этих растворов обратно пропорциональны их молярным

концентрациям эквивалента 2

1

V

V=

1 э

2 э

С

C или V1 middot Cэ 1 = V2 middot Cэ 2

4 Моляльная концентрация раствора (Сm) Ее значение показывает

сколько молей растворенного вещества содержится в 1 кг растворителя

Например Сm (р-ра H2SO4) = 10 молькг Это означает что в каждом кило-

грамме воды растворено 10 моль H2SO4 Моляльная концентрация раствора

рассчитывается по формуле Сm = рв

р-ля

ν

m=

рв

рв р-ля

m

М middotm(молькг)

5 Молярная (мольная) доля растворенного вещества в растворе Она

обозначается χрв Ее значение показывает сколько молей растворенного веще-

ства содержится в 1 моль раствора Например χ4CuSO = 002 Это означает что в

1 моль раствора содержится 002 моль CuSO4 Если в растворе только одно рас-

творенное вещество то χ ОH2= 098 Сумма мольных долей всех компонентов в

растворе равна единице те 1 моль Мольная доля растворенного вещества в

растворе рассчитывается по формуле χрв = ля-ррв

рв

νν

ν

=

ра-р

рв

ν

ν=

OH

OH

рв

рв

рв

рв

2

2

M

m

М

m

М

m

Если в растворе несколько (К) растворенных веществ то мольная доля любого

из компонентов в том числе растворителя рассчитывается по формуле

χi =

K

1i

i

i

ν

ν Например при наличии трех растворенных веществ и растворителя

χ1 = 4321

1

νννν

ν

χ2 =

4321

2

νννν

ν

χ3 =

4321

3

νννν

ν

χ4 = 4321

4

νννν

ν

χ1 + χ2 + χ3 + χ4 = 1

6 Титр раствора Этот вид выражения состава раствора обозначается

буквой Т Его значение показывает сколько граммов растворенного вещества

содержится в 1 мл раствора Например Т (р-ра Na2CO3) = 15 гмл Это означа-

ет что в каждом миллилитре такого раствора содержится 15 г Na2CO3 Титр

раствора рассчитывается по формуле Т = рв

р-ра

m

V (гмл)

27

Экспериментальная часть

Опыт 1 Приготовление пересыщенного раствора тиосульфата натрия

Положите в пробирку несколько кристаллов Na2S2O3middot5H2O и очень осто-

рожно нагрейте Закройте пробирку ватой и дайте ей охладиться Охлажден-

ную до комнатной температуры пробирку резко встряхните Нагреванием про-

бирки с солью снова получите прозрачный раствор Охладите и внесите не-

большой кристалл исходного вещества Объясните наблюдаемое

Опыт 2 Определение массовой доли серной кислоты по плотности

раствора

Наиболее простой и быстрый способ ndash с помощью ареометра Его приме-

нение основано на том что плавающее тело погружается в жидкость до тех пор

пока масса вытесненной жидкости не станет равной массе самого тела В рас-

ширенной нижней части ареометра находится груз на верхней узкой части ndash

шейке ndash нанесены деления показывающие плотность жидкости в которой

laquoплаваетraquo ареометр

Исследуемый (концентрированный) раствор серной кислоты налейте (под

тягой) в сухой чистый мерный цилиндр на frac34 его объема В раствор осторож-

но не касаясь стенок цилиндра опустите ареометр Каждый ареометр предна-

значен для измерения плотности в определенных пределах При выборе арео-

метра необходимо ориентировочно знать плотность данного раствора Вы-

яснив цену одного деления шкалы ареометра отметьте его показания (по ниж-

нему мениску раствора) Приподняв ареометр на 1ndash2 см вновь опустите его в

раствор и еще раз определите показания По справочной таблице найдите мас-

совую долю растворенного вещества в растворе Если такая величина в таблице

отсутствует то массовую долю находят методом интерполяции (определение

промежуточного значения по двум крайним) Например экспериментальное

показание ареометра равно 1124 гмл Находим ближайшие к этому табличные

значения плотности массовой доли и их разность

ρ гмл W

1130 1831

1120 1701

0010 130

Таким образом изменению плотности на 0010 гмл соответствует изме-

нение массовой доли на 130 Экспериментальное показание ареометра отли-

чается от меньшей табличной величины на 0004 гмл

ρ гмл W

1124

1120 1701

0004

С учетом того что в указанных пределах между плотностью и массовой

долей раствора зависимость линейная составляем пропорцию

28

0010 гмл -----------------130

0004 гмл ----------------- х х = 052

Найденное число (052 ) прибавляем к меньшей массовой доле

(1701 ) взятой из таблицы и соответствующей плотности 1120 Получаем

W = 1701 + 052 = 1753 что соответствует плотности 1124 гмл Этот спо-

соб определения содержания растворенного вещества в растворе применяют в

том случае если не требуется большой точности Более точный способ ndash опре-

деление с помощью титрования Обычно ареометры калибруются при 20 оС В

таблицах значения плотностей растворов приводятся при этой же температуре

Если не требуется особой точности табличными данными можно пользоваться

и для других температур

Опыт 3 Приготовление 50 мл 4 раствора сульфата меди из кри-

сталлогидрата CuSO4middot5H2O

Рассчитайте сколько граммов CuSO4middot5H2O и какой объем воды нужно

взять для приготовления 50 мл раствора с массовой долей CuSO4 4

Взвесьте вычисленную массу кристаллогидрата и перенесите в стакан емко-

стью 100 мл Отмерьте мерным цилиндром (см рис 3) рассчитанный объем

дистиллированной воды перелейте ее в стакан с навеской пентагидрата суль-

фата меди и перемешайте стеклянной палочкой до полного растворения кри-

сталлов соли Полученный раствор перелейте в мерный цилиндр и измерьте

плотность раствора По таблице найдите и запишите массовую долю CuSO4

отвечающую этому значению плотности (ρтеор (4 раствора CuSO4) =

= 104 гмл) пересчитайте на молярную концентрацию молярную концентра-

цию эквивалента моляльную концентрацию и титр раствора

Таблица 2

Исходные данные и полученные результаты приготовления

раствора сульфата меди

Задан-

ная

массо-

вая доля

W

ρтеор

гмл

Рассчитанные

массы компо-

нентов г ρэксп

гмл

Экспериментальные

значения Отн

ошиб

ка

CuSO4middot5H2O Н2О W

См

мольл

Сэ

мольл

Сm

молькг

Т

гмл

Опыт 4 Приготовление 100 мл раствора серной кислоты с молярной

концентрацией эквивалента 01 мольл из более концентрированного раз-

бавлением водой

Для приготовления растворов заданной молярной или эквивалентной

концентраций используются мерные колбы (рис 6) различного объема (25 50

100 200 250 500 1000 мл и более) Рассчитайте объем концентрированного

раствора серной кислоты массовая доля которого определена в опыте 2 необ-

29

ходимый для приготовления 100 мл рас-

твора серной кислоты с молярной кон-

центрацией эквивалента 01 мольл Кис-

лоту перенесите пипеткой (см рис 5) в

мерную колбу объемом 100 мл предвари-

тельно налив в нее примерно 20 мл ди-

стиллированной воды После этого до-

лейте воду в колбу до метки раствор

перемешайте и охладите до комнатной

Рис 6 Мерные колбы температуры Молярная концентрация

эквивалента полученного раствора должна быть близка к 01 мольл Точную

концентрацию раствора серной кислоты определите титрованием щелочью Для

титрования бюретку с наконечником (рис 7) заполните до нулевой

метки титрованным раствором щелочи

предварительно ополоснув им бюретку В

три конические колбы (рис 8) пипеткой

налейте по 10 мл приготовленной серной

кислоты Добавьте в каждую колбу по 2ndash3

капли фенолфталеина и поочередно титруй-

те раствором щелочи из бюретки Щелочь

приливайте медленно левой рукой правой

размешивая раствор Титрование считается

законченным если от прибавления следу-

ющей капли щелочи появляется малиновое

окрашивание которое не исчезает 30 с Рис 8 Колба коническая

Рис 7 Бюретка

мерная для титрования

Для более четкого определения изменения цвета под колбу для титрова-

ния поместите лист белой бумаги Запишите объем щелочи израсходованной

на титрование 10 мл раствора серной кислоты

Аналогично оттитруйте две другие пробы кислоты Результаты парал-

лельных определений не должны различаться между собой более чем на

005ndash010 мл Возьмите из них среднее и рассчитайте точную концентрацию

приготовленного раствора серной кислоты и его титр

Опыт 5 (дополнительный) Приготовление раствора серной кислоты

смешиванием растворов с более высокой и более низкой массовыми долями

Из концентрированного (опыт 2) и имеющегося (опыт 4) в лаборатории

растворов серной кислоты приготовьте 50 мл раствора с массовой долей серной

кислоты равной 30 Для расчета объемов исходных растворов воспользуй-

тесь laquoправилом крестаraquo

30

W1 m1

W

W2 m2

где W ndash массовая доля серной кислоты приготовляемого раствора W1 и W2 ndash

более высокая и более низкая массовые доли H2SO4 в исходных растворах (для

воды W = 0) m1 и m2 ndash массы исходных растворов с более высокой и более

низкой массовой долей Соотношения для исходных растворов таковы

m1 = W ndash W2 m2 = W1 ndash W Таким образом для получения раствора массой

m = (m1 + m2) c массовой долей W необходимо взять m1 г раствора с массовой

долей W1 и m2 г раствора с массовой долей W2 (или V1 р-ра = 1

1m

ρ V2 р-ра =

2

2m

ρ)

Отмерьте вычисленные объемы растворов слейте их в цилиндр объемом 100

мл перемешайте С помощью ареометра и таблицы установите содержание

растворенного вещества в растворе и расхождение практически полученного

значения с заданным

Вопросы и задачи

1 Что произойдет с насыщенным пересыщенным и ненасыщенным рас-

творами алюмокалиевых квасцов при внесении в каждый из них нескольких

кристаллов KAl(SO4)2middot12Н2О

2 Какой объем раствора в котором массовая доля КОН составляет 12

(ρр-ра = 1109 гмл) надо взять чтобы приготовить 250 мл раствора с молярной

концентрацией 2 мольл

Ответ 178 мл

3 В 1 кг воды растворено 666 г гидроксида калия Рассчитайте массовую

долю растворенного вещества в растворе и его концентрации (молярную мо-

ляльную молярную концентрацию эквивалента молярные доли щелочи и во-

ды титр раствора) если его плотность равна 1395 гмл

Ответ 40 995 мольл 119 молькг 0176 0824 0557 гмл

4 В лаборатории имеются растворы с массовыми долями хлорида калия

20 и 40 Сколько граммов каждого раствора надо взять для получения 500 г

раствора с массовой долей соли 25

Ответ 375 г 125 г

5 Плотность раствора карбоната калия равна 122 гмл Из 1 л этого рас-

твора при действии соляной кислоты получено 445 л СО2 (ну) Вычислите

процентное содержание К2СО3 в растворе и его молярную концентрацию экви-

валента

Ответ 225 397 мольл

31

6 В каких объемах должны быть смешаны 01 н и 60 (ρ = 1498 гмл)

растворы серной кислоты чтобы получить 1 л 1 н раствора Н2SO4

Ответ 493 и 9507 мл

7 К 005 л раствора хлорида марганца (II) (ρ = 1085 гмл W = 8 ) при-

бавлено 02 л раствора гидроксида лития массовая доля LiOH в котором 10

(ρ = 1107 гмл) Какое вещество взято в избытке и в каком количестве оно

останется после реакции

Ответ 27 г

8 Для осаждения сульфата бария из раствора BaCl2 (ρ = 106 гмл

W = 8 ) объемом 100 мл требуется раствор Н2SO4 объемом 139 мл Чему равна

молярная концентрация и моляльная концентрация эквивалента раствора

Н2SO4

Ответ 0294 и 0588 мольл

9 Растворы азотной кислоты и гидроксида натрия объемом 1 л каждый

содержат соответственно 189 г HNO3 и 32 г NaOH Какова молярная концен-

трация этих растворов и в каком объемном соотношении они должны быть

смешаны для получения нейтрального раствора

Ответ 03 и 008 мольл 1 375

10 Какова масса Al(OH)3 если для его растворения потребовалось 02 л

раствора азотной кислоты (ρ = 118 гмл W = 30 ) Какой объем 25 н раство-

ра КОН необходимо затратить для растворения этого количества гидроксида

алюминия

Ответ 292 мл 015 л

Следует уметь

1 Выражать содержание растворенного вещества в растворе различными

способами и осуществлять их взаимный пересчет

2 Готовить растворы смешиванием растворенного вещества и раствори-

теля разбавлением водой концентрированного раствора смешиванием двух

растворов разной концентрации выпариванием растворителя добавлением

растворяемого вещества к раствору

3 Пользоваться ареометром мерной посудой установкой для титрова-

ния методом интерполяции laquoправилом крестаraquo

4 Определять содержание растворенного вещества в растворе по его

плотности и с помощью титрования

Работа 4 Методы очистки веществ

Задания для подготовки к лабораторной работе

1 Ознакомьтесь со следующими элементами техники выполнения лабо-

раторных работ взвешиванием на весах измельчением растворением филь-

32

трованием изготовлением простых и складчатых фильтров фильтрованием го-

рячих растворов и фильтрованием растворов под вакуумом нагреванием на

электроплитке растворов в химической посуде промыванием и высушиванием

осадков методами очистки твердых жидких и газообразных веществ

2 Выполните необходимые расчеты

Теоретическая часть

В лабораторной практике большое значение имеет очистка веществ так

как работа с загрязненными реактивами обусловливает получение неточных ре-

зультатов и неправильных выводов

Известны многочисленные методы очистки веществ фильтрование ди-

стилляция дробная перегонка возгонка зонная плавка метод транспортных

реакций и др В лабораторной практике для очистки твердых веществ чаще ис-

пользуются перекристаллизация и возгонка для очистки жидкостей ndash фильтро-

вание и перегонка газов ndash отделение примесей путем поглощения их различ-

ными химическими веществами

1 Очистка твердых веществ от примесей перекристаллизацией и

возгонкой

Перекристаллизация основана на различной растворимости одного и то-

го же вещества при различных температурах Под растворимостью понимают

содержание вещества в насыщенном растворе при данной температуре Она

выражается обычно в граммах безводного вещества на 100 г растворителя

(табл 3) или любым видом концентрации растворов (см работу 3)

Таблица 3

Растворимость солей г100 г воды

Формула соли Температура

оС

0 20 40 60 80

CuSO4 143 205 287 395 555

K2Cr2O7 46 125 259 455 730

NaNO3 727 876 1049 1247 1490

КNO3 133 316 639 1100 1690

NH4Cl 294 372 458 552 656

Зависимость растворимости от температуры изображается также кривы-

ми растворимости (рис 9) Пользуясь табл 3 и рис 9 можно определить

например что в 100 г воды при 20 и 80 оС растворяется соответственно 316 и

1690 г нитрата калия Очевидно при охлаждении насыщенного при 80 оС рас-

твора нитрата калия до 20 оС должно выпасть 1690 ndash 316 = 1374 г соли Чем

ниже температура до которой охлаждают раствор тем большее количество

кристаллов выпадает в осадок

33

При небольшом изменении растворимости в результате повышения тем-

пературы (например хлорида натрия) раствор сначала упаривают а затем

охлаждают Иногда для кристаллиза-

ции к насыщенному водному раствору

вещества добавляют реагенты пони-

жающие его растворимость в воде

(например спирт ацетон концентри-

рованную соляную кислоту) Это явле-

ние называется laquoвысаливаниемraquo

Вещества применяемые в лабо-

раторной практике содержат как пра-

вило немного растворимых приме-сей

относительно которых раствор нена-

сыщен Поэтому при кристал-лизации

вещества из насыщенного раствора

примеси остаются в маточ-ном раство-

ре Маточным называется раствор

оставшийся после отфиль- тровыва-

ния выпавших кристаллов

Рис 9 Кривые растворимости Для получения более чистых ве-

некоторых солей ществ осуществляют повторную крис-

таллизацию

Возгонка ndash это переход вещества при нагревании из твердого состояния

непосредственно в пар минуя жидкое Этим методом очищают твердые веще-

ства от нелетучих примесей например йод серу нафталин хлорид аммония

салициловую кислоту и др Пары возгоняемого вещества конденсируются в

кристаллы на поверхности охлажденных предметов

2 Очистка жидкостей перегонкой

Перегонка основана на различии состава жидкой и паровой фаз Жидкая

фаза одного состава превращается в пар с последующей конденсацией его сно-

ва в жидкость другого состава Этим методом очищают жидкие смеси от рас-

творенных в них твердых веществ или менее летучих жидкостей

Различают несколько способов перегонки жидкостей под нормальным

давлением уменьшенным давлением и с водяным паром

Перегонкой под нормальным давлением пользуются в тех случаях когда

очищаемые жидкости при нагревании не разлагаются и не имеют слишком вы-

сокую температуру кипения Индивидуальное вещество при постоянном давле-

нии кипит при строго определенной температуре Поэтому температура кипе-

ния является характеристикой чистоты вещества Оно тем чище чем меньше

разница между температурой кипения очищаемого вещества и температурой

при которой оно перегоняется

34

3 Очистка газов

Газы для очистки пропускают через поглотительные сосуды содержащие

твердые или жидкие поглотители вступающие в химические реакции с приме-

сями и не реагирующие с очищаемым газом Этот процесс включает высуши-

вание и удаление специфических примесей образующихся в процессе его по-

лучения Пары воды можно поглощать концентрированной серной кислотой

прокаленным хлоридом кальция оксидом фосфора (V) силикагелем безвод-

ным сульфатом меди пары аммиака и хлороводорода ndash водой

Экспериментальная часть

Опыт 1 Очистка медного купороса перекристаллизацией

Пользуясь табл 4 рассчитайте четырьмя способами сколько граммов

воды и медного купороса следует взять для приготовления насыщенного при 80 оС раствора соли из которого при охлаждении до 20

оС выделилось бы 10 г

пентагидрата или 64 г безводного сульфата меди

Таблица 4

Растворимость

безводного сульфата меди и кристаллогидрата сульфата меди

при 80 и 20 оС

t оС

Масса г Масса раствора

г CuSO4 Н2О CuSO4times5Н2О Н2О

80 555 100 8672 6878 1555

8069 14539 12608 100 22608

20

205 100 3203 8847 1205

1594 7774 2490 6878 9368

2317 11303 362 100 1362

I способ расчет на 10 г CuSO4middot5Н2О

m (CuSO4middot5Н2О) m (Н2О)

80 оC 8672 6878

20 оC 2490 6878

II способ расчет на 10 г CuSO4middot5Н2О

m (CuSO4middot5Н2О) m (Н2О)

80 оC 12608 100

20 оC 3620 100

III способ расчет на 64 г CuSO4

m (CuSO4) m (Н2О)

80 оC 5550 100

20 оC 1594 1774

35

IV способ расчет на 64 г CuSO4

m (CuSO4) m (Н2О)

80 оC 8069 14539

20 оC 2317 11303

Примеры расчета масс веществ

Пример 1 Какие массы дихромата калия и воды необходимо взять для

получения очищенной соли массой 30 г если перекристаллизация будет прово-

диться в температурном интервале 80ndash20 оС

Решение

1) По табл 3 находим что при 80 оС в 100 г воды растворяется 7300 г

дихромата калия а при 20 оС ndash 1250 г

2) Следовательно при охлаждении раствора от 80 до 20 оС выделится

7300 ndash 1250 = 6050 г соли

3) Массу дихромата калия необходимую для получения 30 г очищенной

соли вычисляем следующим образом

для выделения 6050 г соли требуется 7300 г дихромата калия

для 30 г -------------------- х г х = 5060

0073middot30= 3619 г

4) Объем воды в котором должна быть растворена эта навеска рассчиты-

вается так

73 г дихромата калия растворяются в 100 г воды

362 г -------------------------------------- в х г

х = 73

100middot236= 4959 г (4959 мл так как плотность воды принимаем

равной 1 гмл)

Пример 2 Какую массу воды и медного купороса надо взять для приго-

товления насыщенного при 80 оС раствора соли из которого при последующем

охлаждении до 0 оС выделяется пентагидрат сульфата меди (II) массой 20 г

Решение

1) Учитывая растворимости безводного сульфата меди при 80 и 0 оС рас-

считаем какой массе кристаллогидрата соответствует масса безводной соли

555 и 143 г (CuSO4)

М(CuSO4middot5Н2О) = 250 гмоль М(CuSO4) = 160 гмоль

160 г безводной соли содержится в 250 г кристаллогидрата

555 г ----------------------------------- в х г

х = 160

250middot555= 867 г (80

оС)

160 г безводной соли содержится в 250 г кристаллогидрата

143 г ----------------------------------- в у г

у = 160

250middot314= 223 г (0

оС)

36

2) Вычисляем массу воды необходимую для растворения кристаллогид-

рата при соответствующих температурах

80 оС 100 ndash (867 ndash 555) = 688 г

0 оС 100 ndash (223 ndash 143) = 92 г

3) Масса медного купороса растворенная в воде массой 688 г при 0 оС

будет равна

в 92 г воды растворяются 223 г медного купороса

в 688 г ----------------------- х г

х = 688middot223

92= 1668 г

4) Масса кристаллогидрата выделяющегося при охлаждении от 80 до

0 оС равна 867 ndash 167 = 700 г

5) По условию задачи требуется получить медный купорос массой 20 г

Для выделения 70 г кристаллогидрата необходимо растворить его 867 г

для выделения 20 г ----------------------------------------------------------- х г

х = 2477 г

6) Масса воды необходимая для растворения 2477 г кристаллогидрата

для растворения 867 г кристаллогидрата требуется 668 г воды

для 2477 г ---------------------------------------------------- х г

х = 1965 г или 1965 мл (так как ρ OH2= 1 гмл)

Рассчитанную массу медного купороса взвесьте поместив его на часовое

стекло Отмерьте мерным цилиндром (см рис3) необходимый объем дистил-

лированной воды Вылейте воду в стакан из термостойкого стекла и нагрейте

до начала кипения Затем поместите навеску медного купороса в стакан с

нагретой водой и растворите при помешивании стеклянной палочкой Если по-

лученный раствор прозрачный и не содержит механических примесей то охла-

дите его до 20 оС помешивая стеклянной палочкой Если в приготовленном ис-

ходном растворе содержатся нерастворимые примеси то прежде чем охладить

раствор его необходимо отфильтровать через воронку для горячего фильтро-

вания (рис 10) с применением складчатого фильтра (рис 11)

Для нагрева воронки можно использовать

горячую воду из водопроводной сети Воронка имеет боковой отросток под который подстав-

ляют газовую горелку для нагревания находя-

щейся между стенками воды

При фильтровании легко воспламеняю-

щихся жидкостей применяют воронки с элек-

трическим обогревом

Рис 10 Воронка для горячего фильтрования

37

Для изготовления складчатого фильтра нужно взять соответствующий

размеру воронки квадрат из фильтровальной бумаги сложить его пополам и за-

тем еще раз пополам Внешние углы обрезать по дуге сложить laquoгармошкойraquo

При изготовлении простого фильтра приготовить конус как описано вы-

ше отогнуть один листочек и полученный конус вставить в воронку смочить

его дистиллированной водой (рис 12) Необходимо чтобы фильтр плотно при-

легал к стенкам воронки и между ними не было пузырьков воздуха Край филь-

тра должен быть ниже края воронки не менее чем на 05 см (рис 12 г)

Рис 11 Складчатый фильтр Рис 12 Изготовление простого фильтра

а-в ndash стадии изготовления г ndash фильтр помещен в воронку

Стеклянную воронку с развернутым складчатым фильтром поместите в

воронку для горячего фильтрования фильтр смочите ди-

стиллированной водой Жидкость перелейте на фильтр по

стеклянной палочке (рис 13) держать которую нужно в ле-

вой руке профильтруйте и охладите раствор до 20 оС

Выпавшие кристаллы отделите от маточного раствора

с помощью прибора изображенного на рис 14

Он состоит из фарфоровой воронки Бюхнера (1) колбы Бун-

зена (2) водоструйного вакуум-насоса или насоса Камовско-

го На сетчатое дно воронки Бюх-

нера положите два кружка филь-

тровальной бумаги Чтобы выре-

зать эти фильтры на верх воронки

положите два листа фильтроваль-

ной бумаги и плот-но прижмите

ладонью затем ножницами вы-

режьте один по обозначенному

контору другой ndash на 3ndash4 мм Рис 13 Фильтрование

меньше

На дно воронки вначале положите фильтр меньшего

размера затем большего смочите их дистиллирован-

ной водой и прижмите края к стенкам воронки

Вставьте воронку в колбу Бунзена перенесите в нее

кристаллы вместе с маточным раствором подсоеди-

Рис 14 Установка для ните прибор к насосу и включите его После отделе-

фильтрования с примене- ния кристаллов промойте их в 5ndash10 мл холодной дис- нием вакуума

38

тиллированной воды для удаления остатков маточного раствора

При перекристаллизации нужно получить вещество в кристаллах средне-

го размера так как крупные кристаллы обычно содержат включения маточного

раствора с находящимися в нем примесями а очень мелкие будучи свобод-

ными от этих включений образуют густую кашицу между отдельными кри-

сталлами которой прочно удерживается маточный раствор и отмыть его полно-

стью без потери вещества не удается

Снять кристаллы с воронки перевернув ее на лист фильтровальной бу-

маги и осторожно постучав по ее стенкам Сушить кристаллы нужно в сушиль-

ном шкафу или между листами фильтровальной бумаги до тех пор пока они

не перестанут прилипать к сухой стеклянной палочке Взвесьте перекристал-

лизованную соль и рассчитайте ее выход в процентах Раствор очищенной со-

ли и маточный раствор испытайте на присутствие хлорид-ионов (Реакция с

нитратом серебра в пробирку с небольшим количеством раствора добавьте

каплю раствора нитрата серебра и две капли азотной кислоты Выпавший бе-

лый осадок является хлоридом серебра)

Для уменьшения потери вещества при перекристаллизации маточный

раствор можно упарить наполовину и выделить новую порцию вещества по ме-

тодике описанной выше

Опыт 2 Возгонка йода

Взвесьте на часовом стекле 020 г йода 005 г йодида калия и 010 г окси-

да кальция (оксид кальция необходим для поглощения влаги йодид калия ndash для

очистки от примесей кислородных и других соединений йода) Смесь помести-

те на дно низкого тонкостенного стакана без носика и осторожно размешайте

стеклянной палочкой Накройте стакан круглодонной колбой наполненной

холодной водой (рис 15)

Поставьте стакан на кольцо штатива с асбестовой сеткой осторожно

нагрейте его дно пламенем спиртовки и наблюдайте возгонку йода По окон-

чании процесса прекратите нагревание и дайте стакану охладиться не снимая с

него колбы Затем поднимите колбу и осторожно снимите стеклянной палочкой

йод на предварительно взвешенное часовое стекло (кристаллы йода не сни-

мать металлическим шпателем так как йод взаимодействует с большинством

металлов) Определите массу йода и рассчитайте его выход в процентах

39

а б

Рис 15 Возгонка йода а ndash начало процесса б ndash конец процесса

Опыт 3 Очистка водопроводной воды перегонкой

Для очистки водопроводной воды соберите прибор для перегонки пред-

ставленный на рис 16 Он состоит из колбы Вюрца (1) в которую вставлен

термометр холодильника Либиха (2) аллонжа (3) колбы-приемника (4) с

хлоркальциевой трубкой Проверьте водопроводную воду на содержание в ней

ионов хлора (с использованием раствора нитрата серебра) ионов кальция и

магния

Для доказательства

наличия ионов кальция и

магния в пробирку налейте

5ndash6 мл водопроводной во-

ды добавьте 1 мл амми-

ачной буферной смеси и 3ndash

4 капли индикатора эри-

хрома черного Т Винно-

красная окраска жидкости

свидетельствует о наличии в

воде ионов кальция и маг-

ния фиолетовая ndash указы-

Рис16 Установка для перегонки воды вает на их отсутствие

Далее колбу Вюрца на 13 объема наполните водопроводной водой поместите

в нее для равномерного кипения жидкости несколько стеклянных капилляров

запаянных с одного конца Закройте отверстие колбы Вюрца пробкой с термо-

40

метром (ртутный шарик термометра должен быть немного ниже уровня отвод-

ной трубки колбы) Заполните холодильник водой (ток воды подается снизу

вверх) Приемник закройте пробкой снабженной аллонжем и хлоркальциевой

трубкой с натронной известью для поглощения углекислого газа из воздуха

Нагрейте на электроплитке воду до кипения предварительно положив под дно

колбы асбестовую сетку Отметьте при какой температуре закипит жидкость

Когда в приемнике соберется приблизительно 10 мл воды нагревание

прекратите Проверьте содержит ли дистиллированная вода ионы которые бы-

ли в водопроводной

Опыт 4 Очистка углекислого газа

Соберите прибор для получения и очистки оксида углерода (IV) (см

рис 1) Он состоит из аппарата Киппа и двух промывных склянок Тищенко В

одной из них находится дистиллированная вода (или раствор гидрокарбоната

натрия) в другой ndash концентрированная серная кислота

Получите углекислый газ в аппарате Киппа Для этого загрузите мрамор в

его средний шар и налейте через воронку такое количество 20 раствора соля-

ной кислоты чтобы он закрыл часть мрамора

Пропустите в течение 2 мин слабый ток оксида углерода (IV) через про-

мывные склянки Убедитесь с помощью обезвоженного сульфата меди содер-

жащегося в хлоркальциевой трубке что углекислый газ сухой Исследуйте

жидкость в склянке с дистиллированной водой на содержание в ней хлорид-

ионов Сделайте выводы

Вопросы и задачи

1 На чем основан процесс перекристаллизации

2 Как перекристаллизовать вещества растворимость которых изменяется

от температуры незначительно

3 Какой раствор называется маточным

4 Где остаются примеси после перекристаллизации и почему

5 От каких факторов зависит величина кристаллов Какие кристаллы со-

держат меньше примесей мелкие или крупные

6 От каких примесей освобождаются при очистке твердых веществ воз-

гонкой На чем основан этот метод

7 С какой целью при возгонке к йоду добавляют йодид калия и оксид

кальция

8 На каких физических процессах основана перегонка

41

9 Какой принцип лежит в основе работы холодильника

10 С какой целью при перегонке в колбу Вюрца добавляют так называе-

мые laquoкипелкиraquo (стеклянные трубки пористые материалы и т д)

11 От каких примесей очищается водопроводная вода при перегонке

12 Какие примеси присутствуют в диоксиде углерода полученном в ап-

парате Киппа и как их устранить

13 В насыщенном при 60 оС растворе сульфата калия его массовая доля

равна 154 Выразите растворимость в граммах на 100 г воды

Ответ 1829 г

14 Какая масса хлорида аммония выпадает в осадок при охлаждении до

0 оС насыщенного при 80

оС раствора массой 800 г

Ответ 17488 г

15 Какую массу воды и дихромата калия нужно взять для получения соли

массой 30 г если насыщение осуществлять при 60 а кристаллизацию ndash при

20 оС

Ответ 9090 г 4136 г

16 Какую массу нитрата натрия можно получить из раствора приготов-

ленного путем насыщения при 60 оС 25 мл воды и охлаждении до 0

оС (раство-

римость веществ приведена в табл 3)

Ответ 13 г

Следует уметь

1 Рассчитывать массы растворенного вещества и растворителя необхо-

димые для получения заданной массы очищенной соли

2 Взвешивать на весах отмерять жидкость цилиндром нагревать хими-

ческую посуду на электроплитке

3 Изготавливать простые и складчатые фильтры фильтровать при обыч-

ном давлении и под вакуумом

4 Рассчитывать практический выход продуктов

5 Правильно называть приборы и химическую посуду

6 Пользоваться аппаратом Киппа холодильником Либиха воронкой го-

рячего фильтрования

7 Проверять воду на чистоту

42

Работа 5 Определение изменения энтальпий физико-химических

процессов

Задания для подготовки к лабораторной работе

1 Повторите основные понятия изменение энтальпии реакции ∆rН изме-

нение энтальпии образования вещества ∆fН тепловой эффект реакции Qр-ции

тепловой эффект образования вещества Qобр закон Гесса и следствия из него

2 Ознакомьтесь с устройством калориметрической установки и зарисуйте

ее схему (рис 17)

Теоретическая часть

Большинство химических реакций сопровождается переходом химиче-

ской энергии в тепловую экзотермические реакции осуществляются с выделе-

нием тепла эндотермические ndash с поглощением

Количество тепла выделяющегося или поглощающегося при химической

реакции называется тепловым эффектом реакции который обозначается Qр-ции

или Qr где индекс laquorraquo ndash первая буква английского слова reaction

Тепловой эффект химической реакции при постоянном давлении Qр (ин-

декс laquoрraquo указывает постоянное давление) численно равен изменению энтальпии

∆rН взятой с противоположным знаком Qp = minus∆rН Тепловой эффект и измене-

ние энтальпии химической реакции измеряются в килоджоулях (кДж) или в ки-

локалориях (ккал) Уравнения химических реакций в которых указываются

тепловые эффекты или изменения энтальпии называются термохимическими

Энергетические эффекты различных процессов определяют эксперимен-

тально а термохимические расчеты проводят на базе основного закона термо-

химии ndash закона Гесса тепловой эффект изменение энтальпии изменение внут-

ренней энергии химической реакции зависят от природы и состояния исходных

веществ и конечных продуктов но не зависят от числа и характера промежу-

точных стадий процесса Этот закон лежит в основе расчета Q ∆Н ∆U различ-

ных процессов minus образования разложения сгорания растворения гидратации

нейтрализации и др

Если в ходе процесса при постоянном давлении системой совершается

работа расширения то Qp = ∆U + Р middot ∆V РV = nRT Р middot ∆V = ∆n middot RT

∆Н = ∆U + ∆n middot RT ∆U = ∆Н minus ∆n middot RT где ∆n ndash изменение числа молей газооб-

разных продуктов реакции и исходных веществ (∆n = продn minus исх

n )

Тепловой эффект (изменение энтальпии) растворения ndash теплота растворе-

ния (энтальпия растворения) данного вещества в данном растворителе опреде-

ляется количеством теплоты (изменением энтальпии) которое выделяется или

поглощается при растворении одного моля вещества в таком количестве рас-

творителя что дальнейшее прибавление последнего уже не вызывает дополни-

тельного теплового эффекта (изменения энтальпии)

Пример 1 Растворение Na2SO4 сопровождается выделением теплоты

(29 кДжмоль) а при растворении кристаллогидрата Na2SO4middot10Н2О происходит

43

поглощение теплоты (787 кДжмоль) Вычислите изменение энтальпии гидра-

тации

Решение

1 Термохимическое уравнение растворения Na2SO4

Na2SO4 (к) + aq rarr Na2SO4middotaq ∆Н1 (растворения безводной соли) = minus29 кДж

2 Процесс гидратации безводной соли

Na2SO4 (к) + 10Н2О(ж) rarr (Na2SO4 middot10Н2О)(к) ∆Н2 (гидратации) minus

3 Термохимическое уравнение растворения кристаллогидрата

Na2SO4middot10Н2О + aq rarr Na2SO4middot aq ∆Н3 (растворения кристаллогидрата) =

= 787 кДж

В соответствии с законом Гесса процесс растворения безводной соли (1)

складывается из процесса гидратации (2) и процесса растворения кристалло-

гидрата (3) те ∆Н1 = ∆Н2 + ∆Н3

Тогда ∆Н2 (гидратации) = ∆Н1 (растворения безводной соли) minus ∆Н3 (рас-

творения кристаллогидрата) = minus29 кДж minus 787 кДж = minus816 кДж

1-е следствие из закона Гесса изменение энтальпии реакции равно

сумме изменения энтальпий образования продуктов реакции за вычетом

суммы изменения энтальпий образования исходных веществ с учетом сте-

хиометрических коэффициентов

Пусть аА + бБ = сС + дД а б с д ndash стехиометрические коэффициенты

Тогда ∆rН = с middot ∆fНС + д middot ∆fНD minus а middot ∆fНА minus б middot ∆fНВ

Пример 2 Вычислите ∆Н 0

298 растворения NaOH в воде при образовании

раствора с концентрацией См = 1 мольл

Решение

Процесс растворения NaOH схематически выражается уравнением

NaOH(к) + aq rarr Na (р)

+ OH р

∆fН0

298 кДжмоль minus4268 minus2397 minus2284

∆rН0

298 = minus2397 minus 2284 + 4268 = minus413 кДж

Опыт подтверждает что растворение твердого NaOH сопровождается

разогреванием раствора

2-е следствие из закона Гесса изменение энтальпии реакции равно

сумме изменения энтальпий сгорания исходных веществ за вычетом суммы

изменения энтальпий сгорания продуктов реакции (с учетом стехиомет-

рических коэффициентов)

Пример 3 Вычислите ∆Н 0

298 реакции которая выражается уравнением

СН3СООН(ж) + С2Н5ОН(ж) = СН3СООС2Н5(ж) + Н2О(ж) ∆rН0

1 minus

Изменение энтальпии этого процесса можно рассчитать алгебраически

суммируя энтальпии сгорания

СН3СООН(ж) + 2О2(г) = 2СО2(г) + 2Н2О(ж) ∆rН0

2 = minus8711 кДж

2С2Н5ОН(ж) + 3О2(г) = 2СО2(г) + 3Н2О(ж) ∆rН0

3 = minus1367 кДж

СН3СООС2Н5(ж) + 5О2(г) = 4СО2(г) + 4Н2О(ж) ∆rН0

4 = minus2284 кДж

44

∆rН0

1 = ∆rН0

2 + ∆rН0

3 minus ∆rН

0

4 = minus8711 minus1367 + 22840 = minus46 кДж

Различают изменение энтальпий фазовых и химических превращений К

фазовым относят сублимацию испарение плавление полиморфные превраще-

ния переход из аморфного состояния в кристаллическое Разновидностью хи-

мических реакций служат процессы электролитической диссоциации и химиче-

ские превращения в водных растворах электролитов

Большое значение для развития химии имеет определение изменения эн-

тальпии нейтрализации кислоты щелочью ∆Ннейтр одного моля сильной кисло-

ты одним молем сильного основания ndash величина постоянная Этот факт объяс-

няет теория электролитической диссоциации Аррениуса согласно которой лю-

бая реакция нейтрализации сводится к следующему процессу

Н р-р

+ ОН р-р

= Н2О(ж)

∆fН0

298кДжмоль 0 minus23019 minus28583 Изменение энтальпии этой реакции

∆Н 0

298 нейтр = minus28583 + 23019 = minus556 кДж

∆Ннейтр слабых кислот слабыми основаниями ndash величина переменная за-

висящая от их констант диссоциации и соответственно от концентрации ионов

водорода Н р-р

и гидроксид-ионов ОН р-р

в растворе и имеет значение мень-

шее чем 556 кДжмоль

Экспериментальная часть

Опыт 1 Определение изменения энтальпии нейтрализации сильного

основания сильной кислотой

Для проведения опыта используйте калориметрическую установку

(рис 17) Она состоит из калориметрического стакана (1) вставленного в дру-

гой стакан (2) который играет роль теплоизо-

лирующей муфты подставки (3) крышки (4)

термометра (5) мешалки (6) пипетки (7) шта-

тива (8)

Взвесьте калориметрический стакан и

влейте в него из пипетки (бюретки) 25 мл рас-

твора NaOH или КОН с концентрацией Сэ

= 1 мольл и отметьте температуру с точностью

до 01 оС В другой стакан налейте из бюретки

25 мл НСl или HNO3 такой же концентрации и

измерьте с той же точностью температуру рас-

твора кислоты Затем быстро но аккуратно

влейте раствор кислоты в калори-

Рис 17 Калориметрическая метрический стакан Перемешивая мешалкой

установка содержимое сосуда отметьте максимальную

температуру смеси

Полученные данные используйте для расчетов Расчет проводите по сле-

дующей схеме

45

1 Вычислите изменение энтальпии реакции

NaOH (КОН) + НСl (HNO3) = Н2О + NaCl (KCl)

∆rН0 = (mж middot Cж + mст middot Cст) middot ∆t ∆t = tкон minus tнач где tкон tнач ndash конечная и

начальная температуры (оС) растворов в калориметрическом сосуде mст mж ndash

масса стеклянного калориметрического сосуда и находящейся в нем жидкости

Cст Cж ndash удельные теплоемкости стекла и жидкости Начальная температура ndash

это среднеарифметическая температура щелочи и кислоты конечная ndash наивыс-

шая температура после сливания растворов плотность раствора принять равной

1 гмл его удельную теплоемкость ndash равной теплоемкости воды

(4184 ДжгmiddotК) а удельную теплоемкость стекла ndash 0753 ДжгmiddotК Массу стакана

(mст) определяют в зависимости от того какая часть его объема заполняется

раствором (если наполовину то стm

2)

2 Составьте ионно-молекулярное уравнение реакции нейтрализации и

рассчитайте изменение энтальпии нейтрализации одного моля эквивалента

кислоты по результатам проведенного опыта

3 Определите относительную ошибку опыта (в процентах)

Опыт 2 Определение изменения энтальпии нейтрализации слабого

основания слабой кислотой

Проведите опыт аналогично первому взяв растворы аммиака и уксусной

кислоты с концентрацией Сэ = 1 мольл Вычислите изменение энтальпии

нейтрализации в расчете на 1 моль эквивалентов уксусной кислоты Сравните

результаты с данными предыдущего опыта

Опыт 3 Определение изменения энтальпии растворения безводного

сульфата меди (II)

Опыт проведите в калориметрической установке (см рис 17) В предва-

рительно взвешенный калориметрический стакан налейте 30 мл дистиллиро-

ванной воды определите ее температуру с точностью до 01 оС Взвесьте 1 г

безводного сульфата меди (II) с точностью до 001 г Быстро и аккуратно

всыпьте соль в калориметрический сосуд Размешивая его содержимое мешал-

кой отметьте максимальную температуру Зная разность температур общую

массу раствора и приняв удельную теплоемкость раствора равной удельной

теплоемкости воды рассчитайте изменение энтальпии данного процесса на

1 моль безводной соли

I 1 CuSO4 (к) + aq rarr CuSO4 middot aq ∆Н 0

р-ния б сminus

Имея в виду что гидратация безводной соли и растворение кристалло-

гидрата выражаются следующими термохимическими уравнениями

1 CuSO4(к) + 5H2O(ж) = CuSO4middot5H2O(к) ∆Н 0

1 = minus778 кДж ndash изменение

II энтальпии при гидратации

2 CuSO4middot5H2O(к) + aq = CuSO4 middot aq ∆Н 0

2 = 117 кДж ndash изменение энталь-

пии растворения кристаллогидрата рассчитайте ∆Н 0

р-ния б с CuSO4 на основе за-

46

кона Гесса ∆Н(р-ния б с) = ∆Н(гидрат) + ∆Н(р-ния кристаллогидрата) Сравните теоретиче-

ские и экспериментально рассчитанные значения изменения энтальпии и опре-

делите относительную погрешность опыта (в процентах)

Опыт 4 Определение изменения энтальпии гидратации карбоната

натрия

Опыт проведите по методике описанной в опыте 3 Взятая навеска кар-

боната должна составлять примерно 07 г Опыт и расчеты повторите для кри-

сталлогидрата Na2CO3middot10Н2О (навеска ndash 15 г на 30 мл воды) По найденным

изменениям энтальпий растворения Na2CO3 и Na2CO3middot10Н2О вычислите изме-

нение энтальпии гидратации карбоната натрия и сравните с литературными

данными

(∆Н 0

р-ния б с= minus251 кДжмоль ∆Н

0

гидрат = minus920 кДжмоль

∆Н 0

р-ния кристаллогидрата = 669 кДжмоль)

Вопросы и задачи

1 Почему химические и фазовые превращения сопровождаются выделе-

нием или поглощением энергии Почему в одних случаях энергия выделяется а

в других поглощается

2 Рассчитайте среднюю энергию связи в молекулах СН4 и SiH4 если из-

вестны изменения энтальпий образования Н (г) С (г) Si (г) и СН4 (г) SiH4 (г)

Объясните различия средней энергии связи С ndash Н Si ndash Н

Ответ 415325 кДжмоль

3 Вычислите среднюю энергию связи Н ndash О в молекуле воды если из-

вестно изменение энтальпии образования Н2О (г) Н (г) и О (г)

Ответ 462 кДжмоль

4 Вычислите изменение энтальпии реакции нейтрализации растворов

КОН и НСl CsOH и H2SO4 NaOH и HNO3 в случае очень разбавленных рас-

творов в расчете на 1 моль Н2О в стандартных условиях Почему изменение эн-

тальпий этих реакций одинаковы Почему значения изменения энтальпий

нейтрализации разных слабых оснований и кислот различны

Ответ minus556 кДжмоль

5 При растворении 10 г СаСl2 в 200 мл воды температура раствора повы-

силась на 77 К Вычислите изменение энтальпии гидратации СаСl2 если изме-

нение энтальпии растворения СаСl2middot6Н2О равна 1908 кДжмоль Удельную

теплоемкость раствора примите равной удельной теплоемкости воды

(4184 ДжгmiddotК) Ответ minus9423 кДжмоль

6 При растворении 8 г хлорида аммония в 20 г воды температура понизи-

лась на 2 оС Вычислите ∆Н растворения NH4Cl в воде принимая удельную

теплоемкость полученного раствора равной 41870 Дж(г middot К)

Ответ minus163 кДжмоль

47

7 Рассчитайте ∆rН растворения алюминия в разбавленной соляной кисло-

те если стандартные изменения энтальпий образования реагирующих веществ

равны ∆fНHCl (p-p) = minus1675 кДжмоль ∆fН 3 р-р

AlCl = minus6723 кДжмоль

Ответ minus3396 кДж

8 При растворении 5206 г BaCl2 в 400 моль Н2О выделяется 216 кДж

теплоты Вычислите ∆Н гидратации безводного BaCl2

Ответ 2713 кДжмоль

9 При растворении 16 г СаС2 в воде выделяется 313 кДж теплоты Опре-

делите изменение стандартной энтальпии образования Са(ОН)2

Ответ minus98633 кДжмоль

10 Вычислите изменение энтальпии при сгорании 20 л диборана (ну)

если ∆fН (В2О3 (к)) = minus1264 кДжмоль ∆fН (В2Н6 (г)) = 314 кДжмоль Целе-

сообразно ли использовать в качестве топлива диборан вместо этана если

стандартное изменение энтальпии сгорания этана равно minus155988 кДжмоль

Ответ minus19220 кДж

Следует уметь

1 Используя калориметрический метод рассчитывать энтальпию различ-

ных физико-химических процессов

2 Вычислять энтальпию реакции по энтальпиям образования исходных

веществ и конечных продуктов пользуясь законом Гесса и его следствиями

3 Учитывать влияние прочности химических связей в продуктах реакции

и исходных веществах на энтальпию реакции

48

Библиографический список

1 Еремин В В Основы общей и физической химии В В Еремин

А Я Борщевский ndash М Интеллект 2012 ndash 800 c

2 Неорганическая химия в 3 т под ред Ю Д Третьякова ndash М Ака-

демия 2011 minus 2012 ndash Т 1 ndash 240 с Т 2 ndash 368 с Т 3 (1) ndash 352 с Т 3 (2) ndash 400 с

3 Павлов Н Н Общая и неорганическая химия Н Н Павлов ndash М Лань

2011 ndash 496 с

4 Росин И В Общая и неорганическая химия Современный курс И

В Росин Л Д Томина ndash М Юрайт 2012 ndash 1338 с

5 Шрайвер Д Неорганическая химия в 2-х т Д Шрайвер П Эткинс ndash

М Мир 2013 Т 1 ndash 679 с Т 2 ndash 486 с

Содержание

Правила работы в химической лабораторииhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip3

Работа 1 Определение молярных масс газообразных веществhelliphelliphelliphellip4

Работа 2 Определение молярных масс эквивалентовhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip12

Работа 3 Приготовление растворовhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip24

Работа 4 Методы очистки веществhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip32

Работа 5 Определение изменения энтальпий

физико-химических процессовhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip42

Библиографический списокhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip48

Page 3: МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ К ЛАБОРАТОРНОМУ ...phys-chem.mrsu.ru/wp-content/uploads/2017/11/...МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ К ЛАБОРАТОРНОМУ

3

Химик требуется не такой который из одного чтения книг

понял сию науку но который собственным искусством

в ней прилежно упражнялся

М В Ломоносов

ПРАВИЛА РАБОТЫ В ХИМИЧЕСКОЙ ЛАБОРАТОРИИ

В химической лаборатории студенты знакомятся с правилами внутренне-

го распорядка охраны труда и строго их выполняют

За каждым студентом на все время работы закрепляются определенное

рабочее место и набор посуды Стол всегда должен быть чистым и на нем

должны находиться только необходимые приборы реактивы и лабораторный

журнал Работать следует в халате а при необходимости надевать перчатки

защитные очки или маску

Перед каждой лабораторной работой необходимо изучить теоретический

материал Опыты выполняются лишь после знакомства с описанием работы и

выяснения непонятных вопросов у преподавателя Работать нужно неторопли-

во вдумчиво аккуратно

Неиспользованные реактивы нельзя сливать в сосуды откуда они были

взяты чтобы не загрязнять исходные материалы Недопустимо уносить реакти-

вы приборы общего пользования на свой рабочий стол Категорически запре-

щается ставить склянки с реактивами на книги и тетради Все опыты с вредны-

ми веществами проводить только под тягой Работать с концентрированными

кислотами нужно в вытяжном шкафу и не переносить их на рабочие места

После окончания работы необходимо помыть посуду и привести в поря-

док рабочее место

Дежурный должен сдать лабораторию обслуживающему лаборанту и уй-

ти из нее последним

Лабораторный журнал

Результаты опытов записываются в лабораторном журнале которым мо-

жет служить большая общая тетрадь с полями для замечаний преподавателя и

собственных корректив

На обложке или на первой странице студент пишет свою фамилию ини-

циалы номер группы и название практикума Записи в журнале следует выпол-

нять только чернилами кратко аккуратно сразу в чистовом варианте

Рекомендуется такая последовательность записей в рабочем журнале

1 Дата 2 Номер работы и ее название 3 Номер опыта и его название 4 Опи-

сание цели эксперимента 5 Краткое теоретическое обоснование 6 Схема

установки 7 Таблицы для записей измерений и первоначальных расчетов (го-

товятся заранее) 8 Наблюдения в ходе опыта (интенсивность процесса усло-

вия его проведения сопутствующие явления ndash появление осадка изменение

4

окраски выделение газа и т д) 9 Выводы (таблицы графики итоговые

обобщения) 10 Ответы на вопросы и решение задач

Студент допускается к выполнению лабораторной работы при наличии

подготовленного лабораторного журнала

Студент не подготовившийся к выполнению лабораторной работы гото-

вится к ней во время занятия под наблюдением преподавателя и допускается к

работе если остается достаточно времени для ее выполнения Если времени на

выполнение лабораторной работы недостаточно то студент направляется на

отработку пропущенной работы в другую группу по расписанию работы препо-

давателя (или направляется в другую группу по договоренности с преподавате-

лем)

Студент выполняет лабораторную работу внося в практическую часть

отчета необходимые сведения уравнения реакций наблюдения расчеты гра-

фики делает необходимые выводы Далее студент должен защитить работу от-

ветив на ряд теоретических и практических вопросов преподавателя по сути

эксперимента решив расчетную задачу

Лабораторный практикум считается выполненным если студент отрабо-

тал и защитил все лабораторные работы набрав при этом минимально необхо-

димую сумму баллов

Работа 1 Определение молярных масс газообразных веществ

Задания для подготовки к лабораторной работе

1 Повторите важнейшие законы газового состояния (Бойля ndash Мариотта

Гей-Люссака Шарля Авогадро объединенный газовый закон) уравнение Кла-

пейрона ndash Менделеева понятия об относительной молекулярной (относитель-

ной атомной) и молярной массах моле абсолютной и относительной плотности

веществ методы определения молярных масс веществ в газообразном состоя-

нии

2 Ознакомьтесь с устройством аппарата Киппа и методикой определения

молярной массы оксида углерода (IV)

Теоретическая часть

Основные химические понятия

Химический элемент ndash совокупность атомов естественного изотопиче-

ского состава этого элемента с одинаковым зарядом ядра

Изотопы ndash разновидности атомов химического элемента с одинаковым

порядковым номером и отличающиеся друг от друга количеством нейтронов и

массовыми числами ( 1

1 Н 2

1 Н 3

1 Н 16

8 О 17

8 О 18

8 О)

Атом ndash наименьшая частица химического элемента являющаяся носите-

лем его свойств и неделимая при химических реакциях

5

Молекула ndash наименьшая частица простого или сложного вещества опре-

деляющая его свойства способная к самостоятельному существованию состо-

ит из атомов одного (простое вещество) или различных (сложное вещество)

химических элементов (С Si P4 S8 O2 O3 Г2 N2 Fe Cu ndash простые вещества

Н2О СО2 СаСО3 Са3(РО4)2 ndash сложные вещества)

Ион ndash это заряженная частица ndash атом или группа химически связанных

атомов несущая на себе при недостатке электронов положительный заряд и

называющаяся катионом а при избытке электронов отрицательный заряд и

называющаяся анионом (Сlminus Са

2+ РО 3

4

)

Вещество ndash это форма материи состоящая из атомов молекул или

ионов

Структурные единицы ndash любой вид реальных частиц (атомов молекул

ионов электронов и т п) и условно существующие доли таких частиц

(13 Н3РО4 15 КМnО4 13 Аl 12 СаСО3 12 Ва2+

и т п)

Число Авогадро ndash число атомов изотопа углерода 12

6С в 120000 г этого

вещества NА = 60221367middot1023

asymp 6022middot1023

атомов

Постоянная Авогадро ndash константа численно равная числу Авогадро и

показывающая число соответствующих структурных единиц в 1 моле таких

единиц NА = 60221367middot1023

asymp 6022middot1023

мольminus1

NА = N число частиц любой системы

количество вещества системы

Пример

Содержание структурных единиц в 1 моле таких единиц

NА атомов Na в 1 моле атомов Na

NА ионов Na+ в 1 моле ионов Na

+

NА молекул Н2 в 1 моле молекул Н2

NА атомов Н в 1 моле атомов Н

2NА атомов Н в 1 моле молекул Н2

NА молекул Са3(РО4)2 в 1 моле молекул Са3(РО4)2

3NА ионов Са2+

в 1 моле молекул Са3(РО4)2

2NА ионов РО 3

4

в 1 моле молекул Са3(РО4)2

3NА ионов Са2+

в 3 молях ионов Са2+

2NА ионов РО 3

4

в 2 молях ионов РО 3

4

13NА атомов Са Р О в 1 моле молекул Са3(РО4)2

Моль ndash единица измерения количества вещества Моль характеризует ко-

личество вещества определенной химической формулы ndash формульной единицы

(ФЕ)

1 моль любого вида структурных единиц ndash это такое количество веще-

ства которое содержит NА соответствующих структурных единиц

Пример

1 моль ионов Na+ содержит NА ионов Na

+

1 моль молекул NaCl NА ионов Na+ и NА ионов Cl

minus

1 моль молекул Са3(РО4)2 3 моль ионов Са2+

(3 middot NА ионов)

6

2 моль ионов РО 3

4

(2 middot NА ионов)

3 моль атомов Са (3 middot NА атомов)

2 моль атомов Р (2 middot NА атомов)

8 моль атомов О (8 middot NА атомов)

1 моль S8 NА молекул S8 (8 middot NА атомов S)

Количество молей вещества обозначается ν и рассчитывается по формуле

ν = m

M =

A

N

N где m ndash масса ν молей вещества M ndash его молярная масса Если

ν = 1 моль то m = M Масса 1 моля вещества равна его молярной массе

(в гмоль)

Пример

1 моль Са3(РО4)2 весит столько чему равна его молярная масса

М[Са3(РО4)2] = 3 middot М (Са) + 2 middot М (Р) + 8 middot М (О) = 3 middot 40078 + 2 middot 30974 + 8 middot

middot 15999 = 310174 гмоль

Масса 1 моля Са3(РО4)2 или 6022middot1023

молекул Са3(РО4)2 равна 310174 г

Атомная единица массы (аем) (другое название ndash углеродная единица

(уе)) Она равна 112 части массы атома легкого изотопа углерода с массовым

числом 12 Атомная единица массы ndash величина постоянная равная

16605402middot10minus24

г

1 аем = 1

12mат (

12

6С) =

261992 10 кг

12

asymp 0166middot10

minus26 кг

Единицы измерения аем ndash граммы килограммы и т д

Масса атомов и молекул mат mмол-лы выражается очень малыми величи-

нами порядка 10minus26

кг

Пример

m (Н) = 0167middot10minus26

кг = 10079 middot аем

m ( 12011

6С) = 1994middot10

minus26 кг = 12011 middot аем

m (СО2) = 7305middot10minus26

кг = 12011 middot аем + 2 middot 15999 middot аем

Единицы измерения масс атомов и молекул кг г аем и т д

mат =

ат

A

М

N= Аr middot аем mмол-лы =

мол-лы

A

М

N= Мr middot аем

mлюбого числа частиц m (N) = A

МN

N = M middot ν

Пример

mат (12

6С) =

23 1

12 гмоль

6022 10 моль = 1992middot10

minus26 кг

mат (12011

6С) = 23 1

12011гмоль

6022 10 моль = 1994middot10

minus26 кг

Относительная атомная масса (Аr) показывает во сколько раз сред-

няя масса атома естественного изотопического состава элемента больше

1 а е м Значения Аr приводятся в периодической системе элементов

7

Д И Менделеева Аr можно рассчитать по формуле Аr = ат эл-таm (кг г)

аем (кг г) Аr minus ве-

личина безразмерная Подстрочная буква laquorraquo minus первая буква английского слова

relative или латинского relativus ndash относительный сравнительный масса атома

сравнивается с 1 аем

Пример

Аr (О) = 159994 Это означает что масса атома кислорода больше аем

в 159994 раз Аr (Н) = 10079 ndash масса атома водорода больше 1 аем в

10079 раз Аr (С) = 12011 ndash масса атома углерода в 12011 раз больше 1 аем

Относительная молекулярная масса (Мr) простого или сложного веще-

ства ndash безразмерная величина равна отношению средней массы естественного

изотопического состава вещества к 1 аем Мr =

мол-лыm кг г

аем кг г Значения Мr рас-

считывают из величин Аr элементов образующих соединения с учетом коли-

чества атомов каждого из них Если химическая формула вещества АхВуСz то

Мr = х middot Аr (А) + y middot Аr (В) + z middot Аr (С)

Пример Мr (N2O5) = 2 middot Аr (N) + 5 middot Аr (О) = 2 middot 14007 + 5 middot 15999 = 108009 те

масса молекулы N2O5 в 108009 раз больше 1 аем

Молярная масса вещества (М) ndash это масса 1 моля вещества Единицы

измерения гмоль кгмоль гкмоль кгкмоль и т д М = m

где m ndash масса ν

молей вещества Молярная масса выраженная в гмоль или кгкмоль численно

равна относительной молекулярной (Мr) а для простых веществ состоящих из

одного атома ndash относительной атомной (Аr) массе Для вещества имеющего

формулу АхВуСz М = х middot М (А) + y middot М (В) + z middot М (С) (гмоль)

Пример

Аr (Cs) = 132905 М (Cs) = 132905 гмоль

Мr(SO2) = Аr (S) + 2 middot Аr (O) = 32064 + 159994 middot 2 = 64063

М(SO2) = 64063 гмоль

1 моль атомов цезия или 6022middot1023

атомов цезия весят 132905 г 1 моль

молекул SO2 или 6022middot1023

молекул SO2 весят 64063 г

Молярный объем газа (Vm) ndash объем занимаемый 1 молем газа Единица

измерения Vm ndash лмоль м3моль млмоль лкмоль и др

1 моль любого газа при одинаковых условиях (Р Т) занимает одинаковый

объем (V) (закон Авогадро) Молярный объем газа при нормальных условиях

(ну 0 оС или 273 К 760 мм рт ст или 101 325 Па)

V 0

m = 224 лмоль = 224middot10minus3

м3моль

Таким образом 1 моль любого газа при ну занимает объем равный

224 л

Vm и V 0

m рассчитываются по формулам

Vm =

V V 0

m =

0V где ν ndash количество вещества (моль) V и V0 minus объемы

газов (мл л м3) соответственно при любых условиях (V) и при ну (V0)

8

Молярный объем газа равен отношению объема (V) к количеству веще-

ства (ν)

Масса 1 л любого газа m = 0

m

М(гмоль)middot1(л)

V (л моль)

Количество вещества (ν) ν = m

М =

mV

V=

0

m

0

V

V

Молярная масса вещества М (гмоль) = m (г) middot 0

m

0

V (л моль)

V (л)

Относительная плотность одного газа (х) по другому газу (В) обозна-

чается Dв ndash величина безразмерная показывающая во сколько раз масса газа х

(mх) больше массы газа В (mв) такого же объема измеренных при одинаковых

условиях (Р Т)

Dв = в

m

mx

Если mх и mв взяты для веществ в количестве 1 моль то Dв = в

M

Mx

Dв показывает во сколько раз 1 моль газа х тяжелее 1 моля газа В

Для расчета Dв можно использовать и абсолютные плотности газов (ρ) В

этом случае Dв = в

ρ

ρx

Таким образом Dв = в

m

mx

= в

M

Mx

= в

ρ

ρx

Мх = Dв middot Мв

Абсолютная плотность вещества (ρ) в любом агрегатном состоянии ndash

это масса единицы его объема

ρ = m

V (кгм

3 гл гмл)

Пример

а) Относительная плотность СО2 по Н2

D2Н =

2

2

H

CO

m

m =

2

2

H

CO

M

M где m

2CO и m2H ndash массы СО2 и Н2 при одинаковых V

Р Т М2CO и М

2H ndash молярные массы СО2 и Н2 те массы СО2 и Н2 объемом

224 л при ну М2CO = D

2Н middot M2H

б) Относительная плотность СО2 по воздуху

Dвозд= возд

CO

m

m2 =

возд

CO

M

M2 М

2CO = Dвозд middot Мвозд

Уравнение Клапейрона ndash Менделеева

PV = νRT = M

mRT P V T ndash условия при которых проводится опыт ν

ndash количество вещества R ndash универсальная газовая постоянная которая рассчи-

тывается по формуле R = 0 0

0

P V

νТ ν = 1 моль

а) R = 3 3101325 Паmiddot (224middot10 ) м

1мольmiddot273 К

= 8314 Дж

моль middotК

9

Па = 2

кг

мmiddotс Дж =

2

2

кг middotм

с= Па middot м

3

б) R = 760 мм рт стmiddot224л

1мольmiddot273 К= 624

мм ртстmiddotл

моль middotК

R = 62 400 мм ртст middotмл

моль middot К

в) R = -3 3 5 222415 10 м 101330 10 Нм

1 моль 273 К

= 8314

Дж

моль К

Из уравнения Клапейрона ndash Менделеева

Мх = mRT

P V где Мх ndash молярная масса определяемого газа m ndash его масса

P V T ndash давление объем температура соответствующие условиям опыта Для

углекислого газа М2CO = 2COm RT

P V

Экспериментальная часть

Опыт 1 Определение молярной массы оксида углерода (IV)

Целью лабораторной работы является знакомство с методами определе-

ния молярной массы газа на примере оксида углерода (IV) приобретение навы-

ков взвешивания и расчетов по газовым законам

1 Собрать прибор как показано на рис 1

2 Записать уравнение реакции получения СО2

3 Сухую колбу с воздухом плотно закрыть пробкой и восковым каран-

дашом сделать отметку по глубине вхождения пробки в горло колбы

1 ndash шарообразная воронка

2 3 ndash соединенные между собой

резервуары

4 5 ndash тубусы 6 ndash кран

7 ndash перетяжка

8 9 ndash промывные склянки

10 ndash приемник СО2

Рис 1 Установка для получения и очистки диоксида углерода состоящая из аппарата

Киппа промывных склянок и приемника СО2

4 Взвесить колбу с пробкой и воздухом на весах

(рис 2) записать в журнале m1 (г) ndash масса колбы с проб-

кой и воздухом

5 Наполнить колбу оксидом углерода (IV) из аппа-

рата Киппа опустив конец газоотводной трубки до дна

колбы Скорость пропускания газа отрегулировать так

чтобы его пузырьки можно было считать при прохожде-

Рис 2 Весы лабораторные нии их через склянки с водой (или раствором

компактные NaHCO3) и концентрированной серной кислотой

10

6 Полноту наполнения колбы углекислым газом проверить с помощью

горящей лучины Держа колбу в вертикальном положении вставить в нее

пробку Закрыть кран аппарата Киппа

7 Взвесить колбу с диоксидом углерода запи-

сать результат взвешивания m2 (г) ndash масса колбы с

пробкой и СО2

8 Провести контрольный опыт колбу повторно

наполнить углекислым газом из аппарата Киппа за-

крыть ее и снова взвесить Разница между взвешивани-

ями не должна быть больше 002 г в противном случае

опыт повторить

9 Записать значения температуры и давления

во время проведения эксперимента

10 Для измерения объема (V) колбы и соответ-

ственно объема газов заполняющих ее наполнить

колбу до метки водой комнатной температуры

11 Измерить объем воды перелив ее из кол-

бы в мерный цилиндр (рис 3) и результат изме-

рения (V мл) при условиях проведения эксперимента Рис 3 Мерные цилиндры

записать в журнал

12 Привести объем (V) газа к ну (V0) используя объединенный газовый

закон

T

PV=

0

00

T

VP V0 = 0

0

P VT

T P

13 Зная V0 рассчитать массу воздуха в объеме колбы (m3)

m3 = возд 0

0

m

M V

V=

029 гмоль V л

224 л моль (по закону Авогадро)

14 Рассчитать массу пустой колбы (без воздуха) m4 = m1 ndash m3 (из массы

колбы с воздухом вычесть массу воздуха)

15 Рассчитать массу СО2 в объеме колбы (m5)

m5 = m2 ndash m4 (из массы колбы с СО2 вычесть массу пустой колбы)

16 Рассчитать М2CO (эксп) по методу Авогадро

М2CO (эксп) =

0

5 m

0

m V

V где V0 рассчитывается по п12

17 Рассчитать Dвозд = 3

5

m

m М

2CO (эксп) = Мвозд middot Dвозд (метод расчета

М2CO используя его относительную плотность по воздуху)

18 Если колбу заполнить водородом то его масса в объеме колбы (m6)

будет равной

m6 = 2H 0

0

m

M V

V =

02 гмоль middotV л

224 л моль

19 Рассчитать D2Н D

2Н = 6

5

m

m М

2CO (эксп) = М2Н middot D

11

20 Рассчитать М2CO (эксп) по уравнению Клапейрона ndash Менделеева

М2CO (эксп) = 5m R T

PV где Р V Т ndash условия проведения эксперимента

21 Рассчитать М2CO (теор) = М(С) + М(О) middot 2

22 Рассчитать относительную ошибку опыта по формуле

К = теор

эксптеор

М

ММ middot 100 Ошибка не должна превышать 2

Вопросы и задачи

1 Определите что тяжелее (при одинаковых условиях)

ndash сухой углекислый газ или равный объем газа содержащий водяные па-

ры

ndash метан сухой или метан содержащий водяные пары

2 Смесь озона с кислородом имеет плотность по водороду равную 18

Определите процентный состав смеси (по объему)

Ответ 25 О3 75 О2

3 Вычислите молярную массу газа всеми возможными методами если

062middot10minus3

м3 при 294 К и 101 325 Па имеют массу 124middot10

minus3 кг Сколько молекул

содержится в данном объеме

Ответ 48 гмоль 156middot1022

молекул

4 Зная молярную массу кислорода и азота а также учитывая что в воз-

духе содержится 24 мас кислорода и 76 мас азота определите среднюю

молярную массу воздуха

Ответ 29 гмоль

5 Плотность жидкого хлора равна 15 гмл Сколько литров газообразно-

го хлора получится из 80 мл жидкого хлора

Ответ 379 л

6 Определите в каком объеме аргона при 20 оС и давлении 1 333 Па со-

держится 5middot1016

молекул

7 Найдите относительную плотность по воздуху газовой смеси состоя-

щей из азота кислорода и оксида углерода (IV) объемные доли которых равны

соответственно 60 20 и 20

8 При прокаливании 1 кг СаСО3 получены 056 кг СаO и 0224 м3 СО2

(ну) Подтверждают ли эти данные закон сохранения массы веществ

9 Смешаны водород кислород и оксид углерода (IV) массой по 1 кг каж-

дый Найдите объемные и молярные доли этих газов в полученной смеси

12

10 Вычислите а) объем 20 т (ну) аммиака б) массу 10 мл паров толуола

С7Н8 в) массу молекулы оксида углерода (II)

Следует уметь

1 Пользоваться аппаратом Киппа

2 Взвешивать на электронных весах

3 Заполнять сосуды газами различной плотности

4 Экспериментально определять массу и объем газа при определенных

температуре и давлении

5 Рассчитывать молярную массу вещества по полученным эксперимен-

тальным данным различными способами а) по методу Авогадро б) используя

относительную плотность одного газа по другому газу в) по уравнению Кла-

пейрона ndash Менделеева

Работа 2 Определение молярных масс эквивалентов

простых и сложных веществ

Задания для подготовки к лабораторной работе

1 Повторите основные понятия эквивалент фактор эквивалентности

молярная масса эквивалента масса эквивалента количество вещества эквива-

лента молярный объем эквивалента закон эквивалентов

2 Ознакомьтесь с устройством прибора (рис 4) и методикой определения

молярной массы эквивалента алюминия

3 Ознакомьтесь с методикой экспериментального определения молярной

массы эквивалента карбоната кальция

Теоретическая часть

Эквивалент (э) ndash это либо реальная либо условно существующая струк-

турная единица вещества которая эквивалентна (равноценна) одному положи-

тельно поляризованному атому водорода одному иону водорода одному элек-

трону или одному эквиваленту любого другого вещества

1 э (Н) равноценен 1 атому (Н) (1 эквивалент водорода равноценен

1 атому водорода)

1 э (Н+) равноценен 1 иону (Н

+)

1 э (окислителя или восстановителя) равноценен 1 ē

Пример

а) В соединениях Н2О NН3 СН4 с одним эквивалентом положительно по-

ляризованных атомов водорода соединяются 1

2 доля атома (О)

1

3 доля атома

(N) 1

4доля атома (С) э (О) =

1

2атома (О) э (N) =

1

3 атома (N) э (С) =

1

4атома

(С) В молекуле HCl с 1 э (Н+) соединяется 1 ион Cl

minus э (Cl

minus) = 1 иону Cl

minus

б) Кислотно-основное взаимодействие по теории Аррениуса сводится к

процессу

Н+

(р-р) + ОНminus

(р-р) rarr Н2О(ж)

13

С одним ионом водорода взаимодействует один гидроксид-ион Эквива-

лент (ОНminus) равноценен иону (ОН

minus)

в) Са(ОН)2 + Н2SО4 rarr СаSО4darr + 2Н2О

Одному Н+ эквивалентны

1

2доля иона Са

2+ 1 ион ОН

minus

1

2доля иона

SO 2

4

э (Са2+

) = 1

2 иона Са

2+ э

(SO 2

4

) = 1

2иона SO 2

4

э (ОНminus) = 1 иону ОН

minus э

(Са2+

) э (SO 2

4

) ndash условно существующие частицы э (ОНminus) ndash реальная частица

г) Al(NO3)3 + H3PO4rarrAlPO4 + 3HNO3 Одному Н+ эквивалентны

1

3 доля

Al3+

1 ион NO3

1

3 доля иона РО 3

4

э (Al3+

) = 1

3иона Al

3+ э (NO

3

) = иону NO3

э (РО 3

4

) = 1

3 иона РО 3

4

э (NO3

) ndash реальная частица э (Al3+

) э (РО 3

4

) ndash условно

существующие частицы

+5 +4 +6 minus1

д) КСlО3 + 3MnO2 + 6KOH rarr3K2MnO4 + KCl + 3H2O

ClO3

+ 3H2O + 6 ē rarr Clminus + 6OH

minus 1

MnO2 + 4OHminus minus 2 ē rarr MnO 2

4

+ 2H2O 3

Одна молекула КСlО3 принимает 6 ē значит э (КСlО3) = 1

6 часть моле-

кулы КСlО3 Одна молекула MnO2 отдает 2 ē значит э (MnO2) = 1

2часть моле-

кулы MnO2 В схеме реакции с учетом стехиометрических коэффициентов

участвуют по 6 эквивалентов КСlО3 MnO2 KOH

Фактор эквивалентности (fЭ) ndash число которое показывает какая доля

атома молекулы иона является эквивалентом Если fЭ = 1 то эквивалент ndash ре-

альная частица так как он равноценен атому молекуле или иону если fЭ lt 1 то

эквивалент ndash условная частица так как эквивалент в этом случае какая-то доля

реально существующей частицы

fЭ = 1

z где z ndash эквивалентное число

Для элементов и молекул простых веществ состоящих из одного атома

fЭ = 1

B где В ndash валентность элемента образующего простое вещество те

z = В

Пример

fЭ (Н) = 1 fЭ (О) = 1

2 fЭ (

V

P ) = 1

5 fЭ (Са) =

1

2 fЭ (Al) =

1

3 fЭ (Na) = 1

fЭ (III

P ) = 1

3

Для простых веществ состоящих из нескольких атомов fЭ = 1

B n где nndash

количество атомов элемента в молекуле простого вещества те z = В n

14

Пример

fЭ (Н2) = 1

1 2 =

1

2 fЭ (О2) =

1

2 2=

1

4 fЭ (Г2) =

1

1 2 =

1

2 fЭ (N2) =

1

3 2 =

= 1

6 fЭ (О3) =

1

2 3 =

1

6

Для элемента входящего в состав любого сложного вещества fЭ = 1

х

где х ndash степень окисления этого элемента взятая по модулю

Пример

MnO fЭ (Mn) = 1

2 Mn2O3 fЭ (Mn) =

1

3

MnO2 fЭ (Mn) = 1

4 Mn2O7 fЭ (Mn) =

1

7

Для оксидов R2Oх fЭ = 1

2x где х ndash степень окисления элемента образу-

ющего оксид те z = |2x| Таким образом

fЭ(оксида)=

1

сумма по модулю всех зарядов + или поляризованныхчастиц образующих оксид

fЭ (Al2O3)=

1

3 2 =

1

2 3 =

1

6 fЭ (ОsО4) =

1

8 1 =

1

2 4 =

1

8

Для кислот оснований солей

fЭ = 1

сумма по модулю всех зарядов катионов или анионов

fЭ (Н3РО4) =

1

1 3 =

1

3 1 =

1

3 =

1

основность кислоты z = 3

fЭ (Al(ОН)3) =

1

3 1 =

1

1 3 =

1

3 =

1

кислотность основания z = 3

fЭ (Na2SО4) =

1

1 2 =

1

2 1 =

1

2 z = 2

fЭ [Al2(SО4)3] =

1

3 2 =

1

2 3 =

1

6 z = 6

fЭ (NaНSО4) =

1

1 1 =

1

1 1 = 1 z = 1

fЭ [(AlОН)Cl2] =

1

2 1 =

1

1 2 =

1

2 z = 2

fЭ 3 4 2Cu NH OH =

1

2 1 =

1

1 2 =

1

2 z = 2

Фактор эквивалентности (fЭ )и эквивалентное число (z) зависят от ос-

новности кислоты или кислотности основания в соответствии с которыми они

вступают в химическое взаимодействие

Пример

а) 2Н3РО4 + 3Са(ОН)2 rarr Са3(РО4)2 + 6Н2О

15

Основность кислоты равна 3 кислотность основания равна 2 так как в

кислоте замещаются 3 иона водорода в основании ndash 2 гидроксид-иона

z (Н3РО4) = 3 z (Са(ОН)2) = 2 fЭ (Н3РО4) = 1

3 fЭ (Са(ОН)2) =

1

2

б) 2Н3РО4 + Са(ОН)2 rarr Са(Н2РО4)2 + 2Н2О

Основность кислоты равна 1 кислотность основания ndash 2

z (Н3РО4) = 1 z (Са(ОН)2) = 2 fЭ (Н3РО4) = 1 fЭ (Са(ОН)2) = 1

2

в) Н3РО4 + Са(ОН)2 rarr СаНРО4 + 2Н2О

Основность кислоты равна 2 кислотность основания равна 2

z (Н3РО4) = 2 z (Са(ОН)2) = 2 fЭ (Н3РО4) = 1

2 fЭ (Са(ОН)2) =

1

2

г) Н3РО4 + 3Са(ОН)2 rarr (СаОН)3РО4 + 3Н2О

Основность кислоты равна 3 кислотность основания равна 1

z (Н3РО4) = 3 z (Са(ОН)2) = 1 fЭ (Н3РО4) =1

3 fЭ (Са(ОН)2) = 1

д) 2Al(OH)3 + Н2SO4 rarr [Al(OH)2]2SO4 + 2Н2О

Основность кислоты равна 2 кислотность основания равна 1

z (Al(OH)3) = 1 z (Н2SO4) = 2 fЭ (Al(OH)3) =1 fЭ (Н2SO4) = 1

2

е) Al(OH)3 + Н2SO4 rarr [Al(OH)]SO4 + 2Н2О

Основность кислоты равна 2 кислотность основания равна 2

z (Al(OH)3) = 2 z (Н2SO4) = 2 fЭ (Al(OH)3) =1

2 fЭ (Н2SO4) =

1

2

Для окислительно-восстановительных реакций fЭ (окислителя) = 1

n

fЭ (восстановителя) = 1

n где n ndash число электронов принятых или отдан-

ных 1 молекулой или 1 ионом окислителя или восстановителя соответственно

Пример

MnO4

+ 8H+ + 5 ē rarr Mn

2+ + 4Н2О z = 5 fЭ =

1

5

SO 2

3

+ Н2О minus 2 ē = SO 2

4

+ 2H+ z = 2 fЭ =

1

2

Молярная масса эквивалентов вещества (Мэ гмоль) ndash это масса

1 моля эквивалентов вещества или 6022middot1023

эквивалентов вещества

Мэ = fЭ middot М = M

z =

m

э где М ndash молярная масса гмоль m ndash масса (г) ве-

щества количеством νэ (моль)

Пример

Мэ (Н) = fЭ middot М (Н) = 1 middot 1008 гмоль = 1008 гмоль

Мэ (Н2) = 1

2middot М (Н2) =

1

2middot 2016 гмоль = 1008 гмоль

Мэ (О) = 1

2middot М (О) =

1

2middot 16 гмоль = 8 гмоль

16

Мэ (О2) = 1

4middot М (О2) =

32 гмоль

4 = 8 гмоль

Мэ (Na) = М (Na) = 23 гмоль

Мэ (ОНminus) = М (ОН

minus) = 17 гмоль

Мэ (С) в СО = 12 гмоль

2 = 6 гмоль

Мэ (С) в СО2 = 12 гмоль

4 = 3 гмоль

Для оксидов R2Oх

Мэ (R2Ox) = fЭ middot М (R2Ox)

Мэ (R2Ox) = Мэ (R) + Мэ (O) = fЭ (R) middot М (R) + 8

Пример

Мэ (Al2O3) = 1

6middot M (Al2O3) =

102 гмоль

6 = 17 гмоль

Мэ (Al2O3) = 27 гмоль

3+ 8 гмоль = 17 гмоль

Мэ (кислоты) = fЭ middot М (кислоты)

Мэ (кислоты) = 1

основность кислотыmiddot М (кислоты)

Мэ (кислоты) = Мэ (Н+) + Мэ (А

minus) = 1 гмоль + fЭ middot М (А

minus) = 1 гмоль +

+1

заряд анионаmiddot М (А

minus) где А

minus minus кислотный остаток

Пример

Мэ (Н3РО4) = 1

3middot М (Н3РО4) =

1

3middot 98 гмоль = 3267 гмоль

Мэ (Н3РО4) = Мэ (Н+) + Мэ (РО 3

4

) = 1 + 1

3middot М (РО 3

4

) = 1 гмоль + 1

3middot

middot 95 гмоль = 1 гмоль + 3167 гмоль = 3267 гмоль

Мэ (основания) = fЭ middot М (основания)

Мэ (основания) = 1

кислотность основанияmiddot М (основания)

Мэ (основания) = Мэ (Мn+

) + Мэ (ОНminus) = fЭ middot М (М

n+) + fЭ middot М (ОН

minus) =

= 1

nmiddot М (М

n+) + 17

Пример

Мэ (Al(OH)3) = 1

3middot 78 гмоль = 26 гмоль

Мэ (Al(OH)3) = 1

3middot 27 гмоль + 17 гмоль = 9 гмоль + 17 гмоль =

= 26 гмоль

Для солей состава КхАу

Мэ (соли) = fЭ middot М (соли) = Мэ (Ку+

) + Мэ (Ахminus

) = fЭ (Ку+

) middot М (Ку+

) +

+ fЭ (Ахminus

) middot М (Ахminus

)

17

Пример

Мэ (Al2(SO4)3) = 1

6 middot М [Al2(SO4)3] =

342 гмоль

6 = 57 гмоль

Мэ (Al2(SO4)3) = 27

3 +

96

2 = 9 гмоль + 48 гмоль = 57 гмоль

Мэ (окислителя или восстановителя) = fЭ middot М (в-ва) = 1

nmiddot М (в-ва) где n ndash

число отданных или принятых электронов z ndash эквивалентное число = n

Пример

а) Мэ (KMnO4) = 1

5middot М (KMnO4) =

1

5middot 158 гмоль = 316 гмоль (при пере-

ходе MnO4

в Mn+2

)

Мэ (MnO2) = 1

2middot М (MnO2) =

1

2middot 87 гмоль = 435 гмоль (при переходе

MnO2 в MnO 2

4

)

При определении Мэ веществ участвующих в химических реакциях сле-

дует учитывать их fЭ

Пример

а) Аl(OH)3 + H3PO4 rarr AlPO4 + 3H2O

Мэ (Аl(OH)3) = 1

3middot М (Аl(OH)3)

Мэ (H3PO4) = 1

3middot М (H3PO4)

б) 3Аl(OH)3 + H3PO4 rarr [Al(ОН)2]3PO4 + 3H2O

Мэ (Аl(OH)3) = М (Аl(OH)3)

Мэ (H3PO4) = 1

3middot М (H3PO4)

в) 3Аl(OH)3 + 2H3PO4 rarr [Al(ОН)]3(PO4)2 + 6H2O

Мэ (Аl(OH)3) = 1

2middot М (Аl(OH)3)

Мэ (H3PO4) = 1

3middot М (H3PO4)

г) Аl(OH)3 + 3H3PO4 rarr Al(Н2PO4)3 + 3H2O

Мэ (Аl(OH)3) = 1

3middot М (Аl(OH)3)

Мэ (H3PO4) = М (H3PO4)

д) 2Аl(OH)3 + 3H3PO4 rarr Al2(НPO4)3 + 6H2O

Мэ (Аl(OH)3) = 1

3middot М (Аl(OH)3)

Мэ (H3PO4) = 1

2middot М (H3PO4)

е) Fe(OH)2Cl + HCl rarr Fe(OH)Cl2 + H2O

Мэ (Fe(OH)2Cl) = М (Fe(OH)2Cl)

Fe(OH)2Cl + 2HCl rarr FeCl3 + 2H2O

18

Мэ (Fe(OH)2Cl) = 1

2middot М (Fe(OH)2Cl)

Fe(OH)2Cl + NaOH rarr Fe(OH)3 + NaCl

Мэ (Fe(OH)2Cl) = М (Fe(OH)2Cl)

ж) KCr(SO4)2 + 3KOH rarr Cr(OH)3 + 2K2SO4

Мэ (KCr(SO4)2) = 1

3middot М (KCr(SO4)2)

KCr(SO4)2 + 6KOH rarr K3[Cr(OH)6] + 2K2SO4

Мэ (KCr(SO4)2) = 1

6middot М (KCr(SO4)2)

и) MnSO4 + 2KOH rarr Mn(OH)2 + K2SO4

Мэ (MnSO4) = 1

2middot М (MnSO4)

MnSO4 + 2Cl2 + 8KOH rarr K2MnO4 + 4KCl + K2SO4 + 4H2O

Мэ (MnSO4) = 1

4middot М (MnSO4)

2MnSO4 + 5K2S2O8 + 8H2O rarr 2HMnO4 + 2H2SO4 + 10KHSO4

Мэ (MnSO4) = 1

5middot М (MnSO4)

Масса эквивалента вещества (mэ) (г кг hellip)

mэ = э

A

M

N = fЭ middot

A

M

N=

M

z NA =

э A

m

ν N

Пример

mэ (Mg) =

A

M Mg

N =

23 1

12 гмоль

6022 10 моль = 1993middot10

minus23 г

mэ (СаСО3) = 23 1

300г

6моль 6022 10 моль = 83029middot10

minus23 г

Таким образом эквивалент фактор эквивалентности эквивалентное чис-

ло масса эквивалента молярная масса эквивалента ndash величины переменные

зависящие от валентности степени окисления количества атомов зарядов

ионов в молекулах веществ основности кислоты кислотности основания а в

окислительно-восстановительных реакциях ndash от количества отданных или при-

нятых электронов

Количество вещества эквивалента (νэ моль)

νэ = эM

m =

Э

m

Мf = в-ва

Эf

=

m z

M

где m ndash масса вещества г

Пример

m (Аl) = 135 г Мэ (Аl) = 1

3 middot 27 гмоль = 9 гмоль

ν (Аl) = 135г

9гмоль = 15 моль

В 135 г алюминия содержится 15 молей эквивалентов алюминия или (15

middot NA) эквивалентов алюминия z = 3 1 моль атомов алюминия эквивалентен 3

молям эквивалентов алюминия или (3 NA) эквивалентам алюминия

19

1 моль электронов эквивалентен числу Фарадея

F = 160217733middot10minus19

Кл middot 60221367middot10minus1

моль = 96485309 Клмоль

(Клmiddotмольminus1

)

Пример

m = M (O2) νэ = 32г

8гмоль = 4 моль

1 моль молекул O2 содержит 4 моль эквивалентов кислорода

Для сложных веществ Мэ и νэ могут быть рассчитаны по fЭ который ха-

рактеризует их в данной реакции

Молярный объем эквивалента газообразного вещества (Vэ) (лмоль

м3кмоль м

3моль) ndash это объем занимаемый 1 молем эквивалентов этого ве-

щества

Vэ= fЭ middot Vm = 0V

э V 0

э = fЭ middot V

0

m = 0V

э

Пример

V 0

э (О2) =

1

4middot 224 лмоль = 56 лмоль

Это означает что 1 моль эквивалентов О2 при ну занимает объем равный

56 л

V 0

э (Н2) =

1

2middot 224 лмоль = 112 лмоль те 1 моль эквивалентов Н2 при

ну занимает объем равный 112 л

1 моль молекул О2 или 4 моля эквивалентов О2 при ну занимают объем

224 л 1 моль молекул Н2 или 2 моля эквивалентов Н2 при ну занимают объем

224 л

Закон эквивалентов массы веществ реагирующих друг с другом или об-

разующихся в результате химической реакции соотносятся между собой как

их молярные массы эквивалентов

2

1

m

m =

э (1)

э (2)

M

M

1

э (1)

m

М=

2

э (2)

m

М

1

э (1)

m

М = νэ (1)

2

э (2)

m

М = νэ (2)

νэ (1) = νэ (2) ndash количество эквивалентов каждого из участников химической

реакции

Для газообразного вещества

э

m

M =

э

V

V =

0

0

э

V

V = νэ

Закон эквивалентов для химической реакции с участием газа

1

э (1)

m

М=

2

э 2

V

V=

0

2

0

э 2

V

V = νэ (1) = νэ (2)

Мэ (1) =

0

э (2)1

0

2

m middotV

V

Экспериментальное определение эквивалентов и молярных масс эквива-

лента различных веществ может быть проведено различными методами

20

Б2

Л1

Т

Б1

Л2

П

Г

1 Метод прямого определения Эквивалент и молярную массу эквива-

лента устанавливают исходя из соединений данного элемента с водородом или

кислородом

2 Косвенный метод в котором вместо водорода и кислорода использу-

ют другие элементы и вещества с известным эквивалентом и молярной массой

эквивалента

3 Метод вытеснения водорода из кислоты металлом взятой навески

Применим к металлам которые способны вытеснять водород из щелочей и раз-

бавленных кислот

4 Аналитический метод Эквивалент определяют из результатов хими-

ческого анализа элемента в одном из его соединений

5 Электрохимический метод основан на законе Фарадея согласно ко-

торому asymp 96 500 Кл электричества выделяют из электролитов при электролизе

1 моль эквивалентов вещества

Экспериментальная часть

Опыт 1 Определение молярной массы эквивалента алюминия мето-

дом вытеснения

Метод основан на реакции взаимодействия алюминия с соляной кислотой

и измерении объема выделившегося водорода

Собрать прибор представленный на рис 4 Заполнить 14 часть пробирки

раствором соляной кислоты (с массовой долей 15 ) Наклонив пробирку на

ее сухую сторону поместить предварительно взвешенную алюминиевую

Установка состоит из двух бюреток рабочей изме-

рительной Б1 и уравнительной Б2 соединенных

резиновой трубкой Т и заполненных подкрашен-

ной водой К рабочей бюретке при помощи газо-

отводной трубки Г присоединена пробирка П

Рис 4 Лабораторная установка для определения молярной массы эквивалента алюминия

21

фольгу (0015ndash0020 г) так чтобы она не соприкасалась с кислотой Присоеди-

нить пробирку к бюретке и проверить прибор на герметичность Для этого во-

ронку опустить на 10ndash15 см Если прибор герметичен то уровень воды в бю-

ретке несколько снизится а затем останется без изменения Привести давление

в бюретке к атмосферному для чего установить уровень воды в бюретке и во-

ронке на одной высоте в бюретке ndash около нулевого деления но не выше Отме-

тить и записать положение нижнего края мениска в бюретке (А1) После этого

пробирку со штативом наклонить так чтобы кислота смыла алюминиевую

фольгу Для начала реакции содержимое пробирки нагреть на спиртовке (не ка-

саться фитилем дна пробирки не кипятить) Выделяющийся водород бу-

дет вытеснять воду из бюретки После окончания реакции пробирку не снимая

с прибора охладить до комнатной температуры опустив ее в стакан с холодной

водой Затем привести давление внутри прибора к атмосферному и отметить

уровень воды в бюретке (А2)

Объем выделившегося водорода при комнатных условиях V2H = (А2 ndash А1)

привести по объединенному газовому закону (T

PV=

0

00

T

VP) к ну (V0 (H2)) учи-

тывая что общее давление Р = P пар OH2+ P

2Н (где P ndash парциальное давление)

откуда P2Н = Р ndash P пар OH2

тогда объединенный газовый закон T

Vmiddot)P (P пар OH2=

= 0

00

T

VP V

0(H2) = 22общ пар 0 HН О

0

(P Р )middotТ V

Р Т

Таблица 1

Зависимость давления водяного пара от температуры

Т К P OН2 Па Т К P OН2

Па

289 181318 295 233976

290 193317 296 281301

291 206649 297 298641

292 219913 298 317306

293 233314 299 335971

294 247979 300 355970

На основании полученных данных и закона эквивалентов рассчитать молярную

массу эквивалента алюминия (Al)э

Al

M

m=

2

0 2

0

m ( ) H

V (H )

V э

Результаты измерений записать по следующей форме

Навеска

алюминия

г

V2H мл

(А2 ndash А1) Т К

Робщ

Па 2H OP Па V 20 H

мл

Мэ(Al)

гмоль

Ошиб

ка

22

Опыт 2 Определение молярной массы эквивалента карбоната каль-

ция косвенным методом

Взвесить в стакане около 3 г мрамора с точностью до 001 г (m1) При-

лить пипеткой (рис 5) 15 мл раствора соляной кислоты с мо-

лярной концентрацией эквивалента 1 мольл Как только выде-

ление углекислого газа замедлится нагреть стакан до 60ndash70 оС

выдержать при этой температуре до окончания реакции Затем

слить образовавшийся раствор с оставшихся кусочков мра-

мора промыть их два раза дистиллированной водой методом

декантации Стакан с оставшимся мрамором высушить в су-

шильном шкафу при 107 оС и после охлаждения взвесить (m2)

Зная количество молей эквивалентов вступившей в реакцию

соляной кислоты (νэ) и массу прореагировавшего мрамора m3

рассчитать по закону эквивалентов молярную массу эквивален-

та карбоната кальция

Рис 5 Пипетки мерные

Результаты эксперимента записать по следующей форме

m1 г m2 г m3 (CaCO3) =

= m1 ndash m2 г V (HCl) мл

Mэ(СaCO3)

гмоль

Ошибка

νэ (HCl) = Vр-ра (HCl) middot Сэ (HCl)

νэ (СaCO 3 ) = νэ (HCl) )(CaCO э

CaCO

3

3

M

m = Сэ (HCl) middot Vр-ра (HCl)

Мэ (СаСО3) =

3CaCO

HCl э(HCl)

m г

мольV л middotС

л

Вопросы и задачи

1 Как проверить на герметичность прибор для определения молярной

массы эквивалента металла методом вытеснения водорода

2 Как привести давление в герметически закрытом приборе к атмосфер-

ному

3 Под каким давлением по сравнению с атмосферным будет находиться

газ в сосуде если уровень воды в бюретке

а) выше чем в воронке (уравнительном сосуде)

б) ниже чем в воронке

в) на одном уровне

23

4 Как рассчитать парциальное давление газа если он собран над водой

5 Вычислите молярную массу эквивалента металла если навеска техни-

ческого металла массой 0035 г имеющего 20 примесей (не взаимодейству-

ющих с кислотой) вытесняет из кислоты 119 мл водорода собранного над во-

дой при температуре 17 оС и давлении 103middot10

5 Па (давление водяного пара над

водой при 17 оС равно 00193middot10

5 Па)

Ответ 2807 гмоль

6 Чему равны молярные массы эквивалентов мышьяка в его оксидах со-

держащих мышьяк а) 652 (мас) As б) 757 (мас) As

Ответ 1499 гмоль 2492 гмоль

7 Вычислите молярную массу эквивалента фосфорной кислоты и гидрок-

сида алюминия в уравнениях реакций

а) H3PO4 + Ca(OH)2 = CaHPO4 + 2H2O

б) Al(OH)3 + HNO3 = Al(OH)2NO3 + H2O

8 Рассчитайте молярную массу эквивалента олова если

а) при нагревании 092 г его в токе кислорода образуется оксид олова

массой 117 г

б) при восстановлении оксида олова массой 117 г водородом получена

вода массой 016 г

Ответ а) 2944 гмоль б) 5886 гмоль

9 Из 27 г оксида некоторого металла можно получить 63 г его нитрата

Вычислите молярную массу эквивалента металла

Ответ 325 гмоль

10 При восстановлении 51 г оксида металла (III) образовалось 27 г во-

ды Определите молярную массу эквивалента и относительную атомную массу

металла

Ответ 9 гмоль 27

Следует уметь

1 Рассчитывать фактор эквивалентности массу эквивалента и молярную

массу эквивалента элемента простого и сложного веществ исходя из формулы

вещества уравнений реакций в которых участвует вещество закона эквива-

лентов молярного объема эквивалентов любого газообразного вещества

2 Экспериментально определять молярную массу эквивалентов простых

и сложных веществ

24

Работа 3 Приготовление растворов

Задания для подготовки к лабораторной работе

1 Изучите теоретическое введение к лабораторной работе обратив особое

внимание на различные способы выражения содержания растворенного веще-

ства в растворе

2 Проведите все расчеты необходимые для выполнения опытов изучив

метод интерполяции и laquoправило крестаraquo

3 Ознакомьтесь с устройством ареометра мерной посудой и правилами

пользования ими

Теоретическая часть

Раствор ndash это гомогенная система переменного состава состоящая из рас-

творителя растворенных веществ (одного или нескольких) и продуктов их вза-

имодействия Компонент который количественно преобладает и находится в

том же агрегатном состоянии что и образующийся раствор называется раство-

рителем все остальные его части ndash растворенными веществами Основным

признаком характеризующим раствор является его однородность Процесс

растворения часто сопровождается значительными объемными и энергетиче-

скими эффектами По этим признакам растворы больше напоминают химиче-

ские соединения и тем самым отличаются от механических смесей С другой

стороны растворы не имеют строго определенного состава и в этом их суще-

ственное отличие от химических соединений

Первоначально процесс растворения идет самопроизвольно (∆Gр-ния lt 0) и

раствор является ненасыщенным При дальнейшем добавлении вещества

наступает момент когда вещество перестает растворяться и тогда избыток рас-

творенного вещества выпадает в осадок Система оказывается в состоянии ис-

тинного равновесия (∆Gр-ния = 0) те скорости осаждения и растворения равны

Раствор становится насыщенным Можно получить и пересыщенные растворы

те такие массовые доли растворенных веществ в которых выше чем в насы-

щенных растворах (при определенных температуре и давлении) Пересыщен-

ные растворы можно приготовить медленным охлаждением насыщенных при

высокой температуре растворов (например Na2S2O3 NaCH3COO и др) Они

представляют систему находящуюся в кажущемся равновесии (∆Gр-ния gt 0)

Встряхивание или внесение кристаллов того же вещества которое находится в

растворе или изоморфного с ним вызывает кристаллизацию В результате про-

исходит выделение избытка растворенного вещества и раствор становится

насыщенным

Способы выражения концентрации растворов

Состав любого раствора может быть выражен как качественно так и ко-

личественно Раствор с относительно низким содержанием растворенного ве-

щества называют разбавленным с относительно высоким ndash концентрирован-

25

ным Такая количественная оценка условна Например для серной кислоты

концентрированным считается раствор где массовая доля кислоты равна 98 а

для соляной ndash 38

Для количественной оценки состава растворов используют понятие laquoкон-

центрацияraquo Существуют различные способы ее выражения

1 Массовая доля растворенного вещества в растворе Она обознача-

ется Wрв (по первой букве английского слова laquoWeightraquo ndash вес) и рассчитывается

по формуле Wрв = )ткг г(m

)ткг г(m

ра-р

рв Она выражается в долях от единицы и пока-

зывает сколько граммов (кг т) растворенного вещества содержится в 1 г (кг т)

раствора Например W3NaNO = 005 Это означает что в каждом грамме (кг т)

раствора содержится 005 г (кг т) растворенного вещества Массовая доля рас-

творенного вещества в растворе может быть выражена и в процентах Wрв

= ра-р

рв

m

m middot 100 = Wрв middot 100 В этом случае W указывает сколько граммов (кг

т) растворенного вещества содержится в каждых 100 г (кг т) раствора Напри-

мер W3NaNO = 5 в каждых 100 г раствора содержится 5 г NaNO3 или в

каждых 100 кг (т) раствора ndash 5 кг (т) NaNO3

Раствор любой концентрации характеризуется своей плотностью ρ (гмл

кгл гл тм3) которая показывает сколько граммов (кг т) весит 1 мл (л м

3)

раствора данной концентрации Например ρ = 102 гмл Это означает что 1 мл

раствора данной концентрации весит 102 г Плотность раствора рассчитывает-

ся по формуле ρр-ра = ра-р

ра-р

V

m Плотность (ρ) ndash это величина для перехода от массы

раствора к его объему и наоборот

2 Молярная концентрация раствора (См) Ее значение показывает

сколько молей растворенного вещества содержится в 1 л раствора Например

См (р-ра KCl) = 5 мольл Это означает что в каждом литре такого раствора со-

держится 5 моль KCl Молярная концентрация рассчитывается по формуле

См = рв

р-ра

ν

V=

рв

рв р-ра

m

М middotV(мольл) где νрв minus количество растворенного вещества

(моль) mрв ndash масса растворенного вещества (г) М ndash молярная масса раство-

ренного вещества (гмоль) Vр-ра ndash объем раствора (л)

3 Молярная концентрация эквивалента раствора (эквивалентная кон-

центрация или нормальная концентрация) Она обозначается Сэ (используется

также Сн) Ее значение показывает сколько молей эквивалентов растворенного

вещества содержится в 1 л раствора Например Сэ (р-ра HNO3) = 2 мольл Это

означает что в каждом литре раствора содержится 2 моль эквивалентов HNO3

Молярная концентрация эквивалента раствора рассчитывается по формуле

Сэ = э рв

р-ра

ν

V=

рв

э рв р-ра

m

М middotV(мольл)

26

Растворы имеющие одинаковые значения Сэ реагируют между собой в

равных объемах так как содержат равные количества молей эквивалентов рас-

творенных веществ Если растворы имеют различные значения Сэ то вступаю-

щие в реакцию объемы этих растворов обратно пропорциональны их молярным

концентрациям эквивалента 2

1

V

V=

1 э

2 э

С

C или V1 middot Cэ 1 = V2 middot Cэ 2

4 Моляльная концентрация раствора (Сm) Ее значение показывает

сколько молей растворенного вещества содержится в 1 кг растворителя

Например Сm (р-ра H2SO4) = 10 молькг Это означает что в каждом кило-

грамме воды растворено 10 моль H2SO4 Моляльная концентрация раствора

рассчитывается по формуле Сm = рв

р-ля

ν

m=

рв

рв р-ля

m

М middotm(молькг)

5 Молярная (мольная) доля растворенного вещества в растворе Она

обозначается χрв Ее значение показывает сколько молей растворенного веще-

ства содержится в 1 моль раствора Например χ4CuSO = 002 Это означает что в

1 моль раствора содержится 002 моль CuSO4 Если в растворе только одно рас-

творенное вещество то χ ОH2= 098 Сумма мольных долей всех компонентов в

растворе равна единице те 1 моль Мольная доля растворенного вещества в

растворе рассчитывается по формуле χрв = ля-ррв

рв

νν

ν

=

ра-р

рв

ν

ν=

OH

OH

рв

рв

рв

рв

2

2

M

m

М

m

М

m

Если в растворе несколько (К) растворенных веществ то мольная доля любого

из компонентов в том числе растворителя рассчитывается по формуле

χi =

K

1i

i

i

ν

ν Например при наличии трех растворенных веществ и растворителя

χ1 = 4321

1

νννν

ν

χ2 =

4321

2

νννν

ν

χ3 =

4321

3

νννν

ν

χ4 = 4321

4

νννν

ν

χ1 + χ2 + χ3 + χ4 = 1

6 Титр раствора Этот вид выражения состава раствора обозначается

буквой Т Его значение показывает сколько граммов растворенного вещества

содержится в 1 мл раствора Например Т (р-ра Na2CO3) = 15 гмл Это означа-

ет что в каждом миллилитре такого раствора содержится 15 г Na2CO3 Титр

раствора рассчитывается по формуле Т = рв

р-ра

m

V (гмл)

27

Экспериментальная часть

Опыт 1 Приготовление пересыщенного раствора тиосульфата натрия

Положите в пробирку несколько кристаллов Na2S2O3middot5H2O и очень осто-

рожно нагрейте Закройте пробирку ватой и дайте ей охладиться Охлажден-

ную до комнатной температуры пробирку резко встряхните Нагреванием про-

бирки с солью снова получите прозрачный раствор Охладите и внесите не-

большой кристалл исходного вещества Объясните наблюдаемое

Опыт 2 Определение массовой доли серной кислоты по плотности

раствора

Наиболее простой и быстрый способ ndash с помощью ареометра Его приме-

нение основано на том что плавающее тело погружается в жидкость до тех пор

пока масса вытесненной жидкости не станет равной массе самого тела В рас-

ширенной нижней части ареометра находится груз на верхней узкой части ndash

шейке ndash нанесены деления показывающие плотность жидкости в которой

laquoплаваетraquo ареометр

Исследуемый (концентрированный) раствор серной кислоты налейте (под

тягой) в сухой чистый мерный цилиндр на frac34 его объема В раствор осторож-

но не касаясь стенок цилиндра опустите ареометр Каждый ареометр предна-

значен для измерения плотности в определенных пределах При выборе арео-

метра необходимо ориентировочно знать плотность данного раствора Вы-

яснив цену одного деления шкалы ареометра отметьте его показания (по ниж-

нему мениску раствора) Приподняв ареометр на 1ndash2 см вновь опустите его в

раствор и еще раз определите показания По справочной таблице найдите мас-

совую долю растворенного вещества в растворе Если такая величина в таблице

отсутствует то массовую долю находят методом интерполяции (определение

промежуточного значения по двум крайним) Например экспериментальное

показание ареометра равно 1124 гмл Находим ближайшие к этому табличные

значения плотности массовой доли и их разность

ρ гмл W

1130 1831

1120 1701

0010 130

Таким образом изменению плотности на 0010 гмл соответствует изме-

нение массовой доли на 130 Экспериментальное показание ареометра отли-

чается от меньшей табличной величины на 0004 гмл

ρ гмл W

1124

1120 1701

0004

С учетом того что в указанных пределах между плотностью и массовой

долей раствора зависимость линейная составляем пропорцию

28

0010 гмл -----------------130

0004 гмл ----------------- х х = 052

Найденное число (052 ) прибавляем к меньшей массовой доле

(1701 ) взятой из таблицы и соответствующей плотности 1120 Получаем

W = 1701 + 052 = 1753 что соответствует плотности 1124 гмл Этот спо-

соб определения содержания растворенного вещества в растворе применяют в

том случае если не требуется большой точности Более точный способ ndash опре-

деление с помощью титрования Обычно ареометры калибруются при 20 оС В

таблицах значения плотностей растворов приводятся при этой же температуре

Если не требуется особой точности табличными данными можно пользоваться

и для других температур

Опыт 3 Приготовление 50 мл 4 раствора сульфата меди из кри-

сталлогидрата CuSO4middot5H2O

Рассчитайте сколько граммов CuSO4middot5H2O и какой объем воды нужно

взять для приготовления 50 мл раствора с массовой долей CuSO4 4

Взвесьте вычисленную массу кристаллогидрата и перенесите в стакан емко-

стью 100 мл Отмерьте мерным цилиндром (см рис 3) рассчитанный объем

дистиллированной воды перелейте ее в стакан с навеской пентагидрата суль-

фата меди и перемешайте стеклянной палочкой до полного растворения кри-

сталлов соли Полученный раствор перелейте в мерный цилиндр и измерьте

плотность раствора По таблице найдите и запишите массовую долю CuSO4

отвечающую этому значению плотности (ρтеор (4 раствора CuSO4) =

= 104 гмл) пересчитайте на молярную концентрацию молярную концентра-

цию эквивалента моляльную концентрацию и титр раствора

Таблица 2

Исходные данные и полученные результаты приготовления

раствора сульфата меди

Задан-

ная

массо-

вая доля

W

ρтеор

гмл

Рассчитанные

массы компо-

нентов г ρэксп

гмл

Экспериментальные

значения Отн

ошиб

ка

CuSO4middot5H2O Н2О W

См

мольл

Сэ

мольл

Сm

молькг

Т

гмл

Опыт 4 Приготовление 100 мл раствора серной кислоты с молярной

концентрацией эквивалента 01 мольл из более концентрированного раз-

бавлением водой

Для приготовления растворов заданной молярной или эквивалентной

концентраций используются мерные колбы (рис 6) различного объема (25 50

100 200 250 500 1000 мл и более) Рассчитайте объем концентрированного

раствора серной кислоты массовая доля которого определена в опыте 2 необ-

29

ходимый для приготовления 100 мл рас-

твора серной кислоты с молярной кон-

центрацией эквивалента 01 мольл Кис-

лоту перенесите пипеткой (см рис 5) в

мерную колбу объемом 100 мл предвари-

тельно налив в нее примерно 20 мл ди-

стиллированной воды После этого до-

лейте воду в колбу до метки раствор

перемешайте и охладите до комнатной

Рис 6 Мерные колбы температуры Молярная концентрация

эквивалента полученного раствора должна быть близка к 01 мольл Точную

концентрацию раствора серной кислоты определите титрованием щелочью Для

титрования бюретку с наконечником (рис 7) заполните до нулевой

метки титрованным раствором щелочи

предварительно ополоснув им бюретку В

три конические колбы (рис 8) пипеткой

налейте по 10 мл приготовленной серной

кислоты Добавьте в каждую колбу по 2ndash3

капли фенолфталеина и поочередно титруй-

те раствором щелочи из бюретки Щелочь

приливайте медленно левой рукой правой

размешивая раствор Титрование считается

законченным если от прибавления следу-

ющей капли щелочи появляется малиновое

окрашивание которое не исчезает 30 с Рис 8 Колба коническая

Рис 7 Бюретка

мерная для титрования

Для более четкого определения изменения цвета под колбу для титрова-

ния поместите лист белой бумаги Запишите объем щелочи израсходованной

на титрование 10 мл раствора серной кислоты

Аналогично оттитруйте две другие пробы кислоты Результаты парал-

лельных определений не должны различаться между собой более чем на

005ndash010 мл Возьмите из них среднее и рассчитайте точную концентрацию

приготовленного раствора серной кислоты и его титр

Опыт 5 (дополнительный) Приготовление раствора серной кислоты

смешиванием растворов с более высокой и более низкой массовыми долями

Из концентрированного (опыт 2) и имеющегося (опыт 4) в лаборатории

растворов серной кислоты приготовьте 50 мл раствора с массовой долей серной

кислоты равной 30 Для расчета объемов исходных растворов воспользуй-

тесь laquoправилом крестаraquo

30

W1 m1

W

W2 m2

где W ndash массовая доля серной кислоты приготовляемого раствора W1 и W2 ndash

более высокая и более низкая массовые доли H2SO4 в исходных растворах (для

воды W = 0) m1 и m2 ndash массы исходных растворов с более высокой и более

низкой массовой долей Соотношения для исходных растворов таковы

m1 = W ndash W2 m2 = W1 ndash W Таким образом для получения раствора массой

m = (m1 + m2) c массовой долей W необходимо взять m1 г раствора с массовой

долей W1 и m2 г раствора с массовой долей W2 (или V1 р-ра = 1

1m

ρ V2 р-ра =

2

2m

ρ)

Отмерьте вычисленные объемы растворов слейте их в цилиндр объемом 100

мл перемешайте С помощью ареометра и таблицы установите содержание

растворенного вещества в растворе и расхождение практически полученного

значения с заданным

Вопросы и задачи

1 Что произойдет с насыщенным пересыщенным и ненасыщенным рас-

творами алюмокалиевых квасцов при внесении в каждый из них нескольких

кристаллов KAl(SO4)2middot12Н2О

2 Какой объем раствора в котором массовая доля КОН составляет 12

(ρр-ра = 1109 гмл) надо взять чтобы приготовить 250 мл раствора с молярной

концентрацией 2 мольл

Ответ 178 мл

3 В 1 кг воды растворено 666 г гидроксида калия Рассчитайте массовую

долю растворенного вещества в растворе и его концентрации (молярную мо-

ляльную молярную концентрацию эквивалента молярные доли щелочи и во-

ды титр раствора) если его плотность равна 1395 гмл

Ответ 40 995 мольл 119 молькг 0176 0824 0557 гмл

4 В лаборатории имеются растворы с массовыми долями хлорида калия

20 и 40 Сколько граммов каждого раствора надо взять для получения 500 г

раствора с массовой долей соли 25

Ответ 375 г 125 г

5 Плотность раствора карбоната калия равна 122 гмл Из 1 л этого рас-

твора при действии соляной кислоты получено 445 л СО2 (ну) Вычислите

процентное содержание К2СО3 в растворе и его молярную концентрацию экви-

валента

Ответ 225 397 мольл

31

6 В каких объемах должны быть смешаны 01 н и 60 (ρ = 1498 гмл)

растворы серной кислоты чтобы получить 1 л 1 н раствора Н2SO4

Ответ 493 и 9507 мл

7 К 005 л раствора хлорида марганца (II) (ρ = 1085 гмл W = 8 ) при-

бавлено 02 л раствора гидроксида лития массовая доля LiOH в котором 10

(ρ = 1107 гмл) Какое вещество взято в избытке и в каком количестве оно

останется после реакции

Ответ 27 г

8 Для осаждения сульфата бария из раствора BaCl2 (ρ = 106 гмл

W = 8 ) объемом 100 мл требуется раствор Н2SO4 объемом 139 мл Чему равна

молярная концентрация и моляльная концентрация эквивалента раствора

Н2SO4

Ответ 0294 и 0588 мольл

9 Растворы азотной кислоты и гидроксида натрия объемом 1 л каждый

содержат соответственно 189 г HNO3 и 32 г NaOH Какова молярная концен-

трация этих растворов и в каком объемном соотношении они должны быть

смешаны для получения нейтрального раствора

Ответ 03 и 008 мольл 1 375

10 Какова масса Al(OH)3 если для его растворения потребовалось 02 л

раствора азотной кислоты (ρ = 118 гмл W = 30 ) Какой объем 25 н раство-

ра КОН необходимо затратить для растворения этого количества гидроксида

алюминия

Ответ 292 мл 015 л

Следует уметь

1 Выражать содержание растворенного вещества в растворе различными

способами и осуществлять их взаимный пересчет

2 Готовить растворы смешиванием растворенного вещества и раствори-

теля разбавлением водой концентрированного раствора смешиванием двух

растворов разной концентрации выпариванием растворителя добавлением

растворяемого вещества к раствору

3 Пользоваться ареометром мерной посудой установкой для титрова-

ния методом интерполяции laquoправилом крестаraquo

4 Определять содержание растворенного вещества в растворе по его

плотности и с помощью титрования

Работа 4 Методы очистки веществ

Задания для подготовки к лабораторной работе

1 Ознакомьтесь со следующими элементами техники выполнения лабо-

раторных работ взвешиванием на весах измельчением растворением филь-

32

трованием изготовлением простых и складчатых фильтров фильтрованием го-

рячих растворов и фильтрованием растворов под вакуумом нагреванием на

электроплитке растворов в химической посуде промыванием и высушиванием

осадков методами очистки твердых жидких и газообразных веществ

2 Выполните необходимые расчеты

Теоретическая часть

В лабораторной практике большое значение имеет очистка веществ так

как работа с загрязненными реактивами обусловливает получение неточных ре-

зультатов и неправильных выводов

Известны многочисленные методы очистки веществ фильтрование ди-

стилляция дробная перегонка возгонка зонная плавка метод транспортных

реакций и др В лабораторной практике для очистки твердых веществ чаще ис-

пользуются перекристаллизация и возгонка для очистки жидкостей ndash фильтро-

вание и перегонка газов ndash отделение примесей путем поглощения их различ-

ными химическими веществами

1 Очистка твердых веществ от примесей перекристаллизацией и

возгонкой

Перекристаллизация основана на различной растворимости одного и то-

го же вещества при различных температурах Под растворимостью понимают

содержание вещества в насыщенном растворе при данной температуре Она

выражается обычно в граммах безводного вещества на 100 г растворителя

(табл 3) или любым видом концентрации растворов (см работу 3)

Таблица 3

Растворимость солей г100 г воды

Формула соли Температура

оС

0 20 40 60 80

CuSO4 143 205 287 395 555

K2Cr2O7 46 125 259 455 730

NaNO3 727 876 1049 1247 1490

КNO3 133 316 639 1100 1690

NH4Cl 294 372 458 552 656

Зависимость растворимости от температуры изображается также кривы-

ми растворимости (рис 9) Пользуясь табл 3 и рис 9 можно определить

например что в 100 г воды при 20 и 80 оС растворяется соответственно 316 и

1690 г нитрата калия Очевидно при охлаждении насыщенного при 80 оС рас-

твора нитрата калия до 20 оС должно выпасть 1690 ndash 316 = 1374 г соли Чем

ниже температура до которой охлаждают раствор тем большее количество

кристаллов выпадает в осадок

33

При небольшом изменении растворимости в результате повышения тем-

пературы (например хлорида натрия) раствор сначала упаривают а затем

охлаждают Иногда для кристаллиза-

ции к насыщенному водному раствору

вещества добавляют реагенты пони-

жающие его растворимость в воде

(например спирт ацетон концентри-

рованную соляную кислоту) Это явле-

ние называется laquoвысаливаниемraquo

Вещества применяемые в лабо-

раторной практике содержат как пра-

вило немного растворимых приме-сей

относительно которых раствор нена-

сыщен Поэтому при кристал-лизации

вещества из насыщенного раствора

примеси остаются в маточ-ном раство-

ре Маточным называется раствор

оставшийся после отфиль- тровыва-

ния выпавших кристаллов

Рис 9 Кривые растворимости Для получения более чистых ве-

некоторых солей ществ осуществляют повторную крис-

таллизацию

Возгонка ndash это переход вещества при нагревании из твердого состояния

непосредственно в пар минуя жидкое Этим методом очищают твердые веще-

ства от нелетучих примесей например йод серу нафталин хлорид аммония

салициловую кислоту и др Пары возгоняемого вещества конденсируются в

кристаллы на поверхности охлажденных предметов

2 Очистка жидкостей перегонкой

Перегонка основана на различии состава жидкой и паровой фаз Жидкая

фаза одного состава превращается в пар с последующей конденсацией его сно-

ва в жидкость другого состава Этим методом очищают жидкие смеси от рас-

творенных в них твердых веществ или менее летучих жидкостей

Различают несколько способов перегонки жидкостей под нормальным

давлением уменьшенным давлением и с водяным паром

Перегонкой под нормальным давлением пользуются в тех случаях когда

очищаемые жидкости при нагревании не разлагаются и не имеют слишком вы-

сокую температуру кипения Индивидуальное вещество при постоянном давле-

нии кипит при строго определенной температуре Поэтому температура кипе-

ния является характеристикой чистоты вещества Оно тем чище чем меньше

разница между температурой кипения очищаемого вещества и температурой

при которой оно перегоняется

34

3 Очистка газов

Газы для очистки пропускают через поглотительные сосуды содержащие

твердые или жидкие поглотители вступающие в химические реакции с приме-

сями и не реагирующие с очищаемым газом Этот процесс включает высуши-

вание и удаление специфических примесей образующихся в процессе его по-

лучения Пары воды можно поглощать концентрированной серной кислотой

прокаленным хлоридом кальция оксидом фосфора (V) силикагелем безвод-

ным сульфатом меди пары аммиака и хлороводорода ndash водой

Экспериментальная часть

Опыт 1 Очистка медного купороса перекристаллизацией

Пользуясь табл 4 рассчитайте четырьмя способами сколько граммов

воды и медного купороса следует взять для приготовления насыщенного при 80 оС раствора соли из которого при охлаждении до 20

оС выделилось бы 10 г

пентагидрата или 64 г безводного сульфата меди

Таблица 4

Растворимость

безводного сульфата меди и кристаллогидрата сульфата меди

при 80 и 20 оС

t оС

Масса г Масса раствора

г CuSO4 Н2О CuSO4times5Н2О Н2О

80 555 100 8672 6878 1555

8069 14539 12608 100 22608

20

205 100 3203 8847 1205

1594 7774 2490 6878 9368

2317 11303 362 100 1362

I способ расчет на 10 г CuSO4middot5Н2О

m (CuSO4middot5Н2О) m (Н2О)

80 оC 8672 6878

20 оC 2490 6878

II способ расчет на 10 г CuSO4middot5Н2О

m (CuSO4middot5Н2О) m (Н2О)

80 оC 12608 100

20 оC 3620 100

III способ расчет на 64 г CuSO4

m (CuSO4) m (Н2О)

80 оC 5550 100

20 оC 1594 1774

35

IV способ расчет на 64 г CuSO4

m (CuSO4) m (Н2О)

80 оC 8069 14539

20 оC 2317 11303

Примеры расчета масс веществ

Пример 1 Какие массы дихромата калия и воды необходимо взять для

получения очищенной соли массой 30 г если перекристаллизация будет прово-

диться в температурном интервале 80ndash20 оС

Решение

1) По табл 3 находим что при 80 оС в 100 г воды растворяется 7300 г

дихромата калия а при 20 оС ndash 1250 г

2) Следовательно при охлаждении раствора от 80 до 20 оС выделится

7300 ndash 1250 = 6050 г соли

3) Массу дихромата калия необходимую для получения 30 г очищенной

соли вычисляем следующим образом

для выделения 6050 г соли требуется 7300 г дихромата калия

для 30 г -------------------- х г х = 5060

0073middot30= 3619 г

4) Объем воды в котором должна быть растворена эта навеска рассчиты-

вается так

73 г дихромата калия растворяются в 100 г воды

362 г -------------------------------------- в х г

х = 73

100middot236= 4959 г (4959 мл так как плотность воды принимаем

равной 1 гмл)

Пример 2 Какую массу воды и медного купороса надо взять для приго-

товления насыщенного при 80 оС раствора соли из которого при последующем

охлаждении до 0 оС выделяется пентагидрат сульфата меди (II) массой 20 г

Решение

1) Учитывая растворимости безводного сульфата меди при 80 и 0 оС рас-

считаем какой массе кристаллогидрата соответствует масса безводной соли

555 и 143 г (CuSO4)

М(CuSO4middot5Н2О) = 250 гмоль М(CuSO4) = 160 гмоль

160 г безводной соли содержится в 250 г кристаллогидрата

555 г ----------------------------------- в х г

х = 160

250middot555= 867 г (80

оС)

160 г безводной соли содержится в 250 г кристаллогидрата

143 г ----------------------------------- в у г

у = 160

250middot314= 223 г (0

оС)

36

2) Вычисляем массу воды необходимую для растворения кристаллогид-

рата при соответствующих температурах

80 оС 100 ndash (867 ndash 555) = 688 г

0 оС 100 ndash (223 ndash 143) = 92 г

3) Масса медного купороса растворенная в воде массой 688 г при 0 оС

будет равна

в 92 г воды растворяются 223 г медного купороса

в 688 г ----------------------- х г

х = 688middot223

92= 1668 г

4) Масса кристаллогидрата выделяющегося при охлаждении от 80 до

0 оС равна 867 ndash 167 = 700 г

5) По условию задачи требуется получить медный купорос массой 20 г

Для выделения 70 г кристаллогидрата необходимо растворить его 867 г

для выделения 20 г ----------------------------------------------------------- х г

х = 2477 г

6) Масса воды необходимая для растворения 2477 г кристаллогидрата

для растворения 867 г кристаллогидрата требуется 668 г воды

для 2477 г ---------------------------------------------------- х г

х = 1965 г или 1965 мл (так как ρ OH2= 1 гмл)

Рассчитанную массу медного купороса взвесьте поместив его на часовое

стекло Отмерьте мерным цилиндром (см рис3) необходимый объем дистил-

лированной воды Вылейте воду в стакан из термостойкого стекла и нагрейте

до начала кипения Затем поместите навеску медного купороса в стакан с

нагретой водой и растворите при помешивании стеклянной палочкой Если по-

лученный раствор прозрачный и не содержит механических примесей то охла-

дите его до 20 оС помешивая стеклянной палочкой Если в приготовленном ис-

ходном растворе содержатся нерастворимые примеси то прежде чем охладить

раствор его необходимо отфильтровать через воронку для горячего фильтро-

вания (рис 10) с применением складчатого фильтра (рис 11)

Для нагрева воронки можно использовать

горячую воду из водопроводной сети Воронка имеет боковой отросток под который подстав-

ляют газовую горелку для нагревания находя-

щейся между стенками воды

При фильтровании легко воспламеняю-

щихся жидкостей применяют воронки с элек-

трическим обогревом

Рис 10 Воронка для горячего фильтрования

37

Для изготовления складчатого фильтра нужно взять соответствующий

размеру воронки квадрат из фильтровальной бумаги сложить его пополам и за-

тем еще раз пополам Внешние углы обрезать по дуге сложить laquoгармошкойraquo

При изготовлении простого фильтра приготовить конус как описано вы-

ше отогнуть один листочек и полученный конус вставить в воронку смочить

его дистиллированной водой (рис 12) Необходимо чтобы фильтр плотно при-

легал к стенкам воронки и между ними не было пузырьков воздуха Край филь-

тра должен быть ниже края воронки не менее чем на 05 см (рис 12 г)

Рис 11 Складчатый фильтр Рис 12 Изготовление простого фильтра

а-в ndash стадии изготовления г ndash фильтр помещен в воронку

Стеклянную воронку с развернутым складчатым фильтром поместите в

воронку для горячего фильтрования фильтр смочите ди-

стиллированной водой Жидкость перелейте на фильтр по

стеклянной палочке (рис 13) держать которую нужно в ле-

вой руке профильтруйте и охладите раствор до 20 оС

Выпавшие кристаллы отделите от маточного раствора

с помощью прибора изображенного на рис 14

Он состоит из фарфоровой воронки Бюхнера (1) колбы Бун-

зена (2) водоструйного вакуум-насоса или насоса Камовско-

го На сетчатое дно воронки Бюх-

нера положите два кружка филь-

тровальной бумаги Чтобы выре-

зать эти фильтры на верх воронки

положите два листа фильтроваль-

ной бумаги и плот-но прижмите

ладонью затем ножницами вы-

режьте один по обозначенному

контору другой ndash на 3ndash4 мм Рис 13 Фильтрование

меньше

На дно воронки вначале положите фильтр меньшего

размера затем большего смочите их дистиллирован-

ной водой и прижмите края к стенкам воронки

Вставьте воронку в колбу Бунзена перенесите в нее

кристаллы вместе с маточным раствором подсоеди-

Рис 14 Установка для ните прибор к насосу и включите его После отделе-

фильтрования с примене- ния кристаллов промойте их в 5ndash10 мл холодной дис- нием вакуума

38

тиллированной воды для удаления остатков маточного раствора

При перекристаллизации нужно получить вещество в кристаллах средне-

го размера так как крупные кристаллы обычно содержат включения маточного

раствора с находящимися в нем примесями а очень мелкие будучи свобод-

ными от этих включений образуют густую кашицу между отдельными кри-

сталлами которой прочно удерживается маточный раствор и отмыть его полно-

стью без потери вещества не удается

Снять кристаллы с воронки перевернув ее на лист фильтровальной бу-

маги и осторожно постучав по ее стенкам Сушить кристаллы нужно в сушиль-

ном шкафу или между листами фильтровальной бумаги до тех пор пока они

не перестанут прилипать к сухой стеклянной палочке Взвесьте перекристал-

лизованную соль и рассчитайте ее выход в процентах Раствор очищенной со-

ли и маточный раствор испытайте на присутствие хлорид-ионов (Реакция с

нитратом серебра в пробирку с небольшим количеством раствора добавьте

каплю раствора нитрата серебра и две капли азотной кислоты Выпавший бе-

лый осадок является хлоридом серебра)

Для уменьшения потери вещества при перекристаллизации маточный

раствор можно упарить наполовину и выделить новую порцию вещества по ме-

тодике описанной выше

Опыт 2 Возгонка йода

Взвесьте на часовом стекле 020 г йода 005 г йодида калия и 010 г окси-

да кальция (оксид кальция необходим для поглощения влаги йодид калия ndash для

очистки от примесей кислородных и других соединений йода) Смесь помести-

те на дно низкого тонкостенного стакана без носика и осторожно размешайте

стеклянной палочкой Накройте стакан круглодонной колбой наполненной

холодной водой (рис 15)

Поставьте стакан на кольцо штатива с асбестовой сеткой осторожно

нагрейте его дно пламенем спиртовки и наблюдайте возгонку йода По окон-

чании процесса прекратите нагревание и дайте стакану охладиться не снимая с

него колбы Затем поднимите колбу и осторожно снимите стеклянной палочкой

йод на предварительно взвешенное часовое стекло (кристаллы йода не сни-

мать металлическим шпателем так как йод взаимодействует с большинством

металлов) Определите массу йода и рассчитайте его выход в процентах

39

а б

Рис 15 Возгонка йода а ndash начало процесса б ndash конец процесса

Опыт 3 Очистка водопроводной воды перегонкой

Для очистки водопроводной воды соберите прибор для перегонки пред-

ставленный на рис 16 Он состоит из колбы Вюрца (1) в которую вставлен

термометр холодильника Либиха (2) аллонжа (3) колбы-приемника (4) с

хлоркальциевой трубкой Проверьте водопроводную воду на содержание в ней

ионов хлора (с использованием раствора нитрата серебра) ионов кальция и

магния

Для доказательства

наличия ионов кальция и

магния в пробирку налейте

5ndash6 мл водопроводной во-

ды добавьте 1 мл амми-

ачной буферной смеси и 3ndash

4 капли индикатора эри-

хрома черного Т Винно-

красная окраска жидкости

свидетельствует о наличии в

воде ионов кальция и маг-

ния фиолетовая ndash указы-

Рис16 Установка для перегонки воды вает на их отсутствие

Далее колбу Вюрца на 13 объема наполните водопроводной водой поместите

в нее для равномерного кипения жидкости несколько стеклянных капилляров

запаянных с одного конца Закройте отверстие колбы Вюрца пробкой с термо-

40

метром (ртутный шарик термометра должен быть немного ниже уровня отвод-

ной трубки колбы) Заполните холодильник водой (ток воды подается снизу

вверх) Приемник закройте пробкой снабженной аллонжем и хлоркальциевой

трубкой с натронной известью для поглощения углекислого газа из воздуха

Нагрейте на электроплитке воду до кипения предварительно положив под дно

колбы асбестовую сетку Отметьте при какой температуре закипит жидкость

Когда в приемнике соберется приблизительно 10 мл воды нагревание

прекратите Проверьте содержит ли дистиллированная вода ионы которые бы-

ли в водопроводной

Опыт 4 Очистка углекислого газа

Соберите прибор для получения и очистки оксида углерода (IV) (см

рис 1) Он состоит из аппарата Киппа и двух промывных склянок Тищенко В

одной из них находится дистиллированная вода (или раствор гидрокарбоната

натрия) в другой ndash концентрированная серная кислота

Получите углекислый газ в аппарате Киппа Для этого загрузите мрамор в

его средний шар и налейте через воронку такое количество 20 раствора соля-

ной кислоты чтобы он закрыл часть мрамора

Пропустите в течение 2 мин слабый ток оксида углерода (IV) через про-

мывные склянки Убедитесь с помощью обезвоженного сульфата меди содер-

жащегося в хлоркальциевой трубке что углекислый газ сухой Исследуйте

жидкость в склянке с дистиллированной водой на содержание в ней хлорид-

ионов Сделайте выводы

Вопросы и задачи

1 На чем основан процесс перекристаллизации

2 Как перекристаллизовать вещества растворимость которых изменяется

от температуры незначительно

3 Какой раствор называется маточным

4 Где остаются примеси после перекристаллизации и почему

5 От каких факторов зависит величина кристаллов Какие кристаллы со-

держат меньше примесей мелкие или крупные

6 От каких примесей освобождаются при очистке твердых веществ воз-

гонкой На чем основан этот метод

7 С какой целью при возгонке к йоду добавляют йодид калия и оксид

кальция

8 На каких физических процессах основана перегонка

41

9 Какой принцип лежит в основе работы холодильника

10 С какой целью при перегонке в колбу Вюрца добавляют так называе-

мые laquoкипелкиraquo (стеклянные трубки пористые материалы и т д)

11 От каких примесей очищается водопроводная вода при перегонке

12 Какие примеси присутствуют в диоксиде углерода полученном в ап-

парате Киппа и как их устранить

13 В насыщенном при 60 оС растворе сульфата калия его массовая доля

равна 154 Выразите растворимость в граммах на 100 г воды

Ответ 1829 г

14 Какая масса хлорида аммония выпадает в осадок при охлаждении до

0 оС насыщенного при 80

оС раствора массой 800 г

Ответ 17488 г

15 Какую массу воды и дихромата калия нужно взять для получения соли

массой 30 г если насыщение осуществлять при 60 а кристаллизацию ndash при

20 оС

Ответ 9090 г 4136 г

16 Какую массу нитрата натрия можно получить из раствора приготов-

ленного путем насыщения при 60 оС 25 мл воды и охлаждении до 0

оС (раство-

римость веществ приведена в табл 3)

Ответ 13 г

Следует уметь

1 Рассчитывать массы растворенного вещества и растворителя необхо-

димые для получения заданной массы очищенной соли

2 Взвешивать на весах отмерять жидкость цилиндром нагревать хими-

ческую посуду на электроплитке

3 Изготавливать простые и складчатые фильтры фильтровать при обыч-

ном давлении и под вакуумом

4 Рассчитывать практический выход продуктов

5 Правильно называть приборы и химическую посуду

6 Пользоваться аппаратом Киппа холодильником Либиха воронкой го-

рячего фильтрования

7 Проверять воду на чистоту

42

Работа 5 Определение изменения энтальпий физико-химических

процессов

Задания для подготовки к лабораторной работе

1 Повторите основные понятия изменение энтальпии реакции ∆rН изме-

нение энтальпии образования вещества ∆fН тепловой эффект реакции Qр-ции

тепловой эффект образования вещества Qобр закон Гесса и следствия из него

2 Ознакомьтесь с устройством калориметрической установки и зарисуйте

ее схему (рис 17)

Теоретическая часть

Большинство химических реакций сопровождается переходом химиче-

ской энергии в тепловую экзотермические реакции осуществляются с выделе-

нием тепла эндотермические ndash с поглощением

Количество тепла выделяющегося или поглощающегося при химической

реакции называется тепловым эффектом реакции который обозначается Qр-ции

или Qr где индекс laquorraquo ndash первая буква английского слова reaction

Тепловой эффект химической реакции при постоянном давлении Qр (ин-

декс laquoрraquo указывает постоянное давление) численно равен изменению энтальпии

∆rН взятой с противоположным знаком Qp = minus∆rН Тепловой эффект и измене-

ние энтальпии химической реакции измеряются в килоджоулях (кДж) или в ки-

локалориях (ккал) Уравнения химических реакций в которых указываются

тепловые эффекты или изменения энтальпии называются термохимическими

Энергетические эффекты различных процессов определяют эксперимен-

тально а термохимические расчеты проводят на базе основного закона термо-

химии ndash закона Гесса тепловой эффект изменение энтальпии изменение внут-

ренней энергии химической реакции зависят от природы и состояния исходных

веществ и конечных продуктов но не зависят от числа и характера промежу-

точных стадий процесса Этот закон лежит в основе расчета Q ∆Н ∆U различ-

ных процессов minus образования разложения сгорания растворения гидратации

нейтрализации и др

Если в ходе процесса при постоянном давлении системой совершается

работа расширения то Qp = ∆U + Р middot ∆V РV = nRT Р middot ∆V = ∆n middot RT

∆Н = ∆U + ∆n middot RT ∆U = ∆Н minus ∆n middot RT где ∆n ndash изменение числа молей газооб-

разных продуктов реакции и исходных веществ (∆n = продn minus исх

n )

Тепловой эффект (изменение энтальпии) растворения ndash теплота растворе-

ния (энтальпия растворения) данного вещества в данном растворителе опреде-

ляется количеством теплоты (изменением энтальпии) которое выделяется или

поглощается при растворении одного моля вещества в таком количестве рас-

творителя что дальнейшее прибавление последнего уже не вызывает дополни-

тельного теплового эффекта (изменения энтальпии)

Пример 1 Растворение Na2SO4 сопровождается выделением теплоты

(29 кДжмоль) а при растворении кристаллогидрата Na2SO4middot10Н2О происходит

43

поглощение теплоты (787 кДжмоль) Вычислите изменение энтальпии гидра-

тации

Решение

1 Термохимическое уравнение растворения Na2SO4

Na2SO4 (к) + aq rarr Na2SO4middotaq ∆Н1 (растворения безводной соли) = minus29 кДж

2 Процесс гидратации безводной соли

Na2SO4 (к) + 10Н2О(ж) rarr (Na2SO4 middot10Н2О)(к) ∆Н2 (гидратации) minus

3 Термохимическое уравнение растворения кристаллогидрата

Na2SO4middot10Н2О + aq rarr Na2SO4middot aq ∆Н3 (растворения кристаллогидрата) =

= 787 кДж

В соответствии с законом Гесса процесс растворения безводной соли (1)

складывается из процесса гидратации (2) и процесса растворения кристалло-

гидрата (3) те ∆Н1 = ∆Н2 + ∆Н3

Тогда ∆Н2 (гидратации) = ∆Н1 (растворения безводной соли) minus ∆Н3 (рас-

творения кристаллогидрата) = minus29 кДж minus 787 кДж = minus816 кДж

1-е следствие из закона Гесса изменение энтальпии реакции равно

сумме изменения энтальпий образования продуктов реакции за вычетом

суммы изменения энтальпий образования исходных веществ с учетом сте-

хиометрических коэффициентов

Пусть аА + бБ = сС + дД а б с д ndash стехиометрические коэффициенты

Тогда ∆rН = с middot ∆fНС + д middot ∆fНD minus а middot ∆fНА minus б middot ∆fНВ

Пример 2 Вычислите ∆Н 0

298 растворения NaOH в воде при образовании

раствора с концентрацией См = 1 мольл

Решение

Процесс растворения NaOH схематически выражается уравнением

NaOH(к) + aq rarr Na (р)

+ OH р

∆fН0

298 кДжмоль minus4268 minus2397 minus2284

∆rН0

298 = minus2397 minus 2284 + 4268 = minus413 кДж

Опыт подтверждает что растворение твердого NaOH сопровождается

разогреванием раствора

2-е следствие из закона Гесса изменение энтальпии реакции равно

сумме изменения энтальпий сгорания исходных веществ за вычетом суммы

изменения энтальпий сгорания продуктов реакции (с учетом стехиомет-

рических коэффициентов)

Пример 3 Вычислите ∆Н 0

298 реакции которая выражается уравнением

СН3СООН(ж) + С2Н5ОН(ж) = СН3СООС2Н5(ж) + Н2О(ж) ∆rН0

1 minus

Изменение энтальпии этого процесса можно рассчитать алгебраически

суммируя энтальпии сгорания

СН3СООН(ж) + 2О2(г) = 2СО2(г) + 2Н2О(ж) ∆rН0

2 = minus8711 кДж

2С2Н5ОН(ж) + 3О2(г) = 2СО2(г) + 3Н2О(ж) ∆rН0

3 = minus1367 кДж

СН3СООС2Н5(ж) + 5О2(г) = 4СО2(г) + 4Н2О(ж) ∆rН0

4 = minus2284 кДж

44

∆rН0

1 = ∆rН0

2 + ∆rН0

3 minus ∆rН

0

4 = minus8711 minus1367 + 22840 = minus46 кДж

Различают изменение энтальпий фазовых и химических превращений К

фазовым относят сублимацию испарение плавление полиморфные превраще-

ния переход из аморфного состояния в кристаллическое Разновидностью хи-

мических реакций служат процессы электролитической диссоциации и химиче-

ские превращения в водных растворах электролитов

Большое значение для развития химии имеет определение изменения эн-

тальпии нейтрализации кислоты щелочью ∆Ннейтр одного моля сильной кисло-

ты одним молем сильного основания ndash величина постоянная Этот факт объяс-

няет теория электролитической диссоциации Аррениуса согласно которой лю-

бая реакция нейтрализации сводится к следующему процессу

Н р-р

+ ОН р-р

= Н2О(ж)

∆fН0

298кДжмоль 0 minus23019 minus28583 Изменение энтальпии этой реакции

∆Н 0

298 нейтр = minus28583 + 23019 = minus556 кДж

∆Ннейтр слабых кислот слабыми основаниями ndash величина переменная за-

висящая от их констант диссоциации и соответственно от концентрации ионов

водорода Н р-р

и гидроксид-ионов ОН р-р

в растворе и имеет значение мень-

шее чем 556 кДжмоль

Экспериментальная часть

Опыт 1 Определение изменения энтальпии нейтрализации сильного

основания сильной кислотой

Для проведения опыта используйте калориметрическую установку

(рис 17) Она состоит из калориметрического стакана (1) вставленного в дру-

гой стакан (2) который играет роль теплоизо-

лирующей муфты подставки (3) крышки (4)

термометра (5) мешалки (6) пипетки (7) шта-

тива (8)

Взвесьте калориметрический стакан и

влейте в него из пипетки (бюретки) 25 мл рас-

твора NaOH или КОН с концентрацией Сэ

= 1 мольл и отметьте температуру с точностью

до 01 оС В другой стакан налейте из бюретки

25 мл НСl или HNO3 такой же концентрации и

измерьте с той же точностью температуру рас-

твора кислоты Затем быстро но аккуратно

влейте раствор кислоты в калори-

Рис 17 Калориметрическая метрический стакан Перемешивая мешалкой

установка содержимое сосуда отметьте максимальную

температуру смеси

Полученные данные используйте для расчетов Расчет проводите по сле-

дующей схеме

45

1 Вычислите изменение энтальпии реакции

NaOH (КОН) + НСl (HNO3) = Н2О + NaCl (KCl)

∆rН0 = (mж middot Cж + mст middot Cст) middot ∆t ∆t = tкон minus tнач где tкон tнач ndash конечная и

начальная температуры (оС) растворов в калориметрическом сосуде mст mж ndash

масса стеклянного калориметрического сосуда и находящейся в нем жидкости

Cст Cж ndash удельные теплоемкости стекла и жидкости Начальная температура ndash

это среднеарифметическая температура щелочи и кислоты конечная ndash наивыс-

шая температура после сливания растворов плотность раствора принять равной

1 гмл его удельную теплоемкость ndash равной теплоемкости воды

(4184 ДжгmiddotК) а удельную теплоемкость стекла ndash 0753 ДжгmiddotК Массу стакана

(mст) определяют в зависимости от того какая часть его объема заполняется

раствором (если наполовину то стm

2)

2 Составьте ионно-молекулярное уравнение реакции нейтрализации и

рассчитайте изменение энтальпии нейтрализации одного моля эквивалента

кислоты по результатам проведенного опыта

3 Определите относительную ошибку опыта (в процентах)

Опыт 2 Определение изменения энтальпии нейтрализации слабого

основания слабой кислотой

Проведите опыт аналогично первому взяв растворы аммиака и уксусной

кислоты с концентрацией Сэ = 1 мольл Вычислите изменение энтальпии

нейтрализации в расчете на 1 моль эквивалентов уксусной кислоты Сравните

результаты с данными предыдущего опыта

Опыт 3 Определение изменения энтальпии растворения безводного

сульфата меди (II)

Опыт проведите в калориметрической установке (см рис 17) В предва-

рительно взвешенный калориметрический стакан налейте 30 мл дистиллиро-

ванной воды определите ее температуру с точностью до 01 оС Взвесьте 1 г

безводного сульфата меди (II) с точностью до 001 г Быстро и аккуратно

всыпьте соль в калориметрический сосуд Размешивая его содержимое мешал-

кой отметьте максимальную температуру Зная разность температур общую

массу раствора и приняв удельную теплоемкость раствора равной удельной

теплоемкости воды рассчитайте изменение энтальпии данного процесса на

1 моль безводной соли

I 1 CuSO4 (к) + aq rarr CuSO4 middot aq ∆Н 0

р-ния б сminus

Имея в виду что гидратация безводной соли и растворение кристалло-

гидрата выражаются следующими термохимическими уравнениями

1 CuSO4(к) + 5H2O(ж) = CuSO4middot5H2O(к) ∆Н 0

1 = minus778 кДж ndash изменение

II энтальпии при гидратации

2 CuSO4middot5H2O(к) + aq = CuSO4 middot aq ∆Н 0

2 = 117 кДж ndash изменение энталь-

пии растворения кристаллогидрата рассчитайте ∆Н 0

р-ния б с CuSO4 на основе за-

46

кона Гесса ∆Н(р-ния б с) = ∆Н(гидрат) + ∆Н(р-ния кристаллогидрата) Сравните теоретиче-

ские и экспериментально рассчитанные значения изменения энтальпии и опре-

делите относительную погрешность опыта (в процентах)

Опыт 4 Определение изменения энтальпии гидратации карбоната

натрия

Опыт проведите по методике описанной в опыте 3 Взятая навеска кар-

боната должна составлять примерно 07 г Опыт и расчеты повторите для кри-

сталлогидрата Na2CO3middot10Н2О (навеска ndash 15 г на 30 мл воды) По найденным

изменениям энтальпий растворения Na2CO3 и Na2CO3middot10Н2О вычислите изме-

нение энтальпии гидратации карбоната натрия и сравните с литературными

данными

(∆Н 0

р-ния б с= minus251 кДжмоль ∆Н

0

гидрат = minus920 кДжмоль

∆Н 0

р-ния кристаллогидрата = 669 кДжмоль)

Вопросы и задачи

1 Почему химические и фазовые превращения сопровождаются выделе-

нием или поглощением энергии Почему в одних случаях энергия выделяется а

в других поглощается

2 Рассчитайте среднюю энергию связи в молекулах СН4 и SiH4 если из-

вестны изменения энтальпий образования Н (г) С (г) Si (г) и СН4 (г) SiH4 (г)

Объясните различия средней энергии связи С ndash Н Si ndash Н

Ответ 415325 кДжмоль

3 Вычислите среднюю энергию связи Н ndash О в молекуле воды если из-

вестно изменение энтальпии образования Н2О (г) Н (г) и О (г)

Ответ 462 кДжмоль

4 Вычислите изменение энтальпии реакции нейтрализации растворов

КОН и НСl CsOH и H2SO4 NaOH и HNO3 в случае очень разбавленных рас-

творов в расчете на 1 моль Н2О в стандартных условиях Почему изменение эн-

тальпий этих реакций одинаковы Почему значения изменения энтальпий

нейтрализации разных слабых оснований и кислот различны

Ответ minus556 кДжмоль

5 При растворении 10 г СаСl2 в 200 мл воды температура раствора повы-

силась на 77 К Вычислите изменение энтальпии гидратации СаСl2 если изме-

нение энтальпии растворения СаСl2middot6Н2О равна 1908 кДжмоль Удельную

теплоемкость раствора примите равной удельной теплоемкости воды

(4184 ДжгmiddotК) Ответ minus9423 кДжмоль

6 При растворении 8 г хлорида аммония в 20 г воды температура понизи-

лась на 2 оС Вычислите ∆Н растворения NH4Cl в воде принимая удельную

теплоемкость полученного раствора равной 41870 Дж(г middot К)

Ответ minus163 кДжмоль

47

7 Рассчитайте ∆rН растворения алюминия в разбавленной соляной кисло-

те если стандартные изменения энтальпий образования реагирующих веществ

равны ∆fНHCl (p-p) = minus1675 кДжмоль ∆fН 3 р-р

AlCl = minus6723 кДжмоль

Ответ minus3396 кДж

8 При растворении 5206 г BaCl2 в 400 моль Н2О выделяется 216 кДж

теплоты Вычислите ∆Н гидратации безводного BaCl2

Ответ 2713 кДжмоль

9 При растворении 16 г СаС2 в воде выделяется 313 кДж теплоты Опре-

делите изменение стандартной энтальпии образования Са(ОН)2

Ответ minus98633 кДжмоль

10 Вычислите изменение энтальпии при сгорании 20 л диборана (ну)

если ∆fН (В2О3 (к)) = minus1264 кДжмоль ∆fН (В2Н6 (г)) = 314 кДжмоль Целе-

сообразно ли использовать в качестве топлива диборан вместо этана если

стандартное изменение энтальпии сгорания этана равно minus155988 кДжмоль

Ответ minus19220 кДж

Следует уметь

1 Используя калориметрический метод рассчитывать энтальпию различ-

ных физико-химических процессов

2 Вычислять энтальпию реакции по энтальпиям образования исходных

веществ и конечных продуктов пользуясь законом Гесса и его следствиями

3 Учитывать влияние прочности химических связей в продуктах реакции

и исходных веществах на энтальпию реакции

48

Библиографический список

1 Еремин В В Основы общей и физической химии В В Еремин

А Я Борщевский ndash М Интеллект 2012 ndash 800 c

2 Неорганическая химия в 3 т под ред Ю Д Третьякова ndash М Ака-

демия 2011 minus 2012 ndash Т 1 ndash 240 с Т 2 ndash 368 с Т 3 (1) ndash 352 с Т 3 (2) ndash 400 с

3 Павлов Н Н Общая и неорганическая химия Н Н Павлов ndash М Лань

2011 ndash 496 с

4 Росин И В Общая и неорганическая химия Современный курс И

В Росин Л Д Томина ndash М Юрайт 2012 ndash 1338 с

5 Шрайвер Д Неорганическая химия в 2-х т Д Шрайвер П Эткинс ndash

М Мир 2013 Т 1 ndash 679 с Т 2 ndash 486 с

Содержание

Правила работы в химической лабораторииhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip3

Работа 1 Определение молярных масс газообразных веществhelliphelliphelliphellip4

Работа 2 Определение молярных масс эквивалентовhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip12

Работа 3 Приготовление растворовhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip24

Работа 4 Методы очистки веществhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip32

Работа 5 Определение изменения энтальпий

физико-химических процессовhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip42

Библиографический списокhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip48

Page 4: МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ К ЛАБОРАТОРНОМУ ...phys-chem.mrsu.ru/wp-content/uploads/2017/11/...МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ К ЛАБОРАТОРНОМУ

4

окраски выделение газа и т д) 9 Выводы (таблицы графики итоговые

обобщения) 10 Ответы на вопросы и решение задач

Студент допускается к выполнению лабораторной работы при наличии

подготовленного лабораторного журнала

Студент не подготовившийся к выполнению лабораторной работы гото-

вится к ней во время занятия под наблюдением преподавателя и допускается к

работе если остается достаточно времени для ее выполнения Если времени на

выполнение лабораторной работы недостаточно то студент направляется на

отработку пропущенной работы в другую группу по расписанию работы препо-

давателя (или направляется в другую группу по договоренности с преподавате-

лем)

Студент выполняет лабораторную работу внося в практическую часть

отчета необходимые сведения уравнения реакций наблюдения расчеты гра-

фики делает необходимые выводы Далее студент должен защитить работу от-

ветив на ряд теоретических и практических вопросов преподавателя по сути

эксперимента решив расчетную задачу

Лабораторный практикум считается выполненным если студент отрабо-

тал и защитил все лабораторные работы набрав при этом минимально необхо-

димую сумму баллов

Работа 1 Определение молярных масс газообразных веществ

Задания для подготовки к лабораторной работе

1 Повторите важнейшие законы газового состояния (Бойля ndash Мариотта

Гей-Люссака Шарля Авогадро объединенный газовый закон) уравнение Кла-

пейрона ndash Менделеева понятия об относительной молекулярной (относитель-

ной атомной) и молярной массах моле абсолютной и относительной плотности

веществ методы определения молярных масс веществ в газообразном состоя-

нии

2 Ознакомьтесь с устройством аппарата Киппа и методикой определения

молярной массы оксида углерода (IV)

Теоретическая часть

Основные химические понятия

Химический элемент ndash совокупность атомов естественного изотопиче-

ского состава этого элемента с одинаковым зарядом ядра

Изотопы ndash разновидности атомов химического элемента с одинаковым

порядковым номером и отличающиеся друг от друга количеством нейтронов и

массовыми числами ( 1

1 Н 2

1 Н 3

1 Н 16

8 О 17

8 О 18

8 О)

Атом ndash наименьшая частица химического элемента являющаяся носите-

лем его свойств и неделимая при химических реакциях

5

Молекула ndash наименьшая частица простого или сложного вещества опре-

деляющая его свойства способная к самостоятельному существованию состо-

ит из атомов одного (простое вещество) или различных (сложное вещество)

химических элементов (С Si P4 S8 O2 O3 Г2 N2 Fe Cu ndash простые вещества

Н2О СО2 СаСО3 Са3(РО4)2 ndash сложные вещества)

Ион ndash это заряженная частица ndash атом или группа химически связанных

атомов несущая на себе при недостатке электронов положительный заряд и

называющаяся катионом а при избытке электронов отрицательный заряд и

называющаяся анионом (Сlminus Са

2+ РО 3

4

)

Вещество ndash это форма материи состоящая из атомов молекул или

ионов

Структурные единицы ndash любой вид реальных частиц (атомов молекул

ионов электронов и т п) и условно существующие доли таких частиц

(13 Н3РО4 15 КМnО4 13 Аl 12 СаСО3 12 Ва2+

и т п)

Число Авогадро ndash число атомов изотопа углерода 12

6С в 120000 г этого

вещества NА = 60221367middot1023

asymp 6022middot1023

атомов

Постоянная Авогадро ndash константа численно равная числу Авогадро и

показывающая число соответствующих структурных единиц в 1 моле таких

единиц NА = 60221367middot1023

asymp 6022middot1023

мольminus1

NА = N число частиц любой системы

количество вещества системы

Пример

Содержание структурных единиц в 1 моле таких единиц

NА атомов Na в 1 моле атомов Na

NА ионов Na+ в 1 моле ионов Na

+

NА молекул Н2 в 1 моле молекул Н2

NА атомов Н в 1 моле атомов Н

2NА атомов Н в 1 моле молекул Н2

NА молекул Са3(РО4)2 в 1 моле молекул Са3(РО4)2

3NА ионов Са2+

в 1 моле молекул Са3(РО4)2

2NА ионов РО 3

4

в 1 моле молекул Са3(РО4)2

3NА ионов Са2+

в 3 молях ионов Са2+

2NА ионов РО 3

4

в 2 молях ионов РО 3

4

13NА атомов Са Р О в 1 моле молекул Са3(РО4)2

Моль ndash единица измерения количества вещества Моль характеризует ко-

личество вещества определенной химической формулы ndash формульной единицы

(ФЕ)

1 моль любого вида структурных единиц ndash это такое количество веще-

ства которое содержит NА соответствующих структурных единиц

Пример

1 моль ионов Na+ содержит NА ионов Na

+

1 моль молекул NaCl NА ионов Na+ и NА ионов Cl

minus

1 моль молекул Са3(РО4)2 3 моль ионов Са2+

(3 middot NА ионов)

6

2 моль ионов РО 3

4

(2 middot NА ионов)

3 моль атомов Са (3 middot NА атомов)

2 моль атомов Р (2 middot NА атомов)

8 моль атомов О (8 middot NА атомов)

1 моль S8 NА молекул S8 (8 middot NА атомов S)

Количество молей вещества обозначается ν и рассчитывается по формуле

ν = m

M =

A

N

N где m ndash масса ν молей вещества M ndash его молярная масса Если

ν = 1 моль то m = M Масса 1 моля вещества равна его молярной массе

(в гмоль)

Пример

1 моль Са3(РО4)2 весит столько чему равна его молярная масса

М[Са3(РО4)2] = 3 middot М (Са) + 2 middot М (Р) + 8 middot М (О) = 3 middot 40078 + 2 middot 30974 + 8 middot

middot 15999 = 310174 гмоль

Масса 1 моля Са3(РО4)2 или 6022middot1023

молекул Са3(РО4)2 равна 310174 г

Атомная единица массы (аем) (другое название ndash углеродная единица

(уе)) Она равна 112 части массы атома легкого изотопа углерода с массовым

числом 12 Атомная единица массы ndash величина постоянная равная

16605402middot10minus24

г

1 аем = 1

12mат (

12

6С) =

261992 10 кг

12

asymp 0166middot10

minus26 кг

Единицы измерения аем ndash граммы килограммы и т д

Масса атомов и молекул mат mмол-лы выражается очень малыми величи-

нами порядка 10minus26

кг

Пример

m (Н) = 0167middot10minus26

кг = 10079 middot аем

m ( 12011

6С) = 1994middot10

minus26 кг = 12011 middot аем

m (СО2) = 7305middot10minus26

кг = 12011 middot аем + 2 middot 15999 middot аем

Единицы измерения масс атомов и молекул кг г аем и т д

mат =

ат

A

М

N= Аr middot аем mмол-лы =

мол-лы

A

М

N= Мr middot аем

mлюбого числа частиц m (N) = A

МN

N = M middot ν

Пример

mат (12

6С) =

23 1

12 гмоль

6022 10 моль = 1992middot10

minus26 кг

mат (12011

6С) = 23 1

12011гмоль

6022 10 моль = 1994middot10

minus26 кг

Относительная атомная масса (Аr) показывает во сколько раз сред-

няя масса атома естественного изотопического состава элемента больше

1 а е м Значения Аr приводятся в периодической системе элементов

7

Д И Менделеева Аr можно рассчитать по формуле Аr = ат эл-таm (кг г)

аем (кг г) Аr minus ве-

личина безразмерная Подстрочная буква laquorraquo minus первая буква английского слова

relative или латинского relativus ndash относительный сравнительный масса атома

сравнивается с 1 аем

Пример

Аr (О) = 159994 Это означает что масса атома кислорода больше аем

в 159994 раз Аr (Н) = 10079 ndash масса атома водорода больше 1 аем в

10079 раз Аr (С) = 12011 ndash масса атома углерода в 12011 раз больше 1 аем

Относительная молекулярная масса (Мr) простого или сложного веще-

ства ndash безразмерная величина равна отношению средней массы естественного

изотопического состава вещества к 1 аем Мr =

мол-лыm кг г

аем кг г Значения Мr рас-

считывают из величин Аr элементов образующих соединения с учетом коли-

чества атомов каждого из них Если химическая формула вещества АхВуСz то

Мr = х middot Аr (А) + y middot Аr (В) + z middot Аr (С)

Пример Мr (N2O5) = 2 middot Аr (N) + 5 middot Аr (О) = 2 middot 14007 + 5 middot 15999 = 108009 те

масса молекулы N2O5 в 108009 раз больше 1 аем

Молярная масса вещества (М) ndash это масса 1 моля вещества Единицы

измерения гмоль кгмоль гкмоль кгкмоль и т д М = m

где m ndash масса ν

молей вещества Молярная масса выраженная в гмоль или кгкмоль численно

равна относительной молекулярной (Мr) а для простых веществ состоящих из

одного атома ndash относительной атомной (Аr) массе Для вещества имеющего

формулу АхВуСz М = х middot М (А) + y middot М (В) + z middot М (С) (гмоль)

Пример

Аr (Cs) = 132905 М (Cs) = 132905 гмоль

Мr(SO2) = Аr (S) + 2 middot Аr (O) = 32064 + 159994 middot 2 = 64063

М(SO2) = 64063 гмоль

1 моль атомов цезия или 6022middot1023

атомов цезия весят 132905 г 1 моль

молекул SO2 или 6022middot1023

молекул SO2 весят 64063 г

Молярный объем газа (Vm) ndash объем занимаемый 1 молем газа Единица

измерения Vm ndash лмоль м3моль млмоль лкмоль и др

1 моль любого газа при одинаковых условиях (Р Т) занимает одинаковый

объем (V) (закон Авогадро) Молярный объем газа при нормальных условиях

(ну 0 оС или 273 К 760 мм рт ст или 101 325 Па)

V 0

m = 224 лмоль = 224middot10minus3

м3моль

Таким образом 1 моль любого газа при ну занимает объем равный

224 л

Vm и V 0

m рассчитываются по формулам

Vm =

V V 0

m =

0V где ν ndash количество вещества (моль) V и V0 minus объемы

газов (мл л м3) соответственно при любых условиях (V) и при ну (V0)

8

Молярный объем газа равен отношению объема (V) к количеству веще-

ства (ν)

Масса 1 л любого газа m = 0

m

М(гмоль)middot1(л)

V (л моль)

Количество вещества (ν) ν = m

М =

mV

V=

0

m

0

V

V

Молярная масса вещества М (гмоль) = m (г) middot 0

m

0

V (л моль)

V (л)

Относительная плотность одного газа (х) по другому газу (В) обозна-

чается Dв ndash величина безразмерная показывающая во сколько раз масса газа х

(mх) больше массы газа В (mв) такого же объема измеренных при одинаковых

условиях (Р Т)

Dв = в

m

mx

Если mх и mв взяты для веществ в количестве 1 моль то Dв = в

M

Mx

Dв показывает во сколько раз 1 моль газа х тяжелее 1 моля газа В

Для расчета Dв можно использовать и абсолютные плотности газов (ρ) В

этом случае Dв = в

ρ

ρx

Таким образом Dв = в

m

mx

= в

M

Mx

= в

ρ

ρx

Мх = Dв middot Мв

Абсолютная плотность вещества (ρ) в любом агрегатном состоянии ndash

это масса единицы его объема

ρ = m

V (кгм

3 гл гмл)

Пример

а) Относительная плотность СО2 по Н2

D2Н =

2

2

H

CO

m

m =

2

2

H

CO

M

M где m

2CO и m2H ndash массы СО2 и Н2 при одинаковых V

Р Т М2CO и М

2H ndash молярные массы СО2 и Н2 те массы СО2 и Н2 объемом

224 л при ну М2CO = D

2Н middot M2H

б) Относительная плотность СО2 по воздуху

Dвозд= возд

CO

m

m2 =

возд

CO

M

M2 М

2CO = Dвозд middot Мвозд

Уравнение Клапейрона ndash Менделеева

PV = νRT = M

mRT P V T ndash условия при которых проводится опыт ν

ndash количество вещества R ndash универсальная газовая постоянная которая рассчи-

тывается по формуле R = 0 0

0

P V

νТ ν = 1 моль

а) R = 3 3101325 Паmiddot (224middot10 ) м

1мольmiddot273 К

= 8314 Дж

моль middotК

9

Па = 2

кг

мmiddotс Дж =

2

2

кг middotм

с= Па middot м

3

б) R = 760 мм рт стmiddot224л

1мольmiddot273 К= 624

мм ртстmiddotл

моль middotК

R = 62 400 мм ртст middotмл

моль middot К

в) R = -3 3 5 222415 10 м 101330 10 Нм

1 моль 273 К

= 8314

Дж

моль К

Из уравнения Клапейрона ndash Менделеева

Мх = mRT

P V где Мх ndash молярная масса определяемого газа m ndash его масса

P V T ndash давление объем температура соответствующие условиям опыта Для

углекислого газа М2CO = 2COm RT

P V

Экспериментальная часть

Опыт 1 Определение молярной массы оксида углерода (IV)

Целью лабораторной работы является знакомство с методами определе-

ния молярной массы газа на примере оксида углерода (IV) приобретение навы-

ков взвешивания и расчетов по газовым законам

1 Собрать прибор как показано на рис 1

2 Записать уравнение реакции получения СО2

3 Сухую колбу с воздухом плотно закрыть пробкой и восковым каран-

дашом сделать отметку по глубине вхождения пробки в горло колбы

1 ndash шарообразная воронка

2 3 ndash соединенные между собой

резервуары

4 5 ndash тубусы 6 ndash кран

7 ndash перетяжка

8 9 ndash промывные склянки

10 ndash приемник СО2

Рис 1 Установка для получения и очистки диоксида углерода состоящая из аппарата

Киппа промывных склянок и приемника СО2

4 Взвесить колбу с пробкой и воздухом на весах

(рис 2) записать в журнале m1 (г) ndash масса колбы с проб-

кой и воздухом

5 Наполнить колбу оксидом углерода (IV) из аппа-

рата Киппа опустив конец газоотводной трубки до дна

колбы Скорость пропускания газа отрегулировать так

чтобы его пузырьки можно было считать при прохожде-

Рис 2 Весы лабораторные нии их через склянки с водой (или раствором

компактные NaHCO3) и концентрированной серной кислотой

10

6 Полноту наполнения колбы углекислым газом проверить с помощью

горящей лучины Держа колбу в вертикальном положении вставить в нее

пробку Закрыть кран аппарата Киппа

7 Взвесить колбу с диоксидом углерода запи-

сать результат взвешивания m2 (г) ndash масса колбы с

пробкой и СО2

8 Провести контрольный опыт колбу повторно

наполнить углекислым газом из аппарата Киппа за-

крыть ее и снова взвесить Разница между взвешивани-

ями не должна быть больше 002 г в противном случае

опыт повторить

9 Записать значения температуры и давления

во время проведения эксперимента

10 Для измерения объема (V) колбы и соответ-

ственно объема газов заполняющих ее наполнить

колбу до метки водой комнатной температуры

11 Измерить объем воды перелив ее из кол-

бы в мерный цилиндр (рис 3) и результат изме-

рения (V мл) при условиях проведения эксперимента Рис 3 Мерные цилиндры

записать в журнал

12 Привести объем (V) газа к ну (V0) используя объединенный газовый

закон

T

PV=

0

00

T

VP V0 = 0

0

P VT

T P

13 Зная V0 рассчитать массу воздуха в объеме колбы (m3)

m3 = возд 0

0

m

M V

V=

029 гмоль V л

224 л моль (по закону Авогадро)

14 Рассчитать массу пустой колбы (без воздуха) m4 = m1 ndash m3 (из массы

колбы с воздухом вычесть массу воздуха)

15 Рассчитать массу СО2 в объеме колбы (m5)

m5 = m2 ndash m4 (из массы колбы с СО2 вычесть массу пустой колбы)

16 Рассчитать М2CO (эксп) по методу Авогадро

М2CO (эксп) =

0

5 m

0

m V

V где V0 рассчитывается по п12

17 Рассчитать Dвозд = 3

5

m

m М

2CO (эксп) = Мвозд middot Dвозд (метод расчета

М2CO используя его относительную плотность по воздуху)

18 Если колбу заполнить водородом то его масса в объеме колбы (m6)

будет равной

m6 = 2H 0

0

m

M V

V =

02 гмоль middotV л

224 л моль

19 Рассчитать D2Н D

2Н = 6

5

m

m М

2CO (эксп) = М2Н middot D

11

20 Рассчитать М2CO (эксп) по уравнению Клапейрона ndash Менделеева

М2CO (эксп) = 5m R T

PV где Р V Т ndash условия проведения эксперимента

21 Рассчитать М2CO (теор) = М(С) + М(О) middot 2

22 Рассчитать относительную ошибку опыта по формуле

К = теор

эксптеор

М

ММ middot 100 Ошибка не должна превышать 2

Вопросы и задачи

1 Определите что тяжелее (при одинаковых условиях)

ndash сухой углекислый газ или равный объем газа содержащий водяные па-

ры

ndash метан сухой или метан содержащий водяные пары

2 Смесь озона с кислородом имеет плотность по водороду равную 18

Определите процентный состав смеси (по объему)

Ответ 25 О3 75 О2

3 Вычислите молярную массу газа всеми возможными методами если

062middot10minus3

м3 при 294 К и 101 325 Па имеют массу 124middot10

minus3 кг Сколько молекул

содержится в данном объеме

Ответ 48 гмоль 156middot1022

молекул

4 Зная молярную массу кислорода и азота а также учитывая что в воз-

духе содержится 24 мас кислорода и 76 мас азота определите среднюю

молярную массу воздуха

Ответ 29 гмоль

5 Плотность жидкого хлора равна 15 гмл Сколько литров газообразно-

го хлора получится из 80 мл жидкого хлора

Ответ 379 л

6 Определите в каком объеме аргона при 20 оС и давлении 1 333 Па со-

держится 5middot1016

молекул

7 Найдите относительную плотность по воздуху газовой смеси состоя-

щей из азота кислорода и оксида углерода (IV) объемные доли которых равны

соответственно 60 20 и 20

8 При прокаливании 1 кг СаСО3 получены 056 кг СаO и 0224 м3 СО2

(ну) Подтверждают ли эти данные закон сохранения массы веществ

9 Смешаны водород кислород и оксид углерода (IV) массой по 1 кг каж-

дый Найдите объемные и молярные доли этих газов в полученной смеси

12

10 Вычислите а) объем 20 т (ну) аммиака б) массу 10 мл паров толуола

С7Н8 в) массу молекулы оксида углерода (II)

Следует уметь

1 Пользоваться аппаратом Киппа

2 Взвешивать на электронных весах

3 Заполнять сосуды газами различной плотности

4 Экспериментально определять массу и объем газа при определенных

температуре и давлении

5 Рассчитывать молярную массу вещества по полученным эксперимен-

тальным данным различными способами а) по методу Авогадро б) используя

относительную плотность одного газа по другому газу в) по уравнению Кла-

пейрона ndash Менделеева

Работа 2 Определение молярных масс эквивалентов

простых и сложных веществ

Задания для подготовки к лабораторной работе

1 Повторите основные понятия эквивалент фактор эквивалентности

молярная масса эквивалента масса эквивалента количество вещества эквива-

лента молярный объем эквивалента закон эквивалентов

2 Ознакомьтесь с устройством прибора (рис 4) и методикой определения

молярной массы эквивалента алюминия

3 Ознакомьтесь с методикой экспериментального определения молярной

массы эквивалента карбоната кальция

Теоретическая часть

Эквивалент (э) ndash это либо реальная либо условно существующая струк-

турная единица вещества которая эквивалентна (равноценна) одному положи-

тельно поляризованному атому водорода одному иону водорода одному элек-

трону или одному эквиваленту любого другого вещества

1 э (Н) равноценен 1 атому (Н) (1 эквивалент водорода равноценен

1 атому водорода)

1 э (Н+) равноценен 1 иону (Н

+)

1 э (окислителя или восстановителя) равноценен 1 ē

Пример

а) В соединениях Н2О NН3 СН4 с одним эквивалентом положительно по-

ляризованных атомов водорода соединяются 1

2 доля атома (О)

1

3 доля атома

(N) 1

4доля атома (С) э (О) =

1

2атома (О) э (N) =

1

3 атома (N) э (С) =

1

4атома

(С) В молекуле HCl с 1 э (Н+) соединяется 1 ион Cl

minus э (Cl

minus) = 1 иону Cl

minus

б) Кислотно-основное взаимодействие по теории Аррениуса сводится к

процессу

Н+

(р-р) + ОНminus

(р-р) rarr Н2О(ж)

13

С одним ионом водорода взаимодействует один гидроксид-ион Эквива-

лент (ОНminus) равноценен иону (ОН

minus)

в) Са(ОН)2 + Н2SО4 rarr СаSО4darr + 2Н2О

Одному Н+ эквивалентны

1

2доля иона Са

2+ 1 ион ОН

minus

1

2доля иона

SO 2

4

э (Са2+

) = 1

2 иона Са

2+ э

(SO 2

4

) = 1

2иона SO 2

4

э (ОНminus) = 1 иону ОН

minus э

(Са2+

) э (SO 2

4

) ndash условно существующие частицы э (ОНminus) ndash реальная частица

г) Al(NO3)3 + H3PO4rarrAlPO4 + 3HNO3 Одному Н+ эквивалентны

1

3 доля

Al3+

1 ион NO3

1

3 доля иона РО 3

4

э (Al3+

) = 1

3иона Al

3+ э (NO

3

) = иону NO3

э (РО 3

4

) = 1

3 иона РО 3

4

э (NO3

) ndash реальная частица э (Al3+

) э (РО 3

4

) ndash условно

существующие частицы

+5 +4 +6 minus1

д) КСlО3 + 3MnO2 + 6KOH rarr3K2MnO4 + KCl + 3H2O

ClO3

+ 3H2O + 6 ē rarr Clminus + 6OH

minus 1

MnO2 + 4OHminus minus 2 ē rarr MnO 2

4

+ 2H2O 3

Одна молекула КСlО3 принимает 6 ē значит э (КСlО3) = 1

6 часть моле-

кулы КСlО3 Одна молекула MnO2 отдает 2 ē значит э (MnO2) = 1

2часть моле-

кулы MnO2 В схеме реакции с учетом стехиометрических коэффициентов

участвуют по 6 эквивалентов КСlО3 MnO2 KOH

Фактор эквивалентности (fЭ) ndash число которое показывает какая доля

атома молекулы иона является эквивалентом Если fЭ = 1 то эквивалент ndash ре-

альная частица так как он равноценен атому молекуле или иону если fЭ lt 1 то

эквивалент ndash условная частица так как эквивалент в этом случае какая-то доля

реально существующей частицы

fЭ = 1

z где z ndash эквивалентное число

Для элементов и молекул простых веществ состоящих из одного атома

fЭ = 1

B где В ndash валентность элемента образующего простое вещество те

z = В

Пример

fЭ (Н) = 1 fЭ (О) = 1

2 fЭ (

V

P ) = 1

5 fЭ (Са) =

1

2 fЭ (Al) =

1

3 fЭ (Na) = 1

fЭ (III

P ) = 1

3

Для простых веществ состоящих из нескольких атомов fЭ = 1

B n где nndash

количество атомов элемента в молекуле простого вещества те z = В n

14

Пример

fЭ (Н2) = 1

1 2 =

1

2 fЭ (О2) =

1

2 2=

1

4 fЭ (Г2) =

1

1 2 =

1

2 fЭ (N2) =

1

3 2 =

= 1

6 fЭ (О3) =

1

2 3 =

1

6

Для элемента входящего в состав любого сложного вещества fЭ = 1

х

где х ndash степень окисления этого элемента взятая по модулю

Пример

MnO fЭ (Mn) = 1

2 Mn2O3 fЭ (Mn) =

1

3

MnO2 fЭ (Mn) = 1

4 Mn2O7 fЭ (Mn) =

1

7

Для оксидов R2Oх fЭ = 1

2x где х ndash степень окисления элемента образу-

ющего оксид те z = |2x| Таким образом

fЭ(оксида)=

1

сумма по модулю всех зарядов + или поляризованныхчастиц образующих оксид

fЭ (Al2O3)=

1

3 2 =

1

2 3 =

1

6 fЭ (ОsО4) =

1

8 1 =

1

2 4 =

1

8

Для кислот оснований солей

fЭ = 1

сумма по модулю всех зарядов катионов или анионов

fЭ (Н3РО4) =

1

1 3 =

1

3 1 =

1

3 =

1

основность кислоты z = 3

fЭ (Al(ОН)3) =

1

3 1 =

1

1 3 =

1

3 =

1

кислотность основания z = 3

fЭ (Na2SО4) =

1

1 2 =

1

2 1 =

1

2 z = 2

fЭ [Al2(SО4)3] =

1

3 2 =

1

2 3 =

1

6 z = 6

fЭ (NaНSО4) =

1

1 1 =

1

1 1 = 1 z = 1

fЭ [(AlОН)Cl2] =

1

2 1 =

1

1 2 =

1

2 z = 2

fЭ 3 4 2Cu NH OH =

1

2 1 =

1

1 2 =

1

2 z = 2

Фактор эквивалентности (fЭ )и эквивалентное число (z) зависят от ос-

новности кислоты или кислотности основания в соответствии с которыми они

вступают в химическое взаимодействие

Пример

а) 2Н3РО4 + 3Са(ОН)2 rarr Са3(РО4)2 + 6Н2О

15

Основность кислоты равна 3 кислотность основания равна 2 так как в

кислоте замещаются 3 иона водорода в основании ndash 2 гидроксид-иона

z (Н3РО4) = 3 z (Са(ОН)2) = 2 fЭ (Н3РО4) = 1

3 fЭ (Са(ОН)2) =

1

2

б) 2Н3РО4 + Са(ОН)2 rarr Са(Н2РО4)2 + 2Н2О

Основность кислоты равна 1 кислотность основания ndash 2

z (Н3РО4) = 1 z (Са(ОН)2) = 2 fЭ (Н3РО4) = 1 fЭ (Са(ОН)2) = 1

2

в) Н3РО4 + Са(ОН)2 rarr СаНРО4 + 2Н2О

Основность кислоты равна 2 кислотность основания равна 2

z (Н3РО4) = 2 z (Са(ОН)2) = 2 fЭ (Н3РО4) = 1

2 fЭ (Са(ОН)2) =

1

2

г) Н3РО4 + 3Са(ОН)2 rarr (СаОН)3РО4 + 3Н2О

Основность кислоты равна 3 кислотность основания равна 1

z (Н3РО4) = 3 z (Са(ОН)2) = 1 fЭ (Н3РО4) =1

3 fЭ (Са(ОН)2) = 1

д) 2Al(OH)3 + Н2SO4 rarr [Al(OH)2]2SO4 + 2Н2О

Основность кислоты равна 2 кислотность основания равна 1

z (Al(OH)3) = 1 z (Н2SO4) = 2 fЭ (Al(OH)3) =1 fЭ (Н2SO4) = 1

2

е) Al(OH)3 + Н2SO4 rarr [Al(OH)]SO4 + 2Н2О

Основность кислоты равна 2 кислотность основания равна 2

z (Al(OH)3) = 2 z (Н2SO4) = 2 fЭ (Al(OH)3) =1

2 fЭ (Н2SO4) =

1

2

Для окислительно-восстановительных реакций fЭ (окислителя) = 1

n

fЭ (восстановителя) = 1

n где n ndash число электронов принятых или отдан-

ных 1 молекулой или 1 ионом окислителя или восстановителя соответственно

Пример

MnO4

+ 8H+ + 5 ē rarr Mn

2+ + 4Н2О z = 5 fЭ =

1

5

SO 2

3

+ Н2О minus 2 ē = SO 2

4

+ 2H+ z = 2 fЭ =

1

2

Молярная масса эквивалентов вещества (Мэ гмоль) ndash это масса

1 моля эквивалентов вещества или 6022middot1023

эквивалентов вещества

Мэ = fЭ middot М = M

z =

m

э где М ndash молярная масса гмоль m ndash масса (г) ве-

щества количеством νэ (моль)

Пример

Мэ (Н) = fЭ middot М (Н) = 1 middot 1008 гмоль = 1008 гмоль

Мэ (Н2) = 1

2middot М (Н2) =

1

2middot 2016 гмоль = 1008 гмоль

Мэ (О) = 1

2middot М (О) =

1

2middot 16 гмоль = 8 гмоль

16

Мэ (О2) = 1

4middot М (О2) =

32 гмоль

4 = 8 гмоль

Мэ (Na) = М (Na) = 23 гмоль

Мэ (ОНminus) = М (ОН

minus) = 17 гмоль

Мэ (С) в СО = 12 гмоль

2 = 6 гмоль

Мэ (С) в СО2 = 12 гмоль

4 = 3 гмоль

Для оксидов R2Oх

Мэ (R2Ox) = fЭ middot М (R2Ox)

Мэ (R2Ox) = Мэ (R) + Мэ (O) = fЭ (R) middot М (R) + 8

Пример

Мэ (Al2O3) = 1

6middot M (Al2O3) =

102 гмоль

6 = 17 гмоль

Мэ (Al2O3) = 27 гмоль

3+ 8 гмоль = 17 гмоль

Мэ (кислоты) = fЭ middot М (кислоты)

Мэ (кислоты) = 1

основность кислотыmiddot М (кислоты)

Мэ (кислоты) = Мэ (Н+) + Мэ (А

minus) = 1 гмоль + fЭ middot М (А

minus) = 1 гмоль +

+1

заряд анионаmiddot М (А

minus) где А

minus minus кислотный остаток

Пример

Мэ (Н3РО4) = 1

3middot М (Н3РО4) =

1

3middot 98 гмоль = 3267 гмоль

Мэ (Н3РО4) = Мэ (Н+) + Мэ (РО 3

4

) = 1 + 1

3middot М (РО 3

4

) = 1 гмоль + 1

3middot

middot 95 гмоль = 1 гмоль + 3167 гмоль = 3267 гмоль

Мэ (основания) = fЭ middot М (основания)

Мэ (основания) = 1

кислотность основанияmiddot М (основания)

Мэ (основания) = Мэ (Мn+

) + Мэ (ОНminus) = fЭ middot М (М

n+) + fЭ middot М (ОН

minus) =

= 1

nmiddot М (М

n+) + 17

Пример

Мэ (Al(OH)3) = 1

3middot 78 гмоль = 26 гмоль

Мэ (Al(OH)3) = 1

3middot 27 гмоль + 17 гмоль = 9 гмоль + 17 гмоль =

= 26 гмоль

Для солей состава КхАу

Мэ (соли) = fЭ middot М (соли) = Мэ (Ку+

) + Мэ (Ахminus

) = fЭ (Ку+

) middot М (Ку+

) +

+ fЭ (Ахminus

) middot М (Ахminus

)

17

Пример

Мэ (Al2(SO4)3) = 1

6 middot М [Al2(SO4)3] =

342 гмоль

6 = 57 гмоль

Мэ (Al2(SO4)3) = 27

3 +

96

2 = 9 гмоль + 48 гмоль = 57 гмоль

Мэ (окислителя или восстановителя) = fЭ middot М (в-ва) = 1

nmiddot М (в-ва) где n ndash

число отданных или принятых электронов z ndash эквивалентное число = n

Пример

а) Мэ (KMnO4) = 1

5middot М (KMnO4) =

1

5middot 158 гмоль = 316 гмоль (при пере-

ходе MnO4

в Mn+2

)

Мэ (MnO2) = 1

2middot М (MnO2) =

1

2middot 87 гмоль = 435 гмоль (при переходе

MnO2 в MnO 2

4

)

При определении Мэ веществ участвующих в химических реакциях сле-

дует учитывать их fЭ

Пример

а) Аl(OH)3 + H3PO4 rarr AlPO4 + 3H2O

Мэ (Аl(OH)3) = 1

3middot М (Аl(OH)3)

Мэ (H3PO4) = 1

3middot М (H3PO4)

б) 3Аl(OH)3 + H3PO4 rarr [Al(ОН)2]3PO4 + 3H2O

Мэ (Аl(OH)3) = М (Аl(OH)3)

Мэ (H3PO4) = 1

3middot М (H3PO4)

в) 3Аl(OH)3 + 2H3PO4 rarr [Al(ОН)]3(PO4)2 + 6H2O

Мэ (Аl(OH)3) = 1

2middot М (Аl(OH)3)

Мэ (H3PO4) = 1

3middot М (H3PO4)

г) Аl(OH)3 + 3H3PO4 rarr Al(Н2PO4)3 + 3H2O

Мэ (Аl(OH)3) = 1

3middot М (Аl(OH)3)

Мэ (H3PO4) = М (H3PO4)

д) 2Аl(OH)3 + 3H3PO4 rarr Al2(НPO4)3 + 6H2O

Мэ (Аl(OH)3) = 1

3middot М (Аl(OH)3)

Мэ (H3PO4) = 1

2middot М (H3PO4)

е) Fe(OH)2Cl + HCl rarr Fe(OH)Cl2 + H2O

Мэ (Fe(OH)2Cl) = М (Fe(OH)2Cl)

Fe(OH)2Cl + 2HCl rarr FeCl3 + 2H2O

18

Мэ (Fe(OH)2Cl) = 1

2middot М (Fe(OH)2Cl)

Fe(OH)2Cl + NaOH rarr Fe(OH)3 + NaCl

Мэ (Fe(OH)2Cl) = М (Fe(OH)2Cl)

ж) KCr(SO4)2 + 3KOH rarr Cr(OH)3 + 2K2SO4

Мэ (KCr(SO4)2) = 1

3middot М (KCr(SO4)2)

KCr(SO4)2 + 6KOH rarr K3[Cr(OH)6] + 2K2SO4

Мэ (KCr(SO4)2) = 1

6middot М (KCr(SO4)2)

и) MnSO4 + 2KOH rarr Mn(OH)2 + K2SO4

Мэ (MnSO4) = 1

2middot М (MnSO4)

MnSO4 + 2Cl2 + 8KOH rarr K2MnO4 + 4KCl + K2SO4 + 4H2O

Мэ (MnSO4) = 1

4middot М (MnSO4)

2MnSO4 + 5K2S2O8 + 8H2O rarr 2HMnO4 + 2H2SO4 + 10KHSO4

Мэ (MnSO4) = 1

5middot М (MnSO4)

Масса эквивалента вещества (mэ) (г кг hellip)

mэ = э

A

M

N = fЭ middot

A

M

N=

M

z NA =

э A

m

ν N

Пример

mэ (Mg) =

A

M Mg

N =

23 1

12 гмоль

6022 10 моль = 1993middot10

minus23 г

mэ (СаСО3) = 23 1

300г

6моль 6022 10 моль = 83029middot10

minus23 г

Таким образом эквивалент фактор эквивалентности эквивалентное чис-

ло масса эквивалента молярная масса эквивалента ndash величины переменные

зависящие от валентности степени окисления количества атомов зарядов

ионов в молекулах веществ основности кислоты кислотности основания а в

окислительно-восстановительных реакциях ndash от количества отданных или при-

нятых электронов

Количество вещества эквивалента (νэ моль)

νэ = эM

m =

Э

m

Мf = в-ва

Эf

=

m z

M

где m ndash масса вещества г

Пример

m (Аl) = 135 г Мэ (Аl) = 1

3 middot 27 гмоль = 9 гмоль

ν (Аl) = 135г

9гмоль = 15 моль

В 135 г алюминия содержится 15 молей эквивалентов алюминия или (15

middot NA) эквивалентов алюминия z = 3 1 моль атомов алюминия эквивалентен 3

молям эквивалентов алюминия или (3 NA) эквивалентам алюминия

19

1 моль электронов эквивалентен числу Фарадея

F = 160217733middot10minus19

Кл middot 60221367middot10minus1

моль = 96485309 Клмоль

(Клmiddotмольminus1

)

Пример

m = M (O2) νэ = 32г

8гмоль = 4 моль

1 моль молекул O2 содержит 4 моль эквивалентов кислорода

Для сложных веществ Мэ и νэ могут быть рассчитаны по fЭ который ха-

рактеризует их в данной реакции

Молярный объем эквивалента газообразного вещества (Vэ) (лмоль

м3кмоль м

3моль) ndash это объем занимаемый 1 молем эквивалентов этого ве-

щества

Vэ= fЭ middot Vm = 0V

э V 0

э = fЭ middot V

0

m = 0V

э

Пример

V 0

э (О2) =

1

4middot 224 лмоль = 56 лмоль

Это означает что 1 моль эквивалентов О2 при ну занимает объем равный

56 л

V 0

э (Н2) =

1

2middot 224 лмоль = 112 лмоль те 1 моль эквивалентов Н2 при

ну занимает объем равный 112 л

1 моль молекул О2 или 4 моля эквивалентов О2 при ну занимают объем

224 л 1 моль молекул Н2 или 2 моля эквивалентов Н2 при ну занимают объем

224 л

Закон эквивалентов массы веществ реагирующих друг с другом или об-

разующихся в результате химической реакции соотносятся между собой как

их молярные массы эквивалентов

2

1

m

m =

э (1)

э (2)

M

M

1

э (1)

m

М=

2

э (2)

m

М

1

э (1)

m

М = νэ (1)

2

э (2)

m

М = νэ (2)

νэ (1) = νэ (2) ndash количество эквивалентов каждого из участников химической

реакции

Для газообразного вещества

э

m

M =

э

V

V =

0

0

э

V

V = νэ

Закон эквивалентов для химической реакции с участием газа

1

э (1)

m

М=

2

э 2

V

V=

0

2

0

э 2

V

V = νэ (1) = νэ (2)

Мэ (1) =

0

э (2)1

0

2

m middotV

V

Экспериментальное определение эквивалентов и молярных масс эквива-

лента различных веществ может быть проведено различными методами

20

Б2

Л1

Т

Б1

Л2

П

Г

1 Метод прямого определения Эквивалент и молярную массу эквива-

лента устанавливают исходя из соединений данного элемента с водородом или

кислородом

2 Косвенный метод в котором вместо водорода и кислорода использу-

ют другие элементы и вещества с известным эквивалентом и молярной массой

эквивалента

3 Метод вытеснения водорода из кислоты металлом взятой навески

Применим к металлам которые способны вытеснять водород из щелочей и раз-

бавленных кислот

4 Аналитический метод Эквивалент определяют из результатов хими-

ческого анализа элемента в одном из его соединений

5 Электрохимический метод основан на законе Фарадея согласно ко-

торому asymp 96 500 Кл электричества выделяют из электролитов при электролизе

1 моль эквивалентов вещества

Экспериментальная часть

Опыт 1 Определение молярной массы эквивалента алюминия мето-

дом вытеснения

Метод основан на реакции взаимодействия алюминия с соляной кислотой

и измерении объема выделившегося водорода

Собрать прибор представленный на рис 4 Заполнить 14 часть пробирки

раствором соляной кислоты (с массовой долей 15 ) Наклонив пробирку на

ее сухую сторону поместить предварительно взвешенную алюминиевую

Установка состоит из двух бюреток рабочей изме-

рительной Б1 и уравнительной Б2 соединенных

резиновой трубкой Т и заполненных подкрашен-

ной водой К рабочей бюретке при помощи газо-

отводной трубки Г присоединена пробирка П

Рис 4 Лабораторная установка для определения молярной массы эквивалента алюминия

21

фольгу (0015ndash0020 г) так чтобы она не соприкасалась с кислотой Присоеди-

нить пробирку к бюретке и проверить прибор на герметичность Для этого во-

ронку опустить на 10ndash15 см Если прибор герметичен то уровень воды в бю-

ретке несколько снизится а затем останется без изменения Привести давление

в бюретке к атмосферному для чего установить уровень воды в бюретке и во-

ронке на одной высоте в бюретке ndash около нулевого деления но не выше Отме-

тить и записать положение нижнего края мениска в бюретке (А1) После этого

пробирку со штативом наклонить так чтобы кислота смыла алюминиевую

фольгу Для начала реакции содержимое пробирки нагреть на спиртовке (не ка-

саться фитилем дна пробирки не кипятить) Выделяющийся водород бу-

дет вытеснять воду из бюретки После окончания реакции пробирку не снимая

с прибора охладить до комнатной температуры опустив ее в стакан с холодной

водой Затем привести давление внутри прибора к атмосферному и отметить

уровень воды в бюретке (А2)

Объем выделившегося водорода при комнатных условиях V2H = (А2 ndash А1)

привести по объединенному газовому закону (T

PV=

0

00

T

VP) к ну (V0 (H2)) учи-

тывая что общее давление Р = P пар OH2+ P

2Н (где P ndash парциальное давление)

откуда P2Н = Р ndash P пар OH2

тогда объединенный газовый закон T

Vmiddot)P (P пар OH2=

= 0

00

T

VP V

0(H2) = 22общ пар 0 HН О

0

(P Р )middotТ V

Р Т

Таблица 1

Зависимость давления водяного пара от температуры

Т К P OН2 Па Т К P OН2

Па

289 181318 295 233976

290 193317 296 281301

291 206649 297 298641

292 219913 298 317306

293 233314 299 335971

294 247979 300 355970

На основании полученных данных и закона эквивалентов рассчитать молярную

массу эквивалента алюминия (Al)э

Al

M

m=

2

0 2

0

m ( ) H

V (H )

V э

Результаты измерений записать по следующей форме

Навеска

алюминия

г

V2H мл

(А2 ndash А1) Т К

Робщ

Па 2H OP Па V 20 H

мл

Мэ(Al)

гмоль

Ошиб

ка

22

Опыт 2 Определение молярной массы эквивалента карбоната каль-

ция косвенным методом

Взвесить в стакане около 3 г мрамора с точностью до 001 г (m1) При-

лить пипеткой (рис 5) 15 мл раствора соляной кислоты с мо-

лярной концентрацией эквивалента 1 мольл Как только выде-

ление углекислого газа замедлится нагреть стакан до 60ndash70 оС

выдержать при этой температуре до окончания реакции Затем

слить образовавшийся раствор с оставшихся кусочков мра-

мора промыть их два раза дистиллированной водой методом

декантации Стакан с оставшимся мрамором высушить в су-

шильном шкафу при 107 оС и после охлаждения взвесить (m2)

Зная количество молей эквивалентов вступившей в реакцию

соляной кислоты (νэ) и массу прореагировавшего мрамора m3

рассчитать по закону эквивалентов молярную массу эквивален-

та карбоната кальция

Рис 5 Пипетки мерные

Результаты эксперимента записать по следующей форме

m1 г m2 г m3 (CaCO3) =

= m1 ndash m2 г V (HCl) мл

Mэ(СaCO3)

гмоль

Ошибка

νэ (HCl) = Vр-ра (HCl) middot Сэ (HCl)

νэ (СaCO 3 ) = νэ (HCl) )(CaCO э

CaCO

3

3

M

m = Сэ (HCl) middot Vр-ра (HCl)

Мэ (СаСО3) =

3CaCO

HCl э(HCl)

m г

мольV л middotС

л

Вопросы и задачи

1 Как проверить на герметичность прибор для определения молярной

массы эквивалента металла методом вытеснения водорода

2 Как привести давление в герметически закрытом приборе к атмосфер-

ному

3 Под каким давлением по сравнению с атмосферным будет находиться

газ в сосуде если уровень воды в бюретке

а) выше чем в воронке (уравнительном сосуде)

б) ниже чем в воронке

в) на одном уровне

23

4 Как рассчитать парциальное давление газа если он собран над водой

5 Вычислите молярную массу эквивалента металла если навеска техни-

ческого металла массой 0035 г имеющего 20 примесей (не взаимодейству-

ющих с кислотой) вытесняет из кислоты 119 мл водорода собранного над во-

дой при температуре 17 оС и давлении 103middot10

5 Па (давление водяного пара над

водой при 17 оС равно 00193middot10

5 Па)

Ответ 2807 гмоль

6 Чему равны молярные массы эквивалентов мышьяка в его оксидах со-

держащих мышьяк а) 652 (мас) As б) 757 (мас) As

Ответ 1499 гмоль 2492 гмоль

7 Вычислите молярную массу эквивалента фосфорной кислоты и гидрок-

сида алюминия в уравнениях реакций

а) H3PO4 + Ca(OH)2 = CaHPO4 + 2H2O

б) Al(OH)3 + HNO3 = Al(OH)2NO3 + H2O

8 Рассчитайте молярную массу эквивалента олова если

а) при нагревании 092 г его в токе кислорода образуется оксид олова

массой 117 г

б) при восстановлении оксида олова массой 117 г водородом получена

вода массой 016 г

Ответ а) 2944 гмоль б) 5886 гмоль

9 Из 27 г оксида некоторого металла можно получить 63 г его нитрата

Вычислите молярную массу эквивалента металла

Ответ 325 гмоль

10 При восстановлении 51 г оксида металла (III) образовалось 27 г во-

ды Определите молярную массу эквивалента и относительную атомную массу

металла

Ответ 9 гмоль 27

Следует уметь

1 Рассчитывать фактор эквивалентности массу эквивалента и молярную

массу эквивалента элемента простого и сложного веществ исходя из формулы

вещества уравнений реакций в которых участвует вещество закона эквива-

лентов молярного объема эквивалентов любого газообразного вещества

2 Экспериментально определять молярную массу эквивалентов простых

и сложных веществ

24

Работа 3 Приготовление растворов

Задания для подготовки к лабораторной работе

1 Изучите теоретическое введение к лабораторной работе обратив особое

внимание на различные способы выражения содержания растворенного веще-

ства в растворе

2 Проведите все расчеты необходимые для выполнения опытов изучив

метод интерполяции и laquoправило крестаraquo

3 Ознакомьтесь с устройством ареометра мерной посудой и правилами

пользования ими

Теоретическая часть

Раствор ndash это гомогенная система переменного состава состоящая из рас-

творителя растворенных веществ (одного или нескольких) и продуктов их вза-

имодействия Компонент который количественно преобладает и находится в

том же агрегатном состоянии что и образующийся раствор называется раство-

рителем все остальные его части ndash растворенными веществами Основным

признаком характеризующим раствор является его однородность Процесс

растворения часто сопровождается значительными объемными и энергетиче-

скими эффектами По этим признакам растворы больше напоминают химиче-

ские соединения и тем самым отличаются от механических смесей С другой

стороны растворы не имеют строго определенного состава и в этом их суще-

ственное отличие от химических соединений

Первоначально процесс растворения идет самопроизвольно (∆Gр-ния lt 0) и

раствор является ненасыщенным При дальнейшем добавлении вещества

наступает момент когда вещество перестает растворяться и тогда избыток рас-

творенного вещества выпадает в осадок Система оказывается в состоянии ис-

тинного равновесия (∆Gр-ния = 0) те скорости осаждения и растворения равны

Раствор становится насыщенным Можно получить и пересыщенные растворы

те такие массовые доли растворенных веществ в которых выше чем в насы-

щенных растворах (при определенных температуре и давлении) Пересыщен-

ные растворы можно приготовить медленным охлаждением насыщенных при

высокой температуре растворов (например Na2S2O3 NaCH3COO и др) Они

представляют систему находящуюся в кажущемся равновесии (∆Gр-ния gt 0)

Встряхивание или внесение кристаллов того же вещества которое находится в

растворе или изоморфного с ним вызывает кристаллизацию В результате про-

исходит выделение избытка растворенного вещества и раствор становится

насыщенным

Способы выражения концентрации растворов

Состав любого раствора может быть выражен как качественно так и ко-

личественно Раствор с относительно низким содержанием растворенного ве-

щества называют разбавленным с относительно высоким ndash концентрирован-

25

ным Такая количественная оценка условна Например для серной кислоты

концентрированным считается раствор где массовая доля кислоты равна 98 а

для соляной ndash 38

Для количественной оценки состава растворов используют понятие laquoкон-

центрацияraquo Существуют различные способы ее выражения

1 Массовая доля растворенного вещества в растворе Она обознача-

ется Wрв (по первой букве английского слова laquoWeightraquo ndash вес) и рассчитывается

по формуле Wрв = )ткг г(m

)ткг г(m

ра-р

рв Она выражается в долях от единицы и пока-

зывает сколько граммов (кг т) растворенного вещества содержится в 1 г (кг т)

раствора Например W3NaNO = 005 Это означает что в каждом грамме (кг т)

раствора содержится 005 г (кг т) растворенного вещества Массовая доля рас-

творенного вещества в растворе может быть выражена и в процентах Wрв

= ра-р

рв

m

m middot 100 = Wрв middot 100 В этом случае W указывает сколько граммов (кг

т) растворенного вещества содержится в каждых 100 г (кг т) раствора Напри-

мер W3NaNO = 5 в каждых 100 г раствора содержится 5 г NaNO3 или в

каждых 100 кг (т) раствора ndash 5 кг (т) NaNO3

Раствор любой концентрации характеризуется своей плотностью ρ (гмл

кгл гл тм3) которая показывает сколько граммов (кг т) весит 1 мл (л м

3)

раствора данной концентрации Например ρ = 102 гмл Это означает что 1 мл

раствора данной концентрации весит 102 г Плотность раствора рассчитывает-

ся по формуле ρр-ра = ра-р

ра-р

V

m Плотность (ρ) ndash это величина для перехода от массы

раствора к его объему и наоборот

2 Молярная концентрация раствора (См) Ее значение показывает

сколько молей растворенного вещества содержится в 1 л раствора Например

См (р-ра KCl) = 5 мольл Это означает что в каждом литре такого раствора со-

держится 5 моль KCl Молярная концентрация рассчитывается по формуле

См = рв

р-ра

ν

V=

рв

рв р-ра

m

М middotV(мольл) где νрв minus количество растворенного вещества

(моль) mрв ndash масса растворенного вещества (г) М ndash молярная масса раство-

ренного вещества (гмоль) Vр-ра ndash объем раствора (л)

3 Молярная концентрация эквивалента раствора (эквивалентная кон-

центрация или нормальная концентрация) Она обозначается Сэ (используется

также Сн) Ее значение показывает сколько молей эквивалентов растворенного

вещества содержится в 1 л раствора Например Сэ (р-ра HNO3) = 2 мольл Это

означает что в каждом литре раствора содержится 2 моль эквивалентов HNO3

Молярная концентрация эквивалента раствора рассчитывается по формуле

Сэ = э рв

р-ра

ν

V=

рв

э рв р-ра

m

М middotV(мольл)

26

Растворы имеющие одинаковые значения Сэ реагируют между собой в

равных объемах так как содержат равные количества молей эквивалентов рас-

творенных веществ Если растворы имеют различные значения Сэ то вступаю-

щие в реакцию объемы этих растворов обратно пропорциональны их молярным

концентрациям эквивалента 2

1

V

V=

1 э

2 э

С

C или V1 middot Cэ 1 = V2 middot Cэ 2

4 Моляльная концентрация раствора (Сm) Ее значение показывает

сколько молей растворенного вещества содержится в 1 кг растворителя

Например Сm (р-ра H2SO4) = 10 молькг Это означает что в каждом кило-

грамме воды растворено 10 моль H2SO4 Моляльная концентрация раствора

рассчитывается по формуле Сm = рв

р-ля

ν

m=

рв

рв р-ля

m

М middotm(молькг)

5 Молярная (мольная) доля растворенного вещества в растворе Она

обозначается χрв Ее значение показывает сколько молей растворенного веще-

ства содержится в 1 моль раствора Например χ4CuSO = 002 Это означает что в

1 моль раствора содержится 002 моль CuSO4 Если в растворе только одно рас-

творенное вещество то χ ОH2= 098 Сумма мольных долей всех компонентов в

растворе равна единице те 1 моль Мольная доля растворенного вещества в

растворе рассчитывается по формуле χрв = ля-ррв

рв

νν

ν

=

ра-р

рв

ν

ν=

OH

OH

рв

рв

рв

рв

2

2

M

m

М

m

М

m

Если в растворе несколько (К) растворенных веществ то мольная доля любого

из компонентов в том числе растворителя рассчитывается по формуле

χi =

K

1i

i

i

ν

ν Например при наличии трех растворенных веществ и растворителя

χ1 = 4321

1

νννν

ν

χ2 =

4321

2

νννν

ν

χ3 =

4321

3

νννν

ν

χ4 = 4321

4

νννν

ν

χ1 + χ2 + χ3 + χ4 = 1

6 Титр раствора Этот вид выражения состава раствора обозначается

буквой Т Его значение показывает сколько граммов растворенного вещества

содержится в 1 мл раствора Например Т (р-ра Na2CO3) = 15 гмл Это означа-

ет что в каждом миллилитре такого раствора содержится 15 г Na2CO3 Титр

раствора рассчитывается по формуле Т = рв

р-ра

m

V (гмл)

27

Экспериментальная часть

Опыт 1 Приготовление пересыщенного раствора тиосульфата натрия

Положите в пробирку несколько кристаллов Na2S2O3middot5H2O и очень осто-

рожно нагрейте Закройте пробирку ватой и дайте ей охладиться Охлажден-

ную до комнатной температуры пробирку резко встряхните Нагреванием про-

бирки с солью снова получите прозрачный раствор Охладите и внесите не-

большой кристалл исходного вещества Объясните наблюдаемое

Опыт 2 Определение массовой доли серной кислоты по плотности

раствора

Наиболее простой и быстрый способ ndash с помощью ареометра Его приме-

нение основано на том что плавающее тело погружается в жидкость до тех пор

пока масса вытесненной жидкости не станет равной массе самого тела В рас-

ширенной нижней части ареометра находится груз на верхней узкой части ndash

шейке ndash нанесены деления показывающие плотность жидкости в которой

laquoплаваетraquo ареометр

Исследуемый (концентрированный) раствор серной кислоты налейте (под

тягой) в сухой чистый мерный цилиндр на frac34 его объема В раствор осторож-

но не касаясь стенок цилиндра опустите ареометр Каждый ареометр предна-

значен для измерения плотности в определенных пределах При выборе арео-

метра необходимо ориентировочно знать плотность данного раствора Вы-

яснив цену одного деления шкалы ареометра отметьте его показания (по ниж-

нему мениску раствора) Приподняв ареометр на 1ndash2 см вновь опустите его в

раствор и еще раз определите показания По справочной таблице найдите мас-

совую долю растворенного вещества в растворе Если такая величина в таблице

отсутствует то массовую долю находят методом интерполяции (определение

промежуточного значения по двум крайним) Например экспериментальное

показание ареометра равно 1124 гмл Находим ближайшие к этому табличные

значения плотности массовой доли и их разность

ρ гмл W

1130 1831

1120 1701

0010 130

Таким образом изменению плотности на 0010 гмл соответствует изме-

нение массовой доли на 130 Экспериментальное показание ареометра отли-

чается от меньшей табличной величины на 0004 гмл

ρ гмл W

1124

1120 1701

0004

С учетом того что в указанных пределах между плотностью и массовой

долей раствора зависимость линейная составляем пропорцию

28

0010 гмл -----------------130

0004 гмл ----------------- х х = 052

Найденное число (052 ) прибавляем к меньшей массовой доле

(1701 ) взятой из таблицы и соответствующей плотности 1120 Получаем

W = 1701 + 052 = 1753 что соответствует плотности 1124 гмл Этот спо-

соб определения содержания растворенного вещества в растворе применяют в

том случае если не требуется большой точности Более точный способ ndash опре-

деление с помощью титрования Обычно ареометры калибруются при 20 оС В

таблицах значения плотностей растворов приводятся при этой же температуре

Если не требуется особой точности табличными данными можно пользоваться

и для других температур

Опыт 3 Приготовление 50 мл 4 раствора сульфата меди из кри-

сталлогидрата CuSO4middot5H2O

Рассчитайте сколько граммов CuSO4middot5H2O и какой объем воды нужно

взять для приготовления 50 мл раствора с массовой долей CuSO4 4

Взвесьте вычисленную массу кристаллогидрата и перенесите в стакан емко-

стью 100 мл Отмерьте мерным цилиндром (см рис 3) рассчитанный объем

дистиллированной воды перелейте ее в стакан с навеской пентагидрата суль-

фата меди и перемешайте стеклянной палочкой до полного растворения кри-

сталлов соли Полученный раствор перелейте в мерный цилиндр и измерьте

плотность раствора По таблице найдите и запишите массовую долю CuSO4

отвечающую этому значению плотности (ρтеор (4 раствора CuSO4) =

= 104 гмл) пересчитайте на молярную концентрацию молярную концентра-

цию эквивалента моляльную концентрацию и титр раствора

Таблица 2

Исходные данные и полученные результаты приготовления

раствора сульфата меди

Задан-

ная

массо-

вая доля

W

ρтеор

гмл

Рассчитанные

массы компо-

нентов г ρэксп

гмл

Экспериментальные

значения Отн

ошиб

ка

CuSO4middot5H2O Н2О W

См

мольл

Сэ

мольл

Сm

молькг

Т

гмл

Опыт 4 Приготовление 100 мл раствора серной кислоты с молярной

концентрацией эквивалента 01 мольл из более концентрированного раз-

бавлением водой

Для приготовления растворов заданной молярной или эквивалентной

концентраций используются мерные колбы (рис 6) различного объема (25 50

100 200 250 500 1000 мл и более) Рассчитайте объем концентрированного

раствора серной кислоты массовая доля которого определена в опыте 2 необ-

29

ходимый для приготовления 100 мл рас-

твора серной кислоты с молярной кон-

центрацией эквивалента 01 мольл Кис-

лоту перенесите пипеткой (см рис 5) в

мерную колбу объемом 100 мл предвари-

тельно налив в нее примерно 20 мл ди-

стиллированной воды После этого до-

лейте воду в колбу до метки раствор

перемешайте и охладите до комнатной

Рис 6 Мерные колбы температуры Молярная концентрация

эквивалента полученного раствора должна быть близка к 01 мольл Точную

концентрацию раствора серной кислоты определите титрованием щелочью Для

титрования бюретку с наконечником (рис 7) заполните до нулевой

метки титрованным раствором щелочи

предварительно ополоснув им бюретку В

три конические колбы (рис 8) пипеткой

налейте по 10 мл приготовленной серной

кислоты Добавьте в каждую колбу по 2ndash3

капли фенолфталеина и поочередно титруй-

те раствором щелочи из бюретки Щелочь

приливайте медленно левой рукой правой

размешивая раствор Титрование считается

законченным если от прибавления следу-

ющей капли щелочи появляется малиновое

окрашивание которое не исчезает 30 с Рис 8 Колба коническая

Рис 7 Бюретка

мерная для титрования

Для более четкого определения изменения цвета под колбу для титрова-

ния поместите лист белой бумаги Запишите объем щелочи израсходованной

на титрование 10 мл раствора серной кислоты

Аналогично оттитруйте две другие пробы кислоты Результаты парал-

лельных определений не должны различаться между собой более чем на

005ndash010 мл Возьмите из них среднее и рассчитайте точную концентрацию

приготовленного раствора серной кислоты и его титр

Опыт 5 (дополнительный) Приготовление раствора серной кислоты

смешиванием растворов с более высокой и более низкой массовыми долями

Из концентрированного (опыт 2) и имеющегося (опыт 4) в лаборатории

растворов серной кислоты приготовьте 50 мл раствора с массовой долей серной

кислоты равной 30 Для расчета объемов исходных растворов воспользуй-

тесь laquoправилом крестаraquo

30

W1 m1

W

W2 m2

где W ndash массовая доля серной кислоты приготовляемого раствора W1 и W2 ndash

более высокая и более низкая массовые доли H2SO4 в исходных растворах (для

воды W = 0) m1 и m2 ndash массы исходных растворов с более высокой и более

низкой массовой долей Соотношения для исходных растворов таковы

m1 = W ndash W2 m2 = W1 ndash W Таким образом для получения раствора массой

m = (m1 + m2) c массовой долей W необходимо взять m1 г раствора с массовой

долей W1 и m2 г раствора с массовой долей W2 (или V1 р-ра = 1

1m

ρ V2 р-ра =

2

2m

ρ)

Отмерьте вычисленные объемы растворов слейте их в цилиндр объемом 100

мл перемешайте С помощью ареометра и таблицы установите содержание

растворенного вещества в растворе и расхождение практически полученного

значения с заданным

Вопросы и задачи

1 Что произойдет с насыщенным пересыщенным и ненасыщенным рас-

творами алюмокалиевых квасцов при внесении в каждый из них нескольких

кристаллов KAl(SO4)2middot12Н2О

2 Какой объем раствора в котором массовая доля КОН составляет 12

(ρр-ра = 1109 гмл) надо взять чтобы приготовить 250 мл раствора с молярной

концентрацией 2 мольл

Ответ 178 мл

3 В 1 кг воды растворено 666 г гидроксида калия Рассчитайте массовую

долю растворенного вещества в растворе и его концентрации (молярную мо-

ляльную молярную концентрацию эквивалента молярные доли щелочи и во-

ды титр раствора) если его плотность равна 1395 гмл

Ответ 40 995 мольл 119 молькг 0176 0824 0557 гмл

4 В лаборатории имеются растворы с массовыми долями хлорида калия

20 и 40 Сколько граммов каждого раствора надо взять для получения 500 г

раствора с массовой долей соли 25

Ответ 375 г 125 г

5 Плотность раствора карбоната калия равна 122 гмл Из 1 л этого рас-

твора при действии соляной кислоты получено 445 л СО2 (ну) Вычислите

процентное содержание К2СО3 в растворе и его молярную концентрацию экви-

валента

Ответ 225 397 мольл

31

6 В каких объемах должны быть смешаны 01 н и 60 (ρ = 1498 гмл)

растворы серной кислоты чтобы получить 1 л 1 н раствора Н2SO4

Ответ 493 и 9507 мл

7 К 005 л раствора хлорида марганца (II) (ρ = 1085 гмл W = 8 ) при-

бавлено 02 л раствора гидроксида лития массовая доля LiOH в котором 10

(ρ = 1107 гмл) Какое вещество взято в избытке и в каком количестве оно

останется после реакции

Ответ 27 г

8 Для осаждения сульфата бария из раствора BaCl2 (ρ = 106 гмл

W = 8 ) объемом 100 мл требуется раствор Н2SO4 объемом 139 мл Чему равна

молярная концентрация и моляльная концентрация эквивалента раствора

Н2SO4

Ответ 0294 и 0588 мольл

9 Растворы азотной кислоты и гидроксида натрия объемом 1 л каждый

содержат соответственно 189 г HNO3 и 32 г NaOH Какова молярная концен-

трация этих растворов и в каком объемном соотношении они должны быть

смешаны для получения нейтрального раствора

Ответ 03 и 008 мольл 1 375

10 Какова масса Al(OH)3 если для его растворения потребовалось 02 л

раствора азотной кислоты (ρ = 118 гмл W = 30 ) Какой объем 25 н раство-

ра КОН необходимо затратить для растворения этого количества гидроксида

алюминия

Ответ 292 мл 015 л

Следует уметь

1 Выражать содержание растворенного вещества в растворе различными

способами и осуществлять их взаимный пересчет

2 Готовить растворы смешиванием растворенного вещества и раствори-

теля разбавлением водой концентрированного раствора смешиванием двух

растворов разной концентрации выпариванием растворителя добавлением

растворяемого вещества к раствору

3 Пользоваться ареометром мерной посудой установкой для титрова-

ния методом интерполяции laquoправилом крестаraquo

4 Определять содержание растворенного вещества в растворе по его

плотности и с помощью титрования

Работа 4 Методы очистки веществ

Задания для подготовки к лабораторной работе

1 Ознакомьтесь со следующими элементами техники выполнения лабо-

раторных работ взвешиванием на весах измельчением растворением филь-

32

трованием изготовлением простых и складчатых фильтров фильтрованием го-

рячих растворов и фильтрованием растворов под вакуумом нагреванием на

электроплитке растворов в химической посуде промыванием и высушиванием

осадков методами очистки твердых жидких и газообразных веществ

2 Выполните необходимые расчеты

Теоретическая часть

В лабораторной практике большое значение имеет очистка веществ так

как работа с загрязненными реактивами обусловливает получение неточных ре-

зультатов и неправильных выводов

Известны многочисленные методы очистки веществ фильтрование ди-

стилляция дробная перегонка возгонка зонная плавка метод транспортных

реакций и др В лабораторной практике для очистки твердых веществ чаще ис-

пользуются перекристаллизация и возгонка для очистки жидкостей ndash фильтро-

вание и перегонка газов ndash отделение примесей путем поглощения их различ-

ными химическими веществами

1 Очистка твердых веществ от примесей перекристаллизацией и

возгонкой

Перекристаллизация основана на различной растворимости одного и то-

го же вещества при различных температурах Под растворимостью понимают

содержание вещества в насыщенном растворе при данной температуре Она

выражается обычно в граммах безводного вещества на 100 г растворителя

(табл 3) или любым видом концентрации растворов (см работу 3)

Таблица 3

Растворимость солей г100 г воды

Формула соли Температура

оС

0 20 40 60 80

CuSO4 143 205 287 395 555

K2Cr2O7 46 125 259 455 730

NaNO3 727 876 1049 1247 1490

КNO3 133 316 639 1100 1690

NH4Cl 294 372 458 552 656

Зависимость растворимости от температуры изображается также кривы-

ми растворимости (рис 9) Пользуясь табл 3 и рис 9 можно определить

например что в 100 г воды при 20 и 80 оС растворяется соответственно 316 и

1690 г нитрата калия Очевидно при охлаждении насыщенного при 80 оС рас-

твора нитрата калия до 20 оС должно выпасть 1690 ndash 316 = 1374 г соли Чем

ниже температура до которой охлаждают раствор тем большее количество

кристаллов выпадает в осадок

33

При небольшом изменении растворимости в результате повышения тем-

пературы (например хлорида натрия) раствор сначала упаривают а затем

охлаждают Иногда для кристаллиза-

ции к насыщенному водному раствору

вещества добавляют реагенты пони-

жающие его растворимость в воде

(например спирт ацетон концентри-

рованную соляную кислоту) Это явле-

ние называется laquoвысаливаниемraquo

Вещества применяемые в лабо-

раторной практике содержат как пра-

вило немного растворимых приме-сей

относительно которых раствор нена-

сыщен Поэтому при кристал-лизации

вещества из насыщенного раствора

примеси остаются в маточ-ном раство-

ре Маточным называется раствор

оставшийся после отфиль- тровыва-

ния выпавших кристаллов

Рис 9 Кривые растворимости Для получения более чистых ве-

некоторых солей ществ осуществляют повторную крис-

таллизацию

Возгонка ndash это переход вещества при нагревании из твердого состояния

непосредственно в пар минуя жидкое Этим методом очищают твердые веще-

ства от нелетучих примесей например йод серу нафталин хлорид аммония

салициловую кислоту и др Пары возгоняемого вещества конденсируются в

кристаллы на поверхности охлажденных предметов

2 Очистка жидкостей перегонкой

Перегонка основана на различии состава жидкой и паровой фаз Жидкая

фаза одного состава превращается в пар с последующей конденсацией его сно-

ва в жидкость другого состава Этим методом очищают жидкие смеси от рас-

творенных в них твердых веществ или менее летучих жидкостей

Различают несколько способов перегонки жидкостей под нормальным

давлением уменьшенным давлением и с водяным паром

Перегонкой под нормальным давлением пользуются в тех случаях когда

очищаемые жидкости при нагревании не разлагаются и не имеют слишком вы-

сокую температуру кипения Индивидуальное вещество при постоянном давле-

нии кипит при строго определенной температуре Поэтому температура кипе-

ния является характеристикой чистоты вещества Оно тем чище чем меньше

разница между температурой кипения очищаемого вещества и температурой

при которой оно перегоняется

34

3 Очистка газов

Газы для очистки пропускают через поглотительные сосуды содержащие

твердые или жидкие поглотители вступающие в химические реакции с приме-

сями и не реагирующие с очищаемым газом Этот процесс включает высуши-

вание и удаление специфических примесей образующихся в процессе его по-

лучения Пары воды можно поглощать концентрированной серной кислотой

прокаленным хлоридом кальция оксидом фосфора (V) силикагелем безвод-

ным сульфатом меди пары аммиака и хлороводорода ndash водой

Экспериментальная часть

Опыт 1 Очистка медного купороса перекристаллизацией

Пользуясь табл 4 рассчитайте четырьмя способами сколько граммов

воды и медного купороса следует взять для приготовления насыщенного при 80 оС раствора соли из которого при охлаждении до 20

оС выделилось бы 10 г

пентагидрата или 64 г безводного сульфата меди

Таблица 4

Растворимость

безводного сульфата меди и кристаллогидрата сульфата меди

при 80 и 20 оС

t оС

Масса г Масса раствора

г CuSO4 Н2О CuSO4times5Н2О Н2О

80 555 100 8672 6878 1555

8069 14539 12608 100 22608

20

205 100 3203 8847 1205

1594 7774 2490 6878 9368

2317 11303 362 100 1362

I способ расчет на 10 г CuSO4middot5Н2О

m (CuSO4middot5Н2О) m (Н2О)

80 оC 8672 6878

20 оC 2490 6878

II способ расчет на 10 г CuSO4middot5Н2О

m (CuSO4middot5Н2О) m (Н2О)

80 оC 12608 100

20 оC 3620 100

III способ расчет на 64 г CuSO4

m (CuSO4) m (Н2О)

80 оC 5550 100

20 оC 1594 1774

35

IV способ расчет на 64 г CuSO4

m (CuSO4) m (Н2О)

80 оC 8069 14539

20 оC 2317 11303

Примеры расчета масс веществ

Пример 1 Какие массы дихромата калия и воды необходимо взять для

получения очищенной соли массой 30 г если перекристаллизация будет прово-

диться в температурном интервале 80ndash20 оС

Решение

1) По табл 3 находим что при 80 оС в 100 г воды растворяется 7300 г

дихромата калия а при 20 оС ndash 1250 г

2) Следовательно при охлаждении раствора от 80 до 20 оС выделится

7300 ndash 1250 = 6050 г соли

3) Массу дихромата калия необходимую для получения 30 г очищенной

соли вычисляем следующим образом

для выделения 6050 г соли требуется 7300 г дихромата калия

для 30 г -------------------- х г х = 5060

0073middot30= 3619 г

4) Объем воды в котором должна быть растворена эта навеска рассчиты-

вается так

73 г дихромата калия растворяются в 100 г воды

362 г -------------------------------------- в х г

х = 73

100middot236= 4959 г (4959 мл так как плотность воды принимаем

равной 1 гмл)

Пример 2 Какую массу воды и медного купороса надо взять для приго-

товления насыщенного при 80 оС раствора соли из которого при последующем

охлаждении до 0 оС выделяется пентагидрат сульфата меди (II) массой 20 г

Решение

1) Учитывая растворимости безводного сульфата меди при 80 и 0 оС рас-

считаем какой массе кристаллогидрата соответствует масса безводной соли

555 и 143 г (CuSO4)

М(CuSO4middot5Н2О) = 250 гмоль М(CuSO4) = 160 гмоль

160 г безводной соли содержится в 250 г кристаллогидрата

555 г ----------------------------------- в х г

х = 160

250middot555= 867 г (80

оС)

160 г безводной соли содержится в 250 г кристаллогидрата

143 г ----------------------------------- в у г

у = 160

250middot314= 223 г (0

оС)

36

2) Вычисляем массу воды необходимую для растворения кристаллогид-

рата при соответствующих температурах

80 оС 100 ndash (867 ndash 555) = 688 г

0 оС 100 ndash (223 ndash 143) = 92 г

3) Масса медного купороса растворенная в воде массой 688 г при 0 оС

будет равна

в 92 г воды растворяются 223 г медного купороса

в 688 г ----------------------- х г

х = 688middot223

92= 1668 г

4) Масса кристаллогидрата выделяющегося при охлаждении от 80 до

0 оС равна 867 ndash 167 = 700 г

5) По условию задачи требуется получить медный купорос массой 20 г

Для выделения 70 г кристаллогидрата необходимо растворить его 867 г

для выделения 20 г ----------------------------------------------------------- х г

х = 2477 г

6) Масса воды необходимая для растворения 2477 г кристаллогидрата

для растворения 867 г кристаллогидрата требуется 668 г воды

для 2477 г ---------------------------------------------------- х г

х = 1965 г или 1965 мл (так как ρ OH2= 1 гмл)

Рассчитанную массу медного купороса взвесьте поместив его на часовое

стекло Отмерьте мерным цилиндром (см рис3) необходимый объем дистил-

лированной воды Вылейте воду в стакан из термостойкого стекла и нагрейте

до начала кипения Затем поместите навеску медного купороса в стакан с

нагретой водой и растворите при помешивании стеклянной палочкой Если по-

лученный раствор прозрачный и не содержит механических примесей то охла-

дите его до 20 оС помешивая стеклянной палочкой Если в приготовленном ис-

ходном растворе содержатся нерастворимые примеси то прежде чем охладить

раствор его необходимо отфильтровать через воронку для горячего фильтро-

вания (рис 10) с применением складчатого фильтра (рис 11)

Для нагрева воронки можно использовать

горячую воду из водопроводной сети Воронка имеет боковой отросток под который подстав-

ляют газовую горелку для нагревания находя-

щейся между стенками воды

При фильтровании легко воспламеняю-

щихся жидкостей применяют воронки с элек-

трическим обогревом

Рис 10 Воронка для горячего фильтрования

37

Для изготовления складчатого фильтра нужно взять соответствующий

размеру воронки квадрат из фильтровальной бумаги сложить его пополам и за-

тем еще раз пополам Внешние углы обрезать по дуге сложить laquoгармошкойraquo

При изготовлении простого фильтра приготовить конус как описано вы-

ше отогнуть один листочек и полученный конус вставить в воронку смочить

его дистиллированной водой (рис 12) Необходимо чтобы фильтр плотно при-

легал к стенкам воронки и между ними не было пузырьков воздуха Край филь-

тра должен быть ниже края воронки не менее чем на 05 см (рис 12 г)

Рис 11 Складчатый фильтр Рис 12 Изготовление простого фильтра

а-в ndash стадии изготовления г ndash фильтр помещен в воронку

Стеклянную воронку с развернутым складчатым фильтром поместите в

воронку для горячего фильтрования фильтр смочите ди-

стиллированной водой Жидкость перелейте на фильтр по

стеклянной палочке (рис 13) держать которую нужно в ле-

вой руке профильтруйте и охладите раствор до 20 оС

Выпавшие кристаллы отделите от маточного раствора

с помощью прибора изображенного на рис 14

Он состоит из фарфоровой воронки Бюхнера (1) колбы Бун-

зена (2) водоструйного вакуум-насоса или насоса Камовско-

го На сетчатое дно воронки Бюх-

нера положите два кружка филь-

тровальной бумаги Чтобы выре-

зать эти фильтры на верх воронки

положите два листа фильтроваль-

ной бумаги и плот-но прижмите

ладонью затем ножницами вы-

режьте один по обозначенному

контору другой ndash на 3ndash4 мм Рис 13 Фильтрование

меньше

На дно воронки вначале положите фильтр меньшего

размера затем большего смочите их дистиллирован-

ной водой и прижмите края к стенкам воронки

Вставьте воронку в колбу Бунзена перенесите в нее

кристаллы вместе с маточным раствором подсоеди-

Рис 14 Установка для ните прибор к насосу и включите его После отделе-

фильтрования с примене- ния кристаллов промойте их в 5ndash10 мл холодной дис- нием вакуума

38

тиллированной воды для удаления остатков маточного раствора

При перекристаллизации нужно получить вещество в кристаллах средне-

го размера так как крупные кристаллы обычно содержат включения маточного

раствора с находящимися в нем примесями а очень мелкие будучи свобод-

ными от этих включений образуют густую кашицу между отдельными кри-

сталлами которой прочно удерживается маточный раствор и отмыть его полно-

стью без потери вещества не удается

Снять кристаллы с воронки перевернув ее на лист фильтровальной бу-

маги и осторожно постучав по ее стенкам Сушить кристаллы нужно в сушиль-

ном шкафу или между листами фильтровальной бумаги до тех пор пока они

не перестанут прилипать к сухой стеклянной палочке Взвесьте перекристал-

лизованную соль и рассчитайте ее выход в процентах Раствор очищенной со-

ли и маточный раствор испытайте на присутствие хлорид-ионов (Реакция с

нитратом серебра в пробирку с небольшим количеством раствора добавьте

каплю раствора нитрата серебра и две капли азотной кислоты Выпавший бе-

лый осадок является хлоридом серебра)

Для уменьшения потери вещества при перекристаллизации маточный

раствор можно упарить наполовину и выделить новую порцию вещества по ме-

тодике описанной выше

Опыт 2 Возгонка йода

Взвесьте на часовом стекле 020 г йода 005 г йодида калия и 010 г окси-

да кальция (оксид кальция необходим для поглощения влаги йодид калия ndash для

очистки от примесей кислородных и других соединений йода) Смесь помести-

те на дно низкого тонкостенного стакана без носика и осторожно размешайте

стеклянной палочкой Накройте стакан круглодонной колбой наполненной

холодной водой (рис 15)

Поставьте стакан на кольцо штатива с асбестовой сеткой осторожно

нагрейте его дно пламенем спиртовки и наблюдайте возгонку йода По окон-

чании процесса прекратите нагревание и дайте стакану охладиться не снимая с

него колбы Затем поднимите колбу и осторожно снимите стеклянной палочкой

йод на предварительно взвешенное часовое стекло (кристаллы йода не сни-

мать металлическим шпателем так как йод взаимодействует с большинством

металлов) Определите массу йода и рассчитайте его выход в процентах

39

а б

Рис 15 Возгонка йода а ndash начало процесса б ndash конец процесса

Опыт 3 Очистка водопроводной воды перегонкой

Для очистки водопроводной воды соберите прибор для перегонки пред-

ставленный на рис 16 Он состоит из колбы Вюрца (1) в которую вставлен

термометр холодильника Либиха (2) аллонжа (3) колбы-приемника (4) с

хлоркальциевой трубкой Проверьте водопроводную воду на содержание в ней

ионов хлора (с использованием раствора нитрата серебра) ионов кальция и

магния

Для доказательства

наличия ионов кальция и

магния в пробирку налейте

5ndash6 мл водопроводной во-

ды добавьте 1 мл амми-

ачной буферной смеси и 3ndash

4 капли индикатора эри-

хрома черного Т Винно-

красная окраска жидкости

свидетельствует о наличии в

воде ионов кальция и маг-

ния фиолетовая ndash указы-

Рис16 Установка для перегонки воды вает на их отсутствие

Далее колбу Вюрца на 13 объема наполните водопроводной водой поместите

в нее для равномерного кипения жидкости несколько стеклянных капилляров

запаянных с одного конца Закройте отверстие колбы Вюрца пробкой с термо-

40

метром (ртутный шарик термометра должен быть немного ниже уровня отвод-

ной трубки колбы) Заполните холодильник водой (ток воды подается снизу

вверх) Приемник закройте пробкой снабженной аллонжем и хлоркальциевой

трубкой с натронной известью для поглощения углекислого газа из воздуха

Нагрейте на электроплитке воду до кипения предварительно положив под дно

колбы асбестовую сетку Отметьте при какой температуре закипит жидкость

Когда в приемнике соберется приблизительно 10 мл воды нагревание

прекратите Проверьте содержит ли дистиллированная вода ионы которые бы-

ли в водопроводной

Опыт 4 Очистка углекислого газа

Соберите прибор для получения и очистки оксида углерода (IV) (см

рис 1) Он состоит из аппарата Киппа и двух промывных склянок Тищенко В

одной из них находится дистиллированная вода (или раствор гидрокарбоната

натрия) в другой ndash концентрированная серная кислота

Получите углекислый газ в аппарате Киппа Для этого загрузите мрамор в

его средний шар и налейте через воронку такое количество 20 раствора соля-

ной кислоты чтобы он закрыл часть мрамора

Пропустите в течение 2 мин слабый ток оксида углерода (IV) через про-

мывные склянки Убедитесь с помощью обезвоженного сульфата меди содер-

жащегося в хлоркальциевой трубке что углекислый газ сухой Исследуйте

жидкость в склянке с дистиллированной водой на содержание в ней хлорид-

ионов Сделайте выводы

Вопросы и задачи

1 На чем основан процесс перекристаллизации

2 Как перекристаллизовать вещества растворимость которых изменяется

от температуры незначительно

3 Какой раствор называется маточным

4 Где остаются примеси после перекристаллизации и почему

5 От каких факторов зависит величина кристаллов Какие кристаллы со-

держат меньше примесей мелкие или крупные

6 От каких примесей освобождаются при очистке твердых веществ воз-

гонкой На чем основан этот метод

7 С какой целью при возгонке к йоду добавляют йодид калия и оксид

кальция

8 На каких физических процессах основана перегонка

41

9 Какой принцип лежит в основе работы холодильника

10 С какой целью при перегонке в колбу Вюрца добавляют так называе-

мые laquoкипелкиraquo (стеклянные трубки пористые материалы и т д)

11 От каких примесей очищается водопроводная вода при перегонке

12 Какие примеси присутствуют в диоксиде углерода полученном в ап-

парате Киппа и как их устранить

13 В насыщенном при 60 оС растворе сульфата калия его массовая доля

равна 154 Выразите растворимость в граммах на 100 г воды

Ответ 1829 г

14 Какая масса хлорида аммония выпадает в осадок при охлаждении до

0 оС насыщенного при 80

оС раствора массой 800 г

Ответ 17488 г

15 Какую массу воды и дихромата калия нужно взять для получения соли

массой 30 г если насыщение осуществлять при 60 а кристаллизацию ndash при

20 оС

Ответ 9090 г 4136 г

16 Какую массу нитрата натрия можно получить из раствора приготов-

ленного путем насыщения при 60 оС 25 мл воды и охлаждении до 0

оС (раство-

римость веществ приведена в табл 3)

Ответ 13 г

Следует уметь

1 Рассчитывать массы растворенного вещества и растворителя необхо-

димые для получения заданной массы очищенной соли

2 Взвешивать на весах отмерять жидкость цилиндром нагревать хими-

ческую посуду на электроплитке

3 Изготавливать простые и складчатые фильтры фильтровать при обыч-

ном давлении и под вакуумом

4 Рассчитывать практический выход продуктов

5 Правильно называть приборы и химическую посуду

6 Пользоваться аппаратом Киппа холодильником Либиха воронкой го-

рячего фильтрования

7 Проверять воду на чистоту

42

Работа 5 Определение изменения энтальпий физико-химических

процессов

Задания для подготовки к лабораторной работе

1 Повторите основные понятия изменение энтальпии реакции ∆rН изме-

нение энтальпии образования вещества ∆fН тепловой эффект реакции Qр-ции

тепловой эффект образования вещества Qобр закон Гесса и следствия из него

2 Ознакомьтесь с устройством калориметрической установки и зарисуйте

ее схему (рис 17)

Теоретическая часть

Большинство химических реакций сопровождается переходом химиче-

ской энергии в тепловую экзотермические реакции осуществляются с выделе-

нием тепла эндотермические ndash с поглощением

Количество тепла выделяющегося или поглощающегося при химической

реакции называется тепловым эффектом реакции который обозначается Qр-ции

или Qr где индекс laquorraquo ndash первая буква английского слова reaction

Тепловой эффект химической реакции при постоянном давлении Qр (ин-

декс laquoрraquo указывает постоянное давление) численно равен изменению энтальпии

∆rН взятой с противоположным знаком Qp = minus∆rН Тепловой эффект и измене-

ние энтальпии химической реакции измеряются в килоджоулях (кДж) или в ки-

локалориях (ккал) Уравнения химических реакций в которых указываются

тепловые эффекты или изменения энтальпии называются термохимическими

Энергетические эффекты различных процессов определяют эксперимен-

тально а термохимические расчеты проводят на базе основного закона термо-

химии ndash закона Гесса тепловой эффект изменение энтальпии изменение внут-

ренней энергии химической реакции зависят от природы и состояния исходных

веществ и конечных продуктов но не зависят от числа и характера промежу-

точных стадий процесса Этот закон лежит в основе расчета Q ∆Н ∆U различ-

ных процессов minus образования разложения сгорания растворения гидратации

нейтрализации и др

Если в ходе процесса при постоянном давлении системой совершается

работа расширения то Qp = ∆U + Р middot ∆V РV = nRT Р middot ∆V = ∆n middot RT

∆Н = ∆U + ∆n middot RT ∆U = ∆Н minus ∆n middot RT где ∆n ndash изменение числа молей газооб-

разных продуктов реакции и исходных веществ (∆n = продn minus исх

n )

Тепловой эффект (изменение энтальпии) растворения ndash теплота растворе-

ния (энтальпия растворения) данного вещества в данном растворителе опреде-

ляется количеством теплоты (изменением энтальпии) которое выделяется или

поглощается при растворении одного моля вещества в таком количестве рас-

творителя что дальнейшее прибавление последнего уже не вызывает дополни-

тельного теплового эффекта (изменения энтальпии)

Пример 1 Растворение Na2SO4 сопровождается выделением теплоты

(29 кДжмоль) а при растворении кристаллогидрата Na2SO4middot10Н2О происходит

43

поглощение теплоты (787 кДжмоль) Вычислите изменение энтальпии гидра-

тации

Решение

1 Термохимическое уравнение растворения Na2SO4

Na2SO4 (к) + aq rarr Na2SO4middotaq ∆Н1 (растворения безводной соли) = minus29 кДж

2 Процесс гидратации безводной соли

Na2SO4 (к) + 10Н2О(ж) rarr (Na2SO4 middot10Н2О)(к) ∆Н2 (гидратации) minus

3 Термохимическое уравнение растворения кристаллогидрата

Na2SO4middot10Н2О + aq rarr Na2SO4middot aq ∆Н3 (растворения кристаллогидрата) =

= 787 кДж

В соответствии с законом Гесса процесс растворения безводной соли (1)

складывается из процесса гидратации (2) и процесса растворения кристалло-

гидрата (3) те ∆Н1 = ∆Н2 + ∆Н3

Тогда ∆Н2 (гидратации) = ∆Н1 (растворения безводной соли) minus ∆Н3 (рас-

творения кристаллогидрата) = minus29 кДж minus 787 кДж = minus816 кДж

1-е следствие из закона Гесса изменение энтальпии реакции равно

сумме изменения энтальпий образования продуктов реакции за вычетом

суммы изменения энтальпий образования исходных веществ с учетом сте-

хиометрических коэффициентов

Пусть аА + бБ = сС + дД а б с д ndash стехиометрические коэффициенты

Тогда ∆rН = с middot ∆fНС + д middot ∆fНD minus а middot ∆fНА minus б middot ∆fНВ

Пример 2 Вычислите ∆Н 0

298 растворения NaOH в воде при образовании

раствора с концентрацией См = 1 мольл

Решение

Процесс растворения NaOH схематически выражается уравнением

NaOH(к) + aq rarr Na (р)

+ OH р

∆fН0

298 кДжмоль minus4268 minus2397 minus2284

∆rН0

298 = minus2397 minus 2284 + 4268 = minus413 кДж

Опыт подтверждает что растворение твердого NaOH сопровождается

разогреванием раствора

2-е следствие из закона Гесса изменение энтальпии реакции равно

сумме изменения энтальпий сгорания исходных веществ за вычетом суммы

изменения энтальпий сгорания продуктов реакции (с учетом стехиомет-

рических коэффициентов)

Пример 3 Вычислите ∆Н 0

298 реакции которая выражается уравнением

СН3СООН(ж) + С2Н5ОН(ж) = СН3СООС2Н5(ж) + Н2О(ж) ∆rН0

1 minus

Изменение энтальпии этого процесса можно рассчитать алгебраически

суммируя энтальпии сгорания

СН3СООН(ж) + 2О2(г) = 2СО2(г) + 2Н2О(ж) ∆rН0

2 = minus8711 кДж

2С2Н5ОН(ж) + 3О2(г) = 2СО2(г) + 3Н2О(ж) ∆rН0

3 = minus1367 кДж

СН3СООС2Н5(ж) + 5О2(г) = 4СО2(г) + 4Н2О(ж) ∆rН0

4 = minus2284 кДж

44

∆rН0

1 = ∆rН0

2 + ∆rН0

3 minus ∆rН

0

4 = minus8711 minus1367 + 22840 = minus46 кДж

Различают изменение энтальпий фазовых и химических превращений К

фазовым относят сублимацию испарение плавление полиморфные превраще-

ния переход из аморфного состояния в кристаллическое Разновидностью хи-

мических реакций служат процессы электролитической диссоциации и химиче-

ские превращения в водных растворах электролитов

Большое значение для развития химии имеет определение изменения эн-

тальпии нейтрализации кислоты щелочью ∆Ннейтр одного моля сильной кисло-

ты одним молем сильного основания ndash величина постоянная Этот факт объяс-

няет теория электролитической диссоциации Аррениуса согласно которой лю-

бая реакция нейтрализации сводится к следующему процессу

Н р-р

+ ОН р-р

= Н2О(ж)

∆fН0

298кДжмоль 0 minus23019 minus28583 Изменение энтальпии этой реакции

∆Н 0

298 нейтр = minus28583 + 23019 = minus556 кДж

∆Ннейтр слабых кислот слабыми основаниями ndash величина переменная за-

висящая от их констант диссоциации и соответственно от концентрации ионов

водорода Н р-р

и гидроксид-ионов ОН р-р

в растворе и имеет значение мень-

шее чем 556 кДжмоль

Экспериментальная часть

Опыт 1 Определение изменения энтальпии нейтрализации сильного

основания сильной кислотой

Для проведения опыта используйте калориметрическую установку

(рис 17) Она состоит из калориметрического стакана (1) вставленного в дру-

гой стакан (2) который играет роль теплоизо-

лирующей муфты подставки (3) крышки (4)

термометра (5) мешалки (6) пипетки (7) шта-

тива (8)

Взвесьте калориметрический стакан и

влейте в него из пипетки (бюретки) 25 мл рас-

твора NaOH или КОН с концентрацией Сэ

= 1 мольл и отметьте температуру с точностью

до 01 оС В другой стакан налейте из бюретки

25 мл НСl или HNO3 такой же концентрации и

измерьте с той же точностью температуру рас-

твора кислоты Затем быстро но аккуратно

влейте раствор кислоты в калори-

Рис 17 Калориметрическая метрический стакан Перемешивая мешалкой

установка содержимое сосуда отметьте максимальную

температуру смеси

Полученные данные используйте для расчетов Расчет проводите по сле-

дующей схеме

45

1 Вычислите изменение энтальпии реакции

NaOH (КОН) + НСl (HNO3) = Н2О + NaCl (KCl)

∆rН0 = (mж middot Cж + mст middot Cст) middot ∆t ∆t = tкон minus tнач где tкон tнач ndash конечная и

начальная температуры (оС) растворов в калориметрическом сосуде mст mж ndash

масса стеклянного калориметрического сосуда и находящейся в нем жидкости

Cст Cж ndash удельные теплоемкости стекла и жидкости Начальная температура ndash

это среднеарифметическая температура щелочи и кислоты конечная ndash наивыс-

шая температура после сливания растворов плотность раствора принять равной

1 гмл его удельную теплоемкость ndash равной теплоемкости воды

(4184 ДжгmiddotК) а удельную теплоемкость стекла ndash 0753 ДжгmiddotК Массу стакана

(mст) определяют в зависимости от того какая часть его объема заполняется

раствором (если наполовину то стm

2)

2 Составьте ионно-молекулярное уравнение реакции нейтрализации и

рассчитайте изменение энтальпии нейтрализации одного моля эквивалента

кислоты по результатам проведенного опыта

3 Определите относительную ошибку опыта (в процентах)

Опыт 2 Определение изменения энтальпии нейтрализации слабого

основания слабой кислотой

Проведите опыт аналогично первому взяв растворы аммиака и уксусной

кислоты с концентрацией Сэ = 1 мольл Вычислите изменение энтальпии

нейтрализации в расчете на 1 моль эквивалентов уксусной кислоты Сравните

результаты с данными предыдущего опыта

Опыт 3 Определение изменения энтальпии растворения безводного

сульфата меди (II)

Опыт проведите в калориметрической установке (см рис 17) В предва-

рительно взвешенный калориметрический стакан налейте 30 мл дистиллиро-

ванной воды определите ее температуру с точностью до 01 оС Взвесьте 1 г

безводного сульфата меди (II) с точностью до 001 г Быстро и аккуратно

всыпьте соль в калориметрический сосуд Размешивая его содержимое мешал-

кой отметьте максимальную температуру Зная разность температур общую

массу раствора и приняв удельную теплоемкость раствора равной удельной

теплоемкости воды рассчитайте изменение энтальпии данного процесса на

1 моль безводной соли

I 1 CuSO4 (к) + aq rarr CuSO4 middot aq ∆Н 0

р-ния б сminus

Имея в виду что гидратация безводной соли и растворение кристалло-

гидрата выражаются следующими термохимическими уравнениями

1 CuSO4(к) + 5H2O(ж) = CuSO4middot5H2O(к) ∆Н 0

1 = minus778 кДж ndash изменение

II энтальпии при гидратации

2 CuSO4middot5H2O(к) + aq = CuSO4 middot aq ∆Н 0

2 = 117 кДж ndash изменение энталь-

пии растворения кристаллогидрата рассчитайте ∆Н 0

р-ния б с CuSO4 на основе за-

46

кона Гесса ∆Н(р-ния б с) = ∆Н(гидрат) + ∆Н(р-ния кристаллогидрата) Сравните теоретиче-

ские и экспериментально рассчитанные значения изменения энтальпии и опре-

делите относительную погрешность опыта (в процентах)

Опыт 4 Определение изменения энтальпии гидратации карбоната

натрия

Опыт проведите по методике описанной в опыте 3 Взятая навеска кар-

боната должна составлять примерно 07 г Опыт и расчеты повторите для кри-

сталлогидрата Na2CO3middot10Н2О (навеска ndash 15 г на 30 мл воды) По найденным

изменениям энтальпий растворения Na2CO3 и Na2CO3middot10Н2О вычислите изме-

нение энтальпии гидратации карбоната натрия и сравните с литературными

данными

(∆Н 0

р-ния б с= minus251 кДжмоль ∆Н

0

гидрат = minus920 кДжмоль

∆Н 0

р-ния кристаллогидрата = 669 кДжмоль)

Вопросы и задачи

1 Почему химические и фазовые превращения сопровождаются выделе-

нием или поглощением энергии Почему в одних случаях энергия выделяется а

в других поглощается

2 Рассчитайте среднюю энергию связи в молекулах СН4 и SiH4 если из-

вестны изменения энтальпий образования Н (г) С (г) Si (г) и СН4 (г) SiH4 (г)

Объясните различия средней энергии связи С ndash Н Si ndash Н

Ответ 415325 кДжмоль

3 Вычислите среднюю энергию связи Н ndash О в молекуле воды если из-

вестно изменение энтальпии образования Н2О (г) Н (г) и О (г)

Ответ 462 кДжмоль

4 Вычислите изменение энтальпии реакции нейтрализации растворов

КОН и НСl CsOH и H2SO4 NaOH и HNO3 в случае очень разбавленных рас-

творов в расчете на 1 моль Н2О в стандартных условиях Почему изменение эн-

тальпий этих реакций одинаковы Почему значения изменения энтальпий

нейтрализации разных слабых оснований и кислот различны

Ответ minus556 кДжмоль

5 При растворении 10 г СаСl2 в 200 мл воды температура раствора повы-

силась на 77 К Вычислите изменение энтальпии гидратации СаСl2 если изме-

нение энтальпии растворения СаСl2middot6Н2О равна 1908 кДжмоль Удельную

теплоемкость раствора примите равной удельной теплоемкости воды

(4184 ДжгmiddotК) Ответ minus9423 кДжмоль

6 При растворении 8 г хлорида аммония в 20 г воды температура понизи-

лась на 2 оС Вычислите ∆Н растворения NH4Cl в воде принимая удельную

теплоемкость полученного раствора равной 41870 Дж(г middot К)

Ответ minus163 кДжмоль

47

7 Рассчитайте ∆rН растворения алюминия в разбавленной соляной кисло-

те если стандартные изменения энтальпий образования реагирующих веществ

равны ∆fНHCl (p-p) = minus1675 кДжмоль ∆fН 3 р-р

AlCl = minus6723 кДжмоль

Ответ minus3396 кДж

8 При растворении 5206 г BaCl2 в 400 моль Н2О выделяется 216 кДж

теплоты Вычислите ∆Н гидратации безводного BaCl2

Ответ 2713 кДжмоль

9 При растворении 16 г СаС2 в воде выделяется 313 кДж теплоты Опре-

делите изменение стандартной энтальпии образования Са(ОН)2

Ответ minus98633 кДжмоль

10 Вычислите изменение энтальпии при сгорании 20 л диборана (ну)

если ∆fН (В2О3 (к)) = minus1264 кДжмоль ∆fН (В2Н6 (г)) = 314 кДжмоль Целе-

сообразно ли использовать в качестве топлива диборан вместо этана если

стандартное изменение энтальпии сгорания этана равно minus155988 кДжмоль

Ответ minus19220 кДж

Следует уметь

1 Используя калориметрический метод рассчитывать энтальпию различ-

ных физико-химических процессов

2 Вычислять энтальпию реакции по энтальпиям образования исходных

веществ и конечных продуктов пользуясь законом Гесса и его следствиями

3 Учитывать влияние прочности химических связей в продуктах реакции

и исходных веществах на энтальпию реакции

48

Библиографический список

1 Еремин В В Основы общей и физической химии В В Еремин

А Я Борщевский ndash М Интеллект 2012 ndash 800 c

2 Неорганическая химия в 3 т под ред Ю Д Третьякова ndash М Ака-

демия 2011 minus 2012 ndash Т 1 ndash 240 с Т 2 ndash 368 с Т 3 (1) ndash 352 с Т 3 (2) ndash 400 с

3 Павлов Н Н Общая и неорганическая химия Н Н Павлов ndash М Лань

2011 ndash 496 с

4 Росин И В Общая и неорганическая химия Современный курс И

В Росин Л Д Томина ndash М Юрайт 2012 ndash 1338 с

5 Шрайвер Д Неорганическая химия в 2-х т Д Шрайвер П Эткинс ndash

М Мир 2013 Т 1 ndash 679 с Т 2 ndash 486 с

Содержание

Правила работы в химической лабораторииhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip3

Работа 1 Определение молярных масс газообразных веществhelliphelliphelliphellip4

Работа 2 Определение молярных масс эквивалентовhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip12

Работа 3 Приготовление растворовhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip24

Работа 4 Методы очистки веществhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip32

Работа 5 Определение изменения энтальпий

физико-химических процессовhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip42

Библиографический списокhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip48

Page 5: МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ К ЛАБОРАТОРНОМУ ...phys-chem.mrsu.ru/wp-content/uploads/2017/11/...МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ К ЛАБОРАТОРНОМУ

5

Молекула ndash наименьшая частица простого или сложного вещества опре-

деляющая его свойства способная к самостоятельному существованию состо-

ит из атомов одного (простое вещество) или различных (сложное вещество)

химических элементов (С Si P4 S8 O2 O3 Г2 N2 Fe Cu ndash простые вещества

Н2О СО2 СаСО3 Са3(РО4)2 ndash сложные вещества)

Ион ndash это заряженная частица ndash атом или группа химически связанных

атомов несущая на себе при недостатке электронов положительный заряд и

называющаяся катионом а при избытке электронов отрицательный заряд и

называющаяся анионом (Сlminus Са

2+ РО 3

4

)

Вещество ndash это форма материи состоящая из атомов молекул или

ионов

Структурные единицы ndash любой вид реальных частиц (атомов молекул

ионов электронов и т п) и условно существующие доли таких частиц

(13 Н3РО4 15 КМnО4 13 Аl 12 СаСО3 12 Ва2+

и т п)

Число Авогадро ndash число атомов изотопа углерода 12

6С в 120000 г этого

вещества NА = 60221367middot1023

asymp 6022middot1023

атомов

Постоянная Авогадро ndash константа численно равная числу Авогадро и

показывающая число соответствующих структурных единиц в 1 моле таких

единиц NА = 60221367middot1023

asymp 6022middot1023

мольminus1

NА = N число частиц любой системы

количество вещества системы

Пример

Содержание структурных единиц в 1 моле таких единиц

NА атомов Na в 1 моле атомов Na

NА ионов Na+ в 1 моле ионов Na

+

NА молекул Н2 в 1 моле молекул Н2

NА атомов Н в 1 моле атомов Н

2NА атомов Н в 1 моле молекул Н2

NА молекул Са3(РО4)2 в 1 моле молекул Са3(РО4)2

3NА ионов Са2+

в 1 моле молекул Са3(РО4)2

2NА ионов РО 3

4

в 1 моле молекул Са3(РО4)2

3NА ионов Са2+

в 3 молях ионов Са2+

2NА ионов РО 3

4

в 2 молях ионов РО 3

4

13NА атомов Са Р О в 1 моле молекул Са3(РО4)2

Моль ndash единица измерения количества вещества Моль характеризует ко-

личество вещества определенной химической формулы ndash формульной единицы

(ФЕ)

1 моль любого вида структурных единиц ndash это такое количество веще-

ства которое содержит NА соответствующих структурных единиц

Пример

1 моль ионов Na+ содержит NА ионов Na

+

1 моль молекул NaCl NА ионов Na+ и NА ионов Cl

minus

1 моль молекул Са3(РО4)2 3 моль ионов Са2+

(3 middot NА ионов)

6

2 моль ионов РО 3

4

(2 middot NА ионов)

3 моль атомов Са (3 middot NА атомов)

2 моль атомов Р (2 middot NА атомов)

8 моль атомов О (8 middot NА атомов)

1 моль S8 NА молекул S8 (8 middot NА атомов S)

Количество молей вещества обозначается ν и рассчитывается по формуле

ν = m

M =

A

N

N где m ndash масса ν молей вещества M ndash его молярная масса Если

ν = 1 моль то m = M Масса 1 моля вещества равна его молярной массе

(в гмоль)

Пример

1 моль Са3(РО4)2 весит столько чему равна его молярная масса

М[Са3(РО4)2] = 3 middot М (Са) + 2 middot М (Р) + 8 middot М (О) = 3 middot 40078 + 2 middot 30974 + 8 middot

middot 15999 = 310174 гмоль

Масса 1 моля Са3(РО4)2 или 6022middot1023

молекул Са3(РО4)2 равна 310174 г

Атомная единица массы (аем) (другое название ndash углеродная единица

(уе)) Она равна 112 части массы атома легкого изотопа углерода с массовым

числом 12 Атомная единица массы ndash величина постоянная равная

16605402middot10minus24

г

1 аем = 1

12mат (

12

6С) =

261992 10 кг

12

asymp 0166middot10

minus26 кг

Единицы измерения аем ndash граммы килограммы и т д

Масса атомов и молекул mат mмол-лы выражается очень малыми величи-

нами порядка 10minus26

кг

Пример

m (Н) = 0167middot10minus26

кг = 10079 middot аем

m ( 12011

6С) = 1994middot10

minus26 кг = 12011 middot аем

m (СО2) = 7305middot10minus26

кг = 12011 middot аем + 2 middot 15999 middot аем

Единицы измерения масс атомов и молекул кг г аем и т д

mат =

ат

A

М

N= Аr middot аем mмол-лы =

мол-лы

A

М

N= Мr middot аем

mлюбого числа частиц m (N) = A

МN

N = M middot ν

Пример

mат (12

6С) =

23 1

12 гмоль

6022 10 моль = 1992middot10

minus26 кг

mат (12011

6С) = 23 1

12011гмоль

6022 10 моль = 1994middot10

minus26 кг

Относительная атомная масса (Аr) показывает во сколько раз сред-

няя масса атома естественного изотопического состава элемента больше

1 а е м Значения Аr приводятся в периодической системе элементов

7

Д И Менделеева Аr можно рассчитать по формуле Аr = ат эл-таm (кг г)

аем (кг г) Аr minus ве-

личина безразмерная Подстрочная буква laquorraquo minus первая буква английского слова

relative или латинского relativus ndash относительный сравнительный масса атома

сравнивается с 1 аем

Пример

Аr (О) = 159994 Это означает что масса атома кислорода больше аем

в 159994 раз Аr (Н) = 10079 ndash масса атома водорода больше 1 аем в

10079 раз Аr (С) = 12011 ndash масса атома углерода в 12011 раз больше 1 аем

Относительная молекулярная масса (Мr) простого или сложного веще-

ства ndash безразмерная величина равна отношению средней массы естественного

изотопического состава вещества к 1 аем Мr =

мол-лыm кг г

аем кг г Значения Мr рас-

считывают из величин Аr элементов образующих соединения с учетом коли-

чества атомов каждого из них Если химическая формула вещества АхВуСz то

Мr = х middot Аr (А) + y middot Аr (В) + z middot Аr (С)

Пример Мr (N2O5) = 2 middot Аr (N) + 5 middot Аr (О) = 2 middot 14007 + 5 middot 15999 = 108009 те

масса молекулы N2O5 в 108009 раз больше 1 аем

Молярная масса вещества (М) ndash это масса 1 моля вещества Единицы

измерения гмоль кгмоль гкмоль кгкмоль и т д М = m

где m ndash масса ν

молей вещества Молярная масса выраженная в гмоль или кгкмоль численно

равна относительной молекулярной (Мr) а для простых веществ состоящих из

одного атома ndash относительной атомной (Аr) массе Для вещества имеющего

формулу АхВуСz М = х middot М (А) + y middot М (В) + z middot М (С) (гмоль)

Пример

Аr (Cs) = 132905 М (Cs) = 132905 гмоль

Мr(SO2) = Аr (S) + 2 middot Аr (O) = 32064 + 159994 middot 2 = 64063

М(SO2) = 64063 гмоль

1 моль атомов цезия или 6022middot1023

атомов цезия весят 132905 г 1 моль

молекул SO2 или 6022middot1023

молекул SO2 весят 64063 г

Молярный объем газа (Vm) ndash объем занимаемый 1 молем газа Единица

измерения Vm ndash лмоль м3моль млмоль лкмоль и др

1 моль любого газа при одинаковых условиях (Р Т) занимает одинаковый

объем (V) (закон Авогадро) Молярный объем газа при нормальных условиях

(ну 0 оС или 273 К 760 мм рт ст или 101 325 Па)

V 0

m = 224 лмоль = 224middot10minus3

м3моль

Таким образом 1 моль любого газа при ну занимает объем равный

224 л

Vm и V 0

m рассчитываются по формулам

Vm =

V V 0

m =

0V где ν ndash количество вещества (моль) V и V0 minus объемы

газов (мл л м3) соответственно при любых условиях (V) и при ну (V0)

8

Молярный объем газа равен отношению объема (V) к количеству веще-

ства (ν)

Масса 1 л любого газа m = 0

m

М(гмоль)middot1(л)

V (л моль)

Количество вещества (ν) ν = m

М =

mV

V=

0

m

0

V

V

Молярная масса вещества М (гмоль) = m (г) middot 0

m

0

V (л моль)

V (л)

Относительная плотность одного газа (х) по другому газу (В) обозна-

чается Dв ndash величина безразмерная показывающая во сколько раз масса газа х

(mх) больше массы газа В (mв) такого же объема измеренных при одинаковых

условиях (Р Т)

Dв = в

m

mx

Если mх и mв взяты для веществ в количестве 1 моль то Dв = в

M

Mx

Dв показывает во сколько раз 1 моль газа х тяжелее 1 моля газа В

Для расчета Dв можно использовать и абсолютные плотности газов (ρ) В

этом случае Dв = в

ρ

ρx

Таким образом Dв = в

m

mx

= в

M

Mx

= в

ρ

ρx

Мх = Dв middot Мв

Абсолютная плотность вещества (ρ) в любом агрегатном состоянии ndash

это масса единицы его объема

ρ = m

V (кгм

3 гл гмл)

Пример

а) Относительная плотность СО2 по Н2

D2Н =

2

2

H

CO

m

m =

2

2

H

CO

M

M где m

2CO и m2H ndash массы СО2 и Н2 при одинаковых V

Р Т М2CO и М

2H ndash молярные массы СО2 и Н2 те массы СО2 и Н2 объемом

224 л при ну М2CO = D

2Н middot M2H

б) Относительная плотность СО2 по воздуху

Dвозд= возд

CO

m

m2 =

возд

CO

M

M2 М

2CO = Dвозд middot Мвозд

Уравнение Клапейрона ndash Менделеева

PV = νRT = M

mRT P V T ndash условия при которых проводится опыт ν

ndash количество вещества R ndash универсальная газовая постоянная которая рассчи-

тывается по формуле R = 0 0

0

P V

νТ ν = 1 моль

а) R = 3 3101325 Паmiddot (224middot10 ) м

1мольmiddot273 К

= 8314 Дж

моль middotК

9

Па = 2

кг

мmiddotс Дж =

2

2

кг middotм

с= Па middot м

3

б) R = 760 мм рт стmiddot224л

1мольmiddot273 К= 624

мм ртстmiddotл

моль middotК

R = 62 400 мм ртст middotмл

моль middot К

в) R = -3 3 5 222415 10 м 101330 10 Нм

1 моль 273 К

= 8314

Дж

моль К

Из уравнения Клапейрона ndash Менделеева

Мх = mRT

P V где Мх ndash молярная масса определяемого газа m ndash его масса

P V T ndash давление объем температура соответствующие условиям опыта Для

углекислого газа М2CO = 2COm RT

P V

Экспериментальная часть

Опыт 1 Определение молярной массы оксида углерода (IV)

Целью лабораторной работы является знакомство с методами определе-

ния молярной массы газа на примере оксида углерода (IV) приобретение навы-

ков взвешивания и расчетов по газовым законам

1 Собрать прибор как показано на рис 1

2 Записать уравнение реакции получения СО2

3 Сухую колбу с воздухом плотно закрыть пробкой и восковым каран-

дашом сделать отметку по глубине вхождения пробки в горло колбы

1 ndash шарообразная воронка

2 3 ndash соединенные между собой

резервуары

4 5 ndash тубусы 6 ndash кран

7 ndash перетяжка

8 9 ndash промывные склянки

10 ndash приемник СО2

Рис 1 Установка для получения и очистки диоксида углерода состоящая из аппарата

Киппа промывных склянок и приемника СО2

4 Взвесить колбу с пробкой и воздухом на весах

(рис 2) записать в журнале m1 (г) ndash масса колбы с проб-

кой и воздухом

5 Наполнить колбу оксидом углерода (IV) из аппа-

рата Киппа опустив конец газоотводной трубки до дна

колбы Скорость пропускания газа отрегулировать так

чтобы его пузырьки можно было считать при прохожде-

Рис 2 Весы лабораторные нии их через склянки с водой (или раствором

компактные NaHCO3) и концентрированной серной кислотой

10

6 Полноту наполнения колбы углекислым газом проверить с помощью

горящей лучины Держа колбу в вертикальном положении вставить в нее

пробку Закрыть кран аппарата Киппа

7 Взвесить колбу с диоксидом углерода запи-

сать результат взвешивания m2 (г) ndash масса колбы с

пробкой и СО2

8 Провести контрольный опыт колбу повторно

наполнить углекислым газом из аппарата Киппа за-

крыть ее и снова взвесить Разница между взвешивани-

ями не должна быть больше 002 г в противном случае

опыт повторить

9 Записать значения температуры и давления

во время проведения эксперимента

10 Для измерения объема (V) колбы и соответ-

ственно объема газов заполняющих ее наполнить

колбу до метки водой комнатной температуры

11 Измерить объем воды перелив ее из кол-

бы в мерный цилиндр (рис 3) и результат изме-

рения (V мл) при условиях проведения эксперимента Рис 3 Мерные цилиндры

записать в журнал

12 Привести объем (V) газа к ну (V0) используя объединенный газовый

закон

T

PV=

0

00

T

VP V0 = 0

0

P VT

T P

13 Зная V0 рассчитать массу воздуха в объеме колбы (m3)

m3 = возд 0

0

m

M V

V=

029 гмоль V л

224 л моль (по закону Авогадро)

14 Рассчитать массу пустой колбы (без воздуха) m4 = m1 ndash m3 (из массы

колбы с воздухом вычесть массу воздуха)

15 Рассчитать массу СО2 в объеме колбы (m5)

m5 = m2 ndash m4 (из массы колбы с СО2 вычесть массу пустой колбы)

16 Рассчитать М2CO (эксп) по методу Авогадро

М2CO (эксп) =

0

5 m

0

m V

V где V0 рассчитывается по п12

17 Рассчитать Dвозд = 3

5

m

m М

2CO (эксп) = Мвозд middot Dвозд (метод расчета

М2CO используя его относительную плотность по воздуху)

18 Если колбу заполнить водородом то его масса в объеме колбы (m6)

будет равной

m6 = 2H 0

0

m

M V

V =

02 гмоль middotV л

224 л моль

19 Рассчитать D2Н D

2Н = 6

5

m

m М

2CO (эксп) = М2Н middot D

11

20 Рассчитать М2CO (эксп) по уравнению Клапейрона ndash Менделеева

М2CO (эксп) = 5m R T

PV где Р V Т ndash условия проведения эксперимента

21 Рассчитать М2CO (теор) = М(С) + М(О) middot 2

22 Рассчитать относительную ошибку опыта по формуле

К = теор

эксптеор

М

ММ middot 100 Ошибка не должна превышать 2

Вопросы и задачи

1 Определите что тяжелее (при одинаковых условиях)

ndash сухой углекислый газ или равный объем газа содержащий водяные па-

ры

ndash метан сухой или метан содержащий водяные пары

2 Смесь озона с кислородом имеет плотность по водороду равную 18

Определите процентный состав смеси (по объему)

Ответ 25 О3 75 О2

3 Вычислите молярную массу газа всеми возможными методами если

062middot10minus3

м3 при 294 К и 101 325 Па имеют массу 124middot10

minus3 кг Сколько молекул

содержится в данном объеме

Ответ 48 гмоль 156middot1022

молекул

4 Зная молярную массу кислорода и азота а также учитывая что в воз-

духе содержится 24 мас кислорода и 76 мас азота определите среднюю

молярную массу воздуха

Ответ 29 гмоль

5 Плотность жидкого хлора равна 15 гмл Сколько литров газообразно-

го хлора получится из 80 мл жидкого хлора

Ответ 379 л

6 Определите в каком объеме аргона при 20 оС и давлении 1 333 Па со-

держится 5middot1016

молекул

7 Найдите относительную плотность по воздуху газовой смеси состоя-

щей из азота кислорода и оксида углерода (IV) объемные доли которых равны

соответственно 60 20 и 20

8 При прокаливании 1 кг СаСО3 получены 056 кг СаO и 0224 м3 СО2

(ну) Подтверждают ли эти данные закон сохранения массы веществ

9 Смешаны водород кислород и оксид углерода (IV) массой по 1 кг каж-

дый Найдите объемные и молярные доли этих газов в полученной смеси

12

10 Вычислите а) объем 20 т (ну) аммиака б) массу 10 мл паров толуола

С7Н8 в) массу молекулы оксида углерода (II)

Следует уметь

1 Пользоваться аппаратом Киппа

2 Взвешивать на электронных весах

3 Заполнять сосуды газами различной плотности

4 Экспериментально определять массу и объем газа при определенных

температуре и давлении

5 Рассчитывать молярную массу вещества по полученным эксперимен-

тальным данным различными способами а) по методу Авогадро б) используя

относительную плотность одного газа по другому газу в) по уравнению Кла-

пейрона ndash Менделеева

Работа 2 Определение молярных масс эквивалентов

простых и сложных веществ

Задания для подготовки к лабораторной работе

1 Повторите основные понятия эквивалент фактор эквивалентности

молярная масса эквивалента масса эквивалента количество вещества эквива-

лента молярный объем эквивалента закон эквивалентов

2 Ознакомьтесь с устройством прибора (рис 4) и методикой определения

молярной массы эквивалента алюминия

3 Ознакомьтесь с методикой экспериментального определения молярной

массы эквивалента карбоната кальция

Теоретическая часть

Эквивалент (э) ndash это либо реальная либо условно существующая струк-

турная единица вещества которая эквивалентна (равноценна) одному положи-

тельно поляризованному атому водорода одному иону водорода одному элек-

трону или одному эквиваленту любого другого вещества

1 э (Н) равноценен 1 атому (Н) (1 эквивалент водорода равноценен

1 атому водорода)

1 э (Н+) равноценен 1 иону (Н

+)

1 э (окислителя или восстановителя) равноценен 1 ē

Пример

а) В соединениях Н2О NН3 СН4 с одним эквивалентом положительно по-

ляризованных атомов водорода соединяются 1

2 доля атома (О)

1

3 доля атома

(N) 1

4доля атома (С) э (О) =

1

2атома (О) э (N) =

1

3 атома (N) э (С) =

1

4атома

(С) В молекуле HCl с 1 э (Н+) соединяется 1 ион Cl

minus э (Cl

minus) = 1 иону Cl

minus

б) Кислотно-основное взаимодействие по теории Аррениуса сводится к

процессу

Н+

(р-р) + ОНminus

(р-р) rarr Н2О(ж)

13

С одним ионом водорода взаимодействует один гидроксид-ион Эквива-

лент (ОНminus) равноценен иону (ОН

minus)

в) Са(ОН)2 + Н2SО4 rarr СаSО4darr + 2Н2О

Одному Н+ эквивалентны

1

2доля иона Са

2+ 1 ион ОН

minus

1

2доля иона

SO 2

4

э (Са2+

) = 1

2 иона Са

2+ э

(SO 2

4

) = 1

2иона SO 2

4

э (ОНminus) = 1 иону ОН

minus э

(Са2+

) э (SO 2

4

) ndash условно существующие частицы э (ОНminus) ndash реальная частица

г) Al(NO3)3 + H3PO4rarrAlPO4 + 3HNO3 Одному Н+ эквивалентны

1

3 доля

Al3+

1 ион NO3

1

3 доля иона РО 3

4

э (Al3+

) = 1

3иона Al

3+ э (NO

3

) = иону NO3

э (РО 3

4

) = 1

3 иона РО 3

4

э (NO3

) ndash реальная частица э (Al3+

) э (РО 3

4

) ndash условно

существующие частицы

+5 +4 +6 minus1

д) КСlО3 + 3MnO2 + 6KOH rarr3K2MnO4 + KCl + 3H2O

ClO3

+ 3H2O + 6 ē rarr Clminus + 6OH

minus 1

MnO2 + 4OHminus minus 2 ē rarr MnO 2

4

+ 2H2O 3

Одна молекула КСlО3 принимает 6 ē значит э (КСlО3) = 1

6 часть моле-

кулы КСlО3 Одна молекула MnO2 отдает 2 ē значит э (MnO2) = 1

2часть моле-

кулы MnO2 В схеме реакции с учетом стехиометрических коэффициентов

участвуют по 6 эквивалентов КСlО3 MnO2 KOH

Фактор эквивалентности (fЭ) ndash число которое показывает какая доля

атома молекулы иона является эквивалентом Если fЭ = 1 то эквивалент ndash ре-

альная частица так как он равноценен атому молекуле или иону если fЭ lt 1 то

эквивалент ndash условная частица так как эквивалент в этом случае какая-то доля

реально существующей частицы

fЭ = 1

z где z ndash эквивалентное число

Для элементов и молекул простых веществ состоящих из одного атома

fЭ = 1

B где В ndash валентность элемента образующего простое вещество те

z = В

Пример

fЭ (Н) = 1 fЭ (О) = 1

2 fЭ (

V

P ) = 1

5 fЭ (Са) =

1

2 fЭ (Al) =

1

3 fЭ (Na) = 1

fЭ (III

P ) = 1

3

Для простых веществ состоящих из нескольких атомов fЭ = 1

B n где nndash

количество атомов элемента в молекуле простого вещества те z = В n

14

Пример

fЭ (Н2) = 1

1 2 =

1

2 fЭ (О2) =

1

2 2=

1

4 fЭ (Г2) =

1

1 2 =

1

2 fЭ (N2) =

1

3 2 =

= 1

6 fЭ (О3) =

1

2 3 =

1

6

Для элемента входящего в состав любого сложного вещества fЭ = 1

х

где х ndash степень окисления этого элемента взятая по модулю

Пример

MnO fЭ (Mn) = 1

2 Mn2O3 fЭ (Mn) =

1

3

MnO2 fЭ (Mn) = 1

4 Mn2O7 fЭ (Mn) =

1

7

Для оксидов R2Oх fЭ = 1

2x где х ndash степень окисления элемента образу-

ющего оксид те z = |2x| Таким образом

fЭ(оксида)=

1

сумма по модулю всех зарядов + или поляризованныхчастиц образующих оксид

fЭ (Al2O3)=

1

3 2 =

1

2 3 =

1

6 fЭ (ОsО4) =

1

8 1 =

1

2 4 =

1

8

Для кислот оснований солей

fЭ = 1

сумма по модулю всех зарядов катионов или анионов

fЭ (Н3РО4) =

1

1 3 =

1

3 1 =

1

3 =

1

основность кислоты z = 3

fЭ (Al(ОН)3) =

1

3 1 =

1

1 3 =

1

3 =

1

кислотность основания z = 3

fЭ (Na2SО4) =

1

1 2 =

1

2 1 =

1

2 z = 2

fЭ [Al2(SО4)3] =

1

3 2 =

1

2 3 =

1

6 z = 6

fЭ (NaНSО4) =

1

1 1 =

1

1 1 = 1 z = 1

fЭ [(AlОН)Cl2] =

1

2 1 =

1

1 2 =

1

2 z = 2

fЭ 3 4 2Cu NH OH =

1

2 1 =

1

1 2 =

1

2 z = 2

Фактор эквивалентности (fЭ )и эквивалентное число (z) зависят от ос-

новности кислоты или кислотности основания в соответствии с которыми они

вступают в химическое взаимодействие

Пример

а) 2Н3РО4 + 3Са(ОН)2 rarr Са3(РО4)2 + 6Н2О

15

Основность кислоты равна 3 кислотность основания равна 2 так как в

кислоте замещаются 3 иона водорода в основании ndash 2 гидроксид-иона

z (Н3РО4) = 3 z (Са(ОН)2) = 2 fЭ (Н3РО4) = 1

3 fЭ (Са(ОН)2) =

1

2

б) 2Н3РО4 + Са(ОН)2 rarr Са(Н2РО4)2 + 2Н2О

Основность кислоты равна 1 кислотность основания ndash 2

z (Н3РО4) = 1 z (Са(ОН)2) = 2 fЭ (Н3РО4) = 1 fЭ (Са(ОН)2) = 1

2

в) Н3РО4 + Са(ОН)2 rarr СаНРО4 + 2Н2О

Основность кислоты равна 2 кислотность основания равна 2

z (Н3РО4) = 2 z (Са(ОН)2) = 2 fЭ (Н3РО4) = 1

2 fЭ (Са(ОН)2) =

1

2

г) Н3РО4 + 3Са(ОН)2 rarr (СаОН)3РО4 + 3Н2О

Основность кислоты равна 3 кислотность основания равна 1

z (Н3РО4) = 3 z (Са(ОН)2) = 1 fЭ (Н3РО4) =1

3 fЭ (Са(ОН)2) = 1

д) 2Al(OH)3 + Н2SO4 rarr [Al(OH)2]2SO4 + 2Н2О

Основность кислоты равна 2 кислотность основания равна 1

z (Al(OH)3) = 1 z (Н2SO4) = 2 fЭ (Al(OH)3) =1 fЭ (Н2SO4) = 1

2

е) Al(OH)3 + Н2SO4 rarr [Al(OH)]SO4 + 2Н2О

Основность кислоты равна 2 кислотность основания равна 2

z (Al(OH)3) = 2 z (Н2SO4) = 2 fЭ (Al(OH)3) =1

2 fЭ (Н2SO4) =

1

2

Для окислительно-восстановительных реакций fЭ (окислителя) = 1

n

fЭ (восстановителя) = 1

n где n ndash число электронов принятых или отдан-

ных 1 молекулой или 1 ионом окислителя или восстановителя соответственно

Пример

MnO4

+ 8H+ + 5 ē rarr Mn

2+ + 4Н2О z = 5 fЭ =

1

5

SO 2

3

+ Н2О minus 2 ē = SO 2

4

+ 2H+ z = 2 fЭ =

1

2

Молярная масса эквивалентов вещества (Мэ гмоль) ndash это масса

1 моля эквивалентов вещества или 6022middot1023

эквивалентов вещества

Мэ = fЭ middot М = M

z =

m

э где М ndash молярная масса гмоль m ndash масса (г) ве-

щества количеством νэ (моль)

Пример

Мэ (Н) = fЭ middot М (Н) = 1 middot 1008 гмоль = 1008 гмоль

Мэ (Н2) = 1

2middot М (Н2) =

1

2middot 2016 гмоль = 1008 гмоль

Мэ (О) = 1

2middot М (О) =

1

2middot 16 гмоль = 8 гмоль

16

Мэ (О2) = 1

4middot М (О2) =

32 гмоль

4 = 8 гмоль

Мэ (Na) = М (Na) = 23 гмоль

Мэ (ОНminus) = М (ОН

minus) = 17 гмоль

Мэ (С) в СО = 12 гмоль

2 = 6 гмоль

Мэ (С) в СО2 = 12 гмоль

4 = 3 гмоль

Для оксидов R2Oх

Мэ (R2Ox) = fЭ middot М (R2Ox)

Мэ (R2Ox) = Мэ (R) + Мэ (O) = fЭ (R) middot М (R) + 8

Пример

Мэ (Al2O3) = 1

6middot M (Al2O3) =

102 гмоль

6 = 17 гмоль

Мэ (Al2O3) = 27 гмоль

3+ 8 гмоль = 17 гмоль

Мэ (кислоты) = fЭ middot М (кислоты)

Мэ (кислоты) = 1

основность кислотыmiddot М (кислоты)

Мэ (кислоты) = Мэ (Н+) + Мэ (А

minus) = 1 гмоль + fЭ middot М (А

minus) = 1 гмоль +

+1

заряд анионаmiddot М (А

minus) где А

minus minus кислотный остаток

Пример

Мэ (Н3РО4) = 1

3middot М (Н3РО4) =

1

3middot 98 гмоль = 3267 гмоль

Мэ (Н3РО4) = Мэ (Н+) + Мэ (РО 3

4

) = 1 + 1

3middot М (РО 3

4

) = 1 гмоль + 1

3middot

middot 95 гмоль = 1 гмоль + 3167 гмоль = 3267 гмоль

Мэ (основания) = fЭ middot М (основания)

Мэ (основания) = 1

кислотность основанияmiddot М (основания)

Мэ (основания) = Мэ (Мn+

) + Мэ (ОНminus) = fЭ middot М (М

n+) + fЭ middot М (ОН

minus) =

= 1

nmiddot М (М

n+) + 17

Пример

Мэ (Al(OH)3) = 1

3middot 78 гмоль = 26 гмоль

Мэ (Al(OH)3) = 1

3middot 27 гмоль + 17 гмоль = 9 гмоль + 17 гмоль =

= 26 гмоль

Для солей состава КхАу

Мэ (соли) = fЭ middot М (соли) = Мэ (Ку+

) + Мэ (Ахminus

) = fЭ (Ку+

) middot М (Ку+

) +

+ fЭ (Ахminus

) middot М (Ахminus

)

17

Пример

Мэ (Al2(SO4)3) = 1

6 middot М [Al2(SO4)3] =

342 гмоль

6 = 57 гмоль

Мэ (Al2(SO4)3) = 27

3 +

96

2 = 9 гмоль + 48 гмоль = 57 гмоль

Мэ (окислителя или восстановителя) = fЭ middot М (в-ва) = 1

nmiddot М (в-ва) где n ndash

число отданных или принятых электронов z ndash эквивалентное число = n

Пример

а) Мэ (KMnO4) = 1

5middot М (KMnO4) =

1

5middot 158 гмоль = 316 гмоль (при пере-

ходе MnO4

в Mn+2

)

Мэ (MnO2) = 1

2middot М (MnO2) =

1

2middot 87 гмоль = 435 гмоль (при переходе

MnO2 в MnO 2

4

)

При определении Мэ веществ участвующих в химических реакциях сле-

дует учитывать их fЭ

Пример

а) Аl(OH)3 + H3PO4 rarr AlPO4 + 3H2O

Мэ (Аl(OH)3) = 1

3middot М (Аl(OH)3)

Мэ (H3PO4) = 1

3middot М (H3PO4)

б) 3Аl(OH)3 + H3PO4 rarr [Al(ОН)2]3PO4 + 3H2O

Мэ (Аl(OH)3) = М (Аl(OH)3)

Мэ (H3PO4) = 1

3middot М (H3PO4)

в) 3Аl(OH)3 + 2H3PO4 rarr [Al(ОН)]3(PO4)2 + 6H2O

Мэ (Аl(OH)3) = 1

2middot М (Аl(OH)3)

Мэ (H3PO4) = 1

3middot М (H3PO4)

г) Аl(OH)3 + 3H3PO4 rarr Al(Н2PO4)3 + 3H2O

Мэ (Аl(OH)3) = 1

3middot М (Аl(OH)3)

Мэ (H3PO4) = М (H3PO4)

д) 2Аl(OH)3 + 3H3PO4 rarr Al2(НPO4)3 + 6H2O

Мэ (Аl(OH)3) = 1

3middot М (Аl(OH)3)

Мэ (H3PO4) = 1

2middot М (H3PO4)

е) Fe(OH)2Cl + HCl rarr Fe(OH)Cl2 + H2O

Мэ (Fe(OH)2Cl) = М (Fe(OH)2Cl)

Fe(OH)2Cl + 2HCl rarr FeCl3 + 2H2O

18

Мэ (Fe(OH)2Cl) = 1

2middot М (Fe(OH)2Cl)

Fe(OH)2Cl + NaOH rarr Fe(OH)3 + NaCl

Мэ (Fe(OH)2Cl) = М (Fe(OH)2Cl)

ж) KCr(SO4)2 + 3KOH rarr Cr(OH)3 + 2K2SO4

Мэ (KCr(SO4)2) = 1

3middot М (KCr(SO4)2)

KCr(SO4)2 + 6KOH rarr K3[Cr(OH)6] + 2K2SO4

Мэ (KCr(SO4)2) = 1

6middot М (KCr(SO4)2)

и) MnSO4 + 2KOH rarr Mn(OH)2 + K2SO4

Мэ (MnSO4) = 1

2middot М (MnSO4)

MnSO4 + 2Cl2 + 8KOH rarr K2MnO4 + 4KCl + K2SO4 + 4H2O

Мэ (MnSO4) = 1

4middot М (MnSO4)

2MnSO4 + 5K2S2O8 + 8H2O rarr 2HMnO4 + 2H2SO4 + 10KHSO4

Мэ (MnSO4) = 1

5middot М (MnSO4)

Масса эквивалента вещества (mэ) (г кг hellip)

mэ = э

A

M

N = fЭ middot

A

M

N=

M

z NA =

э A

m

ν N

Пример

mэ (Mg) =

A

M Mg

N =

23 1

12 гмоль

6022 10 моль = 1993middot10

minus23 г

mэ (СаСО3) = 23 1

300г

6моль 6022 10 моль = 83029middot10

minus23 г

Таким образом эквивалент фактор эквивалентности эквивалентное чис-

ло масса эквивалента молярная масса эквивалента ndash величины переменные

зависящие от валентности степени окисления количества атомов зарядов

ионов в молекулах веществ основности кислоты кислотности основания а в

окислительно-восстановительных реакциях ndash от количества отданных или при-

нятых электронов

Количество вещества эквивалента (νэ моль)

νэ = эM

m =

Э

m

Мf = в-ва

Эf

=

m z

M

где m ndash масса вещества г

Пример

m (Аl) = 135 г Мэ (Аl) = 1

3 middot 27 гмоль = 9 гмоль

ν (Аl) = 135г

9гмоль = 15 моль

В 135 г алюминия содержится 15 молей эквивалентов алюминия или (15

middot NA) эквивалентов алюминия z = 3 1 моль атомов алюминия эквивалентен 3

молям эквивалентов алюминия или (3 NA) эквивалентам алюминия

19

1 моль электронов эквивалентен числу Фарадея

F = 160217733middot10minus19

Кл middot 60221367middot10minus1

моль = 96485309 Клмоль

(Клmiddotмольminus1

)

Пример

m = M (O2) νэ = 32г

8гмоль = 4 моль

1 моль молекул O2 содержит 4 моль эквивалентов кислорода

Для сложных веществ Мэ и νэ могут быть рассчитаны по fЭ который ха-

рактеризует их в данной реакции

Молярный объем эквивалента газообразного вещества (Vэ) (лмоль

м3кмоль м

3моль) ndash это объем занимаемый 1 молем эквивалентов этого ве-

щества

Vэ= fЭ middot Vm = 0V

э V 0

э = fЭ middot V

0

m = 0V

э

Пример

V 0

э (О2) =

1

4middot 224 лмоль = 56 лмоль

Это означает что 1 моль эквивалентов О2 при ну занимает объем равный

56 л

V 0

э (Н2) =

1

2middot 224 лмоль = 112 лмоль те 1 моль эквивалентов Н2 при

ну занимает объем равный 112 л

1 моль молекул О2 или 4 моля эквивалентов О2 при ну занимают объем

224 л 1 моль молекул Н2 или 2 моля эквивалентов Н2 при ну занимают объем

224 л

Закон эквивалентов массы веществ реагирующих друг с другом или об-

разующихся в результате химической реакции соотносятся между собой как

их молярные массы эквивалентов

2

1

m

m =

э (1)

э (2)

M

M

1

э (1)

m

М=

2

э (2)

m

М

1

э (1)

m

М = νэ (1)

2

э (2)

m

М = νэ (2)

νэ (1) = νэ (2) ndash количество эквивалентов каждого из участников химической

реакции

Для газообразного вещества

э

m

M =

э

V

V =

0

0

э

V

V = νэ

Закон эквивалентов для химической реакции с участием газа

1

э (1)

m

М=

2

э 2

V

V=

0

2

0

э 2

V

V = νэ (1) = νэ (2)

Мэ (1) =

0

э (2)1

0

2

m middotV

V

Экспериментальное определение эквивалентов и молярных масс эквива-

лента различных веществ может быть проведено различными методами

20

Б2

Л1

Т

Б1

Л2

П

Г

1 Метод прямого определения Эквивалент и молярную массу эквива-

лента устанавливают исходя из соединений данного элемента с водородом или

кислородом

2 Косвенный метод в котором вместо водорода и кислорода использу-

ют другие элементы и вещества с известным эквивалентом и молярной массой

эквивалента

3 Метод вытеснения водорода из кислоты металлом взятой навески

Применим к металлам которые способны вытеснять водород из щелочей и раз-

бавленных кислот

4 Аналитический метод Эквивалент определяют из результатов хими-

ческого анализа элемента в одном из его соединений

5 Электрохимический метод основан на законе Фарадея согласно ко-

торому asymp 96 500 Кл электричества выделяют из электролитов при электролизе

1 моль эквивалентов вещества

Экспериментальная часть

Опыт 1 Определение молярной массы эквивалента алюминия мето-

дом вытеснения

Метод основан на реакции взаимодействия алюминия с соляной кислотой

и измерении объема выделившегося водорода

Собрать прибор представленный на рис 4 Заполнить 14 часть пробирки

раствором соляной кислоты (с массовой долей 15 ) Наклонив пробирку на

ее сухую сторону поместить предварительно взвешенную алюминиевую

Установка состоит из двух бюреток рабочей изме-

рительной Б1 и уравнительной Б2 соединенных

резиновой трубкой Т и заполненных подкрашен-

ной водой К рабочей бюретке при помощи газо-

отводной трубки Г присоединена пробирка П

Рис 4 Лабораторная установка для определения молярной массы эквивалента алюминия

21

фольгу (0015ndash0020 г) так чтобы она не соприкасалась с кислотой Присоеди-

нить пробирку к бюретке и проверить прибор на герметичность Для этого во-

ронку опустить на 10ndash15 см Если прибор герметичен то уровень воды в бю-

ретке несколько снизится а затем останется без изменения Привести давление

в бюретке к атмосферному для чего установить уровень воды в бюретке и во-

ронке на одной высоте в бюретке ndash около нулевого деления но не выше Отме-

тить и записать положение нижнего края мениска в бюретке (А1) После этого

пробирку со штативом наклонить так чтобы кислота смыла алюминиевую

фольгу Для начала реакции содержимое пробирки нагреть на спиртовке (не ка-

саться фитилем дна пробирки не кипятить) Выделяющийся водород бу-

дет вытеснять воду из бюретки После окончания реакции пробирку не снимая

с прибора охладить до комнатной температуры опустив ее в стакан с холодной

водой Затем привести давление внутри прибора к атмосферному и отметить

уровень воды в бюретке (А2)

Объем выделившегося водорода при комнатных условиях V2H = (А2 ndash А1)

привести по объединенному газовому закону (T

PV=

0

00

T

VP) к ну (V0 (H2)) учи-

тывая что общее давление Р = P пар OH2+ P

2Н (где P ndash парциальное давление)

откуда P2Н = Р ndash P пар OH2

тогда объединенный газовый закон T

Vmiddot)P (P пар OH2=

= 0

00

T

VP V

0(H2) = 22общ пар 0 HН О

0

(P Р )middotТ V

Р Т

Таблица 1

Зависимость давления водяного пара от температуры

Т К P OН2 Па Т К P OН2

Па

289 181318 295 233976

290 193317 296 281301

291 206649 297 298641

292 219913 298 317306

293 233314 299 335971

294 247979 300 355970

На основании полученных данных и закона эквивалентов рассчитать молярную

массу эквивалента алюминия (Al)э

Al

M

m=

2

0 2

0

m ( ) H

V (H )

V э

Результаты измерений записать по следующей форме

Навеска

алюминия

г

V2H мл

(А2 ndash А1) Т К

Робщ

Па 2H OP Па V 20 H

мл

Мэ(Al)

гмоль

Ошиб

ка

22

Опыт 2 Определение молярной массы эквивалента карбоната каль-

ция косвенным методом

Взвесить в стакане около 3 г мрамора с точностью до 001 г (m1) При-

лить пипеткой (рис 5) 15 мл раствора соляной кислоты с мо-

лярной концентрацией эквивалента 1 мольл Как только выде-

ление углекислого газа замедлится нагреть стакан до 60ndash70 оС

выдержать при этой температуре до окончания реакции Затем

слить образовавшийся раствор с оставшихся кусочков мра-

мора промыть их два раза дистиллированной водой методом

декантации Стакан с оставшимся мрамором высушить в су-

шильном шкафу при 107 оС и после охлаждения взвесить (m2)

Зная количество молей эквивалентов вступившей в реакцию

соляной кислоты (νэ) и массу прореагировавшего мрамора m3

рассчитать по закону эквивалентов молярную массу эквивален-

та карбоната кальция

Рис 5 Пипетки мерные

Результаты эксперимента записать по следующей форме

m1 г m2 г m3 (CaCO3) =

= m1 ndash m2 г V (HCl) мл

Mэ(СaCO3)

гмоль

Ошибка

νэ (HCl) = Vр-ра (HCl) middot Сэ (HCl)

νэ (СaCO 3 ) = νэ (HCl) )(CaCO э

CaCO

3

3

M

m = Сэ (HCl) middot Vр-ра (HCl)

Мэ (СаСО3) =

3CaCO

HCl э(HCl)

m г

мольV л middotС

л

Вопросы и задачи

1 Как проверить на герметичность прибор для определения молярной

массы эквивалента металла методом вытеснения водорода

2 Как привести давление в герметически закрытом приборе к атмосфер-

ному

3 Под каким давлением по сравнению с атмосферным будет находиться

газ в сосуде если уровень воды в бюретке

а) выше чем в воронке (уравнительном сосуде)

б) ниже чем в воронке

в) на одном уровне

23

4 Как рассчитать парциальное давление газа если он собран над водой

5 Вычислите молярную массу эквивалента металла если навеска техни-

ческого металла массой 0035 г имеющего 20 примесей (не взаимодейству-

ющих с кислотой) вытесняет из кислоты 119 мл водорода собранного над во-

дой при температуре 17 оС и давлении 103middot10

5 Па (давление водяного пара над

водой при 17 оС равно 00193middot10

5 Па)

Ответ 2807 гмоль

6 Чему равны молярные массы эквивалентов мышьяка в его оксидах со-

держащих мышьяк а) 652 (мас) As б) 757 (мас) As

Ответ 1499 гмоль 2492 гмоль

7 Вычислите молярную массу эквивалента фосфорной кислоты и гидрок-

сида алюминия в уравнениях реакций

а) H3PO4 + Ca(OH)2 = CaHPO4 + 2H2O

б) Al(OH)3 + HNO3 = Al(OH)2NO3 + H2O

8 Рассчитайте молярную массу эквивалента олова если

а) при нагревании 092 г его в токе кислорода образуется оксид олова

массой 117 г

б) при восстановлении оксида олова массой 117 г водородом получена

вода массой 016 г

Ответ а) 2944 гмоль б) 5886 гмоль

9 Из 27 г оксида некоторого металла можно получить 63 г его нитрата

Вычислите молярную массу эквивалента металла

Ответ 325 гмоль

10 При восстановлении 51 г оксида металла (III) образовалось 27 г во-

ды Определите молярную массу эквивалента и относительную атомную массу

металла

Ответ 9 гмоль 27

Следует уметь

1 Рассчитывать фактор эквивалентности массу эквивалента и молярную

массу эквивалента элемента простого и сложного веществ исходя из формулы

вещества уравнений реакций в которых участвует вещество закона эквива-

лентов молярного объема эквивалентов любого газообразного вещества

2 Экспериментально определять молярную массу эквивалентов простых

и сложных веществ

24

Работа 3 Приготовление растворов

Задания для подготовки к лабораторной работе

1 Изучите теоретическое введение к лабораторной работе обратив особое

внимание на различные способы выражения содержания растворенного веще-

ства в растворе

2 Проведите все расчеты необходимые для выполнения опытов изучив

метод интерполяции и laquoправило крестаraquo

3 Ознакомьтесь с устройством ареометра мерной посудой и правилами

пользования ими

Теоретическая часть

Раствор ndash это гомогенная система переменного состава состоящая из рас-

творителя растворенных веществ (одного или нескольких) и продуктов их вза-

имодействия Компонент который количественно преобладает и находится в

том же агрегатном состоянии что и образующийся раствор называется раство-

рителем все остальные его части ndash растворенными веществами Основным

признаком характеризующим раствор является его однородность Процесс

растворения часто сопровождается значительными объемными и энергетиче-

скими эффектами По этим признакам растворы больше напоминают химиче-

ские соединения и тем самым отличаются от механических смесей С другой

стороны растворы не имеют строго определенного состава и в этом их суще-

ственное отличие от химических соединений

Первоначально процесс растворения идет самопроизвольно (∆Gр-ния lt 0) и

раствор является ненасыщенным При дальнейшем добавлении вещества

наступает момент когда вещество перестает растворяться и тогда избыток рас-

творенного вещества выпадает в осадок Система оказывается в состоянии ис-

тинного равновесия (∆Gр-ния = 0) те скорости осаждения и растворения равны

Раствор становится насыщенным Можно получить и пересыщенные растворы

те такие массовые доли растворенных веществ в которых выше чем в насы-

щенных растворах (при определенных температуре и давлении) Пересыщен-

ные растворы можно приготовить медленным охлаждением насыщенных при

высокой температуре растворов (например Na2S2O3 NaCH3COO и др) Они

представляют систему находящуюся в кажущемся равновесии (∆Gр-ния gt 0)

Встряхивание или внесение кристаллов того же вещества которое находится в

растворе или изоморфного с ним вызывает кристаллизацию В результате про-

исходит выделение избытка растворенного вещества и раствор становится

насыщенным

Способы выражения концентрации растворов

Состав любого раствора может быть выражен как качественно так и ко-

личественно Раствор с относительно низким содержанием растворенного ве-

щества называют разбавленным с относительно высоким ndash концентрирован-

25

ным Такая количественная оценка условна Например для серной кислоты

концентрированным считается раствор где массовая доля кислоты равна 98 а

для соляной ndash 38

Для количественной оценки состава растворов используют понятие laquoкон-

центрацияraquo Существуют различные способы ее выражения

1 Массовая доля растворенного вещества в растворе Она обознача-

ется Wрв (по первой букве английского слова laquoWeightraquo ndash вес) и рассчитывается

по формуле Wрв = )ткг г(m

)ткг г(m

ра-р

рв Она выражается в долях от единицы и пока-

зывает сколько граммов (кг т) растворенного вещества содержится в 1 г (кг т)

раствора Например W3NaNO = 005 Это означает что в каждом грамме (кг т)

раствора содержится 005 г (кг т) растворенного вещества Массовая доля рас-

творенного вещества в растворе может быть выражена и в процентах Wрв

= ра-р

рв

m

m middot 100 = Wрв middot 100 В этом случае W указывает сколько граммов (кг

т) растворенного вещества содержится в каждых 100 г (кг т) раствора Напри-

мер W3NaNO = 5 в каждых 100 г раствора содержится 5 г NaNO3 или в

каждых 100 кг (т) раствора ndash 5 кг (т) NaNO3

Раствор любой концентрации характеризуется своей плотностью ρ (гмл

кгл гл тм3) которая показывает сколько граммов (кг т) весит 1 мл (л м

3)

раствора данной концентрации Например ρ = 102 гмл Это означает что 1 мл

раствора данной концентрации весит 102 г Плотность раствора рассчитывает-

ся по формуле ρр-ра = ра-р

ра-р

V

m Плотность (ρ) ndash это величина для перехода от массы

раствора к его объему и наоборот

2 Молярная концентрация раствора (См) Ее значение показывает

сколько молей растворенного вещества содержится в 1 л раствора Например

См (р-ра KCl) = 5 мольл Это означает что в каждом литре такого раствора со-

держится 5 моль KCl Молярная концентрация рассчитывается по формуле

См = рв

р-ра

ν

V=

рв

рв р-ра

m

М middotV(мольл) где νрв minus количество растворенного вещества

(моль) mрв ndash масса растворенного вещества (г) М ndash молярная масса раство-

ренного вещества (гмоль) Vр-ра ndash объем раствора (л)

3 Молярная концентрация эквивалента раствора (эквивалентная кон-

центрация или нормальная концентрация) Она обозначается Сэ (используется

также Сн) Ее значение показывает сколько молей эквивалентов растворенного

вещества содержится в 1 л раствора Например Сэ (р-ра HNO3) = 2 мольл Это

означает что в каждом литре раствора содержится 2 моль эквивалентов HNO3

Молярная концентрация эквивалента раствора рассчитывается по формуле

Сэ = э рв

р-ра

ν

V=

рв

э рв р-ра

m

М middotV(мольл)

26

Растворы имеющие одинаковые значения Сэ реагируют между собой в

равных объемах так как содержат равные количества молей эквивалентов рас-

творенных веществ Если растворы имеют различные значения Сэ то вступаю-

щие в реакцию объемы этих растворов обратно пропорциональны их молярным

концентрациям эквивалента 2

1

V

V=

1 э

2 э

С

C или V1 middot Cэ 1 = V2 middot Cэ 2

4 Моляльная концентрация раствора (Сm) Ее значение показывает

сколько молей растворенного вещества содержится в 1 кг растворителя

Например Сm (р-ра H2SO4) = 10 молькг Это означает что в каждом кило-

грамме воды растворено 10 моль H2SO4 Моляльная концентрация раствора

рассчитывается по формуле Сm = рв

р-ля

ν

m=

рв

рв р-ля

m

М middotm(молькг)

5 Молярная (мольная) доля растворенного вещества в растворе Она

обозначается χрв Ее значение показывает сколько молей растворенного веще-

ства содержится в 1 моль раствора Например χ4CuSO = 002 Это означает что в

1 моль раствора содержится 002 моль CuSO4 Если в растворе только одно рас-

творенное вещество то χ ОH2= 098 Сумма мольных долей всех компонентов в

растворе равна единице те 1 моль Мольная доля растворенного вещества в

растворе рассчитывается по формуле χрв = ля-ррв

рв

νν

ν

=

ра-р

рв

ν

ν=

OH

OH

рв

рв

рв

рв

2

2

M

m

М

m

М

m

Если в растворе несколько (К) растворенных веществ то мольная доля любого

из компонентов в том числе растворителя рассчитывается по формуле

χi =

K

1i

i

i

ν

ν Например при наличии трех растворенных веществ и растворителя

χ1 = 4321

1

νννν

ν

χ2 =

4321

2

νννν

ν

χ3 =

4321

3

νννν

ν

χ4 = 4321

4

νννν

ν

χ1 + χ2 + χ3 + χ4 = 1

6 Титр раствора Этот вид выражения состава раствора обозначается

буквой Т Его значение показывает сколько граммов растворенного вещества

содержится в 1 мл раствора Например Т (р-ра Na2CO3) = 15 гмл Это означа-

ет что в каждом миллилитре такого раствора содержится 15 г Na2CO3 Титр

раствора рассчитывается по формуле Т = рв

р-ра

m

V (гмл)

27

Экспериментальная часть

Опыт 1 Приготовление пересыщенного раствора тиосульфата натрия

Положите в пробирку несколько кристаллов Na2S2O3middot5H2O и очень осто-

рожно нагрейте Закройте пробирку ватой и дайте ей охладиться Охлажден-

ную до комнатной температуры пробирку резко встряхните Нагреванием про-

бирки с солью снова получите прозрачный раствор Охладите и внесите не-

большой кристалл исходного вещества Объясните наблюдаемое

Опыт 2 Определение массовой доли серной кислоты по плотности

раствора

Наиболее простой и быстрый способ ndash с помощью ареометра Его приме-

нение основано на том что плавающее тело погружается в жидкость до тех пор

пока масса вытесненной жидкости не станет равной массе самого тела В рас-

ширенной нижней части ареометра находится груз на верхней узкой части ndash

шейке ndash нанесены деления показывающие плотность жидкости в которой

laquoплаваетraquo ареометр

Исследуемый (концентрированный) раствор серной кислоты налейте (под

тягой) в сухой чистый мерный цилиндр на frac34 его объема В раствор осторож-

но не касаясь стенок цилиндра опустите ареометр Каждый ареометр предна-

значен для измерения плотности в определенных пределах При выборе арео-

метра необходимо ориентировочно знать плотность данного раствора Вы-

яснив цену одного деления шкалы ареометра отметьте его показания (по ниж-

нему мениску раствора) Приподняв ареометр на 1ndash2 см вновь опустите его в

раствор и еще раз определите показания По справочной таблице найдите мас-

совую долю растворенного вещества в растворе Если такая величина в таблице

отсутствует то массовую долю находят методом интерполяции (определение

промежуточного значения по двум крайним) Например экспериментальное

показание ареометра равно 1124 гмл Находим ближайшие к этому табличные

значения плотности массовой доли и их разность

ρ гмл W

1130 1831

1120 1701

0010 130

Таким образом изменению плотности на 0010 гмл соответствует изме-

нение массовой доли на 130 Экспериментальное показание ареометра отли-

чается от меньшей табличной величины на 0004 гмл

ρ гмл W

1124

1120 1701

0004

С учетом того что в указанных пределах между плотностью и массовой

долей раствора зависимость линейная составляем пропорцию

28

0010 гмл -----------------130

0004 гмл ----------------- х х = 052

Найденное число (052 ) прибавляем к меньшей массовой доле

(1701 ) взятой из таблицы и соответствующей плотности 1120 Получаем

W = 1701 + 052 = 1753 что соответствует плотности 1124 гмл Этот спо-

соб определения содержания растворенного вещества в растворе применяют в

том случае если не требуется большой точности Более точный способ ndash опре-

деление с помощью титрования Обычно ареометры калибруются при 20 оС В

таблицах значения плотностей растворов приводятся при этой же температуре

Если не требуется особой точности табличными данными можно пользоваться

и для других температур

Опыт 3 Приготовление 50 мл 4 раствора сульфата меди из кри-

сталлогидрата CuSO4middot5H2O

Рассчитайте сколько граммов CuSO4middot5H2O и какой объем воды нужно

взять для приготовления 50 мл раствора с массовой долей CuSO4 4

Взвесьте вычисленную массу кристаллогидрата и перенесите в стакан емко-

стью 100 мл Отмерьте мерным цилиндром (см рис 3) рассчитанный объем

дистиллированной воды перелейте ее в стакан с навеской пентагидрата суль-

фата меди и перемешайте стеклянной палочкой до полного растворения кри-

сталлов соли Полученный раствор перелейте в мерный цилиндр и измерьте

плотность раствора По таблице найдите и запишите массовую долю CuSO4

отвечающую этому значению плотности (ρтеор (4 раствора CuSO4) =

= 104 гмл) пересчитайте на молярную концентрацию молярную концентра-

цию эквивалента моляльную концентрацию и титр раствора

Таблица 2

Исходные данные и полученные результаты приготовления

раствора сульфата меди

Задан-

ная

массо-

вая доля

W

ρтеор

гмл

Рассчитанные

массы компо-

нентов г ρэксп

гмл

Экспериментальные

значения Отн

ошиб

ка

CuSO4middot5H2O Н2О W

См

мольл

Сэ

мольл

Сm

молькг

Т

гмл

Опыт 4 Приготовление 100 мл раствора серной кислоты с молярной

концентрацией эквивалента 01 мольл из более концентрированного раз-

бавлением водой

Для приготовления растворов заданной молярной или эквивалентной

концентраций используются мерные колбы (рис 6) различного объема (25 50

100 200 250 500 1000 мл и более) Рассчитайте объем концентрированного

раствора серной кислоты массовая доля которого определена в опыте 2 необ-

29

ходимый для приготовления 100 мл рас-

твора серной кислоты с молярной кон-

центрацией эквивалента 01 мольл Кис-

лоту перенесите пипеткой (см рис 5) в

мерную колбу объемом 100 мл предвари-

тельно налив в нее примерно 20 мл ди-

стиллированной воды После этого до-

лейте воду в колбу до метки раствор

перемешайте и охладите до комнатной

Рис 6 Мерные колбы температуры Молярная концентрация

эквивалента полученного раствора должна быть близка к 01 мольл Точную

концентрацию раствора серной кислоты определите титрованием щелочью Для

титрования бюретку с наконечником (рис 7) заполните до нулевой

метки титрованным раствором щелочи

предварительно ополоснув им бюретку В

три конические колбы (рис 8) пипеткой

налейте по 10 мл приготовленной серной

кислоты Добавьте в каждую колбу по 2ndash3

капли фенолфталеина и поочередно титруй-

те раствором щелочи из бюретки Щелочь

приливайте медленно левой рукой правой

размешивая раствор Титрование считается

законченным если от прибавления следу-

ющей капли щелочи появляется малиновое

окрашивание которое не исчезает 30 с Рис 8 Колба коническая

Рис 7 Бюретка

мерная для титрования

Для более четкого определения изменения цвета под колбу для титрова-

ния поместите лист белой бумаги Запишите объем щелочи израсходованной

на титрование 10 мл раствора серной кислоты

Аналогично оттитруйте две другие пробы кислоты Результаты парал-

лельных определений не должны различаться между собой более чем на

005ndash010 мл Возьмите из них среднее и рассчитайте точную концентрацию

приготовленного раствора серной кислоты и его титр

Опыт 5 (дополнительный) Приготовление раствора серной кислоты

смешиванием растворов с более высокой и более низкой массовыми долями

Из концентрированного (опыт 2) и имеющегося (опыт 4) в лаборатории

растворов серной кислоты приготовьте 50 мл раствора с массовой долей серной

кислоты равной 30 Для расчета объемов исходных растворов воспользуй-

тесь laquoправилом крестаraquo

30

W1 m1

W

W2 m2

где W ndash массовая доля серной кислоты приготовляемого раствора W1 и W2 ndash

более высокая и более низкая массовые доли H2SO4 в исходных растворах (для

воды W = 0) m1 и m2 ndash массы исходных растворов с более высокой и более

низкой массовой долей Соотношения для исходных растворов таковы

m1 = W ndash W2 m2 = W1 ndash W Таким образом для получения раствора массой

m = (m1 + m2) c массовой долей W необходимо взять m1 г раствора с массовой

долей W1 и m2 г раствора с массовой долей W2 (или V1 р-ра = 1

1m

ρ V2 р-ра =

2

2m

ρ)

Отмерьте вычисленные объемы растворов слейте их в цилиндр объемом 100

мл перемешайте С помощью ареометра и таблицы установите содержание

растворенного вещества в растворе и расхождение практически полученного

значения с заданным

Вопросы и задачи

1 Что произойдет с насыщенным пересыщенным и ненасыщенным рас-

творами алюмокалиевых квасцов при внесении в каждый из них нескольких

кристаллов KAl(SO4)2middot12Н2О

2 Какой объем раствора в котором массовая доля КОН составляет 12

(ρр-ра = 1109 гмл) надо взять чтобы приготовить 250 мл раствора с молярной

концентрацией 2 мольл

Ответ 178 мл

3 В 1 кг воды растворено 666 г гидроксида калия Рассчитайте массовую

долю растворенного вещества в растворе и его концентрации (молярную мо-

ляльную молярную концентрацию эквивалента молярные доли щелочи и во-

ды титр раствора) если его плотность равна 1395 гмл

Ответ 40 995 мольл 119 молькг 0176 0824 0557 гмл

4 В лаборатории имеются растворы с массовыми долями хлорида калия

20 и 40 Сколько граммов каждого раствора надо взять для получения 500 г

раствора с массовой долей соли 25

Ответ 375 г 125 г

5 Плотность раствора карбоната калия равна 122 гмл Из 1 л этого рас-

твора при действии соляной кислоты получено 445 л СО2 (ну) Вычислите

процентное содержание К2СО3 в растворе и его молярную концентрацию экви-

валента

Ответ 225 397 мольл

31

6 В каких объемах должны быть смешаны 01 н и 60 (ρ = 1498 гмл)

растворы серной кислоты чтобы получить 1 л 1 н раствора Н2SO4

Ответ 493 и 9507 мл

7 К 005 л раствора хлорида марганца (II) (ρ = 1085 гмл W = 8 ) при-

бавлено 02 л раствора гидроксида лития массовая доля LiOH в котором 10

(ρ = 1107 гмл) Какое вещество взято в избытке и в каком количестве оно

останется после реакции

Ответ 27 г

8 Для осаждения сульфата бария из раствора BaCl2 (ρ = 106 гмл

W = 8 ) объемом 100 мл требуется раствор Н2SO4 объемом 139 мл Чему равна

молярная концентрация и моляльная концентрация эквивалента раствора

Н2SO4

Ответ 0294 и 0588 мольл

9 Растворы азотной кислоты и гидроксида натрия объемом 1 л каждый

содержат соответственно 189 г HNO3 и 32 г NaOH Какова молярная концен-

трация этих растворов и в каком объемном соотношении они должны быть

смешаны для получения нейтрального раствора

Ответ 03 и 008 мольл 1 375

10 Какова масса Al(OH)3 если для его растворения потребовалось 02 л

раствора азотной кислоты (ρ = 118 гмл W = 30 ) Какой объем 25 н раство-

ра КОН необходимо затратить для растворения этого количества гидроксида

алюминия

Ответ 292 мл 015 л

Следует уметь

1 Выражать содержание растворенного вещества в растворе различными

способами и осуществлять их взаимный пересчет

2 Готовить растворы смешиванием растворенного вещества и раствори-

теля разбавлением водой концентрированного раствора смешиванием двух

растворов разной концентрации выпариванием растворителя добавлением

растворяемого вещества к раствору

3 Пользоваться ареометром мерной посудой установкой для титрова-

ния методом интерполяции laquoправилом крестаraquo

4 Определять содержание растворенного вещества в растворе по его

плотности и с помощью титрования

Работа 4 Методы очистки веществ

Задания для подготовки к лабораторной работе

1 Ознакомьтесь со следующими элементами техники выполнения лабо-

раторных работ взвешиванием на весах измельчением растворением филь-

32

трованием изготовлением простых и складчатых фильтров фильтрованием го-

рячих растворов и фильтрованием растворов под вакуумом нагреванием на

электроплитке растворов в химической посуде промыванием и высушиванием

осадков методами очистки твердых жидких и газообразных веществ

2 Выполните необходимые расчеты

Теоретическая часть

В лабораторной практике большое значение имеет очистка веществ так

как работа с загрязненными реактивами обусловливает получение неточных ре-

зультатов и неправильных выводов

Известны многочисленные методы очистки веществ фильтрование ди-

стилляция дробная перегонка возгонка зонная плавка метод транспортных

реакций и др В лабораторной практике для очистки твердых веществ чаще ис-

пользуются перекристаллизация и возгонка для очистки жидкостей ndash фильтро-

вание и перегонка газов ndash отделение примесей путем поглощения их различ-

ными химическими веществами

1 Очистка твердых веществ от примесей перекристаллизацией и

возгонкой

Перекристаллизация основана на различной растворимости одного и то-

го же вещества при различных температурах Под растворимостью понимают

содержание вещества в насыщенном растворе при данной температуре Она

выражается обычно в граммах безводного вещества на 100 г растворителя

(табл 3) или любым видом концентрации растворов (см работу 3)

Таблица 3

Растворимость солей г100 г воды

Формула соли Температура

оС

0 20 40 60 80

CuSO4 143 205 287 395 555

K2Cr2O7 46 125 259 455 730

NaNO3 727 876 1049 1247 1490

КNO3 133 316 639 1100 1690

NH4Cl 294 372 458 552 656

Зависимость растворимости от температуры изображается также кривы-

ми растворимости (рис 9) Пользуясь табл 3 и рис 9 можно определить

например что в 100 г воды при 20 и 80 оС растворяется соответственно 316 и

1690 г нитрата калия Очевидно при охлаждении насыщенного при 80 оС рас-

твора нитрата калия до 20 оС должно выпасть 1690 ndash 316 = 1374 г соли Чем

ниже температура до которой охлаждают раствор тем большее количество

кристаллов выпадает в осадок

33

При небольшом изменении растворимости в результате повышения тем-

пературы (например хлорида натрия) раствор сначала упаривают а затем

охлаждают Иногда для кристаллиза-

ции к насыщенному водному раствору

вещества добавляют реагенты пони-

жающие его растворимость в воде

(например спирт ацетон концентри-

рованную соляную кислоту) Это явле-

ние называется laquoвысаливаниемraquo

Вещества применяемые в лабо-

раторной практике содержат как пра-

вило немного растворимых приме-сей

относительно которых раствор нена-

сыщен Поэтому при кристал-лизации

вещества из насыщенного раствора

примеси остаются в маточ-ном раство-

ре Маточным называется раствор

оставшийся после отфиль- тровыва-

ния выпавших кристаллов

Рис 9 Кривые растворимости Для получения более чистых ве-

некоторых солей ществ осуществляют повторную крис-

таллизацию

Возгонка ndash это переход вещества при нагревании из твердого состояния

непосредственно в пар минуя жидкое Этим методом очищают твердые веще-

ства от нелетучих примесей например йод серу нафталин хлорид аммония

салициловую кислоту и др Пары возгоняемого вещества конденсируются в

кристаллы на поверхности охлажденных предметов

2 Очистка жидкостей перегонкой

Перегонка основана на различии состава жидкой и паровой фаз Жидкая

фаза одного состава превращается в пар с последующей конденсацией его сно-

ва в жидкость другого состава Этим методом очищают жидкие смеси от рас-

творенных в них твердых веществ или менее летучих жидкостей

Различают несколько способов перегонки жидкостей под нормальным

давлением уменьшенным давлением и с водяным паром

Перегонкой под нормальным давлением пользуются в тех случаях когда

очищаемые жидкости при нагревании не разлагаются и не имеют слишком вы-

сокую температуру кипения Индивидуальное вещество при постоянном давле-

нии кипит при строго определенной температуре Поэтому температура кипе-

ния является характеристикой чистоты вещества Оно тем чище чем меньше

разница между температурой кипения очищаемого вещества и температурой

при которой оно перегоняется

34

3 Очистка газов

Газы для очистки пропускают через поглотительные сосуды содержащие

твердые или жидкие поглотители вступающие в химические реакции с приме-

сями и не реагирующие с очищаемым газом Этот процесс включает высуши-

вание и удаление специфических примесей образующихся в процессе его по-

лучения Пары воды можно поглощать концентрированной серной кислотой

прокаленным хлоридом кальция оксидом фосфора (V) силикагелем безвод-

ным сульфатом меди пары аммиака и хлороводорода ndash водой

Экспериментальная часть

Опыт 1 Очистка медного купороса перекристаллизацией

Пользуясь табл 4 рассчитайте четырьмя способами сколько граммов

воды и медного купороса следует взять для приготовления насыщенного при 80 оС раствора соли из которого при охлаждении до 20

оС выделилось бы 10 г

пентагидрата или 64 г безводного сульфата меди

Таблица 4

Растворимость

безводного сульфата меди и кристаллогидрата сульфата меди

при 80 и 20 оС

t оС

Масса г Масса раствора

г CuSO4 Н2О CuSO4times5Н2О Н2О

80 555 100 8672 6878 1555

8069 14539 12608 100 22608

20

205 100 3203 8847 1205

1594 7774 2490 6878 9368

2317 11303 362 100 1362

I способ расчет на 10 г CuSO4middot5Н2О

m (CuSO4middot5Н2О) m (Н2О)

80 оC 8672 6878

20 оC 2490 6878

II способ расчет на 10 г CuSO4middot5Н2О

m (CuSO4middot5Н2О) m (Н2О)

80 оC 12608 100

20 оC 3620 100

III способ расчет на 64 г CuSO4

m (CuSO4) m (Н2О)

80 оC 5550 100

20 оC 1594 1774

35

IV способ расчет на 64 г CuSO4

m (CuSO4) m (Н2О)

80 оC 8069 14539

20 оC 2317 11303

Примеры расчета масс веществ

Пример 1 Какие массы дихромата калия и воды необходимо взять для

получения очищенной соли массой 30 г если перекристаллизация будет прово-

диться в температурном интервале 80ndash20 оС

Решение

1) По табл 3 находим что при 80 оС в 100 г воды растворяется 7300 г

дихромата калия а при 20 оС ndash 1250 г

2) Следовательно при охлаждении раствора от 80 до 20 оС выделится

7300 ndash 1250 = 6050 г соли

3) Массу дихромата калия необходимую для получения 30 г очищенной

соли вычисляем следующим образом

для выделения 6050 г соли требуется 7300 г дихромата калия

для 30 г -------------------- х г х = 5060

0073middot30= 3619 г

4) Объем воды в котором должна быть растворена эта навеска рассчиты-

вается так

73 г дихромата калия растворяются в 100 г воды

362 г -------------------------------------- в х г

х = 73

100middot236= 4959 г (4959 мл так как плотность воды принимаем

равной 1 гмл)

Пример 2 Какую массу воды и медного купороса надо взять для приго-

товления насыщенного при 80 оС раствора соли из которого при последующем

охлаждении до 0 оС выделяется пентагидрат сульфата меди (II) массой 20 г

Решение

1) Учитывая растворимости безводного сульфата меди при 80 и 0 оС рас-

считаем какой массе кристаллогидрата соответствует масса безводной соли

555 и 143 г (CuSO4)

М(CuSO4middot5Н2О) = 250 гмоль М(CuSO4) = 160 гмоль

160 г безводной соли содержится в 250 г кристаллогидрата

555 г ----------------------------------- в х г

х = 160

250middot555= 867 г (80

оС)

160 г безводной соли содержится в 250 г кристаллогидрата

143 г ----------------------------------- в у г

у = 160

250middot314= 223 г (0

оС)

36

2) Вычисляем массу воды необходимую для растворения кристаллогид-

рата при соответствующих температурах

80 оС 100 ndash (867 ndash 555) = 688 г

0 оС 100 ndash (223 ndash 143) = 92 г

3) Масса медного купороса растворенная в воде массой 688 г при 0 оС

будет равна

в 92 г воды растворяются 223 г медного купороса

в 688 г ----------------------- х г

х = 688middot223

92= 1668 г

4) Масса кристаллогидрата выделяющегося при охлаждении от 80 до

0 оС равна 867 ndash 167 = 700 г

5) По условию задачи требуется получить медный купорос массой 20 г

Для выделения 70 г кристаллогидрата необходимо растворить его 867 г

для выделения 20 г ----------------------------------------------------------- х г

х = 2477 г

6) Масса воды необходимая для растворения 2477 г кристаллогидрата

для растворения 867 г кристаллогидрата требуется 668 г воды

для 2477 г ---------------------------------------------------- х г

х = 1965 г или 1965 мл (так как ρ OH2= 1 гмл)

Рассчитанную массу медного купороса взвесьте поместив его на часовое

стекло Отмерьте мерным цилиндром (см рис3) необходимый объем дистил-

лированной воды Вылейте воду в стакан из термостойкого стекла и нагрейте

до начала кипения Затем поместите навеску медного купороса в стакан с

нагретой водой и растворите при помешивании стеклянной палочкой Если по-

лученный раствор прозрачный и не содержит механических примесей то охла-

дите его до 20 оС помешивая стеклянной палочкой Если в приготовленном ис-

ходном растворе содержатся нерастворимые примеси то прежде чем охладить

раствор его необходимо отфильтровать через воронку для горячего фильтро-

вания (рис 10) с применением складчатого фильтра (рис 11)

Для нагрева воронки можно использовать

горячую воду из водопроводной сети Воронка имеет боковой отросток под который подстав-

ляют газовую горелку для нагревания находя-

щейся между стенками воды

При фильтровании легко воспламеняю-

щихся жидкостей применяют воронки с элек-

трическим обогревом

Рис 10 Воронка для горячего фильтрования

37

Для изготовления складчатого фильтра нужно взять соответствующий

размеру воронки квадрат из фильтровальной бумаги сложить его пополам и за-

тем еще раз пополам Внешние углы обрезать по дуге сложить laquoгармошкойraquo

При изготовлении простого фильтра приготовить конус как описано вы-

ше отогнуть один листочек и полученный конус вставить в воронку смочить

его дистиллированной водой (рис 12) Необходимо чтобы фильтр плотно при-

легал к стенкам воронки и между ними не было пузырьков воздуха Край филь-

тра должен быть ниже края воронки не менее чем на 05 см (рис 12 г)

Рис 11 Складчатый фильтр Рис 12 Изготовление простого фильтра

а-в ndash стадии изготовления г ndash фильтр помещен в воронку

Стеклянную воронку с развернутым складчатым фильтром поместите в

воронку для горячего фильтрования фильтр смочите ди-

стиллированной водой Жидкость перелейте на фильтр по

стеклянной палочке (рис 13) держать которую нужно в ле-

вой руке профильтруйте и охладите раствор до 20 оС

Выпавшие кристаллы отделите от маточного раствора

с помощью прибора изображенного на рис 14

Он состоит из фарфоровой воронки Бюхнера (1) колбы Бун-

зена (2) водоструйного вакуум-насоса или насоса Камовско-

го На сетчатое дно воронки Бюх-

нера положите два кружка филь-

тровальной бумаги Чтобы выре-

зать эти фильтры на верх воронки

положите два листа фильтроваль-

ной бумаги и плот-но прижмите

ладонью затем ножницами вы-

режьте один по обозначенному

контору другой ndash на 3ndash4 мм Рис 13 Фильтрование

меньше

На дно воронки вначале положите фильтр меньшего

размера затем большего смочите их дистиллирован-

ной водой и прижмите края к стенкам воронки

Вставьте воронку в колбу Бунзена перенесите в нее

кристаллы вместе с маточным раствором подсоеди-

Рис 14 Установка для ните прибор к насосу и включите его После отделе-

фильтрования с примене- ния кристаллов промойте их в 5ndash10 мл холодной дис- нием вакуума

38

тиллированной воды для удаления остатков маточного раствора

При перекристаллизации нужно получить вещество в кристаллах средне-

го размера так как крупные кристаллы обычно содержат включения маточного

раствора с находящимися в нем примесями а очень мелкие будучи свобод-

ными от этих включений образуют густую кашицу между отдельными кри-

сталлами которой прочно удерживается маточный раствор и отмыть его полно-

стью без потери вещества не удается

Снять кристаллы с воронки перевернув ее на лист фильтровальной бу-

маги и осторожно постучав по ее стенкам Сушить кристаллы нужно в сушиль-

ном шкафу или между листами фильтровальной бумаги до тех пор пока они

не перестанут прилипать к сухой стеклянной палочке Взвесьте перекристал-

лизованную соль и рассчитайте ее выход в процентах Раствор очищенной со-

ли и маточный раствор испытайте на присутствие хлорид-ионов (Реакция с

нитратом серебра в пробирку с небольшим количеством раствора добавьте

каплю раствора нитрата серебра и две капли азотной кислоты Выпавший бе-

лый осадок является хлоридом серебра)

Для уменьшения потери вещества при перекристаллизации маточный

раствор можно упарить наполовину и выделить новую порцию вещества по ме-

тодике описанной выше

Опыт 2 Возгонка йода

Взвесьте на часовом стекле 020 г йода 005 г йодида калия и 010 г окси-

да кальция (оксид кальция необходим для поглощения влаги йодид калия ndash для

очистки от примесей кислородных и других соединений йода) Смесь помести-

те на дно низкого тонкостенного стакана без носика и осторожно размешайте

стеклянной палочкой Накройте стакан круглодонной колбой наполненной

холодной водой (рис 15)

Поставьте стакан на кольцо штатива с асбестовой сеткой осторожно

нагрейте его дно пламенем спиртовки и наблюдайте возгонку йода По окон-

чании процесса прекратите нагревание и дайте стакану охладиться не снимая с

него колбы Затем поднимите колбу и осторожно снимите стеклянной палочкой

йод на предварительно взвешенное часовое стекло (кристаллы йода не сни-

мать металлическим шпателем так как йод взаимодействует с большинством

металлов) Определите массу йода и рассчитайте его выход в процентах

39

а б

Рис 15 Возгонка йода а ndash начало процесса б ndash конец процесса

Опыт 3 Очистка водопроводной воды перегонкой

Для очистки водопроводной воды соберите прибор для перегонки пред-

ставленный на рис 16 Он состоит из колбы Вюрца (1) в которую вставлен

термометр холодильника Либиха (2) аллонжа (3) колбы-приемника (4) с

хлоркальциевой трубкой Проверьте водопроводную воду на содержание в ней

ионов хлора (с использованием раствора нитрата серебра) ионов кальция и

магния

Для доказательства

наличия ионов кальция и

магния в пробирку налейте

5ndash6 мл водопроводной во-

ды добавьте 1 мл амми-

ачной буферной смеси и 3ndash

4 капли индикатора эри-

хрома черного Т Винно-

красная окраска жидкости

свидетельствует о наличии в

воде ионов кальция и маг-

ния фиолетовая ndash указы-

Рис16 Установка для перегонки воды вает на их отсутствие

Далее колбу Вюрца на 13 объема наполните водопроводной водой поместите

в нее для равномерного кипения жидкости несколько стеклянных капилляров

запаянных с одного конца Закройте отверстие колбы Вюрца пробкой с термо-

40

метром (ртутный шарик термометра должен быть немного ниже уровня отвод-

ной трубки колбы) Заполните холодильник водой (ток воды подается снизу

вверх) Приемник закройте пробкой снабженной аллонжем и хлоркальциевой

трубкой с натронной известью для поглощения углекислого газа из воздуха

Нагрейте на электроплитке воду до кипения предварительно положив под дно

колбы асбестовую сетку Отметьте при какой температуре закипит жидкость

Когда в приемнике соберется приблизительно 10 мл воды нагревание

прекратите Проверьте содержит ли дистиллированная вода ионы которые бы-

ли в водопроводной

Опыт 4 Очистка углекислого газа

Соберите прибор для получения и очистки оксида углерода (IV) (см

рис 1) Он состоит из аппарата Киппа и двух промывных склянок Тищенко В

одной из них находится дистиллированная вода (или раствор гидрокарбоната

натрия) в другой ndash концентрированная серная кислота

Получите углекислый газ в аппарате Киппа Для этого загрузите мрамор в

его средний шар и налейте через воронку такое количество 20 раствора соля-

ной кислоты чтобы он закрыл часть мрамора

Пропустите в течение 2 мин слабый ток оксида углерода (IV) через про-

мывные склянки Убедитесь с помощью обезвоженного сульфата меди содер-

жащегося в хлоркальциевой трубке что углекислый газ сухой Исследуйте

жидкость в склянке с дистиллированной водой на содержание в ней хлорид-

ионов Сделайте выводы

Вопросы и задачи

1 На чем основан процесс перекристаллизации

2 Как перекристаллизовать вещества растворимость которых изменяется

от температуры незначительно

3 Какой раствор называется маточным

4 Где остаются примеси после перекристаллизации и почему

5 От каких факторов зависит величина кристаллов Какие кристаллы со-

держат меньше примесей мелкие или крупные

6 От каких примесей освобождаются при очистке твердых веществ воз-

гонкой На чем основан этот метод

7 С какой целью при возгонке к йоду добавляют йодид калия и оксид

кальция

8 На каких физических процессах основана перегонка

41

9 Какой принцип лежит в основе работы холодильника

10 С какой целью при перегонке в колбу Вюрца добавляют так называе-

мые laquoкипелкиraquo (стеклянные трубки пористые материалы и т д)

11 От каких примесей очищается водопроводная вода при перегонке

12 Какие примеси присутствуют в диоксиде углерода полученном в ап-

парате Киппа и как их устранить

13 В насыщенном при 60 оС растворе сульфата калия его массовая доля

равна 154 Выразите растворимость в граммах на 100 г воды

Ответ 1829 г

14 Какая масса хлорида аммония выпадает в осадок при охлаждении до

0 оС насыщенного при 80

оС раствора массой 800 г

Ответ 17488 г

15 Какую массу воды и дихромата калия нужно взять для получения соли

массой 30 г если насыщение осуществлять при 60 а кристаллизацию ndash при

20 оС

Ответ 9090 г 4136 г

16 Какую массу нитрата натрия можно получить из раствора приготов-

ленного путем насыщения при 60 оС 25 мл воды и охлаждении до 0

оС (раство-

римость веществ приведена в табл 3)

Ответ 13 г

Следует уметь

1 Рассчитывать массы растворенного вещества и растворителя необхо-

димые для получения заданной массы очищенной соли

2 Взвешивать на весах отмерять жидкость цилиндром нагревать хими-

ческую посуду на электроплитке

3 Изготавливать простые и складчатые фильтры фильтровать при обыч-

ном давлении и под вакуумом

4 Рассчитывать практический выход продуктов

5 Правильно называть приборы и химическую посуду

6 Пользоваться аппаратом Киппа холодильником Либиха воронкой го-

рячего фильтрования

7 Проверять воду на чистоту

42

Работа 5 Определение изменения энтальпий физико-химических

процессов

Задания для подготовки к лабораторной работе

1 Повторите основные понятия изменение энтальпии реакции ∆rН изме-

нение энтальпии образования вещества ∆fН тепловой эффект реакции Qр-ции

тепловой эффект образования вещества Qобр закон Гесса и следствия из него

2 Ознакомьтесь с устройством калориметрической установки и зарисуйте

ее схему (рис 17)

Теоретическая часть

Большинство химических реакций сопровождается переходом химиче-

ской энергии в тепловую экзотермические реакции осуществляются с выделе-

нием тепла эндотермические ndash с поглощением

Количество тепла выделяющегося или поглощающегося при химической

реакции называется тепловым эффектом реакции который обозначается Qр-ции

или Qr где индекс laquorraquo ndash первая буква английского слова reaction

Тепловой эффект химической реакции при постоянном давлении Qр (ин-

декс laquoрraquo указывает постоянное давление) численно равен изменению энтальпии

∆rН взятой с противоположным знаком Qp = minus∆rН Тепловой эффект и измене-

ние энтальпии химической реакции измеряются в килоджоулях (кДж) или в ки-

локалориях (ккал) Уравнения химических реакций в которых указываются

тепловые эффекты или изменения энтальпии называются термохимическими

Энергетические эффекты различных процессов определяют эксперимен-

тально а термохимические расчеты проводят на базе основного закона термо-

химии ndash закона Гесса тепловой эффект изменение энтальпии изменение внут-

ренней энергии химической реакции зависят от природы и состояния исходных

веществ и конечных продуктов но не зависят от числа и характера промежу-

точных стадий процесса Этот закон лежит в основе расчета Q ∆Н ∆U различ-

ных процессов minus образования разложения сгорания растворения гидратации

нейтрализации и др

Если в ходе процесса при постоянном давлении системой совершается

работа расширения то Qp = ∆U + Р middot ∆V РV = nRT Р middot ∆V = ∆n middot RT

∆Н = ∆U + ∆n middot RT ∆U = ∆Н minus ∆n middot RT где ∆n ndash изменение числа молей газооб-

разных продуктов реакции и исходных веществ (∆n = продn minus исх

n )

Тепловой эффект (изменение энтальпии) растворения ndash теплота растворе-

ния (энтальпия растворения) данного вещества в данном растворителе опреде-

ляется количеством теплоты (изменением энтальпии) которое выделяется или

поглощается при растворении одного моля вещества в таком количестве рас-

творителя что дальнейшее прибавление последнего уже не вызывает дополни-

тельного теплового эффекта (изменения энтальпии)

Пример 1 Растворение Na2SO4 сопровождается выделением теплоты

(29 кДжмоль) а при растворении кристаллогидрата Na2SO4middot10Н2О происходит

43

поглощение теплоты (787 кДжмоль) Вычислите изменение энтальпии гидра-

тации

Решение

1 Термохимическое уравнение растворения Na2SO4

Na2SO4 (к) + aq rarr Na2SO4middotaq ∆Н1 (растворения безводной соли) = minus29 кДж

2 Процесс гидратации безводной соли

Na2SO4 (к) + 10Н2О(ж) rarr (Na2SO4 middot10Н2О)(к) ∆Н2 (гидратации) minus

3 Термохимическое уравнение растворения кристаллогидрата

Na2SO4middot10Н2О + aq rarr Na2SO4middot aq ∆Н3 (растворения кристаллогидрата) =

= 787 кДж

В соответствии с законом Гесса процесс растворения безводной соли (1)

складывается из процесса гидратации (2) и процесса растворения кристалло-

гидрата (3) те ∆Н1 = ∆Н2 + ∆Н3

Тогда ∆Н2 (гидратации) = ∆Н1 (растворения безводной соли) minus ∆Н3 (рас-

творения кристаллогидрата) = minus29 кДж minus 787 кДж = minus816 кДж

1-е следствие из закона Гесса изменение энтальпии реакции равно

сумме изменения энтальпий образования продуктов реакции за вычетом

суммы изменения энтальпий образования исходных веществ с учетом сте-

хиометрических коэффициентов

Пусть аА + бБ = сС + дД а б с д ndash стехиометрические коэффициенты

Тогда ∆rН = с middot ∆fНС + д middot ∆fНD minus а middot ∆fНА minus б middot ∆fНВ

Пример 2 Вычислите ∆Н 0

298 растворения NaOH в воде при образовании

раствора с концентрацией См = 1 мольл

Решение

Процесс растворения NaOH схематически выражается уравнением

NaOH(к) + aq rarr Na (р)

+ OH р

∆fН0

298 кДжмоль minus4268 minus2397 minus2284

∆rН0

298 = minus2397 minus 2284 + 4268 = minus413 кДж

Опыт подтверждает что растворение твердого NaOH сопровождается

разогреванием раствора

2-е следствие из закона Гесса изменение энтальпии реакции равно

сумме изменения энтальпий сгорания исходных веществ за вычетом суммы

изменения энтальпий сгорания продуктов реакции (с учетом стехиомет-

рических коэффициентов)

Пример 3 Вычислите ∆Н 0

298 реакции которая выражается уравнением

СН3СООН(ж) + С2Н5ОН(ж) = СН3СООС2Н5(ж) + Н2О(ж) ∆rН0

1 minus

Изменение энтальпии этого процесса можно рассчитать алгебраически

суммируя энтальпии сгорания

СН3СООН(ж) + 2О2(г) = 2СО2(г) + 2Н2О(ж) ∆rН0

2 = minus8711 кДж

2С2Н5ОН(ж) + 3О2(г) = 2СО2(г) + 3Н2О(ж) ∆rН0

3 = minus1367 кДж

СН3СООС2Н5(ж) + 5О2(г) = 4СО2(г) + 4Н2О(ж) ∆rН0

4 = minus2284 кДж

44

∆rН0

1 = ∆rН0

2 + ∆rН0

3 minus ∆rН

0

4 = minus8711 minus1367 + 22840 = minus46 кДж

Различают изменение энтальпий фазовых и химических превращений К

фазовым относят сублимацию испарение плавление полиморфные превраще-

ния переход из аморфного состояния в кристаллическое Разновидностью хи-

мических реакций служат процессы электролитической диссоциации и химиче-

ские превращения в водных растворах электролитов

Большое значение для развития химии имеет определение изменения эн-

тальпии нейтрализации кислоты щелочью ∆Ннейтр одного моля сильной кисло-

ты одним молем сильного основания ndash величина постоянная Этот факт объяс-

няет теория электролитической диссоциации Аррениуса согласно которой лю-

бая реакция нейтрализации сводится к следующему процессу

Н р-р

+ ОН р-р

= Н2О(ж)

∆fН0

298кДжмоль 0 minus23019 minus28583 Изменение энтальпии этой реакции

∆Н 0

298 нейтр = minus28583 + 23019 = minus556 кДж

∆Ннейтр слабых кислот слабыми основаниями ndash величина переменная за-

висящая от их констант диссоциации и соответственно от концентрации ионов

водорода Н р-р

и гидроксид-ионов ОН р-р

в растворе и имеет значение мень-

шее чем 556 кДжмоль

Экспериментальная часть

Опыт 1 Определение изменения энтальпии нейтрализации сильного

основания сильной кислотой

Для проведения опыта используйте калориметрическую установку

(рис 17) Она состоит из калориметрического стакана (1) вставленного в дру-

гой стакан (2) который играет роль теплоизо-

лирующей муфты подставки (3) крышки (4)

термометра (5) мешалки (6) пипетки (7) шта-

тива (8)

Взвесьте калориметрический стакан и

влейте в него из пипетки (бюретки) 25 мл рас-

твора NaOH или КОН с концентрацией Сэ

= 1 мольл и отметьте температуру с точностью

до 01 оС В другой стакан налейте из бюретки

25 мл НСl или HNO3 такой же концентрации и

измерьте с той же точностью температуру рас-

твора кислоты Затем быстро но аккуратно

влейте раствор кислоты в калори-

Рис 17 Калориметрическая метрический стакан Перемешивая мешалкой

установка содержимое сосуда отметьте максимальную

температуру смеси

Полученные данные используйте для расчетов Расчет проводите по сле-

дующей схеме

45

1 Вычислите изменение энтальпии реакции

NaOH (КОН) + НСl (HNO3) = Н2О + NaCl (KCl)

∆rН0 = (mж middot Cж + mст middot Cст) middot ∆t ∆t = tкон minus tнач где tкон tнач ndash конечная и

начальная температуры (оС) растворов в калориметрическом сосуде mст mж ndash

масса стеклянного калориметрического сосуда и находящейся в нем жидкости

Cст Cж ndash удельные теплоемкости стекла и жидкости Начальная температура ndash

это среднеарифметическая температура щелочи и кислоты конечная ndash наивыс-

шая температура после сливания растворов плотность раствора принять равной

1 гмл его удельную теплоемкость ndash равной теплоемкости воды

(4184 ДжгmiddotК) а удельную теплоемкость стекла ndash 0753 ДжгmiddotК Массу стакана

(mст) определяют в зависимости от того какая часть его объема заполняется

раствором (если наполовину то стm

2)

2 Составьте ионно-молекулярное уравнение реакции нейтрализации и

рассчитайте изменение энтальпии нейтрализации одного моля эквивалента

кислоты по результатам проведенного опыта

3 Определите относительную ошибку опыта (в процентах)

Опыт 2 Определение изменения энтальпии нейтрализации слабого

основания слабой кислотой

Проведите опыт аналогично первому взяв растворы аммиака и уксусной

кислоты с концентрацией Сэ = 1 мольл Вычислите изменение энтальпии

нейтрализации в расчете на 1 моль эквивалентов уксусной кислоты Сравните

результаты с данными предыдущего опыта

Опыт 3 Определение изменения энтальпии растворения безводного

сульфата меди (II)

Опыт проведите в калориметрической установке (см рис 17) В предва-

рительно взвешенный калориметрический стакан налейте 30 мл дистиллиро-

ванной воды определите ее температуру с точностью до 01 оС Взвесьте 1 г

безводного сульфата меди (II) с точностью до 001 г Быстро и аккуратно

всыпьте соль в калориметрический сосуд Размешивая его содержимое мешал-

кой отметьте максимальную температуру Зная разность температур общую

массу раствора и приняв удельную теплоемкость раствора равной удельной

теплоемкости воды рассчитайте изменение энтальпии данного процесса на

1 моль безводной соли

I 1 CuSO4 (к) + aq rarr CuSO4 middot aq ∆Н 0

р-ния б сminus

Имея в виду что гидратация безводной соли и растворение кристалло-

гидрата выражаются следующими термохимическими уравнениями

1 CuSO4(к) + 5H2O(ж) = CuSO4middot5H2O(к) ∆Н 0

1 = minus778 кДж ndash изменение

II энтальпии при гидратации

2 CuSO4middot5H2O(к) + aq = CuSO4 middot aq ∆Н 0

2 = 117 кДж ndash изменение энталь-

пии растворения кристаллогидрата рассчитайте ∆Н 0

р-ния б с CuSO4 на основе за-

46

кона Гесса ∆Н(р-ния б с) = ∆Н(гидрат) + ∆Н(р-ния кристаллогидрата) Сравните теоретиче-

ские и экспериментально рассчитанные значения изменения энтальпии и опре-

делите относительную погрешность опыта (в процентах)

Опыт 4 Определение изменения энтальпии гидратации карбоната

натрия

Опыт проведите по методике описанной в опыте 3 Взятая навеска кар-

боната должна составлять примерно 07 г Опыт и расчеты повторите для кри-

сталлогидрата Na2CO3middot10Н2О (навеска ndash 15 г на 30 мл воды) По найденным

изменениям энтальпий растворения Na2CO3 и Na2CO3middot10Н2О вычислите изме-

нение энтальпии гидратации карбоната натрия и сравните с литературными

данными

(∆Н 0

р-ния б с= minus251 кДжмоль ∆Н

0

гидрат = minus920 кДжмоль

∆Н 0

р-ния кристаллогидрата = 669 кДжмоль)

Вопросы и задачи

1 Почему химические и фазовые превращения сопровождаются выделе-

нием или поглощением энергии Почему в одних случаях энергия выделяется а

в других поглощается

2 Рассчитайте среднюю энергию связи в молекулах СН4 и SiH4 если из-

вестны изменения энтальпий образования Н (г) С (г) Si (г) и СН4 (г) SiH4 (г)

Объясните различия средней энергии связи С ndash Н Si ndash Н

Ответ 415325 кДжмоль

3 Вычислите среднюю энергию связи Н ndash О в молекуле воды если из-

вестно изменение энтальпии образования Н2О (г) Н (г) и О (г)

Ответ 462 кДжмоль

4 Вычислите изменение энтальпии реакции нейтрализации растворов

КОН и НСl CsOH и H2SO4 NaOH и HNO3 в случае очень разбавленных рас-

творов в расчете на 1 моль Н2О в стандартных условиях Почему изменение эн-

тальпий этих реакций одинаковы Почему значения изменения энтальпий

нейтрализации разных слабых оснований и кислот различны

Ответ minus556 кДжмоль

5 При растворении 10 г СаСl2 в 200 мл воды температура раствора повы-

силась на 77 К Вычислите изменение энтальпии гидратации СаСl2 если изме-

нение энтальпии растворения СаСl2middot6Н2О равна 1908 кДжмоль Удельную

теплоемкость раствора примите равной удельной теплоемкости воды

(4184 ДжгmiddotК) Ответ minus9423 кДжмоль

6 При растворении 8 г хлорида аммония в 20 г воды температура понизи-

лась на 2 оС Вычислите ∆Н растворения NH4Cl в воде принимая удельную

теплоемкость полученного раствора равной 41870 Дж(г middot К)

Ответ minus163 кДжмоль

47

7 Рассчитайте ∆rН растворения алюминия в разбавленной соляной кисло-

те если стандартные изменения энтальпий образования реагирующих веществ

равны ∆fНHCl (p-p) = minus1675 кДжмоль ∆fН 3 р-р

AlCl = minus6723 кДжмоль

Ответ minus3396 кДж

8 При растворении 5206 г BaCl2 в 400 моль Н2О выделяется 216 кДж

теплоты Вычислите ∆Н гидратации безводного BaCl2

Ответ 2713 кДжмоль

9 При растворении 16 г СаС2 в воде выделяется 313 кДж теплоты Опре-

делите изменение стандартной энтальпии образования Са(ОН)2

Ответ minus98633 кДжмоль

10 Вычислите изменение энтальпии при сгорании 20 л диборана (ну)

если ∆fН (В2О3 (к)) = minus1264 кДжмоль ∆fН (В2Н6 (г)) = 314 кДжмоль Целе-

сообразно ли использовать в качестве топлива диборан вместо этана если

стандартное изменение энтальпии сгорания этана равно minus155988 кДжмоль

Ответ minus19220 кДж

Следует уметь

1 Используя калориметрический метод рассчитывать энтальпию различ-

ных физико-химических процессов

2 Вычислять энтальпию реакции по энтальпиям образования исходных

веществ и конечных продуктов пользуясь законом Гесса и его следствиями

3 Учитывать влияние прочности химических связей в продуктах реакции

и исходных веществах на энтальпию реакции

48

Библиографический список

1 Еремин В В Основы общей и физической химии В В Еремин

А Я Борщевский ndash М Интеллект 2012 ndash 800 c

2 Неорганическая химия в 3 т под ред Ю Д Третьякова ndash М Ака-

демия 2011 minus 2012 ndash Т 1 ndash 240 с Т 2 ndash 368 с Т 3 (1) ndash 352 с Т 3 (2) ndash 400 с

3 Павлов Н Н Общая и неорганическая химия Н Н Павлов ndash М Лань

2011 ndash 496 с

4 Росин И В Общая и неорганическая химия Современный курс И

В Росин Л Д Томина ndash М Юрайт 2012 ndash 1338 с

5 Шрайвер Д Неорганическая химия в 2-х т Д Шрайвер П Эткинс ndash

М Мир 2013 Т 1 ndash 679 с Т 2 ndash 486 с

Содержание

Правила работы в химической лабораторииhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip3

Работа 1 Определение молярных масс газообразных веществhelliphelliphelliphellip4

Работа 2 Определение молярных масс эквивалентовhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip12

Работа 3 Приготовление растворовhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip24

Работа 4 Методы очистки веществhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip32

Работа 5 Определение изменения энтальпий

физико-химических процессовhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip42

Библиографический списокhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip48

Page 6: МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ К ЛАБОРАТОРНОМУ ...phys-chem.mrsu.ru/wp-content/uploads/2017/11/...МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ К ЛАБОРАТОРНОМУ

6

2 моль ионов РО 3

4

(2 middot NА ионов)

3 моль атомов Са (3 middot NА атомов)

2 моль атомов Р (2 middot NА атомов)

8 моль атомов О (8 middot NА атомов)

1 моль S8 NА молекул S8 (8 middot NА атомов S)

Количество молей вещества обозначается ν и рассчитывается по формуле

ν = m

M =

A

N

N где m ndash масса ν молей вещества M ndash его молярная масса Если

ν = 1 моль то m = M Масса 1 моля вещества равна его молярной массе

(в гмоль)

Пример

1 моль Са3(РО4)2 весит столько чему равна его молярная масса

М[Са3(РО4)2] = 3 middot М (Са) + 2 middot М (Р) + 8 middot М (О) = 3 middot 40078 + 2 middot 30974 + 8 middot

middot 15999 = 310174 гмоль

Масса 1 моля Са3(РО4)2 или 6022middot1023

молекул Са3(РО4)2 равна 310174 г

Атомная единица массы (аем) (другое название ndash углеродная единица

(уе)) Она равна 112 части массы атома легкого изотопа углерода с массовым

числом 12 Атомная единица массы ndash величина постоянная равная

16605402middot10minus24

г

1 аем = 1

12mат (

12

6С) =

261992 10 кг

12

asymp 0166middot10

minus26 кг

Единицы измерения аем ndash граммы килограммы и т д

Масса атомов и молекул mат mмол-лы выражается очень малыми величи-

нами порядка 10minus26

кг

Пример

m (Н) = 0167middot10minus26

кг = 10079 middot аем

m ( 12011

6С) = 1994middot10

minus26 кг = 12011 middot аем

m (СО2) = 7305middot10minus26

кг = 12011 middot аем + 2 middot 15999 middot аем

Единицы измерения масс атомов и молекул кг г аем и т д

mат =

ат

A

М

N= Аr middot аем mмол-лы =

мол-лы

A

М

N= Мr middot аем

mлюбого числа частиц m (N) = A

МN

N = M middot ν

Пример

mат (12

6С) =

23 1

12 гмоль

6022 10 моль = 1992middot10

minus26 кг

mат (12011

6С) = 23 1

12011гмоль

6022 10 моль = 1994middot10

minus26 кг

Относительная атомная масса (Аr) показывает во сколько раз сред-

няя масса атома естественного изотопического состава элемента больше

1 а е м Значения Аr приводятся в периодической системе элементов

7

Д И Менделеева Аr можно рассчитать по формуле Аr = ат эл-таm (кг г)

аем (кг г) Аr minus ве-

личина безразмерная Подстрочная буква laquorraquo minus первая буква английского слова

relative или латинского relativus ndash относительный сравнительный масса атома

сравнивается с 1 аем

Пример

Аr (О) = 159994 Это означает что масса атома кислорода больше аем

в 159994 раз Аr (Н) = 10079 ndash масса атома водорода больше 1 аем в

10079 раз Аr (С) = 12011 ndash масса атома углерода в 12011 раз больше 1 аем

Относительная молекулярная масса (Мr) простого или сложного веще-

ства ndash безразмерная величина равна отношению средней массы естественного

изотопического состава вещества к 1 аем Мr =

мол-лыm кг г

аем кг г Значения Мr рас-

считывают из величин Аr элементов образующих соединения с учетом коли-

чества атомов каждого из них Если химическая формула вещества АхВуСz то

Мr = х middot Аr (А) + y middot Аr (В) + z middot Аr (С)

Пример Мr (N2O5) = 2 middot Аr (N) + 5 middot Аr (О) = 2 middot 14007 + 5 middot 15999 = 108009 те

масса молекулы N2O5 в 108009 раз больше 1 аем

Молярная масса вещества (М) ndash это масса 1 моля вещества Единицы

измерения гмоль кгмоль гкмоль кгкмоль и т д М = m

где m ndash масса ν

молей вещества Молярная масса выраженная в гмоль или кгкмоль численно

равна относительной молекулярной (Мr) а для простых веществ состоящих из

одного атома ndash относительной атомной (Аr) массе Для вещества имеющего

формулу АхВуСz М = х middot М (А) + y middot М (В) + z middot М (С) (гмоль)

Пример

Аr (Cs) = 132905 М (Cs) = 132905 гмоль

Мr(SO2) = Аr (S) + 2 middot Аr (O) = 32064 + 159994 middot 2 = 64063

М(SO2) = 64063 гмоль

1 моль атомов цезия или 6022middot1023

атомов цезия весят 132905 г 1 моль

молекул SO2 или 6022middot1023

молекул SO2 весят 64063 г

Молярный объем газа (Vm) ndash объем занимаемый 1 молем газа Единица

измерения Vm ndash лмоль м3моль млмоль лкмоль и др

1 моль любого газа при одинаковых условиях (Р Т) занимает одинаковый

объем (V) (закон Авогадро) Молярный объем газа при нормальных условиях

(ну 0 оС или 273 К 760 мм рт ст или 101 325 Па)

V 0

m = 224 лмоль = 224middot10minus3

м3моль

Таким образом 1 моль любого газа при ну занимает объем равный

224 л

Vm и V 0

m рассчитываются по формулам

Vm =

V V 0

m =

0V где ν ndash количество вещества (моль) V и V0 minus объемы

газов (мл л м3) соответственно при любых условиях (V) и при ну (V0)

8

Молярный объем газа равен отношению объема (V) к количеству веще-

ства (ν)

Масса 1 л любого газа m = 0

m

М(гмоль)middot1(л)

V (л моль)

Количество вещества (ν) ν = m

М =

mV

V=

0

m

0

V

V

Молярная масса вещества М (гмоль) = m (г) middot 0

m

0

V (л моль)

V (л)

Относительная плотность одного газа (х) по другому газу (В) обозна-

чается Dв ndash величина безразмерная показывающая во сколько раз масса газа х

(mх) больше массы газа В (mв) такого же объема измеренных при одинаковых

условиях (Р Т)

Dв = в

m

mx

Если mх и mв взяты для веществ в количестве 1 моль то Dв = в

M

Mx

Dв показывает во сколько раз 1 моль газа х тяжелее 1 моля газа В

Для расчета Dв можно использовать и абсолютные плотности газов (ρ) В

этом случае Dв = в

ρ

ρx

Таким образом Dв = в

m

mx

= в

M

Mx

= в

ρ

ρx

Мх = Dв middot Мв

Абсолютная плотность вещества (ρ) в любом агрегатном состоянии ndash

это масса единицы его объема

ρ = m

V (кгм

3 гл гмл)

Пример

а) Относительная плотность СО2 по Н2

D2Н =

2

2

H

CO

m

m =

2

2

H

CO

M

M где m

2CO и m2H ndash массы СО2 и Н2 при одинаковых V

Р Т М2CO и М

2H ndash молярные массы СО2 и Н2 те массы СО2 и Н2 объемом

224 л при ну М2CO = D

2Н middot M2H

б) Относительная плотность СО2 по воздуху

Dвозд= возд

CO

m

m2 =

возд

CO

M

M2 М

2CO = Dвозд middot Мвозд

Уравнение Клапейрона ndash Менделеева

PV = νRT = M

mRT P V T ndash условия при которых проводится опыт ν

ndash количество вещества R ndash универсальная газовая постоянная которая рассчи-

тывается по формуле R = 0 0

0

P V

νТ ν = 1 моль

а) R = 3 3101325 Паmiddot (224middot10 ) м

1мольmiddot273 К

= 8314 Дж

моль middotК

9

Па = 2

кг

мmiddotс Дж =

2

2

кг middotм

с= Па middot м

3

б) R = 760 мм рт стmiddot224л

1мольmiddot273 К= 624

мм ртстmiddotл

моль middotК

R = 62 400 мм ртст middotмл

моль middot К

в) R = -3 3 5 222415 10 м 101330 10 Нм

1 моль 273 К

= 8314

Дж

моль К

Из уравнения Клапейрона ndash Менделеева

Мх = mRT

P V где Мх ndash молярная масса определяемого газа m ndash его масса

P V T ndash давление объем температура соответствующие условиям опыта Для

углекислого газа М2CO = 2COm RT

P V

Экспериментальная часть

Опыт 1 Определение молярной массы оксида углерода (IV)

Целью лабораторной работы является знакомство с методами определе-

ния молярной массы газа на примере оксида углерода (IV) приобретение навы-

ков взвешивания и расчетов по газовым законам

1 Собрать прибор как показано на рис 1

2 Записать уравнение реакции получения СО2

3 Сухую колбу с воздухом плотно закрыть пробкой и восковым каран-

дашом сделать отметку по глубине вхождения пробки в горло колбы

1 ndash шарообразная воронка

2 3 ndash соединенные между собой

резервуары

4 5 ndash тубусы 6 ndash кран

7 ndash перетяжка

8 9 ndash промывные склянки

10 ndash приемник СО2

Рис 1 Установка для получения и очистки диоксида углерода состоящая из аппарата

Киппа промывных склянок и приемника СО2

4 Взвесить колбу с пробкой и воздухом на весах

(рис 2) записать в журнале m1 (г) ndash масса колбы с проб-

кой и воздухом

5 Наполнить колбу оксидом углерода (IV) из аппа-

рата Киппа опустив конец газоотводной трубки до дна

колбы Скорость пропускания газа отрегулировать так

чтобы его пузырьки можно было считать при прохожде-

Рис 2 Весы лабораторные нии их через склянки с водой (или раствором

компактные NaHCO3) и концентрированной серной кислотой

10

6 Полноту наполнения колбы углекислым газом проверить с помощью

горящей лучины Держа колбу в вертикальном положении вставить в нее

пробку Закрыть кран аппарата Киппа

7 Взвесить колбу с диоксидом углерода запи-

сать результат взвешивания m2 (г) ndash масса колбы с

пробкой и СО2

8 Провести контрольный опыт колбу повторно

наполнить углекислым газом из аппарата Киппа за-

крыть ее и снова взвесить Разница между взвешивани-

ями не должна быть больше 002 г в противном случае

опыт повторить

9 Записать значения температуры и давления

во время проведения эксперимента

10 Для измерения объема (V) колбы и соответ-

ственно объема газов заполняющих ее наполнить

колбу до метки водой комнатной температуры

11 Измерить объем воды перелив ее из кол-

бы в мерный цилиндр (рис 3) и результат изме-

рения (V мл) при условиях проведения эксперимента Рис 3 Мерные цилиндры

записать в журнал

12 Привести объем (V) газа к ну (V0) используя объединенный газовый

закон

T

PV=

0

00

T

VP V0 = 0

0

P VT

T P

13 Зная V0 рассчитать массу воздуха в объеме колбы (m3)

m3 = возд 0

0

m

M V

V=

029 гмоль V л

224 л моль (по закону Авогадро)

14 Рассчитать массу пустой колбы (без воздуха) m4 = m1 ndash m3 (из массы

колбы с воздухом вычесть массу воздуха)

15 Рассчитать массу СО2 в объеме колбы (m5)

m5 = m2 ndash m4 (из массы колбы с СО2 вычесть массу пустой колбы)

16 Рассчитать М2CO (эксп) по методу Авогадро

М2CO (эксп) =

0

5 m

0

m V

V где V0 рассчитывается по п12

17 Рассчитать Dвозд = 3

5

m

m М

2CO (эксп) = Мвозд middot Dвозд (метод расчета

М2CO используя его относительную плотность по воздуху)

18 Если колбу заполнить водородом то его масса в объеме колбы (m6)

будет равной

m6 = 2H 0

0

m

M V

V =

02 гмоль middotV л

224 л моль

19 Рассчитать D2Н D

2Н = 6

5

m

m М

2CO (эксп) = М2Н middot D

11

20 Рассчитать М2CO (эксп) по уравнению Клапейрона ndash Менделеева

М2CO (эксп) = 5m R T

PV где Р V Т ndash условия проведения эксперимента

21 Рассчитать М2CO (теор) = М(С) + М(О) middot 2

22 Рассчитать относительную ошибку опыта по формуле

К = теор

эксптеор

М

ММ middot 100 Ошибка не должна превышать 2

Вопросы и задачи

1 Определите что тяжелее (при одинаковых условиях)

ndash сухой углекислый газ или равный объем газа содержащий водяные па-

ры

ndash метан сухой или метан содержащий водяные пары

2 Смесь озона с кислородом имеет плотность по водороду равную 18

Определите процентный состав смеси (по объему)

Ответ 25 О3 75 О2

3 Вычислите молярную массу газа всеми возможными методами если

062middot10minus3

м3 при 294 К и 101 325 Па имеют массу 124middot10

minus3 кг Сколько молекул

содержится в данном объеме

Ответ 48 гмоль 156middot1022

молекул

4 Зная молярную массу кислорода и азота а также учитывая что в воз-

духе содержится 24 мас кислорода и 76 мас азота определите среднюю

молярную массу воздуха

Ответ 29 гмоль

5 Плотность жидкого хлора равна 15 гмл Сколько литров газообразно-

го хлора получится из 80 мл жидкого хлора

Ответ 379 л

6 Определите в каком объеме аргона при 20 оС и давлении 1 333 Па со-

держится 5middot1016

молекул

7 Найдите относительную плотность по воздуху газовой смеси состоя-

щей из азота кислорода и оксида углерода (IV) объемные доли которых равны

соответственно 60 20 и 20

8 При прокаливании 1 кг СаСО3 получены 056 кг СаO и 0224 м3 СО2

(ну) Подтверждают ли эти данные закон сохранения массы веществ

9 Смешаны водород кислород и оксид углерода (IV) массой по 1 кг каж-

дый Найдите объемные и молярные доли этих газов в полученной смеси

12

10 Вычислите а) объем 20 т (ну) аммиака б) массу 10 мл паров толуола

С7Н8 в) массу молекулы оксида углерода (II)

Следует уметь

1 Пользоваться аппаратом Киппа

2 Взвешивать на электронных весах

3 Заполнять сосуды газами различной плотности

4 Экспериментально определять массу и объем газа при определенных

температуре и давлении

5 Рассчитывать молярную массу вещества по полученным эксперимен-

тальным данным различными способами а) по методу Авогадро б) используя

относительную плотность одного газа по другому газу в) по уравнению Кла-

пейрона ndash Менделеева

Работа 2 Определение молярных масс эквивалентов

простых и сложных веществ

Задания для подготовки к лабораторной работе

1 Повторите основные понятия эквивалент фактор эквивалентности

молярная масса эквивалента масса эквивалента количество вещества эквива-

лента молярный объем эквивалента закон эквивалентов

2 Ознакомьтесь с устройством прибора (рис 4) и методикой определения

молярной массы эквивалента алюминия

3 Ознакомьтесь с методикой экспериментального определения молярной

массы эквивалента карбоната кальция

Теоретическая часть

Эквивалент (э) ndash это либо реальная либо условно существующая струк-

турная единица вещества которая эквивалентна (равноценна) одному положи-

тельно поляризованному атому водорода одному иону водорода одному элек-

трону или одному эквиваленту любого другого вещества

1 э (Н) равноценен 1 атому (Н) (1 эквивалент водорода равноценен

1 атому водорода)

1 э (Н+) равноценен 1 иону (Н

+)

1 э (окислителя или восстановителя) равноценен 1 ē

Пример

а) В соединениях Н2О NН3 СН4 с одним эквивалентом положительно по-

ляризованных атомов водорода соединяются 1

2 доля атома (О)

1

3 доля атома

(N) 1

4доля атома (С) э (О) =

1

2атома (О) э (N) =

1

3 атома (N) э (С) =

1

4атома

(С) В молекуле HCl с 1 э (Н+) соединяется 1 ион Cl

minus э (Cl

minus) = 1 иону Cl

minus

б) Кислотно-основное взаимодействие по теории Аррениуса сводится к

процессу

Н+

(р-р) + ОНminus

(р-р) rarr Н2О(ж)

13

С одним ионом водорода взаимодействует один гидроксид-ион Эквива-

лент (ОНminus) равноценен иону (ОН

minus)

в) Са(ОН)2 + Н2SО4 rarr СаSО4darr + 2Н2О

Одному Н+ эквивалентны

1

2доля иона Са

2+ 1 ион ОН

minus

1

2доля иона

SO 2

4

э (Са2+

) = 1

2 иона Са

2+ э

(SO 2

4

) = 1

2иона SO 2

4

э (ОНminus) = 1 иону ОН

minus э

(Са2+

) э (SO 2

4

) ndash условно существующие частицы э (ОНminus) ndash реальная частица

г) Al(NO3)3 + H3PO4rarrAlPO4 + 3HNO3 Одному Н+ эквивалентны

1

3 доля

Al3+

1 ион NO3

1

3 доля иона РО 3

4

э (Al3+

) = 1

3иона Al

3+ э (NO

3

) = иону NO3

э (РО 3

4

) = 1

3 иона РО 3

4

э (NO3

) ndash реальная частица э (Al3+

) э (РО 3

4

) ndash условно

существующие частицы

+5 +4 +6 minus1

д) КСlО3 + 3MnO2 + 6KOH rarr3K2MnO4 + KCl + 3H2O

ClO3

+ 3H2O + 6 ē rarr Clminus + 6OH

minus 1

MnO2 + 4OHminus minus 2 ē rarr MnO 2

4

+ 2H2O 3

Одна молекула КСlО3 принимает 6 ē значит э (КСlО3) = 1

6 часть моле-

кулы КСlО3 Одна молекула MnO2 отдает 2 ē значит э (MnO2) = 1

2часть моле-

кулы MnO2 В схеме реакции с учетом стехиометрических коэффициентов

участвуют по 6 эквивалентов КСlО3 MnO2 KOH

Фактор эквивалентности (fЭ) ndash число которое показывает какая доля

атома молекулы иона является эквивалентом Если fЭ = 1 то эквивалент ndash ре-

альная частица так как он равноценен атому молекуле или иону если fЭ lt 1 то

эквивалент ndash условная частица так как эквивалент в этом случае какая-то доля

реально существующей частицы

fЭ = 1

z где z ndash эквивалентное число

Для элементов и молекул простых веществ состоящих из одного атома

fЭ = 1

B где В ndash валентность элемента образующего простое вещество те

z = В

Пример

fЭ (Н) = 1 fЭ (О) = 1

2 fЭ (

V

P ) = 1

5 fЭ (Са) =

1

2 fЭ (Al) =

1

3 fЭ (Na) = 1

fЭ (III

P ) = 1

3

Для простых веществ состоящих из нескольких атомов fЭ = 1

B n где nndash

количество атомов элемента в молекуле простого вещества те z = В n

14

Пример

fЭ (Н2) = 1

1 2 =

1

2 fЭ (О2) =

1

2 2=

1

4 fЭ (Г2) =

1

1 2 =

1

2 fЭ (N2) =

1

3 2 =

= 1

6 fЭ (О3) =

1

2 3 =

1

6

Для элемента входящего в состав любого сложного вещества fЭ = 1

х

где х ndash степень окисления этого элемента взятая по модулю

Пример

MnO fЭ (Mn) = 1

2 Mn2O3 fЭ (Mn) =

1

3

MnO2 fЭ (Mn) = 1

4 Mn2O7 fЭ (Mn) =

1

7

Для оксидов R2Oх fЭ = 1

2x где х ndash степень окисления элемента образу-

ющего оксид те z = |2x| Таким образом

fЭ(оксида)=

1

сумма по модулю всех зарядов + или поляризованныхчастиц образующих оксид

fЭ (Al2O3)=

1

3 2 =

1

2 3 =

1

6 fЭ (ОsО4) =

1

8 1 =

1

2 4 =

1

8

Для кислот оснований солей

fЭ = 1

сумма по модулю всех зарядов катионов или анионов

fЭ (Н3РО4) =

1

1 3 =

1

3 1 =

1

3 =

1

основность кислоты z = 3

fЭ (Al(ОН)3) =

1

3 1 =

1

1 3 =

1

3 =

1

кислотность основания z = 3

fЭ (Na2SО4) =

1

1 2 =

1

2 1 =

1

2 z = 2

fЭ [Al2(SО4)3] =

1

3 2 =

1

2 3 =

1

6 z = 6

fЭ (NaНSО4) =

1

1 1 =

1

1 1 = 1 z = 1

fЭ [(AlОН)Cl2] =

1

2 1 =

1

1 2 =

1

2 z = 2

fЭ 3 4 2Cu NH OH =

1

2 1 =

1

1 2 =

1

2 z = 2

Фактор эквивалентности (fЭ )и эквивалентное число (z) зависят от ос-

новности кислоты или кислотности основания в соответствии с которыми они

вступают в химическое взаимодействие

Пример

а) 2Н3РО4 + 3Са(ОН)2 rarr Са3(РО4)2 + 6Н2О

15

Основность кислоты равна 3 кислотность основания равна 2 так как в

кислоте замещаются 3 иона водорода в основании ndash 2 гидроксид-иона

z (Н3РО4) = 3 z (Са(ОН)2) = 2 fЭ (Н3РО4) = 1

3 fЭ (Са(ОН)2) =

1

2

б) 2Н3РО4 + Са(ОН)2 rarr Са(Н2РО4)2 + 2Н2О

Основность кислоты равна 1 кислотность основания ndash 2

z (Н3РО4) = 1 z (Са(ОН)2) = 2 fЭ (Н3РО4) = 1 fЭ (Са(ОН)2) = 1

2

в) Н3РО4 + Са(ОН)2 rarr СаНРО4 + 2Н2О

Основность кислоты равна 2 кислотность основания равна 2

z (Н3РО4) = 2 z (Са(ОН)2) = 2 fЭ (Н3РО4) = 1

2 fЭ (Са(ОН)2) =

1

2

г) Н3РО4 + 3Са(ОН)2 rarr (СаОН)3РО4 + 3Н2О

Основность кислоты равна 3 кислотность основания равна 1

z (Н3РО4) = 3 z (Са(ОН)2) = 1 fЭ (Н3РО4) =1

3 fЭ (Са(ОН)2) = 1

д) 2Al(OH)3 + Н2SO4 rarr [Al(OH)2]2SO4 + 2Н2О

Основность кислоты равна 2 кислотность основания равна 1

z (Al(OH)3) = 1 z (Н2SO4) = 2 fЭ (Al(OH)3) =1 fЭ (Н2SO4) = 1

2

е) Al(OH)3 + Н2SO4 rarr [Al(OH)]SO4 + 2Н2О

Основность кислоты равна 2 кислотность основания равна 2

z (Al(OH)3) = 2 z (Н2SO4) = 2 fЭ (Al(OH)3) =1

2 fЭ (Н2SO4) =

1

2

Для окислительно-восстановительных реакций fЭ (окислителя) = 1

n

fЭ (восстановителя) = 1

n где n ndash число электронов принятых или отдан-

ных 1 молекулой или 1 ионом окислителя или восстановителя соответственно

Пример

MnO4

+ 8H+ + 5 ē rarr Mn

2+ + 4Н2О z = 5 fЭ =

1

5

SO 2

3

+ Н2О minus 2 ē = SO 2

4

+ 2H+ z = 2 fЭ =

1

2

Молярная масса эквивалентов вещества (Мэ гмоль) ndash это масса

1 моля эквивалентов вещества или 6022middot1023

эквивалентов вещества

Мэ = fЭ middot М = M

z =

m

э где М ndash молярная масса гмоль m ndash масса (г) ве-

щества количеством νэ (моль)

Пример

Мэ (Н) = fЭ middot М (Н) = 1 middot 1008 гмоль = 1008 гмоль

Мэ (Н2) = 1

2middot М (Н2) =

1

2middot 2016 гмоль = 1008 гмоль

Мэ (О) = 1

2middot М (О) =

1

2middot 16 гмоль = 8 гмоль

16

Мэ (О2) = 1

4middot М (О2) =

32 гмоль

4 = 8 гмоль

Мэ (Na) = М (Na) = 23 гмоль

Мэ (ОНminus) = М (ОН

minus) = 17 гмоль

Мэ (С) в СО = 12 гмоль

2 = 6 гмоль

Мэ (С) в СО2 = 12 гмоль

4 = 3 гмоль

Для оксидов R2Oх

Мэ (R2Ox) = fЭ middot М (R2Ox)

Мэ (R2Ox) = Мэ (R) + Мэ (O) = fЭ (R) middot М (R) + 8

Пример

Мэ (Al2O3) = 1

6middot M (Al2O3) =

102 гмоль

6 = 17 гмоль

Мэ (Al2O3) = 27 гмоль

3+ 8 гмоль = 17 гмоль

Мэ (кислоты) = fЭ middot М (кислоты)

Мэ (кислоты) = 1

основность кислотыmiddot М (кислоты)

Мэ (кислоты) = Мэ (Н+) + Мэ (А

minus) = 1 гмоль + fЭ middot М (А

minus) = 1 гмоль +

+1

заряд анионаmiddot М (А

minus) где А

minus minus кислотный остаток

Пример

Мэ (Н3РО4) = 1

3middot М (Н3РО4) =

1

3middot 98 гмоль = 3267 гмоль

Мэ (Н3РО4) = Мэ (Н+) + Мэ (РО 3

4

) = 1 + 1

3middot М (РО 3

4

) = 1 гмоль + 1

3middot

middot 95 гмоль = 1 гмоль + 3167 гмоль = 3267 гмоль

Мэ (основания) = fЭ middot М (основания)

Мэ (основания) = 1

кислотность основанияmiddot М (основания)

Мэ (основания) = Мэ (Мn+

) + Мэ (ОНminus) = fЭ middot М (М

n+) + fЭ middot М (ОН

minus) =

= 1

nmiddot М (М

n+) + 17

Пример

Мэ (Al(OH)3) = 1

3middot 78 гмоль = 26 гмоль

Мэ (Al(OH)3) = 1

3middot 27 гмоль + 17 гмоль = 9 гмоль + 17 гмоль =

= 26 гмоль

Для солей состава КхАу

Мэ (соли) = fЭ middot М (соли) = Мэ (Ку+

) + Мэ (Ахminus

) = fЭ (Ку+

) middot М (Ку+

) +

+ fЭ (Ахminus

) middot М (Ахminus

)

17

Пример

Мэ (Al2(SO4)3) = 1

6 middot М [Al2(SO4)3] =

342 гмоль

6 = 57 гмоль

Мэ (Al2(SO4)3) = 27

3 +

96

2 = 9 гмоль + 48 гмоль = 57 гмоль

Мэ (окислителя или восстановителя) = fЭ middot М (в-ва) = 1

nmiddot М (в-ва) где n ndash

число отданных или принятых электронов z ndash эквивалентное число = n

Пример

а) Мэ (KMnO4) = 1

5middot М (KMnO4) =

1

5middot 158 гмоль = 316 гмоль (при пере-

ходе MnO4

в Mn+2

)

Мэ (MnO2) = 1

2middot М (MnO2) =

1

2middot 87 гмоль = 435 гмоль (при переходе

MnO2 в MnO 2

4

)

При определении Мэ веществ участвующих в химических реакциях сле-

дует учитывать их fЭ

Пример

а) Аl(OH)3 + H3PO4 rarr AlPO4 + 3H2O

Мэ (Аl(OH)3) = 1

3middot М (Аl(OH)3)

Мэ (H3PO4) = 1

3middot М (H3PO4)

б) 3Аl(OH)3 + H3PO4 rarr [Al(ОН)2]3PO4 + 3H2O

Мэ (Аl(OH)3) = М (Аl(OH)3)

Мэ (H3PO4) = 1

3middot М (H3PO4)

в) 3Аl(OH)3 + 2H3PO4 rarr [Al(ОН)]3(PO4)2 + 6H2O

Мэ (Аl(OH)3) = 1

2middot М (Аl(OH)3)

Мэ (H3PO4) = 1

3middot М (H3PO4)

г) Аl(OH)3 + 3H3PO4 rarr Al(Н2PO4)3 + 3H2O

Мэ (Аl(OH)3) = 1

3middot М (Аl(OH)3)

Мэ (H3PO4) = М (H3PO4)

д) 2Аl(OH)3 + 3H3PO4 rarr Al2(НPO4)3 + 6H2O

Мэ (Аl(OH)3) = 1

3middot М (Аl(OH)3)

Мэ (H3PO4) = 1

2middot М (H3PO4)

е) Fe(OH)2Cl + HCl rarr Fe(OH)Cl2 + H2O

Мэ (Fe(OH)2Cl) = М (Fe(OH)2Cl)

Fe(OH)2Cl + 2HCl rarr FeCl3 + 2H2O

18

Мэ (Fe(OH)2Cl) = 1

2middot М (Fe(OH)2Cl)

Fe(OH)2Cl + NaOH rarr Fe(OH)3 + NaCl

Мэ (Fe(OH)2Cl) = М (Fe(OH)2Cl)

ж) KCr(SO4)2 + 3KOH rarr Cr(OH)3 + 2K2SO4

Мэ (KCr(SO4)2) = 1

3middot М (KCr(SO4)2)

KCr(SO4)2 + 6KOH rarr K3[Cr(OH)6] + 2K2SO4

Мэ (KCr(SO4)2) = 1

6middot М (KCr(SO4)2)

и) MnSO4 + 2KOH rarr Mn(OH)2 + K2SO4

Мэ (MnSO4) = 1

2middot М (MnSO4)

MnSO4 + 2Cl2 + 8KOH rarr K2MnO4 + 4KCl + K2SO4 + 4H2O

Мэ (MnSO4) = 1

4middot М (MnSO4)

2MnSO4 + 5K2S2O8 + 8H2O rarr 2HMnO4 + 2H2SO4 + 10KHSO4

Мэ (MnSO4) = 1

5middot М (MnSO4)

Масса эквивалента вещества (mэ) (г кг hellip)

mэ = э

A

M

N = fЭ middot

A

M

N=

M

z NA =

э A

m

ν N

Пример

mэ (Mg) =

A

M Mg

N =

23 1

12 гмоль

6022 10 моль = 1993middot10

minus23 г

mэ (СаСО3) = 23 1

300г

6моль 6022 10 моль = 83029middot10

minus23 г

Таким образом эквивалент фактор эквивалентности эквивалентное чис-

ло масса эквивалента молярная масса эквивалента ndash величины переменные

зависящие от валентности степени окисления количества атомов зарядов

ионов в молекулах веществ основности кислоты кислотности основания а в

окислительно-восстановительных реакциях ndash от количества отданных или при-

нятых электронов

Количество вещества эквивалента (νэ моль)

νэ = эM

m =

Э

m

Мf = в-ва

Эf

=

m z

M

где m ndash масса вещества г

Пример

m (Аl) = 135 г Мэ (Аl) = 1

3 middot 27 гмоль = 9 гмоль

ν (Аl) = 135г

9гмоль = 15 моль

В 135 г алюминия содержится 15 молей эквивалентов алюминия или (15

middot NA) эквивалентов алюминия z = 3 1 моль атомов алюминия эквивалентен 3

молям эквивалентов алюминия или (3 NA) эквивалентам алюминия

19

1 моль электронов эквивалентен числу Фарадея

F = 160217733middot10minus19

Кл middot 60221367middot10minus1

моль = 96485309 Клмоль

(Клmiddotмольminus1

)

Пример

m = M (O2) νэ = 32г

8гмоль = 4 моль

1 моль молекул O2 содержит 4 моль эквивалентов кислорода

Для сложных веществ Мэ и νэ могут быть рассчитаны по fЭ который ха-

рактеризует их в данной реакции

Молярный объем эквивалента газообразного вещества (Vэ) (лмоль

м3кмоль м

3моль) ndash это объем занимаемый 1 молем эквивалентов этого ве-

щества

Vэ= fЭ middot Vm = 0V

э V 0

э = fЭ middot V

0

m = 0V

э

Пример

V 0

э (О2) =

1

4middot 224 лмоль = 56 лмоль

Это означает что 1 моль эквивалентов О2 при ну занимает объем равный

56 л

V 0

э (Н2) =

1

2middot 224 лмоль = 112 лмоль те 1 моль эквивалентов Н2 при

ну занимает объем равный 112 л

1 моль молекул О2 или 4 моля эквивалентов О2 при ну занимают объем

224 л 1 моль молекул Н2 или 2 моля эквивалентов Н2 при ну занимают объем

224 л

Закон эквивалентов массы веществ реагирующих друг с другом или об-

разующихся в результате химической реакции соотносятся между собой как

их молярные массы эквивалентов

2

1

m

m =

э (1)

э (2)

M

M

1

э (1)

m

М=

2

э (2)

m

М

1

э (1)

m

М = νэ (1)

2

э (2)

m

М = νэ (2)

νэ (1) = νэ (2) ndash количество эквивалентов каждого из участников химической

реакции

Для газообразного вещества

э

m

M =

э

V

V =

0

0

э

V

V = νэ

Закон эквивалентов для химической реакции с участием газа

1

э (1)

m

М=

2

э 2

V

V=

0

2

0

э 2

V

V = νэ (1) = νэ (2)

Мэ (1) =

0

э (2)1

0

2

m middotV

V

Экспериментальное определение эквивалентов и молярных масс эквива-

лента различных веществ может быть проведено различными методами

20

Б2

Л1

Т

Б1

Л2

П

Г

1 Метод прямого определения Эквивалент и молярную массу эквива-

лента устанавливают исходя из соединений данного элемента с водородом или

кислородом

2 Косвенный метод в котором вместо водорода и кислорода использу-

ют другие элементы и вещества с известным эквивалентом и молярной массой

эквивалента

3 Метод вытеснения водорода из кислоты металлом взятой навески

Применим к металлам которые способны вытеснять водород из щелочей и раз-

бавленных кислот

4 Аналитический метод Эквивалент определяют из результатов хими-

ческого анализа элемента в одном из его соединений

5 Электрохимический метод основан на законе Фарадея согласно ко-

торому asymp 96 500 Кл электричества выделяют из электролитов при электролизе

1 моль эквивалентов вещества

Экспериментальная часть

Опыт 1 Определение молярной массы эквивалента алюминия мето-

дом вытеснения

Метод основан на реакции взаимодействия алюминия с соляной кислотой

и измерении объема выделившегося водорода

Собрать прибор представленный на рис 4 Заполнить 14 часть пробирки

раствором соляной кислоты (с массовой долей 15 ) Наклонив пробирку на

ее сухую сторону поместить предварительно взвешенную алюминиевую

Установка состоит из двух бюреток рабочей изме-

рительной Б1 и уравнительной Б2 соединенных

резиновой трубкой Т и заполненных подкрашен-

ной водой К рабочей бюретке при помощи газо-

отводной трубки Г присоединена пробирка П

Рис 4 Лабораторная установка для определения молярной массы эквивалента алюминия

21

фольгу (0015ndash0020 г) так чтобы она не соприкасалась с кислотой Присоеди-

нить пробирку к бюретке и проверить прибор на герметичность Для этого во-

ронку опустить на 10ndash15 см Если прибор герметичен то уровень воды в бю-

ретке несколько снизится а затем останется без изменения Привести давление

в бюретке к атмосферному для чего установить уровень воды в бюретке и во-

ронке на одной высоте в бюретке ndash около нулевого деления но не выше Отме-

тить и записать положение нижнего края мениска в бюретке (А1) После этого

пробирку со штативом наклонить так чтобы кислота смыла алюминиевую

фольгу Для начала реакции содержимое пробирки нагреть на спиртовке (не ка-

саться фитилем дна пробирки не кипятить) Выделяющийся водород бу-

дет вытеснять воду из бюретки После окончания реакции пробирку не снимая

с прибора охладить до комнатной температуры опустив ее в стакан с холодной

водой Затем привести давление внутри прибора к атмосферному и отметить

уровень воды в бюретке (А2)

Объем выделившегося водорода при комнатных условиях V2H = (А2 ndash А1)

привести по объединенному газовому закону (T

PV=

0

00

T

VP) к ну (V0 (H2)) учи-

тывая что общее давление Р = P пар OH2+ P

2Н (где P ndash парциальное давление)

откуда P2Н = Р ndash P пар OH2

тогда объединенный газовый закон T

Vmiddot)P (P пар OH2=

= 0

00

T

VP V

0(H2) = 22общ пар 0 HН О

0

(P Р )middotТ V

Р Т

Таблица 1

Зависимость давления водяного пара от температуры

Т К P OН2 Па Т К P OН2

Па

289 181318 295 233976

290 193317 296 281301

291 206649 297 298641

292 219913 298 317306

293 233314 299 335971

294 247979 300 355970

На основании полученных данных и закона эквивалентов рассчитать молярную

массу эквивалента алюминия (Al)э

Al

M

m=

2

0 2

0

m ( ) H

V (H )

V э

Результаты измерений записать по следующей форме

Навеска

алюминия

г

V2H мл

(А2 ndash А1) Т К

Робщ

Па 2H OP Па V 20 H

мл

Мэ(Al)

гмоль

Ошиб

ка

22

Опыт 2 Определение молярной массы эквивалента карбоната каль-

ция косвенным методом

Взвесить в стакане около 3 г мрамора с точностью до 001 г (m1) При-

лить пипеткой (рис 5) 15 мл раствора соляной кислоты с мо-

лярной концентрацией эквивалента 1 мольл Как только выде-

ление углекислого газа замедлится нагреть стакан до 60ndash70 оС

выдержать при этой температуре до окончания реакции Затем

слить образовавшийся раствор с оставшихся кусочков мра-

мора промыть их два раза дистиллированной водой методом

декантации Стакан с оставшимся мрамором высушить в су-

шильном шкафу при 107 оС и после охлаждения взвесить (m2)

Зная количество молей эквивалентов вступившей в реакцию

соляной кислоты (νэ) и массу прореагировавшего мрамора m3

рассчитать по закону эквивалентов молярную массу эквивален-

та карбоната кальция

Рис 5 Пипетки мерные

Результаты эксперимента записать по следующей форме

m1 г m2 г m3 (CaCO3) =

= m1 ndash m2 г V (HCl) мл

Mэ(СaCO3)

гмоль

Ошибка

νэ (HCl) = Vр-ра (HCl) middot Сэ (HCl)

νэ (СaCO 3 ) = νэ (HCl) )(CaCO э

CaCO

3

3

M

m = Сэ (HCl) middot Vр-ра (HCl)

Мэ (СаСО3) =

3CaCO

HCl э(HCl)

m г

мольV л middotС

л

Вопросы и задачи

1 Как проверить на герметичность прибор для определения молярной

массы эквивалента металла методом вытеснения водорода

2 Как привести давление в герметически закрытом приборе к атмосфер-

ному

3 Под каким давлением по сравнению с атмосферным будет находиться

газ в сосуде если уровень воды в бюретке

а) выше чем в воронке (уравнительном сосуде)

б) ниже чем в воронке

в) на одном уровне

23

4 Как рассчитать парциальное давление газа если он собран над водой

5 Вычислите молярную массу эквивалента металла если навеска техни-

ческого металла массой 0035 г имеющего 20 примесей (не взаимодейству-

ющих с кислотой) вытесняет из кислоты 119 мл водорода собранного над во-

дой при температуре 17 оС и давлении 103middot10

5 Па (давление водяного пара над

водой при 17 оС равно 00193middot10

5 Па)

Ответ 2807 гмоль

6 Чему равны молярные массы эквивалентов мышьяка в его оксидах со-

держащих мышьяк а) 652 (мас) As б) 757 (мас) As

Ответ 1499 гмоль 2492 гмоль

7 Вычислите молярную массу эквивалента фосфорной кислоты и гидрок-

сида алюминия в уравнениях реакций

а) H3PO4 + Ca(OH)2 = CaHPO4 + 2H2O

б) Al(OH)3 + HNO3 = Al(OH)2NO3 + H2O

8 Рассчитайте молярную массу эквивалента олова если

а) при нагревании 092 г его в токе кислорода образуется оксид олова

массой 117 г

б) при восстановлении оксида олова массой 117 г водородом получена

вода массой 016 г

Ответ а) 2944 гмоль б) 5886 гмоль

9 Из 27 г оксида некоторого металла можно получить 63 г его нитрата

Вычислите молярную массу эквивалента металла

Ответ 325 гмоль

10 При восстановлении 51 г оксида металла (III) образовалось 27 г во-

ды Определите молярную массу эквивалента и относительную атомную массу

металла

Ответ 9 гмоль 27

Следует уметь

1 Рассчитывать фактор эквивалентности массу эквивалента и молярную

массу эквивалента элемента простого и сложного веществ исходя из формулы

вещества уравнений реакций в которых участвует вещество закона эквива-

лентов молярного объема эквивалентов любого газообразного вещества

2 Экспериментально определять молярную массу эквивалентов простых

и сложных веществ

24

Работа 3 Приготовление растворов

Задания для подготовки к лабораторной работе

1 Изучите теоретическое введение к лабораторной работе обратив особое

внимание на различные способы выражения содержания растворенного веще-

ства в растворе

2 Проведите все расчеты необходимые для выполнения опытов изучив

метод интерполяции и laquoправило крестаraquo

3 Ознакомьтесь с устройством ареометра мерной посудой и правилами

пользования ими

Теоретическая часть

Раствор ndash это гомогенная система переменного состава состоящая из рас-

творителя растворенных веществ (одного или нескольких) и продуктов их вза-

имодействия Компонент который количественно преобладает и находится в

том же агрегатном состоянии что и образующийся раствор называется раство-

рителем все остальные его части ndash растворенными веществами Основным

признаком характеризующим раствор является его однородность Процесс

растворения часто сопровождается значительными объемными и энергетиче-

скими эффектами По этим признакам растворы больше напоминают химиче-

ские соединения и тем самым отличаются от механических смесей С другой

стороны растворы не имеют строго определенного состава и в этом их суще-

ственное отличие от химических соединений

Первоначально процесс растворения идет самопроизвольно (∆Gр-ния lt 0) и

раствор является ненасыщенным При дальнейшем добавлении вещества

наступает момент когда вещество перестает растворяться и тогда избыток рас-

творенного вещества выпадает в осадок Система оказывается в состоянии ис-

тинного равновесия (∆Gр-ния = 0) те скорости осаждения и растворения равны

Раствор становится насыщенным Можно получить и пересыщенные растворы

те такие массовые доли растворенных веществ в которых выше чем в насы-

щенных растворах (при определенных температуре и давлении) Пересыщен-

ные растворы можно приготовить медленным охлаждением насыщенных при

высокой температуре растворов (например Na2S2O3 NaCH3COO и др) Они

представляют систему находящуюся в кажущемся равновесии (∆Gр-ния gt 0)

Встряхивание или внесение кристаллов того же вещества которое находится в

растворе или изоморфного с ним вызывает кристаллизацию В результате про-

исходит выделение избытка растворенного вещества и раствор становится

насыщенным

Способы выражения концентрации растворов

Состав любого раствора может быть выражен как качественно так и ко-

личественно Раствор с относительно низким содержанием растворенного ве-

щества называют разбавленным с относительно высоким ndash концентрирован-

25

ным Такая количественная оценка условна Например для серной кислоты

концентрированным считается раствор где массовая доля кислоты равна 98 а

для соляной ndash 38

Для количественной оценки состава растворов используют понятие laquoкон-

центрацияraquo Существуют различные способы ее выражения

1 Массовая доля растворенного вещества в растворе Она обознача-

ется Wрв (по первой букве английского слова laquoWeightraquo ndash вес) и рассчитывается

по формуле Wрв = )ткг г(m

)ткг г(m

ра-р

рв Она выражается в долях от единицы и пока-

зывает сколько граммов (кг т) растворенного вещества содержится в 1 г (кг т)

раствора Например W3NaNO = 005 Это означает что в каждом грамме (кг т)

раствора содержится 005 г (кг т) растворенного вещества Массовая доля рас-

творенного вещества в растворе может быть выражена и в процентах Wрв

= ра-р

рв

m

m middot 100 = Wрв middot 100 В этом случае W указывает сколько граммов (кг

т) растворенного вещества содержится в каждых 100 г (кг т) раствора Напри-

мер W3NaNO = 5 в каждых 100 г раствора содержится 5 г NaNO3 или в

каждых 100 кг (т) раствора ndash 5 кг (т) NaNO3

Раствор любой концентрации характеризуется своей плотностью ρ (гмл

кгл гл тм3) которая показывает сколько граммов (кг т) весит 1 мл (л м

3)

раствора данной концентрации Например ρ = 102 гмл Это означает что 1 мл

раствора данной концентрации весит 102 г Плотность раствора рассчитывает-

ся по формуле ρр-ра = ра-р

ра-р

V

m Плотность (ρ) ndash это величина для перехода от массы

раствора к его объему и наоборот

2 Молярная концентрация раствора (См) Ее значение показывает

сколько молей растворенного вещества содержится в 1 л раствора Например

См (р-ра KCl) = 5 мольл Это означает что в каждом литре такого раствора со-

держится 5 моль KCl Молярная концентрация рассчитывается по формуле

См = рв

р-ра

ν

V=

рв

рв р-ра

m

М middotV(мольл) где νрв minus количество растворенного вещества

(моль) mрв ndash масса растворенного вещества (г) М ndash молярная масса раство-

ренного вещества (гмоль) Vр-ра ndash объем раствора (л)

3 Молярная концентрация эквивалента раствора (эквивалентная кон-

центрация или нормальная концентрация) Она обозначается Сэ (используется

также Сн) Ее значение показывает сколько молей эквивалентов растворенного

вещества содержится в 1 л раствора Например Сэ (р-ра HNO3) = 2 мольл Это

означает что в каждом литре раствора содержится 2 моль эквивалентов HNO3

Молярная концентрация эквивалента раствора рассчитывается по формуле

Сэ = э рв

р-ра

ν

V=

рв

э рв р-ра

m

М middotV(мольл)

26

Растворы имеющие одинаковые значения Сэ реагируют между собой в

равных объемах так как содержат равные количества молей эквивалентов рас-

творенных веществ Если растворы имеют различные значения Сэ то вступаю-

щие в реакцию объемы этих растворов обратно пропорциональны их молярным

концентрациям эквивалента 2

1

V

V=

1 э

2 э

С

C или V1 middot Cэ 1 = V2 middot Cэ 2

4 Моляльная концентрация раствора (Сm) Ее значение показывает

сколько молей растворенного вещества содержится в 1 кг растворителя

Например Сm (р-ра H2SO4) = 10 молькг Это означает что в каждом кило-

грамме воды растворено 10 моль H2SO4 Моляльная концентрация раствора

рассчитывается по формуле Сm = рв

р-ля

ν

m=

рв

рв р-ля

m

М middotm(молькг)

5 Молярная (мольная) доля растворенного вещества в растворе Она

обозначается χрв Ее значение показывает сколько молей растворенного веще-

ства содержится в 1 моль раствора Например χ4CuSO = 002 Это означает что в

1 моль раствора содержится 002 моль CuSO4 Если в растворе только одно рас-

творенное вещество то χ ОH2= 098 Сумма мольных долей всех компонентов в

растворе равна единице те 1 моль Мольная доля растворенного вещества в

растворе рассчитывается по формуле χрв = ля-ррв

рв

νν

ν

=

ра-р

рв

ν

ν=

OH

OH

рв

рв

рв

рв

2

2

M

m

М

m

М

m

Если в растворе несколько (К) растворенных веществ то мольная доля любого

из компонентов в том числе растворителя рассчитывается по формуле

χi =

K

1i

i

i

ν

ν Например при наличии трех растворенных веществ и растворителя

χ1 = 4321

1

νννν

ν

χ2 =

4321

2

νννν

ν

χ3 =

4321

3

νννν

ν

χ4 = 4321

4

νννν

ν

χ1 + χ2 + χ3 + χ4 = 1

6 Титр раствора Этот вид выражения состава раствора обозначается

буквой Т Его значение показывает сколько граммов растворенного вещества

содержится в 1 мл раствора Например Т (р-ра Na2CO3) = 15 гмл Это означа-

ет что в каждом миллилитре такого раствора содержится 15 г Na2CO3 Титр

раствора рассчитывается по формуле Т = рв

р-ра

m

V (гмл)

27

Экспериментальная часть

Опыт 1 Приготовление пересыщенного раствора тиосульфата натрия

Положите в пробирку несколько кристаллов Na2S2O3middot5H2O и очень осто-

рожно нагрейте Закройте пробирку ватой и дайте ей охладиться Охлажден-

ную до комнатной температуры пробирку резко встряхните Нагреванием про-

бирки с солью снова получите прозрачный раствор Охладите и внесите не-

большой кристалл исходного вещества Объясните наблюдаемое

Опыт 2 Определение массовой доли серной кислоты по плотности

раствора

Наиболее простой и быстрый способ ndash с помощью ареометра Его приме-

нение основано на том что плавающее тело погружается в жидкость до тех пор

пока масса вытесненной жидкости не станет равной массе самого тела В рас-

ширенной нижней части ареометра находится груз на верхней узкой части ndash

шейке ndash нанесены деления показывающие плотность жидкости в которой

laquoплаваетraquo ареометр

Исследуемый (концентрированный) раствор серной кислоты налейте (под

тягой) в сухой чистый мерный цилиндр на frac34 его объема В раствор осторож-

но не касаясь стенок цилиндра опустите ареометр Каждый ареометр предна-

значен для измерения плотности в определенных пределах При выборе арео-

метра необходимо ориентировочно знать плотность данного раствора Вы-

яснив цену одного деления шкалы ареометра отметьте его показания (по ниж-

нему мениску раствора) Приподняв ареометр на 1ndash2 см вновь опустите его в

раствор и еще раз определите показания По справочной таблице найдите мас-

совую долю растворенного вещества в растворе Если такая величина в таблице

отсутствует то массовую долю находят методом интерполяции (определение

промежуточного значения по двум крайним) Например экспериментальное

показание ареометра равно 1124 гмл Находим ближайшие к этому табличные

значения плотности массовой доли и их разность

ρ гмл W

1130 1831

1120 1701

0010 130

Таким образом изменению плотности на 0010 гмл соответствует изме-

нение массовой доли на 130 Экспериментальное показание ареометра отли-

чается от меньшей табличной величины на 0004 гмл

ρ гмл W

1124

1120 1701

0004

С учетом того что в указанных пределах между плотностью и массовой

долей раствора зависимость линейная составляем пропорцию

28

0010 гмл -----------------130

0004 гмл ----------------- х х = 052

Найденное число (052 ) прибавляем к меньшей массовой доле

(1701 ) взятой из таблицы и соответствующей плотности 1120 Получаем

W = 1701 + 052 = 1753 что соответствует плотности 1124 гмл Этот спо-

соб определения содержания растворенного вещества в растворе применяют в

том случае если не требуется большой точности Более точный способ ndash опре-

деление с помощью титрования Обычно ареометры калибруются при 20 оС В

таблицах значения плотностей растворов приводятся при этой же температуре

Если не требуется особой точности табличными данными можно пользоваться

и для других температур

Опыт 3 Приготовление 50 мл 4 раствора сульфата меди из кри-

сталлогидрата CuSO4middot5H2O

Рассчитайте сколько граммов CuSO4middot5H2O и какой объем воды нужно

взять для приготовления 50 мл раствора с массовой долей CuSO4 4

Взвесьте вычисленную массу кристаллогидрата и перенесите в стакан емко-

стью 100 мл Отмерьте мерным цилиндром (см рис 3) рассчитанный объем

дистиллированной воды перелейте ее в стакан с навеской пентагидрата суль-

фата меди и перемешайте стеклянной палочкой до полного растворения кри-

сталлов соли Полученный раствор перелейте в мерный цилиндр и измерьте

плотность раствора По таблице найдите и запишите массовую долю CuSO4

отвечающую этому значению плотности (ρтеор (4 раствора CuSO4) =

= 104 гмл) пересчитайте на молярную концентрацию молярную концентра-

цию эквивалента моляльную концентрацию и титр раствора

Таблица 2

Исходные данные и полученные результаты приготовления

раствора сульфата меди

Задан-

ная

массо-

вая доля

W

ρтеор

гмл

Рассчитанные

массы компо-

нентов г ρэксп

гмл

Экспериментальные

значения Отн

ошиб

ка

CuSO4middot5H2O Н2О W

См

мольл

Сэ

мольл

Сm

молькг

Т

гмл

Опыт 4 Приготовление 100 мл раствора серной кислоты с молярной

концентрацией эквивалента 01 мольл из более концентрированного раз-

бавлением водой

Для приготовления растворов заданной молярной или эквивалентной

концентраций используются мерные колбы (рис 6) различного объема (25 50

100 200 250 500 1000 мл и более) Рассчитайте объем концентрированного

раствора серной кислоты массовая доля которого определена в опыте 2 необ-

29

ходимый для приготовления 100 мл рас-

твора серной кислоты с молярной кон-

центрацией эквивалента 01 мольл Кис-

лоту перенесите пипеткой (см рис 5) в

мерную колбу объемом 100 мл предвари-

тельно налив в нее примерно 20 мл ди-

стиллированной воды После этого до-

лейте воду в колбу до метки раствор

перемешайте и охладите до комнатной

Рис 6 Мерные колбы температуры Молярная концентрация

эквивалента полученного раствора должна быть близка к 01 мольл Точную

концентрацию раствора серной кислоты определите титрованием щелочью Для

титрования бюретку с наконечником (рис 7) заполните до нулевой

метки титрованным раствором щелочи

предварительно ополоснув им бюретку В

три конические колбы (рис 8) пипеткой

налейте по 10 мл приготовленной серной

кислоты Добавьте в каждую колбу по 2ndash3

капли фенолфталеина и поочередно титруй-

те раствором щелочи из бюретки Щелочь

приливайте медленно левой рукой правой

размешивая раствор Титрование считается

законченным если от прибавления следу-

ющей капли щелочи появляется малиновое

окрашивание которое не исчезает 30 с Рис 8 Колба коническая

Рис 7 Бюретка

мерная для титрования

Для более четкого определения изменения цвета под колбу для титрова-

ния поместите лист белой бумаги Запишите объем щелочи израсходованной

на титрование 10 мл раствора серной кислоты

Аналогично оттитруйте две другие пробы кислоты Результаты парал-

лельных определений не должны различаться между собой более чем на

005ndash010 мл Возьмите из них среднее и рассчитайте точную концентрацию

приготовленного раствора серной кислоты и его титр

Опыт 5 (дополнительный) Приготовление раствора серной кислоты

смешиванием растворов с более высокой и более низкой массовыми долями

Из концентрированного (опыт 2) и имеющегося (опыт 4) в лаборатории

растворов серной кислоты приготовьте 50 мл раствора с массовой долей серной

кислоты равной 30 Для расчета объемов исходных растворов воспользуй-

тесь laquoправилом крестаraquo

30

W1 m1

W

W2 m2

где W ndash массовая доля серной кислоты приготовляемого раствора W1 и W2 ndash

более высокая и более низкая массовые доли H2SO4 в исходных растворах (для

воды W = 0) m1 и m2 ndash массы исходных растворов с более высокой и более

низкой массовой долей Соотношения для исходных растворов таковы

m1 = W ndash W2 m2 = W1 ndash W Таким образом для получения раствора массой

m = (m1 + m2) c массовой долей W необходимо взять m1 г раствора с массовой

долей W1 и m2 г раствора с массовой долей W2 (или V1 р-ра = 1

1m

ρ V2 р-ра =

2

2m

ρ)

Отмерьте вычисленные объемы растворов слейте их в цилиндр объемом 100

мл перемешайте С помощью ареометра и таблицы установите содержание

растворенного вещества в растворе и расхождение практически полученного

значения с заданным

Вопросы и задачи

1 Что произойдет с насыщенным пересыщенным и ненасыщенным рас-

творами алюмокалиевых квасцов при внесении в каждый из них нескольких

кристаллов KAl(SO4)2middot12Н2О

2 Какой объем раствора в котором массовая доля КОН составляет 12

(ρр-ра = 1109 гмл) надо взять чтобы приготовить 250 мл раствора с молярной

концентрацией 2 мольл

Ответ 178 мл

3 В 1 кг воды растворено 666 г гидроксида калия Рассчитайте массовую

долю растворенного вещества в растворе и его концентрации (молярную мо-

ляльную молярную концентрацию эквивалента молярные доли щелочи и во-

ды титр раствора) если его плотность равна 1395 гмл

Ответ 40 995 мольл 119 молькг 0176 0824 0557 гмл

4 В лаборатории имеются растворы с массовыми долями хлорида калия

20 и 40 Сколько граммов каждого раствора надо взять для получения 500 г

раствора с массовой долей соли 25

Ответ 375 г 125 г

5 Плотность раствора карбоната калия равна 122 гмл Из 1 л этого рас-

твора при действии соляной кислоты получено 445 л СО2 (ну) Вычислите

процентное содержание К2СО3 в растворе и его молярную концентрацию экви-

валента

Ответ 225 397 мольл

31

6 В каких объемах должны быть смешаны 01 н и 60 (ρ = 1498 гмл)

растворы серной кислоты чтобы получить 1 л 1 н раствора Н2SO4

Ответ 493 и 9507 мл

7 К 005 л раствора хлорида марганца (II) (ρ = 1085 гмл W = 8 ) при-

бавлено 02 л раствора гидроксида лития массовая доля LiOH в котором 10

(ρ = 1107 гмл) Какое вещество взято в избытке и в каком количестве оно

останется после реакции

Ответ 27 г

8 Для осаждения сульфата бария из раствора BaCl2 (ρ = 106 гмл

W = 8 ) объемом 100 мл требуется раствор Н2SO4 объемом 139 мл Чему равна

молярная концентрация и моляльная концентрация эквивалента раствора

Н2SO4

Ответ 0294 и 0588 мольл

9 Растворы азотной кислоты и гидроксида натрия объемом 1 л каждый

содержат соответственно 189 г HNO3 и 32 г NaOH Какова молярная концен-

трация этих растворов и в каком объемном соотношении они должны быть

смешаны для получения нейтрального раствора

Ответ 03 и 008 мольл 1 375

10 Какова масса Al(OH)3 если для его растворения потребовалось 02 л

раствора азотной кислоты (ρ = 118 гмл W = 30 ) Какой объем 25 н раство-

ра КОН необходимо затратить для растворения этого количества гидроксида

алюминия

Ответ 292 мл 015 л

Следует уметь

1 Выражать содержание растворенного вещества в растворе различными

способами и осуществлять их взаимный пересчет

2 Готовить растворы смешиванием растворенного вещества и раствори-

теля разбавлением водой концентрированного раствора смешиванием двух

растворов разной концентрации выпариванием растворителя добавлением

растворяемого вещества к раствору

3 Пользоваться ареометром мерной посудой установкой для титрова-

ния методом интерполяции laquoправилом крестаraquo

4 Определять содержание растворенного вещества в растворе по его

плотности и с помощью титрования

Работа 4 Методы очистки веществ

Задания для подготовки к лабораторной работе

1 Ознакомьтесь со следующими элементами техники выполнения лабо-

раторных работ взвешиванием на весах измельчением растворением филь-

32

трованием изготовлением простых и складчатых фильтров фильтрованием го-

рячих растворов и фильтрованием растворов под вакуумом нагреванием на

электроплитке растворов в химической посуде промыванием и высушиванием

осадков методами очистки твердых жидких и газообразных веществ

2 Выполните необходимые расчеты

Теоретическая часть

В лабораторной практике большое значение имеет очистка веществ так

как работа с загрязненными реактивами обусловливает получение неточных ре-

зультатов и неправильных выводов

Известны многочисленные методы очистки веществ фильтрование ди-

стилляция дробная перегонка возгонка зонная плавка метод транспортных

реакций и др В лабораторной практике для очистки твердых веществ чаще ис-

пользуются перекристаллизация и возгонка для очистки жидкостей ndash фильтро-

вание и перегонка газов ndash отделение примесей путем поглощения их различ-

ными химическими веществами

1 Очистка твердых веществ от примесей перекристаллизацией и

возгонкой

Перекристаллизация основана на различной растворимости одного и то-

го же вещества при различных температурах Под растворимостью понимают

содержание вещества в насыщенном растворе при данной температуре Она

выражается обычно в граммах безводного вещества на 100 г растворителя

(табл 3) или любым видом концентрации растворов (см работу 3)

Таблица 3

Растворимость солей г100 г воды

Формула соли Температура

оС

0 20 40 60 80

CuSO4 143 205 287 395 555

K2Cr2O7 46 125 259 455 730

NaNO3 727 876 1049 1247 1490

КNO3 133 316 639 1100 1690

NH4Cl 294 372 458 552 656

Зависимость растворимости от температуры изображается также кривы-

ми растворимости (рис 9) Пользуясь табл 3 и рис 9 можно определить

например что в 100 г воды при 20 и 80 оС растворяется соответственно 316 и

1690 г нитрата калия Очевидно при охлаждении насыщенного при 80 оС рас-

твора нитрата калия до 20 оС должно выпасть 1690 ndash 316 = 1374 г соли Чем

ниже температура до которой охлаждают раствор тем большее количество

кристаллов выпадает в осадок

33

При небольшом изменении растворимости в результате повышения тем-

пературы (например хлорида натрия) раствор сначала упаривают а затем

охлаждают Иногда для кристаллиза-

ции к насыщенному водному раствору

вещества добавляют реагенты пони-

жающие его растворимость в воде

(например спирт ацетон концентри-

рованную соляную кислоту) Это явле-

ние называется laquoвысаливаниемraquo

Вещества применяемые в лабо-

раторной практике содержат как пра-

вило немного растворимых приме-сей

относительно которых раствор нена-

сыщен Поэтому при кристал-лизации

вещества из насыщенного раствора

примеси остаются в маточ-ном раство-

ре Маточным называется раствор

оставшийся после отфиль- тровыва-

ния выпавших кристаллов

Рис 9 Кривые растворимости Для получения более чистых ве-

некоторых солей ществ осуществляют повторную крис-

таллизацию

Возгонка ndash это переход вещества при нагревании из твердого состояния

непосредственно в пар минуя жидкое Этим методом очищают твердые веще-

ства от нелетучих примесей например йод серу нафталин хлорид аммония

салициловую кислоту и др Пары возгоняемого вещества конденсируются в

кристаллы на поверхности охлажденных предметов

2 Очистка жидкостей перегонкой

Перегонка основана на различии состава жидкой и паровой фаз Жидкая

фаза одного состава превращается в пар с последующей конденсацией его сно-

ва в жидкость другого состава Этим методом очищают жидкие смеси от рас-

творенных в них твердых веществ или менее летучих жидкостей

Различают несколько способов перегонки жидкостей под нормальным

давлением уменьшенным давлением и с водяным паром

Перегонкой под нормальным давлением пользуются в тех случаях когда

очищаемые жидкости при нагревании не разлагаются и не имеют слишком вы-

сокую температуру кипения Индивидуальное вещество при постоянном давле-

нии кипит при строго определенной температуре Поэтому температура кипе-

ния является характеристикой чистоты вещества Оно тем чище чем меньше

разница между температурой кипения очищаемого вещества и температурой

при которой оно перегоняется

34

3 Очистка газов

Газы для очистки пропускают через поглотительные сосуды содержащие

твердые или жидкие поглотители вступающие в химические реакции с приме-

сями и не реагирующие с очищаемым газом Этот процесс включает высуши-

вание и удаление специфических примесей образующихся в процессе его по-

лучения Пары воды можно поглощать концентрированной серной кислотой

прокаленным хлоридом кальция оксидом фосфора (V) силикагелем безвод-

ным сульфатом меди пары аммиака и хлороводорода ndash водой

Экспериментальная часть

Опыт 1 Очистка медного купороса перекристаллизацией

Пользуясь табл 4 рассчитайте четырьмя способами сколько граммов

воды и медного купороса следует взять для приготовления насыщенного при 80 оС раствора соли из которого при охлаждении до 20

оС выделилось бы 10 г

пентагидрата или 64 г безводного сульфата меди

Таблица 4

Растворимость

безводного сульфата меди и кристаллогидрата сульфата меди

при 80 и 20 оС

t оС

Масса г Масса раствора

г CuSO4 Н2О CuSO4times5Н2О Н2О

80 555 100 8672 6878 1555

8069 14539 12608 100 22608

20

205 100 3203 8847 1205

1594 7774 2490 6878 9368

2317 11303 362 100 1362

I способ расчет на 10 г CuSO4middot5Н2О

m (CuSO4middot5Н2О) m (Н2О)

80 оC 8672 6878

20 оC 2490 6878

II способ расчет на 10 г CuSO4middot5Н2О

m (CuSO4middot5Н2О) m (Н2О)

80 оC 12608 100

20 оC 3620 100

III способ расчет на 64 г CuSO4

m (CuSO4) m (Н2О)

80 оC 5550 100

20 оC 1594 1774

35

IV способ расчет на 64 г CuSO4

m (CuSO4) m (Н2О)

80 оC 8069 14539

20 оC 2317 11303

Примеры расчета масс веществ

Пример 1 Какие массы дихромата калия и воды необходимо взять для

получения очищенной соли массой 30 г если перекристаллизация будет прово-

диться в температурном интервале 80ndash20 оС

Решение

1) По табл 3 находим что при 80 оС в 100 г воды растворяется 7300 г

дихромата калия а при 20 оС ndash 1250 г

2) Следовательно при охлаждении раствора от 80 до 20 оС выделится

7300 ndash 1250 = 6050 г соли

3) Массу дихромата калия необходимую для получения 30 г очищенной

соли вычисляем следующим образом

для выделения 6050 г соли требуется 7300 г дихромата калия

для 30 г -------------------- х г х = 5060

0073middot30= 3619 г

4) Объем воды в котором должна быть растворена эта навеска рассчиты-

вается так

73 г дихромата калия растворяются в 100 г воды

362 г -------------------------------------- в х г

х = 73

100middot236= 4959 г (4959 мл так как плотность воды принимаем

равной 1 гмл)

Пример 2 Какую массу воды и медного купороса надо взять для приго-

товления насыщенного при 80 оС раствора соли из которого при последующем

охлаждении до 0 оС выделяется пентагидрат сульфата меди (II) массой 20 г

Решение

1) Учитывая растворимости безводного сульфата меди при 80 и 0 оС рас-

считаем какой массе кристаллогидрата соответствует масса безводной соли

555 и 143 г (CuSO4)

М(CuSO4middot5Н2О) = 250 гмоль М(CuSO4) = 160 гмоль

160 г безводной соли содержится в 250 г кристаллогидрата

555 г ----------------------------------- в х г

х = 160

250middot555= 867 г (80

оС)

160 г безводной соли содержится в 250 г кристаллогидрата

143 г ----------------------------------- в у г

у = 160

250middot314= 223 г (0

оС)

36

2) Вычисляем массу воды необходимую для растворения кристаллогид-

рата при соответствующих температурах

80 оС 100 ndash (867 ndash 555) = 688 г

0 оС 100 ndash (223 ndash 143) = 92 г

3) Масса медного купороса растворенная в воде массой 688 г при 0 оС

будет равна

в 92 г воды растворяются 223 г медного купороса

в 688 г ----------------------- х г

х = 688middot223

92= 1668 г

4) Масса кристаллогидрата выделяющегося при охлаждении от 80 до

0 оС равна 867 ndash 167 = 700 г

5) По условию задачи требуется получить медный купорос массой 20 г

Для выделения 70 г кристаллогидрата необходимо растворить его 867 г

для выделения 20 г ----------------------------------------------------------- х г

х = 2477 г

6) Масса воды необходимая для растворения 2477 г кристаллогидрата

для растворения 867 г кристаллогидрата требуется 668 г воды

для 2477 г ---------------------------------------------------- х г

х = 1965 г или 1965 мл (так как ρ OH2= 1 гмл)

Рассчитанную массу медного купороса взвесьте поместив его на часовое

стекло Отмерьте мерным цилиндром (см рис3) необходимый объем дистил-

лированной воды Вылейте воду в стакан из термостойкого стекла и нагрейте

до начала кипения Затем поместите навеску медного купороса в стакан с

нагретой водой и растворите при помешивании стеклянной палочкой Если по-

лученный раствор прозрачный и не содержит механических примесей то охла-

дите его до 20 оС помешивая стеклянной палочкой Если в приготовленном ис-

ходном растворе содержатся нерастворимые примеси то прежде чем охладить

раствор его необходимо отфильтровать через воронку для горячего фильтро-

вания (рис 10) с применением складчатого фильтра (рис 11)

Для нагрева воронки можно использовать

горячую воду из водопроводной сети Воронка имеет боковой отросток под который подстав-

ляют газовую горелку для нагревания находя-

щейся между стенками воды

При фильтровании легко воспламеняю-

щихся жидкостей применяют воронки с элек-

трическим обогревом

Рис 10 Воронка для горячего фильтрования

37

Для изготовления складчатого фильтра нужно взять соответствующий

размеру воронки квадрат из фильтровальной бумаги сложить его пополам и за-

тем еще раз пополам Внешние углы обрезать по дуге сложить laquoгармошкойraquo

При изготовлении простого фильтра приготовить конус как описано вы-

ше отогнуть один листочек и полученный конус вставить в воронку смочить

его дистиллированной водой (рис 12) Необходимо чтобы фильтр плотно при-

легал к стенкам воронки и между ними не было пузырьков воздуха Край филь-

тра должен быть ниже края воронки не менее чем на 05 см (рис 12 г)

Рис 11 Складчатый фильтр Рис 12 Изготовление простого фильтра

а-в ndash стадии изготовления г ndash фильтр помещен в воронку

Стеклянную воронку с развернутым складчатым фильтром поместите в

воронку для горячего фильтрования фильтр смочите ди-

стиллированной водой Жидкость перелейте на фильтр по

стеклянной палочке (рис 13) держать которую нужно в ле-

вой руке профильтруйте и охладите раствор до 20 оС

Выпавшие кристаллы отделите от маточного раствора

с помощью прибора изображенного на рис 14

Он состоит из фарфоровой воронки Бюхнера (1) колбы Бун-

зена (2) водоструйного вакуум-насоса или насоса Камовско-

го На сетчатое дно воронки Бюх-

нера положите два кружка филь-

тровальной бумаги Чтобы выре-

зать эти фильтры на верх воронки

положите два листа фильтроваль-

ной бумаги и плот-но прижмите

ладонью затем ножницами вы-

режьте один по обозначенному

контору другой ndash на 3ndash4 мм Рис 13 Фильтрование

меньше

На дно воронки вначале положите фильтр меньшего

размера затем большего смочите их дистиллирован-

ной водой и прижмите края к стенкам воронки

Вставьте воронку в колбу Бунзена перенесите в нее

кристаллы вместе с маточным раствором подсоеди-

Рис 14 Установка для ните прибор к насосу и включите его После отделе-

фильтрования с примене- ния кристаллов промойте их в 5ndash10 мл холодной дис- нием вакуума

38

тиллированной воды для удаления остатков маточного раствора

При перекристаллизации нужно получить вещество в кристаллах средне-

го размера так как крупные кристаллы обычно содержат включения маточного

раствора с находящимися в нем примесями а очень мелкие будучи свобод-

ными от этих включений образуют густую кашицу между отдельными кри-

сталлами которой прочно удерживается маточный раствор и отмыть его полно-

стью без потери вещества не удается

Снять кристаллы с воронки перевернув ее на лист фильтровальной бу-

маги и осторожно постучав по ее стенкам Сушить кристаллы нужно в сушиль-

ном шкафу или между листами фильтровальной бумаги до тех пор пока они

не перестанут прилипать к сухой стеклянной палочке Взвесьте перекристал-

лизованную соль и рассчитайте ее выход в процентах Раствор очищенной со-

ли и маточный раствор испытайте на присутствие хлорид-ионов (Реакция с

нитратом серебра в пробирку с небольшим количеством раствора добавьте

каплю раствора нитрата серебра и две капли азотной кислоты Выпавший бе-

лый осадок является хлоридом серебра)

Для уменьшения потери вещества при перекристаллизации маточный

раствор можно упарить наполовину и выделить новую порцию вещества по ме-

тодике описанной выше

Опыт 2 Возгонка йода

Взвесьте на часовом стекле 020 г йода 005 г йодида калия и 010 г окси-

да кальция (оксид кальция необходим для поглощения влаги йодид калия ndash для

очистки от примесей кислородных и других соединений йода) Смесь помести-

те на дно низкого тонкостенного стакана без носика и осторожно размешайте

стеклянной палочкой Накройте стакан круглодонной колбой наполненной

холодной водой (рис 15)

Поставьте стакан на кольцо штатива с асбестовой сеткой осторожно

нагрейте его дно пламенем спиртовки и наблюдайте возгонку йода По окон-

чании процесса прекратите нагревание и дайте стакану охладиться не снимая с

него колбы Затем поднимите колбу и осторожно снимите стеклянной палочкой

йод на предварительно взвешенное часовое стекло (кристаллы йода не сни-

мать металлическим шпателем так как йод взаимодействует с большинством

металлов) Определите массу йода и рассчитайте его выход в процентах

39

а б

Рис 15 Возгонка йода а ndash начало процесса б ndash конец процесса

Опыт 3 Очистка водопроводной воды перегонкой

Для очистки водопроводной воды соберите прибор для перегонки пред-

ставленный на рис 16 Он состоит из колбы Вюрца (1) в которую вставлен

термометр холодильника Либиха (2) аллонжа (3) колбы-приемника (4) с

хлоркальциевой трубкой Проверьте водопроводную воду на содержание в ней

ионов хлора (с использованием раствора нитрата серебра) ионов кальция и

магния

Для доказательства

наличия ионов кальция и

магния в пробирку налейте

5ndash6 мл водопроводной во-

ды добавьте 1 мл амми-

ачной буферной смеси и 3ndash

4 капли индикатора эри-

хрома черного Т Винно-

красная окраска жидкости

свидетельствует о наличии в

воде ионов кальция и маг-

ния фиолетовая ndash указы-

Рис16 Установка для перегонки воды вает на их отсутствие

Далее колбу Вюрца на 13 объема наполните водопроводной водой поместите

в нее для равномерного кипения жидкости несколько стеклянных капилляров

запаянных с одного конца Закройте отверстие колбы Вюрца пробкой с термо-

40

метром (ртутный шарик термометра должен быть немного ниже уровня отвод-

ной трубки колбы) Заполните холодильник водой (ток воды подается снизу

вверх) Приемник закройте пробкой снабженной аллонжем и хлоркальциевой

трубкой с натронной известью для поглощения углекислого газа из воздуха

Нагрейте на электроплитке воду до кипения предварительно положив под дно

колбы асбестовую сетку Отметьте при какой температуре закипит жидкость

Когда в приемнике соберется приблизительно 10 мл воды нагревание

прекратите Проверьте содержит ли дистиллированная вода ионы которые бы-

ли в водопроводной

Опыт 4 Очистка углекислого газа

Соберите прибор для получения и очистки оксида углерода (IV) (см

рис 1) Он состоит из аппарата Киппа и двух промывных склянок Тищенко В

одной из них находится дистиллированная вода (или раствор гидрокарбоната

натрия) в другой ndash концентрированная серная кислота

Получите углекислый газ в аппарате Киппа Для этого загрузите мрамор в

его средний шар и налейте через воронку такое количество 20 раствора соля-

ной кислоты чтобы он закрыл часть мрамора

Пропустите в течение 2 мин слабый ток оксида углерода (IV) через про-

мывные склянки Убедитесь с помощью обезвоженного сульфата меди содер-

жащегося в хлоркальциевой трубке что углекислый газ сухой Исследуйте

жидкость в склянке с дистиллированной водой на содержание в ней хлорид-

ионов Сделайте выводы

Вопросы и задачи

1 На чем основан процесс перекристаллизации

2 Как перекристаллизовать вещества растворимость которых изменяется

от температуры незначительно

3 Какой раствор называется маточным

4 Где остаются примеси после перекристаллизации и почему

5 От каких факторов зависит величина кристаллов Какие кристаллы со-

держат меньше примесей мелкие или крупные

6 От каких примесей освобождаются при очистке твердых веществ воз-

гонкой На чем основан этот метод

7 С какой целью при возгонке к йоду добавляют йодид калия и оксид

кальция

8 На каких физических процессах основана перегонка

41

9 Какой принцип лежит в основе работы холодильника

10 С какой целью при перегонке в колбу Вюрца добавляют так называе-

мые laquoкипелкиraquo (стеклянные трубки пористые материалы и т д)

11 От каких примесей очищается водопроводная вода при перегонке

12 Какие примеси присутствуют в диоксиде углерода полученном в ап-

парате Киппа и как их устранить

13 В насыщенном при 60 оС растворе сульфата калия его массовая доля

равна 154 Выразите растворимость в граммах на 100 г воды

Ответ 1829 г

14 Какая масса хлорида аммония выпадает в осадок при охлаждении до

0 оС насыщенного при 80

оС раствора массой 800 г

Ответ 17488 г

15 Какую массу воды и дихромата калия нужно взять для получения соли

массой 30 г если насыщение осуществлять при 60 а кристаллизацию ndash при

20 оС

Ответ 9090 г 4136 г

16 Какую массу нитрата натрия можно получить из раствора приготов-

ленного путем насыщения при 60 оС 25 мл воды и охлаждении до 0

оС (раство-

римость веществ приведена в табл 3)

Ответ 13 г

Следует уметь

1 Рассчитывать массы растворенного вещества и растворителя необхо-

димые для получения заданной массы очищенной соли

2 Взвешивать на весах отмерять жидкость цилиндром нагревать хими-

ческую посуду на электроплитке

3 Изготавливать простые и складчатые фильтры фильтровать при обыч-

ном давлении и под вакуумом

4 Рассчитывать практический выход продуктов

5 Правильно называть приборы и химическую посуду

6 Пользоваться аппаратом Киппа холодильником Либиха воронкой го-

рячего фильтрования

7 Проверять воду на чистоту

42

Работа 5 Определение изменения энтальпий физико-химических

процессов

Задания для подготовки к лабораторной работе

1 Повторите основные понятия изменение энтальпии реакции ∆rН изме-

нение энтальпии образования вещества ∆fН тепловой эффект реакции Qр-ции

тепловой эффект образования вещества Qобр закон Гесса и следствия из него

2 Ознакомьтесь с устройством калориметрической установки и зарисуйте

ее схему (рис 17)

Теоретическая часть

Большинство химических реакций сопровождается переходом химиче-

ской энергии в тепловую экзотермические реакции осуществляются с выделе-

нием тепла эндотермические ndash с поглощением

Количество тепла выделяющегося или поглощающегося при химической

реакции называется тепловым эффектом реакции который обозначается Qр-ции

или Qr где индекс laquorraquo ndash первая буква английского слова reaction

Тепловой эффект химической реакции при постоянном давлении Qр (ин-

декс laquoрraquo указывает постоянное давление) численно равен изменению энтальпии

∆rН взятой с противоположным знаком Qp = minus∆rН Тепловой эффект и измене-

ние энтальпии химической реакции измеряются в килоджоулях (кДж) или в ки-

локалориях (ккал) Уравнения химических реакций в которых указываются

тепловые эффекты или изменения энтальпии называются термохимическими

Энергетические эффекты различных процессов определяют эксперимен-

тально а термохимические расчеты проводят на базе основного закона термо-

химии ndash закона Гесса тепловой эффект изменение энтальпии изменение внут-

ренней энергии химической реакции зависят от природы и состояния исходных

веществ и конечных продуктов но не зависят от числа и характера промежу-

точных стадий процесса Этот закон лежит в основе расчета Q ∆Н ∆U различ-

ных процессов minus образования разложения сгорания растворения гидратации

нейтрализации и др

Если в ходе процесса при постоянном давлении системой совершается

работа расширения то Qp = ∆U + Р middot ∆V РV = nRT Р middot ∆V = ∆n middot RT

∆Н = ∆U + ∆n middot RT ∆U = ∆Н minus ∆n middot RT где ∆n ndash изменение числа молей газооб-

разных продуктов реакции и исходных веществ (∆n = продn minus исх

n )

Тепловой эффект (изменение энтальпии) растворения ndash теплота растворе-

ния (энтальпия растворения) данного вещества в данном растворителе опреде-

ляется количеством теплоты (изменением энтальпии) которое выделяется или

поглощается при растворении одного моля вещества в таком количестве рас-

творителя что дальнейшее прибавление последнего уже не вызывает дополни-

тельного теплового эффекта (изменения энтальпии)

Пример 1 Растворение Na2SO4 сопровождается выделением теплоты

(29 кДжмоль) а при растворении кристаллогидрата Na2SO4middot10Н2О происходит

43

поглощение теплоты (787 кДжмоль) Вычислите изменение энтальпии гидра-

тации

Решение

1 Термохимическое уравнение растворения Na2SO4

Na2SO4 (к) + aq rarr Na2SO4middotaq ∆Н1 (растворения безводной соли) = minus29 кДж

2 Процесс гидратации безводной соли

Na2SO4 (к) + 10Н2О(ж) rarr (Na2SO4 middot10Н2О)(к) ∆Н2 (гидратации) minus

3 Термохимическое уравнение растворения кристаллогидрата

Na2SO4middot10Н2О + aq rarr Na2SO4middot aq ∆Н3 (растворения кристаллогидрата) =

= 787 кДж

В соответствии с законом Гесса процесс растворения безводной соли (1)

складывается из процесса гидратации (2) и процесса растворения кристалло-

гидрата (3) те ∆Н1 = ∆Н2 + ∆Н3

Тогда ∆Н2 (гидратации) = ∆Н1 (растворения безводной соли) minus ∆Н3 (рас-

творения кристаллогидрата) = minus29 кДж minus 787 кДж = minus816 кДж

1-е следствие из закона Гесса изменение энтальпии реакции равно

сумме изменения энтальпий образования продуктов реакции за вычетом

суммы изменения энтальпий образования исходных веществ с учетом сте-

хиометрических коэффициентов

Пусть аА + бБ = сС + дД а б с д ndash стехиометрические коэффициенты

Тогда ∆rН = с middot ∆fНС + д middot ∆fНD minus а middot ∆fНА minus б middot ∆fНВ

Пример 2 Вычислите ∆Н 0

298 растворения NaOH в воде при образовании

раствора с концентрацией См = 1 мольл

Решение

Процесс растворения NaOH схематически выражается уравнением

NaOH(к) + aq rarr Na (р)

+ OH р

∆fН0

298 кДжмоль minus4268 minus2397 minus2284

∆rН0

298 = minus2397 minus 2284 + 4268 = minus413 кДж

Опыт подтверждает что растворение твердого NaOH сопровождается

разогреванием раствора

2-е следствие из закона Гесса изменение энтальпии реакции равно

сумме изменения энтальпий сгорания исходных веществ за вычетом суммы

изменения энтальпий сгорания продуктов реакции (с учетом стехиомет-

рических коэффициентов)

Пример 3 Вычислите ∆Н 0

298 реакции которая выражается уравнением

СН3СООН(ж) + С2Н5ОН(ж) = СН3СООС2Н5(ж) + Н2О(ж) ∆rН0

1 minus

Изменение энтальпии этого процесса можно рассчитать алгебраически

суммируя энтальпии сгорания

СН3СООН(ж) + 2О2(г) = 2СО2(г) + 2Н2О(ж) ∆rН0

2 = minus8711 кДж

2С2Н5ОН(ж) + 3О2(г) = 2СО2(г) + 3Н2О(ж) ∆rН0

3 = minus1367 кДж

СН3СООС2Н5(ж) + 5О2(г) = 4СО2(г) + 4Н2О(ж) ∆rН0

4 = minus2284 кДж

44

∆rН0

1 = ∆rН0

2 + ∆rН0

3 minus ∆rН

0

4 = minus8711 minus1367 + 22840 = minus46 кДж

Различают изменение энтальпий фазовых и химических превращений К

фазовым относят сублимацию испарение плавление полиморфные превраще-

ния переход из аморфного состояния в кристаллическое Разновидностью хи-

мических реакций служат процессы электролитической диссоциации и химиче-

ские превращения в водных растворах электролитов

Большое значение для развития химии имеет определение изменения эн-

тальпии нейтрализации кислоты щелочью ∆Ннейтр одного моля сильной кисло-

ты одним молем сильного основания ndash величина постоянная Этот факт объяс-

няет теория электролитической диссоциации Аррениуса согласно которой лю-

бая реакция нейтрализации сводится к следующему процессу

Н р-р

+ ОН р-р

= Н2О(ж)

∆fН0

298кДжмоль 0 minus23019 minus28583 Изменение энтальпии этой реакции

∆Н 0

298 нейтр = minus28583 + 23019 = minus556 кДж

∆Ннейтр слабых кислот слабыми основаниями ndash величина переменная за-

висящая от их констант диссоциации и соответственно от концентрации ионов

водорода Н р-р

и гидроксид-ионов ОН р-р

в растворе и имеет значение мень-

шее чем 556 кДжмоль

Экспериментальная часть

Опыт 1 Определение изменения энтальпии нейтрализации сильного

основания сильной кислотой

Для проведения опыта используйте калориметрическую установку

(рис 17) Она состоит из калориметрического стакана (1) вставленного в дру-

гой стакан (2) который играет роль теплоизо-

лирующей муфты подставки (3) крышки (4)

термометра (5) мешалки (6) пипетки (7) шта-

тива (8)

Взвесьте калориметрический стакан и

влейте в него из пипетки (бюретки) 25 мл рас-

твора NaOH или КОН с концентрацией Сэ

= 1 мольл и отметьте температуру с точностью

до 01 оС В другой стакан налейте из бюретки

25 мл НСl или HNO3 такой же концентрации и

измерьте с той же точностью температуру рас-

твора кислоты Затем быстро но аккуратно

влейте раствор кислоты в калори-

Рис 17 Калориметрическая метрический стакан Перемешивая мешалкой

установка содержимое сосуда отметьте максимальную

температуру смеси

Полученные данные используйте для расчетов Расчет проводите по сле-

дующей схеме

45

1 Вычислите изменение энтальпии реакции

NaOH (КОН) + НСl (HNO3) = Н2О + NaCl (KCl)

∆rН0 = (mж middot Cж + mст middot Cст) middot ∆t ∆t = tкон minus tнач где tкон tнач ndash конечная и

начальная температуры (оС) растворов в калориметрическом сосуде mст mж ndash

масса стеклянного калориметрического сосуда и находящейся в нем жидкости

Cст Cж ndash удельные теплоемкости стекла и жидкости Начальная температура ndash

это среднеарифметическая температура щелочи и кислоты конечная ndash наивыс-

шая температура после сливания растворов плотность раствора принять равной

1 гмл его удельную теплоемкость ndash равной теплоемкости воды

(4184 ДжгmiddotК) а удельную теплоемкость стекла ndash 0753 ДжгmiddotК Массу стакана

(mст) определяют в зависимости от того какая часть его объема заполняется

раствором (если наполовину то стm

2)

2 Составьте ионно-молекулярное уравнение реакции нейтрализации и

рассчитайте изменение энтальпии нейтрализации одного моля эквивалента

кислоты по результатам проведенного опыта

3 Определите относительную ошибку опыта (в процентах)

Опыт 2 Определение изменения энтальпии нейтрализации слабого

основания слабой кислотой

Проведите опыт аналогично первому взяв растворы аммиака и уксусной

кислоты с концентрацией Сэ = 1 мольл Вычислите изменение энтальпии

нейтрализации в расчете на 1 моль эквивалентов уксусной кислоты Сравните

результаты с данными предыдущего опыта

Опыт 3 Определение изменения энтальпии растворения безводного

сульфата меди (II)

Опыт проведите в калориметрической установке (см рис 17) В предва-

рительно взвешенный калориметрический стакан налейте 30 мл дистиллиро-

ванной воды определите ее температуру с точностью до 01 оС Взвесьте 1 г

безводного сульфата меди (II) с точностью до 001 г Быстро и аккуратно

всыпьте соль в калориметрический сосуд Размешивая его содержимое мешал-

кой отметьте максимальную температуру Зная разность температур общую

массу раствора и приняв удельную теплоемкость раствора равной удельной

теплоемкости воды рассчитайте изменение энтальпии данного процесса на

1 моль безводной соли

I 1 CuSO4 (к) + aq rarr CuSO4 middot aq ∆Н 0

р-ния б сminus

Имея в виду что гидратация безводной соли и растворение кристалло-

гидрата выражаются следующими термохимическими уравнениями

1 CuSO4(к) + 5H2O(ж) = CuSO4middot5H2O(к) ∆Н 0

1 = minus778 кДж ndash изменение

II энтальпии при гидратации

2 CuSO4middot5H2O(к) + aq = CuSO4 middot aq ∆Н 0

2 = 117 кДж ndash изменение энталь-

пии растворения кристаллогидрата рассчитайте ∆Н 0

р-ния б с CuSO4 на основе за-

46

кона Гесса ∆Н(р-ния б с) = ∆Н(гидрат) + ∆Н(р-ния кристаллогидрата) Сравните теоретиче-

ские и экспериментально рассчитанные значения изменения энтальпии и опре-

делите относительную погрешность опыта (в процентах)

Опыт 4 Определение изменения энтальпии гидратации карбоната

натрия

Опыт проведите по методике описанной в опыте 3 Взятая навеска кар-

боната должна составлять примерно 07 г Опыт и расчеты повторите для кри-

сталлогидрата Na2CO3middot10Н2О (навеска ndash 15 г на 30 мл воды) По найденным

изменениям энтальпий растворения Na2CO3 и Na2CO3middot10Н2О вычислите изме-

нение энтальпии гидратации карбоната натрия и сравните с литературными

данными

(∆Н 0

р-ния б с= minus251 кДжмоль ∆Н

0

гидрат = minus920 кДжмоль

∆Н 0

р-ния кристаллогидрата = 669 кДжмоль)

Вопросы и задачи

1 Почему химические и фазовые превращения сопровождаются выделе-

нием или поглощением энергии Почему в одних случаях энергия выделяется а

в других поглощается

2 Рассчитайте среднюю энергию связи в молекулах СН4 и SiH4 если из-

вестны изменения энтальпий образования Н (г) С (г) Si (г) и СН4 (г) SiH4 (г)

Объясните различия средней энергии связи С ndash Н Si ndash Н

Ответ 415325 кДжмоль

3 Вычислите среднюю энергию связи Н ndash О в молекуле воды если из-

вестно изменение энтальпии образования Н2О (г) Н (г) и О (г)

Ответ 462 кДжмоль

4 Вычислите изменение энтальпии реакции нейтрализации растворов

КОН и НСl CsOH и H2SO4 NaOH и HNO3 в случае очень разбавленных рас-

творов в расчете на 1 моль Н2О в стандартных условиях Почему изменение эн-

тальпий этих реакций одинаковы Почему значения изменения энтальпий

нейтрализации разных слабых оснований и кислот различны

Ответ minus556 кДжмоль

5 При растворении 10 г СаСl2 в 200 мл воды температура раствора повы-

силась на 77 К Вычислите изменение энтальпии гидратации СаСl2 если изме-

нение энтальпии растворения СаСl2middot6Н2О равна 1908 кДжмоль Удельную

теплоемкость раствора примите равной удельной теплоемкости воды

(4184 ДжгmiddotК) Ответ minus9423 кДжмоль

6 При растворении 8 г хлорида аммония в 20 г воды температура понизи-

лась на 2 оС Вычислите ∆Н растворения NH4Cl в воде принимая удельную

теплоемкость полученного раствора равной 41870 Дж(г middot К)

Ответ minus163 кДжмоль

47

7 Рассчитайте ∆rН растворения алюминия в разбавленной соляной кисло-

те если стандартные изменения энтальпий образования реагирующих веществ

равны ∆fНHCl (p-p) = minus1675 кДжмоль ∆fН 3 р-р

AlCl = minus6723 кДжмоль

Ответ minus3396 кДж

8 При растворении 5206 г BaCl2 в 400 моль Н2О выделяется 216 кДж

теплоты Вычислите ∆Н гидратации безводного BaCl2

Ответ 2713 кДжмоль

9 При растворении 16 г СаС2 в воде выделяется 313 кДж теплоты Опре-

делите изменение стандартной энтальпии образования Са(ОН)2

Ответ minus98633 кДжмоль

10 Вычислите изменение энтальпии при сгорании 20 л диборана (ну)

если ∆fН (В2О3 (к)) = minus1264 кДжмоль ∆fН (В2Н6 (г)) = 314 кДжмоль Целе-

сообразно ли использовать в качестве топлива диборан вместо этана если

стандартное изменение энтальпии сгорания этана равно minus155988 кДжмоль

Ответ minus19220 кДж

Следует уметь

1 Используя калориметрический метод рассчитывать энтальпию различ-

ных физико-химических процессов

2 Вычислять энтальпию реакции по энтальпиям образования исходных

веществ и конечных продуктов пользуясь законом Гесса и его следствиями

3 Учитывать влияние прочности химических связей в продуктах реакции

и исходных веществах на энтальпию реакции

48

Библиографический список

1 Еремин В В Основы общей и физической химии В В Еремин

А Я Борщевский ndash М Интеллект 2012 ndash 800 c

2 Неорганическая химия в 3 т под ред Ю Д Третьякова ndash М Ака-

демия 2011 minus 2012 ndash Т 1 ndash 240 с Т 2 ndash 368 с Т 3 (1) ndash 352 с Т 3 (2) ndash 400 с

3 Павлов Н Н Общая и неорганическая химия Н Н Павлов ndash М Лань

2011 ndash 496 с

4 Росин И В Общая и неорганическая химия Современный курс И

В Росин Л Д Томина ndash М Юрайт 2012 ndash 1338 с

5 Шрайвер Д Неорганическая химия в 2-х т Д Шрайвер П Эткинс ndash

М Мир 2013 Т 1 ndash 679 с Т 2 ndash 486 с

Содержание

Правила работы в химической лабораторииhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip3

Работа 1 Определение молярных масс газообразных веществhelliphelliphelliphellip4

Работа 2 Определение молярных масс эквивалентовhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip12

Работа 3 Приготовление растворовhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip24

Работа 4 Методы очистки веществhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip32

Работа 5 Определение изменения энтальпий

физико-химических процессовhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip42

Библиографический списокhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip48

Page 7: МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ К ЛАБОРАТОРНОМУ ...phys-chem.mrsu.ru/wp-content/uploads/2017/11/...МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ К ЛАБОРАТОРНОМУ

7

Д И Менделеева Аr можно рассчитать по формуле Аr = ат эл-таm (кг г)

аем (кг г) Аr minus ве-

личина безразмерная Подстрочная буква laquorraquo minus первая буква английского слова

relative или латинского relativus ndash относительный сравнительный масса атома

сравнивается с 1 аем

Пример

Аr (О) = 159994 Это означает что масса атома кислорода больше аем

в 159994 раз Аr (Н) = 10079 ndash масса атома водорода больше 1 аем в

10079 раз Аr (С) = 12011 ndash масса атома углерода в 12011 раз больше 1 аем

Относительная молекулярная масса (Мr) простого или сложного веще-

ства ndash безразмерная величина равна отношению средней массы естественного

изотопического состава вещества к 1 аем Мr =

мол-лыm кг г

аем кг г Значения Мr рас-

считывают из величин Аr элементов образующих соединения с учетом коли-

чества атомов каждого из них Если химическая формула вещества АхВуСz то

Мr = х middot Аr (А) + y middot Аr (В) + z middot Аr (С)

Пример Мr (N2O5) = 2 middot Аr (N) + 5 middot Аr (О) = 2 middot 14007 + 5 middot 15999 = 108009 те

масса молекулы N2O5 в 108009 раз больше 1 аем

Молярная масса вещества (М) ndash это масса 1 моля вещества Единицы

измерения гмоль кгмоль гкмоль кгкмоль и т д М = m

где m ndash масса ν

молей вещества Молярная масса выраженная в гмоль или кгкмоль численно

равна относительной молекулярной (Мr) а для простых веществ состоящих из

одного атома ndash относительной атомной (Аr) массе Для вещества имеющего

формулу АхВуСz М = х middot М (А) + y middot М (В) + z middot М (С) (гмоль)

Пример

Аr (Cs) = 132905 М (Cs) = 132905 гмоль

Мr(SO2) = Аr (S) + 2 middot Аr (O) = 32064 + 159994 middot 2 = 64063

М(SO2) = 64063 гмоль

1 моль атомов цезия или 6022middot1023

атомов цезия весят 132905 г 1 моль

молекул SO2 или 6022middot1023

молекул SO2 весят 64063 г

Молярный объем газа (Vm) ndash объем занимаемый 1 молем газа Единица

измерения Vm ndash лмоль м3моль млмоль лкмоль и др

1 моль любого газа при одинаковых условиях (Р Т) занимает одинаковый

объем (V) (закон Авогадро) Молярный объем газа при нормальных условиях

(ну 0 оС или 273 К 760 мм рт ст или 101 325 Па)

V 0

m = 224 лмоль = 224middot10minus3

м3моль

Таким образом 1 моль любого газа при ну занимает объем равный

224 л

Vm и V 0

m рассчитываются по формулам

Vm =

V V 0

m =

0V где ν ndash количество вещества (моль) V и V0 minus объемы

газов (мл л м3) соответственно при любых условиях (V) и при ну (V0)

8

Молярный объем газа равен отношению объема (V) к количеству веще-

ства (ν)

Масса 1 л любого газа m = 0

m

М(гмоль)middot1(л)

V (л моль)

Количество вещества (ν) ν = m

М =

mV

V=

0

m

0

V

V

Молярная масса вещества М (гмоль) = m (г) middot 0

m

0

V (л моль)

V (л)

Относительная плотность одного газа (х) по другому газу (В) обозна-

чается Dв ndash величина безразмерная показывающая во сколько раз масса газа х

(mх) больше массы газа В (mв) такого же объема измеренных при одинаковых

условиях (Р Т)

Dв = в

m

mx

Если mх и mв взяты для веществ в количестве 1 моль то Dв = в

M

Mx

Dв показывает во сколько раз 1 моль газа х тяжелее 1 моля газа В

Для расчета Dв можно использовать и абсолютные плотности газов (ρ) В

этом случае Dв = в

ρ

ρx

Таким образом Dв = в

m

mx

= в

M

Mx

= в

ρ

ρx

Мх = Dв middot Мв

Абсолютная плотность вещества (ρ) в любом агрегатном состоянии ndash

это масса единицы его объема

ρ = m

V (кгм

3 гл гмл)

Пример

а) Относительная плотность СО2 по Н2

D2Н =

2

2

H

CO

m

m =

2

2

H

CO

M

M где m

2CO и m2H ndash массы СО2 и Н2 при одинаковых V

Р Т М2CO и М

2H ndash молярные массы СО2 и Н2 те массы СО2 и Н2 объемом

224 л при ну М2CO = D

2Н middot M2H

б) Относительная плотность СО2 по воздуху

Dвозд= возд

CO

m

m2 =

возд

CO

M

M2 М

2CO = Dвозд middot Мвозд

Уравнение Клапейрона ndash Менделеева

PV = νRT = M

mRT P V T ndash условия при которых проводится опыт ν

ndash количество вещества R ndash универсальная газовая постоянная которая рассчи-

тывается по формуле R = 0 0

0

P V

νТ ν = 1 моль

а) R = 3 3101325 Паmiddot (224middot10 ) м

1мольmiddot273 К

= 8314 Дж

моль middotК

9

Па = 2

кг

мmiddotс Дж =

2

2

кг middotм

с= Па middot м

3

б) R = 760 мм рт стmiddot224л

1мольmiddot273 К= 624

мм ртстmiddotл

моль middotК

R = 62 400 мм ртст middotмл

моль middot К

в) R = -3 3 5 222415 10 м 101330 10 Нм

1 моль 273 К

= 8314

Дж

моль К

Из уравнения Клапейрона ndash Менделеева

Мх = mRT

P V где Мх ndash молярная масса определяемого газа m ndash его масса

P V T ndash давление объем температура соответствующие условиям опыта Для

углекислого газа М2CO = 2COm RT

P V

Экспериментальная часть

Опыт 1 Определение молярной массы оксида углерода (IV)

Целью лабораторной работы является знакомство с методами определе-

ния молярной массы газа на примере оксида углерода (IV) приобретение навы-

ков взвешивания и расчетов по газовым законам

1 Собрать прибор как показано на рис 1

2 Записать уравнение реакции получения СО2

3 Сухую колбу с воздухом плотно закрыть пробкой и восковым каран-

дашом сделать отметку по глубине вхождения пробки в горло колбы

1 ndash шарообразная воронка

2 3 ndash соединенные между собой

резервуары

4 5 ndash тубусы 6 ndash кран

7 ndash перетяжка

8 9 ndash промывные склянки

10 ndash приемник СО2

Рис 1 Установка для получения и очистки диоксида углерода состоящая из аппарата

Киппа промывных склянок и приемника СО2

4 Взвесить колбу с пробкой и воздухом на весах

(рис 2) записать в журнале m1 (г) ndash масса колбы с проб-

кой и воздухом

5 Наполнить колбу оксидом углерода (IV) из аппа-

рата Киппа опустив конец газоотводной трубки до дна

колбы Скорость пропускания газа отрегулировать так

чтобы его пузырьки можно было считать при прохожде-

Рис 2 Весы лабораторные нии их через склянки с водой (или раствором

компактные NaHCO3) и концентрированной серной кислотой

10

6 Полноту наполнения колбы углекислым газом проверить с помощью

горящей лучины Держа колбу в вертикальном положении вставить в нее

пробку Закрыть кран аппарата Киппа

7 Взвесить колбу с диоксидом углерода запи-

сать результат взвешивания m2 (г) ndash масса колбы с

пробкой и СО2

8 Провести контрольный опыт колбу повторно

наполнить углекислым газом из аппарата Киппа за-

крыть ее и снова взвесить Разница между взвешивани-

ями не должна быть больше 002 г в противном случае

опыт повторить

9 Записать значения температуры и давления

во время проведения эксперимента

10 Для измерения объема (V) колбы и соответ-

ственно объема газов заполняющих ее наполнить

колбу до метки водой комнатной температуры

11 Измерить объем воды перелив ее из кол-

бы в мерный цилиндр (рис 3) и результат изме-

рения (V мл) при условиях проведения эксперимента Рис 3 Мерные цилиндры

записать в журнал

12 Привести объем (V) газа к ну (V0) используя объединенный газовый

закон

T

PV=

0

00

T

VP V0 = 0

0

P VT

T P

13 Зная V0 рассчитать массу воздуха в объеме колбы (m3)

m3 = возд 0

0

m

M V

V=

029 гмоль V л

224 л моль (по закону Авогадро)

14 Рассчитать массу пустой колбы (без воздуха) m4 = m1 ndash m3 (из массы

колбы с воздухом вычесть массу воздуха)

15 Рассчитать массу СО2 в объеме колбы (m5)

m5 = m2 ndash m4 (из массы колбы с СО2 вычесть массу пустой колбы)

16 Рассчитать М2CO (эксп) по методу Авогадро

М2CO (эксп) =

0

5 m

0

m V

V где V0 рассчитывается по п12

17 Рассчитать Dвозд = 3

5

m

m М

2CO (эксп) = Мвозд middot Dвозд (метод расчета

М2CO используя его относительную плотность по воздуху)

18 Если колбу заполнить водородом то его масса в объеме колбы (m6)

будет равной

m6 = 2H 0

0

m

M V

V =

02 гмоль middotV л

224 л моль

19 Рассчитать D2Н D

2Н = 6

5

m

m М

2CO (эксп) = М2Н middot D

11

20 Рассчитать М2CO (эксп) по уравнению Клапейрона ndash Менделеева

М2CO (эксп) = 5m R T

PV где Р V Т ndash условия проведения эксперимента

21 Рассчитать М2CO (теор) = М(С) + М(О) middot 2

22 Рассчитать относительную ошибку опыта по формуле

К = теор

эксптеор

М

ММ middot 100 Ошибка не должна превышать 2

Вопросы и задачи

1 Определите что тяжелее (при одинаковых условиях)

ndash сухой углекислый газ или равный объем газа содержащий водяные па-

ры

ndash метан сухой или метан содержащий водяные пары

2 Смесь озона с кислородом имеет плотность по водороду равную 18

Определите процентный состав смеси (по объему)

Ответ 25 О3 75 О2

3 Вычислите молярную массу газа всеми возможными методами если

062middot10minus3

м3 при 294 К и 101 325 Па имеют массу 124middot10

minus3 кг Сколько молекул

содержится в данном объеме

Ответ 48 гмоль 156middot1022

молекул

4 Зная молярную массу кислорода и азота а также учитывая что в воз-

духе содержится 24 мас кислорода и 76 мас азота определите среднюю

молярную массу воздуха

Ответ 29 гмоль

5 Плотность жидкого хлора равна 15 гмл Сколько литров газообразно-

го хлора получится из 80 мл жидкого хлора

Ответ 379 л

6 Определите в каком объеме аргона при 20 оС и давлении 1 333 Па со-

держится 5middot1016

молекул

7 Найдите относительную плотность по воздуху газовой смеси состоя-

щей из азота кислорода и оксида углерода (IV) объемные доли которых равны

соответственно 60 20 и 20

8 При прокаливании 1 кг СаСО3 получены 056 кг СаO и 0224 м3 СО2

(ну) Подтверждают ли эти данные закон сохранения массы веществ

9 Смешаны водород кислород и оксид углерода (IV) массой по 1 кг каж-

дый Найдите объемные и молярные доли этих газов в полученной смеси

12

10 Вычислите а) объем 20 т (ну) аммиака б) массу 10 мл паров толуола

С7Н8 в) массу молекулы оксида углерода (II)

Следует уметь

1 Пользоваться аппаратом Киппа

2 Взвешивать на электронных весах

3 Заполнять сосуды газами различной плотности

4 Экспериментально определять массу и объем газа при определенных

температуре и давлении

5 Рассчитывать молярную массу вещества по полученным эксперимен-

тальным данным различными способами а) по методу Авогадро б) используя

относительную плотность одного газа по другому газу в) по уравнению Кла-

пейрона ndash Менделеева

Работа 2 Определение молярных масс эквивалентов

простых и сложных веществ

Задания для подготовки к лабораторной работе

1 Повторите основные понятия эквивалент фактор эквивалентности

молярная масса эквивалента масса эквивалента количество вещества эквива-

лента молярный объем эквивалента закон эквивалентов

2 Ознакомьтесь с устройством прибора (рис 4) и методикой определения

молярной массы эквивалента алюминия

3 Ознакомьтесь с методикой экспериментального определения молярной

массы эквивалента карбоната кальция

Теоретическая часть

Эквивалент (э) ndash это либо реальная либо условно существующая струк-

турная единица вещества которая эквивалентна (равноценна) одному положи-

тельно поляризованному атому водорода одному иону водорода одному элек-

трону или одному эквиваленту любого другого вещества

1 э (Н) равноценен 1 атому (Н) (1 эквивалент водорода равноценен

1 атому водорода)

1 э (Н+) равноценен 1 иону (Н

+)

1 э (окислителя или восстановителя) равноценен 1 ē

Пример

а) В соединениях Н2О NН3 СН4 с одним эквивалентом положительно по-

ляризованных атомов водорода соединяются 1

2 доля атома (О)

1

3 доля атома

(N) 1

4доля атома (С) э (О) =

1

2атома (О) э (N) =

1

3 атома (N) э (С) =

1

4атома

(С) В молекуле HCl с 1 э (Н+) соединяется 1 ион Cl

minus э (Cl

minus) = 1 иону Cl

minus

б) Кислотно-основное взаимодействие по теории Аррениуса сводится к

процессу

Н+

(р-р) + ОНminus

(р-р) rarr Н2О(ж)

13

С одним ионом водорода взаимодействует один гидроксид-ион Эквива-

лент (ОНminus) равноценен иону (ОН

minus)

в) Са(ОН)2 + Н2SО4 rarr СаSО4darr + 2Н2О

Одному Н+ эквивалентны

1

2доля иона Са

2+ 1 ион ОН

minus

1

2доля иона

SO 2

4

э (Са2+

) = 1

2 иона Са

2+ э

(SO 2

4

) = 1

2иона SO 2

4

э (ОНminus) = 1 иону ОН

minus э

(Са2+

) э (SO 2

4

) ndash условно существующие частицы э (ОНminus) ndash реальная частица

г) Al(NO3)3 + H3PO4rarrAlPO4 + 3HNO3 Одному Н+ эквивалентны

1

3 доля

Al3+

1 ион NO3

1

3 доля иона РО 3

4

э (Al3+

) = 1

3иона Al

3+ э (NO

3

) = иону NO3

э (РО 3

4

) = 1

3 иона РО 3

4

э (NO3

) ndash реальная частица э (Al3+

) э (РО 3

4

) ndash условно

существующие частицы

+5 +4 +6 minus1

д) КСlО3 + 3MnO2 + 6KOH rarr3K2MnO4 + KCl + 3H2O

ClO3

+ 3H2O + 6 ē rarr Clminus + 6OH

minus 1

MnO2 + 4OHminus minus 2 ē rarr MnO 2

4

+ 2H2O 3

Одна молекула КСlО3 принимает 6 ē значит э (КСlО3) = 1

6 часть моле-

кулы КСlО3 Одна молекула MnO2 отдает 2 ē значит э (MnO2) = 1

2часть моле-

кулы MnO2 В схеме реакции с учетом стехиометрических коэффициентов

участвуют по 6 эквивалентов КСlО3 MnO2 KOH

Фактор эквивалентности (fЭ) ndash число которое показывает какая доля

атома молекулы иона является эквивалентом Если fЭ = 1 то эквивалент ndash ре-

альная частица так как он равноценен атому молекуле или иону если fЭ lt 1 то

эквивалент ndash условная частица так как эквивалент в этом случае какая-то доля

реально существующей частицы

fЭ = 1

z где z ndash эквивалентное число

Для элементов и молекул простых веществ состоящих из одного атома

fЭ = 1

B где В ndash валентность элемента образующего простое вещество те

z = В

Пример

fЭ (Н) = 1 fЭ (О) = 1

2 fЭ (

V

P ) = 1

5 fЭ (Са) =

1

2 fЭ (Al) =

1

3 fЭ (Na) = 1

fЭ (III

P ) = 1

3

Для простых веществ состоящих из нескольких атомов fЭ = 1

B n где nndash

количество атомов элемента в молекуле простого вещества те z = В n

14

Пример

fЭ (Н2) = 1

1 2 =

1

2 fЭ (О2) =

1

2 2=

1

4 fЭ (Г2) =

1

1 2 =

1

2 fЭ (N2) =

1

3 2 =

= 1

6 fЭ (О3) =

1

2 3 =

1

6

Для элемента входящего в состав любого сложного вещества fЭ = 1

х

где х ndash степень окисления этого элемента взятая по модулю

Пример

MnO fЭ (Mn) = 1

2 Mn2O3 fЭ (Mn) =

1

3

MnO2 fЭ (Mn) = 1

4 Mn2O7 fЭ (Mn) =

1

7

Для оксидов R2Oх fЭ = 1

2x где х ndash степень окисления элемента образу-

ющего оксид те z = |2x| Таким образом

fЭ(оксида)=

1

сумма по модулю всех зарядов + или поляризованныхчастиц образующих оксид

fЭ (Al2O3)=

1

3 2 =

1

2 3 =

1

6 fЭ (ОsО4) =

1

8 1 =

1

2 4 =

1

8

Для кислот оснований солей

fЭ = 1

сумма по модулю всех зарядов катионов или анионов

fЭ (Н3РО4) =

1

1 3 =

1

3 1 =

1

3 =

1

основность кислоты z = 3

fЭ (Al(ОН)3) =

1

3 1 =

1

1 3 =

1

3 =

1

кислотность основания z = 3

fЭ (Na2SО4) =

1

1 2 =

1

2 1 =

1

2 z = 2

fЭ [Al2(SО4)3] =

1

3 2 =

1

2 3 =

1

6 z = 6

fЭ (NaНSО4) =

1

1 1 =

1

1 1 = 1 z = 1

fЭ [(AlОН)Cl2] =

1

2 1 =

1

1 2 =

1

2 z = 2

fЭ 3 4 2Cu NH OH =

1

2 1 =

1

1 2 =

1

2 z = 2

Фактор эквивалентности (fЭ )и эквивалентное число (z) зависят от ос-

новности кислоты или кислотности основания в соответствии с которыми они

вступают в химическое взаимодействие

Пример

а) 2Н3РО4 + 3Са(ОН)2 rarr Са3(РО4)2 + 6Н2О

15

Основность кислоты равна 3 кислотность основания равна 2 так как в

кислоте замещаются 3 иона водорода в основании ndash 2 гидроксид-иона

z (Н3РО4) = 3 z (Са(ОН)2) = 2 fЭ (Н3РО4) = 1

3 fЭ (Са(ОН)2) =

1

2

б) 2Н3РО4 + Са(ОН)2 rarr Са(Н2РО4)2 + 2Н2О

Основность кислоты равна 1 кислотность основания ndash 2

z (Н3РО4) = 1 z (Са(ОН)2) = 2 fЭ (Н3РО4) = 1 fЭ (Са(ОН)2) = 1

2

в) Н3РО4 + Са(ОН)2 rarr СаНРО4 + 2Н2О

Основность кислоты равна 2 кислотность основания равна 2

z (Н3РО4) = 2 z (Са(ОН)2) = 2 fЭ (Н3РО4) = 1

2 fЭ (Са(ОН)2) =

1

2

г) Н3РО4 + 3Са(ОН)2 rarr (СаОН)3РО4 + 3Н2О

Основность кислоты равна 3 кислотность основания равна 1

z (Н3РО4) = 3 z (Са(ОН)2) = 1 fЭ (Н3РО4) =1

3 fЭ (Са(ОН)2) = 1

д) 2Al(OH)3 + Н2SO4 rarr [Al(OH)2]2SO4 + 2Н2О

Основность кислоты равна 2 кислотность основания равна 1

z (Al(OH)3) = 1 z (Н2SO4) = 2 fЭ (Al(OH)3) =1 fЭ (Н2SO4) = 1

2

е) Al(OH)3 + Н2SO4 rarr [Al(OH)]SO4 + 2Н2О

Основность кислоты равна 2 кислотность основания равна 2

z (Al(OH)3) = 2 z (Н2SO4) = 2 fЭ (Al(OH)3) =1

2 fЭ (Н2SO4) =

1

2

Для окислительно-восстановительных реакций fЭ (окислителя) = 1

n

fЭ (восстановителя) = 1

n где n ndash число электронов принятых или отдан-

ных 1 молекулой или 1 ионом окислителя или восстановителя соответственно

Пример

MnO4

+ 8H+ + 5 ē rarr Mn

2+ + 4Н2О z = 5 fЭ =

1

5

SO 2

3

+ Н2О minus 2 ē = SO 2

4

+ 2H+ z = 2 fЭ =

1

2

Молярная масса эквивалентов вещества (Мэ гмоль) ndash это масса

1 моля эквивалентов вещества или 6022middot1023

эквивалентов вещества

Мэ = fЭ middot М = M

z =

m

э где М ndash молярная масса гмоль m ndash масса (г) ве-

щества количеством νэ (моль)

Пример

Мэ (Н) = fЭ middot М (Н) = 1 middot 1008 гмоль = 1008 гмоль

Мэ (Н2) = 1

2middot М (Н2) =

1

2middot 2016 гмоль = 1008 гмоль

Мэ (О) = 1

2middot М (О) =

1

2middot 16 гмоль = 8 гмоль

16

Мэ (О2) = 1

4middot М (О2) =

32 гмоль

4 = 8 гмоль

Мэ (Na) = М (Na) = 23 гмоль

Мэ (ОНminus) = М (ОН

minus) = 17 гмоль

Мэ (С) в СО = 12 гмоль

2 = 6 гмоль

Мэ (С) в СО2 = 12 гмоль

4 = 3 гмоль

Для оксидов R2Oх

Мэ (R2Ox) = fЭ middot М (R2Ox)

Мэ (R2Ox) = Мэ (R) + Мэ (O) = fЭ (R) middot М (R) + 8

Пример

Мэ (Al2O3) = 1

6middot M (Al2O3) =

102 гмоль

6 = 17 гмоль

Мэ (Al2O3) = 27 гмоль

3+ 8 гмоль = 17 гмоль

Мэ (кислоты) = fЭ middot М (кислоты)

Мэ (кислоты) = 1

основность кислотыmiddot М (кислоты)

Мэ (кислоты) = Мэ (Н+) + Мэ (А

minus) = 1 гмоль + fЭ middot М (А

minus) = 1 гмоль +

+1

заряд анионаmiddot М (А

minus) где А

minus minus кислотный остаток

Пример

Мэ (Н3РО4) = 1

3middot М (Н3РО4) =

1

3middot 98 гмоль = 3267 гмоль

Мэ (Н3РО4) = Мэ (Н+) + Мэ (РО 3

4

) = 1 + 1

3middot М (РО 3

4

) = 1 гмоль + 1

3middot

middot 95 гмоль = 1 гмоль + 3167 гмоль = 3267 гмоль

Мэ (основания) = fЭ middot М (основания)

Мэ (основания) = 1

кислотность основанияmiddot М (основания)

Мэ (основания) = Мэ (Мn+

) + Мэ (ОНminus) = fЭ middot М (М

n+) + fЭ middot М (ОН

minus) =

= 1

nmiddot М (М

n+) + 17

Пример

Мэ (Al(OH)3) = 1

3middot 78 гмоль = 26 гмоль

Мэ (Al(OH)3) = 1

3middot 27 гмоль + 17 гмоль = 9 гмоль + 17 гмоль =

= 26 гмоль

Для солей состава КхАу

Мэ (соли) = fЭ middot М (соли) = Мэ (Ку+

) + Мэ (Ахminus

) = fЭ (Ку+

) middot М (Ку+

) +

+ fЭ (Ахminus

) middot М (Ахminus

)

17

Пример

Мэ (Al2(SO4)3) = 1

6 middot М [Al2(SO4)3] =

342 гмоль

6 = 57 гмоль

Мэ (Al2(SO4)3) = 27

3 +

96

2 = 9 гмоль + 48 гмоль = 57 гмоль

Мэ (окислителя или восстановителя) = fЭ middot М (в-ва) = 1

nmiddot М (в-ва) где n ndash

число отданных или принятых электронов z ndash эквивалентное число = n

Пример

а) Мэ (KMnO4) = 1

5middot М (KMnO4) =

1

5middot 158 гмоль = 316 гмоль (при пере-

ходе MnO4

в Mn+2

)

Мэ (MnO2) = 1

2middot М (MnO2) =

1

2middot 87 гмоль = 435 гмоль (при переходе

MnO2 в MnO 2

4

)

При определении Мэ веществ участвующих в химических реакциях сле-

дует учитывать их fЭ

Пример

а) Аl(OH)3 + H3PO4 rarr AlPO4 + 3H2O

Мэ (Аl(OH)3) = 1

3middot М (Аl(OH)3)

Мэ (H3PO4) = 1

3middot М (H3PO4)

б) 3Аl(OH)3 + H3PO4 rarr [Al(ОН)2]3PO4 + 3H2O

Мэ (Аl(OH)3) = М (Аl(OH)3)

Мэ (H3PO4) = 1

3middot М (H3PO4)

в) 3Аl(OH)3 + 2H3PO4 rarr [Al(ОН)]3(PO4)2 + 6H2O

Мэ (Аl(OH)3) = 1

2middot М (Аl(OH)3)

Мэ (H3PO4) = 1

3middot М (H3PO4)

г) Аl(OH)3 + 3H3PO4 rarr Al(Н2PO4)3 + 3H2O

Мэ (Аl(OH)3) = 1

3middot М (Аl(OH)3)

Мэ (H3PO4) = М (H3PO4)

д) 2Аl(OH)3 + 3H3PO4 rarr Al2(НPO4)3 + 6H2O

Мэ (Аl(OH)3) = 1

3middot М (Аl(OH)3)

Мэ (H3PO4) = 1

2middot М (H3PO4)

е) Fe(OH)2Cl + HCl rarr Fe(OH)Cl2 + H2O

Мэ (Fe(OH)2Cl) = М (Fe(OH)2Cl)

Fe(OH)2Cl + 2HCl rarr FeCl3 + 2H2O

18

Мэ (Fe(OH)2Cl) = 1

2middot М (Fe(OH)2Cl)

Fe(OH)2Cl + NaOH rarr Fe(OH)3 + NaCl

Мэ (Fe(OH)2Cl) = М (Fe(OH)2Cl)

ж) KCr(SO4)2 + 3KOH rarr Cr(OH)3 + 2K2SO4

Мэ (KCr(SO4)2) = 1

3middot М (KCr(SO4)2)

KCr(SO4)2 + 6KOH rarr K3[Cr(OH)6] + 2K2SO4

Мэ (KCr(SO4)2) = 1

6middot М (KCr(SO4)2)

и) MnSO4 + 2KOH rarr Mn(OH)2 + K2SO4

Мэ (MnSO4) = 1

2middot М (MnSO4)

MnSO4 + 2Cl2 + 8KOH rarr K2MnO4 + 4KCl + K2SO4 + 4H2O

Мэ (MnSO4) = 1

4middot М (MnSO4)

2MnSO4 + 5K2S2O8 + 8H2O rarr 2HMnO4 + 2H2SO4 + 10KHSO4

Мэ (MnSO4) = 1

5middot М (MnSO4)

Масса эквивалента вещества (mэ) (г кг hellip)

mэ = э

A

M

N = fЭ middot

A

M

N=

M

z NA =

э A

m

ν N

Пример

mэ (Mg) =

A

M Mg

N =

23 1

12 гмоль

6022 10 моль = 1993middot10

minus23 г

mэ (СаСО3) = 23 1

300г

6моль 6022 10 моль = 83029middot10

minus23 г

Таким образом эквивалент фактор эквивалентности эквивалентное чис-

ло масса эквивалента молярная масса эквивалента ndash величины переменные

зависящие от валентности степени окисления количества атомов зарядов

ионов в молекулах веществ основности кислоты кислотности основания а в

окислительно-восстановительных реакциях ndash от количества отданных или при-

нятых электронов

Количество вещества эквивалента (νэ моль)

νэ = эM

m =

Э

m

Мf = в-ва

Эf

=

m z

M

где m ndash масса вещества г

Пример

m (Аl) = 135 г Мэ (Аl) = 1

3 middot 27 гмоль = 9 гмоль

ν (Аl) = 135г

9гмоль = 15 моль

В 135 г алюминия содержится 15 молей эквивалентов алюминия или (15

middot NA) эквивалентов алюминия z = 3 1 моль атомов алюминия эквивалентен 3

молям эквивалентов алюминия или (3 NA) эквивалентам алюминия

19

1 моль электронов эквивалентен числу Фарадея

F = 160217733middot10minus19

Кл middot 60221367middot10minus1

моль = 96485309 Клмоль

(Клmiddotмольminus1

)

Пример

m = M (O2) νэ = 32г

8гмоль = 4 моль

1 моль молекул O2 содержит 4 моль эквивалентов кислорода

Для сложных веществ Мэ и νэ могут быть рассчитаны по fЭ который ха-

рактеризует их в данной реакции

Молярный объем эквивалента газообразного вещества (Vэ) (лмоль

м3кмоль м

3моль) ndash это объем занимаемый 1 молем эквивалентов этого ве-

щества

Vэ= fЭ middot Vm = 0V

э V 0

э = fЭ middot V

0

m = 0V

э

Пример

V 0

э (О2) =

1

4middot 224 лмоль = 56 лмоль

Это означает что 1 моль эквивалентов О2 при ну занимает объем равный

56 л

V 0

э (Н2) =

1

2middot 224 лмоль = 112 лмоль те 1 моль эквивалентов Н2 при

ну занимает объем равный 112 л

1 моль молекул О2 или 4 моля эквивалентов О2 при ну занимают объем

224 л 1 моль молекул Н2 или 2 моля эквивалентов Н2 при ну занимают объем

224 л

Закон эквивалентов массы веществ реагирующих друг с другом или об-

разующихся в результате химической реакции соотносятся между собой как

их молярные массы эквивалентов

2

1

m

m =

э (1)

э (2)

M

M

1

э (1)

m

М=

2

э (2)

m

М

1

э (1)

m

М = νэ (1)

2

э (2)

m

М = νэ (2)

νэ (1) = νэ (2) ndash количество эквивалентов каждого из участников химической

реакции

Для газообразного вещества

э

m

M =

э

V

V =

0

0

э

V

V = νэ

Закон эквивалентов для химической реакции с участием газа

1

э (1)

m

М=

2

э 2

V

V=

0

2

0

э 2

V

V = νэ (1) = νэ (2)

Мэ (1) =

0

э (2)1

0

2

m middotV

V

Экспериментальное определение эквивалентов и молярных масс эквива-

лента различных веществ может быть проведено различными методами

20

Б2

Л1

Т

Б1

Л2

П

Г

1 Метод прямого определения Эквивалент и молярную массу эквива-

лента устанавливают исходя из соединений данного элемента с водородом или

кислородом

2 Косвенный метод в котором вместо водорода и кислорода использу-

ют другие элементы и вещества с известным эквивалентом и молярной массой

эквивалента

3 Метод вытеснения водорода из кислоты металлом взятой навески

Применим к металлам которые способны вытеснять водород из щелочей и раз-

бавленных кислот

4 Аналитический метод Эквивалент определяют из результатов хими-

ческого анализа элемента в одном из его соединений

5 Электрохимический метод основан на законе Фарадея согласно ко-

торому asymp 96 500 Кл электричества выделяют из электролитов при электролизе

1 моль эквивалентов вещества

Экспериментальная часть

Опыт 1 Определение молярной массы эквивалента алюминия мето-

дом вытеснения

Метод основан на реакции взаимодействия алюминия с соляной кислотой

и измерении объема выделившегося водорода

Собрать прибор представленный на рис 4 Заполнить 14 часть пробирки

раствором соляной кислоты (с массовой долей 15 ) Наклонив пробирку на

ее сухую сторону поместить предварительно взвешенную алюминиевую

Установка состоит из двух бюреток рабочей изме-

рительной Б1 и уравнительной Б2 соединенных

резиновой трубкой Т и заполненных подкрашен-

ной водой К рабочей бюретке при помощи газо-

отводной трубки Г присоединена пробирка П

Рис 4 Лабораторная установка для определения молярной массы эквивалента алюминия

21

фольгу (0015ndash0020 г) так чтобы она не соприкасалась с кислотой Присоеди-

нить пробирку к бюретке и проверить прибор на герметичность Для этого во-

ронку опустить на 10ndash15 см Если прибор герметичен то уровень воды в бю-

ретке несколько снизится а затем останется без изменения Привести давление

в бюретке к атмосферному для чего установить уровень воды в бюретке и во-

ронке на одной высоте в бюретке ndash около нулевого деления но не выше Отме-

тить и записать положение нижнего края мениска в бюретке (А1) После этого

пробирку со штативом наклонить так чтобы кислота смыла алюминиевую

фольгу Для начала реакции содержимое пробирки нагреть на спиртовке (не ка-

саться фитилем дна пробирки не кипятить) Выделяющийся водород бу-

дет вытеснять воду из бюретки После окончания реакции пробирку не снимая

с прибора охладить до комнатной температуры опустив ее в стакан с холодной

водой Затем привести давление внутри прибора к атмосферному и отметить

уровень воды в бюретке (А2)

Объем выделившегося водорода при комнатных условиях V2H = (А2 ndash А1)

привести по объединенному газовому закону (T

PV=

0

00

T

VP) к ну (V0 (H2)) учи-

тывая что общее давление Р = P пар OH2+ P

2Н (где P ndash парциальное давление)

откуда P2Н = Р ndash P пар OH2

тогда объединенный газовый закон T

Vmiddot)P (P пар OH2=

= 0

00

T

VP V

0(H2) = 22общ пар 0 HН О

0

(P Р )middotТ V

Р Т

Таблица 1

Зависимость давления водяного пара от температуры

Т К P OН2 Па Т К P OН2

Па

289 181318 295 233976

290 193317 296 281301

291 206649 297 298641

292 219913 298 317306

293 233314 299 335971

294 247979 300 355970

На основании полученных данных и закона эквивалентов рассчитать молярную

массу эквивалента алюминия (Al)э

Al

M

m=

2

0 2

0

m ( ) H

V (H )

V э

Результаты измерений записать по следующей форме

Навеска

алюминия

г

V2H мл

(А2 ndash А1) Т К

Робщ

Па 2H OP Па V 20 H

мл

Мэ(Al)

гмоль

Ошиб

ка

22

Опыт 2 Определение молярной массы эквивалента карбоната каль-

ция косвенным методом

Взвесить в стакане около 3 г мрамора с точностью до 001 г (m1) При-

лить пипеткой (рис 5) 15 мл раствора соляной кислоты с мо-

лярной концентрацией эквивалента 1 мольл Как только выде-

ление углекислого газа замедлится нагреть стакан до 60ndash70 оС

выдержать при этой температуре до окончания реакции Затем

слить образовавшийся раствор с оставшихся кусочков мра-

мора промыть их два раза дистиллированной водой методом

декантации Стакан с оставшимся мрамором высушить в су-

шильном шкафу при 107 оС и после охлаждения взвесить (m2)

Зная количество молей эквивалентов вступившей в реакцию

соляной кислоты (νэ) и массу прореагировавшего мрамора m3

рассчитать по закону эквивалентов молярную массу эквивален-

та карбоната кальция

Рис 5 Пипетки мерные

Результаты эксперимента записать по следующей форме

m1 г m2 г m3 (CaCO3) =

= m1 ndash m2 г V (HCl) мл

Mэ(СaCO3)

гмоль

Ошибка

νэ (HCl) = Vр-ра (HCl) middot Сэ (HCl)

νэ (СaCO 3 ) = νэ (HCl) )(CaCO э

CaCO

3

3

M

m = Сэ (HCl) middot Vр-ра (HCl)

Мэ (СаСО3) =

3CaCO

HCl э(HCl)

m г

мольV л middotС

л

Вопросы и задачи

1 Как проверить на герметичность прибор для определения молярной

массы эквивалента металла методом вытеснения водорода

2 Как привести давление в герметически закрытом приборе к атмосфер-

ному

3 Под каким давлением по сравнению с атмосферным будет находиться

газ в сосуде если уровень воды в бюретке

а) выше чем в воронке (уравнительном сосуде)

б) ниже чем в воронке

в) на одном уровне

23

4 Как рассчитать парциальное давление газа если он собран над водой

5 Вычислите молярную массу эквивалента металла если навеска техни-

ческого металла массой 0035 г имеющего 20 примесей (не взаимодейству-

ющих с кислотой) вытесняет из кислоты 119 мл водорода собранного над во-

дой при температуре 17 оС и давлении 103middot10

5 Па (давление водяного пара над

водой при 17 оС равно 00193middot10

5 Па)

Ответ 2807 гмоль

6 Чему равны молярные массы эквивалентов мышьяка в его оксидах со-

держащих мышьяк а) 652 (мас) As б) 757 (мас) As

Ответ 1499 гмоль 2492 гмоль

7 Вычислите молярную массу эквивалента фосфорной кислоты и гидрок-

сида алюминия в уравнениях реакций

а) H3PO4 + Ca(OH)2 = CaHPO4 + 2H2O

б) Al(OH)3 + HNO3 = Al(OH)2NO3 + H2O

8 Рассчитайте молярную массу эквивалента олова если

а) при нагревании 092 г его в токе кислорода образуется оксид олова

массой 117 г

б) при восстановлении оксида олова массой 117 г водородом получена

вода массой 016 г

Ответ а) 2944 гмоль б) 5886 гмоль

9 Из 27 г оксида некоторого металла можно получить 63 г его нитрата

Вычислите молярную массу эквивалента металла

Ответ 325 гмоль

10 При восстановлении 51 г оксида металла (III) образовалось 27 г во-

ды Определите молярную массу эквивалента и относительную атомную массу

металла

Ответ 9 гмоль 27

Следует уметь

1 Рассчитывать фактор эквивалентности массу эквивалента и молярную

массу эквивалента элемента простого и сложного веществ исходя из формулы

вещества уравнений реакций в которых участвует вещество закона эквива-

лентов молярного объема эквивалентов любого газообразного вещества

2 Экспериментально определять молярную массу эквивалентов простых

и сложных веществ

24

Работа 3 Приготовление растворов

Задания для подготовки к лабораторной работе

1 Изучите теоретическое введение к лабораторной работе обратив особое

внимание на различные способы выражения содержания растворенного веще-

ства в растворе

2 Проведите все расчеты необходимые для выполнения опытов изучив

метод интерполяции и laquoправило крестаraquo

3 Ознакомьтесь с устройством ареометра мерной посудой и правилами

пользования ими

Теоретическая часть

Раствор ndash это гомогенная система переменного состава состоящая из рас-

творителя растворенных веществ (одного или нескольких) и продуктов их вза-

имодействия Компонент который количественно преобладает и находится в

том же агрегатном состоянии что и образующийся раствор называется раство-

рителем все остальные его части ndash растворенными веществами Основным

признаком характеризующим раствор является его однородность Процесс

растворения часто сопровождается значительными объемными и энергетиче-

скими эффектами По этим признакам растворы больше напоминают химиче-

ские соединения и тем самым отличаются от механических смесей С другой

стороны растворы не имеют строго определенного состава и в этом их суще-

ственное отличие от химических соединений

Первоначально процесс растворения идет самопроизвольно (∆Gр-ния lt 0) и

раствор является ненасыщенным При дальнейшем добавлении вещества

наступает момент когда вещество перестает растворяться и тогда избыток рас-

творенного вещества выпадает в осадок Система оказывается в состоянии ис-

тинного равновесия (∆Gр-ния = 0) те скорости осаждения и растворения равны

Раствор становится насыщенным Можно получить и пересыщенные растворы

те такие массовые доли растворенных веществ в которых выше чем в насы-

щенных растворах (при определенных температуре и давлении) Пересыщен-

ные растворы можно приготовить медленным охлаждением насыщенных при

высокой температуре растворов (например Na2S2O3 NaCH3COO и др) Они

представляют систему находящуюся в кажущемся равновесии (∆Gр-ния gt 0)

Встряхивание или внесение кристаллов того же вещества которое находится в

растворе или изоморфного с ним вызывает кристаллизацию В результате про-

исходит выделение избытка растворенного вещества и раствор становится

насыщенным

Способы выражения концентрации растворов

Состав любого раствора может быть выражен как качественно так и ко-

личественно Раствор с относительно низким содержанием растворенного ве-

щества называют разбавленным с относительно высоким ndash концентрирован-

25

ным Такая количественная оценка условна Например для серной кислоты

концентрированным считается раствор где массовая доля кислоты равна 98 а

для соляной ndash 38

Для количественной оценки состава растворов используют понятие laquoкон-

центрацияraquo Существуют различные способы ее выражения

1 Массовая доля растворенного вещества в растворе Она обознача-

ется Wрв (по первой букве английского слова laquoWeightraquo ndash вес) и рассчитывается

по формуле Wрв = )ткг г(m

)ткг г(m

ра-р

рв Она выражается в долях от единицы и пока-

зывает сколько граммов (кг т) растворенного вещества содержится в 1 г (кг т)

раствора Например W3NaNO = 005 Это означает что в каждом грамме (кг т)

раствора содержится 005 г (кг т) растворенного вещества Массовая доля рас-

творенного вещества в растворе может быть выражена и в процентах Wрв

= ра-р

рв

m

m middot 100 = Wрв middot 100 В этом случае W указывает сколько граммов (кг

т) растворенного вещества содержится в каждых 100 г (кг т) раствора Напри-

мер W3NaNO = 5 в каждых 100 г раствора содержится 5 г NaNO3 или в

каждых 100 кг (т) раствора ndash 5 кг (т) NaNO3

Раствор любой концентрации характеризуется своей плотностью ρ (гмл

кгл гл тм3) которая показывает сколько граммов (кг т) весит 1 мл (л м

3)

раствора данной концентрации Например ρ = 102 гмл Это означает что 1 мл

раствора данной концентрации весит 102 г Плотность раствора рассчитывает-

ся по формуле ρр-ра = ра-р

ра-р

V

m Плотность (ρ) ndash это величина для перехода от массы

раствора к его объему и наоборот

2 Молярная концентрация раствора (См) Ее значение показывает

сколько молей растворенного вещества содержится в 1 л раствора Например

См (р-ра KCl) = 5 мольл Это означает что в каждом литре такого раствора со-

держится 5 моль KCl Молярная концентрация рассчитывается по формуле

См = рв

р-ра

ν

V=

рв

рв р-ра

m

М middotV(мольл) где νрв minus количество растворенного вещества

(моль) mрв ndash масса растворенного вещества (г) М ndash молярная масса раство-

ренного вещества (гмоль) Vр-ра ndash объем раствора (л)

3 Молярная концентрация эквивалента раствора (эквивалентная кон-

центрация или нормальная концентрация) Она обозначается Сэ (используется

также Сн) Ее значение показывает сколько молей эквивалентов растворенного

вещества содержится в 1 л раствора Например Сэ (р-ра HNO3) = 2 мольл Это

означает что в каждом литре раствора содержится 2 моль эквивалентов HNO3

Молярная концентрация эквивалента раствора рассчитывается по формуле

Сэ = э рв

р-ра

ν

V=

рв

э рв р-ра

m

М middotV(мольл)

26

Растворы имеющие одинаковые значения Сэ реагируют между собой в

равных объемах так как содержат равные количества молей эквивалентов рас-

творенных веществ Если растворы имеют различные значения Сэ то вступаю-

щие в реакцию объемы этих растворов обратно пропорциональны их молярным

концентрациям эквивалента 2

1

V

V=

1 э

2 э

С

C или V1 middot Cэ 1 = V2 middot Cэ 2

4 Моляльная концентрация раствора (Сm) Ее значение показывает

сколько молей растворенного вещества содержится в 1 кг растворителя

Например Сm (р-ра H2SO4) = 10 молькг Это означает что в каждом кило-

грамме воды растворено 10 моль H2SO4 Моляльная концентрация раствора

рассчитывается по формуле Сm = рв

р-ля

ν

m=

рв

рв р-ля

m

М middotm(молькг)

5 Молярная (мольная) доля растворенного вещества в растворе Она

обозначается χрв Ее значение показывает сколько молей растворенного веще-

ства содержится в 1 моль раствора Например χ4CuSO = 002 Это означает что в

1 моль раствора содержится 002 моль CuSO4 Если в растворе только одно рас-

творенное вещество то χ ОH2= 098 Сумма мольных долей всех компонентов в

растворе равна единице те 1 моль Мольная доля растворенного вещества в

растворе рассчитывается по формуле χрв = ля-ррв

рв

νν

ν

=

ра-р

рв

ν

ν=

OH

OH

рв

рв

рв

рв

2

2

M

m

М

m

М

m

Если в растворе несколько (К) растворенных веществ то мольная доля любого

из компонентов в том числе растворителя рассчитывается по формуле

χi =

K

1i

i

i

ν

ν Например при наличии трех растворенных веществ и растворителя

χ1 = 4321

1

νννν

ν

χ2 =

4321

2

νννν

ν

χ3 =

4321

3

νννν

ν

χ4 = 4321

4

νννν

ν

χ1 + χ2 + χ3 + χ4 = 1

6 Титр раствора Этот вид выражения состава раствора обозначается

буквой Т Его значение показывает сколько граммов растворенного вещества

содержится в 1 мл раствора Например Т (р-ра Na2CO3) = 15 гмл Это означа-

ет что в каждом миллилитре такого раствора содержится 15 г Na2CO3 Титр

раствора рассчитывается по формуле Т = рв

р-ра

m

V (гмл)

27

Экспериментальная часть

Опыт 1 Приготовление пересыщенного раствора тиосульфата натрия

Положите в пробирку несколько кристаллов Na2S2O3middot5H2O и очень осто-

рожно нагрейте Закройте пробирку ватой и дайте ей охладиться Охлажден-

ную до комнатной температуры пробирку резко встряхните Нагреванием про-

бирки с солью снова получите прозрачный раствор Охладите и внесите не-

большой кристалл исходного вещества Объясните наблюдаемое

Опыт 2 Определение массовой доли серной кислоты по плотности

раствора

Наиболее простой и быстрый способ ndash с помощью ареометра Его приме-

нение основано на том что плавающее тело погружается в жидкость до тех пор

пока масса вытесненной жидкости не станет равной массе самого тела В рас-

ширенной нижней части ареометра находится груз на верхней узкой части ndash

шейке ndash нанесены деления показывающие плотность жидкости в которой

laquoплаваетraquo ареометр

Исследуемый (концентрированный) раствор серной кислоты налейте (под

тягой) в сухой чистый мерный цилиндр на frac34 его объема В раствор осторож-

но не касаясь стенок цилиндра опустите ареометр Каждый ареометр предна-

значен для измерения плотности в определенных пределах При выборе арео-

метра необходимо ориентировочно знать плотность данного раствора Вы-

яснив цену одного деления шкалы ареометра отметьте его показания (по ниж-

нему мениску раствора) Приподняв ареометр на 1ndash2 см вновь опустите его в

раствор и еще раз определите показания По справочной таблице найдите мас-

совую долю растворенного вещества в растворе Если такая величина в таблице

отсутствует то массовую долю находят методом интерполяции (определение

промежуточного значения по двум крайним) Например экспериментальное

показание ареометра равно 1124 гмл Находим ближайшие к этому табличные

значения плотности массовой доли и их разность

ρ гмл W

1130 1831

1120 1701

0010 130

Таким образом изменению плотности на 0010 гмл соответствует изме-

нение массовой доли на 130 Экспериментальное показание ареометра отли-

чается от меньшей табличной величины на 0004 гмл

ρ гмл W

1124

1120 1701

0004

С учетом того что в указанных пределах между плотностью и массовой

долей раствора зависимость линейная составляем пропорцию

28

0010 гмл -----------------130

0004 гмл ----------------- х х = 052

Найденное число (052 ) прибавляем к меньшей массовой доле

(1701 ) взятой из таблицы и соответствующей плотности 1120 Получаем

W = 1701 + 052 = 1753 что соответствует плотности 1124 гмл Этот спо-

соб определения содержания растворенного вещества в растворе применяют в

том случае если не требуется большой точности Более точный способ ndash опре-

деление с помощью титрования Обычно ареометры калибруются при 20 оС В

таблицах значения плотностей растворов приводятся при этой же температуре

Если не требуется особой точности табличными данными можно пользоваться

и для других температур

Опыт 3 Приготовление 50 мл 4 раствора сульфата меди из кри-

сталлогидрата CuSO4middot5H2O

Рассчитайте сколько граммов CuSO4middot5H2O и какой объем воды нужно

взять для приготовления 50 мл раствора с массовой долей CuSO4 4

Взвесьте вычисленную массу кристаллогидрата и перенесите в стакан емко-

стью 100 мл Отмерьте мерным цилиндром (см рис 3) рассчитанный объем

дистиллированной воды перелейте ее в стакан с навеской пентагидрата суль-

фата меди и перемешайте стеклянной палочкой до полного растворения кри-

сталлов соли Полученный раствор перелейте в мерный цилиндр и измерьте

плотность раствора По таблице найдите и запишите массовую долю CuSO4

отвечающую этому значению плотности (ρтеор (4 раствора CuSO4) =

= 104 гмл) пересчитайте на молярную концентрацию молярную концентра-

цию эквивалента моляльную концентрацию и титр раствора

Таблица 2

Исходные данные и полученные результаты приготовления

раствора сульфата меди

Задан-

ная

массо-

вая доля

W

ρтеор

гмл

Рассчитанные

массы компо-

нентов г ρэксп

гмл

Экспериментальные

значения Отн

ошиб

ка

CuSO4middot5H2O Н2О W

См

мольл

Сэ

мольл

Сm

молькг

Т

гмл

Опыт 4 Приготовление 100 мл раствора серной кислоты с молярной

концентрацией эквивалента 01 мольл из более концентрированного раз-

бавлением водой

Для приготовления растворов заданной молярной или эквивалентной

концентраций используются мерные колбы (рис 6) различного объема (25 50

100 200 250 500 1000 мл и более) Рассчитайте объем концентрированного

раствора серной кислоты массовая доля которого определена в опыте 2 необ-

29

ходимый для приготовления 100 мл рас-

твора серной кислоты с молярной кон-

центрацией эквивалента 01 мольл Кис-

лоту перенесите пипеткой (см рис 5) в

мерную колбу объемом 100 мл предвари-

тельно налив в нее примерно 20 мл ди-

стиллированной воды После этого до-

лейте воду в колбу до метки раствор

перемешайте и охладите до комнатной

Рис 6 Мерные колбы температуры Молярная концентрация

эквивалента полученного раствора должна быть близка к 01 мольл Точную

концентрацию раствора серной кислоты определите титрованием щелочью Для

титрования бюретку с наконечником (рис 7) заполните до нулевой

метки титрованным раствором щелочи

предварительно ополоснув им бюретку В

три конические колбы (рис 8) пипеткой

налейте по 10 мл приготовленной серной

кислоты Добавьте в каждую колбу по 2ndash3

капли фенолфталеина и поочередно титруй-

те раствором щелочи из бюретки Щелочь

приливайте медленно левой рукой правой

размешивая раствор Титрование считается

законченным если от прибавления следу-

ющей капли щелочи появляется малиновое

окрашивание которое не исчезает 30 с Рис 8 Колба коническая

Рис 7 Бюретка

мерная для титрования

Для более четкого определения изменения цвета под колбу для титрова-

ния поместите лист белой бумаги Запишите объем щелочи израсходованной

на титрование 10 мл раствора серной кислоты

Аналогично оттитруйте две другие пробы кислоты Результаты парал-

лельных определений не должны различаться между собой более чем на

005ndash010 мл Возьмите из них среднее и рассчитайте точную концентрацию

приготовленного раствора серной кислоты и его титр

Опыт 5 (дополнительный) Приготовление раствора серной кислоты

смешиванием растворов с более высокой и более низкой массовыми долями

Из концентрированного (опыт 2) и имеющегося (опыт 4) в лаборатории

растворов серной кислоты приготовьте 50 мл раствора с массовой долей серной

кислоты равной 30 Для расчета объемов исходных растворов воспользуй-

тесь laquoправилом крестаraquo

30

W1 m1

W

W2 m2

где W ndash массовая доля серной кислоты приготовляемого раствора W1 и W2 ndash

более высокая и более низкая массовые доли H2SO4 в исходных растворах (для

воды W = 0) m1 и m2 ndash массы исходных растворов с более высокой и более

низкой массовой долей Соотношения для исходных растворов таковы

m1 = W ndash W2 m2 = W1 ndash W Таким образом для получения раствора массой

m = (m1 + m2) c массовой долей W необходимо взять m1 г раствора с массовой

долей W1 и m2 г раствора с массовой долей W2 (или V1 р-ра = 1

1m

ρ V2 р-ра =

2

2m

ρ)

Отмерьте вычисленные объемы растворов слейте их в цилиндр объемом 100

мл перемешайте С помощью ареометра и таблицы установите содержание

растворенного вещества в растворе и расхождение практически полученного

значения с заданным

Вопросы и задачи

1 Что произойдет с насыщенным пересыщенным и ненасыщенным рас-

творами алюмокалиевых квасцов при внесении в каждый из них нескольких

кристаллов KAl(SO4)2middot12Н2О

2 Какой объем раствора в котором массовая доля КОН составляет 12

(ρр-ра = 1109 гмл) надо взять чтобы приготовить 250 мл раствора с молярной

концентрацией 2 мольл

Ответ 178 мл

3 В 1 кг воды растворено 666 г гидроксида калия Рассчитайте массовую

долю растворенного вещества в растворе и его концентрации (молярную мо-

ляльную молярную концентрацию эквивалента молярные доли щелочи и во-

ды титр раствора) если его плотность равна 1395 гмл

Ответ 40 995 мольл 119 молькг 0176 0824 0557 гмл

4 В лаборатории имеются растворы с массовыми долями хлорида калия

20 и 40 Сколько граммов каждого раствора надо взять для получения 500 г

раствора с массовой долей соли 25

Ответ 375 г 125 г

5 Плотность раствора карбоната калия равна 122 гмл Из 1 л этого рас-

твора при действии соляной кислоты получено 445 л СО2 (ну) Вычислите

процентное содержание К2СО3 в растворе и его молярную концентрацию экви-

валента

Ответ 225 397 мольл

31

6 В каких объемах должны быть смешаны 01 н и 60 (ρ = 1498 гмл)

растворы серной кислоты чтобы получить 1 л 1 н раствора Н2SO4

Ответ 493 и 9507 мл

7 К 005 л раствора хлорида марганца (II) (ρ = 1085 гмл W = 8 ) при-

бавлено 02 л раствора гидроксида лития массовая доля LiOH в котором 10

(ρ = 1107 гмл) Какое вещество взято в избытке и в каком количестве оно

останется после реакции

Ответ 27 г

8 Для осаждения сульфата бария из раствора BaCl2 (ρ = 106 гмл

W = 8 ) объемом 100 мл требуется раствор Н2SO4 объемом 139 мл Чему равна

молярная концентрация и моляльная концентрация эквивалента раствора

Н2SO4

Ответ 0294 и 0588 мольл

9 Растворы азотной кислоты и гидроксида натрия объемом 1 л каждый

содержат соответственно 189 г HNO3 и 32 г NaOH Какова молярная концен-

трация этих растворов и в каком объемном соотношении они должны быть

смешаны для получения нейтрального раствора

Ответ 03 и 008 мольл 1 375

10 Какова масса Al(OH)3 если для его растворения потребовалось 02 л

раствора азотной кислоты (ρ = 118 гмл W = 30 ) Какой объем 25 н раство-

ра КОН необходимо затратить для растворения этого количества гидроксида

алюминия

Ответ 292 мл 015 л

Следует уметь

1 Выражать содержание растворенного вещества в растворе различными

способами и осуществлять их взаимный пересчет

2 Готовить растворы смешиванием растворенного вещества и раствори-

теля разбавлением водой концентрированного раствора смешиванием двух

растворов разной концентрации выпариванием растворителя добавлением

растворяемого вещества к раствору

3 Пользоваться ареометром мерной посудой установкой для титрова-

ния методом интерполяции laquoправилом крестаraquo

4 Определять содержание растворенного вещества в растворе по его

плотности и с помощью титрования

Работа 4 Методы очистки веществ

Задания для подготовки к лабораторной работе

1 Ознакомьтесь со следующими элементами техники выполнения лабо-

раторных работ взвешиванием на весах измельчением растворением филь-

32

трованием изготовлением простых и складчатых фильтров фильтрованием го-

рячих растворов и фильтрованием растворов под вакуумом нагреванием на

электроплитке растворов в химической посуде промыванием и высушиванием

осадков методами очистки твердых жидких и газообразных веществ

2 Выполните необходимые расчеты

Теоретическая часть

В лабораторной практике большое значение имеет очистка веществ так

как работа с загрязненными реактивами обусловливает получение неточных ре-

зультатов и неправильных выводов

Известны многочисленные методы очистки веществ фильтрование ди-

стилляция дробная перегонка возгонка зонная плавка метод транспортных

реакций и др В лабораторной практике для очистки твердых веществ чаще ис-

пользуются перекристаллизация и возгонка для очистки жидкостей ndash фильтро-

вание и перегонка газов ndash отделение примесей путем поглощения их различ-

ными химическими веществами

1 Очистка твердых веществ от примесей перекристаллизацией и

возгонкой

Перекристаллизация основана на различной растворимости одного и то-

го же вещества при различных температурах Под растворимостью понимают

содержание вещества в насыщенном растворе при данной температуре Она

выражается обычно в граммах безводного вещества на 100 г растворителя

(табл 3) или любым видом концентрации растворов (см работу 3)

Таблица 3

Растворимость солей г100 г воды

Формула соли Температура

оС

0 20 40 60 80

CuSO4 143 205 287 395 555

K2Cr2O7 46 125 259 455 730

NaNO3 727 876 1049 1247 1490

КNO3 133 316 639 1100 1690

NH4Cl 294 372 458 552 656

Зависимость растворимости от температуры изображается также кривы-

ми растворимости (рис 9) Пользуясь табл 3 и рис 9 можно определить

например что в 100 г воды при 20 и 80 оС растворяется соответственно 316 и

1690 г нитрата калия Очевидно при охлаждении насыщенного при 80 оС рас-

твора нитрата калия до 20 оС должно выпасть 1690 ndash 316 = 1374 г соли Чем

ниже температура до которой охлаждают раствор тем большее количество

кристаллов выпадает в осадок

33

При небольшом изменении растворимости в результате повышения тем-

пературы (например хлорида натрия) раствор сначала упаривают а затем

охлаждают Иногда для кристаллиза-

ции к насыщенному водному раствору

вещества добавляют реагенты пони-

жающие его растворимость в воде

(например спирт ацетон концентри-

рованную соляную кислоту) Это явле-

ние называется laquoвысаливаниемraquo

Вещества применяемые в лабо-

раторной практике содержат как пра-

вило немного растворимых приме-сей

относительно которых раствор нена-

сыщен Поэтому при кристал-лизации

вещества из насыщенного раствора

примеси остаются в маточ-ном раство-

ре Маточным называется раствор

оставшийся после отфиль- тровыва-

ния выпавших кристаллов

Рис 9 Кривые растворимости Для получения более чистых ве-

некоторых солей ществ осуществляют повторную крис-

таллизацию

Возгонка ndash это переход вещества при нагревании из твердого состояния

непосредственно в пар минуя жидкое Этим методом очищают твердые веще-

ства от нелетучих примесей например йод серу нафталин хлорид аммония

салициловую кислоту и др Пары возгоняемого вещества конденсируются в

кристаллы на поверхности охлажденных предметов

2 Очистка жидкостей перегонкой

Перегонка основана на различии состава жидкой и паровой фаз Жидкая

фаза одного состава превращается в пар с последующей конденсацией его сно-

ва в жидкость другого состава Этим методом очищают жидкие смеси от рас-

творенных в них твердых веществ или менее летучих жидкостей

Различают несколько способов перегонки жидкостей под нормальным

давлением уменьшенным давлением и с водяным паром

Перегонкой под нормальным давлением пользуются в тех случаях когда

очищаемые жидкости при нагревании не разлагаются и не имеют слишком вы-

сокую температуру кипения Индивидуальное вещество при постоянном давле-

нии кипит при строго определенной температуре Поэтому температура кипе-

ния является характеристикой чистоты вещества Оно тем чище чем меньше

разница между температурой кипения очищаемого вещества и температурой

при которой оно перегоняется

34

3 Очистка газов

Газы для очистки пропускают через поглотительные сосуды содержащие

твердые или жидкие поглотители вступающие в химические реакции с приме-

сями и не реагирующие с очищаемым газом Этот процесс включает высуши-

вание и удаление специфических примесей образующихся в процессе его по-

лучения Пары воды можно поглощать концентрированной серной кислотой

прокаленным хлоридом кальция оксидом фосфора (V) силикагелем безвод-

ным сульфатом меди пары аммиака и хлороводорода ndash водой

Экспериментальная часть

Опыт 1 Очистка медного купороса перекристаллизацией

Пользуясь табл 4 рассчитайте четырьмя способами сколько граммов

воды и медного купороса следует взять для приготовления насыщенного при 80 оС раствора соли из которого при охлаждении до 20

оС выделилось бы 10 г

пентагидрата или 64 г безводного сульфата меди

Таблица 4

Растворимость

безводного сульфата меди и кристаллогидрата сульфата меди

при 80 и 20 оС

t оС

Масса г Масса раствора

г CuSO4 Н2О CuSO4times5Н2О Н2О

80 555 100 8672 6878 1555

8069 14539 12608 100 22608

20

205 100 3203 8847 1205

1594 7774 2490 6878 9368

2317 11303 362 100 1362

I способ расчет на 10 г CuSO4middot5Н2О

m (CuSO4middot5Н2О) m (Н2О)

80 оC 8672 6878

20 оC 2490 6878

II способ расчет на 10 г CuSO4middot5Н2О

m (CuSO4middot5Н2О) m (Н2О)

80 оC 12608 100

20 оC 3620 100

III способ расчет на 64 г CuSO4

m (CuSO4) m (Н2О)

80 оC 5550 100

20 оC 1594 1774

35

IV способ расчет на 64 г CuSO4

m (CuSO4) m (Н2О)

80 оC 8069 14539

20 оC 2317 11303

Примеры расчета масс веществ

Пример 1 Какие массы дихромата калия и воды необходимо взять для

получения очищенной соли массой 30 г если перекристаллизация будет прово-

диться в температурном интервале 80ndash20 оС

Решение

1) По табл 3 находим что при 80 оС в 100 г воды растворяется 7300 г

дихромата калия а при 20 оС ndash 1250 г

2) Следовательно при охлаждении раствора от 80 до 20 оС выделится

7300 ndash 1250 = 6050 г соли

3) Массу дихромата калия необходимую для получения 30 г очищенной

соли вычисляем следующим образом

для выделения 6050 г соли требуется 7300 г дихромата калия

для 30 г -------------------- х г х = 5060

0073middot30= 3619 г

4) Объем воды в котором должна быть растворена эта навеска рассчиты-

вается так

73 г дихромата калия растворяются в 100 г воды

362 г -------------------------------------- в х г

х = 73

100middot236= 4959 г (4959 мл так как плотность воды принимаем

равной 1 гмл)

Пример 2 Какую массу воды и медного купороса надо взять для приго-

товления насыщенного при 80 оС раствора соли из которого при последующем

охлаждении до 0 оС выделяется пентагидрат сульфата меди (II) массой 20 г

Решение

1) Учитывая растворимости безводного сульфата меди при 80 и 0 оС рас-

считаем какой массе кристаллогидрата соответствует масса безводной соли

555 и 143 г (CuSO4)

М(CuSO4middot5Н2О) = 250 гмоль М(CuSO4) = 160 гмоль

160 г безводной соли содержится в 250 г кристаллогидрата

555 г ----------------------------------- в х г

х = 160

250middot555= 867 г (80

оС)

160 г безводной соли содержится в 250 г кристаллогидрата

143 г ----------------------------------- в у г

у = 160

250middot314= 223 г (0

оС)

36

2) Вычисляем массу воды необходимую для растворения кристаллогид-

рата при соответствующих температурах

80 оС 100 ndash (867 ndash 555) = 688 г

0 оС 100 ndash (223 ndash 143) = 92 г

3) Масса медного купороса растворенная в воде массой 688 г при 0 оС

будет равна

в 92 г воды растворяются 223 г медного купороса

в 688 г ----------------------- х г

х = 688middot223

92= 1668 г

4) Масса кристаллогидрата выделяющегося при охлаждении от 80 до

0 оС равна 867 ndash 167 = 700 г

5) По условию задачи требуется получить медный купорос массой 20 г

Для выделения 70 г кристаллогидрата необходимо растворить его 867 г

для выделения 20 г ----------------------------------------------------------- х г

х = 2477 г

6) Масса воды необходимая для растворения 2477 г кристаллогидрата

для растворения 867 г кристаллогидрата требуется 668 г воды

для 2477 г ---------------------------------------------------- х г

х = 1965 г или 1965 мл (так как ρ OH2= 1 гмл)

Рассчитанную массу медного купороса взвесьте поместив его на часовое

стекло Отмерьте мерным цилиндром (см рис3) необходимый объем дистил-

лированной воды Вылейте воду в стакан из термостойкого стекла и нагрейте

до начала кипения Затем поместите навеску медного купороса в стакан с

нагретой водой и растворите при помешивании стеклянной палочкой Если по-

лученный раствор прозрачный и не содержит механических примесей то охла-

дите его до 20 оС помешивая стеклянной палочкой Если в приготовленном ис-

ходном растворе содержатся нерастворимые примеси то прежде чем охладить

раствор его необходимо отфильтровать через воронку для горячего фильтро-

вания (рис 10) с применением складчатого фильтра (рис 11)

Для нагрева воронки можно использовать

горячую воду из водопроводной сети Воронка имеет боковой отросток под который подстав-

ляют газовую горелку для нагревания находя-

щейся между стенками воды

При фильтровании легко воспламеняю-

щихся жидкостей применяют воронки с элек-

трическим обогревом

Рис 10 Воронка для горячего фильтрования

37

Для изготовления складчатого фильтра нужно взять соответствующий

размеру воронки квадрат из фильтровальной бумаги сложить его пополам и за-

тем еще раз пополам Внешние углы обрезать по дуге сложить laquoгармошкойraquo

При изготовлении простого фильтра приготовить конус как описано вы-

ше отогнуть один листочек и полученный конус вставить в воронку смочить

его дистиллированной водой (рис 12) Необходимо чтобы фильтр плотно при-

легал к стенкам воронки и между ними не было пузырьков воздуха Край филь-

тра должен быть ниже края воронки не менее чем на 05 см (рис 12 г)

Рис 11 Складчатый фильтр Рис 12 Изготовление простого фильтра

а-в ndash стадии изготовления г ndash фильтр помещен в воронку

Стеклянную воронку с развернутым складчатым фильтром поместите в

воронку для горячего фильтрования фильтр смочите ди-

стиллированной водой Жидкость перелейте на фильтр по

стеклянной палочке (рис 13) держать которую нужно в ле-

вой руке профильтруйте и охладите раствор до 20 оС

Выпавшие кристаллы отделите от маточного раствора

с помощью прибора изображенного на рис 14

Он состоит из фарфоровой воронки Бюхнера (1) колбы Бун-

зена (2) водоструйного вакуум-насоса или насоса Камовско-

го На сетчатое дно воронки Бюх-

нера положите два кружка филь-

тровальной бумаги Чтобы выре-

зать эти фильтры на верх воронки

положите два листа фильтроваль-

ной бумаги и плот-но прижмите

ладонью затем ножницами вы-

режьте один по обозначенному

контору другой ndash на 3ndash4 мм Рис 13 Фильтрование

меньше

На дно воронки вначале положите фильтр меньшего

размера затем большего смочите их дистиллирован-

ной водой и прижмите края к стенкам воронки

Вставьте воронку в колбу Бунзена перенесите в нее

кристаллы вместе с маточным раствором подсоеди-

Рис 14 Установка для ните прибор к насосу и включите его После отделе-

фильтрования с примене- ния кристаллов промойте их в 5ndash10 мл холодной дис- нием вакуума

38

тиллированной воды для удаления остатков маточного раствора

При перекристаллизации нужно получить вещество в кристаллах средне-

го размера так как крупные кристаллы обычно содержат включения маточного

раствора с находящимися в нем примесями а очень мелкие будучи свобод-

ными от этих включений образуют густую кашицу между отдельными кри-

сталлами которой прочно удерживается маточный раствор и отмыть его полно-

стью без потери вещества не удается

Снять кристаллы с воронки перевернув ее на лист фильтровальной бу-

маги и осторожно постучав по ее стенкам Сушить кристаллы нужно в сушиль-

ном шкафу или между листами фильтровальной бумаги до тех пор пока они

не перестанут прилипать к сухой стеклянной палочке Взвесьте перекристал-

лизованную соль и рассчитайте ее выход в процентах Раствор очищенной со-

ли и маточный раствор испытайте на присутствие хлорид-ионов (Реакция с

нитратом серебра в пробирку с небольшим количеством раствора добавьте

каплю раствора нитрата серебра и две капли азотной кислоты Выпавший бе-

лый осадок является хлоридом серебра)

Для уменьшения потери вещества при перекристаллизации маточный

раствор можно упарить наполовину и выделить новую порцию вещества по ме-

тодике описанной выше

Опыт 2 Возгонка йода

Взвесьте на часовом стекле 020 г йода 005 г йодида калия и 010 г окси-

да кальция (оксид кальция необходим для поглощения влаги йодид калия ndash для

очистки от примесей кислородных и других соединений йода) Смесь помести-

те на дно низкого тонкостенного стакана без носика и осторожно размешайте

стеклянной палочкой Накройте стакан круглодонной колбой наполненной

холодной водой (рис 15)

Поставьте стакан на кольцо штатива с асбестовой сеткой осторожно

нагрейте его дно пламенем спиртовки и наблюдайте возгонку йода По окон-

чании процесса прекратите нагревание и дайте стакану охладиться не снимая с

него колбы Затем поднимите колбу и осторожно снимите стеклянной палочкой

йод на предварительно взвешенное часовое стекло (кристаллы йода не сни-

мать металлическим шпателем так как йод взаимодействует с большинством

металлов) Определите массу йода и рассчитайте его выход в процентах

39

а б

Рис 15 Возгонка йода а ndash начало процесса б ndash конец процесса

Опыт 3 Очистка водопроводной воды перегонкой

Для очистки водопроводной воды соберите прибор для перегонки пред-

ставленный на рис 16 Он состоит из колбы Вюрца (1) в которую вставлен

термометр холодильника Либиха (2) аллонжа (3) колбы-приемника (4) с

хлоркальциевой трубкой Проверьте водопроводную воду на содержание в ней

ионов хлора (с использованием раствора нитрата серебра) ионов кальция и

магния

Для доказательства

наличия ионов кальция и

магния в пробирку налейте

5ndash6 мл водопроводной во-

ды добавьте 1 мл амми-

ачной буферной смеси и 3ndash

4 капли индикатора эри-

хрома черного Т Винно-

красная окраска жидкости

свидетельствует о наличии в

воде ионов кальция и маг-

ния фиолетовая ndash указы-

Рис16 Установка для перегонки воды вает на их отсутствие

Далее колбу Вюрца на 13 объема наполните водопроводной водой поместите

в нее для равномерного кипения жидкости несколько стеклянных капилляров

запаянных с одного конца Закройте отверстие колбы Вюрца пробкой с термо-

40

метром (ртутный шарик термометра должен быть немного ниже уровня отвод-

ной трубки колбы) Заполните холодильник водой (ток воды подается снизу

вверх) Приемник закройте пробкой снабженной аллонжем и хлоркальциевой

трубкой с натронной известью для поглощения углекислого газа из воздуха

Нагрейте на электроплитке воду до кипения предварительно положив под дно

колбы асбестовую сетку Отметьте при какой температуре закипит жидкость

Когда в приемнике соберется приблизительно 10 мл воды нагревание

прекратите Проверьте содержит ли дистиллированная вода ионы которые бы-

ли в водопроводной

Опыт 4 Очистка углекислого газа

Соберите прибор для получения и очистки оксида углерода (IV) (см

рис 1) Он состоит из аппарата Киппа и двух промывных склянок Тищенко В

одной из них находится дистиллированная вода (или раствор гидрокарбоната

натрия) в другой ndash концентрированная серная кислота

Получите углекислый газ в аппарате Киппа Для этого загрузите мрамор в

его средний шар и налейте через воронку такое количество 20 раствора соля-

ной кислоты чтобы он закрыл часть мрамора

Пропустите в течение 2 мин слабый ток оксида углерода (IV) через про-

мывные склянки Убедитесь с помощью обезвоженного сульфата меди содер-

жащегося в хлоркальциевой трубке что углекислый газ сухой Исследуйте

жидкость в склянке с дистиллированной водой на содержание в ней хлорид-

ионов Сделайте выводы

Вопросы и задачи

1 На чем основан процесс перекристаллизации

2 Как перекристаллизовать вещества растворимость которых изменяется

от температуры незначительно

3 Какой раствор называется маточным

4 Где остаются примеси после перекристаллизации и почему

5 От каких факторов зависит величина кристаллов Какие кристаллы со-

держат меньше примесей мелкие или крупные

6 От каких примесей освобождаются при очистке твердых веществ воз-

гонкой На чем основан этот метод

7 С какой целью при возгонке к йоду добавляют йодид калия и оксид

кальция

8 На каких физических процессах основана перегонка

41

9 Какой принцип лежит в основе работы холодильника

10 С какой целью при перегонке в колбу Вюрца добавляют так называе-

мые laquoкипелкиraquo (стеклянные трубки пористые материалы и т д)

11 От каких примесей очищается водопроводная вода при перегонке

12 Какие примеси присутствуют в диоксиде углерода полученном в ап-

парате Киппа и как их устранить

13 В насыщенном при 60 оС растворе сульфата калия его массовая доля

равна 154 Выразите растворимость в граммах на 100 г воды

Ответ 1829 г

14 Какая масса хлорида аммония выпадает в осадок при охлаждении до

0 оС насыщенного при 80

оС раствора массой 800 г

Ответ 17488 г

15 Какую массу воды и дихромата калия нужно взять для получения соли

массой 30 г если насыщение осуществлять при 60 а кристаллизацию ndash при

20 оС

Ответ 9090 г 4136 г

16 Какую массу нитрата натрия можно получить из раствора приготов-

ленного путем насыщения при 60 оС 25 мл воды и охлаждении до 0

оС (раство-

римость веществ приведена в табл 3)

Ответ 13 г

Следует уметь

1 Рассчитывать массы растворенного вещества и растворителя необхо-

димые для получения заданной массы очищенной соли

2 Взвешивать на весах отмерять жидкость цилиндром нагревать хими-

ческую посуду на электроплитке

3 Изготавливать простые и складчатые фильтры фильтровать при обыч-

ном давлении и под вакуумом

4 Рассчитывать практический выход продуктов

5 Правильно называть приборы и химическую посуду

6 Пользоваться аппаратом Киппа холодильником Либиха воронкой го-

рячего фильтрования

7 Проверять воду на чистоту

42

Работа 5 Определение изменения энтальпий физико-химических

процессов

Задания для подготовки к лабораторной работе

1 Повторите основные понятия изменение энтальпии реакции ∆rН изме-

нение энтальпии образования вещества ∆fН тепловой эффект реакции Qр-ции

тепловой эффект образования вещества Qобр закон Гесса и следствия из него

2 Ознакомьтесь с устройством калориметрической установки и зарисуйте

ее схему (рис 17)

Теоретическая часть

Большинство химических реакций сопровождается переходом химиче-

ской энергии в тепловую экзотермические реакции осуществляются с выделе-

нием тепла эндотермические ndash с поглощением

Количество тепла выделяющегося или поглощающегося при химической

реакции называется тепловым эффектом реакции который обозначается Qр-ции

или Qr где индекс laquorraquo ndash первая буква английского слова reaction

Тепловой эффект химической реакции при постоянном давлении Qр (ин-

декс laquoрraquo указывает постоянное давление) численно равен изменению энтальпии

∆rН взятой с противоположным знаком Qp = minus∆rН Тепловой эффект и измене-

ние энтальпии химической реакции измеряются в килоджоулях (кДж) или в ки-

локалориях (ккал) Уравнения химических реакций в которых указываются

тепловые эффекты или изменения энтальпии называются термохимическими

Энергетические эффекты различных процессов определяют эксперимен-

тально а термохимические расчеты проводят на базе основного закона термо-

химии ndash закона Гесса тепловой эффект изменение энтальпии изменение внут-

ренней энергии химической реакции зависят от природы и состояния исходных

веществ и конечных продуктов но не зависят от числа и характера промежу-

точных стадий процесса Этот закон лежит в основе расчета Q ∆Н ∆U различ-

ных процессов minus образования разложения сгорания растворения гидратации

нейтрализации и др

Если в ходе процесса при постоянном давлении системой совершается

работа расширения то Qp = ∆U + Р middot ∆V РV = nRT Р middot ∆V = ∆n middot RT

∆Н = ∆U + ∆n middot RT ∆U = ∆Н minus ∆n middot RT где ∆n ndash изменение числа молей газооб-

разных продуктов реакции и исходных веществ (∆n = продn minus исх

n )

Тепловой эффект (изменение энтальпии) растворения ndash теплота растворе-

ния (энтальпия растворения) данного вещества в данном растворителе опреде-

ляется количеством теплоты (изменением энтальпии) которое выделяется или

поглощается при растворении одного моля вещества в таком количестве рас-

творителя что дальнейшее прибавление последнего уже не вызывает дополни-

тельного теплового эффекта (изменения энтальпии)

Пример 1 Растворение Na2SO4 сопровождается выделением теплоты

(29 кДжмоль) а при растворении кристаллогидрата Na2SO4middot10Н2О происходит

43

поглощение теплоты (787 кДжмоль) Вычислите изменение энтальпии гидра-

тации

Решение

1 Термохимическое уравнение растворения Na2SO4

Na2SO4 (к) + aq rarr Na2SO4middotaq ∆Н1 (растворения безводной соли) = minus29 кДж

2 Процесс гидратации безводной соли

Na2SO4 (к) + 10Н2О(ж) rarr (Na2SO4 middot10Н2О)(к) ∆Н2 (гидратации) minus

3 Термохимическое уравнение растворения кристаллогидрата

Na2SO4middot10Н2О + aq rarr Na2SO4middot aq ∆Н3 (растворения кристаллогидрата) =

= 787 кДж

В соответствии с законом Гесса процесс растворения безводной соли (1)

складывается из процесса гидратации (2) и процесса растворения кристалло-

гидрата (3) те ∆Н1 = ∆Н2 + ∆Н3

Тогда ∆Н2 (гидратации) = ∆Н1 (растворения безводной соли) minus ∆Н3 (рас-

творения кристаллогидрата) = minus29 кДж minus 787 кДж = minus816 кДж

1-е следствие из закона Гесса изменение энтальпии реакции равно

сумме изменения энтальпий образования продуктов реакции за вычетом

суммы изменения энтальпий образования исходных веществ с учетом сте-

хиометрических коэффициентов

Пусть аА + бБ = сС + дД а б с д ndash стехиометрические коэффициенты

Тогда ∆rН = с middot ∆fНС + д middot ∆fНD minus а middot ∆fНА minus б middot ∆fНВ

Пример 2 Вычислите ∆Н 0

298 растворения NaOH в воде при образовании

раствора с концентрацией См = 1 мольл

Решение

Процесс растворения NaOH схематически выражается уравнением

NaOH(к) + aq rarr Na (р)

+ OH р

∆fН0

298 кДжмоль minus4268 minus2397 minus2284

∆rН0

298 = minus2397 minus 2284 + 4268 = minus413 кДж

Опыт подтверждает что растворение твердого NaOH сопровождается

разогреванием раствора

2-е следствие из закона Гесса изменение энтальпии реакции равно

сумме изменения энтальпий сгорания исходных веществ за вычетом суммы

изменения энтальпий сгорания продуктов реакции (с учетом стехиомет-

рических коэффициентов)

Пример 3 Вычислите ∆Н 0

298 реакции которая выражается уравнением

СН3СООН(ж) + С2Н5ОН(ж) = СН3СООС2Н5(ж) + Н2О(ж) ∆rН0

1 minus

Изменение энтальпии этого процесса можно рассчитать алгебраически

суммируя энтальпии сгорания

СН3СООН(ж) + 2О2(г) = 2СО2(г) + 2Н2О(ж) ∆rН0

2 = minus8711 кДж

2С2Н5ОН(ж) + 3О2(г) = 2СО2(г) + 3Н2О(ж) ∆rН0

3 = minus1367 кДж

СН3СООС2Н5(ж) + 5О2(г) = 4СО2(г) + 4Н2О(ж) ∆rН0

4 = minus2284 кДж

44

∆rН0

1 = ∆rН0

2 + ∆rН0

3 minus ∆rН

0

4 = minus8711 minus1367 + 22840 = minus46 кДж

Различают изменение энтальпий фазовых и химических превращений К

фазовым относят сублимацию испарение плавление полиморфные превраще-

ния переход из аморфного состояния в кристаллическое Разновидностью хи-

мических реакций служат процессы электролитической диссоциации и химиче-

ские превращения в водных растворах электролитов

Большое значение для развития химии имеет определение изменения эн-

тальпии нейтрализации кислоты щелочью ∆Ннейтр одного моля сильной кисло-

ты одним молем сильного основания ndash величина постоянная Этот факт объяс-

няет теория электролитической диссоциации Аррениуса согласно которой лю-

бая реакция нейтрализации сводится к следующему процессу

Н р-р

+ ОН р-р

= Н2О(ж)

∆fН0

298кДжмоль 0 minus23019 minus28583 Изменение энтальпии этой реакции

∆Н 0

298 нейтр = minus28583 + 23019 = minus556 кДж

∆Ннейтр слабых кислот слабыми основаниями ndash величина переменная за-

висящая от их констант диссоциации и соответственно от концентрации ионов

водорода Н р-р

и гидроксид-ионов ОН р-р

в растворе и имеет значение мень-

шее чем 556 кДжмоль

Экспериментальная часть

Опыт 1 Определение изменения энтальпии нейтрализации сильного

основания сильной кислотой

Для проведения опыта используйте калориметрическую установку

(рис 17) Она состоит из калориметрического стакана (1) вставленного в дру-

гой стакан (2) который играет роль теплоизо-

лирующей муфты подставки (3) крышки (4)

термометра (5) мешалки (6) пипетки (7) шта-

тива (8)

Взвесьте калориметрический стакан и

влейте в него из пипетки (бюретки) 25 мл рас-

твора NaOH или КОН с концентрацией Сэ

= 1 мольл и отметьте температуру с точностью

до 01 оС В другой стакан налейте из бюретки

25 мл НСl или HNO3 такой же концентрации и

измерьте с той же точностью температуру рас-

твора кислоты Затем быстро но аккуратно

влейте раствор кислоты в калори-

Рис 17 Калориметрическая метрический стакан Перемешивая мешалкой

установка содержимое сосуда отметьте максимальную

температуру смеси

Полученные данные используйте для расчетов Расчет проводите по сле-

дующей схеме

45

1 Вычислите изменение энтальпии реакции

NaOH (КОН) + НСl (HNO3) = Н2О + NaCl (KCl)

∆rН0 = (mж middot Cж + mст middot Cст) middot ∆t ∆t = tкон minus tнач где tкон tнач ndash конечная и

начальная температуры (оС) растворов в калориметрическом сосуде mст mж ndash

масса стеклянного калориметрического сосуда и находящейся в нем жидкости

Cст Cж ndash удельные теплоемкости стекла и жидкости Начальная температура ndash

это среднеарифметическая температура щелочи и кислоты конечная ndash наивыс-

шая температура после сливания растворов плотность раствора принять равной

1 гмл его удельную теплоемкость ndash равной теплоемкости воды

(4184 ДжгmiddotК) а удельную теплоемкость стекла ndash 0753 ДжгmiddotК Массу стакана

(mст) определяют в зависимости от того какая часть его объема заполняется

раствором (если наполовину то стm

2)

2 Составьте ионно-молекулярное уравнение реакции нейтрализации и

рассчитайте изменение энтальпии нейтрализации одного моля эквивалента

кислоты по результатам проведенного опыта

3 Определите относительную ошибку опыта (в процентах)

Опыт 2 Определение изменения энтальпии нейтрализации слабого

основания слабой кислотой

Проведите опыт аналогично первому взяв растворы аммиака и уксусной

кислоты с концентрацией Сэ = 1 мольл Вычислите изменение энтальпии

нейтрализации в расчете на 1 моль эквивалентов уксусной кислоты Сравните

результаты с данными предыдущего опыта

Опыт 3 Определение изменения энтальпии растворения безводного

сульфата меди (II)

Опыт проведите в калориметрической установке (см рис 17) В предва-

рительно взвешенный калориметрический стакан налейте 30 мл дистиллиро-

ванной воды определите ее температуру с точностью до 01 оС Взвесьте 1 г

безводного сульфата меди (II) с точностью до 001 г Быстро и аккуратно

всыпьте соль в калориметрический сосуд Размешивая его содержимое мешал-

кой отметьте максимальную температуру Зная разность температур общую

массу раствора и приняв удельную теплоемкость раствора равной удельной

теплоемкости воды рассчитайте изменение энтальпии данного процесса на

1 моль безводной соли

I 1 CuSO4 (к) + aq rarr CuSO4 middot aq ∆Н 0

р-ния б сminus

Имея в виду что гидратация безводной соли и растворение кристалло-

гидрата выражаются следующими термохимическими уравнениями

1 CuSO4(к) + 5H2O(ж) = CuSO4middot5H2O(к) ∆Н 0

1 = minus778 кДж ndash изменение

II энтальпии при гидратации

2 CuSO4middot5H2O(к) + aq = CuSO4 middot aq ∆Н 0

2 = 117 кДж ndash изменение энталь-

пии растворения кристаллогидрата рассчитайте ∆Н 0

р-ния б с CuSO4 на основе за-

46

кона Гесса ∆Н(р-ния б с) = ∆Н(гидрат) + ∆Н(р-ния кристаллогидрата) Сравните теоретиче-

ские и экспериментально рассчитанные значения изменения энтальпии и опре-

делите относительную погрешность опыта (в процентах)

Опыт 4 Определение изменения энтальпии гидратации карбоната

натрия

Опыт проведите по методике описанной в опыте 3 Взятая навеска кар-

боната должна составлять примерно 07 г Опыт и расчеты повторите для кри-

сталлогидрата Na2CO3middot10Н2О (навеска ndash 15 г на 30 мл воды) По найденным

изменениям энтальпий растворения Na2CO3 и Na2CO3middot10Н2О вычислите изме-

нение энтальпии гидратации карбоната натрия и сравните с литературными

данными

(∆Н 0

р-ния б с= minus251 кДжмоль ∆Н

0

гидрат = minus920 кДжмоль

∆Н 0

р-ния кристаллогидрата = 669 кДжмоль)

Вопросы и задачи

1 Почему химические и фазовые превращения сопровождаются выделе-

нием или поглощением энергии Почему в одних случаях энергия выделяется а

в других поглощается

2 Рассчитайте среднюю энергию связи в молекулах СН4 и SiH4 если из-

вестны изменения энтальпий образования Н (г) С (г) Si (г) и СН4 (г) SiH4 (г)

Объясните различия средней энергии связи С ndash Н Si ndash Н

Ответ 415325 кДжмоль

3 Вычислите среднюю энергию связи Н ndash О в молекуле воды если из-

вестно изменение энтальпии образования Н2О (г) Н (г) и О (г)

Ответ 462 кДжмоль

4 Вычислите изменение энтальпии реакции нейтрализации растворов

КОН и НСl CsOH и H2SO4 NaOH и HNO3 в случае очень разбавленных рас-

творов в расчете на 1 моль Н2О в стандартных условиях Почему изменение эн-

тальпий этих реакций одинаковы Почему значения изменения энтальпий

нейтрализации разных слабых оснований и кислот различны

Ответ minus556 кДжмоль

5 При растворении 10 г СаСl2 в 200 мл воды температура раствора повы-

силась на 77 К Вычислите изменение энтальпии гидратации СаСl2 если изме-

нение энтальпии растворения СаСl2middot6Н2О равна 1908 кДжмоль Удельную

теплоемкость раствора примите равной удельной теплоемкости воды

(4184 ДжгmiddotК) Ответ minus9423 кДжмоль

6 При растворении 8 г хлорида аммония в 20 г воды температура понизи-

лась на 2 оС Вычислите ∆Н растворения NH4Cl в воде принимая удельную

теплоемкость полученного раствора равной 41870 Дж(г middot К)

Ответ minus163 кДжмоль

47

7 Рассчитайте ∆rН растворения алюминия в разбавленной соляной кисло-

те если стандартные изменения энтальпий образования реагирующих веществ

равны ∆fНHCl (p-p) = minus1675 кДжмоль ∆fН 3 р-р

AlCl = minus6723 кДжмоль

Ответ minus3396 кДж

8 При растворении 5206 г BaCl2 в 400 моль Н2О выделяется 216 кДж

теплоты Вычислите ∆Н гидратации безводного BaCl2

Ответ 2713 кДжмоль

9 При растворении 16 г СаС2 в воде выделяется 313 кДж теплоты Опре-

делите изменение стандартной энтальпии образования Са(ОН)2

Ответ minus98633 кДжмоль

10 Вычислите изменение энтальпии при сгорании 20 л диборана (ну)

если ∆fН (В2О3 (к)) = minus1264 кДжмоль ∆fН (В2Н6 (г)) = 314 кДжмоль Целе-

сообразно ли использовать в качестве топлива диборан вместо этана если

стандартное изменение энтальпии сгорания этана равно minus155988 кДжмоль

Ответ minus19220 кДж

Следует уметь

1 Используя калориметрический метод рассчитывать энтальпию различ-

ных физико-химических процессов

2 Вычислять энтальпию реакции по энтальпиям образования исходных

веществ и конечных продуктов пользуясь законом Гесса и его следствиями

3 Учитывать влияние прочности химических связей в продуктах реакции

и исходных веществах на энтальпию реакции

48

Библиографический список

1 Еремин В В Основы общей и физической химии В В Еремин

А Я Борщевский ndash М Интеллект 2012 ndash 800 c

2 Неорганическая химия в 3 т под ред Ю Д Третьякова ndash М Ака-

демия 2011 minus 2012 ndash Т 1 ndash 240 с Т 2 ndash 368 с Т 3 (1) ndash 352 с Т 3 (2) ndash 400 с

3 Павлов Н Н Общая и неорганическая химия Н Н Павлов ndash М Лань

2011 ndash 496 с

4 Росин И В Общая и неорганическая химия Современный курс И

В Росин Л Д Томина ndash М Юрайт 2012 ndash 1338 с

5 Шрайвер Д Неорганическая химия в 2-х т Д Шрайвер П Эткинс ndash

М Мир 2013 Т 1 ndash 679 с Т 2 ndash 486 с

Содержание

Правила работы в химической лабораторииhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip3

Работа 1 Определение молярных масс газообразных веществhelliphelliphelliphellip4

Работа 2 Определение молярных масс эквивалентовhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip12

Работа 3 Приготовление растворовhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip24

Работа 4 Методы очистки веществhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip32

Работа 5 Определение изменения энтальпий

физико-химических процессовhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip42

Библиографический списокhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip48

Page 8: МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ К ЛАБОРАТОРНОМУ ...phys-chem.mrsu.ru/wp-content/uploads/2017/11/...МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ К ЛАБОРАТОРНОМУ

8

Молярный объем газа равен отношению объема (V) к количеству веще-

ства (ν)

Масса 1 л любого газа m = 0

m

М(гмоль)middot1(л)

V (л моль)

Количество вещества (ν) ν = m

М =

mV

V=

0

m

0

V

V

Молярная масса вещества М (гмоль) = m (г) middot 0

m

0

V (л моль)

V (л)

Относительная плотность одного газа (х) по другому газу (В) обозна-

чается Dв ndash величина безразмерная показывающая во сколько раз масса газа х

(mх) больше массы газа В (mв) такого же объема измеренных при одинаковых

условиях (Р Т)

Dв = в

m

mx

Если mх и mв взяты для веществ в количестве 1 моль то Dв = в

M

Mx

Dв показывает во сколько раз 1 моль газа х тяжелее 1 моля газа В

Для расчета Dв можно использовать и абсолютные плотности газов (ρ) В

этом случае Dв = в

ρ

ρx

Таким образом Dв = в

m

mx

= в

M

Mx

= в

ρ

ρx

Мх = Dв middot Мв

Абсолютная плотность вещества (ρ) в любом агрегатном состоянии ndash

это масса единицы его объема

ρ = m

V (кгм

3 гл гмл)

Пример

а) Относительная плотность СО2 по Н2

D2Н =

2

2

H

CO

m

m =

2

2

H

CO

M

M где m

2CO и m2H ndash массы СО2 и Н2 при одинаковых V

Р Т М2CO и М

2H ndash молярные массы СО2 и Н2 те массы СО2 и Н2 объемом

224 л при ну М2CO = D

2Н middot M2H

б) Относительная плотность СО2 по воздуху

Dвозд= возд

CO

m

m2 =

возд

CO

M

M2 М

2CO = Dвозд middot Мвозд

Уравнение Клапейрона ndash Менделеева

PV = νRT = M

mRT P V T ndash условия при которых проводится опыт ν

ndash количество вещества R ndash универсальная газовая постоянная которая рассчи-

тывается по формуле R = 0 0

0

P V

νТ ν = 1 моль

а) R = 3 3101325 Паmiddot (224middot10 ) м

1мольmiddot273 К

= 8314 Дж

моль middotК

9

Па = 2

кг

мmiddotс Дж =

2

2

кг middotм

с= Па middot м

3

б) R = 760 мм рт стmiddot224л

1мольmiddot273 К= 624

мм ртстmiddotл

моль middotК

R = 62 400 мм ртст middotмл

моль middot К

в) R = -3 3 5 222415 10 м 101330 10 Нм

1 моль 273 К

= 8314

Дж

моль К

Из уравнения Клапейрона ndash Менделеева

Мх = mRT

P V где Мх ndash молярная масса определяемого газа m ndash его масса

P V T ndash давление объем температура соответствующие условиям опыта Для

углекислого газа М2CO = 2COm RT

P V

Экспериментальная часть

Опыт 1 Определение молярной массы оксида углерода (IV)

Целью лабораторной работы является знакомство с методами определе-

ния молярной массы газа на примере оксида углерода (IV) приобретение навы-

ков взвешивания и расчетов по газовым законам

1 Собрать прибор как показано на рис 1

2 Записать уравнение реакции получения СО2

3 Сухую колбу с воздухом плотно закрыть пробкой и восковым каран-

дашом сделать отметку по глубине вхождения пробки в горло колбы

1 ndash шарообразная воронка

2 3 ndash соединенные между собой

резервуары

4 5 ndash тубусы 6 ndash кран

7 ndash перетяжка

8 9 ndash промывные склянки

10 ndash приемник СО2

Рис 1 Установка для получения и очистки диоксида углерода состоящая из аппарата

Киппа промывных склянок и приемника СО2

4 Взвесить колбу с пробкой и воздухом на весах

(рис 2) записать в журнале m1 (г) ndash масса колбы с проб-

кой и воздухом

5 Наполнить колбу оксидом углерода (IV) из аппа-

рата Киппа опустив конец газоотводной трубки до дна

колбы Скорость пропускания газа отрегулировать так

чтобы его пузырьки можно было считать при прохожде-

Рис 2 Весы лабораторные нии их через склянки с водой (или раствором

компактные NaHCO3) и концентрированной серной кислотой

10

6 Полноту наполнения колбы углекислым газом проверить с помощью

горящей лучины Держа колбу в вертикальном положении вставить в нее

пробку Закрыть кран аппарата Киппа

7 Взвесить колбу с диоксидом углерода запи-

сать результат взвешивания m2 (г) ndash масса колбы с

пробкой и СО2

8 Провести контрольный опыт колбу повторно

наполнить углекислым газом из аппарата Киппа за-

крыть ее и снова взвесить Разница между взвешивани-

ями не должна быть больше 002 г в противном случае

опыт повторить

9 Записать значения температуры и давления

во время проведения эксперимента

10 Для измерения объема (V) колбы и соответ-

ственно объема газов заполняющих ее наполнить

колбу до метки водой комнатной температуры

11 Измерить объем воды перелив ее из кол-

бы в мерный цилиндр (рис 3) и результат изме-

рения (V мл) при условиях проведения эксперимента Рис 3 Мерные цилиндры

записать в журнал

12 Привести объем (V) газа к ну (V0) используя объединенный газовый

закон

T

PV=

0

00

T

VP V0 = 0

0

P VT

T P

13 Зная V0 рассчитать массу воздуха в объеме колбы (m3)

m3 = возд 0

0

m

M V

V=

029 гмоль V л

224 л моль (по закону Авогадро)

14 Рассчитать массу пустой колбы (без воздуха) m4 = m1 ndash m3 (из массы

колбы с воздухом вычесть массу воздуха)

15 Рассчитать массу СО2 в объеме колбы (m5)

m5 = m2 ndash m4 (из массы колбы с СО2 вычесть массу пустой колбы)

16 Рассчитать М2CO (эксп) по методу Авогадро

М2CO (эксп) =

0

5 m

0

m V

V где V0 рассчитывается по п12

17 Рассчитать Dвозд = 3

5

m

m М

2CO (эксп) = Мвозд middot Dвозд (метод расчета

М2CO используя его относительную плотность по воздуху)

18 Если колбу заполнить водородом то его масса в объеме колбы (m6)

будет равной

m6 = 2H 0

0

m

M V

V =

02 гмоль middotV л

224 л моль

19 Рассчитать D2Н D

2Н = 6

5

m

m М

2CO (эксп) = М2Н middot D

11

20 Рассчитать М2CO (эксп) по уравнению Клапейрона ndash Менделеева

М2CO (эксп) = 5m R T

PV где Р V Т ndash условия проведения эксперимента

21 Рассчитать М2CO (теор) = М(С) + М(О) middot 2

22 Рассчитать относительную ошибку опыта по формуле

К = теор

эксптеор

М

ММ middot 100 Ошибка не должна превышать 2

Вопросы и задачи

1 Определите что тяжелее (при одинаковых условиях)

ndash сухой углекислый газ или равный объем газа содержащий водяные па-

ры

ndash метан сухой или метан содержащий водяные пары

2 Смесь озона с кислородом имеет плотность по водороду равную 18

Определите процентный состав смеси (по объему)

Ответ 25 О3 75 О2

3 Вычислите молярную массу газа всеми возможными методами если

062middot10minus3

м3 при 294 К и 101 325 Па имеют массу 124middot10

minus3 кг Сколько молекул

содержится в данном объеме

Ответ 48 гмоль 156middot1022

молекул

4 Зная молярную массу кислорода и азота а также учитывая что в воз-

духе содержится 24 мас кислорода и 76 мас азота определите среднюю

молярную массу воздуха

Ответ 29 гмоль

5 Плотность жидкого хлора равна 15 гмл Сколько литров газообразно-

го хлора получится из 80 мл жидкого хлора

Ответ 379 л

6 Определите в каком объеме аргона при 20 оС и давлении 1 333 Па со-

держится 5middot1016

молекул

7 Найдите относительную плотность по воздуху газовой смеси состоя-

щей из азота кислорода и оксида углерода (IV) объемные доли которых равны

соответственно 60 20 и 20

8 При прокаливании 1 кг СаСО3 получены 056 кг СаO и 0224 м3 СО2

(ну) Подтверждают ли эти данные закон сохранения массы веществ

9 Смешаны водород кислород и оксид углерода (IV) массой по 1 кг каж-

дый Найдите объемные и молярные доли этих газов в полученной смеси

12

10 Вычислите а) объем 20 т (ну) аммиака б) массу 10 мл паров толуола

С7Н8 в) массу молекулы оксида углерода (II)

Следует уметь

1 Пользоваться аппаратом Киппа

2 Взвешивать на электронных весах

3 Заполнять сосуды газами различной плотности

4 Экспериментально определять массу и объем газа при определенных

температуре и давлении

5 Рассчитывать молярную массу вещества по полученным эксперимен-

тальным данным различными способами а) по методу Авогадро б) используя

относительную плотность одного газа по другому газу в) по уравнению Кла-

пейрона ndash Менделеева

Работа 2 Определение молярных масс эквивалентов

простых и сложных веществ

Задания для подготовки к лабораторной работе

1 Повторите основные понятия эквивалент фактор эквивалентности

молярная масса эквивалента масса эквивалента количество вещества эквива-

лента молярный объем эквивалента закон эквивалентов

2 Ознакомьтесь с устройством прибора (рис 4) и методикой определения

молярной массы эквивалента алюминия

3 Ознакомьтесь с методикой экспериментального определения молярной

массы эквивалента карбоната кальция

Теоретическая часть

Эквивалент (э) ndash это либо реальная либо условно существующая струк-

турная единица вещества которая эквивалентна (равноценна) одному положи-

тельно поляризованному атому водорода одному иону водорода одному элек-

трону или одному эквиваленту любого другого вещества

1 э (Н) равноценен 1 атому (Н) (1 эквивалент водорода равноценен

1 атому водорода)

1 э (Н+) равноценен 1 иону (Н

+)

1 э (окислителя или восстановителя) равноценен 1 ē

Пример

а) В соединениях Н2О NН3 СН4 с одним эквивалентом положительно по-

ляризованных атомов водорода соединяются 1

2 доля атома (О)

1

3 доля атома

(N) 1

4доля атома (С) э (О) =

1

2атома (О) э (N) =

1

3 атома (N) э (С) =

1

4атома

(С) В молекуле HCl с 1 э (Н+) соединяется 1 ион Cl

minus э (Cl

minus) = 1 иону Cl

minus

б) Кислотно-основное взаимодействие по теории Аррениуса сводится к

процессу

Н+

(р-р) + ОНminus

(р-р) rarr Н2О(ж)

13

С одним ионом водорода взаимодействует один гидроксид-ион Эквива-

лент (ОНminus) равноценен иону (ОН

minus)

в) Са(ОН)2 + Н2SО4 rarr СаSО4darr + 2Н2О

Одному Н+ эквивалентны

1

2доля иона Са

2+ 1 ион ОН

minus

1

2доля иона

SO 2

4

э (Са2+

) = 1

2 иона Са

2+ э

(SO 2

4

) = 1

2иона SO 2

4

э (ОНminus) = 1 иону ОН

minus э

(Са2+

) э (SO 2

4

) ndash условно существующие частицы э (ОНminus) ndash реальная частица

г) Al(NO3)3 + H3PO4rarrAlPO4 + 3HNO3 Одному Н+ эквивалентны

1

3 доля

Al3+

1 ион NO3

1

3 доля иона РО 3

4

э (Al3+

) = 1

3иона Al

3+ э (NO

3

) = иону NO3

э (РО 3

4

) = 1

3 иона РО 3

4

э (NO3

) ndash реальная частица э (Al3+

) э (РО 3

4

) ndash условно

существующие частицы

+5 +4 +6 minus1

д) КСlО3 + 3MnO2 + 6KOH rarr3K2MnO4 + KCl + 3H2O

ClO3

+ 3H2O + 6 ē rarr Clminus + 6OH

minus 1

MnO2 + 4OHminus minus 2 ē rarr MnO 2

4

+ 2H2O 3

Одна молекула КСlО3 принимает 6 ē значит э (КСlО3) = 1

6 часть моле-

кулы КСlО3 Одна молекула MnO2 отдает 2 ē значит э (MnO2) = 1

2часть моле-

кулы MnO2 В схеме реакции с учетом стехиометрических коэффициентов

участвуют по 6 эквивалентов КСlО3 MnO2 KOH

Фактор эквивалентности (fЭ) ndash число которое показывает какая доля

атома молекулы иона является эквивалентом Если fЭ = 1 то эквивалент ndash ре-

альная частица так как он равноценен атому молекуле или иону если fЭ lt 1 то

эквивалент ndash условная частица так как эквивалент в этом случае какая-то доля

реально существующей частицы

fЭ = 1

z где z ndash эквивалентное число

Для элементов и молекул простых веществ состоящих из одного атома

fЭ = 1

B где В ndash валентность элемента образующего простое вещество те

z = В

Пример

fЭ (Н) = 1 fЭ (О) = 1

2 fЭ (

V

P ) = 1

5 fЭ (Са) =

1

2 fЭ (Al) =

1

3 fЭ (Na) = 1

fЭ (III

P ) = 1

3

Для простых веществ состоящих из нескольких атомов fЭ = 1

B n где nndash

количество атомов элемента в молекуле простого вещества те z = В n

14

Пример

fЭ (Н2) = 1

1 2 =

1

2 fЭ (О2) =

1

2 2=

1

4 fЭ (Г2) =

1

1 2 =

1

2 fЭ (N2) =

1

3 2 =

= 1

6 fЭ (О3) =

1

2 3 =

1

6

Для элемента входящего в состав любого сложного вещества fЭ = 1

х

где х ndash степень окисления этого элемента взятая по модулю

Пример

MnO fЭ (Mn) = 1

2 Mn2O3 fЭ (Mn) =

1

3

MnO2 fЭ (Mn) = 1

4 Mn2O7 fЭ (Mn) =

1

7

Для оксидов R2Oх fЭ = 1

2x где х ndash степень окисления элемента образу-

ющего оксид те z = |2x| Таким образом

fЭ(оксида)=

1

сумма по модулю всех зарядов + или поляризованныхчастиц образующих оксид

fЭ (Al2O3)=

1

3 2 =

1

2 3 =

1

6 fЭ (ОsО4) =

1

8 1 =

1

2 4 =

1

8

Для кислот оснований солей

fЭ = 1

сумма по модулю всех зарядов катионов или анионов

fЭ (Н3РО4) =

1

1 3 =

1

3 1 =

1

3 =

1

основность кислоты z = 3

fЭ (Al(ОН)3) =

1

3 1 =

1

1 3 =

1

3 =

1

кислотность основания z = 3

fЭ (Na2SО4) =

1

1 2 =

1

2 1 =

1

2 z = 2

fЭ [Al2(SО4)3] =

1

3 2 =

1

2 3 =

1

6 z = 6

fЭ (NaНSО4) =

1

1 1 =

1

1 1 = 1 z = 1

fЭ [(AlОН)Cl2] =

1

2 1 =

1

1 2 =

1

2 z = 2

fЭ 3 4 2Cu NH OH =

1

2 1 =

1

1 2 =

1

2 z = 2

Фактор эквивалентности (fЭ )и эквивалентное число (z) зависят от ос-

новности кислоты или кислотности основания в соответствии с которыми они

вступают в химическое взаимодействие

Пример

а) 2Н3РО4 + 3Са(ОН)2 rarr Са3(РО4)2 + 6Н2О

15

Основность кислоты равна 3 кислотность основания равна 2 так как в

кислоте замещаются 3 иона водорода в основании ndash 2 гидроксид-иона

z (Н3РО4) = 3 z (Са(ОН)2) = 2 fЭ (Н3РО4) = 1

3 fЭ (Са(ОН)2) =

1

2

б) 2Н3РО4 + Са(ОН)2 rarr Са(Н2РО4)2 + 2Н2О

Основность кислоты равна 1 кислотность основания ndash 2

z (Н3РО4) = 1 z (Са(ОН)2) = 2 fЭ (Н3РО4) = 1 fЭ (Са(ОН)2) = 1

2

в) Н3РО4 + Са(ОН)2 rarr СаНРО4 + 2Н2О

Основность кислоты равна 2 кислотность основания равна 2

z (Н3РО4) = 2 z (Са(ОН)2) = 2 fЭ (Н3РО4) = 1

2 fЭ (Са(ОН)2) =

1

2

г) Н3РО4 + 3Са(ОН)2 rarr (СаОН)3РО4 + 3Н2О

Основность кислоты равна 3 кислотность основания равна 1

z (Н3РО4) = 3 z (Са(ОН)2) = 1 fЭ (Н3РО4) =1

3 fЭ (Са(ОН)2) = 1

д) 2Al(OH)3 + Н2SO4 rarr [Al(OH)2]2SO4 + 2Н2О

Основность кислоты равна 2 кислотность основания равна 1

z (Al(OH)3) = 1 z (Н2SO4) = 2 fЭ (Al(OH)3) =1 fЭ (Н2SO4) = 1

2

е) Al(OH)3 + Н2SO4 rarr [Al(OH)]SO4 + 2Н2О

Основность кислоты равна 2 кислотность основания равна 2

z (Al(OH)3) = 2 z (Н2SO4) = 2 fЭ (Al(OH)3) =1

2 fЭ (Н2SO4) =

1

2

Для окислительно-восстановительных реакций fЭ (окислителя) = 1

n

fЭ (восстановителя) = 1

n где n ndash число электронов принятых или отдан-

ных 1 молекулой или 1 ионом окислителя или восстановителя соответственно

Пример

MnO4

+ 8H+ + 5 ē rarr Mn

2+ + 4Н2О z = 5 fЭ =

1

5

SO 2

3

+ Н2О minus 2 ē = SO 2

4

+ 2H+ z = 2 fЭ =

1

2

Молярная масса эквивалентов вещества (Мэ гмоль) ndash это масса

1 моля эквивалентов вещества или 6022middot1023

эквивалентов вещества

Мэ = fЭ middot М = M

z =

m

э где М ndash молярная масса гмоль m ndash масса (г) ве-

щества количеством νэ (моль)

Пример

Мэ (Н) = fЭ middot М (Н) = 1 middot 1008 гмоль = 1008 гмоль

Мэ (Н2) = 1

2middot М (Н2) =

1

2middot 2016 гмоль = 1008 гмоль

Мэ (О) = 1

2middot М (О) =

1

2middot 16 гмоль = 8 гмоль

16

Мэ (О2) = 1

4middot М (О2) =

32 гмоль

4 = 8 гмоль

Мэ (Na) = М (Na) = 23 гмоль

Мэ (ОНminus) = М (ОН

minus) = 17 гмоль

Мэ (С) в СО = 12 гмоль

2 = 6 гмоль

Мэ (С) в СО2 = 12 гмоль

4 = 3 гмоль

Для оксидов R2Oх

Мэ (R2Ox) = fЭ middot М (R2Ox)

Мэ (R2Ox) = Мэ (R) + Мэ (O) = fЭ (R) middot М (R) + 8

Пример

Мэ (Al2O3) = 1

6middot M (Al2O3) =

102 гмоль

6 = 17 гмоль

Мэ (Al2O3) = 27 гмоль

3+ 8 гмоль = 17 гмоль

Мэ (кислоты) = fЭ middot М (кислоты)

Мэ (кислоты) = 1

основность кислотыmiddot М (кислоты)

Мэ (кислоты) = Мэ (Н+) + Мэ (А

minus) = 1 гмоль + fЭ middot М (А

minus) = 1 гмоль +

+1

заряд анионаmiddot М (А

minus) где А

minus minus кислотный остаток

Пример

Мэ (Н3РО4) = 1

3middot М (Н3РО4) =

1

3middot 98 гмоль = 3267 гмоль

Мэ (Н3РО4) = Мэ (Н+) + Мэ (РО 3

4

) = 1 + 1

3middot М (РО 3

4

) = 1 гмоль + 1

3middot

middot 95 гмоль = 1 гмоль + 3167 гмоль = 3267 гмоль

Мэ (основания) = fЭ middot М (основания)

Мэ (основания) = 1

кислотность основанияmiddot М (основания)

Мэ (основания) = Мэ (Мn+

) + Мэ (ОНminus) = fЭ middot М (М

n+) + fЭ middot М (ОН

minus) =

= 1

nmiddot М (М

n+) + 17

Пример

Мэ (Al(OH)3) = 1

3middot 78 гмоль = 26 гмоль

Мэ (Al(OH)3) = 1

3middot 27 гмоль + 17 гмоль = 9 гмоль + 17 гмоль =

= 26 гмоль

Для солей состава КхАу

Мэ (соли) = fЭ middot М (соли) = Мэ (Ку+

) + Мэ (Ахminus

) = fЭ (Ку+

) middot М (Ку+

) +

+ fЭ (Ахminus

) middot М (Ахminus

)

17

Пример

Мэ (Al2(SO4)3) = 1

6 middot М [Al2(SO4)3] =

342 гмоль

6 = 57 гмоль

Мэ (Al2(SO4)3) = 27

3 +

96

2 = 9 гмоль + 48 гмоль = 57 гмоль

Мэ (окислителя или восстановителя) = fЭ middot М (в-ва) = 1

nmiddot М (в-ва) где n ndash

число отданных или принятых электронов z ndash эквивалентное число = n

Пример

а) Мэ (KMnO4) = 1

5middot М (KMnO4) =

1

5middot 158 гмоль = 316 гмоль (при пере-

ходе MnO4

в Mn+2

)

Мэ (MnO2) = 1

2middot М (MnO2) =

1

2middot 87 гмоль = 435 гмоль (при переходе

MnO2 в MnO 2

4

)

При определении Мэ веществ участвующих в химических реакциях сле-

дует учитывать их fЭ

Пример

а) Аl(OH)3 + H3PO4 rarr AlPO4 + 3H2O

Мэ (Аl(OH)3) = 1

3middot М (Аl(OH)3)

Мэ (H3PO4) = 1

3middot М (H3PO4)

б) 3Аl(OH)3 + H3PO4 rarr [Al(ОН)2]3PO4 + 3H2O

Мэ (Аl(OH)3) = М (Аl(OH)3)

Мэ (H3PO4) = 1

3middot М (H3PO4)

в) 3Аl(OH)3 + 2H3PO4 rarr [Al(ОН)]3(PO4)2 + 6H2O

Мэ (Аl(OH)3) = 1

2middot М (Аl(OH)3)

Мэ (H3PO4) = 1

3middot М (H3PO4)

г) Аl(OH)3 + 3H3PO4 rarr Al(Н2PO4)3 + 3H2O

Мэ (Аl(OH)3) = 1

3middot М (Аl(OH)3)

Мэ (H3PO4) = М (H3PO4)

д) 2Аl(OH)3 + 3H3PO4 rarr Al2(НPO4)3 + 6H2O

Мэ (Аl(OH)3) = 1

3middot М (Аl(OH)3)

Мэ (H3PO4) = 1

2middot М (H3PO4)

е) Fe(OH)2Cl + HCl rarr Fe(OH)Cl2 + H2O

Мэ (Fe(OH)2Cl) = М (Fe(OH)2Cl)

Fe(OH)2Cl + 2HCl rarr FeCl3 + 2H2O

18

Мэ (Fe(OH)2Cl) = 1

2middot М (Fe(OH)2Cl)

Fe(OH)2Cl + NaOH rarr Fe(OH)3 + NaCl

Мэ (Fe(OH)2Cl) = М (Fe(OH)2Cl)

ж) KCr(SO4)2 + 3KOH rarr Cr(OH)3 + 2K2SO4

Мэ (KCr(SO4)2) = 1

3middot М (KCr(SO4)2)

KCr(SO4)2 + 6KOH rarr K3[Cr(OH)6] + 2K2SO4

Мэ (KCr(SO4)2) = 1

6middot М (KCr(SO4)2)

и) MnSO4 + 2KOH rarr Mn(OH)2 + K2SO4

Мэ (MnSO4) = 1

2middot М (MnSO4)

MnSO4 + 2Cl2 + 8KOH rarr K2MnO4 + 4KCl + K2SO4 + 4H2O

Мэ (MnSO4) = 1

4middot М (MnSO4)

2MnSO4 + 5K2S2O8 + 8H2O rarr 2HMnO4 + 2H2SO4 + 10KHSO4

Мэ (MnSO4) = 1

5middot М (MnSO4)

Масса эквивалента вещества (mэ) (г кг hellip)

mэ = э

A

M

N = fЭ middot

A

M

N=

M

z NA =

э A

m

ν N

Пример

mэ (Mg) =

A

M Mg

N =

23 1

12 гмоль

6022 10 моль = 1993middot10

minus23 г

mэ (СаСО3) = 23 1

300г

6моль 6022 10 моль = 83029middot10

minus23 г

Таким образом эквивалент фактор эквивалентности эквивалентное чис-

ло масса эквивалента молярная масса эквивалента ndash величины переменные

зависящие от валентности степени окисления количества атомов зарядов

ионов в молекулах веществ основности кислоты кислотности основания а в

окислительно-восстановительных реакциях ndash от количества отданных или при-

нятых электронов

Количество вещества эквивалента (νэ моль)

νэ = эM

m =

Э

m

Мf = в-ва

Эf

=

m z

M

где m ndash масса вещества г

Пример

m (Аl) = 135 г Мэ (Аl) = 1

3 middot 27 гмоль = 9 гмоль

ν (Аl) = 135г

9гмоль = 15 моль

В 135 г алюминия содержится 15 молей эквивалентов алюминия или (15

middot NA) эквивалентов алюминия z = 3 1 моль атомов алюминия эквивалентен 3

молям эквивалентов алюминия или (3 NA) эквивалентам алюминия

19

1 моль электронов эквивалентен числу Фарадея

F = 160217733middot10minus19

Кл middot 60221367middot10minus1

моль = 96485309 Клмоль

(Клmiddotмольminus1

)

Пример

m = M (O2) νэ = 32г

8гмоль = 4 моль

1 моль молекул O2 содержит 4 моль эквивалентов кислорода

Для сложных веществ Мэ и νэ могут быть рассчитаны по fЭ который ха-

рактеризует их в данной реакции

Молярный объем эквивалента газообразного вещества (Vэ) (лмоль

м3кмоль м

3моль) ndash это объем занимаемый 1 молем эквивалентов этого ве-

щества

Vэ= fЭ middot Vm = 0V

э V 0

э = fЭ middot V

0

m = 0V

э

Пример

V 0

э (О2) =

1

4middot 224 лмоль = 56 лмоль

Это означает что 1 моль эквивалентов О2 при ну занимает объем равный

56 л

V 0

э (Н2) =

1

2middot 224 лмоль = 112 лмоль те 1 моль эквивалентов Н2 при

ну занимает объем равный 112 л

1 моль молекул О2 или 4 моля эквивалентов О2 при ну занимают объем

224 л 1 моль молекул Н2 или 2 моля эквивалентов Н2 при ну занимают объем

224 л

Закон эквивалентов массы веществ реагирующих друг с другом или об-

разующихся в результате химической реакции соотносятся между собой как

их молярные массы эквивалентов

2

1

m

m =

э (1)

э (2)

M

M

1

э (1)

m

М=

2

э (2)

m

М

1

э (1)

m

М = νэ (1)

2

э (2)

m

М = νэ (2)

νэ (1) = νэ (2) ndash количество эквивалентов каждого из участников химической

реакции

Для газообразного вещества

э

m

M =

э

V

V =

0

0

э

V

V = νэ

Закон эквивалентов для химической реакции с участием газа

1

э (1)

m

М=

2

э 2

V

V=

0

2

0

э 2

V

V = νэ (1) = νэ (2)

Мэ (1) =

0

э (2)1

0

2

m middotV

V

Экспериментальное определение эквивалентов и молярных масс эквива-

лента различных веществ может быть проведено различными методами

20

Б2

Л1

Т

Б1

Л2

П

Г

1 Метод прямого определения Эквивалент и молярную массу эквива-

лента устанавливают исходя из соединений данного элемента с водородом или

кислородом

2 Косвенный метод в котором вместо водорода и кислорода использу-

ют другие элементы и вещества с известным эквивалентом и молярной массой

эквивалента

3 Метод вытеснения водорода из кислоты металлом взятой навески

Применим к металлам которые способны вытеснять водород из щелочей и раз-

бавленных кислот

4 Аналитический метод Эквивалент определяют из результатов хими-

ческого анализа элемента в одном из его соединений

5 Электрохимический метод основан на законе Фарадея согласно ко-

торому asymp 96 500 Кл электричества выделяют из электролитов при электролизе

1 моль эквивалентов вещества

Экспериментальная часть

Опыт 1 Определение молярной массы эквивалента алюминия мето-

дом вытеснения

Метод основан на реакции взаимодействия алюминия с соляной кислотой

и измерении объема выделившегося водорода

Собрать прибор представленный на рис 4 Заполнить 14 часть пробирки

раствором соляной кислоты (с массовой долей 15 ) Наклонив пробирку на

ее сухую сторону поместить предварительно взвешенную алюминиевую

Установка состоит из двух бюреток рабочей изме-

рительной Б1 и уравнительной Б2 соединенных

резиновой трубкой Т и заполненных подкрашен-

ной водой К рабочей бюретке при помощи газо-

отводной трубки Г присоединена пробирка П

Рис 4 Лабораторная установка для определения молярной массы эквивалента алюминия

21

фольгу (0015ndash0020 г) так чтобы она не соприкасалась с кислотой Присоеди-

нить пробирку к бюретке и проверить прибор на герметичность Для этого во-

ронку опустить на 10ndash15 см Если прибор герметичен то уровень воды в бю-

ретке несколько снизится а затем останется без изменения Привести давление

в бюретке к атмосферному для чего установить уровень воды в бюретке и во-

ронке на одной высоте в бюретке ndash около нулевого деления но не выше Отме-

тить и записать положение нижнего края мениска в бюретке (А1) После этого

пробирку со штативом наклонить так чтобы кислота смыла алюминиевую

фольгу Для начала реакции содержимое пробирки нагреть на спиртовке (не ка-

саться фитилем дна пробирки не кипятить) Выделяющийся водород бу-

дет вытеснять воду из бюретки После окончания реакции пробирку не снимая

с прибора охладить до комнатной температуры опустив ее в стакан с холодной

водой Затем привести давление внутри прибора к атмосферному и отметить

уровень воды в бюретке (А2)

Объем выделившегося водорода при комнатных условиях V2H = (А2 ndash А1)

привести по объединенному газовому закону (T

PV=

0

00

T

VP) к ну (V0 (H2)) учи-

тывая что общее давление Р = P пар OH2+ P

2Н (где P ndash парциальное давление)

откуда P2Н = Р ndash P пар OH2

тогда объединенный газовый закон T

Vmiddot)P (P пар OH2=

= 0

00

T

VP V

0(H2) = 22общ пар 0 HН О

0

(P Р )middotТ V

Р Т

Таблица 1

Зависимость давления водяного пара от температуры

Т К P OН2 Па Т К P OН2

Па

289 181318 295 233976

290 193317 296 281301

291 206649 297 298641

292 219913 298 317306

293 233314 299 335971

294 247979 300 355970

На основании полученных данных и закона эквивалентов рассчитать молярную

массу эквивалента алюминия (Al)э

Al

M

m=

2

0 2

0

m ( ) H

V (H )

V э

Результаты измерений записать по следующей форме

Навеска

алюминия

г

V2H мл

(А2 ndash А1) Т К

Робщ

Па 2H OP Па V 20 H

мл

Мэ(Al)

гмоль

Ошиб

ка

22

Опыт 2 Определение молярной массы эквивалента карбоната каль-

ция косвенным методом

Взвесить в стакане около 3 г мрамора с точностью до 001 г (m1) При-

лить пипеткой (рис 5) 15 мл раствора соляной кислоты с мо-

лярной концентрацией эквивалента 1 мольл Как только выде-

ление углекислого газа замедлится нагреть стакан до 60ndash70 оС

выдержать при этой температуре до окончания реакции Затем

слить образовавшийся раствор с оставшихся кусочков мра-

мора промыть их два раза дистиллированной водой методом

декантации Стакан с оставшимся мрамором высушить в су-

шильном шкафу при 107 оС и после охлаждения взвесить (m2)

Зная количество молей эквивалентов вступившей в реакцию

соляной кислоты (νэ) и массу прореагировавшего мрамора m3

рассчитать по закону эквивалентов молярную массу эквивален-

та карбоната кальция

Рис 5 Пипетки мерные

Результаты эксперимента записать по следующей форме

m1 г m2 г m3 (CaCO3) =

= m1 ndash m2 г V (HCl) мл

Mэ(СaCO3)

гмоль

Ошибка

νэ (HCl) = Vр-ра (HCl) middot Сэ (HCl)

νэ (СaCO 3 ) = νэ (HCl) )(CaCO э

CaCO

3

3

M

m = Сэ (HCl) middot Vр-ра (HCl)

Мэ (СаСО3) =

3CaCO

HCl э(HCl)

m г

мольV л middotС

л

Вопросы и задачи

1 Как проверить на герметичность прибор для определения молярной

массы эквивалента металла методом вытеснения водорода

2 Как привести давление в герметически закрытом приборе к атмосфер-

ному

3 Под каким давлением по сравнению с атмосферным будет находиться

газ в сосуде если уровень воды в бюретке

а) выше чем в воронке (уравнительном сосуде)

б) ниже чем в воронке

в) на одном уровне

23

4 Как рассчитать парциальное давление газа если он собран над водой

5 Вычислите молярную массу эквивалента металла если навеска техни-

ческого металла массой 0035 г имеющего 20 примесей (не взаимодейству-

ющих с кислотой) вытесняет из кислоты 119 мл водорода собранного над во-

дой при температуре 17 оС и давлении 103middot10

5 Па (давление водяного пара над

водой при 17 оС равно 00193middot10

5 Па)

Ответ 2807 гмоль

6 Чему равны молярные массы эквивалентов мышьяка в его оксидах со-

держащих мышьяк а) 652 (мас) As б) 757 (мас) As

Ответ 1499 гмоль 2492 гмоль

7 Вычислите молярную массу эквивалента фосфорной кислоты и гидрок-

сида алюминия в уравнениях реакций

а) H3PO4 + Ca(OH)2 = CaHPO4 + 2H2O

б) Al(OH)3 + HNO3 = Al(OH)2NO3 + H2O

8 Рассчитайте молярную массу эквивалента олова если

а) при нагревании 092 г его в токе кислорода образуется оксид олова

массой 117 г

б) при восстановлении оксида олова массой 117 г водородом получена

вода массой 016 г

Ответ а) 2944 гмоль б) 5886 гмоль

9 Из 27 г оксида некоторого металла можно получить 63 г его нитрата

Вычислите молярную массу эквивалента металла

Ответ 325 гмоль

10 При восстановлении 51 г оксида металла (III) образовалось 27 г во-

ды Определите молярную массу эквивалента и относительную атомную массу

металла

Ответ 9 гмоль 27

Следует уметь

1 Рассчитывать фактор эквивалентности массу эквивалента и молярную

массу эквивалента элемента простого и сложного веществ исходя из формулы

вещества уравнений реакций в которых участвует вещество закона эквива-

лентов молярного объема эквивалентов любого газообразного вещества

2 Экспериментально определять молярную массу эквивалентов простых

и сложных веществ

24

Работа 3 Приготовление растворов

Задания для подготовки к лабораторной работе

1 Изучите теоретическое введение к лабораторной работе обратив особое

внимание на различные способы выражения содержания растворенного веще-

ства в растворе

2 Проведите все расчеты необходимые для выполнения опытов изучив

метод интерполяции и laquoправило крестаraquo

3 Ознакомьтесь с устройством ареометра мерной посудой и правилами

пользования ими

Теоретическая часть

Раствор ndash это гомогенная система переменного состава состоящая из рас-

творителя растворенных веществ (одного или нескольких) и продуктов их вза-

имодействия Компонент который количественно преобладает и находится в

том же агрегатном состоянии что и образующийся раствор называется раство-

рителем все остальные его части ndash растворенными веществами Основным

признаком характеризующим раствор является его однородность Процесс

растворения часто сопровождается значительными объемными и энергетиче-

скими эффектами По этим признакам растворы больше напоминают химиче-

ские соединения и тем самым отличаются от механических смесей С другой

стороны растворы не имеют строго определенного состава и в этом их суще-

ственное отличие от химических соединений

Первоначально процесс растворения идет самопроизвольно (∆Gр-ния lt 0) и

раствор является ненасыщенным При дальнейшем добавлении вещества

наступает момент когда вещество перестает растворяться и тогда избыток рас-

творенного вещества выпадает в осадок Система оказывается в состоянии ис-

тинного равновесия (∆Gр-ния = 0) те скорости осаждения и растворения равны

Раствор становится насыщенным Можно получить и пересыщенные растворы

те такие массовые доли растворенных веществ в которых выше чем в насы-

щенных растворах (при определенных температуре и давлении) Пересыщен-

ные растворы можно приготовить медленным охлаждением насыщенных при

высокой температуре растворов (например Na2S2O3 NaCH3COO и др) Они

представляют систему находящуюся в кажущемся равновесии (∆Gр-ния gt 0)

Встряхивание или внесение кристаллов того же вещества которое находится в

растворе или изоморфного с ним вызывает кристаллизацию В результате про-

исходит выделение избытка растворенного вещества и раствор становится

насыщенным

Способы выражения концентрации растворов

Состав любого раствора может быть выражен как качественно так и ко-

личественно Раствор с относительно низким содержанием растворенного ве-

щества называют разбавленным с относительно высоким ndash концентрирован-

25

ным Такая количественная оценка условна Например для серной кислоты

концентрированным считается раствор где массовая доля кислоты равна 98 а

для соляной ndash 38

Для количественной оценки состава растворов используют понятие laquoкон-

центрацияraquo Существуют различные способы ее выражения

1 Массовая доля растворенного вещества в растворе Она обознача-

ется Wрв (по первой букве английского слова laquoWeightraquo ndash вес) и рассчитывается

по формуле Wрв = )ткг г(m

)ткг г(m

ра-р

рв Она выражается в долях от единицы и пока-

зывает сколько граммов (кг т) растворенного вещества содержится в 1 г (кг т)

раствора Например W3NaNO = 005 Это означает что в каждом грамме (кг т)

раствора содержится 005 г (кг т) растворенного вещества Массовая доля рас-

творенного вещества в растворе может быть выражена и в процентах Wрв

= ра-р

рв

m

m middot 100 = Wрв middot 100 В этом случае W указывает сколько граммов (кг

т) растворенного вещества содержится в каждых 100 г (кг т) раствора Напри-

мер W3NaNO = 5 в каждых 100 г раствора содержится 5 г NaNO3 или в

каждых 100 кг (т) раствора ndash 5 кг (т) NaNO3

Раствор любой концентрации характеризуется своей плотностью ρ (гмл

кгл гл тм3) которая показывает сколько граммов (кг т) весит 1 мл (л м

3)

раствора данной концентрации Например ρ = 102 гмл Это означает что 1 мл

раствора данной концентрации весит 102 г Плотность раствора рассчитывает-

ся по формуле ρр-ра = ра-р

ра-р

V

m Плотность (ρ) ndash это величина для перехода от массы

раствора к его объему и наоборот

2 Молярная концентрация раствора (См) Ее значение показывает

сколько молей растворенного вещества содержится в 1 л раствора Например

См (р-ра KCl) = 5 мольл Это означает что в каждом литре такого раствора со-

держится 5 моль KCl Молярная концентрация рассчитывается по формуле

См = рв

р-ра

ν

V=

рв

рв р-ра

m

М middotV(мольл) где νрв minus количество растворенного вещества

(моль) mрв ndash масса растворенного вещества (г) М ndash молярная масса раство-

ренного вещества (гмоль) Vр-ра ndash объем раствора (л)

3 Молярная концентрация эквивалента раствора (эквивалентная кон-

центрация или нормальная концентрация) Она обозначается Сэ (используется

также Сн) Ее значение показывает сколько молей эквивалентов растворенного

вещества содержится в 1 л раствора Например Сэ (р-ра HNO3) = 2 мольл Это

означает что в каждом литре раствора содержится 2 моль эквивалентов HNO3

Молярная концентрация эквивалента раствора рассчитывается по формуле

Сэ = э рв

р-ра

ν

V=

рв

э рв р-ра

m

М middotV(мольл)

26

Растворы имеющие одинаковые значения Сэ реагируют между собой в

равных объемах так как содержат равные количества молей эквивалентов рас-

творенных веществ Если растворы имеют различные значения Сэ то вступаю-

щие в реакцию объемы этих растворов обратно пропорциональны их молярным

концентрациям эквивалента 2

1

V

V=

1 э

2 э

С

C или V1 middot Cэ 1 = V2 middot Cэ 2

4 Моляльная концентрация раствора (Сm) Ее значение показывает

сколько молей растворенного вещества содержится в 1 кг растворителя

Например Сm (р-ра H2SO4) = 10 молькг Это означает что в каждом кило-

грамме воды растворено 10 моль H2SO4 Моляльная концентрация раствора

рассчитывается по формуле Сm = рв

р-ля

ν

m=

рв

рв р-ля

m

М middotm(молькг)

5 Молярная (мольная) доля растворенного вещества в растворе Она

обозначается χрв Ее значение показывает сколько молей растворенного веще-

ства содержится в 1 моль раствора Например χ4CuSO = 002 Это означает что в

1 моль раствора содержится 002 моль CuSO4 Если в растворе только одно рас-

творенное вещество то χ ОH2= 098 Сумма мольных долей всех компонентов в

растворе равна единице те 1 моль Мольная доля растворенного вещества в

растворе рассчитывается по формуле χрв = ля-ррв

рв

νν

ν

=

ра-р

рв

ν

ν=

OH

OH

рв

рв

рв

рв

2

2

M

m

М

m

М

m

Если в растворе несколько (К) растворенных веществ то мольная доля любого

из компонентов в том числе растворителя рассчитывается по формуле

χi =

K

1i

i

i

ν

ν Например при наличии трех растворенных веществ и растворителя

χ1 = 4321

1

νννν

ν

χ2 =

4321

2

νννν

ν

χ3 =

4321

3

νννν

ν

χ4 = 4321

4

νννν

ν

χ1 + χ2 + χ3 + χ4 = 1

6 Титр раствора Этот вид выражения состава раствора обозначается

буквой Т Его значение показывает сколько граммов растворенного вещества

содержится в 1 мл раствора Например Т (р-ра Na2CO3) = 15 гмл Это означа-

ет что в каждом миллилитре такого раствора содержится 15 г Na2CO3 Титр

раствора рассчитывается по формуле Т = рв

р-ра

m

V (гмл)

27

Экспериментальная часть

Опыт 1 Приготовление пересыщенного раствора тиосульфата натрия

Положите в пробирку несколько кристаллов Na2S2O3middot5H2O и очень осто-

рожно нагрейте Закройте пробирку ватой и дайте ей охладиться Охлажден-

ную до комнатной температуры пробирку резко встряхните Нагреванием про-

бирки с солью снова получите прозрачный раствор Охладите и внесите не-

большой кристалл исходного вещества Объясните наблюдаемое

Опыт 2 Определение массовой доли серной кислоты по плотности

раствора

Наиболее простой и быстрый способ ndash с помощью ареометра Его приме-

нение основано на том что плавающее тело погружается в жидкость до тех пор

пока масса вытесненной жидкости не станет равной массе самого тела В рас-

ширенной нижней части ареометра находится груз на верхней узкой части ndash

шейке ndash нанесены деления показывающие плотность жидкости в которой

laquoплаваетraquo ареометр

Исследуемый (концентрированный) раствор серной кислоты налейте (под

тягой) в сухой чистый мерный цилиндр на frac34 его объема В раствор осторож-

но не касаясь стенок цилиндра опустите ареометр Каждый ареометр предна-

значен для измерения плотности в определенных пределах При выборе арео-

метра необходимо ориентировочно знать плотность данного раствора Вы-

яснив цену одного деления шкалы ареометра отметьте его показания (по ниж-

нему мениску раствора) Приподняв ареометр на 1ndash2 см вновь опустите его в

раствор и еще раз определите показания По справочной таблице найдите мас-

совую долю растворенного вещества в растворе Если такая величина в таблице

отсутствует то массовую долю находят методом интерполяции (определение

промежуточного значения по двум крайним) Например экспериментальное

показание ареометра равно 1124 гмл Находим ближайшие к этому табличные

значения плотности массовой доли и их разность

ρ гмл W

1130 1831

1120 1701

0010 130

Таким образом изменению плотности на 0010 гмл соответствует изме-

нение массовой доли на 130 Экспериментальное показание ареометра отли-

чается от меньшей табличной величины на 0004 гмл

ρ гмл W

1124

1120 1701

0004

С учетом того что в указанных пределах между плотностью и массовой

долей раствора зависимость линейная составляем пропорцию

28

0010 гмл -----------------130

0004 гмл ----------------- х х = 052

Найденное число (052 ) прибавляем к меньшей массовой доле

(1701 ) взятой из таблицы и соответствующей плотности 1120 Получаем

W = 1701 + 052 = 1753 что соответствует плотности 1124 гмл Этот спо-

соб определения содержания растворенного вещества в растворе применяют в

том случае если не требуется большой точности Более точный способ ndash опре-

деление с помощью титрования Обычно ареометры калибруются при 20 оС В

таблицах значения плотностей растворов приводятся при этой же температуре

Если не требуется особой точности табличными данными можно пользоваться

и для других температур

Опыт 3 Приготовление 50 мл 4 раствора сульфата меди из кри-

сталлогидрата CuSO4middot5H2O

Рассчитайте сколько граммов CuSO4middot5H2O и какой объем воды нужно

взять для приготовления 50 мл раствора с массовой долей CuSO4 4

Взвесьте вычисленную массу кристаллогидрата и перенесите в стакан емко-

стью 100 мл Отмерьте мерным цилиндром (см рис 3) рассчитанный объем

дистиллированной воды перелейте ее в стакан с навеской пентагидрата суль-

фата меди и перемешайте стеклянной палочкой до полного растворения кри-

сталлов соли Полученный раствор перелейте в мерный цилиндр и измерьте

плотность раствора По таблице найдите и запишите массовую долю CuSO4

отвечающую этому значению плотности (ρтеор (4 раствора CuSO4) =

= 104 гмл) пересчитайте на молярную концентрацию молярную концентра-

цию эквивалента моляльную концентрацию и титр раствора

Таблица 2

Исходные данные и полученные результаты приготовления

раствора сульфата меди

Задан-

ная

массо-

вая доля

W

ρтеор

гмл

Рассчитанные

массы компо-

нентов г ρэксп

гмл

Экспериментальные

значения Отн

ошиб

ка

CuSO4middot5H2O Н2О W

См

мольл

Сэ

мольл

Сm

молькг

Т

гмл

Опыт 4 Приготовление 100 мл раствора серной кислоты с молярной

концентрацией эквивалента 01 мольл из более концентрированного раз-

бавлением водой

Для приготовления растворов заданной молярной или эквивалентной

концентраций используются мерные колбы (рис 6) различного объема (25 50

100 200 250 500 1000 мл и более) Рассчитайте объем концентрированного

раствора серной кислоты массовая доля которого определена в опыте 2 необ-

29

ходимый для приготовления 100 мл рас-

твора серной кислоты с молярной кон-

центрацией эквивалента 01 мольл Кис-

лоту перенесите пипеткой (см рис 5) в

мерную колбу объемом 100 мл предвари-

тельно налив в нее примерно 20 мл ди-

стиллированной воды После этого до-

лейте воду в колбу до метки раствор

перемешайте и охладите до комнатной

Рис 6 Мерные колбы температуры Молярная концентрация

эквивалента полученного раствора должна быть близка к 01 мольл Точную

концентрацию раствора серной кислоты определите титрованием щелочью Для

титрования бюретку с наконечником (рис 7) заполните до нулевой

метки титрованным раствором щелочи

предварительно ополоснув им бюретку В

три конические колбы (рис 8) пипеткой

налейте по 10 мл приготовленной серной

кислоты Добавьте в каждую колбу по 2ndash3

капли фенолфталеина и поочередно титруй-

те раствором щелочи из бюретки Щелочь

приливайте медленно левой рукой правой

размешивая раствор Титрование считается

законченным если от прибавления следу-

ющей капли щелочи появляется малиновое

окрашивание которое не исчезает 30 с Рис 8 Колба коническая

Рис 7 Бюретка

мерная для титрования

Для более четкого определения изменения цвета под колбу для титрова-

ния поместите лист белой бумаги Запишите объем щелочи израсходованной

на титрование 10 мл раствора серной кислоты

Аналогично оттитруйте две другие пробы кислоты Результаты парал-

лельных определений не должны различаться между собой более чем на

005ndash010 мл Возьмите из них среднее и рассчитайте точную концентрацию

приготовленного раствора серной кислоты и его титр

Опыт 5 (дополнительный) Приготовление раствора серной кислоты

смешиванием растворов с более высокой и более низкой массовыми долями

Из концентрированного (опыт 2) и имеющегося (опыт 4) в лаборатории

растворов серной кислоты приготовьте 50 мл раствора с массовой долей серной

кислоты равной 30 Для расчета объемов исходных растворов воспользуй-

тесь laquoправилом крестаraquo

30

W1 m1

W

W2 m2

где W ndash массовая доля серной кислоты приготовляемого раствора W1 и W2 ndash

более высокая и более низкая массовые доли H2SO4 в исходных растворах (для

воды W = 0) m1 и m2 ndash массы исходных растворов с более высокой и более

низкой массовой долей Соотношения для исходных растворов таковы

m1 = W ndash W2 m2 = W1 ndash W Таким образом для получения раствора массой

m = (m1 + m2) c массовой долей W необходимо взять m1 г раствора с массовой

долей W1 и m2 г раствора с массовой долей W2 (или V1 р-ра = 1

1m

ρ V2 р-ра =

2

2m

ρ)

Отмерьте вычисленные объемы растворов слейте их в цилиндр объемом 100

мл перемешайте С помощью ареометра и таблицы установите содержание

растворенного вещества в растворе и расхождение практически полученного

значения с заданным

Вопросы и задачи

1 Что произойдет с насыщенным пересыщенным и ненасыщенным рас-

творами алюмокалиевых квасцов при внесении в каждый из них нескольких

кристаллов KAl(SO4)2middot12Н2О

2 Какой объем раствора в котором массовая доля КОН составляет 12

(ρр-ра = 1109 гмл) надо взять чтобы приготовить 250 мл раствора с молярной

концентрацией 2 мольл

Ответ 178 мл

3 В 1 кг воды растворено 666 г гидроксида калия Рассчитайте массовую

долю растворенного вещества в растворе и его концентрации (молярную мо-

ляльную молярную концентрацию эквивалента молярные доли щелочи и во-

ды титр раствора) если его плотность равна 1395 гмл

Ответ 40 995 мольл 119 молькг 0176 0824 0557 гмл

4 В лаборатории имеются растворы с массовыми долями хлорида калия

20 и 40 Сколько граммов каждого раствора надо взять для получения 500 г

раствора с массовой долей соли 25

Ответ 375 г 125 г

5 Плотность раствора карбоната калия равна 122 гмл Из 1 л этого рас-

твора при действии соляной кислоты получено 445 л СО2 (ну) Вычислите

процентное содержание К2СО3 в растворе и его молярную концентрацию экви-

валента

Ответ 225 397 мольл

31

6 В каких объемах должны быть смешаны 01 н и 60 (ρ = 1498 гмл)

растворы серной кислоты чтобы получить 1 л 1 н раствора Н2SO4

Ответ 493 и 9507 мл

7 К 005 л раствора хлорида марганца (II) (ρ = 1085 гмл W = 8 ) при-

бавлено 02 л раствора гидроксида лития массовая доля LiOH в котором 10

(ρ = 1107 гмл) Какое вещество взято в избытке и в каком количестве оно

останется после реакции

Ответ 27 г

8 Для осаждения сульфата бария из раствора BaCl2 (ρ = 106 гмл

W = 8 ) объемом 100 мл требуется раствор Н2SO4 объемом 139 мл Чему равна

молярная концентрация и моляльная концентрация эквивалента раствора

Н2SO4

Ответ 0294 и 0588 мольл

9 Растворы азотной кислоты и гидроксида натрия объемом 1 л каждый

содержат соответственно 189 г HNO3 и 32 г NaOH Какова молярная концен-

трация этих растворов и в каком объемном соотношении они должны быть

смешаны для получения нейтрального раствора

Ответ 03 и 008 мольл 1 375

10 Какова масса Al(OH)3 если для его растворения потребовалось 02 л

раствора азотной кислоты (ρ = 118 гмл W = 30 ) Какой объем 25 н раство-

ра КОН необходимо затратить для растворения этого количества гидроксида

алюминия

Ответ 292 мл 015 л

Следует уметь

1 Выражать содержание растворенного вещества в растворе различными

способами и осуществлять их взаимный пересчет

2 Готовить растворы смешиванием растворенного вещества и раствори-

теля разбавлением водой концентрированного раствора смешиванием двух

растворов разной концентрации выпариванием растворителя добавлением

растворяемого вещества к раствору

3 Пользоваться ареометром мерной посудой установкой для титрова-

ния методом интерполяции laquoправилом крестаraquo

4 Определять содержание растворенного вещества в растворе по его

плотности и с помощью титрования

Работа 4 Методы очистки веществ

Задания для подготовки к лабораторной работе

1 Ознакомьтесь со следующими элементами техники выполнения лабо-

раторных работ взвешиванием на весах измельчением растворением филь-

32

трованием изготовлением простых и складчатых фильтров фильтрованием го-

рячих растворов и фильтрованием растворов под вакуумом нагреванием на

электроплитке растворов в химической посуде промыванием и высушиванием

осадков методами очистки твердых жидких и газообразных веществ

2 Выполните необходимые расчеты

Теоретическая часть

В лабораторной практике большое значение имеет очистка веществ так

как работа с загрязненными реактивами обусловливает получение неточных ре-

зультатов и неправильных выводов

Известны многочисленные методы очистки веществ фильтрование ди-

стилляция дробная перегонка возгонка зонная плавка метод транспортных

реакций и др В лабораторной практике для очистки твердых веществ чаще ис-

пользуются перекристаллизация и возгонка для очистки жидкостей ndash фильтро-

вание и перегонка газов ndash отделение примесей путем поглощения их различ-

ными химическими веществами

1 Очистка твердых веществ от примесей перекристаллизацией и

возгонкой

Перекристаллизация основана на различной растворимости одного и то-

го же вещества при различных температурах Под растворимостью понимают

содержание вещества в насыщенном растворе при данной температуре Она

выражается обычно в граммах безводного вещества на 100 г растворителя

(табл 3) или любым видом концентрации растворов (см работу 3)

Таблица 3

Растворимость солей г100 г воды

Формула соли Температура

оС

0 20 40 60 80

CuSO4 143 205 287 395 555

K2Cr2O7 46 125 259 455 730

NaNO3 727 876 1049 1247 1490

КNO3 133 316 639 1100 1690

NH4Cl 294 372 458 552 656

Зависимость растворимости от температуры изображается также кривы-

ми растворимости (рис 9) Пользуясь табл 3 и рис 9 можно определить

например что в 100 г воды при 20 и 80 оС растворяется соответственно 316 и

1690 г нитрата калия Очевидно при охлаждении насыщенного при 80 оС рас-

твора нитрата калия до 20 оС должно выпасть 1690 ndash 316 = 1374 г соли Чем

ниже температура до которой охлаждают раствор тем большее количество

кристаллов выпадает в осадок

33

При небольшом изменении растворимости в результате повышения тем-

пературы (например хлорида натрия) раствор сначала упаривают а затем

охлаждают Иногда для кристаллиза-

ции к насыщенному водному раствору

вещества добавляют реагенты пони-

жающие его растворимость в воде

(например спирт ацетон концентри-

рованную соляную кислоту) Это явле-

ние называется laquoвысаливаниемraquo

Вещества применяемые в лабо-

раторной практике содержат как пра-

вило немного растворимых приме-сей

относительно которых раствор нена-

сыщен Поэтому при кристал-лизации

вещества из насыщенного раствора

примеси остаются в маточ-ном раство-

ре Маточным называется раствор

оставшийся после отфиль- тровыва-

ния выпавших кристаллов

Рис 9 Кривые растворимости Для получения более чистых ве-

некоторых солей ществ осуществляют повторную крис-

таллизацию

Возгонка ndash это переход вещества при нагревании из твердого состояния

непосредственно в пар минуя жидкое Этим методом очищают твердые веще-

ства от нелетучих примесей например йод серу нафталин хлорид аммония

салициловую кислоту и др Пары возгоняемого вещества конденсируются в

кристаллы на поверхности охлажденных предметов

2 Очистка жидкостей перегонкой

Перегонка основана на различии состава жидкой и паровой фаз Жидкая

фаза одного состава превращается в пар с последующей конденсацией его сно-

ва в жидкость другого состава Этим методом очищают жидкие смеси от рас-

творенных в них твердых веществ или менее летучих жидкостей

Различают несколько способов перегонки жидкостей под нормальным

давлением уменьшенным давлением и с водяным паром

Перегонкой под нормальным давлением пользуются в тех случаях когда

очищаемые жидкости при нагревании не разлагаются и не имеют слишком вы-

сокую температуру кипения Индивидуальное вещество при постоянном давле-

нии кипит при строго определенной температуре Поэтому температура кипе-

ния является характеристикой чистоты вещества Оно тем чище чем меньше

разница между температурой кипения очищаемого вещества и температурой

при которой оно перегоняется

34

3 Очистка газов

Газы для очистки пропускают через поглотительные сосуды содержащие

твердые или жидкие поглотители вступающие в химические реакции с приме-

сями и не реагирующие с очищаемым газом Этот процесс включает высуши-

вание и удаление специфических примесей образующихся в процессе его по-

лучения Пары воды можно поглощать концентрированной серной кислотой

прокаленным хлоридом кальция оксидом фосфора (V) силикагелем безвод-

ным сульфатом меди пары аммиака и хлороводорода ndash водой

Экспериментальная часть

Опыт 1 Очистка медного купороса перекристаллизацией

Пользуясь табл 4 рассчитайте четырьмя способами сколько граммов

воды и медного купороса следует взять для приготовления насыщенного при 80 оС раствора соли из которого при охлаждении до 20

оС выделилось бы 10 г

пентагидрата или 64 г безводного сульфата меди

Таблица 4

Растворимость

безводного сульфата меди и кристаллогидрата сульфата меди

при 80 и 20 оС

t оС

Масса г Масса раствора

г CuSO4 Н2О CuSO4times5Н2О Н2О

80 555 100 8672 6878 1555

8069 14539 12608 100 22608

20

205 100 3203 8847 1205

1594 7774 2490 6878 9368

2317 11303 362 100 1362

I способ расчет на 10 г CuSO4middot5Н2О

m (CuSO4middot5Н2О) m (Н2О)

80 оC 8672 6878

20 оC 2490 6878

II способ расчет на 10 г CuSO4middot5Н2О

m (CuSO4middot5Н2О) m (Н2О)

80 оC 12608 100

20 оC 3620 100

III способ расчет на 64 г CuSO4

m (CuSO4) m (Н2О)

80 оC 5550 100

20 оC 1594 1774

35

IV способ расчет на 64 г CuSO4

m (CuSO4) m (Н2О)

80 оC 8069 14539

20 оC 2317 11303

Примеры расчета масс веществ

Пример 1 Какие массы дихромата калия и воды необходимо взять для

получения очищенной соли массой 30 г если перекристаллизация будет прово-

диться в температурном интервале 80ndash20 оС

Решение

1) По табл 3 находим что при 80 оС в 100 г воды растворяется 7300 г

дихромата калия а при 20 оС ndash 1250 г

2) Следовательно при охлаждении раствора от 80 до 20 оС выделится

7300 ndash 1250 = 6050 г соли

3) Массу дихромата калия необходимую для получения 30 г очищенной

соли вычисляем следующим образом

для выделения 6050 г соли требуется 7300 г дихромата калия

для 30 г -------------------- х г х = 5060

0073middot30= 3619 г

4) Объем воды в котором должна быть растворена эта навеска рассчиты-

вается так

73 г дихромата калия растворяются в 100 г воды

362 г -------------------------------------- в х г

х = 73

100middot236= 4959 г (4959 мл так как плотность воды принимаем

равной 1 гмл)

Пример 2 Какую массу воды и медного купороса надо взять для приго-

товления насыщенного при 80 оС раствора соли из которого при последующем

охлаждении до 0 оС выделяется пентагидрат сульфата меди (II) массой 20 г

Решение

1) Учитывая растворимости безводного сульфата меди при 80 и 0 оС рас-

считаем какой массе кристаллогидрата соответствует масса безводной соли

555 и 143 г (CuSO4)

М(CuSO4middot5Н2О) = 250 гмоль М(CuSO4) = 160 гмоль

160 г безводной соли содержится в 250 г кристаллогидрата

555 г ----------------------------------- в х г

х = 160

250middot555= 867 г (80

оС)

160 г безводной соли содержится в 250 г кристаллогидрата

143 г ----------------------------------- в у г

у = 160

250middot314= 223 г (0

оС)

36

2) Вычисляем массу воды необходимую для растворения кристаллогид-

рата при соответствующих температурах

80 оС 100 ndash (867 ndash 555) = 688 г

0 оС 100 ndash (223 ndash 143) = 92 г

3) Масса медного купороса растворенная в воде массой 688 г при 0 оС

будет равна

в 92 г воды растворяются 223 г медного купороса

в 688 г ----------------------- х г

х = 688middot223

92= 1668 г

4) Масса кристаллогидрата выделяющегося при охлаждении от 80 до

0 оС равна 867 ndash 167 = 700 г

5) По условию задачи требуется получить медный купорос массой 20 г

Для выделения 70 г кристаллогидрата необходимо растворить его 867 г

для выделения 20 г ----------------------------------------------------------- х г

х = 2477 г

6) Масса воды необходимая для растворения 2477 г кристаллогидрата

для растворения 867 г кристаллогидрата требуется 668 г воды

для 2477 г ---------------------------------------------------- х г

х = 1965 г или 1965 мл (так как ρ OH2= 1 гмл)

Рассчитанную массу медного купороса взвесьте поместив его на часовое

стекло Отмерьте мерным цилиндром (см рис3) необходимый объем дистил-

лированной воды Вылейте воду в стакан из термостойкого стекла и нагрейте

до начала кипения Затем поместите навеску медного купороса в стакан с

нагретой водой и растворите при помешивании стеклянной палочкой Если по-

лученный раствор прозрачный и не содержит механических примесей то охла-

дите его до 20 оС помешивая стеклянной палочкой Если в приготовленном ис-

ходном растворе содержатся нерастворимые примеси то прежде чем охладить

раствор его необходимо отфильтровать через воронку для горячего фильтро-

вания (рис 10) с применением складчатого фильтра (рис 11)

Для нагрева воронки можно использовать

горячую воду из водопроводной сети Воронка имеет боковой отросток под который подстав-

ляют газовую горелку для нагревания находя-

щейся между стенками воды

При фильтровании легко воспламеняю-

щихся жидкостей применяют воронки с элек-

трическим обогревом

Рис 10 Воронка для горячего фильтрования

37

Для изготовления складчатого фильтра нужно взять соответствующий

размеру воронки квадрат из фильтровальной бумаги сложить его пополам и за-

тем еще раз пополам Внешние углы обрезать по дуге сложить laquoгармошкойraquo

При изготовлении простого фильтра приготовить конус как описано вы-

ше отогнуть один листочек и полученный конус вставить в воронку смочить

его дистиллированной водой (рис 12) Необходимо чтобы фильтр плотно при-

легал к стенкам воронки и между ними не было пузырьков воздуха Край филь-

тра должен быть ниже края воронки не менее чем на 05 см (рис 12 г)

Рис 11 Складчатый фильтр Рис 12 Изготовление простого фильтра

а-в ndash стадии изготовления г ndash фильтр помещен в воронку

Стеклянную воронку с развернутым складчатым фильтром поместите в

воронку для горячего фильтрования фильтр смочите ди-

стиллированной водой Жидкость перелейте на фильтр по

стеклянной палочке (рис 13) держать которую нужно в ле-

вой руке профильтруйте и охладите раствор до 20 оС

Выпавшие кристаллы отделите от маточного раствора

с помощью прибора изображенного на рис 14

Он состоит из фарфоровой воронки Бюхнера (1) колбы Бун-

зена (2) водоструйного вакуум-насоса или насоса Камовско-

го На сетчатое дно воронки Бюх-

нера положите два кружка филь-

тровальной бумаги Чтобы выре-

зать эти фильтры на верх воронки

положите два листа фильтроваль-

ной бумаги и плот-но прижмите

ладонью затем ножницами вы-

режьте один по обозначенному

контору другой ndash на 3ndash4 мм Рис 13 Фильтрование

меньше

На дно воронки вначале положите фильтр меньшего

размера затем большего смочите их дистиллирован-

ной водой и прижмите края к стенкам воронки

Вставьте воронку в колбу Бунзена перенесите в нее

кристаллы вместе с маточным раствором подсоеди-

Рис 14 Установка для ните прибор к насосу и включите его После отделе-

фильтрования с примене- ния кристаллов промойте их в 5ndash10 мл холодной дис- нием вакуума

38

тиллированной воды для удаления остатков маточного раствора

При перекристаллизации нужно получить вещество в кристаллах средне-

го размера так как крупные кристаллы обычно содержат включения маточного

раствора с находящимися в нем примесями а очень мелкие будучи свобод-

ными от этих включений образуют густую кашицу между отдельными кри-

сталлами которой прочно удерживается маточный раствор и отмыть его полно-

стью без потери вещества не удается

Снять кристаллы с воронки перевернув ее на лист фильтровальной бу-

маги и осторожно постучав по ее стенкам Сушить кристаллы нужно в сушиль-

ном шкафу или между листами фильтровальной бумаги до тех пор пока они

не перестанут прилипать к сухой стеклянной палочке Взвесьте перекристал-

лизованную соль и рассчитайте ее выход в процентах Раствор очищенной со-

ли и маточный раствор испытайте на присутствие хлорид-ионов (Реакция с

нитратом серебра в пробирку с небольшим количеством раствора добавьте

каплю раствора нитрата серебра и две капли азотной кислоты Выпавший бе-

лый осадок является хлоридом серебра)

Для уменьшения потери вещества при перекристаллизации маточный

раствор можно упарить наполовину и выделить новую порцию вещества по ме-

тодике описанной выше

Опыт 2 Возгонка йода

Взвесьте на часовом стекле 020 г йода 005 г йодида калия и 010 г окси-

да кальция (оксид кальция необходим для поглощения влаги йодид калия ndash для

очистки от примесей кислородных и других соединений йода) Смесь помести-

те на дно низкого тонкостенного стакана без носика и осторожно размешайте

стеклянной палочкой Накройте стакан круглодонной колбой наполненной

холодной водой (рис 15)

Поставьте стакан на кольцо штатива с асбестовой сеткой осторожно

нагрейте его дно пламенем спиртовки и наблюдайте возгонку йода По окон-

чании процесса прекратите нагревание и дайте стакану охладиться не снимая с

него колбы Затем поднимите колбу и осторожно снимите стеклянной палочкой

йод на предварительно взвешенное часовое стекло (кристаллы йода не сни-

мать металлическим шпателем так как йод взаимодействует с большинством

металлов) Определите массу йода и рассчитайте его выход в процентах

39

а б

Рис 15 Возгонка йода а ndash начало процесса б ndash конец процесса

Опыт 3 Очистка водопроводной воды перегонкой

Для очистки водопроводной воды соберите прибор для перегонки пред-

ставленный на рис 16 Он состоит из колбы Вюрца (1) в которую вставлен

термометр холодильника Либиха (2) аллонжа (3) колбы-приемника (4) с

хлоркальциевой трубкой Проверьте водопроводную воду на содержание в ней

ионов хлора (с использованием раствора нитрата серебра) ионов кальция и

магния

Для доказательства

наличия ионов кальция и

магния в пробирку налейте

5ndash6 мл водопроводной во-

ды добавьте 1 мл амми-

ачной буферной смеси и 3ndash

4 капли индикатора эри-

хрома черного Т Винно-

красная окраска жидкости

свидетельствует о наличии в

воде ионов кальция и маг-

ния фиолетовая ndash указы-

Рис16 Установка для перегонки воды вает на их отсутствие

Далее колбу Вюрца на 13 объема наполните водопроводной водой поместите

в нее для равномерного кипения жидкости несколько стеклянных капилляров

запаянных с одного конца Закройте отверстие колбы Вюрца пробкой с термо-

40

метром (ртутный шарик термометра должен быть немного ниже уровня отвод-

ной трубки колбы) Заполните холодильник водой (ток воды подается снизу

вверх) Приемник закройте пробкой снабженной аллонжем и хлоркальциевой

трубкой с натронной известью для поглощения углекислого газа из воздуха

Нагрейте на электроплитке воду до кипения предварительно положив под дно

колбы асбестовую сетку Отметьте при какой температуре закипит жидкость

Когда в приемнике соберется приблизительно 10 мл воды нагревание

прекратите Проверьте содержит ли дистиллированная вода ионы которые бы-

ли в водопроводной

Опыт 4 Очистка углекислого газа

Соберите прибор для получения и очистки оксида углерода (IV) (см

рис 1) Он состоит из аппарата Киппа и двух промывных склянок Тищенко В

одной из них находится дистиллированная вода (или раствор гидрокарбоната

натрия) в другой ndash концентрированная серная кислота

Получите углекислый газ в аппарате Киппа Для этого загрузите мрамор в

его средний шар и налейте через воронку такое количество 20 раствора соля-

ной кислоты чтобы он закрыл часть мрамора

Пропустите в течение 2 мин слабый ток оксида углерода (IV) через про-

мывные склянки Убедитесь с помощью обезвоженного сульфата меди содер-

жащегося в хлоркальциевой трубке что углекислый газ сухой Исследуйте

жидкость в склянке с дистиллированной водой на содержание в ней хлорид-

ионов Сделайте выводы

Вопросы и задачи

1 На чем основан процесс перекристаллизации

2 Как перекристаллизовать вещества растворимость которых изменяется

от температуры незначительно

3 Какой раствор называется маточным

4 Где остаются примеси после перекристаллизации и почему

5 От каких факторов зависит величина кристаллов Какие кристаллы со-

держат меньше примесей мелкие или крупные

6 От каких примесей освобождаются при очистке твердых веществ воз-

гонкой На чем основан этот метод

7 С какой целью при возгонке к йоду добавляют йодид калия и оксид

кальция

8 На каких физических процессах основана перегонка

41

9 Какой принцип лежит в основе работы холодильника

10 С какой целью при перегонке в колбу Вюрца добавляют так называе-

мые laquoкипелкиraquo (стеклянные трубки пористые материалы и т д)

11 От каких примесей очищается водопроводная вода при перегонке

12 Какие примеси присутствуют в диоксиде углерода полученном в ап-

парате Киппа и как их устранить

13 В насыщенном при 60 оС растворе сульфата калия его массовая доля

равна 154 Выразите растворимость в граммах на 100 г воды

Ответ 1829 г

14 Какая масса хлорида аммония выпадает в осадок при охлаждении до

0 оС насыщенного при 80

оС раствора массой 800 г

Ответ 17488 г

15 Какую массу воды и дихромата калия нужно взять для получения соли

массой 30 г если насыщение осуществлять при 60 а кристаллизацию ndash при

20 оС

Ответ 9090 г 4136 г

16 Какую массу нитрата натрия можно получить из раствора приготов-

ленного путем насыщения при 60 оС 25 мл воды и охлаждении до 0

оС (раство-

римость веществ приведена в табл 3)

Ответ 13 г

Следует уметь

1 Рассчитывать массы растворенного вещества и растворителя необхо-

димые для получения заданной массы очищенной соли

2 Взвешивать на весах отмерять жидкость цилиндром нагревать хими-

ческую посуду на электроплитке

3 Изготавливать простые и складчатые фильтры фильтровать при обыч-

ном давлении и под вакуумом

4 Рассчитывать практический выход продуктов

5 Правильно называть приборы и химическую посуду

6 Пользоваться аппаратом Киппа холодильником Либиха воронкой го-

рячего фильтрования

7 Проверять воду на чистоту

42

Работа 5 Определение изменения энтальпий физико-химических

процессов

Задания для подготовки к лабораторной работе

1 Повторите основные понятия изменение энтальпии реакции ∆rН изме-

нение энтальпии образования вещества ∆fН тепловой эффект реакции Qр-ции

тепловой эффект образования вещества Qобр закон Гесса и следствия из него

2 Ознакомьтесь с устройством калориметрической установки и зарисуйте

ее схему (рис 17)

Теоретическая часть

Большинство химических реакций сопровождается переходом химиче-

ской энергии в тепловую экзотермические реакции осуществляются с выделе-

нием тепла эндотермические ndash с поглощением

Количество тепла выделяющегося или поглощающегося при химической

реакции называется тепловым эффектом реакции который обозначается Qр-ции

или Qr где индекс laquorraquo ndash первая буква английского слова reaction

Тепловой эффект химической реакции при постоянном давлении Qр (ин-

декс laquoрraquo указывает постоянное давление) численно равен изменению энтальпии

∆rН взятой с противоположным знаком Qp = minus∆rН Тепловой эффект и измене-

ние энтальпии химической реакции измеряются в килоджоулях (кДж) или в ки-

локалориях (ккал) Уравнения химических реакций в которых указываются

тепловые эффекты или изменения энтальпии называются термохимическими

Энергетические эффекты различных процессов определяют эксперимен-

тально а термохимические расчеты проводят на базе основного закона термо-

химии ndash закона Гесса тепловой эффект изменение энтальпии изменение внут-

ренней энергии химической реакции зависят от природы и состояния исходных

веществ и конечных продуктов но не зависят от числа и характера промежу-

точных стадий процесса Этот закон лежит в основе расчета Q ∆Н ∆U различ-

ных процессов minus образования разложения сгорания растворения гидратации

нейтрализации и др

Если в ходе процесса при постоянном давлении системой совершается

работа расширения то Qp = ∆U + Р middot ∆V РV = nRT Р middot ∆V = ∆n middot RT

∆Н = ∆U + ∆n middot RT ∆U = ∆Н minus ∆n middot RT где ∆n ndash изменение числа молей газооб-

разных продуктов реакции и исходных веществ (∆n = продn minus исх

n )

Тепловой эффект (изменение энтальпии) растворения ndash теплота растворе-

ния (энтальпия растворения) данного вещества в данном растворителе опреде-

ляется количеством теплоты (изменением энтальпии) которое выделяется или

поглощается при растворении одного моля вещества в таком количестве рас-

творителя что дальнейшее прибавление последнего уже не вызывает дополни-

тельного теплового эффекта (изменения энтальпии)

Пример 1 Растворение Na2SO4 сопровождается выделением теплоты

(29 кДжмоль) а при растворении кристаллогидрата Na2SO4middot10Н2О происходит

43

поглощение теплоты (787 кДжмоль) Вычислите изменение энтальпии гидра-

тации

Решение

1 Термохимическое уравнение растворения Na2SO4

Na2SO4 (к) + aq rarr Na2SO4middotaq ∆Н1 (растворения безводной соли) = minus29 кДж

2 Процесс гидратации безводной соли

Na2SO4 (к) + 10Н2О(ж) rarr (Na2SO4 middot10Н2О)(к) ∆Н2 (гидратации) minus

3 Термохимическое уравнение растворения кристаллогидрата

Na2SO4middot10Н2О + aq rarr Na2SO4middot aq ∆Н3 (растворения кристаллогидрата) =

= 787 кДж

В соответствии с законом Гесса процесс растворения безводной соли (1)

складывается из процесса гидратации (2) и процесса растворения кристалло-

гидрата (3) те ∆Н1 = ∆Н2 + ∆Н3

Тогда ∆Н2 (гидратации) = ∆Н1 (растворения безводной соли) minus ∆Н3 (рас-

творения кристаллогидрата) = minus29 кДж minus 787 кДж = minus816 кДж

1-е следствие из закона Гесса изменение энтальпии реакции равно

сумме изменения энтальпий образования продуктов реакции за вычетом

суммы изменения энтальпий образования исходных веществ с учетом сте-

хиометрических коэффициентов

Пусть аА + бБ = сС + дД а б с д ndash стехиометрические коэффициенты

Тогда ∆rН = с middot ∆fНС + д middot ∆fНD minus а middot ∆fНА minus б middot ∆fНВ

Пример 2 Вычислите ∆Н 0

298 растворения NaOH в воде при образовании

раствора с концентрацией См = 1 мольл

Решение

Процесс растворения NaOH схематически выражается уравнением

NaOH(к) + aq rarr Na (р)

+ OH р

∆fН0

298 кДжмоль minus4268 minus2397 minus2284

∆rН0

298 = minus2397 minus 2284 + 4268 = minus413 кДж

Опыт подтверждает что растворение твердого NaOH сопровождается

разогреванием раствора

2-е следствие из закона Гесса изменение энтальпии реакции равно

сумме изменения энтальпий сгорания исходных веществ за вычетом суммы

изменения энтальпий сгорания продуктов реакции (с учетом стехиомет-

рических коэффициентов)

Пример 3 Вычислите ∆Н 0

298 реакции которая выражается уравнением

СН3СООН(ж) + С2Н5ОН(ж) = СН3СООС2Н5(ж) + Н2О(ж) ∆rН0

1 minus

Изменение энтальпии этого процесса можно рассчитать алгебраически

суммируя энтальпии сгорания

СН3СООН(ж) + 2О2(г) = 2СО2(г) + 2Н2О(ж) ∆rН0

2 = minus8711 кДж

2С2Н5ОН(ж) + 3О2(г) = 2СО2(г) + 3Н2О(ж) ∆rН0

3 = minus1367 кДж

СН3СООС2Н5(ж) + 5О2(г) = 4СО2(г) + 4Н2О(ж) ∆rН0

4 = minus2284 кДж

44

∆rН0

1 = ∆rН0

2 + ∆rН0

3 minus ∆rН

0

4 = minus8711 minus1367 + 22840 = minus46 кДж

Различают изменение энтальпий фазовых и химических превращений К

фазовым относят сублимацию испарение плавление полиморфные превраще-

ния переход из аморфного состояния в кристаллическое Разновидностью хи-

мических реакций служат процессы электролитической диссоциации и химиче-

ские превращения в водных растворах электролитов

Большое значение для развития химии имеет определение изменения эн-

тальпии нейтрализации кислоты щелочью ∆Ннейтр одного моля сильной кисло-

ты одним молем сильного основания ndash величина постоянная Этот факт объяс-

няет теория электролитической диссоциации Аррениуса согласно которой лю-

бая реакция нейтрализации сводится к следующему процессу

Н р-р

+ ОН р-р

= Н2О(ж)

∆fН0

298кДжмоль 0 minus23019 minus28583 Изменение энтальпии этой реакции

∆Н 0

298 нейтр = minus28583 + 23019 = minus556 кДж

∆Ннейтр слабых кислот слабыми основаниями ndash величина переменная за-

висящая от их констант диссоциации и соответственно от концентрации ионов

водорода Н р-р

и гидроксид-ионов ОН р-р

в растворе и имеет значение мень-

шее чем 556 кДжмоль

Экспериментальная часть

Опыт 1 Определение изменения энтальпии нейтрализации сильного

основания сильной кислотой

Для проведения опыта используйте калориметрическую установку

(рис 17) Она состоит из калориметрического стакана (1) вставленного в дру-

гой стакан (2) который играет роль теплоизо-

лирующей муфты подставки (3) крышки (4)

термометра (5) мешалки (6) пипетки (7) шта-

тива (8)

Взвесьте калориметрический стакан и

влейте в него из пипетки (бюретки) 25 мл рас-

твора NaOH или КОН с концентрацией Сэ

= 1 мольл и отметьте температуру с точностью

до 01 оС В другой стакан налейте из бюретки

25 мл НСl или HNO3 такой же концентрации и

измерьте с той же точностью температуру рас-

твора кислоты Затем быстро но аккуратно

влейте раствор кислоты в калори-

Рис 17 Калориметрическая метрический стакан Перемешивая мешалкой

установка содержимое сосуда отметьте максимальную

температуру смеси

Полученные данные используйте для расчетов Расчет проводите по сле-

дующей схеме

45

1 Вычислите изменение энтальпии реакции

NaOH (КОН) + НСl (HNO3) = Н2О + NaCl (KCl)

∆rН0 = (mж middot Cж + mст middot Cст) middot ∆t ∆t = tкон minus tнач где tкон tнач ndash конечная и

начальная температуры (оС) растворов в калориметрическом сосуде mст mж ndash

масса стеклянного калориметрического сосуда и находящейся в нем жидкости

Cст Cж ndash удельные теплоемкости стекла и жидкости Начальная температура ndash

это среднеарифметическая температура щелочи и кислоты конечная ndash наивыс-

шая температура после сливания растворов плотность раствора принять равной

1 гмл его удельную теплоемкость ndash равной теплоемкости воды

(4184 ДжгmiddotК) а удельную теплоемкость стекла ndash 0753 ДжгmiddotК Массу стакана

(mст) определяют в зависимости от того какая часть его объема заполняется

раствором (если наполовину то стm

2)

2 Составьте ионно-молекулярное уравнение реакции нейтрализации и

рассчитайте изменение энтальпии нейтрализации одного моля эквивалента

кислоты по результатам проведенного опыта

3 Определите относительную ошибку опыта (в процентах)

Опыт 2 Определение изменения энтальпии нейтрализации слабого

основания слабой кислотой

Проведите опыт аналогично первому взяв растворы аммиака и уксусной

кислоты с концентрацией Сэ = 1 мольл Вычислите изменение энтальпии

нейтрализации в расчете на 1 моль эквивалентов уксусной кислоты Сравните

результаты с данными предыдущего опыта

Опыт 3 Определение изменения энтальпии растворения безводного

сульфата меди (II)

Опыт проведите в калориметрической установке (см рис 17) В предва-

рительно взвешенный калориметрический стакан налейте 30 мл дистиллиро-

ванной воды определите ее температуру с точностью до 01 оС Взвесьте 1 г

безводного сульфата меди (II) с точностью до 001 г Быстро и аккуратно

всыпьте соль в калориметрический сосуд Размешивая его содержимое мешал-

кой отметьте максимальную температуру Зная разность температур общую

массу раствора и приняв удельную теплоемкость раствора равной удельной

теплоемкости воды рассчитайте изменение энтальпии данного процесса на

1 моль безводной соли

I 1 CuSO4 (к) + aq rarr CuSO4 middot aq ∆Н 0

р-ния б сminus

Имея в виду что гидратация безводной соли и растворение кристалло-

гидрата выражаются следующими термохимическими уравнениями

1 CuSO4(к) + 5H2O(ж) = CuSO4middot5H2O(к) ∆Н 0

1 = minus778 кДж ndash изменение

II энтальпии при гидратации

2 CuSO4middot5H2O(к) + aq = CuSO4 middot aq ∆Н 0

2 = 117 кДж ndash изменение энталь-

пии растворения кристаллогидрата рассчитайте ∆Н 0

р-ния б с CuSO4 на основе за-

46

кона Гесса ∆Н(р-ния б с) = ∆Н(гидрат) + ∆Н(р-ния кристаллогидрата) Сравните теоретиче-

ские и экспериментально рассчитанные значения изменения энтальпии и опре-

делите относительную погрешность опыта (в процентах)

Опыт 4 Определение изменения энтальпии гидратации карбоната

натрия

Опыт проведите по методике описанной в опыте 3 Взятая навеска кар-

боната должна составлять примерно 07 г Опыт и расчеты повторите для кри-

сталлогидрата Na2CO3middot10Н2О (навеска ndash 15 г на 30 мл воды) По найденным

изменениям энтальпий растворения Na2CO3 и Na2CO3middot10Н2О вычислите изме-

нение энтальпии гидратации карбоната натрия и сравните с литературными

данными

(∆Н 0

р-ния б с= minus251 кДжмоль ∆Н

0

гидрат = minus920 кДжмоль

∆Н 0

р-ния кристаллогидрата = 669 кДжмоль)

Вопросы и задачи

1 Почему химические и фазовые превращения сопровождаются выделе-

нием или поглощением энергии Почему в одних случаях энергия выделяется а

в других поглощается

2 Рассчитайте среднюю энергию связи в молекулах СН4 и SiH4 если из-

вестны изменения энтальпий образования Н (г) С (г) Si (г) и СН4 (г) SiH4 (г)

Объясните различия средней энергии связи С ndash Н Si ndash Н

Ответ 415325 кДжмоль

3 Вычислите среднюю энергию связи Н ndash О в молекуле воды если из-

вестно изменение энтальпии образования Н2О (г) Н (г) и О (г)

Ответ 462 кДжмоль

4 Вычислите изменение энтальпии реакции нейтрализации растворов

КОН и НСl CsOH и H2SO4 NaOH и HNO3 в случае очень разбавленных рас-

творов в расчете на 1 моль Н2О в стандартных условиях Почему изменение эн-

тальпий этих реакций одинаковы Почему значения изменения энтальпий

нейтрализации разных слабых оснований и кислот различны

Ответ minus556 кДжмоль

5 При растворении 10 г СаСl2 в 200 мл воды температура раствора повы-

силась на 77 К Вычислите изменение энтальпии гидратации СаСl2 если изме-

нение энтальпии растворения СаСl2middot6Н2О равна 1908 кДжмоль Удельную

теплоемкость раствора примите равной удельной теплоемкости воды

(4184 ДжгmiddotК) Ответ minus9423 кДжмоль

6 При растворении 8 г хлорида аммония в 20 г воды температура понизи-

лась на 2 оС Вычислите ∆Н растворения NH4Cl в воде принимая удельную

теплоемкость полученного раствора равной 41870 Дж(г middot К)

Ответ minus163 кДжмоль

47

7 Рассчитайте ∆rН растворения алюминия в разбавленной соляной кисло-

те если стандартные изменения энтальпий образования реагирующих веществ

равны ∆fНHCl (p-p) = minus1675 кДжмоль ∆fН 3 р-р

AlCl = minus6723 кДжмоль

Ответ minus3396 кДж

8 При растворении 5206 г BaCl2 в 400 моль Н2О выделяется 216 кДж

теплоты Вычислите ∆Н гидратации безводного BaCl2

Ответ 2713 кДжмоль

9 При растворении 16 г СаС2 в воде выделяется 313 кДж теплоты Опре-

делите изменение стандартной энтальпии образования Са(ОН)2

Ответ minus98633 кДжмоль

10 Вычислите изменение энтальпии при сгорании 20 л диборана (ну)

если ∆fН (В2О3 (к)) = minus1264 кДжмоль ∆fН (В2Н6 (г)) = 314 кДжмоль Целе-

сообразно ли использовать в качестве топлива диборан вместо этана если

стандартное изменение энтальпии сгорания этана равно minus155988 кДжмоль

Ответ minus19220 кДж

Следует уметь

1 Используя калориметрический метод рассчитывать энтальпию различ-

ных физико-химических процессов

2 Вычислять энтальпию реакции по энтальпиям образования исходных

веществ и конечных продуктов пользуясь законом Гесса и его следствиями

3 Учитывать влияние прочности химических связей в продуктах реакции

и исходных веществах на энтальпию реакции

48

Библиографический список

1 Еремин В В Основы общей и физической химии В В Еремин

А Я Борщевский ndash М Интеллект 2012 ndash 800 c

2 Неорганическая химия в 3 т под ред Ю Д Третьякова ndash М Ака-

демия 2011 minus 2012 ndash Т 1 ndash 240 с Т 2 ndash 368 с Т 3 (1) ndash 352 с Т 3 (2) ndash 400 с

3 Павлов Н Н Общая и неорганическая химия Н Н Павлов ndash М Лань

2011 ndash 496 с

4 Росин И В Общая и неорганическая химия Современный курс И

В Росин Л Д Томина ndash М Юрайт 2012 ndash 1338 с

5 Шрайвер Д Неорганическая химия в 2-х т Д Шрайвер П Эткинс ndash

М Мир 2013 Т 1 ndash 679 с Т 2 ndash 486 с

Содержание

Правила работы в химической лабораторииhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip3

Работа 1 Определение молярных масс газообразных веществhelliphelliphelliphellip4

Работа 2 Определение молярных масс эквивалентовhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip12

Работа 3 Приготовление растворовhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip24

Работа 4 Методы очистки веществhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip32

Работа 5 Определение изменения энтальпий

физико-химических процессовhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip42

Библиографический списокhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip48

Page 9: МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ К ЛАБОРАТОРНОМУ ...phys-chem.mrsu.ru/wp-content/uploads/2017/11/...МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ К ЛАБОРАТОРНОМУ

9

Па = 2

кг

мmiddotс Дж =

2

2

кг middotм

с= Па middot м

3

б) R = 760 мм рт стmiddot224л

1мольmiddot273 К= 624

мм ртстmiddotл

моль middotК

R = 62 400 мм ртст middotмл

моль middot К

в) R = -3 3 5 222415 10 м 101330 10 Нм

1 моль 273 К

= 8314

Дж

моль К

Из уравнения Клапейрона ndash Менделеева

Мх = mRT

P V где Мх ndash молярная масса определяемого газа m ndash его масса

P V T ndash давление объем температура соответствующие условиям опыта Для

углекислого газа М2CO = 2COm RT

P V

Экспериментальная часть

Опыт 1 Определение молярной массы оксида углерода (IV)

Целью лабораторной работы является знакомство с методами определе-

ния молярной массы газа на примере оксида углерода (IV) приобретение навы-

ков взвешивания и расчетов по газовым законам

1 Собрать прибор как показано на рис 1

2 Записать уравнение реакции получения СО2

3 Сухую колбу с воздухом плотно закрыть пробкой и восковым каран-

дашом сделать отметку по глубине вхождения пробки в горло колбы

1 ndash шарообразная воронка

2 3 ndash соединенные между собой

резервуары

4 5 ndash тубусы 6 ndash кран

7 ndash перетяжка

8 9 ndash промывные склянки

10 ndash приемник СО2

Рис 1 Установка для получения и очистки диоксида углерода состоящая из аппарата

Киппа промывных склянок и приемника СО2

4 Взвесить колбу с пробкой и воздухом на весах

(рис 2) записать в журнале m1 (г) ndash масса колбы с проб-

кой и воздухом

5 Наполнить колбу оксидом углерода (IV) из аппа-

рата Киппа опустив конец газоотводной трубки до дна

колбы Скорость пропускания газа отрегулировать так

чтобы его пузырьки можно было считать при прохожде-

Рис 2 Весы лабораторные нии их через склянки с водой (или раствором

компактные NaHCO3) и концентрированной серной кислотой

10

6 Полноту наполнения колбы углекислым газом проверить с помощью

горящей лучины Держа колбу в вертикальном положении вставить в нее

пробку Закрыть кран аппарата Киппа

7 Взвесить колбу с диоксидом углерода запи-

сать результат взвешивания m2 (г) ndash масса колбы с

пробкой и СО2

8 Провести контрольный опыт колбу повторно

наполнить углекислым газом из аппарата Киппа за-

крыть ее и снова взвесить Разница между взвешивани-

ями не должна быть больше 002 г в противном случае

опыт повторить

9 Записать значения температуры и давления

во время проведения эксперимента

10 Для измерения объема (V) колбы и соответ-

ственно объема газов заполняющих ее наполнить

колбу до метки водой комнатной температуры

11 Измерить объем воды перелив ее из кол-

бы в мерный цилиндр (рис 3) и результат изме-

рения (V мл) при условиях проведения эксперимента Рис 3 Мерные цилиндры

записать в журнал

12 Привести объем (V) газа к ну (V0) используя объединенный газовый

закон

T

PV=

0

00

T

VP V0 = 0

0

P VT

T P

13 Зная V0 рассчитать массу воздуха в объеме колбы (m3)

m3 = возд 0

0

m

M V

V=

029 гмоль V л

224 л моль (по закону Авогадро)

14 Рассчитать массу пустой колбы (без воздуха) m4 = m1 ndash m3 (из массы

колбы с воздухом вычесть массу воздуха)

15 Рассчитать массу СО2 в объеме колбы (m5)

m5 = m2 ndash m4 (из массы колбы с СО2 вычесть массу пустой колбы)

16 Рассчитать М2CO (эксп) по методу Авогадро

М2CO (эксп) =

0

5 m

0

m V

V где V0 рассчитывается по п12

17 Рассчитать Dвозд = 3

5

m

m М

2CO (эксп) = Мвозд middot Dвозд (метод расчета

М2CO используя его относительную плотность по воздуху)

18 Если колбу заполнить водородом то его масса в объеме колбы (m6)

будет равной

m6 = 2H 0

0

m

M V

V =

02 гмоль middotV л

224 л моль

19 Рассчитать D2Н D

2Н = 6

5

m

m М

2CO (эксп) = М2Н middot D

11

20 Рассчитать М2CO (эксп) по уравнению Клапейрона ndash Менделеева

М2CO (эксп) = 5m R T

PV где Р V Т ndash условия проведения эксперимента

21 Рассчитать М2CO (теор) = М(С) + М(О) middot 2

22 Рассчитать относительную ошибку опыта по формуле

К = теор

эксптеор

М

ММ middot 100 Ошибка не должна превышать 2

Вопросы и задачи

1 Определите что тяжелее (при одинаковых условиях)

ndash сухой углекислый газ или равный объем газа содержащий водяные па-

ры

ndash метан сухой или метан содержащий водяные пары

2 Смесь озона с кислородом имеет плотность по водороду равную 18

Определите процентный состав смеси (по объему)

Ответ 25 О3 75 О2

3 Вычислите молярную массу газа всеми возможными методами если

062middot10minus3

м3 при 294 К и 101 325 Па имеют массу 124middot10

minus3 кг Сколько молекул

содержится в данном объеме

Ответ 48 гмоль 156middot1022

молекул

4 Зная молярную массу кислорода и азота а также учитывая что в воз-

духе содержится 24 мас кислорода и 76 мас азота определите среднюю

молярную массу воздуха

Ответ 29 гмоль

5 Плотность жидкого хлора равна 15 гмл Сколько литров газообразно-

го хлора получится из 80 мл жидкого хлора

Ответ 379 л

6 Определите в каком объеме аргона при 20 оС и давлении 1 333 Па со-

держится 5middot1016

молекул

7 Найдите относительную плотность по воздуху газовой смеси состоя-

щей из азота кислорода и оксида углерода (IV) объемные доли которых равны

соответственно 60 20 и 20

8 При прокаливании 1 кг СаСО3 получены 056 кг СаO и 0224 м3 СО2

(ну) Подтверждают ли эти данные закон сохранения массы веществ

9 Смешаны водород кислород и оксид углерода (IV) массой по 1 кг каж-

дый Найдите объемные и молярные доли этих газов в полученной смеси

12

10 Вычислите а) объем 20 т (ну) аммиака б) массу 10 мл паров толуола

С7Н8 в) массу молекулы оксида углерода (II)

Следует уметь

1 Пользоваться аппаратом Киппа

2 Взвешивать на электронных весах

3 Заполнять сосуды газами различной плотности

4 Экспериментально определять массу и объем газа при определенных

температуре и давлении

5 Рассчитывать молярную массу вещества по полученным эксперимен-

тальным данным различными способами а) по методу Авогадро б) используя

относительную плотность одного газа по другому газу в) по уравнению Кла-

пейрона ndash Менделеева

Работа 2 Определение молярных масс эквивалентов

простых и сложных веществ

Задания для подготовки к лабораторной работе

1 Повторите основные понятия эквивалент фактор эквивалентности

молярная масса эквивалента масса эквивалента количество вещества эквива-

лента молярный объем эквивалента закон эквивалентов

2 Ознакомьтесь с устройством прибора (рис 4) и методикой определения

молярной массы эквивалента алюминия

3 Ознакомьтесь с методикой экспериментального определения молярной

массы эквивалента карбоната кальция

Теоретическая часть

Эквивалент (э) ndash это либо реальная либо условно существующая струк-

турная единица вещества которая эквивалентна (равноценна) одному положи-

тельно поляризованному атому водорода одному иону водорода одному элек-

трону или одному эквиваленту любого другого вещества

1 э (Н) равноценен 1 атому (Н) (1 эквивалент водорода равноценен

1 атому водорода)

1 э (Н+) равноценен 1 иону (Н

+)

1 э (окислителя или восстановителя) равноценен 1 ē

Пример

а) В соединениях Н2О NН3 СН4 с одним эквивалентом положительно по-

ляризованных атомов водорода соединяются 1

2 доля атома (О)

1

3 доля атома

(N) 1

4доля атома (С) э (О) =

1

2атома (О) э (N) =

1

3 атома (N) э (С) =

1

4атома

(С) В молекуле HCl с 1 э (Н+) соединяется 1 ион Cl

minus э (Cl

minus) = 1 иону Cl

minus

б) Кислотно-основное взаимодействие по теории Аррениуса сводится к

процессу

Н+

(р-р) + ОНminus

(р-р) rarr Н2О(ж)

13

С одним ионом водорода взаимодействует один гидроксид-ион Эквива-

лент (ОНminus) равноценен иону (ОН

minus)

в) Са(ОН)2 + Н2SО4 rarr СаSО4darr + 2Н2О

Одному Н+ эквивалентны

1

2доля иона Са

2+ 1 ион ОН

minus

1

2доля иона

SO 2

4

э (Са2+

) = 1

2 иона Са

2+ э

(SO 2

4

) = 1

2иона SO 2

4

э (ОНminus) = 1 иону ОН

minus э

(Са2+

) э (SO 2

4

) ndash условно существующие частицы э (ОНminus) ndash реальная частица

г) Al(NO3)3 + H3PO4rarrAlPO4 + 3HNO3 Одному Н+ эквивалентны

1

3 доля

Al3+

1 ион NO3

1

3 доля иона РО 3

4

э (Al3+

) = 1

3иона Al

3+ э (NO

3

) = иону NO3

э (РО 3

4

) = 1

3 иона РО 3

4

э (NO3

) ndash реальная частица э (Al3+

) э (РО 3

4

) ndash условно

существующие частицы

+5 +4 +6 minus1

д) КСlО3 + 3MnO2 + 6KOH rarr3K2MnO4 + KCl + 3H2O

ClO3

+ 3H2O + 6 ē rarr Clminus + 6OH

minus 1

MnO2 + 4OHminus minus 2 ē rarr MnO 2

4

+ 2H2O 3

Одна молекула КСlО3 принимает 6 ē значит э (КСlО3) = 1

6 часть моле-

кулы КСlО3 Одна молекула MnO2 отдает 2 ē значит э (MnO2) = 1

2часть моле-

кулы MnO2 В схеме реакции с учетом стехиометрических коэффициентов

участвуют по 6 эквивалентов КСlО3 MnO2 KOH

Фактор эквивалентности (fЭ) ndash число которое показывает какая доля

атома молекулы иона является эквивалентом Если fЭ = 1 то эквивалент ndash ре-

альная частица так как он равноценен атому молекуле или иону если fЭ lt 1 то

эквивалент ndash условная частица так как эквивалент в этом случае какая-то доля

реально существующей частицы

fЭ = 1

z где z ndash эквивалентное число

Для элементов и молекул простых веществ состоящих из одного атома

fЭ = 1

B где В ndash валентность элемента образующего простое вещество те

z = В

Пример

fЭ (Н) = 1 fЭ (О) = 1

2 fЭ (

V

P ) = 1

5 fЭ (Са) =

1

2 fЭ (Al) =

1

3 fЭ (Na) = 1

fЭ (III

P ) = 1

3

Для простых веществ состоящих из нескольких атомов fЭ = 1

B n где nndash

количество атомов элемента в молекуле простого вещества те z = В n

14

Пример

fЭ (Н2) = 1

1 2 =

1

2 fЭ (О2) =

1

2 2=

1

4 fЭ (Г2) =

1

1 2 =

1

2 fЭ (N2) =

1

3 2 =

= 1

6 fЭ (О3) =

1

2 3 =

1

6

Для элемента входящего в состав любого сложного вещества fЭ = 1

х

где х ndash степень окисления этого элемента взятая по модулю

Пример

MnO fЭ (Mn) = 1

2 Mn2O3 fЭ (Mn) =

1

3

MnO2 fЭ (Mn) = 1

4 Mn2O7 fЭ (Mn) =

1

7

Для оксидов R2Oх fЭ = 1

2x где х ndash степень окисления элемента образу-

ющего оксид те z = |2x| Таким образом

fЭ(оксида)=

1

сумма по модулю всех зарядов + или поляризованныхчастиц образующих оксид

fЭ (Al2O3)=

1

3 2 =

1

2 3 =

1

6 fЭ (ОsО4) =

1

8 1 =

1

2 4 =

1

8

Для кислот оснований солей

fЭ = 1

сумма по модулю всех зарядов катионов или анионов

fЭ (Н3РО4) =

1

1 3 =

1

3 1 =

1

3 =

1

основность кислоты z = 3

fЭ (Al(ОН)3) =

1

3 1 =

1

1 3 =

1

3 =

1

кислотность основания z = 3

fЭ (Na2SО4) =

1

1 2 =

1

2 1 =

1

2 z = 2

fЭ [Al2(SО4)3] =

1

3 2 =

1

2 3 =

1

6 z = 6

fЭ (NaНSО4) =

1

1 1 =

1

1 1 = 1 z = 1

fЭ [(AlОН)Cl2] =

1

2 1 =

1

1 2 =

1

2 z = 2

fЭ 3 4 2Cu NH OH =

1

2 1 =

1

1 2 =

1

2 z = 2

Фактор эквивалентности (fЭ )и эквивалентное число (z) зависят от ос-

новности кислоты или кислотности основания в соответствии с которыми они

вступают в химическое взаимодействие

Пример

а) 2Н3РО4 + 3Са(ОН)2 rarr Са3(РО4)2 + 6Н2О

15

Основность кислоты равна 3 кислотность основания равна 2 так как в

кислоте замещаются 3 иона водорода в основании ndash 2 гидроксид-иона

z (Н3РО4) = 3 z (Са(ОН)2) = 2 fЭ (Н3РО4) = 1

3 fЭ (Са(ОН)2) =

1

2

б) 2Н3РО4 + Са(ОН)2 rarr Са(Н2РО4)2 + 2Н2О

Основность кислоты равна 1 кислотность основания ndash 2

z (Н3РО4) = 1 z (Са(ОН)2) = 2 fЭ (Н3РО4) = 1 fЭ (Са(ОН)2) = 1

2

в) Н3РО4 + Са(ОН)2 rarr СаНРО4 + 2Н2О

Основность кислоты равна 2 кислотность основания равна 2

z (Н3РО4) = 2 z (Са(ОН)2) = 2 fЭ (Н3РО4) = 1

2 fЭ (Са(ОН)2) =

1

2

г) Н3РО4 + 3Са(ОН)2 rarr (СаОН)3РО4 + 3Н2О

Основность кислоты равна 3 кислотность основания равна 1

z (Н3РО4) = 3 z (Са(ОН)2) = 1 fЭ (Н3РО4) =1

3 fЭ (Са(ОН)2) = 1

д) 2Al(OH)3 + Н2SO4 rarr [Al(OH)2]2SO4 + 2Н2О

Основность кислоты равна 2 кислотность основания равна 1

z (Al(OH)3) = 1 z (Н2SO4) = 2 fЭ (Al(OH)3) =1 fЭ (Н2SO4) = 1

2

е) Al(OH)3 + Н2SO4 rarr [Al(OH)]SO4 + 2Н2О

Основность кислоты равна 2 кислотность основания равна 2

z (Al(OH)3) = 2 z (Н2SO4) = 2 fЭ (Al(OH)3) =1

2 fЭ (Н2SO4) =

1

2

Для окислительно-восстановительных реакций fЭ (окислителя) = 1

n

fЭ (восстановителя) = 1

n где n ndash число электронов принятых или отдан-

ных 1 молекулой или 1 ионом окислителя или восстановителя соответственно

Пример

MnO4

+ 8H+ + 5 ē rarr Mn

2+ + 4Н2О z = 5 fЭ =

1

5

SO 2

3

+ Н2О minus 2 ē = SO 2

4

+ 2H+ z = 2 fЭ =

1

2

Молярная масса эквивалентов вещества (Мэ гмоль) ndash это масса

1 моля эквивалентов вещества или 6022middot1023

эквивалентов вещества

Мэ = fЭ middot М = M

z =

m

э где М ndash молярная масса гмоль m ndash масса (г) ве-

щества количеством νэ (моль)

Пример

Мэ (Н) = fЭ middot М (Н) = 1 middot 1008 гмоль = 1008 гмоль

Мэ (Н2) = 1

2middot М (Н2) =

1

2middot 2016 гмоль = 1008 гмоль

Мэ (О) = 1

2middot М (О) =

1

2middot 16 гмоль = 8 гмоль

16

Мэ (О2) = 1

4middot М (О2) =

32 гмоль

4 = 8 гмоль

Мэ (Na) = М (Na) = 23 гмоль

Мэ (ОНminus) = М (ОН

minus) = 17 гмоль

Мэ (С) в СО = 12 гмоль

2 = 6 гмоль

Мэ (С) в СО2 = 12 гмоль

4 = 3 гмоль

Для оксидов R2Oх

Мэ (R2Ox) = fЭ middot М (R2Ox)

Мэ (R2Ox) = Мэ (R) + Мэ (O) = fЭ (R) middot М (R) + 8

Пример

Мэ (Al2O3) = 1

6middot M (Al2O3) =

102 гмоль

6 = 17 гмоль

Мэ (Al2O3) = 27 гмоль

3+ 8 гмоль = 17 гмоль

Мэ (кислоты) = fЭ middot М (кислоты)

Мэ (кислоты) = 1

основность кислотыmiddot М (кислоты)

Мэ (кислоты) = Мэ (Н+) + Мэ (А

minus) = 1 гмоль + fЭ middot М (А

minus) = 1 гмоль +

+1

заряд анионаmiddot М (А

minus) где А

minus minus кислотный остаток

Пример

Мэ (Н3РО4) = 1

3middot М (Н3РО4) =

1

3middot 98 гмоль = 3267 гмоль

Мэ (Н3РО4) = Мэ (Н+) + Мэ (РО 3

4

) = 1 + 1

3middot М (РО 3

4

) = 1 гмоль + 1

3middot

middot 95 гмоль = 1 гмоль + 3167 гмоль = 3267 гмоль

Мэ (основания) = fЭ middot М (основания)

Мэ (основания) = 1

кислотность основанияmiddot М (основания)

Мэ (основания) = Мэ (Мn+

) + Мэ (ОНminus) = fЭ middot М (М

n+) + fЭ middot М (ОН

minus) =

= 1

nmiddot М (М

n+) + 17

Пример

Мэ (Al(OH)3) = 1

3middot 78 гмоль = 26 гмоль

Мэ (Al(OH)3) = 1

3middot 27 гмоль + 17 гмоль = 9 гмоль + 17 гмоль =

= 26 гмоль

Для солей состава КхАу

Мэ (соли) = fЭ middot М (соли) = Мэ (Ку+

) + Мэ (Ахminus

) = fЭ (Ку+

) middot М (Ку+

) +

+ fЭ (Ахminus

) middot М (Ахminus

)

17

Пример

Мэ (Al2(SO4)3) = 1

6 middot М [Al2(SO4)3] =

342 гмоль

6 = 57 гмоль

Мэ (Al2(SO4)3) = 27

3 +

96

2 = 9 гмоль + 48 гмоль = 57 гмоль

Мэ (окислителя или восстановителя) = fЭ middot М (в-ва) = 1

nmiddot М (в-ва) где n ndash

число отданных или принятых электронов z ndash эквивалентное число = n

Пример

а) Мэ (KMnO4) = 1

5middot М (KMnO4) =

1

5middot 158 гмоль = 316 гмоль (при пере-

ходе MnO4

в Mn+2

)

Мэ (MnO2) = 1

2middot М (MnO2) =

1

2middot 87 гмоль = 435 гмоль (при переходе

MnO2 в MnO 2

4

)

При определении Мэ веществ участвующих в химических реакциях сле-

дует учитывать их fЭ

Пример

а) Аl(OH)3 + H3PO4 rarr AlPO4 + 3H2O

Мэ (Аl(OH)3) = 1

3middot М (Аl(OH)3)

Мэ (H3PO4) = 1

3middot М (H3PO4)

б) 3Аl(OH)3 + H3PO4 rarr [Al(ОН)2]3PO4 + 3H2O

Мэ (Аl(OH)3) = М (Аl(OH)3)

Мэ (H3PO4) = 1

3middot М (H3PO4)

в) 3Аl(OH)3 + 2H3PO4 rarr [Al(ОН)]3(PO4)2 + 6H2O

Мэ (Аl(OH)3) = 1

2middot М (Аl(OH)3)

Мэ (H3PO4) = 1

3middot М (H3PO4)

г) Аl(OH)3 + 3H3PO4 rarr Al(Н2PO4)3 + 3H2O

Мэ (Аl(OH)3) = 1

3middot М (Аl(OH)3)

Мэ (H3PO4) = М (H3PO4)

д) 2Аl(OH)3 + 3H3PO4 rarr Al2(НPO4)3 + 6H2O

Мэ (Аl(OH)3) = 1

3middot М (Аl(OH)3)

Мэ (H3PO4) = 1

2middot М (H3PO4)

е) Fe(OH)2Cl + HCl rarr Fe(OH)Cl2 + H2O

Мэ (Fe(OH)2Cl) = М (Fe(OH)2Cl)

Fe(OH)2Cl + 2HCl rarr FeCl3 + 2H2O

18

Мэ (Fe(OH)2Cl) = 1

2middot М (Fe(OH)2Cl)

Fe(OH)2Cl + NaOH rarr Fe(OH)3 + NaCl

Мэ (Fe(OH)2Cl) = М (Fe(OH)2Cl)

ж) KCr(SO4)2 + 3KOH rarr Cr(OH)3 + 2K2SO4

Мэ (KCr(SO4)2) = 1

3middot М (KCr(SO4)2)

KCr(SO4)2 + 6KOH rarr K3[Cr(OH)6] + 2K2SO4

Мэ (KCr(SO4)2) = 1

6middot М (KCr(SO4)2)

и) MnSO4 + 2KOH rarr Mn(OH)2 + K2SO4

Мэ (MnSO4) = 1

2middot М (MnSO4)

MnSO4 + 2Cl2 + 8KOH rarr K2MnO4 + 4KCl + K2SO4 + 4H2O

Мэ (MnSO4) = 1

4middot М (MnSO4)

2MnSO4 + 5K2S2O8 + 8H2O rarr 2HMnO4 + 2H2SO4 + 10KHSO4

Мэ (MnSO4) = 1

5middot М (MnSO4)

Масса эквивалента вещества (mэ) (г кг hellip)

mэ = э

A

M

N = fЭ middot

A

M

N=

M

z NA =

э A

m

ν N

Пример

mэ (Mg) =

A

M Mg

N =

23 1

12 гмоль

6022 10 моль = 1993middot10

minus23 г

mэ (СаСО3) = 23 1

300г

6моль 6022 10 моль = 83029middot10

minus23 г

Таким образом эквивалент фактор эквивалентности эквивалентное чис-

ло масса эквивалента молярная масса эквивалента ndash величины переменные

зависящие от валентности степени окисления количества атомов зарядов

ионов в молекулах веществ основности кислоты кислотности основания а в

окислительно-восстановительных реакциях ndash от количества отданных или при-

нятых электронов

Количество вещества эквивалента (νэ моль)

νэ = эM

m =

Э

m

Мf = в-ва

Эf

=

m z

M

где m ndash масса вещества г

Пример

m (Аl) = 135 г Мэ (Аl) = 1

3 middot 27 гмоль = 9 гмоль

ν (Аl) = 135г

9гмоль = 15 моль

В 135 г алюминия содержится 15 молей эквивалентов алюминия или (15

middot NA) эквивалентов алюминия z = 3 1 моль атомов алюминия эквивалентен 3

молям эквивалентов алюминия или (3 NA) эквивалентам алюминия

19

1 моль электронов эквивалентен числу Фарадея

F = 160217733middot10minus19

Кл middot 60221367middot10minus1

моль = 96485309 Клмоль

(Клmiddotмольminus1

)

Пример

m = M (O2) νэ = 32г

8гмоль = 4 моль

1 моль молекул O2 содержит 4 моль эквивалентов кислорода

Для сложных веществ Мэ и νэ могут быть рассчитаны по fЭ который ха-

рактеризует их в данной реакции

Молярный объем эквивалента газообразного вещества (Vэ) (лмоль

м3кмоль м

3моль) ndash это объем занимаемый 1 молем эквивалентов этого ве-

щества

Vэ= fЭ middot Vm = 0V

э V 0

э = fЭ middot V

0

m = 0V

э

Пример

V 0

э (О2) =

1

4middot 224 лмоль = 56 лмоль

Это означает что 1 моль эквивалентов О2 при ну занимает объем равный

56 л

V 0

э (Н2) =

1

2middot 224 лмоль = 112 лмоль те 1 моль эквивалентов Н2 при

ну занимает объем равный 112 л

1 моль молекул О2 или 4 моля эквивалентов О2 при ну занимают объем

224 л 1 моль молекул Н2 или 2 моля эквивалентов Н2 при ну занимают объем

224 л

Закон эквивалентов массы веществ реагирующих друг с другом или об-

разующихся в результате химической реакции соотносятся между собой как

их молярные массы эквивалентов

2

1

m

m =

э (1)

э (2)

M

M

1

э (1)

m

М=

2

э (2)

m

М

1

э (1)

m

М = νэ (1)

2

э (2)

m

М = νэ (2)

νэ (1) = νэ (2) ndash количество эквивалентов каждого из участников химической

реакции

Для газообразного вещества

э

m

M =

э

V

V =

0

0

э

V

V = νэ

Закон эквивалентов для химической реакции с участием газа

1

э (1)

m

М=

2

э 2

V

V=

0

2

0

э 2

V

V = νэ (1) = νэ (2)

Мэ (1) =

0

э (2)1

0

2

m middotV

V

Экспериментальное определение эквивалентов и молярных масс эквива-

лента различных веществ может быть проведено различными методами

20

Б2

Л1

Т

Б1

Л2

П

Г

1 Метод прямого определения Эквивалент и молярную массу эквива-

лента устанавливают исходя из соединений данного элемента с водородом или

кислородом

2 Косвенный метод в котором вместо водорода и кислорода использу-

ют другие элементы и вещества с известным эквивалентом и молярной массой

эквивалента

3 Метод вытеснения водорода из кислоты металлом взятой навески

Применим к металлам которые способны вытеснять водород из щелочей и раз-

бавленных кислот

4 Аналитический метод Эквивалент определяют из результатов хими-

ческого анализа элемента в одном из его соединений

5 Электрохимический метод основан на законе Фарадея согласно ко-

торому asymp 96 500 Кл электричества выделяют из электролитов при электролизе

1 моль эквивалентов вещества

Экспериментальная часть

Опыт 1 Определение молярной массы эквивалента алюминия мето-

дом вытеснения

Метод основан на реакции взаимодействия алюминия с соляной кислотой

и измерении объема выделившегося водорода

Собрать прибор представленный на рис 4 Заполнить 14 часть пробирки

раствором соляной кислоты (с массовой долей 15 ) Наклонив пробирку на

ее сухую сторону поместить предварительно взвешенную алюминиевую

Установка состоит из двух бюреток рабочей изме-

рительной Б1 и уравнительной Б2 соединенных

резиновой трубкой Т и заполненных подкрашен-

ной водой К рабочей бюретке при помощи газо-

отводной трубки Г присоединена пробирка П

Рис 4 Лабораторная установка для определения молярной массы эквивалента алюминия

21

фольгу (0015ndash0020 г) так чтобы она не соприкасалась с кислотой Присоеди-

нить пробирку к бюретке и проверить прибор на герметичность Для этого во-

ронку опустить на 10ndash15 см Если прибор герметичен то уровень воды в бю-

ретке несколько снизится а затем останется без изменения Привести давление

в бюретке к атмосферному для чего установить уровень воды в бюретке и во-

ронке на одной высоте в бюретке ndash около нулевого деления но не выше Отме-

тить и записать положение нижнего края мениска в бюретке (А1) После этого

пробирку со штативом наклонить так чтобы кислота смыла алюминиевую

фольгу Для начала реакции содержимое пробирки нагреть на спиртовке (не ка-

саться фитилем дна пробирки не кипятить) Выделяющийся водород бу-

дет вытеснять воду из бюретки После окончания реакции пробирку не снимая

с прибора охладить до комнатной температуры опустив ее в стакан с холодной

водой Затем привести давление внутри прибора к атмосферному и отметить

уровень воды в бюретке (А2)

Объем выделившегося водорода при комнатных условиях V2H = (А2 ndash А1)

привести по объединенному газовому закону (T

PV=

0

00

T

VP) к ну (V0 (H2)) учи-

тывая что общее давление Р = P пар OH2+ P

2Н (где P ndash парциальное давление)

откуда P2Н = Р ndash P пар OH2

тогда объединенный газовый закон T

Vmiddot)P (P пар OH2=

= 0

00

T

VP V

0(H2) = 22общ пар 0 HН О

0

(P Р )middotТ V

Р Т

Таблица 1

Зависимость давления водяного пара от температуры

Т К P OН2 Па Т К P OН2

Па

289 181318 295 233976

290 193317 296 281301

291 206649 297 298641

292 219913 298 317306

293 233314 299 335971

294 247979 300 355970

На основании полученных данных и закона эквивалентов рассчитать молярную

массу эквивалента алюминия (Al)э

Al

M

m=

2

0 2

0

m ( ) H

V (H )

V э

Результаты измерений записать по следующей форме

Навеска

алюминия

г

V2H мл

(А2 ndash А1) Т К

Робщ

Па 2H OP Па V 20 H

мл

Мэ(Al)

гмоль

Ошиб

ка

22

Опыт 2 Определение молярной массы эквивалента карбоната каль-

ция косвенным методом

Взвесить в стакане около 3 г мрамора с точностью до 001 г (m1) При-

лить пипеткой (рис 5) 15 мл раствора соляной кислоты с мо-

лярной концентрацией эквивалента 1 мольл Как только выде-

ление углекислого газа замедлится нагреть стакан до 60ndash70 оС

выдержать при этой температуре до окончания реакции Затем

слить образовавшийся раствор с оставшихся кусочков мра-

мора промыть их два раза дистиллированной водой методом

декантации Стакан с оставшимся мрамором высушить в су-

шильном шкафу при 107 оС и после охлаждения взвесить (m2)

Зная количество молей эквивалентов вступившей в реакцию

соляной кислоты (νэ) и массу прореагировавшего мрамора m3

рассчитать по закону эквивалентов молярную массу эквивален-

та карбоната кальция

Рис 5 Пипетки мерные

Результаты эксперимента записать по следующей форме

m1 г m2 г m3 (CaCO3) =

= m1 ndash m2 г V (HCl) мл

Mэ(СaCO3)

гмоль

Ошибка

νэ (HCl) = Vр-ра (HCl) middot Сэ (HCl)

νэ (СaCO 3 ) = νэ (HCl) )(CaCO э

CaCO

3

3

M

m = Сэ (HCl) middot Vр-ра (HCl)

Мэ (СаСО3) =

3CaCO

HCl э(HCl)

m г

мольV л middotС

л

Вопросы и задачи

1 Как проверить на герметичность прибор для определения молярной

массы эквивалента металла методом вытеснения водорода

2 Как привести давление в герметически закрытом приборе к атмосфер-

ному

3 Под каким давлением по сравнению с атмосферным будет находиться

газ в сосуде если уровень воды в бюретке

а) выше чем в воронке (уравнительном сосуде)

б) ниже чем в воронке

в) на одном уровне

23

4 Как рассчитать парциальное давление газа если он собран над водой

5 Вычислите молярную массу эквивалента металла если навеска техни-

ческого металла массой 0035 г имеющего 20 примесей (не взаимодейству-

ющих с кислотой) вытесняет из кислоты 119 мл водорода собранного над во-

дой при температуре 17 оС и давлении 103middot10

5 Па (давление водяного пара над

водой при 17 оС равно 00193middot10

5 Па)

Ответ 2807 гмоль

6 Чему равны молярные массы эквивалентов мышьяка в его оксидах со-

держащих мышьяк а) 652 (мас) As б) 757 (мас) As

Ответ 1499 гмоль 2492 гмоль

7 Вычислите молярную массу эквивалента фосфорной кислоты и гидрок-

сида алюминия в уравнениях реакций

а) H3PO4 + Ca(OH)2 = CaHPO4 + 2H2O

б) Al(OH)3 + HNO3 = Al(OH)2NO3 + H2O

8 Рассчитайте молярную массу эквивалента олова если

а) при нагревании 092 г его в токе кислорода образуется оксид олова

массой 117 г

б) при восстановлении оксида олова массой 117 г водородом получена

вода массой 016 г

Ответ а) 2944 гмоль б) 5886 гмоль

9 Из 27 г оксида некоторого металла можно получить 63 г его нитрата

Вычислите молярную массу эквивалента металла

Ответ 325 гмоль

10 При восстановлении 51 г оксида металла (III) образовалось 27 г во-

ды Определите молярную массу эквивалента и относительную атомную массу

металла

Ответ 9 гмоль 27

Следует уметь

1 Рассчитывать фактор эквивалентности массу эквивалента и молярную

массу эквивалента элемента простого и сложного веществ исходя из формулы

вещества уравнений реакций в которых участвует вещество закона эквива-

лентов молярного объема эквивалентов любого газообразного вещества

2 Экспериментально определять молярную массу эквивалентов простых

и сложных веществ

24

Работа 3 Приготовление растворов

Задания для подготовки к лабораторной работе

1 Изучите теоретическое введение к лабораторной работе обратив особое

внимание на различные способы выражения содержания растворенного веще-

ства в растворе

2 Проведите все расчеты необходимые для выполнения опытов изучив

метод интерполяции и laquoправило крестаraquo

3 Ознакомьтесь с устройством ареометра мерной посудой и правилами

пользования ими

Теоретическая часть

Раствор ndash это гомогенная система переменного состава состоящая из рас-

творителя растворенных веществ (одного или нескольких) и продуктов их вза-

имодействия Компонент который количественно преобладает и находится в

том же агрегатном состоянии что и образующийся раствор называется раство-

рителем все остальные его части ndash растворенными веществами Основным

признаком характеризующим раствор является его однородность Процесс

растворения часто сопровождается значительными объемными и энергетиче-

скими эффектами По этим признакам растворы больше напоминают химиче-

ские соединения и тем самым отличаются от механических смесей С другой

стороны растворы не имеют строго определенного состава и в этом их суще-

ственное отличие от химических соединений

Первоначально процесс растворения идет самопроизвольно (∆Gр-ния lt 0) и

раствор является ненасыщенным При дальнейшем добавлении вещества

наступает момент когда вещество перестает растворяться и тогда избыток рас-

творенного вещества выпадает в осадок Система оказывается в состоянии ис-

тинного равновесия (∆Gр-ния = 0) те скорости осаждения и растворения равны

Раствор становится насыщенным Можно получить и пересыщенные растворы

те такие массовые доли растворенных веществ в которых выше чем в насы-

щенных растворах (при определенных температуре и давлении) Пересыщен-

ные растворы можно приготовить медленным охлаждением насыщенных при

высокой температуре растворов (например Na2S2O3 NaCH3COO и др) Они

представляют систему находящуюся в кажущемся равновесии (∆Gр-ния gt 0)

Встряхивание или внесение кристаллов того же вещества которое находится в

растворе или изоморфного с ним вызывает кристаллизацию В результате про-

исходит выделение избытка растворенного вещества и раствор становится

насыщенным

Способы выражения концентрации растворов

Состав любого раствора может быть выражен как качественно так и ко-

личественно Раствор с относительно низким содержанием растворенного ве-

щества называют разбавленным с относительно высоким ndash концентрирован-

25

ным Такая количественная оценка условна Например для серной кислоты

концентрированным считается раствор где массовая доля кислоты равна 98 а

для соляной ndash 38

Для количественной оценки состава растворов используют понятие laquoкон-

центрацияraquo Существуют различные способы ее выражения

1 Массовая доля растворенного вещества в растворе Она обознача-

ется Wрв (по первой букве английского слова laquoWeightraquo ndash вес) и рассчитывается

по формуле Wрв = )ткг г(m

)ткг г(m

ра-р

рв Она выражается в долях от единицы и пока-

зывает сколько граммов (кг т) растворенного вещества содержится в 1 г (кг т)

раствора Например W3NaNO = 005 Это означает что в каждом грамме (кг т)

раствора содержится 005 г (кг т) растворенного вещества Массовая доля рас-

творенного вещества в растворе может быть выражена и в процентах Wрв

= ра-р

рв

m

m middot 100 = Wрв middot 100 В этом случае W указывает сколько граммов (кг

т) растворенного вещества содержится в каждых 100 г (кг т) раствора Напри-

мер W3NaNO = 5 в каждых 100 г раствора содержится 5 г NaNO3 или в

каждых 100 кг (т) раствора ndash 5 кг (т) NaNO3

Раствор любой концентрации характеризуется своей плотностью ρ (гмл

кгл гл тм3) которая показывает сколько граммов (кг т) весит 1 мл (л м

3)

раствора данной концентрации Например ρ = 102 гмл Это означает что 1 мл

раствора данной концентрации весит 102 г Плотность раствора рассчитывает-

ся по формуле ρр-ра = ра-р

ра-р

V

m Плотность (ρ) ndash это величина для перехода от массы

раствора к его объему и наоборот

2 Молярная концентрация раствора (См) Ее значение показывает

сколько молей растворенного вещества содержится в 1 л раствора Например

См (р-ра KCl) = 5 мольл Это означает что в каждом литре такого раствора со-

держится 5 моль KCl Молярная концентрация рассчитывается по формуле

См = рв

р-ра

ν

V=

рв

рв р-ра

m

М middotV(мольл) где νрв minus количество растворенного вещества

(моль) mрв ndash масса растворенного вещества (г) М ndash молярная масса раство-

ренного вещества (гмоль) Vр-ра ndash объем раствора (л)

3 Молярная концентрация эквивалента раствора (эквивалентная кон-

центрация или нормальная концентрация) Она обозначается Сэ (используется

также Сн) Ее значение показывает сколько молей эквивалентов растворенного

вещества содержится в 1 л раствора Например Сэ (р-ра HNO3) = 2 мольл Это

означает что в каждом литре раствора содержится 2 моль эквивалентов HNO3

Молярная концентрация эквивалента раствора рассчитывается по формуле

Сэ = э рв

р-ра

ν

V=

рв

э рв р-ра

m

М middotV(мольл)

26

Растворы имеющие одинаковые значения Сэ реагируют между собой в

равных объемах так как содержат равные количества молей эквивалентов рас-

творенных веществ Если растворы имеют различные значения Сэ то вступаю-

щие в реакцию объемы этих растворов обратно пропорциональны их молярным

концентрациям эквивалента 2

1

V

V=

1 э

2 э

С

C или V1 middot Cэ 1 = V2 middot Cэ 2

4 Моляльная концентрация раствора (Сm) Ее значение показывает

сколько молей растворенного вещества содержится в 1 кг растворителя

Например Сm (р-ра H2SO4) = 10 молькг Это означает что в каждом кило-

грамме воды растворено 10 моль H2SO4 Моляльная концентрация раствора

рассчитывается по формуле Сm = рв

р-ля

ν

m=

рв

рв р-ля

m

М middotm(молькг)

5 Молярная (мольная) доля растворенного вещества в растворе Она

обозначается χрв Ее значение показывает сколько молей растворенного веще-

ства содержится в 1 моль раствора Например χ4CuSO = 002 Это означает что в

1 моль раствора содержится 002 моль CuSO4 Если в растворе только одно рас-

творенное вещество то χ ОH2= 098 Сумма мольных долей всех компонентов в

растворе равна единице те 1 моль Мольная доля растворенного вещества в

растворе рассчитывается по формуле χрв = ля-ррв

рв

νν

ν

=

ра-р

рв

ν

ν=

OH

OH

рв

рв

рв

рв

2

2

M

m

М

m

М

m

Если в растворе несколько (К) растворенных веществ то мольная доля любого

из компонентов в том числе растворителя рассчитывается по формуле

χi =

K

1i

i

i

ν

ν Например при наличии трех растворенных веществ и растворителя

χ1 = 4321

1

νννν

ν

χ2 =

4321

2

νννν

ν

χ3 =

4321

3

νννν

ν

χ4 = 4321

4

νννν

ν

χ1 + χ2 + χ3 + χ4 = 1

6 Титр раствора Этот вид выражения состава раствора обозначается

буквой Т Его значение показывает сколько граммов растворенного вещества

содержится в 1 мл раствора Например Т (р-ра Na2CO3) = 15 гмл Это означа-

ет что в каждом миллилитре такого раствора содержится 15 г Na2CO3 Титр

раствора рассчитывается по формуле Т = рв

р-ра

m

V (гмл)

27

Экспериментальная часть

Опыт 1 Приготовление пересыщенного раствора тиосульфата натрия

Положите в пробирку несколько кристаллов Na2S2O3middot5H2O и очень осто-

рожно нагрейте Закройте пробирку ватой и дайте ей охладиться Охлажден-

ную до комнатной температуры пробирку резко встряхните Нагреванием про-

бирки с солью снова получите прозрачный раствор Охладите и внесите не-

большой кристалл исходного вещества Объясните наблюдаемое

Опыт 2 Определение массовой доли серной кислоты по плотности

раствора

Наиболее простой и быстрый способ ndash с помощью ареометра Его приме-

нение основано на том что плавающее тело погружается в жидкость до тех пор

пока масса вытесненной жидкости не станет равной массе самого тела В рас-

ширенной нижней части ареометра находится груз на верхней узкой части ndash

шейке ndash нанесены деления показывающие плотность жидкости в которой

laquoплаваетraquo ареометр

Исследуемый (концентрированный) раствор серной кислоты налейте (под

тягой) в сухой чистый мерный цилиндр на frac34 его объема В раствор осторож-

но не касаясь стенок цилиндра опустите ареометр Каждый ареометр предна-

значен для измерения плотности в определенных пределах При выборе арео-

метра необходимо ориентировочно знать плотность данного раствора Вы-

яснив цену одного деления шкалы ареометра отметьте его показания (по ниж-

нему мениску раствора) Приподняв ареометр на 1ndash2 см вновь опустите его в

раствор и еще раз определите показания По справочной таблице найдите мас-

совую долю растворенного вещества в растворе Если такая величина в таблице

отсутствует то массовую долю находят методом интерполяции (определение

промежуточного значения по двум крайним) Например экспериментальное

показание ареометра равно 1124 гмл Находим ближайшие к этому табличные

значения плотности массовой доли и их разность

ρ гмл W

1130 1831

1120 1701

0010 130

Таким образом изменению плотности на 0010 гмл соответствует изме-

нение массовой доли на 130 Экспериментальное показание ареометра отли-

чается от меньшей табличной величины на 0004 гмл

ρ гмл W

1124

1120 1701

0004

С учетом того что в указанных пределах между плотностью и массовой

долей раствора зависимость линейная составляем пропорцию

28

0010 гмл -----------------130

0004 гмл ----------------- х х = 052

Найденное число (052 ) прибавляем к меньшей массовой доле

(1701 ) взятой из таблицы и соответствующей плотности 1120 Получаем

W = 1701 + 052 = 1753 что соответствует плотности 1124 гмл Этот спо-

соб определения содержания растворенного вещества в растворе применяют в

том случае если не требуется большой точности Более точный способ ndash опре-

деление с помощью титрования Обычно ареометры калибруются при 20 оС В

таблицах значения плотностей растворов приводятся при этой же температуре

Если не требуется особой точности табличными данными можно пользоваться

и для других температур

Опыт 3 Приготовление 50 мл 4 раствора сульфата меди из кри-

сталлогидрата CuSO4middot5H2O

Рассчитайте сколько граммов CuSO4middot5H2O и какой объем воды нужно

взять для приготовления 50 мл раствора с массовой долей CuSO4 4

Взвесьте вычисленную массу кристаллогидрата и перенесите в стакан емко-

стью 100 мл Отмерьте мерным цилиндром (см рис 3) рассчитанный объем

дистиллированной воды перелейте ее в стакан с навеской пентагидрата суль-

фата меди и перемешайте стеклянной палочкой до полного растворения кри-

сталлов соли Полученный раствор перелейте в мерный цилиндр и измерьте

плотность раствора По таблице найдите и запишите массовую долю CuSO4

отвечающую этому значению плотности (ρтеор (4 раствора CuSO4) =

= 104 гмл) пересчитайте на молярную концентрацию молярную концентра-

цию эквивалента моляльную концентрацию и титр раствора

Таблица 2

Исходные данные и полученные результаты приготовления

раствора сульфата меди

Задан-

ная

массо-

вая доля

W

ρтеор

гмл

Рассчитанные

массы компо-

нентов г ρэксп

гмл

Экспериментальные

значения Отн

ошиб

ка

CuSO4middot5H2O Н2О W

См

мольл

Сэ

мольл

Сm

молькг

Т

гмл

Опыт 4 Приготовление 100 мл раствора серной кислоты с молярной

концентрацией эквивалента 01 мольл из более концентрированного раз-

бавлением водой

Для приготовления растворов заданной молярной или эквивалентной

концентраций используются мерные колбы (рис 6) различного объема (25 50

100 200 250 500 1000 мл и более) Рассчитайте объем концентрированного

раствора серной кислоты массовая доля которого определена в опыте 2 необ-

29

ходимый для приготовления 100 мл рас-

твора серной кислоты с молярной кон-

центрацией эквивалента 01 мольл Кис-

лоту перенесите пипеткой (см рис 5) в

мерную колбу объемом 100 мл предвари-

тельно налив в нее примерно 20 мл ди-

стиллированной воды После этого до-

лейте воду в колбу до метки раствор

перемешайте и охладите до комнатной

Рис 6 Мерные колбы температуры Молярная концентрация

эквивалента полученного раствора должна быть близка к 01 мольл Точную

концентрацию раствора серной кислоты определите титрованием щелочью Для

титрования бюретку с наконечником (рис 7) заполните до нулевой

метки титрованным раствором щелочи

предварительно ополоснув им бюретку В

три конические колбы (рис 8) пипеткой

налейте по 10 мл приготовленной серной

кислоты Добавьте в каждую колбу по 2ndash3

капли фенолфталеина и поочередно титруй-

те раствором щелочи из бюретки Щелочь

приливайте медленно левой рукой правой

размешивая раствор Титрование считается

законченным если от прибавления следу-

ющей капли щелочи появляется малиновое

окрашивание которое не исчезает 30 с Рис 8 Колба коническая

Рис 7 Бюретка

мерная для титрования

Для более четкого определения изменения цвета под колбу для титрова-

ния поместите лист белой бумаги Запишите объем щелочи израсходованной

на титрование 10 мл раствора серной кислоты

Аналогично оттитруйте две другие пробы кислоты Результаты парал-

лельных определений не должны различаться между собой более чем на

005ndash010 мл Возьмите из них среднее и рассчитайте точную концентрацию

приготовленного раствора серной кислоты и его титр

Опыт 5 (дополнительный) Приготовление раствора серной кислоты

смешиванием растворов с более высокой и более низкой массовыми долями

Из концентрированного (опыт 2) и имеющегося (опыт 4) в лаборатории

растворов серной кислоты приготовьте 50 мл раствора с массовой долей серной

кислоты равной 30 Для расчета объемов исходных растворов воспользуй-

тесь laquoправилом крестаraquo

30

W1 m1

W

W2 m2

где W ndash массовая доля серной кислоты приготовляемого раствора W1 и W2 ndash

более высокая и более низкая массовые доли H2SO4 в исходных растворах (для

воды W = 0) m1 и m2 ndash массы исходных растворов с более высокой и более

низкой массовой долей Соотношения для исходных растворов таковы

m1 = W ndash W2 m2 = W1 ndash W Таким образом для получения раствора массой

m = (m1 + m2) c массовой долей W необходимо взять m1 г раствора с массовой

долей W1 и m2 г раствора с массовой долей W2 (или V1 р-ра = 1

1m

ρ V2 р-ра =

2

2m

ρ)

Отмерьте вычисленные объемы растворов слейте их в цилиндр объемом 100

мл перемешайте С помощью ареометра и таблицы установите содержание

растворенного вещества в растворе и расхождение практически полученного

значения с заданным

Вопросы и задачи

1 Что произойдет с насыщенным пересыщенным и ненасыщенным рас-

творами алюмокалиевых квасцов при внесении в каждый из них нескольких

кристаллов KAl(SO4)2middot12Н2О

2 Какой объем раствора в котором массовая доля КОН составляет 12

(ρр-ра = 1109 гмл) надо взять чтобы приготовить 250 мл раствора с молярной

концентрацией 2 мольл

Ответ 178 мл

3 В 1 кг воды растворено 666 г гидроксида калия Рассчитайте массовую

долю растворенного вещества в растворе и его концентрации (молярную мо-

ляльную молярную концентрацию эквивалента молярные доли щелочи и во-

ды титр раствора) если его плотность равна 1395 гмл

Ответ 40 995 мольл 119 молькг 0176 0824 0557 гмл

4 В лаборатории имеются растворы с массовыми долями хлорида калия

20 и 40 Сколько граммов каждого раствора надо взять для получения 500 г

раствора с массовой долей соли 25

Ответ 375 г 125 г

5 Плотность раствора карбоната калия равна 122 гмл Из 1 л этого рас-

твора при действии соляной кислоты получено 445 л СО2 (ну) Вычислите

процентное содержание К2СО3 в растворе и его молярную концентрацию экви-

валента

Ответ 225 397 мольл

31

6 В каких объемах должны быть смешаны 01 н и 60 (ρ = 1498 гмл)

растворы серной кислоты чтобы получить 1 л 1 н раствора Н2SO4

Ответ 493 и 9507 мл

7 К 005 л раствора хлорида марганца (II) (ρ = 1085 гмл W = 8 ) при-

бавлено 02 л раствора гидроксида лития массовая доля LiOH в котором 10

(ρ = 1107 гмл) Какое вещество взято в избытке и в каком количестве оно

останется после реакции

Ответ 27 г

8 Для осаждения сульфата бария из раствора BaCl2 (ρ = 106 гмл

W = 8 ) объемом 100 мл требуется раствор Н2SO4 объемом 139 мл Чему равна

молярная концентрация и моляльная концентрация эквивалента раствора

Н2SO4

Ответ 0294 и 0588 мольл

9 Растворы азотной кислоты и гидроксида натрия объемом 1 л каждый

содержат соответственно 189 г HNO3 и 32 г NaOH Какова молярная концен-

трация этих растворов и в каком объемном соотношении они должны быть

смешаны для получения нейтрального раствора

Ответ 03 и 008 мольл 1 375

10 Какова масса Al(OH)3 если для его растворения потребовалось 02 л

раствора азотной кислоты (ρ = 118 гмл W = 30 ) Какой объем 25 н раство-

ра КОН необходимо затратить для растворения этого количества гидроксида

алюминия

Ответ 292 мл 015 л

Следует уметь

1 Выражать содержание растворенного вещества в растворе различными

способами и осуществлять их взаимный пересчет

2 Готовить растворы смешиванием растворенного вещества и раствори-

теля разбавлением водой концентрированного раствора смешиванием двух

растворов разной концентрации выпариванием растворителя добавлением

растворяемого вещества к раствору

3 Пользоваться ареометром мерной посудой установкой для титрова-

ния методом интерполяции laquoправилом крестаraquo

4 Определять содержание растворенного вещества в растворе по его

плотности и с помощью титрования

Работа 4 Методы очистки веществ

Задания для подготовки к лабораторной работе

1 Ознакомьтесь со следующими элементами техники выполнения лабо-

раторных работ взвешиванием на весах измельчением растворением филь-

32

трованием изготовлением простых и складчатых фильтров фильтрованием го-

рячих растворов и фильтрованием растворов под вакуумом нагреванием на

электроплитке растворов в химической посуде промыванием и высушиванием

осадков методами очистки твердых жидких и газообразных веществ

2 Выполните необходимые расчеты

Теоретическая часть

В лабораторной практике большое значение имеет очистка веществ так

как работа с загрязненными реактивами обусловливает получение неточных ре-

зультатов и неправильных выводов

Известны многочисленные методы очистки веществ фильтрование ди-

стилляция дробная перегонка возгонка зонная плавка метод транспортных

реакций и др В лабораторной практике для очистки твердых веществ чаще ис-

пользуются перекристаллизация и возгонка для очистки жидкостей ndash фильтро-

вание и перегонка газов ndash отделение примесей путем поглощения их различ-

ными химическими веществами

1 Очистка твердых веществ от примесей перекристаллизацией и

возгонкой

Перекристаллизация основана на различной растворимости одного и то-

го же вещества при различных температурах Под растворимостью понимают

содержание вещества в насыщенном растворе при данной температуре Она

выражается обычно в граммах безводного вещества на 100 г растворителя

(табл 3) или любым видом концентрации растворов (см работу 3)

Таблица 3

Растворимость солей г100 г воды

Формула соли Температура

оС

0 20 40 60 80

CuSO4 143 205 287 395 555

K2Cr2O7 46 125 259 455 730

NaNO3 727 876 1049 1247 1490

КNO3 133 316 639 1100 1690

NH4Cl 294 372 458 552 656

Зависимость растворимости от температуры изображается также кривы-

ми растворимости (рис 9) Пользуясь табл 3 и рис 9 можно определить

например что в 100 г воды при 20 и 80 оС растворяется соответственно 316 и

1690 г нитрата калия Очевидно при охлаждении насыщенного при 80 оС рас-

твора нитрата калия до 20 оС должно выпасть 1690 ndash 316 = 1374 г соли Чем

ниже температура до которой охлаждают раствор тем большее количество

кристаллов выпадает в осадок

33

При небольшом изменении растворимости в результате повышения тем-

пературы (например хлорида натрия) раствор сначала упаривают а затем

охлаждают Иногда для кристаллиза-

ции к насыщенному водному раствору

вещества добавляют реагенты пони-

жающие его растворимость в воде

(например спирт ацетон концентри-

рованную соляную кислоту) Это явле-

ние называется laquoвысаливаниемraquo

Вещества применяемые в лабо-

раторной практике содержат как пра-

вило немного растворимых приме-сей

относительно которых раствор нена-

сыщен Поэтому при кристал-лизации

вещества из насыщенного раствора

примеси остаются в маточ-ном раство-

ре Маточным называется раствор

оставшийся после отфиль- тровыва-

ния выпавших кристаллов

Рис 9 Кривые растворимости Для получения более чистых ве-

некоторых солей ществ осуществляют повторную крис-

таллизацию

Возгонка ndash это переход вещества при нагревании из твердого состояния

непосредственно в пар минуя жидкое Этим методом очищают твердые веще-

ства от нелетучих примесей например йод серу нафталин хлорид аммония

салициловую кислоту и др Пары возгоняемого вещества конденсируются в

кристаллы на поверхности охлажденных предметов

2 Очистка жидкостей перегонкой

Перегонка основана на различии состава жидкой и паровой фаз Жидкая

фаза одного состава превращается в пар с последующей конденсацией его сно-

ва в жидкость другого состава Этим методом очищают жидкие смеси от рас-

творенных в них твердых веществ или менее летучих жидкостей

Различают несколько способов перегонки жидкостей под нормальным

давлением уменьшенным давлением и с водяным паром

Перегонкой под нормальным давлением пользуются в тех случаях когда

очищаемые жидкости при нагревании не разлагаются и не имеют слишком вы-

сокую температуру кипения Индивидуальное вещество при постоянном давле-

нии кипит при строго определенной температуре Поэтому температура кипе-

ния является характеристикой чистоты вещества Оно тем чище чем меньше

разница между температурой кипения очищаемого вещества и температурой

при которой оно перегоняется

34

3 Очистка газов

Газы для очистки пропускают через поглотительные сосуды содержащие

твердые или жидкие поглотители вступающие в химические реакции с приме-

сями и не реагирующие с очищаемым газом Этот процесс включает высуши-

вание и удаление специфических примесей образующихся в процессе его по-

лучения Пары воды можно поглощать концентрированной серной кислотой

прокаленным хлоридом кальция оксидом фосфора (V) силикагелем безвод-

ным сульфатом меди пары аммиака и хлороводорода ndash водой

Экспериментальная часть

Опыт 1 Очистка медного купороса перекристаллизацией

Пользуясь табл 4 рассчитайте четырьмя способами сколько граммов

воды и медного купороса следует взять для приготовления насыщенного при 80 оС раствора соли из которого при охлаждении до 20

оС выделилось бы 10 г

пентагидрата или 64 г безводного сульфата меди

Таблица 4

Растворимость

безводного сульфата меди и кристаллогидрата сульфата меди

при 80 и 20 оС

t оС

Масса г Масса раствора

г CuSO4 Н2О CuSO4times5Н2О Н2О

80 555 100 8672 6878 1555

8069 14539 12608 100 22608

20

205 100 3203 8847 1205

1594 7774 2490 6878 9368

2317 11303 362 100 1362

I способ расчет на 10 г CuSO4middot5Н2О

m (CuSO4middot5Н2О) m (Н2О)

80 оC 8672 6878

20 оC 2490 6878

II способ расчет на 10 г CuSO4middot5Н2О

m (CuSO4middot5Н2О) m (Н2О)

80 оC 12608 100

20 оC 3620 100

III способ расчет на 64 г CuSO4

m (CuSO4) m (Н2О)

80 оC 5550 100

20 оC 1594 1774

35

IV способ расчет на 64 г CuSO4

m (CuSO4) m (Н2О)

80 оC 8069 14539

20 оC 2317 11303

Примеры расчета масс веществ

Пример 1 Какие массы дихромата калия и воды необходимо взять для

получения очищенной соли массой 30 г если перекристаллизация будет прово-

диться в температурном интервале 80ndash20 оС

Решение

1) По табл 3 находим что при 80 оС в 100 г воды растворяется 7300 г

дихромата калия а при 20 оС ndash 1250 г

2) Следовательно при охлаждении раствора от 80 до 20 оС выделится

7300 ndash 1250 = 6050 г соли

3) Массу дихромата калия необходимую для получения 30 г очищенной

соли вычисляем следующим образом

для выделения 6050 г соли требуется 7300 г дихромата калия

для 30 г -------------------- х г х = 5060

0073middot30= 3619 г

4) Объем воды в котором должна быть растворена эта навеска рассчиты-

вается так

73 г дихромата калия растворяются в 100 г воды

362 г -------------------------------------- в х г

х = 73

100middot236= 4959 г (4959 мл так как плотность воды принимаем

равной 1 гмл)

Пример 2 Какую массу воды и медного купороса надо взять для приго-

товления насыщенного при 80 оС раствора соли из которого при последующем

охлаждении до 0 оС выделяется пентагидрат сульфата меди (II) массой 20 г

Решение

1) Учитывая растворимости безводного сульфата меди при 80 и 0 оС рас-

считаем какой массе кристаллогидрата соответствует масса безводной соли

555 и 143 г (CuSO4)

М(CuSO4middot5Н2О) = 250 гмоль М(CuSO4) = 160 гмоль

160 г безводной соли содержится в 250 г кристаллогидрата

555 г ----------------------------------- в х г

х = 160

250middot555= 867 г (80

оС)

160 г безводной соли содержится в 250 г кристаллогидрата

143 г ----------------------------------- в у г

у = 160

250middot314= 223 г (0

оС)

36

2) Вычисляем массу воды необходимую для растворения кристаллогид-

рата при соответствующих температурах

80 оС 100 ndash (867 ndash 555) = 688 г

0 оС 100 ndash (223 ndash 143) = 92 г

3) Масса медного купороса растворенная в воде массой 688 г при 0 оС

будет равна

в 92 г воды растворяются 223 г медного купороса

в 688 г ----------------------- х г

х = 688middot223

92= 1668 г

4) Масса кристаллогидрата выделяющегося при охлаждении от 80 до

0 оС равна 867 ndash 167 = 700 г

5) По условию задачи требуется получить медный купорос массой 20 г

Для выделения 70 г кристаллогидрата необходимо растворить его 867 г

для выделения 20 г ----------------------------------------------------------- х г

х = 2477 г

6) Масса воды необходимая для растворения 2477 г кристаллогидрата

для растворения 867 г кристаллогидрата требуется 668 г воды

для 2477 г ---------------------------------------------------- х г

х = 1965 г или 1965 мл (так как ρ OH2= 1 гмл)

Рассчитанную массу медного купороса взвесьте поместив его на часовое

стекло Отмерьте мерным цилиндром (см рис3) необходимый объем дистил-

лированной воды Вылейте воду в стакан из термостойкого стекла и нагрейте

до начала кипения Затем поместите навеску медного купороса в стакан с

нагретой водой и растворите при помешивании стеклянной палочкой Если по-

лученный раствор прозрачный и не содержит механических примесей то охла-

дите его до 20 оС помешивая стеклянной палочкой Если в приготовленном ис-

ходном растворе содержатся нерастворимые примеси то прежде чем охладить

раствор его необходимо отфильтровать через воронку для горячего фильтро-

вания (рис 10) с применением складчатого фильтра (рис 11)

Для нагрева воронки можно использовать

горячую воду из водопроводной сети Воронка имеет боковой отросток под который подстав-

ляют газовую горелку для нагревания находя-

щейся между стенками воды

При фильтровании легко воспламеняю-

щихся жидкостей применяют воронки с элек-

трическим обогревом

Рис 10 Воронка для горячего фильтрования

37

Для изготовления складчатого фильтра нужно взять соответствующий

размеру воронки квадрат из фильтровальной бумаги сложить его пополам и за-

тем еще раз пополам Внешние углы обрезать по дуге сложить laquoгармошкойraquo

При изготовлении простого фильтра приготовить конус как описано вы-

ше отогнуть один листочек и полученный конус вставить в воронку смочить

его дистиллированной водой (рис 12) Необходимо чтобы фильтр плотно при-

легал к стенкам воронки и между ними не было пузырьков воздуха Край филь-

тра должен быть ниже края воронки не менее чем на 05 см (рис 12 г)

Рис 11 Складчатый фильтр Рис 12 Изготовление простого фильтра

а-в ndash стадии изготовления г ndash фильтр помещен в воронку

Стеклянную воронку с развернутым складчатым фильтром поместите в

воронку для горячего фильтрования фильтр смочите ди-

стиллированной водой Жидкость перелейте на фильтр по

стеклянной палочке (рис 13) держать которую нужно в ле-

вой руке профильтруйте и охладите раствор до 20 оС

Выпавшие кристаллы отделите от маточного раствора

с помощью прибора изображенного на рис 14

Он состоит из фарфоровой воронки Бюхнера (1) колбы Бун-

зена (2) водоструйного вакуум-насоса или насоса Камовско-

го На сетчатое дно воронки Бюх-

нера положите два кружка филь-

тровальной бумаги Чтобы выре-

зать эти фильтры на верх воронки

положите два листа фильтроваль-

ной бумаги и плот-но прижмите

ладонью затем ножницами вы-

режьте один по обозначенному

контору другой ndash на 3ndash4 мм Рис 13 Фильтрование

меньше

На дно воронки вначале положите фильтр меньшего

размера затем большего смочите их дистиллирован-

ной водой и прижмите края к стенкам воронки

Вставьте воронку в колбу Бунзена перенесите в нее

кристаллы вместе с маточным раствором подсоеди-

Рис 14 Установка для ните прибор к насосу и включите его После отделе-

фильтрования с примене- ния кристаллов промойте их в 5ndash10 мл холодной дис- нием вакуума

38

тиллированной воды для удаления остатков маточного раствора

При перекристаллизации нужно получить вещество в кристаллах средне-

го размера так как крупные кристаллы обычно содержат включения маточного

раствора с находящимися в нем примесями а очень мелкие будучи свобод-

ными от этих включений образуют густую кашицу между отдельными кри-

сталлами которой прочно удерживается маточный раствор и отмыть его полно-

стью без потери вещества не удается

Снять кристаллы с воронки перевернув ее на лист фильтровальной бу-

маги и осторожно постучав по ее стенкам Сушить кристаллы нужно в сушиль-

ном шкафу или между листами фильтровальной бумаги до тех пор пока они

не перестанут прилипать к сухой стеклянной палочке Взвесьте перекристал-

лизованную соль и рассчитайте ее выход в процентах Раствор очищенной со-

ли и маточный раствор испытайте на присутствие хлорид-ионов (Реакция с

нитратом серебра в пробирку с небольшим количеством раствора добавьте

каплю раствора нитрата серебра и две капли азотной кислоты Выпавший бе-

лый осадок является хлоридом серебра)

Для уменьшения потери вещества при перекристаллизации маточный

раствор можно упарить наполовину и выделить новую порцию вещества по ме-

тодике описанной выше

Опыт 2 Возгонка йода

Взвесьте на часовом стекле 020 г йода 005 г йодида калия и 010 г окси-

да кальция (оксид кальция необходим для поглощения влаги йодид калия ndash для

очистки от примесей кислородных и других соединений йода) Смесь помести-

те на дно низкого тонкостенного стакана без носика и осторожно размешайте

стеклянной палочкой Накройте стакан круглодонной колбой наполненной

холодной водой (рис 15)

Поставьте стакан на кольцо штатива с асбестовой сеткой осторожно

нагрейте его дно пламенем спиртовки и наблюдайте возгонку йода По окон-

чании процесса прекратите нагревание и дайте стакану охладиться не снимая с

него колбы Затем поднимите колбу и осторожно снимите стеклянной палочкой

йод на предварительно взвешенное часовое стекло (кристаллы йода не сни-

мать металлическим шпателем так как йод взаимодействует с большинством

металлов) Определите массу йода и рассчитайте его выход в процентах

39

а б

Рис 15 Возгонка йода а ndash начало процесса б ndash конец процесса

Опыт 3 Очистка водопроводной воды перегонкой

Для очистки водопроводной воды соберите прибор для перегонки пред-

ставленный на рис 16 Он состоит из колбы Вюрца (1) в которую вставлен

термометр холодильника Либиха (2) аллонжа (3) колбы-приемника (4) с

хлоркальциевой трубкой Проверьте водопроводную воду на содержание в ней

ионов хлора (с использованием раствора нитрата серебра) ионов кальция и

магния

Для доказательства

наличия ионов кальция и

магния в пробирку налейте

5ndash6 мл водопроводной во-

ды добавьте 1 мл амми-

ачной буферной смеси и 3ndash

4 капли индикатора эри-

хрома черного Т Винно-

красная окраска жидкости

свидетельствует о наличии в

воде ионов кальция и маг-

ния фиолетовая ndash указы-

Рис16 Установка для перегонки воды вает на их отсутствие

Далее колбу Вюрца на 13 объема наполните водопроводной водой поместите

в нее для равномерного кипения жидкости несколько стеклянных капилляров

запаянных с одного конца Закройте отверстие колбы Вюрца пробкой с термо-

40

метром (ртутный шарик термометра должен быть немного ниже уровня отвод-

ной трубки колбы) Заполните холодильник водой (ток воды подается снизу

вверх) Приемник закройте пробкой снабженной аллонжем и хлоркальциевой

трубкой с натронной известью для поглощения углекислого газа из воздуха

Нагрейте на электроплитке воду до кипения предварительно положив под дно

колбы асбестовую сетку Отметьте при какой температуре закипит жидкость

Когда в приемнике соберется приблизительно 10 мл воды нагревание

прекратите Проверьте содержит ли дистиллированная вода ионы которые бы-

ли в водопроводной

Опыт 4 Очистка углекислого газа

Соберите прибор для получения и очистки оксида углерода (IV) (см

рис 1) Он состоит из аппарата Киппа и двух промывных склянок Тищенко В

одной из них находится дистиллированная вода (или раствор гидрокарбоната

натрия) в другой ndash концентрированная серная кислота

Получите углекислый газ в аппарате Киппа Для этого загрузите мрамор в

его средний шар и налейте через воронку такое количество 20 раствора соля-

ной кислоты чтобы он закрыл часть мрамора

Пропустите в течение 2 мин слабый ток оксида углерода (IV) через про-

мывные склянки Убедитесь с помощью обезвоженного сульфата меди содер-

жащегося в хлоркальциевой трубке что углекислый газ сухой Исследуйте

жидкость в склянке с дистиллированной водой на содержание в ней хлорид-

ионов Сделайте выводы

Вопросы и задачи

1 На чем основан процесс перекристаллизации

2 Как перекристаллизовать вещества растворимость которых изменяется

от температуры незначительно

3 Какой раствор называется маточным

4 Где остаются примеси после перекристаллизации и почему

5 От каких факторов зависит величина кристаллов Какие кристаллы со-

держат меньше примесей мелкие или крупные

6 От каких примесей освобождаются при очистке твердых веществ воз-

гонкой На чем основан этот метод

7 С какой целью при возгонке к йоду добавляют йодид калия и оксид

кальция

8 На каких физических процессах основана перегонка

41

9 Какой принцип лежит в основе работы холодильника

10 С какой целью при перегонке в колбу Вюрца добавляют так называе-

мые laquoкипелкиraquo (стеклянные трубки пористые материалы и т д)

11 От каких примесей очищается водопроводная вода при перегонке

12 Какие примеси присутствуют в диоксиде углерода полученном в ап-

парате Киппа и как их устранить

13 В насыщенном при 60 оС растворе сульфата калия его массовая доля

равна 154 Выразите растворимость в граммах на 100 г воды

Ответ 1829 г

14 Какая масса хлорида аммония выпадает в осадок при охлаждении до

0 оС насыщенного при 80

оС раствора массой 800 г

Ответ 17488 г

15 Какую массу воды и дихромата калия нужно взять для получения соли

массой 30 г если насыщение осуществлять при 60 а кристаллизацию ndash при

20 оС

Ответ 9090 г 4136 г

16 Какую массу нитрата натрия можно получить из раствора приготов-

ленного путем насыщения при 60 оС 25 мл воды и охлаждении до 0

оС (раство-

римость веществ приведена в табл 3)

Ответ 13 г

Следует уметь

1 Рассчитывать массы растворенного вещества и растворителя необхо-

димые для получения заданной массы очищенной соли

2 Взвешивать на весах отмерять жидкость цилиндром нагревать хими-

ческую посуду на электроплитке

3 Изготавливать простые и складчатые фильтры фильтровать при обыч-

ном давлении и под вакуумом

4 Рассчитывать практический выход продуктов

5 Правильно называть приборы и химическую посуду

6 Пользоваться аппаратом Киппа холодильником Либиха воронкой го-

рячего фильтрования

7 Проверять воду на чистоту

42

Работа 5 Определение изменения энтальпий физико-химических

процессов

Задания для подготовки к лабораторной работе

1 Повторите основные понятия изменение энтальпии реакции ∆rН изме-

нение энтальпии образования вещества ∆fН тепловой эффект реакции Qр-ции

тепловой эффект образования вещества Qобр закон Гесса и следствия из него

2 Ознакомьтесь с устройством калориметрической установки и зарисуйте

ее схему (рис 17)

Теоретическая часть

Большинство химических реакций сопровождается переходом химиче-

ской энергии в тепловую экзотермические реакции осуществляются с выделе-

нием тепла эндотермические ndash с поглощением

Количество тепла выделяющегося или поглощающегося при химической

реакции называется тепловым эффектом реакции который обозначается Qр-ции

или Qr где индекс laquorraquo ndash первая буква английского слова reaction

Тепловой эффект химической реакции при постоянном давлении Qр (ин-

декс laquoрraquo указывает постоянное давление) численно равен изменению энтальпии

∆rН взятой с противоположным знаком Qp = minus∆rН Тепловой эффект и измене-

ние энтальпии химической реакции измеряются в килоджоулях (кДж) или в ки-

локалориях (ккал) Уравнения химических реакций в которых указываются

тепловые эффекты или изменения энтальпии называются термохимическими

Энергетические эффекты различных процессов определяют эксперимен-

тально а термохимические расчеты проводят на базе основного закона термо-

химии ndash закона Гесса тепловой эффект изменение энтальпии изменение внут-

ренней энергии химической реакции зависят от природы и состояния исходных

веществ и конечных продуктов но не зависят от числа и характера промежу-

точных стадий процесса Этот закон лежит в основе расчета Q ∆Н ∆U различ-

ных процессов minus образования разложения сгорания растворения гидратации

нейтрализации и др

Если в ходе процесса при постоянном давлении системой совершается

работа расширения то Qp = ∆U + Р middot ∆V РV = nRT Р middot ∆V = ∆n middot RT

∆Н = ∆U + ∆n middot RT ∆U = ∆Н minus ∆n middot RT где ∆n ndash изменение числа молей газооб-

разных продуктов реакции и исходных веществ (∆n = продn minus исх

n )

Тепловой эффект (изменение энтальпии) растворения ndash теплота растворе-

ния (энтальпия растворения) данного вещества в данном растворителе опреде-

ляется количеством теплоты (изменением энтальпии) которое выделяется или

поглощается при растворении одного моля вещества в таком количестве рас-

творителя что дальнейшее прибавление последнего уже не вызывает дополни-

тельного теплового эффекта (изменения энтальпии)

Пример 1 Растворение Na2SO4 сопровождается выделением теплоты

(29 кДжмоль) а при растворении кристаллогидрата Na2SO4middot10Н2О происходит

43

поглощение теплоты (787 кДжмоль) Вычислите изменение энтальпии гидра-

тации

Решение

1 Термохимическое уравнение растворения Na2SO4

Na2SO4 (к) + aq rarr Na2SO4middotaq ∆Н1 (растворения безводной соли) = minus29 кДж

2 Процесс гидратации безводной соли

Na2SO4 (к) + 10Н2О(ж) rarr (Na2SO4 middot10Н2О)(к) ∆Н2 (гидратации) minus

3 Термохимическое уравнение растворения кристаллогидрата

Na2SO4middot10Н2О + aq rarr Na2SO4middot aq ∆Н3 (растворения кристаллогидрата) =

= 787 кДж

В соответствии с законом Гесса процесс растворения безводной соли (1)

складывается из процесса гидратации (2) и процесса растворения кристалло-

гидрата (3) те ∆Н1 = ∆Н2 + ∆Н3

Тогда ∆Н2 (гидратации) = ∆Н1 (растворения безводной соли) minus ∆Н3 (рас-

творения кристаллогидрата) = minus29 кДж minus 787 кДж = minus816 кДж

1-е следствие из закона Гесса изменение энтальпии реакции равно

сумме изменения энтальпий образования продуктов реакции за вычетом

суммы изменения энтальпий образования исходных веществ с учетом сте-

хиометрических коэффициентов

Пусть аА + бБ = сС + дД а б с д ndash стехиометрические коэффициенты

Тогда ∆rН = с middot ∆fНС + д middot ∆fНD minus а middot ∆fНА minus б middot ∆fНВ

Пример 2 Вычислите ∆Н 0

298 растворения NaOH в воде при образовании

раствора с концентрацией См = 1 мольл

Решение

Процесс растворения NaOH схематически выражается уравнением

NaOH(к) + aq rarr Na (р)

+ OH р

∆fН0

298 кДжмоль minus4268 minus2397 minus2284

∆rН0

298 = minus2397 minus 2284 + 4268 = minus413 кДж

Опыт подтверждает что растворение твердого NaOH сопровождается

разогреванием раствора

2-е следствие из закона Гесса изменение энтальпии реакции равно

сумме изменения энтальпий сгорания исходных веществ за вычетом суммы

изменения энтальпий сгорания продуктов реакции (с учетом стехиомет-

рических коэффициентов)

Пример 3 Вычислите ∆Н 0

298 реакции которая выражается уравнением

СН3СООН(ж) + С2Н5ОН(ж) = СН3СООС2Н5(ж) + Н2О(ж) ∆rН0

1 minus

Изменение энтальпии этого процесса можно рассчитать алгебраически

суммируя энтальпии сгорания

СН3СООН(ж) + 2О2(г) = 2СО2(г) + 2Н2О(ж) ∆rН0

2 = minus8711 кДж

2С2Н5ОН(ж) + 3О2(г) = 2СО2(г) + 3Н2О(ж) ∆rН0

3 = minus1367 кДж

СН3СООС2Н5(ж) + 5О2(г) = 4СО2(г) + 4Н2О(ж) ∆rН0

4 = minus2284 кДж

44

∆rН0

1 = ∆rН0

2 + ∆rН0

3 minus ∆rН

0

4 = minus8711 minus1367 + 22840 = minus46 кДж

Различают изменение энтальпий фазовых и химических превращений К

фазовым относят сублимацию испарение плавление полиморфные превраще-

ния переход из аморфного состояния в кристаллическое Разновидностью хи-

мических реакций служат процессы электролитической диссоциации и химиче-

ские превращения в водных растворах электролитов

Большое значение для развития химии имеет определение изменения эн-

тальпии нейтрализации кислоты щелочью ∆Ннейтр одного моля сильной кисло-

ты одним молем сильного основания ndash величина постоянная Этот факт объяс-

няет теория электролитической диссоциации Аррениуса согласно которой лю-

бая реакция нейтрализации сводится к следующему процессу

Н р-р

+ ОН р-р

= Н2О(ж)

∆fН0

298кДжмоль 0 minus23019 minus28583 Изменение энтальпии этой реакции

∆Н 0

298 нейтр = minus28583 + 23019 = minus556 кДж

∆Ннейтр слабых кислот слабыми основаниями ndash величина переменная за-

висящая от их констант диссоциации и соответственно от концентрации ионов

водорода Н р-р

и гидроксид-ионов ОН р-р

в растворе и имеет значение мень-

шее чем 556 кДжмоль

Экспериментальная часть

Опыт 1 Определение изменения энтальпии нейтрализации сильного

основания сильной кислотой

Для проведения опыта используйте калориметрическую установку

(рис 17) Она состоит из калориметрического стакана (1) вставленного в дру-

гой стакан (2) который играет роль теплоизо-

лирующей муфты подставки (3) крышки (4)

термометра (5) мешалки (6) пипетки (7) шта-

тива (8)

Взвесьте калориметрический стакан и

влейте в него из пипетки (бюретки) 25 мл рас-

твора NaOH или КОН с концентрацией Сэ

= 1 мольл и отметьте температуру с точностью

до 01 оС В другой стакан налейте из бюретки

25 мл НСl или HNO3 такой же концентрации и

измерьте с той же точностью температуру рас-

твора кислоты Затем быстро но аккуратно

влейте раствор кислоты в калори-

Рис 17 Калориметрическая метрический стакан Перемешивая мешалкой

установка содержимое сосуда отметьте максимальную

температуру смеси

Полученные данные используйте для расчетов Расчет проводите по сле-

дующей схеме

45

1 Вычислите изменение энтальпии реакции

NaOH (КОН) + НСl (HNO3) = Н2О + NaCl (KCl)

∆rН0 = (mж middot Cж + mст middot Cст) middot ∆t ∆t = tкон minus tнач где tкон tнач ndash конечная и

начальная температуры (оС) растворов в калориметрическом сосуде mст mж ndash

масса стеклянного калориметрического сосуда и находящейся в нем жидкости

Cст Cж ndash удельные теплоемкости стекла и жидкости Начальная температура ndash

это среднеарифметическая температура щелочи и кислоты конечная ndash наивыс-

шая температура после сливания растворов плотность раствора принять равной

1 гмл его удельную теплоемкость ndash равной теплоемкости воды

(4184 ДжгmiddotК) а удельную теплоемкость стекла ndash 0753 ДжгmiddotК Массу стакана

(mст) определяют в зависимости от того какая часть его объема заполняется

раствором (если наполовину то стm

2)

2 Составьте ионно-молекулярное уравнение реакции нейтрализации и

рассчитайте изменение энтальпии нейтрализации одного моля эквивалента

кислоты по результатам проведенного опыта

3 Определите относительную ошибку опыта (в процентах)

Опыт 2 Определение изменения энтальпии нейтрализации слабого

основания слабой кислотой

Проведите опыт аналогично первому взяв растворы аммиака и уксусной

кислоты с концентрацией Сэ = 1 мольл Вычислите изменение энтальпии

нейтрализации в расчете на 1 моль эквивалентов уксусной кислоты Сравните

результаты с данными предыдущего опыта

Опыт 3 Определение изменения энтальпии растворения безводного

сульфата меди (II)

Опыт проведите в калориметрической установке (см рис 17) В предва-

рительно взвешенный калориметрический стакан налейте 30 мл дистиллиро-

ванной воды определите ее температуру с точностью до 01 оС Взвесьте 1 г

безводного сульфата меди (II) с точностью до 001 г Быстро и аккуратно

всыпьте соль в калориметрический сосуд Размешивая его содержимое мешал-

кой отметьте максимальную температуру Зная разность температур общую

массу раствора и приняв удельную теплоемкость раствора равной удельной

теплоемкости воды рассчитайте изменение энтальпии данного процесса на

1 моль безводной соли

I 1 CuSO4 (к) + aq rarr CuSO4 middot aq ∆Н 0

р-ния б сminus

Имея в виду что гидратация безводной соли и растворение кристалло-

гидрата выражаются следующими термохимическими уравнениями

1 CuSO4(к) + 5H2O(ж) = CuSO4middot5H2O(к) ∆Н 0

1 = minus778 кДж ndash изменение

II энтальпии при гидратации

2 CuSO4middot5H2O(к) + aq = CuSO4 middot aq ∆Н 0

2 = 117 кДж ndash изменение энталь-

пии растворения кристаллогидрата рассчитайте ∆Н 0

р-ния б с CuSO4 на основе за-

46

кона Гесса ∆Н(р-ния б с) = ∆Н(гидрат) + ∆Н(р-ния кристаллогидрата) Сравните теоретиче-

ские и экспериментально рассчитанные значения изменения энтальпии и опре-

делите относительную погрешность опыта (в процентах)

Опыт 4 Определение изменения энтальпии гидратации карбоната

натрия

Опыт проведите по методике описанной в опыте 3 Взятая навеска кар-

боната должна составлять примерно 07 г Опыт и расчеты повторите для кри-

сталлогидрата Na2CO3middot10Н2О (навеска ndash 15 г на 30 мл воды) По найденным

изменениям энтальпий растворения Na2CO3 и Na2CO3middot10Н2О вычислите изме-

нение энтальпии гидратации карбоната натрия и сравните с литературными

данными

(∆Н 0

р-ния б с= minus251 кДжмоль ∆Н

0

гидрат = minus920 кДжмоль

∆Н 0

р-ния кристаллогидрата = 669 кДжмоль)

Вопросы и задачи

1 Почему химические и фазовые превращения сопровождаются выделе-

нием или поглощением энергии Почему в одних случаях энергия выделяется а

в других поглощается

2 Рассчитайте среднюю энергию связи в молекулах СН4 и SiH4 если из-

вестны изменения энтальпий образования Н (г) С (г) Si (г) и СН4 (г) SiH4 (г)

Объясните различия средней энергии связи С ndash Н Si ndash Н

Ответ 415325 кДжмоль

3 Вычислите среднюю энергию связи Н ndash О в молекуле воды если из-

вестно изменение энтальпии образования Н2О (г) Н (г) и О (г)

Ответ 462 кДжмоль

4 Вычислите изменение энтальпии реакции нейтрализации растворов

КОН и НСl CsOH и H2SO4 NaOH и HNO3 в случае очень разбавленных рас-

творов в расчете на 1 моль Н2О в стандартных условиях Почему изменение эн-

тальпий этих реакций одинаковы Почему значения изменения энтальпий

нейтрализации разных слабых оснований и кислот различны

Ответ minus556 кДжмоль

5 При растворении 10 г СаСl2 в 200 мл воды температура раствора повы-

силась на 77 К Вычислите изменение энтальпии гидратации СаСl2 если изме-

нение энтальпии растворения СаСl2middot6Н2О равна 1908 кДжмоль Удельную

теплоемкость раствора примите равной удельной теплоемкости воды

(4184 ДжгmiddotК) Ответ minus9423 кДжмоль

6 При растворении 8 г хлорида аммония в 20 г воды температура понизи-

лась на 2 оС Вычислите ∆Н растворения NH4Cl в воде принимая удельную

теплоемкость полученного раствора равной 41870 Дж(г middot К)

Ответ minus163 кДжмоль

47

7 Рассчитайте ∆rН растворения алюминия в разбавленной соляной кисло-

те если стандартные изменения энтальпий образования реагирующих веществ

равны ∆fНHCl (p-p) = minus1675 кДжмоль ∆fН 3 р-р

AlCl = minus6723 кДжмоль

Ответ minus3396 кДж

8 При растворении 5206 г BaCl2 в 400 моль Н2О выделяется 216 кДж

теплоты Вычислите ∆Н гидратации безводного BaCl2

Ответ 2713 кДжмоль

9 При растворении 16 г СаС2 в воде выделяется 313 кДж теплоты Опре-

делите изменение стандартной энтальпии образования Са(ОН)2

Ответ minus98633 кДжмоль

10 Вычислите изменение энтальпии при сгорании 20 л диборана (ну)

если ∆fН (В2О3 (к)) = minus1264 кДжмоль ∆fН (В2Н6 (г)) = 314 кДжмоль Целе-

сообразно ли использовать в качестве топлива диборан вместо этана если

стандартное изменение энтальпии сгорания этана равно minus155988 кДжмоль

Ответ minus19220 кДж

Следует уметь

1 Используя калориметрический метод рассчитывать энтальпию различ-

ных физико-химических процессов

2 Вычислять энтальпию реакции по энтальпиям образования исходных

веществ и конечных продуктов пользуясь законом Гесса и его следствиями

3 Учитывать влияние прочности химических связей в продуктах реакции

и исходных веществах на энтальпию реакции

48

Библиографический список

1 Еремин В В Основы общей и физической химии В В Еремин

А Я Борщевский ndash М Интеллект 2012 ndash 800 c

2 Неорганическая химия в 3 т под ред Ю Д Третьякова ndash М Ака-

демия 2011 minus 2012 ndash Т 1 ndash 240 с Т 2 ndash 368 с Т 3 (1) ndash 352 с Т 3 (2) ndash 400 с

3 Павлов Н Н Общая и неорганическая химия Н Н Павлов ndash М Лань

2011 ndash 496 с

4 Росин И В Общая и неорганическая химия Современный курс И

В Росин Л Д Томина ndash М Юрайт 2012 ndash 1338 с

5 Шрайвер Д Неорганическая химия в 2-х т Д Шрайвер П Эткинс ndash

М Мир 2013 Т 1 ndash 679 с Т 2 ndash 486 с

Содержание

Правила работы в химической лабораторииhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip3

Работа 1 Определение молярных масс газообразных веществhelliphelliphelliphellip4

Работа 2 Определение молярных масс эквивалентовhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip12

Работа 3 Приготовление растворовhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip24

Работа 4 Методы очистки веществhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip32

Работа 5 Определение изменения энтальпий

физико-химических процессовhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip42

Библиографический списокhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip48

Page 10: МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ К ЛАБОРАТОРНОМУ ...phys-chem.mrsu.ru/wp-content/uploads/2017/11/...МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ К ЛАБОРАТОРНОМУ

10

6 Полноту наполнения колбы углекислым газом проверить с помощью

горящей лучины Держа колбу в вертикальном положении вставить в нее

пробку Закрыть кран аппарата Киппа

7 Взвесить колбу с диоксидом углерода запи-

сать результат взвешивания m2 (г) ndash масса колбы с

пробкой и СО2

8 Провести контрольный опыт колбу повторно

наполнить углекислым газом из аппарата Киппа за-

крыть ее и снова взвесить Разница между взвешивани-

ями не должна быть больше 002 г в противном случае

опыт повторить

9 Записать значения температуры и давления

во время проведения эксперимента

10 Для измерения объема (V) колбы и соответ-

ственно объема газов заполняющих ее наполнить

колбу до метки водой комнатной температуры

11 Измерить объем воды перелив ее из кол-

бы в мерный цилиндр (рис 3) и результат изме-

рения (V мл) при условиях проведения эксперимента Рис 3 Мерные цилиндры

записать в журнал

12 Привести объем (V) газа к ну (V0) используя объединенный газовый

закон

T

PV=

0

00

T

VP V0 = 0

0

P VT

T P

13 Зная V0 рассчитать массу воздуха в объеме колбы (m3)

m3 = возд 0

0

m

M V

V=

029 гмоль V л

224 л моль (по закону Авогадро)

14 Рассчитать массу пустой колбы (без воздуха) m4 = m1 ndash m3 (из массы

колбы с воздухом вычесть массу воздуха)

15 Рассчитать массу СО2 в объеме колбы (m5)

m5 = m2 ndash m4 (из массы колбы с СО2 вычесть массу пустой колбы)

16 Рассчитать М2CO (эксп) по методу Авогадро

М2CO (эксп) =

0

5 m

0

m V

V где V0 рассчитывается по п12

17 Рассчитать Dвозд = 3

5

m

m М

2CO (эксп) = Мвозд middot Dвозд (метод расчета

М2CO используя его относительную плотность по воздуху)

18 Если колбу заполнить водородом то его масса в объеме колбы (m6)

будет равной

m6 = 2H 0

0

m

M V

V =

02 гмоль middotV л

224 л моль

19 Рассчитать D2Н D

2Н = 6

5

m

m М

2CO (эксп) = М2Н middot D

11

20 Рассчитать М2CO (эксп) по уравнению Клапейрона ndash Менделеева

М2CO (эксп) = 5m R T

PV где Р V Т ndash условия проведения эксперимента

21 Рассчитать М2CO (теор) = М(С) + М(О) middot 2

22 Рассчитать относительную ошибку опыта по формуле

К = теор

эксптеор

М

ММ middot 100 Ошибка не должна превышать 2

Вопросы и задачи

1 Определите что тяжелее (при одинаковых условиях)

ndash сухой углекислый газ или равный объем газа содержащий водяные па-

ры

ndash метан сухой или метан содержащий водяные пары

2 Смесь озона с кислородом имеет плотность по водороду равную 18

Определите процентный состав смеси (по объему)

Ответ 25 О3 75 О2

3 Вычислите молярную массу газа всеми возможными методами если

062middot10minus3

м3 при 294 К и 101 325 Па имеют массу 124middot10

minus3 кг Сколько молекул

содержится в данном объеме

Ответ 48 гмоль 156middot1022

молекул

4 Зная молярную массу кислорода и азота а также учитывая что в воз-

духе содержится 24 мас кислорода и 76 мас азота определите среднюю

молярную массу воздуха

Ответ 29 гмоль

5 Плотность жидкого хлора равна 15 гмл Сколько литров газообразно-

го хлора получится из 80 мл жидкого хлора

Ответ 379 л

6 Определите в каком объеме аргона при 20 оС и давлении 1 333 Па со-

держится 5middot1016

молекул

7 Найдите относительную плотность по воздуху газовой смеси состоя-

щей из азота кислорода и оксида углерода (IV) объемные доли которых равны

соответственно 60 20 и 20

8 При прокаливании 1 кг СаСО3 получены 056 кг СаO и 0224 м3 СО2

(ну) Подтверждают ли эти данные закон сохранения массы веществ

9 Смешаны водород кислород и оксид углерода (IV) массой по 1 кг каж-

дый Найдите объемные и молярные доли этих газов в полученной смеси

12

10 Вычислите а) объем 20 т (ну) аммиака б) массу 10 мл паров толуола

С7Н8 в) массу молекулы оксида углерода (II)

Следует уметь

1 Пользоваться аппаратом Киппа

2 Взвешивать на электронных весах

3 Заполнять сосуды газами различной плотности

4 Экспериментально определять массу и объем газа при определенных

температуре и давлении

5 Рассчитывать молярную массу вещества по полученным эксперимен-

тальным данным различными способами а) по методу Авогадро б) используя

относительную плотность одного газа по другому газу в) по уравнению Кла-

пейрона ndash Менделеева

Работа 2 Определение молярных масс эквивалентов

простых и сложных веществ

Задания для подготовки к лабораторной работе

1 Повторите основные понятия эквивалент фактор эквивалентности

молярная масса эквивалента масса эквивалента количество вещества эквива-

лента молярный объем эквивалента закон эквивалентов

2 Ознакомьтесь с устройством прибора (рис 4) и методикой определения

молярной массы эквивалента алюминия

3 Ознакомьтесь с методикой экспериментального определения молярной

массы эквивалента карбоната кальция

Теоретическая часть

Эквивалент (э) ndash это либо реальная либо условно существующая струк-

турная единица вещества которая эквивалентна (равноценна) одному положи-

тельно поляризованному атому водорода одному иону водорода одному элек-

трону или одному эквиваленту любого другого вещества

1 э (Н) равноценен 1 атому (Н) (1 эквивалент водорода равноценен

1 атому водорода)

1 э (Н+) равноценен 1 иону (Н

+)

1 э (окислителя или восстановителя) равноценен 1 ē

Пример

а) В соединениях Н2О NН3 СН4 с одним эквивалентом положительно по-

ляризованных атомов водорода соединяются 1

2 доля атома (О)

1

3 доля атома

(N) 1

4доля атома (С) э (О) =

1

2атома (О) э (N) =

1

3 атома (N) э (С) =

1

4атома

(С) В молекуле HCl с 1 э (Н+) соединяется 1 ион Cl

minus э (Cl

minus) = 1 иону Cl

minus

б) Кислотно-основное взаимодействие по теории Аррениуса сводится к

процессу

Н+

(р-р) + ОНminus

(р-р) rarr Н2О(ж)

13

С одним ионом водорода взаимодействует один гидроксид-ион Эквива-

лент (ОНminus) равноценен иону (ОН

minus)

в) Са(ОН)2 + Н2SО4 rarr СаSО4darr + 2Н2О

Одному Н+ эквивалентны

1

2доля иона Са

2+ 1 ион ОН

minus

1

2доля иона

SO 2

4

э (Са2+

) = 1

2 иона Са

2+ э

(SO 2

4

) = 1

2иона SO 2

4

э (ОНminus) = 1 иону ОН

minus э

(Са2+

) э (SO 2

4

) ndash условно существующие частицы э (ОНminus) ndash реальная частица

г) Al(NO3)3 + H3PO4rarrAlPO4 + 3HNO3 Одному Н+ эквивалентны

1

3 доля

Al3+

1 ион NO3

1

3 доля иона РО 3

4

э (Al3+

) = 1

3иона Al

3+ э (NO

3

) = иону NO3

э (РО 3

4

) = 1

3 иона РО 3

4

э (NO3

) ndash реальная частица э (Al3+

) э (РО 3

4

) ndash условно

существующие частицы

+5 +4 +6 minus1

д) КСlО3 + 3MnO2 + 6KOH rarr3K2MnO4 + KCl + 3H2O

ClO3

+ 3H2O + 6 ē rarr Clminus + 6OH

minus 1

MnO2 + 4OHminus minus 2 ē rarr MnO 2

4

+ 2H2O 3

Одна молекула КСlО3 принимает 6 ē значит э (КСlО3) = 1

6 часть моле-

кулы КСlО3 Одна молекула MnO2 отдает 2 ē значит э (MnO2) = 1

2часть моле-

кулы MnO2 В схеме реакции с учетом стехиометрических коэффициентов

участвуют по 6 эквивалентов КСlО3 MnO2 KOH

Фактор эквивалентности (fЭ) ndash число которое показывает какая доля

атома молекулы иона является эквивалентом Если fЭ = 1 то эквивалент ndash ре-

альная частица так как он равноценен атому молекуле или иону если fЭ lt 1 то

эквивалент ndash условная частица так как эквивалент в этом случае какая-то доля

реально существующей частицы

fЭ = 1

z где z ndash эквивалентное число

Для элементов и молекул простых веществ состоящих из одного атома

fЭ = 1

B где В ndash валентность элемента образующего простое вещество те

z = В

Пример

fЭ (Н) = 1 fЭ (О) = 1

2 fЭ (

V

P ) = 1

5 fЭ (Са) =

1

2 fЭ (Al) =

1

3 fЭ (Na) = 1

fЭ (III

P ) = 1

3

Для простых веществ состоящих из нескольких атомов fЭ = 1

B n где nndash

количество атомов элемента в молекуле простого вещества те z = В n

14

Пример

fЭ (Н2) = 1

1 2 =

1

2 fЭ (О2) =

1

2 2=

1

4 fЭ (Г2) =

1

1 2 =

1

2 fЭ (N2) =

1

3 2 =

= 1

6 fЭ (О3) =

1

2 3 =

1

6

Для элемента входящего в состав любого сложного вещества fЭ = 1

х

где х ndash степень окисления этого элемента взятая по модулю

Пример

MnO fЭ (Mn) = 1

2 Mn2O3 fЭ (Mn) =

1

3

MnO2 fЭ (Mn) = 1

4 Mn2O7 fЭ (Mn) =

1

7

Для оксидов R2Oх fЭ = 1

2x где х ndash степень окисления элемента образу-

ющего оксид те z = |2x| Таким образом

fЭ(оксида)=

1

сумма по модулю всех зарядов + или поляризованныхчастиц образующих оксид

fЭ (Al2O3)=

1

3 2 =

1

2 3 =

1

6 fЭ (ОsО4) =

1

8 1 =

1

2 4 =

1

8

Для кислот оснований солей

fЭ = 1

сумма по модулю всех зарядов катионов или анионов

fЭ (Н3РО4) =

1

1 3 =

1

3 1 =

1

3 =

1

основность кислоты z = 3

fЭ (Al(ОН)3) =

1

3 1 =

1

1 3 =

1

3 =

1

кислотность основания z = 3

fЭ (Na2SО4) =

1

1 2 =

1

2 1 =

1

2 z = 2

fЭ [Al2(SО4)3] =

1

3 2 =

1

2 3 =

1

6 z = 6

fЭ (NaНSО4) =

1

1 1 =

1

1 1 = 1 z = 1

fЭ [(AlОН)Cl2] =

1

2 1 =

1

1 2 =

1

2 z = 2

fЭ 3 4 2Cu NH OH =

1

2 1 =

1

1 2 =

1

2 z = 2

Фактор эквивалентности (fЭ )и эквивалентное число (z) зависят от ос-

новности кислоты или кислотности основания в соответствии с которыми они

вступают в химическое взаимодействие

Пример

а) 2Н3РО4 + 3Са(ОН)2 rarr Са3(РО4)2 + 6Н2О

15

Основность кислоты равна 3 кислотность основания равна 2 так как в

кислоте замещаются 3 иона водорода в основании ndash 2 гидроксид-иона

z (Н3РО4) = 3 z (Са(ОН)2) = 2 fЭ (Н3РО4) = 1

3 fЭ (Са(ОН)2) =

1

2

б) 2Н3РО4 + Са(ОН)2 rarr Са(Н2РО4)2 + 2Н2О

Основность кислоты равна 1 кислотность основания ndash 2

z (Н3РО4) = 1 z (Са(ОН)2) = 2 fЭ (Н3РО4) = 1 fЭ (Са(ОН)2) = 1

2

в) Н3РО4 + Са(ОН)2 rarr СаНРО4 + 2Н2О

Основность кислоты равна 2 кислотность основания равна 2

z (Н3РО4) = 2 z (Са(ОН)2) = 2 fЭ (Н3РО4) = 1

2 fЭ (Са(ОН)2) =

1

2

г) Н3РО4 + 3Са(ОН)2 rarr (СаОН)3РО4 + 3Н2О

Основность кислоты равна 3 кислотность основания равна 1

z (Н3РО4) = 3 z (Са(ОН)2) = 1 fЭ (Н3РО4) =1

3 fЭ (Са(ОН)2) = 1

д) 2Al(OH)3 + Н2SO4 rarr [Al(OH)2]2SO4 + 2Н2О

Основность кислоты равна 2 кислотность основания равна 1

z (Al(OH)3) = 1 z (Н2SO4) = 2 fЭ (Al(OH)3) =1 fЭ (Н2SO4) = 1

2

е) Al(OH)3 + Н2SO4 rarr [Al(OH)]SO4 + 2Н2О

Основность кислоты равна 2 кислотность основания равна 2

z (Al(OH)3) = 2 z (Н2SO4) = 2 fЭ (Al(OH)3) =1

2 fЭ (Н2SO4) =

1

2

Для окислительно-восстановительных реакций fЭ (окислителя) = 1

n

fЭ (восстановителя) = 1

n где n ndash число электронов принятых или отдан-

ных 1 молекулой или 1 ионом окислителя или восстановителя соответственно

Пример

MnO4

+ 8H+ + 5 ē rarr Mn

2+ + 4Н2О z = 5 fЭ =

1

5

SO 2

3

+ Н2О minus 2 ē = SO 2

4

+ 2H+ z = 2 fЭ =

1

2

Молярная масса эквивалентов вещества (Мэ гмоль) ndash это масса

1 моля эквивалентов вещества или 6022middot1023

эквивалентов вещества

Мэ = fЭ middot М = M

z =

m

э где М ndash молярная масса гмоль m ndash масса (г) ве-

щества количеством νэ (моль)

Пример

Мэ (Н) = fЭ middot М (Н) = 1 middot 1008 гмоль = 1008 гмоль

Мэ (Н2) = 1

2middot М (Н2) =

1

2middot 2016 гмоль = 1008 гмоль

Мэ (О) = 1

2middot М (О) =

1

2middot 16 гмоль = 8 гмоль

16

Мэ (О2) = 1

4middot М (О2) =

32 гмоль

4 = 8 гмоль

Мэ (Na) = М (Na) = 23 гмоль

Мэ (ОНminus) = М (ОН

minus) = 17 гмоль

Мэ (С) в СО = 12 гмоль

2 = 6 гмоль

Мэ (С) в СО2 = 12 гмоль

4 = 3 гмоль

Для оксидов R2Oх

Мэ (R2Ox) = fЭ middot М (R2Ox)

Мэ (R2Ox) = Мэ (R) + Мэ (O) = fЭ (R) middot М (R) + 8

Пример

Мэ (Al2O3) = 1

6middot M (Al2O3) =

102 гмоль

6 = 17 гмоль

Мэ (Al2O3) = 27 гмоль

3+ 8 гмоль = 17 гмоль

Мэ (кислоты) = fЭ middot М (кислоты)

Мэ (кислоты) = 1

основность кислотыmiddot М (кислоты)

Мэ (кислоты) = Мэ (Н+) + Мэ (А

minus) = 1 гмоль + fЭ middot М (А

minus) = 1 гмоль +

+1

заряд анионаmiddot М (А

minus) где А

minus minus кислотный остаток

Пример

Мэ (Н3РО4) = 1

3middot М (Н3РО4) =

1

3middot 98 гмоль = 3267 гмоль

Мэ (Н3РО4) = Мэ (Н+) + Мэ (РО 3

4

) = 1 + 1

3middot М (РО 3

4

) = 1 гмоль + 1

3middot

middot 95 гмоль = 1 гмоль + 3167 гмоль = 3267 гмоль

Мэ (основания) = fЭ middot М (основания)

Мэ (основания) = 1

кислотность основанияmiddot М (основания)

Мэ (основания) = Мэ (Мn+

) + Мэ (ОНminus) = fЭ middot М (М

n+) + fЭ middot М (ОН

minus) =

= 1

nmiddot М (М

n+) + 17

Пример

Мэ (Al(OH)3) = 1

3middot 78 гмоль = 26 гмоль

Мэ (Al(OH)3) = 1

3middot 27 гмоль + 17 гмоль = 9 гмоль + 17 гмоль =

= 26 гмоль

Для солей состава КхАу

Мэ (соли) = fЭ middot М (соли) = Мэ (Ку+

) + Мэ (Ахminus

) = fЭ (Ку+

) middot М (Ку+

) +

+ fЭ (Ахminus

) middot М (Ахminus

)

17

Пример

Мэ (Al2(SO4)3) = 1

6 middot М [Al2(SO4)3] =

342 гмоль

6 = 57 гмоль

Мэ (Al2(SO4)3) = 27

3 +

96

2 = 9 гмоль + 48 гмоль = 57 гмоль

Мэ (окислителя или восстановителя) = fЭ middot М (в-ва) = 1

nmiddot М (в-ва) где n ndash

число отданных или принятых электронов z ndash эквивалентное число = n

Пример

а) Мэ (KMnO4) = 1

5middot М (KMnO4) =

1

5middot 158 гмоль = 316 гмоль (при пере-

ходе MnO4

в Mn+2

)

Мэ (MnO2) = 1

2middot М (MnO2) =

1

2middot 87 гмоль = 435 гмоль (при переходе

MnO2 в MnO 2

4

)

При определении Мэ веществ участвующих в химических реакциях сле-

дует учитывать их fЭ

Пример

а) Аl(OH)3 + H3PO4 rarr AlPO4 + 3H2O

Мэ (Аl(OH)3) = 1

3middot М (Аl(OH)3)

Мэ (H3PO4) = 1

3middot М (H3PO4)

б) 3Аl(OH)3 + H3PO4 rarr [Al(ОН)2]3PO4 + 3H2O

Мэ (Аl(OH)3) = М (Аl(OH)3)

Мэ (H3PO4) = 1

3middot М (H3PO4)

в) 3Аl(OH)3 + 2H3PO4 rarr [Al(ОН)]3(PO4)2 + 6H2O

Мэ (Аl(OH)3) = 1

2middot М (Аl(OH)3)

Мэ (H3PO4) = 1

3middot М (H3PO4)

г) Аl(OH)3 + 3H3PO4 rarr Al(Н2PO4)3 + 3H2O

Мэ (Аl(OH)3) = 1

3middot М (Аl(OH)3)

Мэ (H3PO4) = М (H3PO4)

д) 2Аl(OH)3 + 3H3PO4 rarr Al2(НPO4)3 + 6H2O

Мэ (Аl(OH)3) = 1

3middot М (Аl(OH)3)

Мэ (H3PO4) = 1

2middot М (H3PO4)

е) Fe(OH)2Cl + HCl rarr Fe(OH)Cl2 + H2O

Мэ (Fe(OH)2Cl) = М (Fe(OH)2Cl)

Fe(OH)2Cl + 2HCl rarr FeCl3 + 2H2O

18

Мэ (Fe(OH)2Cl) = 1

2middot М (Fe(OH)2Cl)

Fe(OH)2Cl + NaOH rarr Fe(OH)3 + NaCl

Мэ (Fe(OH)2Cl) = М (Fe(OH)2Cl)

ж) KCr(SO4)2 + 3KOH rarr Cr(OH)3 + 2K2SO4

Мэ (KCr(SO4)2) = 1

3middot М (KCr(SO4)2)

KCr(SO4)2 + 6KOH rarr K3[Cr(OH)6] + 2K2SO4

Мэ (KCr(SO4)2) = 1

6middot М (KCr(SO4)2)

и) MnSO4 + 2KOH rarr Mn(OH)2 + K2SO4

Мэ (MnSO4) = 1

2middot М (MnSO4)

MnSO4 + 2Cl2 + 8KOH rarr K2MnO4 + 4KCl + K2SO4 + 4H2O

Мэ (MnSO4) = 1

4middot М (MnSO4)

2MnSO4 + 5K2S2O8 + 8H2O rarr 2HMnO4 + 2H2SO4 + 10KHSO4

Мэ (MnSO4) = 1

5middot М (MnSO4)

Масса эквивалента вещества (mэ) (г кг hellip)

mэ = э

A

M

N = fЭ middot

A

M

N=

M

z NA =

э A

m

ν N

Пример

mэ (Mg) =

A

M Mg

N =

23 1

12 гмоль

6022 10 моль = 1993middot10

minus23 г

mэ (СаСО3) = 23 1

300г

6моль 6022 10 моль = 83029middot10

minus23 г

Таким образом эквивалент фактор эквивалентности эквивалентное чис-

ло масса эквивалента молярная масса эквивалента ndash величины переменные

зависящие от валентности степени окисления количества атомов зарядов

ионов в молекулах веществ основности кислоты кислотности основания а в

окислительно-восстановительных реакциях ndash от количества отданных или при-

нятых электронов

Количество вещества эквивалента (νэ моль)

νэ = эM

m =

Э

m

Мf = в-ва

Эf

=

m z

M

где m ndash масса вещества г

Пример

m (Аl) = 135 г Мэ (Аl) = 1

3 middot 27 гмоль = 9 гмоль

ν (Аl) = 135г

9гмоль = 15 моль

В 135 г алюминия содержится 15 молей эквивалентов алюминия или (15

middot NA) эквивалентов алюминия z = 3 1 моль атомов алюминия эквивалентен 3

молям эквивалентов алюминия или (3 NA) эквивалентам алюминия

19

1 моль электронов эквивалентен числу Фарадея

F = 160217733middot10minus19

Кл middot 60221367middot10minus1

моль = 96485309 Клмоль

(Клmiddotмольminus1

)

Пример

m = M (O2) νэ = 32г

8гмоль = 4 моль

1 моль молекул O2 содержит 4 моль эквивалентов кислорода

Для сложных веществ Мэ и νэ могут быть рассчитаны по fЭ который ха-

рактеризует их в данной реакции

Молярный объем эквивалента газообразного вещества (Vэ) (лмоль

м3кмоль м

3моль) ndash это объем занимаемый 1 молем эквивалентов этого ве-

щества

Vэ= fЭ middot Vm = 0V

э V 0

э = fЭ middot V

0

m = 0V

э

Пример

V 0

э (О2) =

1

4middot 224 лмоль = 56 лмоль

Это означает что 1 моль эквивалентов О2 при ну занимает объем равный

56 л

V 0

э (Н2) =

1

2middot 224 лмоль = 112 лмоль те 1 моль эквивалентов Н2 при

ну занимает объем равный 112 л

1 моль молекул О2 или 4 моля эквивалентов О2 при ну занимают объем

224 л 1 моль молекул Н2 или 2 моля эквивалентов Н2 при ну занимают объем

224 л

Закон эквивалентов массы веществ реагирующих друг с другом или об-

разующихся в результате химической реакции соотносятся между собой как

их молярные массы эквивалентов

2

1

m

m =

э (1)

э (2)

M

M

1

э (1)

m

М=

2

э (2)

m

М

1

э (1)

m

М = νэ (1)

2

э (2)

m

М = νэ (2)

νэ (1) = νэ (2) ndash количество эквивалентов каждого из участников химической

реакции

Для газообразного вещества

э

m

M =

э

V

V =

0

0

э

V

V = νэ

Закон эквивалентов для химической реакции с участием газа

1

э (1)

m

М=

2

э 2

V

V=

0

2

0

э 2

V

V = νэ (1) = νэ (2)

Мэ (1) =

0

э (2)1

0

2

m middotV

V

Экспериментальное определение эквивалентов и молярных масс эквива-

лента различных веществ может быть проведено различными методами

20

Б2

Л1

Т

Б1

Л2

П

Г

1 Метод прямого определения Эквивалент и молярную массу эквива-

лента устанавливают исходя из соединений данного элемента с водородом или

кислородом

2 Косвенный метод в котором вместо водорода и кислорода использу-

ют другие элементы и вещества с известным эквивалентом и молярной массой

эквивалента

3 Метод вытеснения водорода из кислоты металлом взятой навески

Применим к металлам которые способны вытеснять водород из щелочей и раз-

бавленных кислот

4 Аналитический метод Эквивалент определяют из результатов хими-

ческого анализа элемента в одном из его соединений

5 Электрохимический метод основан на законе Фарадея согласно ко-

торому asymp 96 500 Кл электричества выделяют из электролитов при электролизе

1 моль эквивалентов вещества

Экспериментальная часть

Опыт 1 Определение молярной массы эквивалента алюминия мето-

дом вытеснения

Метод основан на реакции взаимодействия алюминия с соляной кислотой

и измерении объема выделившегося водорода

Собрать прибор представленный на рис 4 Заполнить 14 часть пробирки

раствором соляной кислоты (с массовой долей 15 ) Наклонив пробирку на

ее сухую сторону поместить предварительно взвешенную алюминиевую

Установка состоит из двух бюреток рабочей изме-

рительной Б1 и уравнительной Б2 соединенных

резиновой трубкой Т и заполненных подкрашен-

ной водой К рабочей бюретке при помощи газо-

отводной трубки Г присоединена пробирка П

Рис 4 Лабораторная установка для определения молярной массы эквивалента алюминия

21

фольгу (0015ndash0020 г) так чтобы она не соприкасалась с кислотой Присоеди-

нить пробирку к бюретке и проверить прибор на герметичность Для этого во-

ронку опустить на 10ndash15 см Если прибор герметичен то уровень воды в бю-

ретке несколько снизится а затем останется без изменения Привести давление

в бюретке к атмосферному для чего установить уровень воды в бюретке и во-

ронке на одной высоте в бюретке ndash около нулевого деления но не выше Отме-

тить и записать положение нижнего края мениска в бюретке (А1) После этого

пробирку со штативом наклонить так чтобы кислота смыла алюминиевую

фольгу Для начала реакции содержимое пробирки нагреть на спиртовке (не ка-

саться фитилем дна пробирки не кипятить) Выделяющийся водород бу-

дет вытеснять воду из бюретки После окончания реакции пробирку не снимая

с прибора охладить до комнатной температуры опустив ее в стакан с холодной

водой Затем привести давление внутри прибора к атмосферному и отметить

уровень воды в бюретке (А2)

Объем выделившегося водорода при комнатных условиях V2H = (А2 ndash А1)

привести по объединенному газовому закону (T

PV=

0

00

T

VP) к ну (V0 (H2)) учи-

тывая что общее давление Р = P пар OH2+ P

2Н (где P ndash парциальное давление)

откуда P2Н = Р ndash P пар OH2

тогда объединенный газовый закон T

Vmiddot)P (P пар OH2=

= 0

00

T

VP V

0(H2) = 22общ пар 0 HН О

0

(P Р )middotТ V

Р Т

Таблица 1

Зависимость давления водяного пара от температуры

Т К P OН2 Па Т К P OН2

Па

289 181318 295 233976

290 193317 296 281301

291 206649 297 298641

292 219913 298 317306

293 233314 299 335971

294 247979 300 355970

На основании полученных данных и закона эквивалентов рассчитать молярную

массу эквивалента алюминия (Al)э

Al

M

m=

2

0 2

0

m ( ) H

V (H )

V э

Результаты измерений записать по следующей форме

Навеска

алюминия

г

V2H мл

(А2 ndash А1) Т К

Робщ

Па 2H OP Па V 20 H

мл

Мэ(Al)

гмоль

Ошиб

ка

22

Опыт 2 Определение молярной массы эквивалента карбоната каль-

ция косвенным методом

Взвесить в стакане около 3 г мрамора с точностью до 001 г (m1) При-

лить пипеткой (рис 5) 15 мл раствора соляной кислоты с мо-

лярной концентрацией эквивалента 1 мольл Как только выде-

ление углекислого газа замедлится нагреть стакан до 60ndash70 оС

выдержать при этой температуре до окончания реакции Затем

слить образовавшийся раствор с оставшихся кусочков мра-

мора промыть их два раза дистиллированной водой методом

декантации Стакан с оставшимся мрамором высушить в су-

шильном шкафу при 107 оС и после охлаждения взвесить (m2)

Зная количество молей эквивалентов вступившей в реакцию

соляной кислоты (νэ) и массу прореагировавшего мрамора m3

рассчитать по закону эквивалентов молярную массу эквивален-

та карбоната кальция

Рис 5 Пипетки мерные

Результаты эксперимента записать по следующей форме

m1 г m2 г m3 (CaCO3) =

= m1 ndash m2 г V (HCl) мл

Mэ(СaCO3)

гмоль

Ошибка

νэ (HCl) = Vр-ра (HCl) middot Сэ (HCl)

νэ (СaCO 3 ) = νэ (HCl) )(CaCO э

CaCO

3

3

M

m = Сэ (HCl) middot Vр-ра (HCl)

Мэ (СаСО3) =

3CaCO

HCl э(HCl)

m г

мольV л middotС

л

Вопросы и задачи

1 Как проверить на герметичность прибор для определения молярной

массы эквивалента металла методом вытеснения водорода

2 Как привести давление в герметически закрытом приборе к атмосфер-

ному

3 Под каким давлением по сравнению с атмосферным будет находиться

газ в сосуде если уровень воды в бюретке

а) выше чем в воронке (уравнительном сосуде)

б) ниже чем в воронке

в) на одном уровне

23

4 Как рассчитать парциальное давление газа если он собран над водой

5 Вычислите молярную массу эквивалента металла если навеска техни-

ческого металла массой 0035 г имеющего 20 примесей (не взаимодейству-

ющих с кислотой) вытесняет из кислоты 119 мл водорода собранного над во-

дой при температуре 17 оС и давлении 103middot10

5 Па (давление водяного пара над

водой при 17 оС равно 00193middot10

5 Па)

Ответ 2807 гмоль

6 Чему равны молярные массы эквивалентов мышьяка в его оксидах со-

держащих мышьяк а) 652 (мас) As б) 757 (мас) As

Ответ 1499 гмоль 2492 гмоль

7 Вычислите молярную массу эквивалента фосфорной кислоты и гидрок-

сида алюминия в уравнениях реакций

а) H3PO4 + Ca(OH)2 = CaHPO4 + 2H2O

б) Al(OH)3 + HNO3 = Al(OH)2NO3 + H2O

8 Рассчитайте молярную массу эквивалента олова если

а) при нагревании 092 г его в токе кислорода образуется оксид олова

массой 117 г

б) при восстановлении оксида олова массой 117 г водородом получена

вода массой 016 г

Ответ а) 2944 гмоль б) 5886 гмоль

9 Из 27 г оксида некоторого металла можно получить 63 г его нитрата

Вычислите молярную массу эквивалента металла

Ответ 325 гмоль

10 При восстановлении 51 г оксида металла (III) образовалось 27 г во-

ды Определите молярную массу эквивалента и относительную атомную массу

металла

Ответ 9 гмоль 27

Следует уметь

1 Рассчитывать фактор эквивалентности массу эквивалента и молярную

массу эквивалента элемента простого и сложного веществ исходя из формулы

вещества уравнений реакций в которых участвует вещество закона эквива-

лентов молярного объема эквивалентов любого газообразного вещества

2 Экспериментально определять молярную массу эквивалентов простых

и сложных веществ

24

Работа 3 Приготовление растворов

Задания для подготовки к лабораторной работе

1 Изучите теоретическое введение к лабораторной работе обратив особое

внимание на различные способы выражения содержания растворенного веще-

ства в растворе

2 Проведите все расчеты необходимые для выполнения опытов изучив

метод интерполяции и laquoправило крестаraquo

3 Ознакомьтесь с устройством ареометра мерной посудой и правилами

пользования ими

Теоретическая часть

Раствор ndash это гомогенная система переменного состава состоящая из рас-

творителя растворенных веществ (одного или нескольких) и продуктов их вза-

имодействия Компонент который количественно преобладает и находится в

том же агрегатном состоянии что и образующийся раствор называется раство-

рителем все остальные его части ndash растворенными веществами Основным

признаком характеризующим раствор является его однородность Процесс

растворения часто сопровождается значительными объемными и энергетиче-

скими эффектами По этим признакам растворы больше напоминают химиче-

ские соединения и тем самым отличаются от механических смесей С другой

стороны растворы не имеют строго определенного состава и в этом их суще-

ственное отличие от химических соединений

Первоначально процесс растворения идет самопроизвольно (∆Gр-ния lt 0) и

раствор является ненасыщенным При дальнейшем добавлении вещества

наступает момент когда вещество перестает растворяться и тогда избыток рас-

творенного вещества выпадает в осадок Система оказывается в состоянии ис-

тинного равновесия (∆Gр-ния = 0) те скорости осаждения и растворения равны

Раствор становится насыщенным Можно получить и пересыщенные растворы

те такие массовые доли растворенных веществ в которых выше чем в насы-

щенных растворах (при определенных температуре и давлении) Пересыщен-

ные растворы можно приготовить медленным охлаждением насыщенных при

высокой температуре растворов (например Na2S2O3 NaCH3COO и др) Они

представляют систему находящуюся в кажущемся равновесии (∆Gр-ния gt 0)

Встряхивание или внесение кристаллов того же вещества которое находится в

растворе или изоморфного с ним вызывает кристаллизацию В результате про-

исходит выделение избытка растворенного вещества и раствор становится

насыщенным

Способы выражения концентрации растворов

Состав любого раствора может быть выражен как качественно так и ко-

личественно Раствор с относительно низким содержанием растворенного ве-

щества называют разбавленным с относительно высоким ndash концентрирован-

25

ным Такая количественная оценка условна Например для серной кислоты

концентрированным считается раствор где массовая доля кислоты равна 98 а

для соляной ndash 38

Для количественной оценки состава растворов используют понятие laquoкон-

центрацияraquo Существуют различные способы ее выражения

1 Массовая доля растворенного вещества в растворе Она обознача-

ется Wрв (по первой букве английского слова laquoWeightraquo ndash вес) и рассчитывается

по формуле Wрв = )ткг г(m

)ткг г(m

ра-р

рв Она выражается в долях от единицы и пока-

зывает сколько граммов (кг т) растворенного вещества содержится в 1 г (кг т)

раствора Например W3NaNO = 005 Это означает что в каждом грамме (кг т)

раствора содержится 005 г (кг т) растворенного вещества Массовая доля рас-

творенного вещества в растворе может быть выражена и в процентах Wрв

= ра-р

рв

m

m middot 100 = Wрв middot 100 В этом случае W указывает сколько граммов (кг

т) растворенного вещества содержится в каждых 100 г (кг т) раствора Напри-

мер W3NaNO = 5 в каждых 100 г раствора содержится 5 г NaNO3 или в

каждых 100 кг (т) раствора ndash 5 кг (т) NaNO3

Раствор любой концентрации характеризуется своей плотностью ρ (гмл

кгл гл тм3) которая показывает сколько граммов (кг т) весит 1 мл (л м

3)

раствора данной концентрации Например ρ = 102 гмл Это означает что 1 мл

раствора данной концентрации весит 102 г Плотность раствора рассчитывает-

ся по формуле ρр-ра = ра-р

ра-р

V

m Плотность (ρ) ndash это величина для перехода от массы

раствора к его объему и наоборот

2 Молярная концентрация раствора (См) Ее значение показывает

сколько молей растворенного вещества содержится в 1 л раствора Например

См (р-ра KCl) = 5 мольл Это означает что в каждом литре такого раствора со-

держится 5 моль KCl Молярная концентрация рассчитывается по формуле

См = рв

р-ра

ν

V=

рв

рв р-ра

m

М middotV(мольл) где νрв minus количество растворенного вещества

(моль) mрв ndash масса растворенного вещества (г) М ndash молярная масса раство-

ренного вещества (гмоль) Vр-ра ndash объем раствора (л)

3 Молярная концентрация эквивалента раствора (эквивалентная кон-

центрация или нормальная концентрация) Она обозначается Сэ (используется

также Сн) Ее значение показывает сколько молей эквивалентов растворенного

вещества содержится в 1 л раствора Например Сэ (р-ра HNO3) = 2 мольл Это

означает что в каждом литре раствора содержится 2 моль эквивалентов HNO3

Молярная концентрация эквивалента раствора рассчитывается по формуле

Сэ = э рв

р-ра

ν

V=

рв

э рв р-ра

m

М middotV(мольл)

26

Растворы имеющие одинаковые значения Сэ реагируют между собой в

равных объемах так как содержат равные количества молей эквивалентов рас-

творенных веществ Если растворы имеют различные значения Сэ то вступаю-

щие в реакцию объемы этих растворов обратно пропорциональны их молярным

концентрациям эквивалента 2

1

V

V=

1 э

2 э

С

C или V1 middot Cэ 1 = V2 middot Cэ 2

4 Моляльная концентрация раствора (Сm) Ее значение показывает

сколько молей растворенного вещества содержится в 1 кг растворителя

Например Сm (р-ра H2SO4) = 10 молькг Это означает что в каждом кило-

грамме воды растворено 10 моль H2SO4 Моляльная концентрация раствора

рассчитывается по формуле Сm = рв

р-ля

ν

m=

рв

рв р-ля

m

М middotm(молькг)

5 Молярная (мольная) доля растворенного вещества в растворе Она

обозначается χрв Ее значение показывает сколько молей растворенного веще-

ства содержится в 1 моль раствора Например χ4CuSO = 002 Это означает что в

1 моль раствора содержится 002 моль CuSO4 Если в растворе только одно рас-

творенное вещество то χ ОH2= 098 Сумма мольных долей всех компонентов в

растворе равна единице те 1 моль Мольная доля растворенного вещества в

растворе рассчитывается по формуле χрв = ля-ррв

рв

νν

ν

=

ра-р

рв

ν

ν=

OH

OH

рв

рв

рв

рв

2

2

M

m

М

m

М

m

Если в растворе несколько (К) растворенных веществ то мольная доля любого

из компонентов в том числе растворителя рассчитывается по формуле

χi =

K

1i

i

i

ν

ν Например при наличии трех растворенных веществ и растворителя

χ1 = 4321

1

νννν

ν

χ2 =

4321

2

νννν

ν

χ3 =

4321

3

νννν

ν

χ4 = 4321

4

νννν

ν

χ1 + χ2 + χ3 + χ4 = 1

6 Титр раствора Этот вид выражения состава раствора обозначается

буквой Т Его значение показывает сколько граммов растворенного вещества

содержится в 1 мл раствора Например Т (р-ра Na2CO3) = 15 гмл Это означа-

ет что в каждом миллилитре такого раствора содержится 15 г Na2CO3 Титр

раствора рассчитывается по формуле Т = рв

р-ра

m

V (гмл)

27

Экспериментальная часть

Опыт 1 Приготовление пересыщенного раствора тиосульфата натрия

Положите в пробирку несколько кристаллов Na2S2O3middot5H2O и очень осто-

рожно нагрейте Закройте пробирку ватой и дайте ей охладиться Охлажден-

ную до комнатной температуры пробирку резко встряхните Нагреванием про-

бирки с солью снова получите прозрачный раствор Охладите и внесите не-

большой кристалл исходного вещества Объясните наблюдаемое

Опыт 2 Определение массовой доли серной кислоты по плотности

раствора

Наиболее простой и быстрый способ ndash с помощью ареометра Его приме-

нение основано на том что плавающее тело погружается в жидкость до тех пор

пока масса вытесненной жидкости не станет равной массе самого тела В рас-

ширенной нижней части ареометра находится груз на верхней узкой части ndash

шейке ndash нанесены деления показывающие плотность жидкости в которой

laquoплаваетraquo ареометр

Исследуемый (концентрированный) раствор серной кислоты налейте (под

тягой) в сухой чистый мерный цилиндр на frac34 его объема В раствор осторож-

но не касаясь стенок цилиндра опустите ареометр Каждый ареометр предна-

значен для измерения плотности в определенных пределах При выборе арео-

метра необходимо ориентировочно знать плотность данного раствора Вы-

яснив цену одного деления шкалы ареометра отметьте его показания (по ниж-

нему мениску раствора) Приподняв ареометр на 1ndash2 см вновь опустите его в

раствор и еще раз определите показания По справочной таблице найдите мас-

совую долю растворенного вещества в растворе Если такая величина в таблице

отсутствует то массовую долю находят методом интерполяции (определение

промежуточного значения по двум крайним) Например экспериментальное

показание ареометра равно 1124 гмл Находим ближайшие к этому табличные

значения плотности массовой доли и их разность

ρ гмл W

1130 1831

1120 1701

0010 130

Таким образом изменению плотности на 0010 гмл соответствует изме-

нение массовой доли на 130 Экспериментальное показание ареометра отли-

чается от меньшей табличной величины на 0004 гмл

ρ гмл W

1124

1120 1701

0004

С учетом того что в указанных пределах между плотностью и массовой

долей раствора зависимость линейная составляем пропорцию

28

0010 гмл -----------------130

0004 гмл ----------------- х х = 052

Найденное число (052 ) прибавляем к меньшей массовой доле

(1701 ) взятой из таблицы и соответствующей плотности 1120 Получаем

W = 1701 + 052 = 1753 что соответствует плотности 1124 гмл Этот спо-

соб определения содержания растворенного вещества в растворе применяют в

том случае если не требуется большой точности Более точный способ ndash опре-

деление с помощью титрования Обычно ареометры калибруются при 20 оС В

таблицах значения плотностей растворов приводятся при этой же температуре

Если не требуется особой точности табличными данными можно пользоваться

и для других температур

Опыт 3 Приготовление 50 мл 4 раствора сульфата меди из кри-

сталлогидрата CuSO4middot5H2O

Рассчитайте сколько граммов CuSO4middot5H2O и какой объем воды нужно

взять для приготовления 50 мл раствора с массовой долей CuSO4 4

Взвесьте вычисленную массу кристаллогидрата и перенесите в стакан емко-

стью 100 мл Отмерьте мерным цилиндром (см рис 3) рассчитанный объем

дистиллированной воды перелейте ее в стакан с навеской пентагидрата суль-

фата меди и перемешайте стеклянной палочкой до полного растворения кри-

сталлов соли Полученный раствор перелейте в мерный цилиндр и измерьте

плотность раствора По таблице найдите и запишите массовую долю CuSO4

отвечающую этому значению плотности (ρтеор (4 раствора CuSO4) =

= 104 гмл) пересчитайте на молярную концентрацию молярную концентра-

цию эквивалента моляльную концентрацию и титр раствора

Таблица 2

Исходные данные и полученные результаты приготовления

раствора сульфата меди

Задан-

ная

массо-

вая доля

W

ρтеор

гмл

Рассчитанные

массы компо-

нентов г ρэксп

гмл

Экспериментальные

значения Отн

ошиб

ка

CuSO4middot5H2O Н2О W

См

мольл

Сэ

мольл

Сm

молькг

Т

гмл

Опыт 4 Приготовление 100 мл раствора серной кислоты с молярной

концентрацией эквивалента 01 мольл из более концентрированного раз-

бавлением водой

Для приготовления растворов заданной молярной или эквивалентной

концентраций используются мерные колбы (рис 6) различного объема (25 50

100 200 250 500 1000 мл и более) Рассчитайте объем концентрированного

раствора серной кислоты массовая доля которого определена в опыте 2 необ-

29

ходимый для приготовления 100 мл рас-

твора серной кислоты с молярной кон-

центрацией эквивалента 01 мольл Кис-

лоту перенесите пипеткой (см рис 5) в

мерную колбу объемом 100 мл предвари-

тельно налив в нее примерно 20 мл ди-

стиллированной воды После этого до-

лейте воду в колбу до метки раствор

перемешайте и охладите до комнатной

Рис 6 Мерные колбы температуры Молярная концентрация

эквивалента полученного раствора должна быть близка к 01 мольл Точную

концентрацию раствора серной кислоты определите титрованием щелочью Для

титрования бюретку с наконечником (рис 7) заполните до нулевой

метки титрованным раствором щелочи

предварительно ополоснув им бюретку В

три конические колбы (рис 8) пипеткой

налейте по 10 мл приготовленной серной

кислоты Добавьте в каждую колбу по 2ndash3

капли фенолфталеина и поочередно титруй-

те раствором щелочи из бюретки Щелочь

приливайте медленно левой рукой правой

размешивая раствор Титрование считается

законченным если от прибавления следу-

ющей капли щелочи появляется малиновое

окрашивание которое не исчезает 30 с Рис 8 Колба коническая

Рис 7 Бюретка

мерная для титрования

Для более четкого определения изменения цвета под колбу для титрова-

ния поместите лист белой бумаги Запишите объем щелочи израсходованной

на титрование 10 мл раствора серной кислоты

Аналогично оттитруйте две другие пробы кислоты Результаты парал-

лельных определений не должны различаться между собой более чем на

005ndash010 мл Возьмите из них среднее и рассчитайте точную концентрацию

приготовленного раствора серной кислоты и его титр

Опыт 5 (дополнительный) Приготовление раствора серной кислоты

смешиванием растворов с более высокой и более низкой массовыми долями

Из концентрированного (опыт 2) и имеющегося (опыт 4) в лаборатории

растворов серной кислоты приготовьте 50 мл раствора с массовой долей серной

кислоты равной 30 Для расчета объемов исходных растворов воспользуй-

тесь laquoправилом крестаraquo

30

W1 m1

W

W2 m2

где W ndash массовая доля серной кислоты приготовляемого раствора W1 и W2 ndash

более высокая и более низкая массовые доли H2SO4 в исходных растворах (для

воды W = 0) m1 и m2 ndash массы исходных растворов с более высокой и более

низкой массовой долей Соотношения для исходных растворов таковы

m1 = W ndash W2 m2 = W1 ndash W Таким образом для получения раствора массой

m = (m1 + m2) c массовой долей W необходимо взять m1 г раствора с массовой

долей W1 и m2 г раствора с массовой долей W2 (или V1 р-ра = 1

1m

ρ V2 р-ра =

2

2m

ρ)

Отмерьте вычисленные объемы растворов слейте их в цилиндр объемом 100

мл перемешайте С помощью ареометра и таблицы установите содержание

растворенного вещества в растворе и расхождение практически полученного

значения с заданным

Вопросы и задачи

1 Что произойдет с насыщенным пересыщенным и ненасыщенным рас-

творами алюмокалиевых квасцов при внесении в каждый из них нескольких

кристаллов KAl(SO4)2middot12Н2О

2 Какой объем раствора в котором массовая доля КОН составляет 12

(ρр-ра = 1109 гмл) надо взять чтобы приготовить 250 мл раствора с молярной

концентрацией 2 мольл

Ответ 178 мл

3 В 1 кг воды растворено 666 г гидроксида калия Рассчитайте массовую

долю растворенного вещества в растворе и его концентрации (молярную мо-

ляльную молярную концентрацию эквивалента молярные доли щелочи и во-

ды титр раствора) если его плотность равна 1395 гмл

Ответ 40 995 мольл 119 молькг 0176 0824 0557 гмл

4 В лаборатории имеются растворы с массовыми долями хлорида калия

20 и 40 Сколько граммов каждого раствора надо взять для получения 500 г

раствора с массовой долей соли 25

Ответ 375 г 125 г

5 Плотность раствора карбоната калия равна 122 гмл Из 1 л этого рас-

твора при действии соляной кислоты получено 445 л СО2 (ну) Вычислите

процентное содержание К2СО3 в растворе и его молярную концентрацию экви-

валента

Ответ 225 397 мольл

31

6 В каких объемах должны быть смешаны 01 н и 60 (ρ = 1498 гмл)

растворы серной кислоты чтобы получить 1 л 1 н раствора Н2SO4

Ответ 493 и 9507 мл

7 К 005 л раствора хлорида марганца (II) (ρ = 1085 гмл W = 8 ) при-

бавлено 02 л раствора гидроксида лития массовая доля LiOH в котором 10

(ρ = 1107 гмл) Какое вещество взято в избытке и в каком количестве оно

останется после реакции

Ответ 27 г

8 Для осаждения сульфата бария из раствора BaCl2 (ρ = 106 гмл

W = 8 ) объемом 100 мл требуется раствор Н2SO4 объемом 139 мл Чему равна

молярная концентрация и моляльная концентрация эквивалента раствора

Н2SO4

Ответ 0294 и 0588 мольл

9 Растворы азотной кислоты и гидроксида натрия объемом 1 л каждый

содержат соответственно 189 г HNO3 и 32 г NaOH Какова молярная концен-

трация этих растворов и в каком объемном соотношении они должны быть

смешаны для получения нейтрального раствора

Ответ 03 и 008 мольл 1 375

10 Какова масса Al(OH)3 если для его растворения потребовалось 02 л

раствора азотной кислоты (ρ = 118 гмл W = 30 ) Какой объем 25 н раство-

ра КОН необходимо затратить для растворения этого количества гидроксида

алюминия

Ответ 292 мл 015 л

Следует уметь

1 Выражать содержание растворенного вещества в растворе различными

способами и осуществлять их взаимный пересчет

2 Готовить растворы смешиванием растворенного вещества и раствори-

теля разбавлением водой концентрированного раствора смешиванием двух

растворов разной концентрации выпариванием растворителя добавлением

растворяемого вещества к раствору

3 Пользоваться ареометром мерной посудой установкой для титрова-

ния методом интерполяции laquoправилом крестаraquo

4 Определять содержание растворенного вещества в растворе по его

плотности и с помощью титрования

Работа 4 Методы очистки веществ

Задания для подготовки к лабораторной работе

1 Ознакомьтесь со следующими элементами техники выполнения лабо-

раторных работ взвешиванием на весах измельчением растворением филь-

32

трованием изготовлением простых и складчатых фильтров фильтрованием го-

рячих растворов и фильтрованием растворов под вакуумом нагреванием на

электроплитке растворов в химической посуде промыванием и высушиванием

осадков методами очистки твердых жидких и газообразных веществ

2 Выполните необходимые расчеты

Теоретическая часть

В лабораторной практике большое значение имеет очистка веществ так

как работа с загрязненными реактивами обусловливает получение неточных ре-

зультатов и неправильных выводов

Известны многочисленные методы очистки веществ фильтрование ди-

стилляция дробная перегонка возгонка зонная плавка метод транспортных

реакций и др В лабораторной практике для очистки твердых веществ чаще ис-

пользуются перекристаллизация и возгонка для очистки жидкостей ndash фильтро-

вание и перегонка газов ndash отделение примесей путем поглощения их различ-

ными химическими веществами

1 Очистка твердых веществ от примесей перекристаллизацией и

возгонкой

Перекристаллизация основана на различной растворимости одного и то-

го же вещества при различных температурах Под растворимостью понимают

содержание вещества в насыщенном растворе при данной температуре Она

выражается обычно в граммах безводного вещества на 100 г растворителя

(табл 3) или любым видом концентрации растворов (см работу 3)

Таблица 3

Растворимость солей г100 г воды

Формула соли Температура

оС

0 20 40 60 80

CuSO4 143 205 287 395 555

K2Cr2O7 46 125 259 455 730

NaNO3 727 876 1049 1247 1490

КNO3 133 316 639 1100 1690

NH4Cl 294 372 458 552 656

Зависимость растворимости от температуры изображается также кривы-

ми растворимости (рис 9) Пользуясь табл 3 и рис 9 можно определить

например что в 100 г воды при 20 и 80 оС растворяется соответственно 316 и

1690 г нитрата калия Очевидно при охлаждении насыщенного при 80 оС рас-

твора нитрата калия до 20 оС должно выпасть 1690 ndash 316 = 1374 г соли Чем

ниже температура до которой охлаждают раствор тем большее количество

кристаллов выпадает в осадок

33

При небольшом изменении растворимости в результате повышения тем-

пературы (например хлорида натрия) раствор сначала упаривают а затем

охлаждают Иногда для кристаллиза-

ции к насыщенному водному раствору

вещества добавляют реагенты пони-

жающие его растворимость в воде

(например спирт ацетон концентри-

рованную соляную кислоту) Это явле-

ние называется laquoвысаливаниемraquo

Вещества применяемые в лабо-

раторной практике содержат как пра-

вило немного растворимых приме-сей

относительно которых раствор нена-

сыщен Поэтому при кристал-лизации

вещества из насыщенного раствора

примеси остаются в маточ-ном раство-

ре Маточным называется раствор

оставшийся после отфиль- тровыва-

ния выпавших кристаллов

Рис 9 Кривые растворимости Для получения более чистых ве-

некоторых солей ществ осуществляют повторную крис-

таллизацию

Возгонка ndash это переход вещества при нагревании из твердого состояния

непосредственно в пар минуя жидкое Этим методом очищают твердые веще-

ства от нелетучих примесей например йод серу нафталин хлорид аммония

салициловую кислоту и др Пары возгоняемого вещества конденсируются в

кристаллы на поверхности охлажденных предметов

2 Очистка жидкостей перегонкой

Перегонка основана на различии состава жидкой и паровой фаз Жидкая

фаза одного состава превращается в пар с последующей конденсацией его сно-

ва в жидкость другого состава Этим методом очищают жидкие смеси от рас-

творенных в них твердых веществ или менее летучих жидкостей

Различают несколько способов перегонки жидкостей под нормальным

давлением уменьшенным давлением и с водяным паром

Перегонкой под нормальным давлением пользуются в тех случаях когда

очищаемые жидкости при нагревании не разлагаются и не имеют слишком вы-

сокую температуру кипения Индивидуальное вещество при постоянном давле-

нии кипит при строго определенной температуре Поэтому температура кипе-

ния является характеристикой чистоты вещества Оно тем чище чем меньше

разница между температурой кипения очищаемого вещества и температурой

при которой оно перегоняется

34

3 Очистка газов

Газы для очистки пропускают через поглотительные сосуды содержащие

твердые или жидкие поглотители вступающие в химические реакции с приме-

сями и не реагирующие с очищаемым газом Этот процесс включает высуши-

вание и удаление специфических примесей образующихся в процессе его по-

лучения Пары воды можно поглощать концентрированной серной кислотой

прокаленным хлоридом кальция оксидом фосфора (V) силикагелем безвод-

ным сульфатом меди пары аммиака и хлороводорода ndash водой

Экспериментальная часть

Опыт 1 Очистка медного купороса перекристаллизацией

Пользуясь табл 4 рассчитайте четырьмя способами сколько граммов

воды и медного купороса следует взять для приготовления насыщенного при 80 оС раствора соли из которого при охлаждении до 20

оС выделилось бы 10 г

пентагидрата или 64 г безводного сульфата меди

Таблица 4

Растворимость

безводного сульфата меди и кристаллогидрата сульфата меди

при 80 и 20 оС

t оС

Масса г Масса раствора

г CuSO4 Н2О CuSO4times5Н2О Н2О

80 555 100 8672 6878 1555

8069 14539 12608 100 22608

20

205 100 3203 8847 1205

1594 7774 2490 6878 9368

2317 11303 362 100 1362

I способ расчет на 10 г CuSO4middot5Н2О

m (CuSO4middot5Н2О) m (Н2О)

80 оC 8672 6878

20 оC 2490 6878

II способ расчет на 10 г CuSO4middot5Н2О

m (CuSO4middot5Н2О) m (Н2О)

80 оC 12608 100

20 оC 3620 100

III способ расчет на 64 г CuSO4

m (CuSO4) m (Н2О)

80 оC 5550 100

20 оC 1594 1774

35

IV способ расчет на 64 г CuSO4

m (CuSO4) m (Н2О)

80 оC 8069 14539

20 оC 2317 11303

Примеры расчета масс веществ

Пример 1 Какие массы дихромата калия и воды необходимо взять для

получения очищенной соли массой 30 г если перекристаллизация будет прово-

диться в температурном интервале 80ndash20 оС

Решение

1) По табл 3 находим что при 80 оС в 100 г воды растворяется 7300 г

дихромата калия а при 20 оС ndash 1250 г

2) Следовательно при охлаждении раствора от 80 до 20 оС выделится

7300 ndash 1250 = 6050 г соли

3) Массу дихромата калия необходимую для получения 30 г очищенной

соли вычисляем следующим образом

для выделения 6050 г соли требуется 7300 г дихромата калия

для 30 г -------------------- х г х = 5060

0073middot30= 3619 г

4) Объем воды в котором должна быть растворена эта навеска рассчиты-

вается так

73 г дихромата калия растворяются в 100 г воды

362 г -------------------------------------- в х г

х = 73

100middot236= 4959 г (4959 мл так как плотность воды принимаем

равной 1 гмл)

Пример 2 Какую массу воды и медного купороса надо взять для приго-

товления насыщенного при 80 оС раствора соли из которого при последующем

охлаждении до 0 оС выделяется пентагидрат сульфата меди (II) массой 20 г

Решение

1) Учитывая растворимости безводного сульфата меди при 80 и 0 оС рас-

считаем какой массе кристаллогидрата соответствует масса безводной соли

555 и 143 г (CuSO4)

М(CuSO4middot5Н2О) = 250 гмоль М(CuSO4) = 160 гмоль

160 г безводной соли содержится в 250 г кристаллогидрата

555 г ----------------------------------- в х г

х = 160

250middot555= 867 г (80

оС)

160 г безводной соли содержится в 250 г кристаллогидрата

143 г ----------------------------------- в у г

у = 160

250middot314= 223 г (0

оС)

36

2) Вычисляем массу воды необходимую для растворения кристаллогид-

рата при соответствующих температурах

80 оС 100 ndash (867 ndash 555) = 688 г

0 оС 100 ndash (223 ndash 143) = 92 г

3) Масса медного купороса растворенная в воде массой 688 г при 0 оС

будет равна

в 92 г воды растворяются 223 г медного купороса

в 688 г ----------------------- х г

х = 688middot223

92= 1668 г

4) Масса кристаллогидрата выделяющегося при охлаждении от 80 до

0 оС равна 867 ndash 167 = 700 г

5) По условию задачи требуется получить медный купорос массой 20 г

Для выделения 70 г кристаллогидрата необходимо растворить его 867 г

для выделения 20 г ----------------------------------------------------------- х г

х = 2477 г

6) Масса воды необходимая для растворения 2477 г кристаллогидрата

для растворения 867 г кристаллогидрата требуется 668 г воды

для 2477 г ---------------------------------------------------- х г

х = 1965 г или 1965 мл (так как ρ OH2= 1 гмл)

Рассчитанную массу медного купороса взвесьте поместив его на часовое

стекло Отмерьте мерным цилиндром (см рис3) необходимый объем дистил-

лированной воды Вылейте воду в стакан из термостойкого стекла и нагрейте

до начала кипения Затем поместите навеску медного купороса в стакан с

нагретой водой и растворите при помешивании стеклянной палочкой Если по-

лученный раствор прозрачный и не содержит механических примесей то охла-

дите его до 20 оС помешивая стеклянной палочкой Если в приготовленном ис-

ходном растворе содержатся нерастворимые примеси то прежде чем охладить

раствор его необходимо отфильтровать через воронку для горячего фильтро-

вания (рис 10) с применением складчатого фильтра (рис 11)

Для нагрева воронки можно использовать

горячую воду из водопроводной сети Воронка имеет боковой отросток под который подстав-

ляют газовую горелку для нагревания находя-

щейся между стенками воды

При фильтровании легко воспламеняю-

щихся жидкостей применяют воронки с элек-

трическим обогревом

Рис 10 Воронка для горячего фильтрования

37

Для изготовления складчатого фильтра нужно взять соответствующий

размеру воронки квадрат из фильтровальной бумаги сложить его пополам и за-

тем еще раз пополам Внешние углы обрезать по дуге сложить laquoгармошкойraquo

При изготовлении простого фильтра приготовить конус как описано вы-

ше отогнуть один листочек и полученный конус вставить в воронку смочить

его дистиллированной водой (рис 12) Необходимо чтобы фильтр плотно при-

легал к стенкам воронки и между ними не было пузырьков воздуха Край филь-

тра должен быть ниже края воронки не менее чем на 05 см (рис 12 г)

Рис 11 Складчатый фильтр Рис 12 Изготовление простого фильтра

а-в ndash стадии изготовления г ndash фильтр помещен в воронку

Стеклянную воронку с развернутым складчатым фильтром поместите в

воронку для горячего фильтрования фильтр смочите ди-

стиллированной водой Жидкость перелейте на фильтр по

стеклянной палочке (рис 13) держать которую нужно в ле-

вой руке профильтруйте и охладите раствор до 20 оС

Выпавшие кристаллы отделите от маточного раствора

с помощью прибора изображенного на рис 14

Он состоит из фарфоровой воронки Бюхнера (1) колбы Бун-

зена (2) водоструйного вакуум-насоса или насоса Камовско-

го На сетчатое дно воронки Бюх-

нера положите два кружка филь-

тровальной бумаги Чтобы выре-

зать эти фильтры на верх воронки

положите два листа фильтроваль-

ной бумаги и плот-но прижмите

ладонью затем ножницами вы-

режьте один по обозначенному

контору другой ndash на 3ndash4 мм Рис 13 Фильтрование

меньше

На дно воронки вначале положите фильтр меньшего

размера затем большего смочите их дистиллирован-

ной водой и прижмите края к стенкам воронки

Вставьте воронку в колбу Бунзена перенесите в нее

кристаллы вместе с маточным раствором подсоеди-

Рис 14 Установка для ните прибор к насосу и включите его После отделе-

фильтрования с примене- ния кристаллов промойте их в 5ndash10 мл холодной дис- нием вакуума

38

тиллированной воды для удаления остатков маточного раствора

При перекристаллизации нужно получить вещество в кристаллах средне-

го размера так как крупные кристаллы обычно содержат включения маточного

раствора с находящимися в нем примесями а очень мелкие будучи свобод-

ными от этих включений образуют густую кашицу между отдельными кри-

сталлами которой прочно удерживается маточный раствор и отмыть его полно-

стью без потери вещества не удается

Снять кристаллы с воронки перевернув ее на лист фильтровальной бу-

маги и осторожно постучав по ее стенкам Сушить кристаллы нужно в сушиль-

ном шкафу или между листами фильтровальной бумаги до тех пор пока они

не перестанут прилипать к сухой стеклянной палочке Взвесьте перекристал-

лизованную соль и рассчитайте ее выход в процентах Раствор очищенной со-

ли и маточный раствор испытайте на присутствие хлорид-ионов (Реакция с

нитратом серебра в пробирку с небольшим количеством раствора добавьте

каплю раствора нитрата серебра и две капли азотной кислоты Выпавший бе-

лый осадок является хлоридом серебра)

Для уменьшения потери вещества при перекристаллизации маточный

раствор можно упарить наполовину и выделить новую порцию вещества по ме-

тодике описанной выше

Опыт 2 Возгонка йода

Взвесьте на часовом стекле 020 г йода 005 г йодида калия и 010 г окси-

да кальция (оксид кальция необходим для поглощения влаги йодид калия ndash для

очистки от примесей кислородных и других соединений йода) Смесь помести-

те на дно низкого тонкостенного стакана без носика и осторожно размешайте

стеклянной палочкой Накройте стакан круглодонной колбой наполненной

холодной водой (рис 15)

Поставьте стакан на кольцо штатива с асбестовой сеткой осторожно

нагрейте его дно пламенем спиртовки и наблюдайте возгонку йода По окон-

чании процесса прекратите нагревание и дайте стакану охладиться не снимая с

него колбы Затем поднимите колбу и осторожно снимите стеклянной палочкой

йод на предварительно взвешенное часовое стекло (кристаллы йода не сни-

мать металлическим шпателем так как йод взаимодействует с большинством

металлов) Определите массу йода и рассчитайте его выход в процентах

39

а б

Рис 15 Возгонка йода а ndash начало процесса б ndash конец процесса

Опыт 3 Очистка водопроводной воды перегонкой

Для очистки водопроводной воды соберите прибор для перегонки пред-

ставленный на рис 16 Он состоит из колбы Вюрца (1) в которую вставлен

термометр холодильника Либиха (2) аллонжа (3) колбы-приемника (4) с

хлоркальциевой трубкой Проверьте водопроводную воду на содержание в ней

ионов хлора (с использованием раствора нитрата серебра) ионов кальция и

магния

Для доказательства

наличия ионов кальция и

магния в пробирку налейте

5ndash6 мл водопроводной во-

ды добавьте 1 мл амми-

ачной буферной смеси и 3ndash

4 капли индикатора эри-

хрома черного Т Винно-

красная окраска жидкости

свидетельствует о наличии в

воде ионов кальция и маг-

ния фиолетовая ndash указы-

Рис16 Установка для перегонки воды вает на их отсутствие

Далее колбу Вюрца на 13 объема наполните водопроводной водой поместите

в нее для равномерного кипения жидкости несколько стеклянных капилляров

запаянных с одного конца Закройте отверстие колбы Вюрца пробкой с термо-

40

метром (ртутный шарик термометра должен быть немного ниже уровня отвод-

ной трубки колбы) Заполните холодильник водой (ток воды подается снизу

вверх) Приемник закройте пробкой снабженной аллонжем и хлоркальциевой

трубкой с натронной известью для поглощения углекислого газа из воздуха

Нагрейте на электроплитке воду до кипения предварительно положив под дно

колбы асбестовую сетку Отметьте при какой температуре закипит жидкость

Когда в приемнике соберется приблизительно 10 мл воды нагревание

прекратите Проверьте содержит ли дистиллированная вода ионы которые бы-

ли в водопроводной

Опыт 4 Очистка углекислого газа

Соберите прибор для получения и очистки оксида углерода (IV) (см

рис 1) Он состоит из аппарата Киппа и двух промывных склянок Тищенко В

одной из них находится дистиллированная вода (или раствор гидрокарбоната

натрия) в другой ndash концентрированная серная кислота

Получите углекислый газ в аппарате Киппа Для этого загрузите мрамор в

его средний шар и налейте через воронку такое количество 20 раствора соля-

ной кислоты чтобы он закрыл часть мрамора

Пропустите в течение 2 мин слабый ток оксида углерода (IV) через про-

мывные склянки Убедитесь с помощью обезвоженного сульфата меди содер-

жащегося в хлоркальциевой трубке что углекислый газ сухой Исследуйте

жидкость в склянке с дистиллированной водой на содержание в ней хлорид-

ионов Сделайте выводы

Вопросы и задачи

1 На чем основан процесс перекристаллизации

2 Как перекристаллизовать вещества растворимость которых изменяется

от температуры незначительно

3 Какой раствор называется маточным

4 Где остаются примеси после перекристаллизации и почему

5 От каких факторов зависит величина кристаллов Какие кристаллы со-

держат меньше примесей мелкие или крупные

6 От каких примесей освобождаются при очистке твердых веществ воз-

гонкой На чем основан этот метод

7 С какой целью при возгонке к йоду добавляют йодид калия и оксид

кальция

8 На каких физических процессах основана перегонка

41

9 Какой принцип лежит в основе работы холодильника

10 С какой целью при перегонке в колбу Вюрца добавляют так называе-

мые laquoкипелкиraquo (стеклянные трубки пористые материалы и т д)

11 От каких примесей очищается водопроводная вода при перегонке

12 Какие примеси присутствуют в диоксиде углерода полученном в ап-

парате Киппа и как их устранить

13 В насыщенном при 60 оС растворе сульфата калия его массовая доля

равна 154 Выразите растворимость в граммах на 100 г воды

Ответ 1829 г

14 Какая масса хлорида аммония выпадает в осадок при охлаждении до

0 оС насыщенного при 80

оС раствора массой 800 г

Ответ 17488 г

15 Какую массу воды и дихромата калия нужно взять для получения соли

массой 30 г если насыщение осуществлять при 60 а кристаллизацию ndash при

20 оС

Ответ 9090 г 4136 г

16 Какую массу нитрата натрия можно получить из раствора приготов-

ленного путем насыщения при 60 оС 25 мл воды и охлаждении до 0

оС (раство-

римость веществ приведена в табл 3)

Ответ 13 г

Следует уметь

1 Рассчитывать массы растворенного вещества и растворителя необхо-

димые для получения заданной массы очищенной соли

2 Взвешивать на весах отмерять жидкость цилиндром нагревать хими-

ческую посуду на электроплитке

3 Изготавливать простые и складчатые фильтры фильтровать при обыч-

ном давлении и под вакуумом

4 Рассчитывать практический выход продуктов

5 Правильно называть приборы и химическую посуду

6 Пользоваться аппаратом Киппа холодильником Либиха воронкой го-

рячего фильтрования

7 Проверять воду на чистоту

42

Работа 5 Определение изменения энтальпий физико-химических

процессов

Задания для подготовки к лабораторной работе

1 Повторите основные понятия изменение энтальпии реакции ∆rН изме-

нение энтальпии образования вещества ∆fН тепловой эффект реакции Qр-ции

тепловой эффект образования вещества Qобр закон Гесса и следствия из него

2 Ознакомьтесь с устройством калориметрической установки и зарисуйте

ее схему (рис 17)

Теоретическая часть

Большинство химических реакций сопровождается переходом химиче-

ской энергии в тепловую экзотермические реакции осуществляются с выделе-

нием тепла эндотермические ndash с поглощением

Количество тепла выделяющегося или поглощающегося при химической

реакции называется тепловым эффектом реакции который обозначается Qр-ции

или Qr где индекс laquorraquo ndash первая буква английского слова reaction

Тепловой эффект химической реакции при постоянном давлении Qр (ин-

декс laquoрraquo указывает постоянное давление) численно равен изменению энтальпии

∆rН взятой с противоположным знаком Qp = minus∆rН Тепловой эффект и измене-

ние энтальпии химической реакции измеряются в килоджоулях (кДж) или в ки-

локалориях (ккал) Уравнения химических реакций в которых указываются

тепловые эффекты или изменения энтальпии называются термохимическими

Энергетические эффекты различных процессов определяют эксперимен-

тально а термохимические расчеты проводят на базе основного закона термо-

химии ndash закона Гесса тепловой эффект изменение энтальпии изменение внут-

ренней энергии химической реакции зависят от природы и состояния исходных

веществ и конечных продуктов но не зависят от числа и характера промежу-

точных стадий процесса Этот закон лежит в основе расчета Q ∆Н ∆U различ-

ных процессов minus образования разложения сгорания растворения гидратации

нейтрализации и др

Если в ходе процесса при постоянном давлении системой совершается

работа расширения то Qp = ∆U + Р middot ∆V РV = nRT Р middot ∆V = ∆n middot RT

∆Н = ∆U + ∆n middot RT ∆U = ∆Н minus ∆n middot RT где ∆n ndash изменение числа молей газооб-

разных продуктов реакции и исходных веществ (∆n = продn minus исх

n )

Тепловой эффект (изменение энтальпии) растворения ndash теплота растворе-

ния (энтальпия растворения) данного вещества в данном растворителе опреде-

ляется количеством теплоты (изменением энтальпии) которое выделяется или

поглощается при растворении одного моля вещества в таком количестве рас-

творителя что дальнейшее прибавление последнего уже не вызывает дополни-

тельного теплового эффекта (изменения энтальпии)

Пример 1 Растворение Na2SO4 сопровождается выделением теплоты

(29 кДжмоль) а при растворении кристаллогидрата Na2SO4middot10Н2О происходит

43

поглощение теплоты (787 кДжмоль) Вычислите изменение энтальпии гидра-

тации

Решение

1 Термохимическое уравнение растворения Na2SO4

Na2SO4 (к) + aq rarr Na2SO4middotaq ∆Н1 (растворения безводной соли) = minus29 кДж

2 Процесс гидратации безводной соли

Na2SO4 (к) + 10Н2О(ж) rarr (Na2SO4 middot10Н2О)(к) ∆Н2 (гидратации) minus

3 Термохимическое уравнение растворения кристаллогидрата

Na2SO4middot10Н2О + aq rarr Na2SO4middot aq ∆Н3 (растворения кристаллогидрата) =

= 787 кДж

В соответствии с законом Гесса процесс растворения безводной соли (1)

складывается из процесса гидратации (2) и процесса растворения кристалло-

гидрата (3) те ∆Н1 = ∆Н2 + ∆Н3

Тогда ∆Н2 (гидратации) = ∆Н1 (растворения безводной соли) minus ∆Н3 (рас-

творения кристаллогидрата) = minus29 кДж minus 787 кДж = minus816 кДж

1-е следствие из закона Гесса изменение энтальпии реакции равно

сумме изменения энтальпий образования продуктов реакции за вычетом

суммы изменения энтальпий образования исходных веществ с учетом сте-

хиометрических коэффициентов

Пусть аА + бБ = сС + дД а б с д ndash стехиометрические коэффициенты

Тогда ∆rН = с middot ∆fНС + д middot ∆fНD minus а middot ∆fНА minus б middot ∆fНВ

Пример 2 Вычислите ∆Н 0

298 растворения NaOH в воде при образовании

раствора с концентрацией См = 1 мольл

Решение

Процесс растворения NaOH схематически выражается уравнением

NaOH(к) + aq rarr Na (р)

+ OH р

∆fН0

298 кДжмоль minus4268 minus2397 minus2284

∆rН0

298 = minus2397 minus 2284 + 4268 = minus413 кДж

Опыт подтверждает что растворение твердого NaOH сопровождается

разогреванием раствора

2-е следствие из закона Гесса изменение энтальпии реакции равно

сумме изменения энтальпий сгорания исходных веществ за вычетом суммы

изменения энтальпий сгорания продуктов реакции (с учетом стехиомет-

рических коэффициентов)

Пример 3 Вычислите ∆Н 0

298 реакции которая выражается уравнением

СН3СООН(ж) + С2Н5ОН(ж) = СН3СООС2Н5(ж) + Н2О(ж) ∆rН0

1 minus

Изменение энтальпии этого процесса можно рассчитать алгебраически

суммируя энтальпии сгорания

СН3СООН(ж) + 2О2(г) = 2СО2(г) + 2Н2О(ж) ∆rН0

2 = minus8711 кДж

2С2Н5ОН(ж) + 3О2(г) = 2СО2(г) + 3Н2О(ж) ∆rН0

3 = minus1367 кДж

СН3СООС2Н5(ж) + 5О2(г) = 4СО2(г) + 4Н2О(ж) ∆rН0

4 = minus2284 кДж

44

∆rН0

1 = ∆rН0

2 + ∆rН0

3 minus ∆rН

0

4 = minus8711 minus1367 + 22840 = minus46 кДж

Различают изменение энтальпий фазовых и химических превращений К

фазовым относят сублимацию испарение плавление полиморфные превраще-

ния переход из аморфного состояния в кристаллическое Разновидностью хи-

мических реакций служат процессы электролитической диссоциации и химиче-

ские превращения в водных растворах электролитов

Большое значение для развития химии имеет определение изменения эн-

тальпии нейтрализации кислоты щелочью ∆Ннейтр одного моля сильной кисло-

ты одним молем сильного основания ndash величина постоянная Этот факт объяс-

няет теория электролитической диссоциации Аррениуса согласно которой лю-

бая реакция нейтрализации сводится к следующему процессу

Н р-р

+ ОН р-р

= Н2О(ж)

∆fН0

298кДжмоль 0 minus23019 minus28583 Изменение энтальпии этой реакции

∆Н 0

298 нейтр = minus28583 + 23019 = minus556 кДж

∆Ннейтр слабых кислот слабыми основаниями ndash величина переменная за-

висящая от их констант диссоциации и соответственно от концентрации ионов

водорода Н р-р

и гидроксид-ионов ОН р-р

в растворе и имеет значение мень-

шее чем 556 кДжмоль

Экспериментальная часть

Опыт 1 Определение изменения энтальпии нейтрализации сильного

основания сильной кислотой

Для проведения опыта используйте калориметрическую установку

(рис 17) Она состоит из калориметрического стакана (1) вставленного в дру-

гой стакан (2) который играет роль теплоизо-

лирующей муфты подставки (3) крышки (4)

термометра (5) мешалки (6) пипетки (7) шта-

тива (8)

Взвесьте калориметрический стакан и

влейте в него из пипетки (бюретки) 25 мл рас-

твора NaOH или КОН с концентрацией Сэ

= 1 мольл и отметьте температуру с точностью

до 01 оС В другой стакан налейте из бюретки

25 мл НСl или HNO3 такой же концентрации и

измерьте с той же точностью температуру рас-

твора кислоты Затем быстро но аккуратно

влейте раствор кислоты в калори-

Рис 17 Калориметрическая метрический стакан Перемешивая мешалкой

установка содержимое сосуда отметьте максимальную

температуру смеси

Полученные данные используйте для расчетов Расчет проводите по сле-

дующей схеме

45

1 Вычислите изменение энтальпии реакции

NaOH (КОН) + НСl (HNO3) = Н2О + NaCl (KCl)

∆rН0 = (mж middot Cж + mст middot Cст) middot ∆t ∆t = tкон minus tнач где tкон tнач ndash конечная и

начальная температуры (оС) растворов в калориметрическом сосуде mст mж ndash

масса стеклянного калориметрического сосуда и находящейся в нем жидкости

Cст Cж ndash удельные теплоемкости стекла и жидкости Начальная температура ndash

это среднеарифметическая температура щелочи и кислоты конечная ndash наивыс-

шая температура после сливания растворов плотность раствора принять равной

1 гмл его удельную теплоемкость ndash равной теплоемкости воды

(4184 ДжгmiddotК) а удельную теплоемкость стекла ndash 0753 ДжгmiddotК Массу стакана

(mст) определяют в зависимости от того какая часть его объема заполняется

раствором (если наполовину то стm

2)

2 Составьте ионно-молекулярное уравнение реакции нейтрализации и

рассчитайте изменение энтальпии нейтрализации одного моля эквивалента

кислоты по результатам проведенного опыта

3 Определите относительную ошибку опыта (в процентах)

Опыт 2 Определение изменения энтальпии нейтрализации слабого

основания слабой кислотой

Проведите опыт аналогично первому взяв растворы аммиака и уксусной

кислоты с концентрацией Сэ = 1 мольл Вычислите изменение энтальпии

нейтрализации в расчете на 1 моль эквивалентов уксусной кислоты Сравните

результаты с данными предыдущего опыта

Опыт 3 Определение изменения энтальпии растворения безводного

сульфата меди (II)

Опыт проведите в калориметрической установке (см рис 17) В предва-

рительно взвешенный калориметрический стакан налейте 30 мл дистиллиро-

ванной воды определите ее температуру с точностью до 01 оС Взвесьте 1 г

безводного сульфата меди (II) с точностью до 001 г Быстро и аккуратно

всыпьте соль в калориметрический сосуд Размешивая его содержимое мешал-

кой отметьте максимальную температуру Зная разность температур общую

массу раствора и приняв удельную теплоемкость раствора равной удельной

теплоемкости воды рассчитайте изменение энтальпии данного процесса на

1 моль безводной соли

I 1 CuSO4 (к) + aq rarr CuSO4 middot aq ∆Н 0

р-ния б сminus

Имея в виду что гидратация безводной соли и растворение кристалло-

гидрата выражаются следующими термохимическими уравнениями

1 CuSO4(к) + 5H2O(ж) = CuSO4middot5H2O(к) ∆Н 0

1 = minus778 кДж ndash изменение

II энтальпии при гидратации

2 CuSO4middot5H2O(к) + aq = CuSO4 middot aq ∆Н 0

2 = 117 кДж ndash изменение энталь-

пии растворения кристаллогидрата рассчитайте ∆Н 0

р-ния б с CuSO4 на основе за-

46

кона Гесса ∆Н(р-ния б с) = ∆Н(гидрат) + ∆Н(р-ния кристаллогидрата) Сравните теоретиче-

ские и экспериментально рассчитанные значения изменения энтальпии и опре-

делите относительную погрешность опыта (в процентах)

Опыт 4 Определение изменения энтальпии гидратации карбоната

натрия

Опыт проведите по методике описанной в опыте 3 Взятая навеска кар-

боната должна составлять примерно 07 г Опыт и расчеты повторите для кри-

сталлогидрата Na2CO3middot10Н2О (навеска ndash 15 г на 30 мл воды) По найденным

изменениям энтальпий растворения Na2CO3 и Na2CO3middot10Н2О вычислите изме-

нение энтальпии гидратации карбоната натрия и сравните с литературными

данными

(∆Н 0

р-ния б с= minus251 кДжмоль ∆Н

0

гидрат = minus920 кДжмоль

∆Н 0

р-ния кристаллогидрата = 669 кДжмоль)

Вопросы и задачи

1 Почему химические и фазовые превращения сопровождаются выделе-

нием или поглощением энергии Почему в одних случаях энергия выделяется а

в других поглощается

2 Рассчитайте среднюю энергию связи в молекулах СН4 и SiH4 если из-

вестны изменения энтальпий образования Н (г) С (г) Si (г) и СН4 (г) SiH4 (г)

Объясните различия средней энергии связи С ndash Н Si ndash Н

Ответ 415325 кДжмоль

3 Вычислите среднюю энергию связи Н ndash О в молекуле воды если из-

вестно изменение энтальпии образования Н2О (г) Н (г) и О (г)

Ответ 462 кДжмоль

4 Вычислите изменение энтальпии реакции нейтрализации растворов

КОН и НСl CsOH и H2SO4 NaOH и HNO3 в случае очень разбавленных рас-

творов в расчете на 1 моль Н2О в стандартных условиях Почему изменение эн-

тальпий этих реакций одинаковы Почему значения изменения энтальпий

нейтрализации разных слабых оснований и кислот различны

Ответ minus556 кДжмоль

5 При растворении 10 г СаСl2 в 200 мл воды температура раствора повы-

силась на 77 К Вычислите изменение энтальпии гидратации СаСl2 если изме-

нение энтальпии растворения СаСl2middot6Н2О равна 1908 кДжмоль Удельную

теплоемкость раствора примите равной удельной теплоемкости воды

(4184 ДжгmiddotК) Ответ minus9423 кДжмоль

6 При растворении 8 г хлорида аммония в 20 г воды температура понизи-

лась на 2 оС Вычислите ∆Н растворения NH4Cl в воде принимая удельную

теплоемкость полученного раствора равной 41870 Дж(г middot К)

Ответ minus163 кДжмоль

47

7 Рассчитайте ∆rН растворения алюминия в разбавленной соляной кисло-

те если стандартные изменения энтальпий образования реагирующих веществ

равны ∆fНHCl (p-p) = minus1675 кДжмоль ∆fН 3 р-р

AlCl = minus6723 кДжмоль

Ответ minus3396 кДж

8 При растворении 5206 г BaCl2 в 400 моль Н2О выделяется 216 кДж

теплоты Вычислите ∆Н гидратации безводного BaCl2

Ответ 2713 кДжмоль

9 При растворении 16 г СаС2 в воде выделяется 313 кДж теплоты Опре-

делите изменение стандартной энтальпии образования Са(ОН)2

Ответ minus98633 кДжмоль

10 Вычислите изменение энтальпии при сгорании 20 л диборана (ну)

если ∆fН (В2О3 (к)) = minus1264 кДжмоль ∆fН (В2Н6 (г)) = 314 кДжмоль Целе-

сообразно ли использовать в качестве топлива диборан вместо этана если

стандартное изменение энтальпии сгорания этана равно minus155988 кДжмоль

Ответ minus19220 кДж

Следует уметь

1 Используя калориметрический метод рассчитывать энтальпию различ-

ных физико-химических процессов

2 Вычислять энтальпию реакции по энтальпиям образования исходных

веществ и конечных продуктов пользуясь законом Гесса и его следствиями

3 Учитывать влияние прочности химических связей в продуктах реакции

и исходных веществах на энтальпию реакции

48

Библиографический список

1 Еремин В В Основы общей и физической химии В В Еремин

А Я Борщевский ndash М Интеллект 2012 ndash 800 c

2 Неорганическая химия в 3 т под ред Ю Д Третьякова ndash М Ака-

демия 2011 minus 2012 ndash Т 1 ndash 240 с Т 2 ndash 368 с Т 3 (1) ndash 352 с Т 3 (2) ndash 400 с

3 Павлов Н Н Общая и неорганическая химия Н Н Павлов ndash М Лань

2011 ndash 496 с

4 Росин И В Общая и неорганическая химия Современный курс И

В Росин Л Д Томина ndash М Юрайт 2012 ndash 1338 с

5 Шрайвер Д Неорганическая химия в 2-х т Д Шрайвер П Эткинс ndash

М Мир 2013 Т 1 ndash 679 с Т 2 ndash 486 с

Содержание

Правила работы в химической лабораторииhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip3

Работа 1 Определение молярных масс газообразных веществhelliphelliphelliphellip4

Работа 2 Определение молярных масс эквивалентовhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip12

Работа 3 Приготовление растворовhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip24

Работа 4 Методы очистки веществhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip32

Работа 5 Определение изменения энтальпий

физико-химических процессовhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip42

Библиографический списокhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip48

Page 11: МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ К ЛАБОРАТОРНОМУ ...phys-chem.mrsu.ru/wp-content/uploads/2017/11/...МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ К ЛАБОРАТОРНОМУ

11

20 Рассчитать М2CO (эксп) по уравнению Клапейрона ndash Менделеева

М2CO (эксп) = 5m R T

PV где Р V Т ndash условия проведения эксперимента

21 Рассчитать М2CO (теор) = М(С) + М(О) middot 2

22 Рассчитать относительную ошибку опыта по формуле

К = теор

эксптеор

М

ММ middot 100 Ошибка не должна превышать 2

Вопросы и задачи

1 Определите что тяжелее (при одинаковых условиях)

ndash сухой углекислый газ или равный объем газа содержащий водяные па-

ры

ndash метан сухой или метан содержащий водяные пары

2 Смесь озона с кислородом имеет плотность по водороду равную 18

Определите процентный состав смеси (по объему)

Ответ 25 О3 75 О2

3 Вычислите молярную массу газа всеми возможными методами если

062middot10minus3

м3 при 294 К и 101 325 Па имеют массу 124middot10

minus3 кг Сколько молекул

содержится в данном объеме

Ответ 48 гмоль 156middot1022

молекул

4 Зная молярную массу кислорода и азота а также учитывая что в воз-

духе содержится 24 мас кислорода и 76 мас азота определите среднюю

молярную массу воздуха

Ответ 29 гмоль

5 Плотность жидкого хлора равна 15 гмл Сколько литров газообразно-

го хлора получится из 80 мл жидкого хлора

Ответ 379 л

6 Определите в каком объеме аргона при 20 оС и давлении 1 333 Па со-

держится 5middot1016

молекул

7 Найдите относительную плотность по воздуху газовой смеси состоя-

щей из азота кислорода и оксида углерода (IV) объемные доли которых равны

соответственно 60 20 и 20

8 При прокаливании 1 кг СаСО3 получены 056 кг СаO и 0224 м3 СО2

(ну) Подтверждают ли эти данные закон сохранения массы веществ

9 Смешаны водород кислород и оксид углерода (IV) массой по 1 кг каж-

дый Найдите объемные и молярные доли этих газов в полученной смеси

12

10 Вычислите а) объем 20 т (ну) аммиака б) массу 10 мл паров толуола

С7Н8 в) массу молекулы оксида углерода (II)

Следует уметь

1 Пользоваться аппаратом Киппа

2 Взвешивать на электронных весах

3 Заполнять сосуды газами различной плотности

4 Экспериментально определять массу и объем газа при определенных

температуре и давлении

5 Рассчитывать молярную массу вещества по полученным эксперимен-

тальным данным различными способами а) по методу Авогадро б) используя

относительную плотность одного газа по другому газу в) по уравнению Кла-

пейрона ndash Менделеева

Работа 2 Определение молярных масс эквивалентов

простых и сложных веществ

Задания для подготовки к лабораторной работе

1 Повторите основные понятия эквивалент фактор эквивалентности

молярная масса эквивалента масса эквивалента количество вещества эквива-

лента молярный объем эквивалента закон эквивалентов

2 Ознакомьтесь с устройством прибора (рис 4) и методикой определения

молярной массы эквивалента алюминия

3 Ознакомьтесь с методикой экспериментального определения молярной

массы эквивалента карбоната кальция

Теоретическая часть

Эквивалент (э) ndash это либо реальная либо условно существующая струк-

турная единица вещества которая эквивалентна (равноценна) одному положи-

тельно поляризованному атому водорода одному иону водорода одному элек-

трону или одному эквиваленту любого другого вещества

1 э (Н) равноценен 1 атому (Н) (1 эквивалент водорода равноценен

1 атому водорода)

1 э (Н+) равноценен 1 иону (Н

+)

1 э (окислителя или восстановителя) равноценен 1 ē

Пример

а) В соединениях Н2О NН3 СН4 с одним эквивалентом положительно по-

ляризованных атомов водорода соединяются 1

2 доля атома (О)

1

3 доля атома

(N) 1

4доля атома (С) э (О) =

1

2атома (О) э (N) =

1

3 атома (N) э (С) =

1

4атома

(С) В молекуле HCl с 1 э (Н+) соединяется 1 ион Cl

minus э (Cl

minus) = 1 иону Cl

minus

б) Кислотно-основное взаимодействие по теории Аррениуса сводится к

процессу

Н+

(р-р) + ОНminus

(р-р) rarr Н2О(ж)

13

С одним ионом водорода взаимодействует один гидроксид-ион Эквива-

лент (ОНminus) равноценен иону (ОН

minus)

в) Са(ОН)2 + Н2SО4 rarr СаSО4darr + 2Н2О

Одному Н+ эквивалентны

1

2доля иона Са

2+ 1 ион ОН

minus

1

2доля иона

SO 2

4

э (Са2+

) = 1

2 иона Са

2+ э

(SO 2

4

) = 1

2иона SO 2

4

э (ОНminus) = 1 иону ОН

minus э

(Са2+

) э (SO 2

4

) ndash условно существующие частицы э (ОНminus) ndash реальная частица

г) Al(NO3)3 + H3PO4rarrAlPO4 + 3HNO3 Одному Н+ эквивалентны

1

3 доля

Al3+

1 ион NO3

1

3 доля иона РО 3

4

э (Al3+

) = 1

3иона Al

3+ э (NO

3

) = иону NO3

э (РО 3

4

) = 1

3 иона РО 3

4

э (NO3

) ndash реальная частица э (Al3+

) э (РО 3

4

) ndash условно

существующие частицы

+5 +4 +6 minus1

д) КСlО3 + 3MnO2 + 6KOH rarr3K2MnO4 + KCl + 3H2O

ClO3

+ 3H2O + 6 ē rarr Clminus + 6OH

minus 1

MnO2 + 4OHminus minus 2 ē rarr MnO 2

4

+ 2H2O 3

Одна молекула КСlО3 принимает 6 ē значит э (КСlО3) = 1

6 часть моле-

кулы КСlО3 Одна молекула MnO2 отдает 2 ē значит э (MnO2) = 1

2часть моле-

кулы MnO2 В схеме реакции с учетом стехиометрических коэффициентов

участвуют по 6 эквивалентов КСlО3 MnO2 KOH

Фактор эквивалентности (fЭ) ndash число которое показывает какая доля

атома молекулы иона является эквивалентом Если fЭ = 1 то эквивалент ndash ре-

альная частица так как он равноценен атому молекуле или иону если fЭ lt 1 то

эквивалент ndash условная частица так как эквивалент в этом случае какая-то доля

реально существующей частицы

fЭ = 1

z где z ndash эквивалентное число

Для элементов и молекул простых веществ состоящих из одного атома

fЭ = 1

B где В ndash валентность элемента образующего простое вещество те

z = В

Пример

fЭ (Н) = 1 fЭ (О) = 1

2 fЭ (

V

P ) = 1

5 fЭ (Са) =

1

2 fЭ (Al) =

1

3 fЭ (Na) = 1

fЭ (III

P ) = 1

3

Для простых веществ состоящих из нескольких атомов fЭ = 1

B n где nndash

количество атомов элемента в молекуле простого вещества те z = В n

14

Пример

fЭ (Н2) = 1

1 2 =

1

2 fЭ (О2) =

1

2 2=

1

4 fЭ (Г2) =

1

1 2 =

1

2 fЭ (N2) =

1

3 2 =

= 1

6 fЭ (О3) =

1

2 3 =

1

6

Для элемента входящего в состав любого сложного вещества fЭ = 1

х

где х ndash степень окисления этого элемента взятая по модулю

Пример

MnO fЭ (Mn) = 1

2 Mn2O3 fЭ (Mn) =

1

3

MnO2 fЭ (Mn) = 1

4 Mn2O7 fЭ (Mn) =

1

7

Для оксидов R2Oх fЭ = 1

2x где х ndash степень окисления элемента образу-

ющего оксид те z = |2x| Таким образом

fЭ(оксида)=

1

сумма по модулю всех зарядов + или поляризованныхчастиц образующих оксид

fЭ (Al2O3)=

1

3 2 =

1

2 3 =

1

6 fЭ (ОsО4) =

1

8 1 =

1

2 4 =

1

8

Для кислот оснований солей

fЭ = 1

сумма по модулю всех зарядов катионов или анионов

fЭ (Н3РО4) =

1

1 3 =

1

3 1 =

1

3 =

1

основность кислоты z = 3

fЭ (Al(ОН)3) =

1

3 1 =

1

1 3 =

1

3 =

1

кислотность основания z = 3

fЭ (Na2SО4) =

1

1 2 =

1

2 1 =

1

2 z = 2

fЭ [Al2(SО4)3] =

1

3 2 =

1

2 3 =

1

6 z = 6

fЭ (NaНSО4) =

1

1 1 =

1

1 1 = 1 z = 1

fЭ [(AlОН)Cl2] =

1

2 1 =

1

1 2 =

1

2 z = 2

fЭ 3 4 2Cu NH OH =

1

2 1 =

1

1 2 =

1

2 z = 2

Фактор эквивалентности (fЭ )и эквивалентное число (z) зависят от ос-

новности кислоты или кислотности основания в соответствии с которыми они

вступают в химическое взаимодействие

Пример

а) 2Н3РО4 + 3Са(ОН)2 rarr Са3(РО4)2 + 6Н2О

15

Основность кислоты равна 3 кислотность основания равна 2 так как в

кислоте замещаются 3 иона водорода в основании ndash 2 гидроксид-иона

z (Н3РО4) = 3 z (Са(ОН)2) = 2 fЭ (Н3РО4) = 1

3 fЭ (Са(ОН)2) =

1

2

б) 2Н3РО4 + Са(ОН)2 rarr Са(Н2РО4)2 + 2Н2О

Основность кислоты равна 1 кислотность основания ndash 2

z (Н3РО4) = 1 z (Са(ОН)2) = 2 fЭ (Н3РО4) = 1 fЭ (Са(ОН)2) = 1

2

в) Н3РО4 + Са(ОН)2 rarr СаНРО4 + 2Н2О

Основность кислоты равна 2 кислотность основания равна 2

z (Н3РО4) = 2 z (Са(ОН)2) = 2 fЭ (Н3РО4) = 1

2 fЭ (Са(ОН)2) =

1

2

г) Н3РО4 + 3Са(ОН)2 rarr (СаОН)3РО4 + 3Н2О

Основность кислоты равна 3 кислотность основания равна 1

z (Н3РО4) = 3 z (Са(ОН)2) = 1 fЭ (Н3РО4) =1

3 fЭ (Са(ОН)2) = 1

д) 2Al(OH)3 + Н2SO4 rarr [Al(OH)2]2SO4 + 2Н2О

Основность кислоты равна 2 кислотность основания равна 1

z (Al(OH)3) = 1 z (Н2SO4) = 2 fЭ (Al(OH)3) =1 fЭ (Н2SO4) = 1

2

е) Al(OH)3 + Н2SO4 rarr [Al(OH)]SO4 + 2Н2О

Основность кислоты равна 2 кислотность основания равна 2

z (Al(OH)3) = 2 z (Н2SO4) = 2 fЭ (Al(OH)3) =1

2 fЭ (Н2SO4) =

1

2

Для окислительно-восстановительных реакций fЭ (окислителя) = 1

n

fЭ (восстановителя) = 1

n где n ndash число электронов принятых или отдан-

ных 1 молекулой или 1 ионом окислителя или восстановителя соответственно

Пример

MnO4

+ 8H+ + 5 ē rarr Mn

2+ + 4Н2О z = 5 fЭ =

1

5

SO 2

3

+ Н2О minus 2 ē = SO 2

4

+ 2H+ z = 2 fЭ =

1

2

Молярная масса эквивалентов вещества (Мэ гмоль) ndash это масса

1 моля эквивалентов вещества или 6022middot1023

эквивалентов вещества

Мэ = fЭ middot М = M

z =

m

э где М ndash молярная масса гмоль m ndash масса (г) ве-

щества количеством νэ (моль)

Пример

Мэ (Н) = fЭ middot М (Н) = 1 middot 1008 гмоль = 1008 гмоль

Мэ (Н2) = 1

2middot М (Н2) =

1

2middot 2016 гмоль = 1008 гмоль

Мэ (О) = 1

2middot М (О) =

1

2middot 16 гмоль = 8 гмоль

16

Мэ (О2) = 1

4middot М (О2) =

32 гмоль

4 = 8 гмоль

Мэ (Na) = М (Na) = 23 гмоль

Мэ (ОНminus) = М (ОН

minus) = 17 гмоль

Мэ (С) в СО = 12 гмоль

2 = 6 гмоль

Мэ (С) в СО2 = 12 гмоль

4 = 3 гмоль

Для оксидов R2Oх

Мэ (R2Ox) = fЭ middot М (R2Ox)

Мэ (R2Ox) = Мэ (R) + Мэ (O) = fЭ (R) middot М (R) + 8

Пример

Мэ (Al2O3) = 1

6middot M (Al2O3) =

102 гмоль

6 = 17 гмоль

Мэ (Al2O3) = 27 гмоль

3+ 8 гмоль = 17 гмоль

Мэ (кислоты) = fЭ middot М (кислоты)

Мэ (кислоты) = 1

основность кислотыmiddot М (кислоты)

Мэ (кислоты) = Мэ (Н+) + Мэ (А

minus) = 1 гмоль + fЭ middot М (А

minus) = 1 гмоль +

+1

заряд анионаmiddot М (А

minus) где А

minus minus кислотный остаток

Пример

Мэ (Н3РО4) = 1

3middot М (Н3РО4) =

1

3middot 98 гмоль = 3267 гмоль

Мэ (Н3РО4) = Мэ (Н+) + Мэ (РО 3

4

) = 1 + 1

3middot М (РО 3

4

) = 1 гмоль + 1

3middot

middot 95 гмоль = 1 гмоль + 3167 гмоль = 3267 гмоль

Мэ (основания) = fЭ middot М (основания)

Мэ (основания) = 1

кислотность основанияmiddot М (основания)

Мэ (основания) = Мэ (Мn+

) + Мэ (ОНminus) = fЭ middot М (М

n+) + fЭ middot М (ОН

minus) =

= 1

nmiddot М (М

n+) + 17

Пример

Мэ (Al(OH)3) = 1

3middot 78 гмоль = 26 гмоль

Мэ (Al(OH)3) = 1

3middot 27 гмоль + 17 гмоль = 9 гмоль + 17 гмоль =

= 26 гмоль

Для солей состава КхАу

Мэ (соли) = fЭ middot М (соли) = Мэ (Ку+

) + Мэ (Ахminus

) = fЭ (Ку+

) middot М (Ку+

) +

+ fЭ (Ахminus

) middot М (Ахminus

)

17

Пример

Мэ (Al2(SO4)3) = 1

6 middot М [Al2(SO4)3] =

342 гмоль

6 = 57 гмоль

Мэ (Al2(SO4)3) = 27

3 +

96

2 = 9 гмоль + 48 гмоль = 57 гмоль

Мэ (окислителя или восстановителя) = fЭ middot М (в-ва) = 1

nmiddot М (в-ва) где n ndash

число отданных или принятых электронов z ndash эквивалентное число = n

Пример

а) Мэ (KMnO4) = 1

5middot М (KMnO4) =

1

5middot 158 гмоль = 316 гмоль (при пере-

ходе MnO4

в Mn+2

)

Мэ (MnO2) = 1

2middot М (MnO2) =

1

2middot 87 гмоль = 435 гмоль (при переходе

MnO2 в MnO 2

4

)

При определении Мэ веществ участвующих в химических реакциях сле-

дует учитывать их fЭ

Пример

а) Аl(OH)3 + H3PO4 rarr AlPO4 + 3H2O

Мэ (Аl(OH)3) = 1

3middot М (Аl(OH)3)

Мэ (H3PO4) = 1

3middot М (H3PO4)

б) 3Аl(OH)3 + H3PO4 rarr [Al(ОН)2]3PO4 + 3H2O

Мэ (Аl(OH)3) = М (Аl(OH)3)

Мэ (H3PO4) = 1

3middot М (H3PO4)

в) 3Аl(OH)3 + 2H3PO4 rarr [Al(ОН)]3(PO4)2 + 6H2O

Мэ (Аl(OH)3) = 1

2middot М (Аl(OH)3)

Мэ (H3PO4) = 1

3middot М (H3PO4)

г) Аl(OH)3 + 3H3PO4 rarr Al(Н2PO4)3 + 3H2O

Мэ (Аl(OH)3) = 1

3middot М (Аl(OH)3)

Мэ (H3PO4) = М (H3PO4)

д) 2Аl(OH)3 + 3H3PO4 rarr Al2(НPO4)3 + 6H2O

Мэ (Аl(OH)3) = 1

3middot М (Аl(OH)3)

Мэ (H3PO4) = 1

2middot М (H3PO4)

е) Fe(OH)2Cl + HCl rarr Fe(OH)Cl2 + H2O

Мэ (Fe(OH)2Cl) = М (Fe(OH)2Cl)

Fe(OH)2Cl + 2HCl rarr FeCl3 + 2H2O

18

Мэ (Fe(OH)2Cl) = 1

2middot М (Fe(OH)2Cl)

Fe(OH)2Cl + NaOH rarr Fe(OH)3 + NaCl

Мэ (Fe(OH)2Cl) = М (Fe(OH)2Cl)

ж) KCr(SO4)2 + 3KOH rarr Cr(OH)3 + 2K2SO4

Мэ (KCr(SO4)2) = 1

3middot М (KCr(SO4)2)

KCr(SO4)2 + 6KOH rarr K3[Cr(OH)6] + 2K2SO4

Мэ (KCr(SO4)2) = 1

6middot М (KCr(SO4)2)

и) MnSO4 + 2KOH rarr Mn(OH)2 + K2SO4

Мэ (MnSO4) = 1

2middot М (MnSO4)

MnSO4 + 2Cl2 + 8KOH rarr K2MnO4 + 4KCl + K2SO4 + 4H2O

Мэ (MnSO4) = 1

4middot М (MnSO4)

2MnSO4 + 5K2S2O8 + 8H2O rarr 2HMnO4 + 2H2SO4 + 10KHSO4

Мэ (MnSO4) = 1

5middot М (MnSO4)

Масса эквивалента вещества (mэ) (г кг hellip)

mэ = э

A

M

N = fЭ middot

A

M

N=

M

z NA =

э A

m

ν N

Пример

mэ (Mg) =

A

M Mg

N =

23 1

12 гмоль

6022 10 моль = 1993middot10

minus23 г

mэ (СаСО3) = 23 1

300г

6моль 6022 10 моль = 83029middot10

minus23 г

Таким образом эквивалент фактор эквивалентности эквивалентное чис-

ло масса эквивалента молярная масса эквивалента ndash величины переменные

зависящие от валентности степени окисления количества атомов зарядов

ионов в молекулах веществ основности кислоты кислотности основания а в

окислительно-восстановительных реакциях ndash от количества отданных или при-

нятых электронов

Количество вещества эквивалента (νэ моль)

νэ = эM

m =

Э

m

Мf = в-ва

Эf

=

m z

M

где m ndash масса вещества г

Пример

m (Аl) = 135 г Мэ (Аl) = 1

3 middot 27 гмоль = 9 гмоль

ν (Аl) = 135г

9гмоль = 15 моль

В 135 г алюминия содержится 15 молей эквивалентов алюминия или (15

middot NA) эквивалентов алюминия z = 3 1 моль атомов алюминия эквивалентен 3

молям эквивалентов алюминия или (3 NA) эквивалентам алюминия

19

1 моль электронов эквивалентен числу Фарадея

F = 160217733middot10minus19

Кл middot 60221367middot10minus1

моль = 96485309 Клмоль

(Клmiddotмольminus1

)

Пример

m = M (O2) νэ = 32г

8гмоль = 4 моль

1 моль молекул O2 содержит 4 моль эквивалентов кислорода

Для сложных веществ Мэ и νэ могут быть рассчитаны по fЭ который ха-

рактеризует их в данной реакции

Молярный объем эквивалента газообразного вещества (Vэ) (лмоль

м3кмоль м

3моль) ndash это объем занимаемый 1 молем эквивалентов этого ве-

щества

Vэ= fЭ middot Vm = 0V

э V 0

э = fЭ middot V

0

m = 0V

э

Пример

V 0

э (О2) =

1

4middot 224 лмоль = 56 лмоль

Это означает что 1 моль эквивалентов О2 при ну занимает объем равный

56 л

V 0

э (Н2) =

1

2middot 224 лмоль = 112 лмоль те 1 моль эквивалентов Н2 при

ну занимает объем равный 112 л

1 моль молекул О2 или 4 моля эквивалентов О2 при ну занимают объем

224 л 1 моль молекул Н2 или 2 моля эквивалентов Н2 при ну занимают объем

224 л

Закон эквивалентов массы веществ реагирующих друг с другом или об-

разующихся в результате химической реакции соотносятся между собой как

их молярные массы эквивалентов

2

1

m

m =

э (1)

э (2)

M

M

1

э (1)

m

М=

2

э (2)

m

М

1

э (1)

m

М = νэ (1)

2

э (2)

m

М = νэ (2)

νэ (1) = νэ (2) ndash количество эквивалентов каждого из участников химической

реакции

Для газообразного вещества

э

m

M =

э

V

V =

0

0

э

V

V = νэ

Закон эквивалентов для химической реакции с участием газа

1

э (1)

m

М=

2

э 2

V

V=

0

2

0

э 2

V

V = νэ (1) = νэ (2)

Мэ (1) =

0

э (2)1

0

2

m middotV

V

Экспериментальное определение эквивалентов и молярных масс эквива-

лента различных веществ может быть проведено различными методами

20

Б2

Л1

Т

Б1

Л2

П

Г

1 Метод прямого определения Эквивалент и молярную массу эквива-

лента устанавливают исходя из соединений данного элемента с водородом или

кислородом

2 Косвенный метод в котором вместо водорода и кислорода использу-

ют другие элементы и вещества с известным эквивалентом и молярной массой

эквивалента

3 Метод вытеснения водорода из кислоты металлом взятой навески

Применим к металлам которые способны вытеснять водород из щелочей и раз-

бавленных кислот

4 Аналитический метод Эквивалент определяют из результатов хими-

ческого анализа элемента в одном из его соединений

5 Электрохимический метод основан на законе Фарадея согласно ко-

торому asymp 96 500 Кл электричества выделяют из электролитов при электролизе

1 моль эквивалентов вещества

Экспериментальная часть

Опыт 1 Определение молярной массы эквивалента алюминия мето-

дом вытеснения

Метод основан на реакции взаимодействия алюминия с соляной кислотой

и измерении объема выделившегося водорода

Собрать прибор представленный на рис 4 Заполнить 14 часть пробирки

раствором соляной кислоты (с массовой долей 15 ) Наклонив пробирку на

ее сухую сторону поместить предварительно взвешенную алюминиевую

Установка состоит из двух бюреток рабочей изме-

рительной Б1 и уравнительной Б2 соединенных

резиновой трубкой Т и заполненных подкрашен-

ной водой К рабочей бюретке при помощи газо-

отводной трубки Г присоединена пробирка П

Рис 4 Лабораторная установка для определения молярной массы эквивалента алюминия

21

фольгу (0015ndash0020 г) так чтобы она не соприкасалась с кислотой Присоеди-

нить пробирку к бюретке и проверить прибор на герметичность Для этого во-

ронку опустить на 10ndash15 см Если прибор герметичен то уровень воды в бю-

ретке несколько снизится а затем останется без изменения Привести давление

в бюретке к атмосферному для чего установить уровень воды в бюретке и во-

ронке на одной высоте в бюретке ndash около нулевого деления но не выше Отме-

тить и записать положение нижнего края мениска в бюретке (А1) После этого

пробирку со штативом наклонить так чтобы кислота смыла алюминиевую

фольгу Для начала реакции содержимое пробирки нагреть на спиртовке (не ка-

саться фитилем дна пробирки не кипятить) Выделяющийся водород бу-

дет вытеснять воду из бюретки После окончания реакции пробирку не снимая

с прибора охладить до комнатной температуры опустив ее в стакан с холодной

водой Затем привести давление внутри прибора к атмосферному и отметить

уровень воды в бюретке (А2)

Объем выделившегося водорода при комнатных условиях V2H = (А2 ndash А1)

привести по объединенному газовому закону (T

PV=

0

00

T

VP) к ну (V0 (H2)) учи-

тывая что общее давление Р = P пар OH2+ P

2Н (где P ndash парциальное давление)

откуда P2Н = Р ndash P пар OH2

тогда объединенный газовый закон T

Vmiddot)P (P пар OH2=

= 0

00

T

VP V

0(H2) = 22общ пар 0 HН О

0

(P Р )middotТ V

Р Т

Таблица 1

Зависимость давления водяного пара от температуры

Т К P OН2 Па Т К P OН2

Па

289 181318 295 233976

290 193317 296 281301

291 206649 297 298641

292 219913 298 317306

293 233314 299 335971

294 247979 300 355970

На основании полученных данных и закона эквивалентов рассчитать молярную

массу эквивалента алюминия (Al)э

Al

M

m=

2

0 2

0

m ( ) H

V (H )

V э

Результаты измерений записать по следующей форме

Навеска

алюминия

г

V2H мл

(А2 ndash А1) Т К

Робщ

Па 2H OP Па V 20 H

мл

Мэ(Al)

гмоль

Ошиб

ка

22

Опыт 2 Определение молярной массы эквивалента карбоната каль-

ция косвенным методом

Взвесить в стакане около 3 г мрамора с точностью до 001 г (m1) При-

лить пипеткой (рис 5) 15 мл раствора соляной кислоты с мо-

лярной концентрацией эквивалента 1 мольл Как только выде-

ление углекислого газа замедлится нагреть стакан до 60ndash70 оС

выдержать при этой температуре до окончания реакции Затем

слить образовавшийся раствор с оставшихся кусочков мра-

мора промыть их два раза дистиллированной водой методом

декантации Стакан с оставшимся мрамором высушить в су-

шильном шкафу при 107 оС и после охлаждения взвесить (m2)

Зная количество молей эквивалентов вступившей в реакцию

соляной кислоты (νэ) и массу прореагировавшего мрамора m3

рассчитать по закону эквивалентов молярную массу эквивален-

та карбоната кальция

Рис 5 Пипетки мерные

Результаты эксперимента записать по следующей форме

m1 г m2 г m3 (CaCO3) =

= m1 ndash m2 г V (HCl) мл

Mэ(СaCO3)

гмоль

Ошибка

νэ (HCl) = Vр-ра (HCl) middot Сэ (HCl)

νэ (СaCO 3 ) = νэ (HCl) )(CaCO э

CaCO

3

3

M

m = Сэ (HCl) middot Vр-ра (HCl)

Мэ (СаСО3) =

3CaCO

HCl э(HCl)

m г

мольV л middotС

л

Вопросы и задачи

1 Как проверить на герметичность прибор для определения молярной

массы эквивалента металла методом вытеснения водорода

2 Как привести давление в герметически закрытом приборе к атмосфер-

ному

3 Под каким давлением по сравнению с атмосферным будет находиться

газ в сосуде если уровень воды в бюретке

а) выше чем в воронке (уравнительном сосуде)

б) ниже чем в воронке

в) на одном уровне

23

4 Как рассчитать парциальное давление газа если он собран над водой

5 Вычислите молярную массу эквивалента металла если навеска техни-

ческого металла массой 0035 г имеющего 20 примесей (не взаимодейству-

ющих с кислотой) вытесняет из кислоты 119 мл водорода собранного над во-

дой при температуре 17 оС и давлении 103middot10

5 Па (давление водяного пара над

водой при 17 оС равно 00193middot10

5 Па)

Ответ 2807 гмоль

6 Чему равны молярные массы эквивалентов мышьяка в его оксидах со-

держащих мышьяк а) 652 (мас) As б) 757 (мас) As

Ответ 1499 гмоль 2492 гмоль

7 Вычислите молярную массу эквивалента фосфорной кислоты и гидрок-

сида алюминия в уравнениях реакций

а) H3PO4 + Ca(OH)2 = CaHPO4 + 2H2O

б) Al(OH)3 + HNO3 = Al(OH)2NO3 + H2O

8 Рассчитайте молярную массу эквивалента олова если

а) при нагревании 092 г его в токе кислорода образуется оксид олова

массой 117 г

б) при восстановлении оксида олова массой 117 г водородом получена

вода массой 016 г

Ответ а) 2944 гмоль б) 5886 гмоль

9 Из 27 г оксида некоторого металла можно получить 63 г его нитрата

Вычислите молярную массу эквивалента металла

Ответ 325 гмоль

10 При восстановлении 51 г оксида металла (III) образовалось 27 г во-

ды Определите молярную массу эквивалента и относительную атомную массу

металла

Ответ 9 гмоль 27

Следует уметь

1 Рассчитывать фактор эквивалентности массу эквивалента и молярную

массу эквивалента элемента простого и сложного веществ исходя из формулы

вещества уравнений реакций в которых участвует вещество закона эквива-

лентов молярного объема эквивалентов любого газообразного вещества

2 Экспериментально определять молярную массу эквивалентов простых

и сложных веществ

24

Работа 3 Приготовление растворов

Задания для подготовки к лабораторной работе

1 Изучите теоретическое введение к лабораторной работе обратив особое

внимание на различные способы выражения содержания растворенного веще-

ства в растворе

2 Проведите все расчеты необходимые для выполнения опытов изучив

метод интерполяции и laquoправило крестаraquo

3 Ознакомьтесь с устройством ареометра мерной посудой и правилами

пользования ими

Теоретическая часть

Раствор ndash это гомогенная система переменного состава состоящая из рас-

творителя растворенных веществ (одного или нескольких) и продуктов их вза-

имодействия Компонент который количественно преобладает и находится в

том же агрегатном состоянии что и образующийся раствор называется раство-

рителем все остальные его части ndash растворенными веществами Основным

признаком характеризующим раствор является его однородность Процесс

растворения часто сопровождается значительными объемными и энергетиче-

скими эффектами По этим признакам растворы больше напоминают химиче-

ские соединения и тем самым отличаются от механических смесей С другой

стороны растворы не имеют строго определенного состава и в этом их суще-

ственное отличие от химических соединений

Первоначально процесс растворения идет самопроизвольно (∆Gр-ния lt 0) и

раствор является ненасыщенным При дальнейшем добавлении вещества

наступает момент когда вещество перестает растворяться и тогда избыток рас-

творенного вещества выпадает в осадок Система оказывается в состоянии ис-

тинного равновесия (∆Gр-ния = 0) те скорости осаждения и растворения равны

Раствор становится насыщенным Можно получить и пересыщенные растворы

те такие массовые доли растворенных веществ в которых выше чем в насы-

щенных растворах (при определенных температуре и давлении) Пересыщен-

ные растворы можно приготовить медленным охлаждением насыщенных при

высокой температуре растворов (например Na2S2O3 NaCH3COO и др) Они

представляют систему находящуюся в кажущемся равновесии (∆Gр-ния gt 0)

Встряхивание или внесение кристаллов того же вещества которое находится в

растворе или изоморфного с ним вызывает кристаллизацию В результате про-

исходит выделение избытка растворенного вещества и раствор становится

насыщенным

Способы выражения концентрации растворов

Состав любого раствора может быть выражен как качественно так и ко-

личественно Раствор с относительно низким содержанием растворенного ве-

щества называют разбавленным с относительно высоким ndash концентрирован-

25

ным Такая количественная оценка условна Например для серной кислоты

концентрированным считается раствор где массовая доля кислоты равна 98 а

для соляной ndash 38

Для количественной оценки состава растворов используют понятие laquoкон-

центрацияraquo Существуют различные способы ее выражения

1 Массовая доля растворенного вещества в растворе Она обознача-

ется Wрв (по первой букве английского слова laquoWeightraquo ndash вес) и рассчитывается

по формуле Wрв = )ткг г(m

)ткг г(m

ра-р

рв Она выражается в долях от единицы и пока-

зывает сколько граммов (кг т) растворенного вещества содержится в 1 г (кг т)

раствора Например W3NaNO = 005 Это означает что в каждом грамме (кг т)

раствора содержится 005 г (кг т) растворенного вещества Массовая доля рас-

творенного вещества в растворе может быть выражена и в процентах Wрв

= ра-р

рв

m

m middot 100 = Wрв middot 100 В этом случае W указывает сколько граммов (кг

т) растворенного вещества содержится в каждых 100 г (кг т) раствора Напри-

мер W3NaNO = 5 в каждых 100 г раствора содержится 5 г NaNO3 или в

каждых 100 кг (т) раствора ndash 5 кг (т) NaNO3

Раствор любой концентрации характеризуется своей плотностью ρ (гмл

кгл гл тм3) которая показывает сколько граммов (кг т) весит 1 мл (л м

3)

раствора данной концентрации Например ρ = 102 гмл Это означает что 1 мл

раствора данной концентрации весит 102 г Плотность раствора рассчитывает-

ся по формуле ρр-ра = ра-р

ра-р

V

m Плотность (ρ) ndash это величина для перехода от массы

раствора к его объему и наоборот

2 Молярная концентрация раствора (См) Ее значение показывает

сколько молей растворенного вещества содержится в 1 л раствора Например

См (р-ра KCl) = 5 мольл Это означает что в каждом литре такого раствора со-

держится 5 моль KCl Молярная концентрация рассчитывается по формуле

См = рв

р-ра

ν

V=

рв

рв р-ра

m

М middotV(мольл) где νрв minus количество растворенного вещества

(моль) mрв ndash масса растворенного вещества (г) М ndash молярная масса раство-

ренного вещества (гмоль) Vр-ра ndash объем раствора (л)

3 Молярная концентрация эквивалента раствора (эквивалентная кон-

центрация или нормальная концентрация) Она обозначается Сэ (используется

также Сн) Ее значение показывает сколько молей эквивалентов растворенного

вещества содержится в 1 л раствора Например Сэ (р-ра HNO3) = 2 мольл Это

означает что в каждом литре раствора содержится 2 моль эквивалентов HNO3

Молярная концентрация эквивалента раствора рассчитывается по формуле

Сэ = э рв

р-ра

ν

V=

рв

э рв р-ра

m

М middotV(мольл)

26

Растворы имеющие одинаковые значения Сэ реагируют между собой в

равных объемах так как содержат равные количества молей эквивалентов рас-

творенных веществ Если растворы имеют различные значения Сэ то вступаю-

щие в реакцию объемы этих растворов обратно пропорциональны их молярным

концентрациям эквивалента 2

1

V

V=

1 э

2 э

С

C или V1 middot Cэ 1 = V2 middot Cэ 2

4 Моляльная концентрация раствора (Сm) Ее значение показывает

сколько молей растворенного вещества содержится в 1 кг растворителя

Например Сm (р-ра H2SO4) = 10 молькг Это означает что в каждом кило-

грамме воды растворено 10 моль H2SO4 Моляльная концентрация раствора

рассчитывается по формуле Сm = рв

р-ля

ν

m=

рв

рв р-ля

m

М middotm(молькг)

5 Молярная (мольная) доля растворенного вещества в растворе Она

обозначается χрв Ее значение показывает сколько молей растворенного веще-

ства содержится в 1 моль раствора Например χ4CuSO = 002 Это означает что в

1 моль раствора содержится 002 моль CuSO4 Если в растворе только одно рас-

творенное вещество то χ ОH2= 098 Сумма мольных долей всех компонентов в

растворе равна единице те 1 моль Мольная доля растворенного вещества в

растворе рассчитывается по формуле χрв = ля-ррв

рв

νν

ν

=

ра-р

рв

ν

ν=

OH

OH

рв

рв

рв

рв

2

2

M

m

М

m

М

m

Если в растворе несколько (К) растворенных веществ то мольная доля любого

из компонентов в том числе растворителя рассчитывается по формуле

χi =

K

1i

i

i

ν

ν Например при наличии трех растворенных веществ и растворителя

χ1 = 4321

1

νννν

ν

χ2 =

4321

2

νννν

ν

χ3 =

4321

3

νννν

ν

χ4 = 4321

4

νννν

ν

χ1 + χ2 + χ3 + χ4 = 1

6 Титр раствора Этот вид выражения состава раствора обозначается

буквой Т Его значение показывает сколько граммов растворенного вещества

содержится в 1 мл раствора Например Т (р-ра Na2CO3) = 15 гмл Это означа-

ет что в каждом миллилитре такого раствора содержится 15 г Na2CO3 Титр

раствора рассчитывается по формуле Т = рв

р-ра

m

V (гмл)

27

Экспериментальная часть

Опыт 1 Приготовление пересыщенного раствора тиосульфата натрия

Положите в пробирку несколько кристаллов Na2S2O3middot5H2O и очень осто-

рожно нагрейте Закройте пробирку ватой и дайте ей охладиться Охлажден-

ную до комнатной температуры пробирку резко встряхните Нагреванием про-

бирки с солью снова получите прозрачный раствор Охладите и внесите не-

большой кристалл исходного вещества Объясните наблюдаемое

Опыт 2 Определение массовой доли серной кислоты по плотности

раствора

Наиболее простой и быстрый способ ndash с помощью ареометра Его приме-

нение основано на том что плавающее тело погружается в жидкость до тех пор

пока масса вытесненной жидкости не станет равной массе самого тела В рас-

ширенной нижней части ареометра находится груз на верхней узкой части ndash

шейке ndash нанесены деления показывающие плотность жидкости в которой

laquoплаваетraquo ареометр

Исследуемый (концентрированный) раствор серной кислоты налейте (под

тягой) в сухой чистый мерный цилиндр на frac34 его объема В раствор осторож-

но не касаясь стенок цилиндра опустите ареометр Каждый ареометр предна-

значен для измерения плотности в определенных пределах При выборе арео-

метра необходимо ориентировочно знать плотность данного раствора Вы-

яснив цену одного деления шкалы ареометра отметьте его показания (по ниж-

нему мениску раствора) Приподняв ареометр на 1ndash2 см вновь опустите его в

раствор и еще раз определите показания По справочной таблице найдите мас-

совую долю растворенного вещества в растворе Если такая величина в таблице

отсутствует то массовую долю находят методом интерполяции (определение

промежуточного значения по двум крайним) Например экспериментальное

показание ареометра равно 1124 гмл Находим ближайшие к этому табличные

значения плотности массовой доли и их разность

ρ гмл W

1130 1831

1120 1701

0010 130

Таким образом изменению плотности на 0010 гмл соответствует изме-

нение массовой доли на 130 Экспериментальное показание ареометра отли-

чается от меньшей табличной величины на 0004 гмл

ρ гмл W

1124

1120 1701

0004

С учетом того что в указанных пределах между плотностью и массовой

долей раствора зависимость линейная составляем пропорцию

28

0010 гмл -----------------130

0004 гмл ----------------- х х = 052

Найденное число (052 ) прибавляем к меньшей массовой доле

(1701 ) взятой из таблицы и соответствующей плотности 1120 Получаем

W = 1701 + 052 = 1753 что соответствует плотности 1124 гмл Этот спо-

соб определения содержания растворенного вещества в растворе применяют в

том случае если не требуется большой точности Более точный способ ndash опре-

деление с помощью титрования Обычно ареометры калибруются при 20 оС В

таблицах значения плотностей растворов приводятся при этой же температуре

Если не требуется особой точности табличными данными можно пользоваться

и для других температур

Опыт 3 Приготовление 50 мл 4 раствора сульфата меди из кри-

сталлогидрата CuSO4middot5H2O

Рассчитайте сколько граммов CuSO4middot5H2O и какой объем воды нужно

взять для приготовления 50 мл раствора с массовой долей CuSO4 4

Взвесьте вычисленную массу кристаллогидрата и перенесите в стакан емко-

стью 100 мл Отмерьте мерным цилиндром (см рис 3) рассчитанный объем

дистиллированной воды перелейте ее в стакан с навеской пентагидрата суль-

фата меди и перемешайте стеклянной палочкой до полного растворения кри-

сталлов соли Полученный раствор перелейте в мерный цилиндр и измерьте

плотность раствора По таблице найдите и запишите массовую долю CuSO4

отвечающую этому значению плотности (ρтеор (4 раствора CuSO4) =

= 104 гмл) пересчитайте на молярную концентрацию молярную концентра-

цию эквивалента моляльную концентрацию и титр раствора

Таблица 2

Исходные данные и полученные результаты приготовления

раствора сульфата меди

Задан-

ная

массо-

вая доля

W

ρтеор

гмл

Рассчитанные

массы компо-

нентов г ρэксп

гмл

Экспериментальные

значения Отн

ошиб

ка

CuSO4middot5H2O Н2О W

См

мольл

Сэ

мольл

Сm

молькг

Т

гмл

Опыт 4 Приготовление 100 мл раствора серной кислоты с молярной

концентрацией эквивалента 01 мольл из более концентрированного раз-

бавлением водой

Для приготовления растворов заданной молярной или эквивалентной

концентраций используются мерные колбы (рис 6) различного объема (25 50

100 200 250 500 1000 мл и более) Рассчитайте объем концентрированного

раствора серной кислоты массовая доля которого определена в опыте 2 необ-

29

ходимый для приготовления 100 мл рас-

твора серной кислоты с молярной кон-

центрацией эквивалента 01 мольл Кис-

лоту перенесите пипеткой (см рис 5) в

мерную колбу объемом 100 мл предвари-

тельно налив в нее примерно 20 мл ди-

стиллированной воды После этого до-

лейте воду в колбу до метки раствор

перемешайте и охладите до комнатной

Рис 6 Мерные колбы температуры Молярная концентрация

эквивалента полученного раствора должна быть близка к 01 мольл Точную

концентрацию раствора серной кислоты определите титрованием щелочью Для

титрования бюретку с наконечником (рис 7) заполните до нулевой

метки титрованным раствором щелочи

предварительно ополоснув им бюретку В

три конические колбы (рис 8) пипеткой

налейте по 10 мл приготовленной серной

кислоты Добавьте в каждую колбу по 2ndash3

капли фенолфталеина и поочередно титруй-

те раствором щелочи из бюретки Щелочь

приливайте медленно левой рукой правой

размешивая раствор Титрование считается

законченным если от прибавления следу-

ющей капли щелочи появляется малиновое

окрашивание которое не исчезает 30 с Рис 8 Колба коническая

Рис 7 Бюретка

мерная для титрования

Для более четкого определения изменения цвета под колбу для титрова-

ния поместите лист белой бумаги Запишите объем щелочи израсходованной

на титрование 10 мл раствора серной кислоты

Аналогично оттитруйте две другие пробы кислоты Результаты парал-

лельных определений не должны различаться между собой более чем на

005ndash010 мл Возьмите из них среднее и рассчитайте точную концентрацию

приготовленного раствора серной кислоты и его титр

Опыт 5 (дополнительный) Приготовление раствора серной кислоты

смешиванием растворов с более высокой и более низкой массовыми долями

Из концентрированного (опыт 2) и имеющегося (опыт 4) в лаборатории

растворов серной кислоты приготовьте 50 мл раствора с массовой долей серной

кислоты равной 30 Для расчета объемов исходных растворов воспользуй-

тесь laquoправилом крестаraquo

30

W1 m1

W

W2 m2

где W ndash массовая доля серной кислоты приготовляемого раствора W1 и W2 ndash

более высокая и более низкая массовые доли H2SO4 в исходных растворах (для

воды W = 0) m1 и m2 ndash массы исходных растворов с более высокой и более

низкой массовой долей Соотношения для исходных растворов таковы

m1 = W ndash W2 m2 = W1 ndash W Таким образом для получения раствора массой

m = (m1 + m2) c массовой долей W необходимо взять m1 г раствора с массовой

долей W1 и m2 г раствора с массовой долей W2 (или V1 р-ра = 1

1m

ρ V2 р-ра =

2

2m

ρ)

Отмерьте вычисленные объемы растворов слейте их в цилиндр объемом 100

мл перемешайте С помощью ареометра и таблицы установите содержание

растворенного вещества в растворе и расхождение практически полученного

значения с заданным

Вопросы и задачи

1 Что произойдет с насыщенным пересыщенным и ненасыщенным рас-

творами алюмокалиевых квасцов при внесении в каждый из них нескольких

кристаллов KAl(SO4)2middot12Н2О

2 Какой объем раствора в котором массовая доля КОН составляет 12

(ρр-ра = 1109 гмл) надо взять чтобы приготовить 250 мл раствора с молярной

концентрацией 2 мольл

Ответ 178 мл

3 В 1 кг воды растворено 666 г гидроксида калия Рассчитайте массовую

долю растворенного вещества в растворе и его концентрации (молярную мо-

ляльную молярную концентрацию эквивалента молярные доли щелочи и во-

ды титр раствора) если его плотность равна 1395 гмл

Ответ 40 995 мольл 119 молькг 0176 0824 0557 гмл

4 В лаборатории имеются растворы с массовыми долями хлорида калия

20 и 40 Сколько граммов каждого раствора надо взять для получения 500 г

раствора с массовой долей соли 25

Ответ 375 г 125 г

5 Плотность раствора карбоната калия равна 122 гмл Из 1 л этого рас-

твора при действии соляной кислоты получено 445 л СО2 (ну) Вычислите

процентное содержание К2СО3 в растворе и его молярную концентрацию экви-

валента

Ответ 225 397 мольл

31

6 В каких объемах должны быть смешаны 01 н и 60 (ρ = 1498 гмл)

растворы серной кислоты чтобы получить 1 л 1 н раствора Н2SO4

Ответ 493 и 9507 мл

7 К 005 л раствора хлорида марганца (II) (ρ = 1085 гмл W = 8 ) при-

бавлено 02 л раствора гидроксида лития массовая доля LiOH в котором 10

(ρ = 1107 гмл) Какое вещество взято в избытке и в каком количестве оно

останется после реакции

Ответ 27 г

8 Для осаждения сульфата бария из раствора BaCl2 (ρ = 106 гмл

W = 8 ) объемом 100 мл требуется раствор Н2SO4 объемом 139 мл Чему равна

молярная концентрация и моляльная концентрация эквивалента раствора

Н2SO4

Ответ 0294 и 0588 мольл

9 Растворы азотной кислоты и гидроксида натрия объемом 1 л каждый

содержат соответственно 189 г HNO3 и 32 г NaOH Какова молярная концен-

трация этих растворов и в каком объемном соотношении они должны быть

смешаны для получения нейтрального раствора

Ответ 03 и 008 мольл 1 375

10 Какова масса Al(OH)3 если для его растворения потребовалось 02 л

раствора азотной кислоты (ρ = 118 гмл W = 30 ) Какой объем 25 н раство-

ра КОН необходимо затратить для растворения этого количества гидроксида

алюминия

Ответ 292 мл 015 л

Следует уметь

1 Выражать содержание растворенного вещества в растворе различными

способами и осуществлять их взаимный пересчет

2 Готовить растворы смешиванием растворенного вещества и раствори-

теля разбавлением водой концентрированного раствора смешиванием двух

растворов разной концентрации выпариванием растворителя добавлением

растворяемого вещества к раствору

3 Пользоваться ареометром мерной посудой установкой для титрова-

ния методом интерполяции laquoправилом крестаraquo

4 Определять содержание растворенного вещества в растворе по его

плотности и с помощью титрования

Работа 4 Методы очистки веществ

Задания для подготовки к лабораторной работе

1 Ознакомьтесь со следующими элементами техники выполнения лабо-

раторных работ взвешиванием на весах измельчением растворением филь-

32

трованием изготовлением простых и складчатых фильтров фильтрованием го-

рячих растворов и фильтрованием растворов под вакуумом нагреванием на

электроплитке растворов в химической посуде промыванием и высушиванием

осадков методами очистки твердых жидких и газообразных веществ

2 Выполните необходимые расчеты

Теоретическая часть

В лабораторной практике большое значение имеет очистка веществ так

как работа с загрязненными реактивами обусловливает получение неточных ре-

зультатов и неправильных выводов

Известны многочисленные методы очистки веществ фильтрование ди-

стилляция дробная перегонка возгонка зонная плавка метод транспортных

реакций и др В лабораторной практике для очистки твердых веществ чаще ис-

пользуются перекристаллизация и возгонка для очистки жидкостей ndash фильтро-

вание и перегонка газов ndash отделение примесей путем поглощения их различ-

ными химическими веществами

1 Очистка твердых веществ от примесей перекристаллизацией и

возгонкой

Перекристаллизация основана на различной растворимости одного и то-

го же вещества при различных температурах Под растворимостью понимают

содержание вещества в насыщенном растворе при данной температуре Она

выражается обычно в граммах безводного вещества на 100 г растворителя

(табл 3) или любым видом концентрации растворов (см работу 3)

Таблица 3

Растворимость солей г100 г воды

Формула соли Температура

оС

0 20 40 60 80

CuSO4 143 205 287 395 555

K2Cr2O7 46 125 259 455 730

NaNO3 727 876 1049 1247 1490

КNO3 133 316 639 1100 1690

NH4Cl 294 372 458 552 656

Зависимость растворимости от температуры изображается также кривы-

ми растворимости (рис 9) Пользуясь табл 3 и рис 9 можно определить

например что в 100 г воды при 20 и 80 оС растворяется соответственно 316 и

1690 г нитрата калия Очевидно при охлаждении насыщенного при 80 оС рас-

твора нитрата калия до 20 оС должно выпасть 1690 ndash 316 = 1374 г соли Чем

ниже температура до которой охлаждают раствор тем большее количество

кристаллов выпадает в осадок

33

При небольшом изменении растворимости в результате повышения тем-

пературы (например хлорида натрия) раствор сначала упаривают а затем

охлаждают Иногда для кристаллиза-

ции к насыщенному водному раствору

вещества добавляют реагенты пони-

жающие его растворимость в воде

(например спирт ацетон концентри-

рованную соляную кислоту) Это явле-

ние называется laquoвысаливаниемraquo

Вещества применяемые в лабо-

раторной практике содержат как пра-

вило немного растворимых приме-сей

относительно которых раствор нена-

сыщен Поэтому при кристал-лизации

вещества из насыщенного раствора

примеси остаются в маточ-ном раство-

ре Маточным называется раствор

оставшийся после отфиль- тровыва-

ния выпавших кристаллов

Рис 9 Кривые растворимости Для получения более чистых ве-

некоторых солей ществ осуществляют повторную крис-

таллизацию

Возгонка ndash это переход вещества при нагревании из твердого состояния

непосредственно в пар минуя жидкое Этим методом очищают твердые веще-

ства от нелетучих примесей например йод серу нафталин хлорид аммония

салициловую кислоту и др Пары возгоняемого вещества конденсируются в

кристаллы на поверхности охлажденных предметов

2 Очистка жидкостей перегонкой

Перегонка основана на различии состава жидкой и паровой фаз Жидкая

фаза одного состава превращается в пар с последующей конденсацией его сно-

ва в жидкость другого состава Этим методом очищают жидкие смеси от рас-

творенных в них твердых веществ или менее летучих жидкостей

Различают несколько способов перегонки жидкостей под нормальным

давлением уменьшенным давлением и с водяным паром

Перегонкой под нормальным давлением пользуются в тех случаях когда

очищаемые жидкости при нагревании не разлагаются и не имеют слишком вы-

сокую температуру кипения Индивидуальное вещество при постоянном давле-

нии кипит при строго определенной температуре Поэтому температура кипе-

ния является характеристикой чистоты вещества Оно тем чище чем меньше

разница между температурой кипения очищаемого вещества и температурой

при которой оно перегоняется

34

3 Очистка газов

Газы для очистки пропускают через поглотительные сосуды содержащие

твердые или жидкие поглотители вступающие в химические реакции с приме-

сями и не реагирующие с очищаемым газом Этот процесс включает высуши-

вание и удаление специфических примесей образующихся в процессе его по-

лучения Пары воды можно поглощать концентрированной серной кислотой

прокаленным хлоридом кальция оксидом фосфора (V) силикагелем безвод-

ным сульфатом меди пары аммиака и хлороводорода ndash водой

Экспериментальная часть

Опыт 1 Очистка медного купороса перекристаллизацией

Пользуясь табл 4 рассчитайте четырьмя способами сколько граммов

воды и медного купороса следует взять для приготовления насыщенного при 80 оС раствора соли из которого при охлаждении до 20

оС выделилось бы 10 г

пентагидрата или 64 г безводного сульфата меди

Таблица 4

Растворимость

безводного сульфата меди и кристаллогидрата сульфата меди

при 80 и 20 оС

t оС

Масса г Масса раствора

г CuSO4 Н2О CuSO4times5Н2О Н2О

80 555 100 8672 6878 1555

8069 14539 12608 100 22608

20

205 100 3203 8847 1205

1594 7774 2490 6878 9368

2317 11303 362 100 1362

I способ расчет на 10 г CuSO4middot5Н2О

m (CuSO4middot5Н2О) m (Н2О)

80 оC 8672 6878

20 оC 2490 6878

II способ расчет на 10 г CuSO4middot5Н2О

m (CuSO4middot5Н2О) m (Н2О)

80 оC 12608 100

20 оC 3620 100

III способ расчет на 64 г CuSO4

m (CuSO4) m (Н2О)

80 оC 5550 100

20 оC 1594 1774

35

IV способ расчет на 64 г CuSO4

m (CuSO4) m (Н2О)

80 оC 8069 14539

20 оC 2317 11303

Примеры расчета масс веществ

Пример 1 Какие массы дихромата калия и воды необходимо взять для

получения очищенной соли массой 30 г если перекристаллизация будет прово-

диться в температурном интервале 80ndash20 оС

Решение

1) По табл 3 находим что при 80 оС в 100 г воды растворяется 7300 г

дихромата калия а при 20 оС ndash 1250 г

2) Следовательно при охлаждении раствора от 80 до 20 оС выделится

7300 ndash 1250 = 6050 г соли

3) Массу дихромата калия необходимую для получения 30 г очищенной

соли вычисляем следующим образом

для выделения 6050 г соли требуется 7300 г дихромата калия

для 30 г -------------------- х г х = 5060

0073middot30= 3619 г

4) Объем воды в котором должна быть растворена эта навеска рассчиты-

вается так

73 г дихромата калия растворяются в 100 г воды

362 г -------------------------------------- в х г

х = 73

100middot236= 4959 г (4959 мл так как плотность воды принимаем

равной 1 гмл)

Пример 2 Какую массу воды и медного купороса надо взять для приго-

товления насыщенного при 80 оС раствора соли из которого при последующем

охлаждении до 0 оС выделяется пентагидрат сульфата меди (II) массой 20 г

Решение

1) Учитывая растворимости безводного сульфата меди при 80 и 0 оС рас-

считаем какой массе кристаллогидрата соответствует масса безводной соли

555 и 143 г (CuSO4)

М(CuSO4middot5Н2О) = 250 гмоль М(CuSO4) = 160 гмоль

160 г безводной соли содержится в 250 г кристаллогидрата

555 г ----------------------------------- в х г

х = 160

250middot555= 867 г (80

оС)

160 г безводной соли содержится в 250 г кристаллогидрата

143 г ----------------------------------- в у г

у = 160

250middot314= 223 г (0

оС)

36

2) Вычисляем массу воды необходимую для растворения кристаллогид-

рата при соответствующих температурах

80 оС 100 ndash (867 ndash 555) = 688 г

0 оС 100 ndash (223 ndash 143) = 92 г

3) Масса медного купороса растворенная в воде массой 688 г при 0 оС

будет равна

в 92 г воды растворяются 223 г медного купороса

в 688 г ----------------------- х г

х = 688middot223

92= 1668 г

4) Масса кристаллогидрата выделяющегося при охлаждении от 80 до

0 оС равна 867 ndash 167 = 700 г

5) По условию задачи требуется получить медный купорос массой 20 г

Для выделения 70 г кристаллогидрата необходимо растворить его 867 г

для выделения 20 г ----------------------------------------------------------- х г

х = 2477 г

6) Масса воды необходимая для растворения 2477 г кристаллогидрата

для растворения 867 г кристаллогидрата требуется 668 г воды

для 2477 г ---------------------------------------------------- х г

х = 1965 г или 1965 мл (так как ρ OH2= 1 гмл)

Рассчитанную массу медного купороса взвесьте поместив его на часовое

стекло Отмерьте мерным цилиндром (см рис3) необходимый объем дистил-

лированной воды Вылейте воду в стакан из термостойкого стекла и нагрейте

до начала кипения Затем поместите навеску медного купороса в стакан с

нагретой водой и растворите при помешивании стеклянной палочкой Если по-

лученный раствор прозрачный и не содержит механических примесей то охла-

дите его до 20 оС помешивая стеклянной палочкой Если в приготовленном ис-

ходном растворе содержатся нерастворимые примеси то прежде чем охладить

раствор его необходимо отфильтровать через воронку для горячего фильтро-

вания (рис 10) с применением складчатого фильтра (рис 11)

Для нагрева воронки можно использовать

горячую воду из водопроводной сети Воронка имеет боковой отросток под который подстав-

ляют газовую горелку для нагревания находя-

щейся между стенками воды

При фильтровании легко воспламеняю-

щихся жидкостей применяют воронки с элек-

трическим обогревом

Рис 10 Воронка для горячего фильтрования

37

Для изготовления складчатого фильтра нужно взять соответствующий

размеру воронки квадрат из фильтровальной бумаги сложить его пополам и за-

тем еще раз пополам Внешние углы обрезать по дуге сложить laquoгармошкойraquo

При изготовлении простого фильтра приготовить конус как описано вы-

ше отогнуть один листочек и полученный конус вставить в воронку смочить

его дистиллированной водой (рис 12) Необходимо чтобы фильтр плотно при-

легал к стенкам воронки и между ними не было пузырьков воздуха Край филь-

тра должен быть ниже края воронки не менее чем на 05 см (рис 12 г)

Рис 11 Складчатый фильтр Рис 12 Изготовление простого фильтра

а-в ndash стадии изготовления г ndash фильтр помещен в воронку

Стеклянную воронку с развернутым складчатым фильтром поместите в

воронку для горячего фильтрования фильтр смочите ди-

стиллированной водой Жидкость перелейте на фильтр по

стеклянной палочке (рис 13) держать которую нужно в ле-

вой руке профильтруйте и охладите раствор до 20 оС

Выпавшие кристаллы отделите от маточного раствора

с помощью прибора изображенного на рис 14

Он состоит из фарфоровой воронки Бюхнера (1) колбы Бун-

зена (2) водоструйного вакуум-насоса или насоса Камовско-

го На сетчатое дно воронки Бюх-

нера положите два кружка филь-

тровальной бумаги Чтобы выре-

зать эти фильтры на верх воронки

положите два листа фильтроваль-

ной бумаги и плот-но прижмите

ладонью затем ножницами вы-

режьте один по обозначенному

контору другой ndash на 3ndash4 мм Рис 13 Фильтрование

меньше

На дно воронки вначале положите фильтр меньшего

размера затем большего смочите их дистиллирован-

ной водой и прижмите края к стенкам воронки

Вставьте воронку в колбу Бунзена перенесите в нее

кристаллы вместе с маточным раствором подсоеди-

Рис 14 Установка для ните прибор к насосу и включите его После отделе-

фильтрования с примене- ния кристаллов промойте их в 5ndash10 мл холодной дис- нием вакуума

38

тиллированной воды для удаления остатков маточного раствора

При перекристаллизации нужно получить вещество в кристаллах средне-

го размера так как крупные кристаллы обычно содержат включения маточного

раствора с находящимися в нем примесями а очень мелкие будучи свобод-

ными от этих включений образуют густую кашицу между отдельными кри-

сталлами которой прочно удерживается маточный раствор и отмыть его полно-

стью без потери вещества не удается

Снять кристаллы с воронки перевернув ее на лист фильтровальной бу-

маги и осторожно постучав по ее стенкам Сушить кристаллы нужно в сушиль-

ном шкафу или между листами фильтровальной бумаги до тех пор пока они

не перестанут прилипать к сухой стеклянной палочке Взвесьте перекристал-

лизованную соль и рассчитайте ее выход в процентах Раствор очищенной со-

ли и маточный раствор испытайте на присутствие хлорид-ионов (Реакция с

нитратом серебра в пробирку с небольшим количеством раствора добавьте

каплю раствора нитрата серебра и две капли азотной кислоты Выпавший бе-

лый осадок является хлоридом серебра)

Для уменьшения потери вещества при перекристаллизации маточный

раствор можно упарить наполовину и выделить новую порцию вещества по ме-

тодике описанной выше

Опыт 2 Возгонка йода

Взвесьте на часовом стекле 020 г йода 005 г йодида калия и 010 г окси-

да кальция (оксид кальция необходим для поглощения влаги йодид калия ndash для

очистки от примесей кислородных и других соединений йода) Смесь помести-

те на дно низкого тонкостенного стакана без носика и осторожно размешайте

стеклянной палочкой Накройте стакан круглодонной колбой наполненной

холодной водой (рис 15)

Поставьте стакан на кольцо штатива с асбестовой сеткой осторожно

нагрейте его дно пламенем спиртовки и наблюдайте возгонку йода По окон-

чании процесса прекратите нагревание и дайте стакану охладиться не снимая с

него колбы Затем поднимите колбу и осторожно снимите стеклянной палочкой

йод на предварительно взвешенное часовое стекло (кристаллы йода не сни-

мать металлическим шпателем так как йод взаимодействует с большинством

металлов) Определите массу йода и рассчитайте его выход в процентах

39

а б

Рис 15 Возгонка йода а ndash начало процесса б ndash конец процесса

Опыт 3 Очистка водопроводной воды перегонкой

Для очистки водопроводной воды соберите прибор для перегонки пред-

ставленный на рис 16 Он состоит из колбы Вюрца (1) в которую вставлен

термометр холодильника Либиха (2) аллонжа (3) колбы-приемника (4) с

хлоркальциевой трубкой Проверьте водопроводную воду на содержание в ней

ионов хлора (с использованием раствора нитрата серебра) ионов кальция и

магния

Для доказательства

наличия ионов кальция и

магния в пробирку налейте

5ndash6 мл водопроводной во-

ды добавьте 1 мл амми-

ачной буферной смеси и 3ndash

4 капли индикатора эри-

хрома черного Т Винно-

красная окраска жидкости

свидетельствует о наличии в

воде ионов кальция и маг-

ния фиолетовая ndash указы-

Рис16 Установка для перегонки воды вает на их отсутствие

Далее колбу Вюрца на 13 объема наполните водопроводной водой поместите

в нее для равномерного кипения жидкости несколько стеклянных капилляров

запаянных с одного конца Закройте отверстие колбы Вюрца пробкой с термо-

40

метром (ртутный шарик термометра должен быть немного ниже уровня отвод-

ной трубки колбы) Заполните холодильник водой (ток воды подается снизу

вверх) Приемник закройте пробкой снабженной аллонжем и хлоркальциевой

трубкой с натронной известью для поглощения углекислого газа из воздуха

Нагрейте на электроплитке воду до кипения предварительно положив под дно

колбы асбестовую сетку Отметьте при какой температуре закипит жидкость

Когда в приемнике соберется приблизительно 10 мл воды нагревание

прекратите Проверьте содержит ли дистиллированная вода ионы которые бы-

ли в водопроводной

Опыт 4 Очистка углекислого газа

Соберите прибор для получения и очистки оксида углерода (IV) (см

рис 1) Он состоит из аппарата Киппа и двух промывных склянок Тищенко В

одной из них находится дистиллированная вода (или раствор гидрокарбоната

натрия) в другой ndash концентрированная серная кислота

Получите углекислый газ в аппарате Киппа Для этого загрузите мрамор в

его средний шар и налейте через воронку такое количество 20 раствора соля-

ной кислоты чтобы он закрыл часть мрамора

Пропустите в течение 2 мин слабый ток оксида углерода (IV) через про-

мывные склянки Убедитесь с помощью обезвоженного сульфата меди содер-

жащегося в хлоркальциевой трубке что углекислый газ сухой Исследуйте

жидкость в склянке с дистиллированной водой на содержание в ней хлорид-

ионов Сделайте выводы

Вопросы и задачи

1 На чем основан процесс перекристаллизации

2 Как перекристаллизовать вещества растворимость которых изменяется

от температуры незначительно

3 Какой раствор называется маточным

4 Где остаются примеси после перекристаллизации и почему

5 От каких факторов зависит величина кристаллов Какие кристаллы со-

держат меньше примесей мелкие или крупные

6 От каких примесей освобождаются при очистке твердых веществ воз-

гонкой На чем основан этот метод

7 С какой целью при возгонке к йоду добавляют йодид калия и оксид

кальция

8 На каких физических процессах основана перегонка

41

9 Какой принцип лежит в основе работы холодильника

10 С какой целью при перегонке в колбу Вюрца добавляют так называе-

мые laquoкипелкиraquo (стеклянные трубки пористые материалы и т д)

11 От каких примесей очищается водопроводная вода при перегонке

12 Какие примеси присутствуют в диоксиде углерода полученном в ап-

парате Киппа и как их устранить

13 В насыщенном при 60 оС растворе сульфата калия его массовая доля

равна 154 Выразите растворимость в граммах на 100 г воды

Ответ 1829 г

14 Какая масса хлорида аммония выпадает в осадок при охлаждении до

0 оС насыщенного при 80

оС раствора массой 800 г

Ответ 17488 г

15 Какую массу воды и дихромата калия нужно взять для получения соли

массой 30 г если насыщение осуществлять при 60 а кристаллизацию ndash при

20 оС

Ответ 9090 г 4136 г

16 Какую массу нитрата натрия можно получить из раствора приготов-

ленного путем насыщения при 60 оС 25 мл воды и охлаждении до 0

оС (раство-

римость веществ приведена в табл 3)

Ответ 13 г

Следует уметь

1 Рассчитывать массы растворенного вещества и растворителя необхо-

димые для получения заданной массы очищенной соли

2 Взвешивать на весах отмерять жидкость цилиндром нагревать хими-

ческую посуду на электроплитке

3 Изготавливать простые и складчатые фильтры фильтровать при обыч-

ном давлении и под вакуумом

4 Рассчитывать практический выход продуктов

5 Правильно называть приборы и химическую посуду

6 Пользоваться аппаратом Киппа холодильником Либиха воронкой го-

рячего фильтрования

7 Проверять воду на чистоту

42

Работа 5 Определение изменения энтальпий физико-химических

процессов

Задания для подготовки к лабораторной работе

1 Повторите основные понятия изменение энтальпии реакции ∆rН изме-

нение энтальпии образования вещества ∆fН тепловой эффект реакции Qр-ции

тепловой эффект образования вещества Qобр закон Гесса и следствия из него

2 Ознакомьтесь с устройством калориметрической установки и зарисуйте

ее схему (рис 17)

Теоретическая часть

Большинство химических реакций сопровождается переходом химиче-

ской энергии в тепловую экзотермические реакции осуществляются с выделе-

нием тепла эндотермические ndash с поглощением

Количество тепла выделяющегося или поглощающегося при химической

реакции называется тепловым эффектом реакции который обозначается Qр-ции

или Qr где индекс laquorraquo ndash первая буква английского слова reaction

Тепловой эффект химической реакции при постоянном давлении Qр (ин-

декс laquoрraquo указывает постоянное давление) численно равен изменению энтальпии

∆rН взятой с противоположным знаком Qp = minus∆rН Тепловой эффект и измене-

ние энтальпии химической реакции измеряются в килоджоулях (кДж) или в ки-

локалориях (ккал) Уравнения химических реакций в которых указываются

тепловые эффекты или изменения энтальпии называются термохимическими

Энергетические эффекты различных процессов определяют эксперимен-

тально а термохимические расчеты проводят на базе основного закона термо-

химии ndash закона Гесса тепловой эффект изменение энтальпии изменение внут-

ренней энергии химической реакции зависят от природы и состояния исходных

веществ и конечных продуктов но не зависят от числа и характера промежу-

точных стадий процесса Этот закон лежит в основе расчета Q ∆Н ∆U различ-

ных процессов minus образования разложения сгорания растворения гидратации

нейтрализации и др

Если в ходе процесса при постоянном давлении системой совершается

работа расширения то Qp = ∆U + Р middot ∆V РV = nRT Р middot ∆V = ∆n middot RT

∆Н = ∆U + ∆n middot RT ∆U = ∆Н minus ∆n middot RT где ∆n ndash изменение числа молей газооб-

разных продуктов реакции и исходных веществ (∆n = продn minus исх

n )

Тепловой эффект (изменение энтальпии) растворения ndash теплота растворе-

ния (энтальпия растворения) данного вещества в данном растворителе опреде-

ляется количеством теплоты (изменением энтальпии) которое выделяется или

поглощается при растворении одного моля вещества в таком количестве рас-

творителя что дальнейшее прибавление последнего уже не вызывает дополни-

тельного теплового эффекта (изменения энтальпии)

Пример 1 Растворение Na2SO4 сопровождается выделением теплоты

(29 кДжмоль) а при растворении кристаллогидрата Na2SO4middot10Н2О происходит

43

поглощение теплоты (787 кДжмоль) Вычислите изменение энтальпии гидра-

тации

Решение

1 Термохимическое уравнение растворения Na2SO4

Na2SO4 (к) + aq rarr Na2SO4middotaq ∆Н1 (растворения безводной соли) = minus29 кДж

2 Процесс гидратации безводной соли

Na2SO4 (к) + 10Н2О(ж) rarr (Na2SO4 middot10Н2О)(к) ∆Н2 (гидратации) minus

3 Термохимическое уравнение растворения кристаллогидрата

Na2SO4middot10Н2О + aq rarr Na2SO4middot aq ∆Н3 (растворения кристаллогидрата) =

= 787 кДж

В соответствии с законом Гесса процесс растворения безводной соли (1)

складывается из процесса гидратации (2) и процесса растворения кристалло-

гидрата (3) те ∆Н1 = ∆Н2 + ∆Н3

Тогда ∆Н2 (гидратации) = ∆Н1 (растворения безводной соли) minus ∆Н3 (рас-

творения кристаллогидрата) = minus29 кДж minus 787 кДж = minus816 кДж

1-е следствие из закона Гесса изменение энтальпии реакции равно

сумме изменения энтальпий образования продуктов реакции за вычетом

суммы изменения энтальпий образования исходных веществ с учетом сте-

хиометрических коэффициентов

Пусть аА + бБ = сС + дД а б с д ndash стехиометрические коэффициенты

Тогда ∆rН = с middot ∆fНС + д middot ∆fНD minus а middot ∆fНА minus б middot ∆fНВ

Пример 2 Вычислите ∆Н 0

298 растворения NaOH в воде при образовании

раствора с концентрацией См = 1 мольл

Решение

Процесс растворения NaOH схематически выражается уравнением

NaOH(к) + aq rarr Na (р)

+ OH р

∆fН0

298 кДжмоль minus4268 minus2397 minus2284

∆rН0

298 = minus2397 minus 2284 + 4268 = minus413 кДж

Опыт подтверждает что растворение твердого NaOH сопровождается

разогреванием раствора

2-е следствие из закона Гесса изменение энтальпии реакции равно

сумме изменения энтальпий сгорания исходных веществ за вычетом суммы

изменения энтальпий сгорания продуктов реакции (с учетом стехиомет-

рических коэффициентов)

Пример 3 Вычислите ∆Н 0

298 реакции которая выражается уравнением

СН3СООН(ж) + С2Н5ОН(ж) = СН3СООС2Н5(ж) + Н2О(ж) ∆rН0

1 minus

Изменение энтальпии этого процесса можно рассчитать алгебраически

суммируя энтальпии сгорания

СН3СООН(ж) + 2О2(г) = 2СО2(г) + 2Н2О(ж) ∆rН0

2 = minus8711 кДж

2С2Н5ОН(ж) + 3О2(г) = 2СО2(г) + 3Н2О(ж) ∆rН0

3 = minus1367 кДж

СН3СООС2Н5(ж) + 5О2(г) = 4СО2(г) + 4Н2О(ж) ∆rН0

4 = minus2284 кДж

44

∆rН0

1 = ∆rН0

2 + ∆rН0

3 minus ∆rН

0

4 = minus8711 minus1367 + 22840 = minus46 кДж

Различают изменение энтальпий фазовых и химических превращений К

фазовым относят сублимацию испарение плавление полиморфные превраще-

ния переход из аморфного состояния в кристаллическое Разновидностью хи-

мических реакций служат процессы электролитической диссоциации и химиче-

ские превращения в водных растворах электролитов

Большое значение для развития химии имеет определение изменения эн-

тальпии нейтрализации кислоты щелочью ∆Ннейтр одного моля сильной кисло-

ты одним молем сильного основания ndash величина постоянная Этот факт объяс-

няет теория электролитической диссоциации Аррениуса согласно которой лю-

бая реакция нейтрализации сводится к следующему процессу

Н р-р

+ ОН р-р

= Н2О(ж)

∆fН0

298кДжмоль 0 minus23019 minus28583 Изменение энтальпии этой реакции

∆Н 0

298 нейтр = minus28583 + 23019 = minus556 кДж

∆Ннейтр слабых кислот слабыми основаниями ndash величина переменная за-

висящая от их констант диссоциации и соответственно от концентрации ионов

водорода Н р-р

и гидроксид-ионов ОН р-р

в растворе и имеет значение мень-

шее чем 556 кДжмоль

Экспериментальная часть

Опыт 1 Определение изменения энтальпии нейтрализации сильного

основания сильной кислотой

Для проведения опыта используйте калориметрическую установку

(рис 17) Она состоит из калориметрического стакана (1) вставленного в дру-

гой стакан (2) который играет роль теплоизо-

лирующей муфты подставки (3) крышки (4)

термометра (5) мешалки (6) пипетки (7) шта-

тива (8)

Взвесьте калориметрический стакан и

влейте в него из пипетки (бюретки) 25 мл рас-

твора NaOH или КОН с концентрацией Сэ

= 1 мольл и отметьте температуру с точностью

до 01 оС В другой стакан налейте из бюретки

25 мл НСl или HNO3 такой же концентрации и

измерьте с той же точностью температуру рас-

твора кислоты Затем быстро но аккуратно

влейте раствор кислоты в калори-

Рис 17 Калориметрическая метрический стакан Перемешивая мешалкой

установка содержимое сосуда отметьте максимальную

температуру смеси

Полученные данные используйте для расчетов Расчет проводите по сле-

дующей схеме

45

1 Вычислите изменение энтальпии реакции

NaOH (КОН) + НСl (HNO3) = Н2О + NaCl (KCl)

∆rН0 = (mж middot Cж + mст middot Cст) middot ∆t ∆t = tкон minus tнач где tкон tнач ndash конечная и

начальная температуры (оС) растворов в калориметрическом сосуде mст mж ndash

масса стеклянного калориметрического сосуда и находящейся в нем жидкости

Cст Cж ndash удельные теплоемкости стекла и жидкости Начальная температура ndash

это среднеарифметическая температура щелочи и кислоты конечная ndash наивыс-

шая температура после сливания растворов плотность раствора принять равной

1 гмл его удельную теплоемкость ndash равной теплоемкости воды

(4184 ДжгmiddotК) а удельную теплоемкость стекла ndash 0753 ДжгmiddotК Массу стакана

(mст) определяют в зависимости от того какая часть его объема заполняется

раствором (если наполовину то стm

2)

2 Составьте ионно-молекулярное уравнение реакции нейтрализации и

рассчитайте изменение энтальпии нейтрализации одного моля эквивалента

кислоты по результатам проведенного опыта

3 Определите относительную ошибку опыта (в процентах)

Опыт 2 Определение изменения энтальпии нейтрализации слабого

основания слабой кислотой

Проведите опыт аналогично первому взяв растворы аммиака и уксусной

кислоты с концентрацией Сэ = 1 мольл Вычислите изменение энтальпии

нейтрализации в расчете на 1 моль эквивалентов уксусной кислоты Сравните

результаты с данными предыдущего опыта

Опыт 3 Определение изменения энтальпии растворения безводного

сульфата меди (II)

Опыт проведите в калориметрической установке (см рис 17) В предва-

рительно взвешенный калориметрический стакан налейте 30 мл дистиллиро-

ванной воды определите ее температуру с точностью до 01 оС Взвесьте 1 г

безводного сульфата меди (II) с точностью до 001 г Быстро и аккуратно

всыпьте соль в калориметрический сосуд Размешивая его содержимое мешал-

кой отметьте максимальную температуру Зная разность температур общую

массу раствора и приняв удельную теплоемкость раствора равной удельной

теплоемкости воды рассчитайте изменение энтальпии данного процесса на

1 моль безводной соли

I 1 CuSO4 (к) + aq rarr CuSO4 middot aq ∆Н 0

р-ния б сminus

Имея в виду что гидратация безводной соли и растворение кристалло-

гидрата выражаются следующими термохимическими уравнениями

1 CuSO4(к) + 5H2O(ж) = CuSO4middot5H2O(к) ∆Н 0

1 = minus778 кДж ndash изменение

II энтальпии при гидратации

2 CuSO4middot5H2O(к) + aq = CuSO4 middot aq ∆Н 0

2 = 117 кДж ndash изменение энталь-

пии растворения кристаллогидрата рассчитайте ∆Н 0

р-ния б с CuSO4 на основе за-

46

кона Гесса ∆Н(р-ния б с) = ∆Н(гидрат) + ∆Н(р-ния кристаллогидрата) Сравните теоретиче-

ские и экспериментально рассчитанные значения изменения энтальпии и опре-

делите относительную погрешность опыта (в процентах)

Опыт 4 Определение изменения энтальпии гидратации карбоната

натрия

Опыт проведите по методике описанной в опыте 3 Взятая навеска кар-

боната должна составлять примерно 07 г Опыт и расчеты повторите для кри-

сталлогидрата Na2CO3middot10Н2О (навеска ndash 15 г на 30 мл воды) По найденным

изменениям энтальпий растворения Na2CO3 и Na2CO3middot10Н2О вычислите изме-

нение энтальпии гидратации карбоната натрия и сравните с литературными

данными

(∆Н 0

р-ния б с= minus251 кДжмоль ∆Н

0

гидрат = minus920 кДжмоль

∆Н 0

р-ния кристаллогидрата = 669 кДжмоль)

Вопросы и задачи

1 Почему химические и фазовые превращения сопровождаются выделе-

нием или поглощением энергии Почему в одних случаях энергия выделяется а

в других поглощается

2 Рассчитайте среднюю энергию связи в молекулах СН4 и SiH4 если из-

вестны изменения энтальпий образования Н (г) С (г) Si (г) и СН4 (г) SiH4 (г)

Объясните различия средней энергии связи С ndash Н Si ndash Н

Ответ 415325 кДжмоль

3 Вычислите среднюю энергию связи Н ndash О в молекуле воды если из-

вестно изменение энтальпии образования Н2О (г) Н (г) и О (г)

Ответ 462 кДжмоль

4 Вычислите изменение энтальпии реакции нейтрализации растворов

КОН и НСl CsOH и H2SO4 NaOH и HNO3 в случае очень разбавленных рас-

творов в расчете на 1 моль Н2О в стандартных условиях Почему изменение эн-

тальпий этих реакций одинаковы Почему значения изменения энтальпий

нейтрализации разных слабых оснований и кислот различны

Ответ minus556 кДжмоль

5 При растворении 10 г СаСl2 в 200 мл воды температура раствора повы-

силась на 77 К Вычислите изменение энтальпии гидратации СаСl2 если изме-

нение энтальпии растворения СаСl2middot6Н2О равна 1908 кДжмоль Удельную

теплоемкость раствора примите равной удельной теплоемкости воды

(4184 ДжгmiddotК) Ответ minus9423 кДжмоль

6 При растворении 8 г хлорида аммония в 20 г воды температура понизи-

лась на 2 оС Вычислите ∆Н растворения NH4Cl в воде принимая удельную

теплоемкость полученного раствора равной 41870 Дж(г middot К)

Ответ minus163 кДжмоль

47

7 Рассчитайте ∆rН растворения алюминия в разбавленной соляной кисло-

те если стандартные изменения энтальпий образования реагирующих веществ

равны ∆fНHCl (p-p) = minus1675 кДжмоль ∆fН 3 р-р

AlCl = minus6723 кДжмоль

Ответ minus3396 кДж

8 При растворении 5206 г BaCl2 в 400 моль Н2О выделяется 216 кДж

теплоты Вычислите ∆Н гидратации безводного BaCl2

Ответ 2713 кДжмоль

9 При растворении 16 г СаС2 в воде выделяется 313 кДж теплоты Опре-

делите изменение стандартной энтальпии образования Са(ОН)2

Ответ minus98633 кДжмоль

10 Вычислите изменение энтальпии при сгорании 20 л диборана (ну)

если ∆fН (В2О3 (к)) = minus1264 кДжмоль ∆fН (В2Н6 (г)) = 314 кДжмоль Целе-

сообразно ли использовать в качестве топлива диборан вместо этана если

стандартное изменение энтальпии сгорания этана равно minus155988 кДжмоль

Ответ minus19220 кДж

Следует уметь

1 Используя калориметрический метод рассчитывать энтальпию различ-

ных физико-химических процессов

2 Вычислять энтальпию реакции по энтальпиям образования исходных

веществ и конечных продуктов пользуясь законом Гесса и его следствиями

3 Учитывать влияние прочности химических связей в продуктах реакции

и исходных веществах на энтальпию реакции

48

Библиографический список

1 Еремин В В Основы общей и физической химии В В Еремин

А Я Борщевский ndash М Интеллект 2012 ndash 800 c

2 Неорганическая химия в 3 т под ред Ю Д Третьякова ndash М Ака-

демия 2011 minus 2012 ndash Т 1 ndash 240 с Т 2 ndash 368 с Т 3 (1) ndash 352 с Т 3 (2) ndash 400 с

3 Павлов Н Н Общая и неорганическая химия Н Н Павлов ndash М Лань

2011 ndash 496 с

4 Росин И В Общая и неорганическая химия Современный курс И

В Росин Л Д Томина ndash М Юрайт 2012 ndash 1338 с

5 Шрайвер Д Неорганическая химия в 2-х т Д Шрайвер П Эткинс ndash

М Мир 2013 Т 1 ndash 679 с Т 2 ndash 486 с

Содержание

Правила работы в химической лабораторииhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip3

Работа 1 Определение молярных масс газообразных веществhelliphelliphelliphellip4

Работа 2 Определение молярных масс эквивалентовhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip12

Работа 3 Приготовление растворовhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip24

Работа 4 Методы очистки веществhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip32

Работа 5 Определение изменения энтальпий

физико-химических процессовhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip42

Библиографический списокhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip48

Page 12: МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ К ЛАБОРАТОРНОМУ ...phys-chem.mrsu.ru/wp-content/uploads/2017/11/...МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ К ЛАБОРАТОРНОМУ

12

10 Вычислите а) объем 20 т (ну) аммиака б) массу 10 мл паров толуола

С7Н8 в) массу молекулы оксида углерода (II)

Следует уметь

1 Пользоваться аппаратом Киппа

2 Взвешивать на электронных весах

3 Заполнять сосуды газами различной плотности

4 Экспериментально определять массу и объем газа при определенных

температуре и давлении

5 Рассчитывать молярную массу вещества по полученным эксперимен-

тальным данным различными способами а) по методу Авогадро б) используя

относительную плотность одного газа по другому газу в) по уравнению Кла-

пейрона ndash Менделеева

Работа 2 Определение молярных масс эквивалентов

простых и сложных веществ

Задания для подготовки к лабораторной работе

1 Повторите основные понятия эквивалент фактор эквивалентности

молярная масса эквивалента масса эквивалента количество вещества эквива-

лента молярный объем эквивалента закон эквивалентов

2 Ознакомьтесь с устройством прибора (рис 4) и методикой определения

молярной массы эквивалента алюминия

3 Ознакомьтесь с методикой экспериментального определения молярной

массы эквивалента карбоната кальция

Теоретическая часть

Эквивалент (э) ndash это либо реальная либо условно существующая струк-

турная единица вещества которая эквивалентна (равноценна) одному положи-

тельно поляризованному атому водорода одному иону водорода одному элек-

трону или одному эквиваленту любого другого вещества

1 э (Н) равноценен 1 атому (Н) (1 эквивалент водорода равноценен

1 атому водорода)

1 э (Н+) равноценен 1 иону (Н

+)

1 э (окислителя или восстановителя) равноценен 1 ē

Пример

а) В соединениях Н2О NН3 СН4 с одним эквивалентом положительно по-

ляризованных атомов водорода соединяются 1

2 доля атома (О)

1

3 доля атома

(N) 1

4доля атома (С) э (О) =

1

2атома (О) э (N) =

1

3 атома (N) э (С) =

1

4атома

(С) В молекуле HCl с 1 э (Н+) соединяется 1 ион Cl

minus э (Cl

minus) = 1 иону Cl

minus

б) Кислотно-основное взаимодействие по теории Аррениуса сводится к

процессу

Н+

(р-р) + ОНminus

(р-р) rarr Н2О(ж)

13

С одним ионом водорода взаимодействует один гидроксид-ион Эквива-

лент (ОНminus) равноценен иону (ОН

minus)

в) Са(ОН)2 + Н2SО4 rarr СаSО4darr + 2Н2О

Одному Н+ эквивалентны

1

2доля иона Са

2+ 1 ион ОН

minus

1

2доля иона

SO 2

4

э (Са2+

) = 1

2 иона Са

2+ э

(SO 2

4

) = 1

2иона SO 2

4

э (ОНminus) = 1 иону ОН

minus э

(Са2+

) э (SO 2

4

) ndash условно существующие частицы э (ОНminus) ndash реальная частица

г) Al(NO3)3 + H3PO4rarrAlPO4 + 3HNO3 Одному Н+ эквивалентны

1

3 доля

Al3+

1 ион NO3

1

3 доля иона РО 3

4

э (Al3+

) = 1

3иона Al

3+ э (NO

3

) = иону NO3

э (РО 3

4

) = 1

3 иона РО 3

4

э (NO3

) ndash реальная частица э (Al3+

) э (РО 3

4

) ndash условно

существующие частицы

+5 +4 +6 minus1

д) КСlО3 + 3MnO2 + 6KOH rarr3K2MnO4 + KCl + 3H2O

ClO3

+ 3H2O + 6 ē rarr Clminus + 6OH

minus 1

MnO2 + 4OHminus minus 2 ē rarr MnO 2

4

+ 2H2O 3

Одна молекула КСlО3 принимает 6 ē значит э (КСlО3) = 1

6 часть моле-

кулы КСlО3 Одна молекула MnO2 отдает 2 ē значит э (MnO2) = 1

2часть моле-

кулы MnO2 В схеме реакции с учетом стехиометрических коэффициентов

участвуют по 6 эквивалентов КСlО3 MnO2 KOH

Фактор эквивалентности (fЭ) ndash число которое показывает какая доля

атома молекулы иона является эквивалентом Если fЭ = 1 то эквивалент ndash ре-

альная частица так как он равноценен атому молекуле или иону если fЭ lt 1 то

эквивалент ndash условная частица так как эквивалент в этом случае какая-то доля

реально существующей частицы

fЭ = 1

z где z ndash эквивалентное число

Для элементов и молекул простых веществ состоящих из одного атома

fЭ = 1

B где В ndash валентность элемента образующего простое вещество те

z = В

Пример

fЭ (Н) = 1 fЭ (О) = 1

2 fЭ (

V

P ) = 1

5 fЭ (Са) =

1

2 fЭ (Al) =

1

3 fЭ (Na) = 1

fЭ (III

P ) = 1

3

Для простых веществ состоящих из нескольких атомов fЭ = 1

B n где nndash

количество атомов элемента в молекуле простого вещества те z = В n

14

Пример

fЭ (Н2) = 1

1 2 =

1

2 fЭ (О2) =

1

2 2=

1

4 fЭ (Г2) =

1

1 2 =

1

2 fЭ (N2) =

1

3 2 =

= 1

6 fЭ (О3) =

1

2 3 =

1

6

Для элемента входящего в состав любого сложного вещества fЭ = 1

х

где х ndash степень окисления этого элемента взятая по модулю

Пример

MnO fЭ (Mn) = 1

2 Mn2O3 fЭ (Mn) =

1

3

MnO2 fЭ (Mn) = 1

4 Mn2O7 fЭ (Mn) =

1

7

Для оксидов R2Oх fЭ = 1

2x где х ndash степень окисления элемента образу-

ющего оксид те z = |2x| Таким образом

fЭ(оксида)=

1

сумма по модулю всех зарядов + или поляризованныхчастиц образующих оксид

fЭ (Al2O3)=

1

3 2 =

1

2 3 =

1

6 fЭ (ОsО4) =

1

8 1 =

1

2 4 =

1

8

Для кислот оснований солей

fЭ = 1

сумма по модулю всех зарядов катионов или анионов

fЭ (Н3РО4) =

1

1 3 =

1

3 1 =

1

3 =

1

основность кислоты z = 3

fЭ (Al(ОН)3) =

1

3 1 =

1

1 3 =

1

3 =

1

кислотность основания z = 3

fЭ (Na2SО4) =

1

1 2 =

1

2 1 =

1

2 z = 2

fЭ [Al2(SО4)3] =

1

3 2 =

1

2 3 =

1

6 z = 6

fЭ (NaНSО4) =

1

1 1 =

1

1 1 = 1 z = 1

fЭ [(AlОН)Cl2] =

1

2 1 =

1

1 2 =

1

2 z = 2

fЭ 3 4 2Cu NH OH =

1

2 1 =

1

1 2 =

1

2 z = 2

Фактор эквивалентности (fЭ )и эквивалентное число (z) зависят от ос-

новности кислоты или кислотности основания в соответствии с которыми они

вступают в химическое взаимодействие

Пример

а) 2Н3РО4 + 3Са(ОН)2 rarr Са3(РО4)2 + 6Н2О

15

Основность кислоты равна 3 кислотность основания равна 2 так как в

кислоте замещаются 3 иона водорода в основании ndash 2 гидроксид-иона

z (Н3РО4) = 3 z (Са(ОН)2) = 2 fЭ (Н3РО4) = 1

3 fЭ (Са(ОН)2) =

1

2

б) 2Н3РО4 + Са(ОН)2 rarr Са(Н2РО4)2 + 2Н2О

Основность кислоты равна 1 кислотность основания ndash 2

z (Н3РО4) = 1 z (Са(ОН)2) = 2 fЭ (Н3РО4) = 1 fЭ (Са(ОН)2) = 1

2

в) Н3РО4 + Са(ОН)2 rarr СаНРО4 + 2Н2О

Основность кислоты равна 2 кислотность основания равна 2

z (Н3РО4) = 2 z (Са(ОН)2) = 2 fЭ (Н3РО4) = 1

2 fЭ (Са(ОН)2) =

1

2

г) Н3РО4 + 3Са(ОН)2 rarr (СаОН)3РО4 + 3Н2О

Основность кислоты равна 3 кислотность основания равна 1

z (Н3РО4) = 3 z (Са(ОН)2) = 1 fЭ (Н3РО4) =1

3 fЭ (Са(ОН)2) = 1

д) 2Al(OH)3 + Н2SO4 rarr [Al(OH)2]2SO4 + 2Н2О

Основность кислоты равна 2 кислотность основания равна 1

z (Al(OH)3) = 1 z (Н2SO4) = 2 fЭ (Al(OH)3) =1 fЭ (Н2SO4) = 1

2

е) Al(OH)3 + Н2SO4 rarr [Al(OH)]SO4 + 2Н2О

Основность кислоты равна 2 кислотность основания равна 2

z (Al(OH)3) = 2 z (Н2SO4) = 2 fЭ (Al(OH)3) =1

2 fЭ (Н2SO4) =

1

2

Для окислительно-восстановительных реакций fЭ (окислителя) = 1

n

fЭ (восстановителя) = 1

n где n ndash число электронов принятых или отдан-

ных 1 молекулой или 1 ионом окислителя или восстановителя соответственно

Пример

MnO4

+ 8H+ + 5 ē rarr Mn

2+ + 4Н2О z = 5 fЭ =

1

5

SO 2

3

+ Н2О minus 2 ē = SO 2

4

+ 2H+ z = 2 fЭ =

1

2

Молярная масса эквивалентов вещества (Мэ гмоль) ndash это масса

1 моля эквивалентов вещества или 6022middot1023

эквивалентов вещества

Мэ = fЭ middot М = M

z =

m

э где М ndash молярная масса гмоль m ndash масса (г) ве-

щества количеством νэ (моль)

Пример

Мэ (Н) = fЭ middot М (Н) = 1 middot 1008 гмоль = 1008 гмоль

Мэ (Н2) = 1

2middot М (Н2) =

1

2middot 2016 гмоль = 1008 гмоль

Мэ (О) = 1

2middot М (О) =

1

2middot 16 гмоль = 8 гмоль

16

Мэ (О2) = 1

4middot М (О2) =

32 гмоль

4 = 8 гмоль

Мэ (Na) = М (Na) = 23 гмоль

Мэ (ОНminus) = М (ОН

minus) = 17 гмоль

Мэ (С) в СО = 12 гмоль

2 = 6 гмоль

Мэ (С) в СО2 = 12 гмоль

4 = 3 гмоль

Для оксидов R2Oх

Мэ (R2Ox) = fЭ middot М (R2Ox)

Мэ (R2Ox) = Мэ (R) + Мэ (O) = fЭ (R) middot М (R) + 8

Пример

Мэ (Al2O3) = 1

6middot M (Al2O3) =

102 гмоль

6 = 17 гмоль

Мэ (Al2O3) = 27 гмоль

3+ 8 гмоль = 17 гмоль

Мэ (кислоты) = fЭ middot М (кислоты)

Мэ (кислоты) = 1

основность кислотыmiddot М (кислоты)

Мэ (кислоты) = Мэ (Н+) + Мэ (А

minus) = 1 гмоль + fЭ middot М (А

minus) = 1 гмоль +

+1

заряд анионаmiddot М (А

minus) где А

minus minus кислотный остаток

Пример

Мэ (Н3РО4) = 1

3middot М (Н3РО4) =

1

3middot 98 гмоль = 3267 гмоль

Мэ (Н3РО4) = Мэ (Н+) + Мэ (РО 3

4

) = 1 + 1

3middot М (РО 3

4

) = 1 гмоль + 1

3middot

middot 95 гмоль = 1 гмоль + 3167 гмоль = 3267 гмоль

Мэ (основания) = fЭ middot М (основания)

Мэ (основания) = 1

кислотность основанияmiddot М (основания)

Мэ (основания) = Мэ (Мn+

) + Мэ (ОНminus) = fЭ middot М (М

n+) + fЭ middot М (ОН

minus) =

= 1

nmiddot М (М

n+) + 17

Пример

Мэ (Al(OH)3) = 1

3middot 78 гмоль = 26 гмоль

Мэ (Al(OH)3) = 1

3middot 27 гмоль + 17 гмоль = 9 гмоль + 17 гмоль =

= 26 гмоль

Для солей состава КхАу

Мэ (соли) = fЭ middot М (соли) = Мэ (Ку+

) + Мэ (Ахminus

) = fЭ (Ку+

) middot М (Ку+

) +

+ fЭ (Ахminus

) middot М (Ахminus

)

17

Пример

Мэ (Al2(SO4)3) = 1

6 middot М [Al2(SO4)3] =

342 гмоль

6 = 57 гмоль

Мэ (Al2(SO4)3) = 27

3 +

96

2 = 9 гмоль + 48 гмоль = 57 гмоль

Мэ (окислителя или восстановителя) = fЭ middot М (в-ва) = 1

nmiddot М (в-ва) где n ndash

число отданных или принятых электронов z ndash эквивалентное число = n

Пример

а) Мэ (KMnO4) = 1

5middot М (KMnO4) =

1

5middot 158 гмоль = 316 гмоль (при пере-

ходе MnO4

в Mn+2

)

Мэ (MnO2) = 1

2middot М (MnO2) =

1

2middot 87 гмоль = 435 гмоль (при переходе

MnO2 в MnO 2

4

)

При определении Мэ веществ участвующих в химических реакциях сле-

дует учитывать их fЭ

Пример

а) Аl(OH)3 + H3PO4 rarr AlPO4 + 3H2O

Мэ (Аl(OH)3) = 1

3middot М (Аl(OH)3)

Мэ (H3PO4) = 1

3middot М (H3PO4)

б) 3Аl(OH)3 + H3PO4 rarr [Al(ОН)2]3PO4 + 3H2O

Мэ (Аl(OH)3) = М (Аl(OH)3)

Мэ (H3PO4) = 1

3middot М (H3PO4)

в) 3Аl(OH)3 + 2H3PO4 rarr [Al(ОН)]3(PO4)2 + 6H2O

Мэ (Аl(OH)3) = 1

2middot М (Аl(OH)3)

Мэ (H3PO4) = 1

3middot М (H3PO4)

г) Аl(OH)3 + 3H3PO4 rarr Al(Н2PO4)3 + 3H2O

Мэ (Аl(OH)3) = 1

3middot М (Аl(OH)3)

Мэ (H3PO4) = М (H3PO4)

д) 2Аl(OH)3 + 3H3PO4 rarr Al2(НPO4)3 + 6H2O

Мэ (Аl(OH)3) = 1

3middot М (Аl(OH)3)

Мэ (H3PO4) = 1

2middot М (H3PO4)

е) Fe(OH)2Cl + HCl rarr Fe(OH)Cl2 + H2O

Мэ (Fe(OH)2Cl) = М (Fe(OH)2Cl)

Fe(OH)2Cl + 2HCl rarr FeCl3 + 2H2O

18

Мэ (Fe(OH)2Cl) = 1

2middot М (Fe(OH)2Cl)

Fe(OH)2Cl + NaOH rarr Fe(OH)3 + NaCl

Мэ (Fe(OH)2Cl) = М (Fe(OH)2Cl)

ж) KCr(SO4)2 + 3KOH rarr Cr(OH)3 + 2K2SO4

Мэ (KCr(SO4)2) = 1

3middot М (KCr(SO4)2)

KCr(SO4)2 + 6KOH rarr K3[Cr(OH)6] + 2K2SO4

Мэ (KCr(SO4)2) = 1

6middot М (KCr(SO4)2)

и) MnSO4 + 2KOH rarr Mn(OH)2 + K2SO4

Мэ (MnSO4) = 1

2middot М (MnSO4)

MnSO4 + 2Cl2 + 8KOH rarr K2MnO4 + 4KCl + K2SO4 + 4H2O

Мэ (MnSO4) = 1

4middot М (MnSO4)

2MnSO4 + 5K2S2O8 + 8H2O rarr 2HMnO4 + 2H2SO4 + 10KHSO4

Мэ (MnSO4) = 1

5middot М (MnSO4)

Масса эквивалента вещества (mэ) (г кг hellip)

mэ = э

A

M

N = fЭ middot

A

M

N=

M

z NA =

э A

m

ν N

Пример

mэ (Mg) =

A

M Mg

N =

23 1

12 гмоль

6022 10 моль = 1993middot10

minus23 г

mэ (СаСО3) = 23 1

300г

6моль 6022 10 моль = 83029middot10

minus23 г

Таким образом эквивалент фактор эквивалентности эквивалентное чис-

ло масса эквивалента молярная масса эквивалента ndash величины переменные

зависящие от валентности степени окисления количества атомов зарядов

ионов в молекулах веществ основности кислоты кислотности основания а в

окислительно-восстановительных реакциях ndash от количества отданных или при-

нятых электронов

Количество вещества эквивалента (νэ моль)

νэ = эM

m =

Э

m

Мf = в-ва

Эf

=

m z

M

где m ndash масса вещества г

Пример

m (Аl) = 135 г Мэ (Аl) = 1

3 middot 27 гмоль = 9 гмоль

ν (Аl) = 135г

9гмоль = 15 моль

В 135 г алюминия содержится 15 молей эквивалентов алюминия или (15

middot NA) эквивалентов алюминия z = 3 1 моль атомов алюминия эквивалентен 3

молям эквивалентов алюминия или (3 NA) эквивалентам алюминия

19

1 моль электронов эквивалентен числу Фарадея

F = 160217733middot10minus19

Кл middot 60221367middot10minus1

моль = 96485309 Клмоль

(Клmiddotмольminus1

)

Пример

m = M (O2) νэ = 32г

8гмоль = 4 моль

1 моль молекул O2 содержит 4 моль эквивалентов кислорода

Для сложных веществ Мэ и νэ могут быть рассчитаны по fЭ который ха-

рактеризует их в данной реакции

Молярный объем эквивалента газообразного вещества (Vэ) (лмоль

м3кмоль м

3моль) ndash это объем занимаемый 1 молем эквивалентов этого ве-

щества

Vэ= fЭ middot Vm = 0V

э V 0

э = fЭ middot V

0

m = 0V

э

Пример

V 0

э (О2) =

1

4middot 224 лмоль = 56 лмоль

Это означает что 1 моль эквивалентов О2 при ну занимает объем равный

56 л

V 0

э (Н2) =

1

2middot 224 лмоль = 112 лмоль те 1 моль эквивалентов Н2 при

ну занимает объем равный 112 л

1 моль молекул О2 или 4 моля эквивалентов О2 при ну занимают объем

224 л 1 моль молекул Н2 или 2 моля эквивалентов Н2 при ну занимают объем

224 л

Закон эквивалентов массы веществ реагирующих друг с другом или об-

разующихся в результате химической реакции соотносятся между собой как

их молярные массы эквивалентов

2

1

m

m =

э (1)

э (2)

M

M

1

э (1)

m

М=

2

э (2)

m

М

1

э (1)

m

М = νэ (1)

2

э (2)

m

М = νэ (2)

νэ (1) = νэ (2) ndash количество эквивалентов каждого из участников химической

реакции

Для газообразного вещества

э

m

M =

э

V

V =

0

0

э

V

V = νэ

Закон эквивалентов для химической реакции с участием газа

1

э (1)

m

М=

2

э 2

V

V=

0

2

0

э 2

V

V = νэ (1) = νэ (2)

Мэ (1) =

0

э (2)1

0

2

m middotV

V

Экспериментальное определение эквивалентов и молярных масс эквива-

лента различных веществ может быть проведено различными методами

20

Б2

Л1

Т

Б1

Л2

П

Г

1 Метод прямого определения Эквивалент и молярную массу эквива-

лента устанавливают исходя из соединений данного элемента с водородом или

кислородом

2 Косвенный метод в котором вместо водорода и кислорода использу-

ют другие элементы и вещества с известным эквивалентом и молярной массой

эквивалента

3 Метод вытеснения водорода из кислоты металлом взятой навески

Применим к металлам которые способны вытеснять водород из щелочей и раз-

бавленных кислот

4 Аналитический метод Эквивалент определяют из результатов хими-

ческого анализа элемента в одном из его соединений

5 Электрохимический метод основан на законе Фарадея согласно ко-

торому asymp 96 500 Кл электричества выделяют из электролитов при электролизе

1 моль эквивалентов вещества

Экспериментальная часть

Опыт 1 Определение молярной массы эквивалента алюминия мето-

дом вытеснения

Метод основан на реакции взаимодействия алюминия с соляной кислотой

и измерении объема выделившегося водорода

Собрать прибор представленный на рис 4 Заполнить 14 часть пробирки

раствором соляной кислоты (с массовой долей 15 ) Наклонив пробирку на

ее сухую сторону поместить предварительно взвешенную алюминиевую

Установка состоит из двух бюреток рабочей изме-

рительной Б1 и уравнительной Б2 соединенных

резиновой трубкой Т и заполненных подкрашен-

ной водой К рабочей бюретке при помощи газо-

отводной трубки Г присоединена пробирка П

Рис 4 Лабораторная установка для определения молярной массы эквивалента алюминия

21

фольгу (0015ndash0020 г) так чтобы она не соприкасалась с кислотой Присоеди-

нить пробирку к бюретке и проверить прибор на герметичность Для этого во-

ронку опустить на 10ndash15 см Если прибор герметичен то уровень воды в бю-

ретке несколько снизится а затем останется без изменения Привести давление

в бюретке к атмосферному для чего установить уровень воды в бюретке и во-

ронке на одной высоте в бюретке ndash около нулевого деления но не выше Отме-

тить и записать положение нижнего края мениска в бюретке (А1) После этого

пробирку со штативом наклонить так чтобы кислота смыла алюминиевую

фольгу Для начала реакции содержимое пробирки нагреть на спиртовке (не ка-

саться фитилем дна пробирки не кипятить) Выделяющийся водород бу-

дет вытеснять воду из бюретки После окончания реакции пробирку не снимая

с прибора охладить до комнатной температуры опустив ее в стакан с холодной

водой Затем привести давление внутри прибора к атмосферному и отметить

уровень воды в бюретке (А2)

Объем выделившегося водорода при комнатных условиях V2H = (А2 ndash А1)

привести по объединенному газовому закону (T

PV=

0

00

T

VP) к ну (V0 (H2)) учи-

тывая что общее давление Р = P пар OH2+ P

2Н (где P ndash парциальное давление)

откуда P2Н = Р ndash P пар OH2

тогда объединенный газовый закон T

Vmiddot)P (P пар OH2=

= 0

00

T

VP V

0(H2) = 22общ пар 0 HН О

0

(P Р )middotТ V

Р Т

Таблица 1

Зависимость давления водяного пара от температуры

Т К P OН2 Па Т К P OН2

Па

289 181318 295 233976

290 193317 296 281301

291 206649 297 298641

292 219913 298 317306

293 233314 299 335971

294 247979 300 355970

На основании полученных данных и закона эквивалентов рассчитать молярную

массу эквивалента алюминия (Al)э

Al

M

m=

2

0 2

0

m ( ) H

V (H )

V э

Результаты измерений записать по следующей форме

Навеска

алюминия

г

V2H мл

(А2 ndash А1) Т К

Робщ

Па 2H OP Па V 20 H

мл

Мэ(Al)

гмоль

Ошиб

ка

22

Опыт 2 Определение молярной массы эквивалента карбоната каль-

ция косвенным методом

Взвесить в стакане около 3 г мрамора с точностью до 001 г (m1) При-

лить пипеткой (рис 5) 15 мл раствора соляной кислоты с мо-

лярной концентрацией эквивалента 1 мольл Как только выде-

ление углекислого газа замедлится нагреть стакан до 60ndash70 оС

выдержать при этой температуре до окончания реакции Затем

слить образовавшийся раствор с оставшихся кусочков мра-

мора промыть их два раза дистиллированной водой методом

декантации Стакан с оставшимся мрамором высушить в су-

шильном шкафу при 107 оС и после охлаждения взвесить (m2)

Зная количество молей эквивалентов вступившей в реакцию

соляной кислоты (νэ) и массу прореагировавшего мрамора m3

рассчитать по закону эквивалентов молярную массу эквивален-

та карбоната кальция

Рис 5 Пипетки мерные

Результаты эксперимента записать по следующей форме

m1 г m2 г m3 (CaCO3) =

= m1 ndash m2 г V (HCl) мл

Mэ(СaCO3)

гмоль

Ошибка

νэ (HCl) = Vр-ра (HCl) middot Сэ (HCl)

νэ (СaCO 3 ) = νэ (HCl) )(CaCO э

CaCO

3

3

M

m = Сэ (HCl) middot Vр-ра (HCl)

Мэ (СаСО3) =

3CaCO

HCl э(HCl)

m г

мольV л middotС

л

Вопросы и задачи

1 Как проверить на герметичность прибор для определения молярной

массы эквивалента металла методом вытеснения водорода

2 Как привести давление в герметически закрытом приборе к атмосфер-

ному

3 Под каким давлением по сравнению с атмосферным будет находиться

газ в сосуде если уровень воды в бюретке

а) выше чем в воронке (уравнительном сосуде)

б) ниже чем в воронке

в) на одном уровне

23

4 Как рассчитать парциальное давление газа если он собран над водой

5 Вычислите молярную массу эквивалента металла если навеска техни-

ческого металла массой 0035 г имеющего 20 примесей (не взаимодейству-

ющих с кислотой) вытесняет из кислоты 119 мл водорода собранного над во-

дой при температуре 17 оС и давлении 103middot10

5 Па (давление водяного пара над

водой при 17 оС равно 00193middot10

5 Па)

Ответ 2807 гмоль

6 Чему равны молярные массы эквивалентов мышьяка в его оксидах со-

держащих мышьяк а) 652 (мас) As б) 757 (мас) As

Ответ 1499 гмоль 2492 гмоль

7 Вычислите молярную массу эквивалента фосфорной кислоты и гидрок-

сида алюминия в уравнениях реакций

а) H3PO4 + Ca(OH)2 = CaHPO4 + 2H2O

б) Al(OH)3 + HNO3 = Al(OH)2NO3 + H2O

8 Рассчитайте молярную массу эквивалента олова если

а) при нагревании 092 г его в токе кислорода образуется оксид олова

массой 117 г

б) при восстановлении оксида олова массой 117 г водородом получена

вода массой 016 г

Ответ а) 2944 гмоль б) 5886 гмоль

9 Из 27 г оксида некоторого металла можно получить 63 г его нитрата

Вычислите молярную массу эквивалента металла

Ответ 325 гмоль

10 При восстановлении 51 г оксида металла (III) образовалось 27 г во-

ды Определите молярную массу эквивалента и относительную атомную массу

металла

Ответ 9 гмоль 27

Следует уметь

1 Рассчитывать фактор эквивалентности массу эквивалента и молярную

массу эквивалента элемента простого и сложного веществ исходя из формулы

вещества уравнений реакций в которых участвует вещество закона эквива-

лентов молярного объема эквивалентов любого газообразного вещества

2 Экспериментально определять молярную массу эквивалентов простых

и сложных веществ

24

Работа 3 Приготовление растворов

Задания для подготовки к лабораторной работе

1 Изучите теоретическое введение к лабораторной работе обратив особое

внимание на различные способы выражения содержания растворенного веще-

ства в растворе

2 Проведите все расчеты необходимые для выполнения опытов изучив

метод интерполяции и laquoправило крестаraquo

3 Ознакомьтесь с устройством ареометра мерной посудой и правилами

пользования ими

Теоретическая часть

Раствор ndash это гомогенная система переменного состава состоящая из рас-

творителя растворенных веществ (одного или нескольких) и продуктов их вза-

имодействия Компонент который количественно преобладает и находится в

том же агрегатном состоянии что и образующийся раствор называется раство-

рителем все остальные его части ndash растворенными веществами Основным

признаком характеризующим раствор является его однородность Процесс

растворения часто сопровождается значительными объемными и энергетиче-

скими эффектами По этим признакам растворы больше напоминают химиче-

ские соединения и тем самым отличаются от механических смесей С другой

стороны растворы не имеют строго определенного состава и в этом их суще-

ственное отличие от химических соединений

Первоначально процесс растворения идет самопроизвольно (∆Gр-ния lt 0) и

раствор является ненасыщенным При дальнейшем добавлении вещества

наступает момент когда вещество перестает растворяться и тогда избыток рас-

творенного вещества выпадает в осадок Система оказывается в состоянии ис-

тинного равновесия (∆Gр-ния = 0) те скорости осаждения и растворения равны

Раствор становится насыщенным Можно получить и пересыщенные растворы

те такие массовые доли растворенных веществ в которых выше чем в насы-

щенных растворах (при определенных температуре и давлении) Пересыщен-

ные растворы можно приготовить медленным охлаждением насыщенных при

высокой температуре растворов (например Na2S2O3 NaCH3COO и др) Они

представляют систему находящуюся в кажущемся равновесии (∆Gр-ния gt 0)

Встряхивание или внесение кристаллов того же вещества которое находится в

растворе или изоморфного с ним вызывает кристаллизацию В результате про-

исходит выделение избытка растворенного вещества и раствор становится

насыщенным

Способы выражения концентрации растворов

Состав любого раствора может быть выражен как качественно так и ко-

личественно Раствор с относительно низким содержанием растворенного ве-

щества называют разбавленным с относительно высоким ndash концентрирован-

25

ным Такая количественная оценка условна Например для серной кислоты

концентрированным считается раствор где массовая доля кислоты равна 98 а

для соляной ndash 38

Для количественной оценки состава растворов используют понятие laquoкон-

центрацияraquo Существуют различные способы ее выражения

1 Массовая доля растворенного вещества в растворе Она обознача-

ется Wрв (по первой букве английского слова laquoWeightraquo ndash вес) и рассчитывается

по формуле Wрв = )ткг г(m

)ткг г(m

ра-р

рв Она выражается в долях от единицы и пока-

зывает сколько граммов (кг т) растворенного вещества содержится в 1 г (кг т)

раствора Например W3NaNO = 005 Это означает что в каждом грамме (кг т)

раствора содержится 005 г (кг т) растворенного вещества Массовая доля рас-

творенного вещества в растворе может быть выражена и в процентах Wрв

= ра-р

рв

m

m middot 100 = Wрв middot 100 В этом случае W указывает сколько граммов (кг

т) растворенного вещества содержится в каждых 100 г (кг т) раствора Напри-

мер W3NaNO = 5 в каждых 100 г раствора содержится 5 г NaNO3 или в

каждых 100 кг (т) раствора ndash 5 кг (т) NaNO3

Раствор любой концентрации характеризуется своей плотностью ρ (гмл

кгл гл тм3) которая показывает сколько граммов (кг т) весит 1 мл (л м

3)

раствора данной концентрации Например ρ = 102 гмл Это означает что 1 мл

раствора данной концентрации весит 102 г Плотность раствора рассчитывает-

ся по формуле ρр-ра = ра-р

ра-р

V

m Плотность (ρ) ndash это величина для перехода от массы

раствора к его объему и наоборот

2 Молярная концентрация раствора (См) Ее значение показывает

сколько молей растворенного вещества содержится в 1 л раствора Например

См (р-ра KCl) = 5 мольл Это означает что в каждом литре такого раствора со-

держится 5 моль KCl Молярная концентрация рассчитывается по формуле

См = рв

р-ра

ν

V=

рв

рв р-ра

m

М middotV(мольл) где νрв minus количество растворенного вещества

(моль) mрв ndash масса растворенного вещества (г) М ndash молярная масса раство-

ренного вещества (гмоль) Vр-ра ndash объем раствора (л)

3 Молярная концентрация эквивалента раствора (эквивалентная кон-

центрация или нормальная концентрация) Она обозначается Сэ (используется

также Сн) Ее значение показывает сколько молей эквивалентов растворенного

вещества содержится в 1 л раствора Например Сэ (р-ра HNO3) = 2 мольл Это

означает что в каждом литре раствора содержится 2 моль эквивалентов HNO3

Молярная концентрация эквивалента раствора рассчитывается по формуле

Сэ = э рв

р-ра

ν

V=

рв

э рв р-ра

m

М middotV(мольл)

26

Растворы имеющие одинаковые значения Сэ реагируют между собой в

равных объемах так как содержат равные количества молей эквивалентов рас-

творенных веществ Если растворы имеют различные значения Сэ то вступаю-

щие в реакцию объемы этих растворов обратно пропорциональны их молярным

концентрациям эквивалента 2

1

V

V=

1 э

2 э

С

C или V1 middot Cэ 1 = V2 middot Cэ 2

4 Моляльная концентрация раствора (Сm) Ее значение показывает

сколько молей растворенного вещества содержится в 1 кг растворителя

Например Сm (р-ра H2SO4) = 10 молькг Это означает что в каждом кило-

грамме воды растворено 10 моль H2SO4 Моляльная концентрация раствора

рассчитывается по формуле Сm = рв

р-ля

ν

m=

рв

рв р-ля

m

М middotm(молькг)

5 Молярная (мольная) доля растворенного вещества в растворе Она

обозначается χрв Ее значение показывает сколько молей растворенного веще-

ства содержится в 1 моль раствора Например χ4CuSO = 002 Это означает что в

1 моль раствора содержится 002 моль CuSO4 Если в растворе только одно рас-

творенное вещество то χ ОH2= 098 Сумма мольных долей всех компонентов в

растворе равна единице те 1 моль Мольная доля растворенного вещества в

растворе рассчитывается по формуле χрв = ля-ррв

рв

νν

ν

=

ра-р

рв

ν

ν=

OH

OH

рв

рв

рв

рв

2

2

M

m

М

m

М

m

Если в растворе несколько (К) растворенных веществ то мольная доля любого

из компонентов в том числе растворителя рассчитывается по формуле

χi =

K

1i

i

i

ν

ν Например при наличии трех растворенных веществ и растворителя

χ1 = 4321

1

νννν

ν

χ2 =

4321

2

νννν

ν

χ3 =

4321

3

νννν

ν

χ4 = 4321

4

νννν

ν

χ1 + χ2 + χ3 + χ4 = 1

6 Титр раствора Этот вид выражения состава раствора обозначается

буквой Т Его значение показывает сколько граммов растворенного вещества

содержится в 1 мл раствора Например Т (р-ра Na2CO3) = 15 гмл Это означа-

ет что в каждом миллилитре такого раствора содержится 15 г Na2CO3 Титр

раствора рассчитывается по формуле Т = рв

р-ра

m

V (гмл)

27

Экспериментальная часть

Опыт 1 Приготовление пересыщенного раствора тиосульфата натрия

Положите в пробирку несколько кристаллов Na2S2O3middot5H2O и очень осто-

рожно нагрейте Закройте пробирку ватой и дайте ей охладиться Охлажден-

ную до комнатной температуры пробирку резко встряхните Нагреванием про-

бирки с солью снова получите прозрачный раствор Охладите и внесите не-

большой кристалл исходного вещества Объясните наблюдаемое

Опыт 2 Определение массовой доли серной кислоты по плотности

раствора

Наиболее простой и быстрый способ ndash с помощью ареометра Его приме-

нение основано на том что плавающее тело погружается в жидкость до тех пор

пока масса вытесненной жидкости не станет равной массе самого тела В рас-

ширенной нижней части ареометра находится груз на верхней узкой части ndash

шейке ndash нанесены деления показывающие плотность жидкости в которой

laquoплаваетraquo ареометр

Исследуемый (концентрированный) раствор серной кислоты налейте (под

тягой) в сухой чистый мерный цилиндр на frac34 его объема В раствор осторож-

но не касаясь стенок цилиндра опустите ареометр Каждый ареометр предна-

значен для измерения плотности в определенных пределах При выборе арео-

метра необходимо ориентировочно знать плотность данного раствора Вы-

яснив цену одного деления шкалы ареометра отметьте его показания (по ниж-

нему мениску раствора) Приподняв ареометр на 1ndash2 см вновь опустите его в

раствор и еще раз определите показания По справочной таблице найдите мас-

совую долю растворенного вещества в растворе Если такая величина в таблице

отсутствует то массовую долю находят методом интерполяции (определение

промежуточного значения по двум крайним) Например экспериментальное

показание ареометра равно 1124 гмл Находим ближайшие к этому табличные

значения плотности массовой доли и их разность

ρ гмл W

1130 1831

1120 1701

0010 130

Таким образом изменению плотности на 0010 гмл соответствует изме-

нение массовой доли на 130 Экспериментальное показание ареометра отли-

чается от меньшей табличной величины на 0004 гмл

ρ гмл W

1124

1120 1701

0004

С учетом того что в указанных пределах между плотностью и массовой

долей раствора зависимость линейная составляем пропорцию

28

0010 гмл -----------------130

0004 гмл ----------------- х х = 052

Найденное число (052 ) прибавляем к меньшей массовой доле

(1701 ) взятой из таблицы и соответствующей плотности 1120 Получаем

W = 1701 + 052 = 1753 что соответствует плотности 1124 гмл Этот спо-

соб определения содержания растворенного вещества в растворе применяют в

том случае если не требуется большой точности Более точный способ ndash опре-

деление с помощью титрования Обычно ареометры калибруются при 20 оС В

таблицах значения плотностей растворов приводятся при этой же температуре

Если не требуется особой точности табличными данными можно пользоваться

и для других температур

Опыт 3 Приготовление 50 мл 4 раствора сульфата меди из кри-

сталлогидрата CuSO4middot5H2O

Рассчитайте сколько граммов CuSO4middot5H2O и какой объем воды нужно

взять для приготовления 50 мл раствора с массовой долей CuSO4 4

Взвесьте вычисленную массу кристаллогидрата и перенесите в стакан емко-

стью 100 мл Отмерьте мерным цилиндром (см рис 3) рассчитанный объем

дистиллированной воды перелейте ее в стакан с навеской пентагидрата суль-

фата меди и перемешайте стеклянной палочкой до полного растворения кри-

сталлов соли Полученный раствор перелейте в мерный цилиндр и измерьте

плотность раствора По таблице найдите и запишите массовую долю CuSO4

отвечающую этому значению плотности (ρтеор (4 раствора CuSO4) =

= 104 гмл) пересчитайте на молярную концентрацию молярную концентра-

цию эквивалента моляльную концентрацию и титр раствора

Таблица 2

Исходные данные и полученные результаты приготовления

раствора сульфата меди

Задан-

ная

массо-

вая доля

W

ρтеор

гмл

Рассчитанные

массы компо-

нентов г ρэксп

гмл

Экспериментальные

значения Отн

ошиб

ка

CuSO4middot5H2O Н2О W

См

мольл

Сэ

мольл

Сm

молькг

Т

гмл

Опыт 4 Приготовление 100 мл раствора серной кислоты с молярной

концентрацией эквивалента 01 мольл из более концентрированного раз-

бавлением водой

Для приготовления растворов заданной молярной или эквивалентной

концентраций используются мерные колбы (рис 6) различного объема (25 50

100 200 250 500 1000 мл и более) Рассчитайте объем концентрированного

раствора серной кислоты массовая доля которого определена в опыте 2 необ-

29

ходимый для приготовления 100 мл рас-

твора серной кислоты с молярной кон-

центрацией эквивалента 01 мольл Кис-

лоту перенесите пипеткой (см рис 5) в

мерную колбу объемом 100 мл предвари-

тельно налив в нее примерно 20 мл ди-

стиллированной воды После этого до-

лейте воду в колбу до метки раствор

перемешайте и охладите до комнатной

Рис 6 Мерные колбы температуры Молярная концентрация

эквивалента полученного раствора должна быть близка к 01 мольл Точную

концентрацию раствора серной кислоты определите титрованием щелочью Для

титрования бюретку с наконечником (рис 7) заполните до нулевой

метки титрованным раствором щелочи

предварительно ополоснув им бюретку В

три конические колбы (рис 8) пипеткой

налейте по 10 мл приготовленной серной

кислоты Добавьте в каждую колбу по 2ndash3

капли фенолфталеина и поочередно титруй-

те раствором щелочи из бюретки Щелочь

приливайте медленно левой рукой правой

размешивая раствор Титрование считается

законченным если от прибавления следу-

ющей капли щелочи появляется малиновое

окрашивание которое не исчезает 30 с Рис 8 Колба коническая

Рис 7 Бюретка

мерная для титрования

Для более четкого определения изменения цвета под колбу для титрова-

ния поместите лист белой бумаги Запишите объем щелочи израсходованной

на титрование 10 мл раствора серной кислоты

Аналогично оттитруйте две другие пробы кислоты Результаты парал-

лельных определений не должны различаться между собой более чем на

005ndash010 мл Возьмите из них среднее и рассчитайте точную концентрацию

приготовленного раствора серной кислоты и его титр

Опыт 5 (дополнительный) Приготовление раствора серной кислоты

смешиванием растворов с более высокой и более низкой массовыми долями

Из концентрированного (опыт 2) и имеющегося (опыт 4) в лаборатории

растворов серной кислоты приготовьте 50 мл раствора с массовой долей серной

кислоты равной 30 Для расчета объемов исходных растворов воспользуй-

тесь laquoправилом крестаraquo

30

W1 m1

W

W2 m2

где W ndash массовая доля серной кислоты приготовляемого раствора W1 и W2 ndash

более высокая и более низкая массовые доли H2SO4 в исходных растворах (для

воды W = 0) m1 и m2 ndash массы исходных растворов с более высокой и более

низкой массовой долей Соотношения для исходных растворов таковы

m1 = W ndash W2 m2 = W1 ndash W Таким образом для получения раствора массой

m = (m1 + m2) c массовой долей W необходимо взять m1 г раствора с массовой

долей W1 и m2 г раствора с массовой долей W2 (или V1 р-ра = 1

1m

ρ V2 р-ра =

2

2m

ρ)

Отмерьте вычисленные объемы растворов слейте их в цилиндр объемом 100

мл перемешайте С помощью ареометра и таблицы установите содержание

растворенного вещества в растворе и расхождение практически полученного

значения с заданным

Вопросы и задачи

1 Что произойдет с насыщенным пересыщенным и ненасыщенным рас-

творами алюмокалиевых квасцов при внесении в каждый из них нескольких

кристаллов KAl(SO4)2middot12Н2О

2 Какой объем раствора в котором массовая доля КОН составляет 12

(ρр-ра = 1109 гмл) надо взять чтобы приготовить 250 мл раствора с молярной

концентрацией 2 мольл

Ответ 178 мл

3 В 1 кг воды растворено 666 г гидроксида калия Рассчитайте массовую

долю растворенного вещества в растворе и его концентрации (молярную мо-

ляльную молярную концентрацию эквивалента молярные доли щелочи и во-

ды титр раствора) если его плотность равна 1395 гмл

Ответ 40 995 мольл 119 молькг 0176 0824 0557 гмл

4 В лаборатории имеются растворы с массовыми долями хлорида калия

20 и 40 Сколько граммов каждого раствора надо взять для получения 500 г

раствора с массовой долей соли 25

Ответ 375 г 125 г

5 Плотность раствора карбоната калия равна 122 гмл Из 1 л этого рас-

твора при действии соляной кислоты получено 445 л СО2 (ну) Вычислите

процентное содержание К2СО3 в растворе и его молярную концентрацию экви-

валента

Ответ 225 397 мольл

31

6 В каких объемах должны быть смешаны 01 н и 60 (ρ = 1498 гмл)

растворы серной кислоты чтобы получить 1 л 1 н раствора Н2SO4

Ответ 493 и 9507 мл

7 К 005 л раствора хлорида марганца (II) (ρ = 1085 гмл W = 8 ) при-

бавлено 02 л раствора гидроксида лития массовая доля LiOH в котором 10

(ρ = 1107 гмл) Какое вещество взято в избытке и в каком количестве оно

останется после реакции

Ответ 27 г

8 Для осаждения сульфата бария из раствора BaCl2 (ρ = 106 гмл

W = 8 ) объемом 100 мл требуется раствор Н2SO4 объемом 139 мл Чему равна

молярная концентрация и моляльная концентрация эквивалента раствора

Н2SO4

Ответ 0294 и 0588 мольл

9 Растворы азотной кислоты и гидроксида натрия объемом 1 л каждый

содержат соответственно 189 г HNO3 и 32 г NaOH Какова молярная концен-

трация этих растворов и в каком объемном соотношении они должны быть

смешаны для получения нейтрального раствора

Ответ 03 и 008 мольл 1 375

10 Какова масса Al(OH)3 если для его растворения потребовалось 02 л

раствора азотной кислоты (ρ = 118 гмл W = 30 ) Какой объем 25 н раство-

ра КОН необходимо затратить для растворения этого количества гидроксида

алюминия

Ответ 292 мл 015 л

Следует уметь

1 Выражать содержание растворенного вещества в растворе различными

способами и осуществлять их взаимный пересчет

2 Готовить растворы смешиванием растворенного вещества и раствори-

теля разбавлением водой концентрированного раствора смешиванием двух

растворов разной концентрации выпариванием растворителя добавлением

растворяемого вещества к раствору

3 Пользоваться ареометром мерной посудой установкой для титрова-

ния методом интерполяции laquoправилом крестаraquo

4 Определять содержание растворенного вещества в растворе по его

плотности и с помощью титрования

Работа 4 Методы очистки веществ

Задания для подготовки к лабораторной работе

1 Ознакомьтесь со следующими элементами техники выполнения лабо-

раторных работ взвешиванием на весах измельчением растворением филь-

32

трованием изготовлением простых и складчатых фильтров фильтрованием го-

рячих растворов и фильтрованием растворов под вакуумом нагреванием на

электроплитке растворов в химической посуде промыванием и высушиванием

осадков методами очистки твердых жидких и газообразных веществ

2 Выполните необходимые расчеты

Теоретическая часть

В лабораторной практике большое значение имеет очистка веществ так

как работа с загрязненными реактивами обусловливает получение неточных ре-

зультатов и неправильных выводов

Известны многочисленные методы очистки веществ фильтрование ди-

стилляция дробная перегонка возгонка зонная плавка метод транспортных

реакций и др В лабораторной практике для очистки твердых веществ чаще ис-

пользуются перекристаллизация и возгонка для очистки жидкостей ndash фильтро-

вание и перегонка газов ndash отделение примесей путем поглощения их различ-

ными химическими веществами

1 Очистка твердых веществ от примесей перекристаллизацией и

возгонкой

Перекристаллизация основана на различной растворимости одного и то-

го же вещества при различных температурах Под растворимостью понимают

содержание вещества в насыщенном растворе при данной температуре Она

выражается обычно в граммах безводного вещества на 100 г растворителя

(табл 3) или любым видом концентрации растворов (см работу 3)

Таблица 3

Растворимость солей г100 г воды

Формула соли Температура

оС

0 20 40 60 80

CuSO4 143 205 287 395 555

K2Cr2O7 46 125 259 455 730

NaNO3 727 876 1049 1247 1490

КNO3 133 316 639 1100 1690

NH4Cl 294 372 458 552 656

Зависимость растворимости от температуры изображается также кривы-

ми растворимости (рис 9) Пользуясь табл 3 и рис 9 можно определить

например что в 100 г воды при 20 и 80 оС растворяется соответственно 316 и

1690 г нитрата калия Очевидно при охлаждении насыщенного при 80 оС рас-

твора нитрата калия до 20 оС должно выпасть 1690 ndash 316 = 1374 г соли Чем

ниже температура до которой охлаждают раствор тем большее количество

кристаллов выпадает в осадок

33

При небольшом изменении растворимости в результате повышения тем-

пературы (например хлорида натрия) раствор сначала упаривают а затем

охлаждают Иногда для кристаллиза-

ции к насыщенному водному раствору

вещества добавляют реагенты пони-

жающие его растворимость в воде

(например спирт ацетон концентри-

рованную соляную кислоту) Это явле-

ние называется laquoвысаливаниемraquo

Вещества применяемые в лабо-

раторной практике содержат как пра-

вило немного растворимых приме-сей

относительно которых раствор нена-

сыщен Поэтому при кристал-лизации

вещества из насыщенного раствора

примеси остаются в маточ-ном раство-

ре Маточным называется раствор

оставшийся после отфиль- тровыва-

ния выпавших кристаллов

Рис 9 Кривые растворимости Для получения более чистых ве-

некоторых солей ществ осуществляют повторную крис-

таллизацию

Возгонка ndash это переход вещества при нагревании из твердого состояния

непосредственно в пар минуя жидкое Этим методом очищают твердые веще-

ства от нелетучих примесей например йод серу нафталин хлорид аммония

салициловую кислоту и др Пары возгоняемого вещества конденсируются в

кристаллы на поверхности охлажденных предметов

2 Очистка жидкостей перегонкой

Перегонка основана на различии состава жидкой и паровой фаз Жидкая

фаза одного состава превращается в пар с последующей конденсацией его сно-

ва в жидкость другого состава Этим методом очищают жидкие смеси от рас-

творенных в них твердых веществ или менее летучих жидкостей

Различают несколько способов перегонки жидкостей под нормальным

давлением уменьшенным давлением и с водяным паром

Перегонкой под нормальным давлением пользуются в тех случаях когда

очищаемые жидкости при нагревании не разлагаются и не имеют слишком вы-

сокую температуру кипения Индивидуальное вещество при постоянном давле-

нии кипит при строго определенной температуре Поэтому температура кипе-

ния является характеристикой чистоты вещества Оно тем чище чем меньше

разница между температурой кипения очищаемого вещества и температурой

при которой оно перегоняется

34

3 Очистка газов

Газы для очистки пропускают через поглотительные сосуды содержащие

твердые или жидкие поглотители вступающие в химические реакции с приме-

сями и не реагирующие с очищаемым газом Этот процесс включает высуши-

вание и удаление специфических примесей образующихся в процессе его по-

лучения Пары воды можно поглощать концентрированной серной кислотой

прокаленным хлоридом кальция оксидом фосфора (V) силикагелем безвод-

ным сульфатом меди пары аммиака и хлороводорода ndash водой

Экспериментальная часть

Опыт 1 Очистка медного купороса перекристаллизацией

Пользуясь табл 4 рассчитайте четырьмя способами сколько граммов

воды и медного купороса следует взять для приготовления насыщенного при 80 оС раствора соли из которого при охлаждении до 20

оС выделилось бы 10 г

пентагидрата или 64 г безводного сульфата меди

Таблица 4

Растворимость

безводного сульфата меди и кристаллогидрата сульфата меди

при 80 и 20 оС

t оС

Масса г Масса раствора

г CuSO4 Н2О CuSO4times5Н2О Н2О

80 555 100 8672 6878 1555

8069 14539 12608 100 22608

20

205 100 3203 8847 1205

1594 7774 2490 6878 9368

2317 11303 362 100 1362

I способ расчет на 10 г CuSO4middot5Н2О

m (CuSO4middot5Н2О) m (Н2О)

80 оC 8672 6878

20 оC 2490 6878

II способ расчет на 10 г CuSO4middot5Н2О

m (CuSO4middot5Н2О) m (Н2О)

80 оC 12608 100

20 оC 3620 100

III способ расчет на 64 г CuSO4

m (CuSO4) m (Н2О)

80 оC 5550 100

20 оC 1594 1774

35

IV способ расчет на 64 г CuSO4

m (CuSO4) m (Н2О)

80 оC 8069 14539

20 оC 2317 11303

Примеры расчета масс веществ

Пример 1 Какие массы дихромата калия и воды необходимо взять для

получения очищенной соли массой 30 г если перекристаллизация будет прово-

диться в температурном интервале 80ndash20 оС

Решение

1) По табл 3 находим что при 80 оС в 100 г воды растворяется 7300 г

дихромата калия а при 20 оС ndash 1250 г

2) Следовательно при охлаждении раствора от 80 до 20 оС выделится

7300 ndash 1250 = 6050 г соли

3) Массу дихромата калия необходимую для получения 30 г очищенной

соли вычисляем следующим образом

для выделения 6050 г соли требуется 7300 г дихромата калия

для 30 г -------------------- х г х = 5060

0073middot30= 3619 г

4) Объем воды в котором должна быть растворена эта навеска рассчиты-

вается так

73 г дихромата калия растворяются в 100 г воды

362 г -------------------------------------- в х г

х = 73

100middot236= 4959 г (4959 мл так как плотность воды принимаем

равной 1 гмл)

Пример 2 Какую массу воды и медного купороса надо взять для приго-

товления насыщенного при 80 оС раствора соли из которого при последующем

охлаждении до 0 оС выделяется пентагидрат сульфата меди (II) массой 20 г

Решение

1) Учитывая растворимости безводного сульфата меди при 80 и 0 оС рас-

считаем какой массе кристаллогидрата соответствует масса безводной соли

555 и 143 г (CuSO4)

М(CuSO4middot5Н2О) = 250 гмоль М(CuSO4) = 160 гмоль

160 г безводной соли содержится в 250 г кристаллогидрата

555 г ----------------------------------- в х г

х = 160

250middot555= 867 г (80

оС)

160 г безводной соли содержится в 250 г кристаллогидрата

143 г ----------------------------------- в у г

у = 160

250middot314= 223 г (0

оС)

36

2) Вычисляем массу воды необходимую для растворения кристаллогид-

рата при соответствующих температурах

80 оС 100 ndash (867 ndash 555) = 688 г

0 оС 100 ndash (223 ndash 143) = 92 г

3) Масса медного купороса растворенная в воде массой 688 г при 0 оС

будет равна

в 92 г воды растворяются 223 г медного купороса

в 688 г ----------------------- х г

х = 688middot223

92= 1668 г

4) Масса кристаллогидрата выделяющегося при охлаждении от 80 до

0 оС равна 867 ndash 167 = 700 г

5) По условию задачи требуется получить медный купорос массой 20 г

Для выделения 70 г кристаллогидрата необходимо растворить его 867 г

для выделения 20 г ----------------------------------------------------------- х г

х = 2477 г

6) Масса воды необходимая для растворения 2477 г кристаллогидрата

для растворения 867 г кристаллогидрата требуется 668 г воды

для 2477 г ---------------------------------------------------- х г

х = 1965 г или 1965 мл (так как ρ OH2= 1 гмл)

Рассчитанную массу медного купороса взвесьте поместив его на часовое

стекло Отмерьте мерным цилиндром (см рис3) необходимый объем дистил-

лированной воды Вылейте воду в стакан из термостойкого стекла и нагрейте

до начала кипения Затем поместите навеску медного купороса в стакан с

нагретой водой и растворите при помешивании стеклянной палочкой Если по-

лученный раствор прозрачный и не содержит механических примесей то охла-

дите его до 20 оС помешивая стеклянной палочкой Если в приготовленном ис-

ходном растворе содержатся нерастворимые примеси то прежде чем охладить

раствор его необходимо отфильтровать через воронку для горячего фильтро-

вания (рис 10) с применением складчатого фильтра (рис 11)

Для нагрева воронки можно использовать

горячую воду из водопроводной сети Воронка имеет боковой отросток под который подстав-

ляют газовую горелку для нагревания находя-

щейся между стенками воды

При фильтровании легко воспламеняю-

щихся жидкостей применяют воронки с элек-

трическим обогревом

Рис 10 Воронка для горячего фильтрования

37

Для изготовления складчатого фильтра нужно взять соответствующий

размеру воронки квадрат из фильтровальной бумаги сложить его пополам и за-

тем еще раз пополам Внешние углы обрезать по дуге сложить laquoгармошкойraquo

При изготовлении простого фильтра приготовить конус как описано вы-

ше отогнуть один листочек и полученный конус вставить в воронку смочить

его дистиллированной водой (рис 12) Необходимо чтобы фильтр плотно при-

легал к стенкам воронки и между ними не было пузырьков воздуха Край филь-

тра должен быть ниже края воронки не менее чем на 05 см (рис 12 г)

Рис 11 Складчатый фильтр Рис 12 Изготовление простого фильтра

а-в ndash стадии изготовления г ndash фильтр помещен в воронку

Стеклянную воронку с развернутым складчатым фильтром поместите в

воронку для горячего фильтрования фильтр смочите ди-

стиллированной водой Жидкость перелейте на фильтр по

стеклянной палочке (рис 13) держать которую нужно в ле-

вой руке профильтруйте и охладите раствор до 20 оС

Выпавшие кристаллы отделите от маточного раствора

с помощью прибора изображенного на рис 14

Он состоит из фарфоровой воронки Бюхнера (1) колбы Бун-

зена (2) водоструйного вакуум-насоса или насоса Камовско-

го На сетчатое дно воронки Бюх-

нера положите два кружка филь-

тровальной бумаги Чтобы выре-

зать эти фильтры на верх воронки

положите два листа фильтроваль-

ной бумаги и плот-но прижмите

ладонью затем ножницами вы-

режьте один по обозначенному

контору другой ndash на 3ndash4 мм Рис 13 Фильтрование

меньше

На дно воронки вначале положите фильтр меньшего

размера затем большего смочите их дистиллирован-

ной водой и прижмите края к стенкам воронки

Вставьте воронку в колбу Бунзена перенесите в нее

кристаллы вместе с маточным раствором подсоеди-

Рис 14 Установка для ните прибор к насосу и включите его После отделе-

фильтрования с примене- ния кристаллов промойте их в 5ndash10 мл холодной дис- нием вакуума

38

тиллированной воды для удаления остатков маточного раствора

При перекристаллизации нужно получить вещество в кристаллах средне-

го размера так как крупные кристаллы обычно содержат включения маточного

раствора с находящимися в нем примесями а очень мелкие будучи свобод-

ными от этих включений образуют густую кашицу между отдельными кри-

сталлами которой прочно удерживается маточный раствор и отмыть его полно-

стью без потери вещества не удается

Снять кристаллы с воронки перевернув ее на лист фильтровальной бу-

маги и осторожно постучав по ее стенкам Сушить кристаллы нужно в сушиль-

ном шкафу или между листами фильтровальной бумаги до тех пор пока они

не перестанут прилипать к сухой стеклянной палочке Взвесьте перекристал-

лизованную соль и рассчитайте ее выход в процентах Раствор очищенной со-

ли и маточный раствор испытайте на присутствие хлорид-ионов (Реакция с

нитратом серебра в пробирку с небольшим количеством раствора добавьте

каплю раствора нитрата серебра и две капли азотной кислоты Выпавший бе-

лый осадок является хлоридом серебра)

Для уменьшения потери вещества при перекристаллизации маточный

раствор можно упарить наполовину и выделить новую порцию вещества по ме-

тодике описанной выше

Опыт 2 Возгонка йода

Взвесьте на часовом стекле 020 г йода 005 г йодида калия и 010 г окси-

да кальция (оксид кальция необходим для поглощения влаги йодид калия ndash для

очистки от примесей кислородных и других соединений йода) Смесь помести-

те на дно низкого тонкостенного стакана без носика и осторожно размешайте

стеклянной палочкой Накройте стакан круглодонной колбой наполненной

холодной водой (рис 15)

Поставьте стакан на кольцо штатива с асбестовой сеткой осторожно

нагрейте его дно пламенем спиртовки и наблюдайте возгонку йода По окон-

чании процесса прекратите нагревание и дайте стакану охладиться не снимая с

него колбы Затем поднимите колбу и осторожно снимите стеклянной палочкой

йод на предварительно взвешенное часовое стекло (кристаллы йода не сни-

мать металлическим шпателем так как йод взаимодействует с большинством

металлов) Определите массу йода и рассчитайте его выход в процентах

39

а б

Рис 15 Возгонка йода а ndash начало процесса б ndash конец процесса

Опыт 3 Очистка водопроводной воды перегонкой

Для очистки водопроводной воды соберите прибор для перегонки пред-

ставленный на рис 16 Он состоит из колбы Вюрца (1) в которую вставлен

термометр холодильника Либиха (2) аллонжа (3) колбы-приемника (4) с

хлоркальциевой трубкой Проверьте водопроводную воду на содержание в ней

ионов хлора (с использованием раствора нитрата серебра) ионов кальция и

магния

Для доказательства

наличия ионов кальция и

магния в пробирку налейте

5ndash6 мл водопроводной во-

ды добавьте 1 мл амми-

ачной буферной смеси и 3ndash

4 капли индикатора эри-

хрома черного Т Винно-

красная окраска жидкости

свидетельствует о наличии в

воде ионов кальция и маг-

ния фиолетовая ndash указы-

Рис16 Установка для перегонки воды вает на их отсутствие

Далее колбу Вюрца на 13 объема наполните водопроводной водой поместите

в нее для равномерного кипения жидкости несколько стеклянных капилляров

запаянных с одного конца Закройте отверстие колбы Вюрца пробкой с термо-

40

метром (ртутный шарик термометра должен быть немного ниже уровня отвод-

ной трубки колбы) Заполните холодильник водой (ток воды подается снизу

вверх) Приемник закройте пробкой снабженной аллонжем и хлоркальциевой

трубкой с натронной известью для поглощения углекислого газа из воздуха

Нагрейте на электроплитке воду до кипения предварительно положив под дно

колбы асбестовую сетку Отметьте при какой температуре закипит жидкость

Когда в приемнике соберется приблизительно 10 мл воды нагревание

прекратите Проверьте содержит ли дистиллированная вода ионы которые бы-

ли в водопроводной

Опыт 4 Очистка углекислого газа

Соберите прибор для получения и очистки оксида углерода (IV) (см

рис 1) Он состоит из аппарата Киппа и двух промывных склянок Тищенко В

одной из них находится дистиллированная вода (или раствор гидрокарбоната

натрия) в другой ndash концентрированная серная кислота

Получите углекислый газ в аппарате Киппа Для этого загрузите мрамор в

его средний шар и налейте через воронку такое количество 20 раствора соля-

ной кислоты чтобы он закрыл часть мрамора

Пропустите в течение 2 мин слабый ток оксида углерода (IV) через про-

мывные склянки Убедитесь с помощью обезвоженного сульфата меди содер-

жащегося в хлоркальциевой трубке что углекислый газ сухой Исследуйте

жидкость в склянке с дистиллированной водой на содержание в ней хлорид-

ионов Сделайте выводы

Вопросы и задачи

1 На чем основан процесс перекристаллизации

2 Как перекристаллизовать вещества растворимость которых изменяется

от температуры незначительно

3 Какой раствор называется маточным

4 Где остаются примеси после перекристаллизации и почему

5 От каких факторов зависит величина кристаллов Какие кристаллы со-

держат меньше примесей мелкие или крупные

6 От каких примесей освобождаются при очистке твердых веществ воз-

гонкой На чем основан этот метод

7 С какой целью при возгонке к йоду добавляют йодид калия и оксид

кальция

8 На каких физических процессах основана перегонка

41

9 Какой принцип лежит в основе работы холодильника

10 С какой целью при перегонке в колбу Вюрца добавляют так называе-

мые laquoкипелкиraquo (стеклянные трубки пористые материалы и т д)

11 От каких примесей очищается водопроводная вода при перегонке

12 Какие примеси присутствуют в диоксиде углерода полученном в ап-

парате Киппа и как их устранить

13 В насыщенном при 60 оС растворе сульфата калия его массовая доля

равна 154 Выразите растворимость в граммах на 100 г воды

Ответ 1829 г

14 Какая масса хлорида аммония выпадает в осадок при охлаждении до

0 оС насыщенного при 80

оС раствора массой 800 г

Ответ 17488 г

15 Какую массу воды и дихромата калия нужно взять для получения соли

массой 30 г если насыщение осуществлять при 60 а кристаллизацию ndash при

20 оС

Ответ 9090 г 4136 г

16 Какую массу нитрата натрия можно получить из раствора приготов-

ленного путем насыщения при 60 оС 25 мл воды и охлаждении до 0

оС (раство-

римость веществ приведена в табл 3)

Ответ 13 г

Следует уметь

1 Рассчитывать массы растворенного вещества и растворителя необхо-

димые для получения заданной массы очищенной соли

2 Взвешивать на весах отмерять жидкость цилиндром нагревать хими-

ческую посуду на электроплитке

3 Изготавливать простые и складчатые фильтры фильтровать при обыч-

ном давлении и под вакуумом

4 Рассчитывать практический выход продуктов

5 Правильно называть приборы и химическую посуду

6 Пользоваться аппаратом Киппа холодильником Либиха воронкой го-

рячего фильтрования

7 Проверять воду на чистоту

42

Работа 5 Определение изменения энтальпий физико-химических

процессов

Задания для подготовки к лабораторной работе

1 Повторите основные понятия изменение энтальпии реакции ∆rН изме-

нение энтальпии образования вещества ∆fН тепловой эффект реакции Qр-ции

тепловой эффект образования вещества Qобр закон Гесса и следствия из него

2 Ознакомьтесь с устройством калориметрической установки и зарисуйте

ее схему (рис 17)

Теоретическая часть

Большинство химических реакций сопровождается переходом химиче-

ской энергии в тепловую экзотермические реакции осуществляются с выделе-

нием тепла эндотермические ndash с поглощением

Количество тепла выделяющегося или поглощающегося при химической

реакции называется тепловым эффектом реакции который обозначается Qр-ции

или Qr где индекс laquorraquo ndash первая буква английского слова reaction

Тепловой эффект химической реакции при постоянном давлении Qр (ин-

декс laquoрraquo указывает постоянное давление) численно равен изменению энтальпии

∆rН взятой с противоположным знаком Qp = minus∆rН Тепловой эффект и измене-

ние энтальпии химической реакции измеряются в килоджоулях (кДж) или в ки-

локалориях (ккал) Уравнения химических реакций в которых указываются

тепловые эффекты или изменения энтальпии называются термохимическими

Энергетические эффекты различных процессов определяют эксперимен-

тально а термохимические расчеты проводят на базе основного закона термо-

химии ndash закона Гесса тепловой эффект изменение энтальпии изменение внут-

ренней энергии химической реакции зависят от природы и состояния исходных

веществ и конечных продуктов но не зависят от числа и характера промежу-

точных стадий процесса Этот закон лежит в основе расчета Q ∆Н ∆U различ-

ных процессов minus образования разложения сгорания растворения гидратации

нейтрализации и др

Если в ходе процесса при постоянном давлении системой совершается

работа расширения то Qp = ∆U + Р middot ∆V РV = nRT Р middot ∆V = ∆n middot RT

∆Н = ∆U + ∆n middot RT ∆U = ∆Н minus ∆n middot RT где ∆n ndash изменение числа молей газооб-

разных продуктов реакции и исходных веществ (∆n = продn minus исх

n )

Тепловой эффект (изменение энтальпии) растворения ndash теплота растворе-

ния (энтальпия растворения) данного вещества в данном растворителе опреде-

ляется количеством теплоты (изменением энтальпии) которое выделяется или

поглощается при растворении одного моля вещества в таком количестве рас-

творителя что дальнейшее прибавление последнего уже не вызывает дополни-

тельного теплового эффекта (изменения энтальпии)

Пример 1 Растворение Na2SO4 сопровождается выделением теплоты

(29 кДжмоль) а при растворении кристаллогидрата Na2SO4middot10Н2О происходит

43

поглощение теплоты (787 кДжмоль) Вычислите изменение энтальпии гидра-

тации

Решение

1 Термохимическое уравнение растворения Na2SO4

Na2SO4 (к) + aq rarr Na2SO4middotaq ∆Н1 (растворения безводной соли) = minus29 кДж

2 Процесс гидратации безводной соли

Na2SO4 (к) + 10Н2О(ж) rarr (Na2SO4 middot10Н2О)(к) ∆Н2 (гидратации) minus

3 Термохимическое уравнение растворения кристаллогидрата

Na2SO4middot10Н2О + aq rarr Na2SO4middot aq ∆Н3 (растворения кристаллогидрата) =

= 787 кДж

В соответствии с законом Гесса процесс растворения безводной соли (1)

складывается из процесса гидратации (2) и процесса растворения кристалло-

гидрата (3) те ∆Н1 = ∆Н2 + ∆Н3

Тогда ∆Н2 (гидратации) = ∆Н1 (растворения безводной соли) minus ∆Н3 (рас-

творения кристаллогидрата) = minus29 кДж minus 787 кДж = minus816 кДж

1-е следствие из закона Гесса изменение энтальпии реакции равно

сумме изменения энтальпий образования продуктов реакции за вычетом

суммы изменения энтальпий образования исходных веществ с учетом сте-

хиометрических коэффициентов

Пусть аА + бБ = сС + дД а б с д ndash стехиометрические коэффициенты

Тогда ∆rН = с middot ∆fНС + д middot ∆fНD minus а middot ∆fНА minus б middot ∆fНВ

Пример 2 Вычислите ∆Н 0

298 растворения NaOH в воде при образовании

раствора с концентрацией См = 1 мольл

Решение

Процесс растворения NaOH схематически выражается уравнением

NaOH(к) + aq rarr Na (р)

+ OH р

∆fН0

298 кДжмоль minus4268 minus2397 minus2284

∆rН0

298 = minus2397 minus 2284 + 4268 = minus413 кДж

Опыт подтверждает что растворение твердого NaOH сопровождается

разогреванием раствора

2-е следствие из закона Гесса изменение энтальпии реакции равно

сумме изменения энтальпий сгорания исходных веществ за вычетом суммы

изменения энтальпий сгорания продуктов реакции (с учетом стехиомет-

рических коэффициентов)

Пример 3 Вычислите ∆Н 0

298 реакции которая выражается уравнением

СН3СООН(ж) + С2Н5ОН(ж) = СН3СООС2Н5(ж) + Н2О(ж) ∆rН0

1 minus

Изменение энтальпии этого процесса можно рассчитать алгебраически

суммируя энтальпии сгорания

СН3СООН(ж) + 2О2(г) = 2СО2(г) + 2Н2О(ж) ∆rН0

2 = minus8711 кДж

2С2Н5ОН(ж) + 3О2(г) = 2СО2(г) + 3Н2О(ж) ∆rН0

3 = minus1367 кДж

СН3СООС2Н5(ж) + 5О2(г) = 4СО2(г) + 4Н2О(ж) ∆rН0

4 = minus2284 кДж

44

∆rН0

1 = ∆rН0

2 + ∆rН0

3 minus ∆rН

0

4 = minus8711 minus1367 + 22840 = minus46 кДж

Различают изменение энтальпий фазовых и химических превращений К

фазовым относят сублимацию испарение плавление полиморфные превраще-

ния переход из аморфного состояния в кристаллическое Разновидностью хи-

мических реакций служат процессы электролитической диссоциации и химиче-

ские превращения в водных растворах электролитов

Большое значение для развития химии имеет определение изменения эн-

тальпии нейтрализации кислоты щелочью ∆Ннейтр одного моля сильной кисло-

ты одним молем сильного основания ndash величина постоянная Этот факт объяс-

няет теория электролитической диссоциации Аррениуса согласно которой лю-

бая реакция нейтрализации сводится к следующему процессу

Н р-р

+ ОН р-р

= Н2О(ж)

∆fН0

298кДжмоль 0 minus23019 minus28583 Изменение энтальпии этой реакции

∆Н 0

298 нейтр = minus28583 + 23019 = minus556 кДж

∆Ннейтр слабых кислот слабыми основаниями ndash величина переменная за-

висящая от их констант диссоциации и соответственно от концентрации ионов

водорода Н р-р

и гидроксид-ионов ОН р-р

в растворе и имеет значение мень-

шее чем 556 кДжмоль

Экспериментальная часть

Опыт 1 Определение изменения энтальпии нейтрализации сильного

основания сильной кислотой

Для проведения опыта используйте калориметрическую установку

(рис 17) Она состоит из калориметрического стакана (1) вставленного в дру-

гой стакан (2) который играет роль теплоизо-

лирующей муфты подставки (3) крышки (4)

термометра (5) мешалки (6) пипетки (7) шта-

тива (8)

Взвесьте калориметрический стакан и

влейте в него из пипетки (бюретки) 25 мл рас-

твора NaOH или КОН с концентрацией Сэ

= 1 мольл и отметьте температуру с точностью

до 01 оС В другой стакан налейте из бюретки

25 мл НСl или HNO3 такой же концентрации и

измерьте с той же точностью температуру рас-

твора кислоты Затем быстро но аккуратно

влейте раствор кислоты в калори-

Рис 17 Калориметрическая метрический стакан Перемешивая мешалкой

установка содержимое сосуда отметьте максимальную

температуру смеси

Полученные данные используйте для расчетов Расчет проводите по сле-

дующей схеме

45

1 Вычислите изменение энтальпии реакции

NaOH (КОН) + НСl (HNO3) = Н2О + NaCl (KCl)

∆rН0 = (mж middot Cж + mст middot Cст) middot ∆t ∆t = tкон minus tнач где tкон tнач ndash конечная и

начальная температуры (оС) растворов в калориметрическом сосуде mст mж ndash

масса стеклянного калориметрического сосуда и находящейся в нем жидкости

Cст Cж ndash удельные теплоемкости стекла и жидкости Начальная температура ndash

это среднеарифметическая температура щелочи и кислоты конечная ndash наивыс-

шая температура после сливания растворов плотность раствора принять равной

1 гмл его удельную теплоемкость ndash равной теплоемкости воды

(4184 ДжгmiddotК) а удельную теплоемкость стекла ndash 0753 ДжгmiddotК Массу стакана

(mст) определяют в зависимости от того какая часть его объема заполняется

раствором (если наполовину то стm

2)

2 Составьте ионно-молекулярное уравнение реакции нейтрализации и

рассчитайте изменение энтальпии нейтрализации одного моля эквивалента

кислоты по результатам проведенного опыта

3 Определите относительную ошибку опыта (в процентах)

Опыт 2 Определение изменения энтальпии нейтрализации слабого

основания слабой кислотой

Проведите опыт аналогично первому взяв растворы аммиака и уксусной

кислоты с концентрацией Сэ = 1 мольл Вычислите изменение энтальпии

нейтрализации в расчете на 1 моль эквивалентов уксусной кислоты Сравните

результаты с данными предыдущего опыта

Опыт 3 Определение изменения энтальпии растворения безводного

сульфата меди (II)

Опыт проведите в калориметрической установке (см рис 17) В предва-

рительно взвешенный калориметрический стакан налейте 30 мл дистиллиро-

ванной воды определите ее температуру с точностью до 01 оС Взвесьте 1 г

безводного сульфата меди (II) с точностью до 001 г Быстро и аккуратно

всыпьте соль в калориметрический сосуд Размешивая его содержимое мешал-

кой отметьте максимальную температуру Зная разность температур общую

массу раствора и приняв удельную теплоемкость раствора равной удельной

теплоемкости воды рассчитайте изменение энтальпии данного процесса на

1 моль безводной соли

I 1 CuSO4 (к) + aq rarr CuSO4 middot aq ∆Н 0

р-ния б сminus

Имея в виду что гидратация безводной соли и растворение кристалло-

гидрата выражаются следующими термохимическими уравнениями

1 CuSO4(к) + 5H2O(ж) = CuSO4middot5H2O(к) ∆Н 0

1 = minus778 кДж ndash изменение

II энтальпии при гидратации

2 CuSO4middot5H2O(к) + aq = CuSO4 middot aq ∆Н 0

2 = 117 кДж ndash изменение энталь-

пии растворения кристаллогидрата рассчитайте ∆Н 0

р-ния б с CuSO4 на основе за-

46

кона Гесса ∆Н(р-ния б с) = ∆Н(гидрат) + ∆Н(р-ния кристаллогидрата) Сравните теоретиче-

ские и экспериментально рассчитанные значения изменения энтальпии и опре-

делите относительную погрешность опыта (в процентах)

Опыт 4 Определение изменения энтальпии гидратации карбоната

натрия

Опыт проведите по методике описанной в опыте 3 Взятая навеска кар-

боната должна составлять примерно 07 г Опыт и расчеты повторите для кри-

сталлогидрата Na2CO3middot10Н2О (навеска ndash 15 г на 30 мл воды) По найденным

изменениям энтальпий растворения Na2CO3 и Na2CO3middot10Н2О вычислите изме-

нение энтальпии гидратации карбоната натрия и сравните с литературными

данными

(∆Н 0

р-ния б с= minus251 кДжмоль ∆Н

0

гидрат = minus920 кДжмоль

∆Н 0

р-ния кристаллогидрата = 669 кДжмоль)

Вопросы и задачи

1 Почему химические и фазовые превращения сопровождаются выделе-

нием или поглощением энергии Почему в одних случаях энергия выделяется а

в других поглощается

2 Рассчитайте среднюю энергию связи в молекулах СН4 и SiH4 если из-

вестны изменения энтальпий образования Н (г) С (г) Si (г) и СН4 (г) SiH4 (г)

Объясните различия средней энергии связи С ndash Н Si ndash Н

Ответ 415325 кДжмоль

3 Вычислите среднюю энергию связи Н ndash О в молекуле воды если из-

вестно изменение энтальпии образования Н2О (г) Н (г) и О (г)

Ответ 462 кДжмоль

4 Вычислите изменение энтальпии реакции нейтрализации растворов

КОН и НСl CsOH и H2SO4 NaOH и HNO3 в случае очень разбавленных рас-

творов в расчете на 1 моль Н2О в стандартных условиях Почему изменение эн-

тальпий этих реакций одинаковы Почему значения изменения энтальпий

нейтрализации разных слабых оснований и кислот различны

Ответ minus556 кДжмоль

5 При растворении 10 г СаСl2 в 200 мл воды температура раствора повы-

силась на 77 К Вычислите изменение энтальпии гидратации СаСl2 если изме-

нение энтальпии растворения СаСl2middot6Н2О равна 1908 кДжмоль Удельную

теплоемкость раствора примите равной удельной теплоемкости воды

(4184 ДжгmiddotК) Ответ minus9423 кДжмоль

6 При растворении 8 г хлорида аммония в 20 г воды температура понизи-

лась на 2 оС Вычислите ∆Н растворения NH4Cl в воде принимая удельную

теплоемкость полученного раствора равной 41870 Дж(г middot К)

Ответ minus163 кДжмоль

47

7 Рассчитайте ∆rН растворения алюминия в разбавленной соляной кисло-

те если стандартные изменения энтальпий образования реагирующих веществ

равны ∆fНHCl (p-p) = minus1675 кДжмоль ∆fН 3 р-р

AlCl = minus6723 кДжмоль

Ответ minus3396 кДж

8 При растворении 5206 г BaCl2 в 400 моль Н2О выделяется 216 кДж

теплоты Вычислите ∆Н гидратации безводного BaCl2

Ответ 2713 кДжмоль

9 При растворении 16 г СаС2 в воде выделяется 313 кДж теплоты Опре-

делите изменение стандартной энтальпии образования Са(ОН)2

Ответ minus98633 кДжмоль

10 Вычислите изменение энтальпии при сгорании 20 л диборана (ну)

если ∆fН (В2О3 (к)) = minus1264 кДжмоль ∆fН (В2Н6 (г)) = 314 кДжмоль Целе-

сообразно ли использовать в качестве топлива диборан вместо этана если

стандартное изменение энтальпии сгорания этана равно minus155988 кДжмоль

Ответ minus19220 кДж

Следует уметь

1 Используя калориметрический метод рассчитывать энтальпию различ-

ных физико-химических процессов

2 Вычислять энтальпию реакции по энтальпиям образования исходных

веществ и конечных продуктов пользуясь законом Гесса и его следствиями

3 Учитывать влияние прочности химических связей в продуктах реакции

и исходных веществах на энтальпию реакции

48

Библиографический список

1 Еремин В В Основы общей и физической химии В В Еремин

А Я Борщевский ndash М Интеллект 2012 ndash 800 c

2 Неорганическая химия в 3 т под ред Ю Д Третьякова ndash М Ака-

демия 2011 minus 2012 ndash Т 1 ndash 240 с Т 2 ndash 368 с Т 3 (1) ndash 352 с Т 3 (2) ndash 400 с

3 Павлов Н Н Общая и неорганическая химия Н Н Павлов ndash М Лань

2011 ndash 496 с

4 Росин И В Общая и неорганическая химия Современный курс И

В Росин Л Д Томина ndash М Юрайт 2012 ndash 1338 с

5 Шрайвер Д Неорганическая химия в 2-х т Д Шрайвер П Эткинс ndash

М Мир 2013 Т 1 ndash 679 с Т 2 ndash 486 с

Содержание

Правила работы в химической лабораторииhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip3

Работа 1 Определение молярных масс газообразных веществhelliphelliphelliphellip4

Работа 2 Определение молярных масс эквивалентовhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip12

Работа 3 Приготовление растворовhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip24

Работа 4 Методы очистки веществhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip32

Работа 5 Определение изменения энтальпий

физико-химических процессовhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip42

Библиографический списокhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip48

Page 13: МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ К ЛАБОРАТОРНОМУ ...phys-chem.mrsu.ru/wp-content/uploads/2017/11/...МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ К ЛАБОРАТОРНОМУ

13

С одним ионом водорода взаимодействует один гидроксид-ион Эквива-

лент (ОНminus) равноценен иону (ОН

minus)

в) Са(ОН)2 + Н2SО4 rarr СаSО4darr + 2Н2О

Одному Н+ эквивалентны

1

2доля иона Са

2+ 1 ион ОН

minus

1

2доля иона

SO 2

4

э (Са2+

) = 1

2 иона Са

2+ э

(SO 2

4

) = 1

2иона SO 2

4

э (ОНminus) = 1 иону ОН

minus э

(Са2+

) э (SO 2

4

) ndash условно существующие частицы э (ОНminus) ndash реальная частица

г) Al(NO3)3 + H3PO4rarrAlPO4 + 3HNO3 Одному Н+ эквивалентны

1

3 доля

Al3+

1 ион NO3

1

3 доля иона РО 3

4

э (Al3+

) = 1

3иона Al

3+ э (NO

3

) = иону NO3

э (РО 3

4

) = 1

3 иона РО 3

4

э (NO3

) ndash реальная частица э (Al3+

) э (РО 3

4

) ndash условно

существующие частицы

+5 +4 +6 minus1

д) КСlО3 + 3MnO2 + 6KOH rarr3K2MnO4 + KCl + 3H2O

ClO3

+ 3H2O + 6 ē rarr Clminus + 6OH

minus 1

MnO2 + 4OHminus minus 2 ē rarr MnO 2

4

+ 2H2O 3

Одна молекула КСlО3 принимает 6 ē значит э (КСlО3) = 1

6 часть моле-

кулы КСlО3 Одна молекула MnO2 отдает 2 ē значит э (MnO2) = 1

2часть моле-

кулы MnO2 В схеме реакции с учетом стехиометрических коэффициентов

участвуют по 6 эквивалентов КСlО3 MnO2 KOH

Фактор эквивалентности (fЭ) ndash число которое показывает какая доля

атома молекулы иона является эквивалентом Если fЭ = 1 то эквивалент ndash ре-

альная частица так как он равноценен атому молекуле или иону если fЭ lt 1 то

эквивалент ndash условная частица так как эквивалент в этом случае какая-то доля

реально существующей частицы

fЭ = 1

z где z ndash эквивалентное число

Для элементов и молекул простых веществ состоящих из одного атома

fЭ = 1

B где В ndash валентность элемента образующего простое вещество те

z = В

Пример

fЭ (Н) = 1 fЭ (О) = 1

2 fЭ (

V

P ) = 1

5 fЭ (Са) =

1

2 fЭ (Al) =

1

3 fЭ (Na) = 1

fЭ (III

P ) = 1

3

Для простых веществ состоящих из нескольких атомов fЭ = 1

B n где nndash

количество атомов элемента в молекуле простого вещества те z = В n

14

Пример

fЭ (Н2) = 1

1 2 =

1

2 fЭ (О2) =

1

2 2=

1

4 fЭ (Г2) =

1

1 2 =

1

2 fЭ (N2) =

1

3 2 =

= 1

6 fЭ (О3) =

1

2 3 =

1

6

Для элемента входящего в состав любого сложного вещества fЭ = 1

х

где х ndash степень окисления этого элемента взятая по модулю

Пример

MnO fЭ (Mn) = 1

2 Mn2O3 fЭ (Mn) =

1

3

MnO2 fЭ (Mn) = 1

4 Mn2O7 fЭ (Mn) =

1

7

Для оксидов R2Oх fЭ = 1

2x где х ndash степень окисления элемента образу-

ющего оксид те z = |2x| Таким образом

fЭ(оксида)=

1

сумма по модулю всех зарядов + или поляризованныхчастиц образующих оксид

fЭ (Al2O3)=

1

3 2 =

1

2 3 =

1

6 fЭ (ОsО4) =

1

8 1 =

1

2 4 =

1

8

Для кислот оснований солей

fЭ = 1

сумма по модулю всех зарядов катионов или анионов

fЭ (Н3РО4) =

1

1 3 =

1

3 1 =

1

3 =

1

основность кислоты z = 3

fЭ (Al(ОН)3) =

1

3 1 =

1

1 3 =

1

3 =

1

кислотность основания z = 3

fЭ (Na2SО4) =

1

1 2 =

1

2 1 =

1

2 z = 2

fЭ [Al2(SО4)3] =

1

3 2 =

1

2 3 =

1

6 z = 6

fЭ (NaНSО4) =

1

1 1 =

1

1 1 = 1 z = 1

fЭ [(AlОН)Cl2] =

1

2 1 =

1

1 2 =

1

2 z = 2

fЭ 3 4 2Cu NH OH =

1

2 1 =

1

1 2 =

1

2 z = 2

Фактор эквивалентности (fЭ )и эквивалентное число (z) зависят от ос-

новности кислоты или кислотности основания в соответствии с которыми они

вступают в химическое взаимодействие

Пример

а) 2Н3РО4 + 3Са(ОН)2 rarr Са3(РО4)2 + 6Н2О

15

Основность кислоты равна 3 кислотность основания равна 2 так как в

кислоте замещаются 3 иона водорода в основании ndash 2 гидроксид-иона

z (Н3РО4) = 3 z (Са(ОН)2) = 2 fЭ (Н3РО4) = 1

3 fЭ (Са(ОН)2) =

1

2

б) 2Н3РО4 + Са(ОН)2 rarr Са(Н2РО4)2 + 2Н2О

Основность кислоты равна 1 кислотность основания ndash 2

z (Н3РО4) = 1 z (Са(ОН)2) = 2 fЭ (Н3РО4) = 1 fЭ (Са(ОН)2) = 1

2

в) Н3РО4 + Са(ОН)2 rarr СаНРО4 + 2Н2О

Основность кислоты равна 2 кислотность основания равна 2

z (Н3РО4) = 2 z (Са(ОН)2) = 2 fЭ (Н3РО4) = 1

2 fЭ (Са(ОН)2) =

1

2

г) Н3РО4 + 3Са(ОН)2 rarr (СаОН)3РО4 + 3Н2О

Основность кислоты равна 3 кислотность основания равна 1

z (Н3РО4) = 3 z (Са(ОН)2) = 1 fЭ (Н3РО4) =1

3 fЭ (Са(ОН)2) = 1

д) 2Al(OH)3 + Н2SO4 rarr [Al(OH)2]2SO4 + 2Н2О

Основность кислоты равна 2 кислотность основания равна 1

z (Al(OH)3) = 1 z (Н2SO4) = 2 fЭ (Al(OH)3) =1 fЭ (Н2SO4) = 1

2

е) Al(OH)3 + Н2SO4 rarr [Al(OH)]SO4 + 2Н2О

Основность кислоты равна 2 кислотность основания равна 2

z (Al(OH)3) = 2 z (Н2SO4) = 2 fЭ (Al(OH)3) =1

2 fЭ (Н2SO4) =

1

2

Для окислительно-восстановительных реакций fЭ (окислителя) = 1

n

fЭ (восстановителя) = 1

n где n ndash число электронов принятых или отдан-

ных 1 молекулой или 1 ионом окислителя или восстановителя соответственно

Пример

MnO4

+ 8H+ + 5 ē rarr Mn

2+ + 4Н2О z = 5 fЭ =

1

5

SO 2

3

+ Н2О minus 2 ē = SO 2

4

+ 2H+ z = 2 fЭ =

1

2

Молярная масса эквивалентов вещества (Мэ гмоль) ndash это масса

1 моля эквивалентов вещества или 6022middot1023

эквивалентов вещества

Мэ = fЭ middot М = M

z =

m

э где М ndash молярная масса гмоль m ndash масса (г) ве-

щества количеством νэ (моль)

Пример

Мэ (Н) = fЭ middot М (Н) = 1 middot 1008 гмоль = 1008 гмоль

Мэ (Н2) = 1

2middot М (Н2) =

1

2middot 2016 гмоль = 1008 гмоль

Мэ (О) = 1

2middot М (О) =

1

2middot 16 гмоль = 8 гмоль

16

Мэ (О2) = 1

4middot М (О2) =

32 гмоль

4 = 8 гмоль

Мэ (Na) = М (Na) = 23 гмоль

Мэ (ОНminus) = М (ОН

minus) = 17 гмоль

Мэ (С) в СО = 12 гмоль

2 = 6 гмоль

Мэ (С) в СО2 = 12 гмоль

4 = 3 гмоль

Для оксидов R2Oх

Мэ (R2Ox) = fЭ middot М (R2Ox)

Мэ (R2Ox) = Мэ (R) + Мэ (O) = fЭ (R) middot М (R) + 8

Пример

Мэ (Al2O3) = 1

6middot M (Al2O3) =

102 гмоль

6 = 17 гмоль

Мэ (Al2O3) = 27 гмоль

3+ 8 гмоль = 17 гмоль

Мэ (кислоты) = fЭ middot М (кислоты)

Мэ (кислоты) = 1

основность кислотыmiddot М (кислоты)

Мэ (кислоты) = Мэ (Н+) + Мэ (А

minus) = 1 гмоль + fЭ middot М (А

minus) = 1 гмоль +

+1

заряд анионаmiddot М (А

minus) где А

minus minus кислотный остаток

Пример

Мэ (Н3РО4) = 1

3middot М (Н3РО4) =

1

3middot 98 гмоль = 3267 гмоль

Мэ (Н3РО4) = Мэ (Н+) + Мэ (РО 3

4

) = 1 + 1

3middot М (РО 3

4

) = 1 гмоль + 1

3middot

middot 95 гмоль = 1 гмоль + 3167 гмоль = 3267 гмоль

Мэ (основания) = fЭ middot М (основания)

Мэ (основания) = 1

кислотность основанияmiddot М (основания)

Мэ (основания) = Мэ (Мn+

) + Мэ (ОНminus) = fЭ middot М (М

n+) + fЭ middot М (ОН

minus) =

= 1

nmiddot М (М

n+) + 17

Пример

Мэ (Al(OH)3) = 1

3middot 78 гмоль = 26 гмоль

Мэ (Al(OH)3) = 1

3middot 27 гмоль + 17 гмоль = 9 гмоль + 17 гмоль =

= 26 гмоль

Для солей состава КхАу

Мэ (соли) = fЭ middot М (соли) = Мэ (Ку+

) + Мэ (Ахminus

) = fЭ (Ку+

) middot М (Ку+

) +

+ fЭ (Ахminus

) middot М (Ахminus

)

17

Пример

Мэ (Al2(SO4)3) = 1

6 middot М [Al2(SO4)3] =

342 гмоль

6 = 57 гмоль

Мэ (Al2(SO4)3) = 27

3 +

96

2 = 9 гмоль + 48 гмоль = 57 гмоль

Мэ (окислителя или восстановителя) = fЭ middot М (в-ва) = 1

nmiddot М (в-ва) где n ndash

число отданных или принятых электронов z ndash эквивалентное число = n

Пример

а) Мэ (KMnO4) = 1

5middot М (KMnO4) =

1

5middot 158 гмоль = 316 гмоль (при пере-

ходе MnO4

в Mn+2

)

Мэ (MnO2) = 1

2middot М (MnO2) =

1

2middot 87 гмоль = 435 гмоль (при переходе

MnO2 в MnO 2

4

)

При определении Мэ веществ участвующих в химических реакциях сле-

дует учитывать их fЭ

Пример

а) Аl(OH)3 + H3PO4 rarr AlPO4 + 3H2O

Мэ (Аl(OH)3) = 1

3middot М (Аl(OH)3)

Мэ (H3PO4) = 1

3middot М (H3PO4)

б) 3Аl(OH)3 + H3PO4 rarr [Al(ОН)2]3PO4 + 3H2O

Мэ (Аl(OH)3) = М (Аl(OH)3)

Мэ (H3PO4) = 1

3middot М (H3PO4)

в) 3Аl(OH)3 + 2H3PO4 rarr [Al(ОН)]3(PO4)2 + 6H2O

Мэ (Аl(OH)3) = 1

2middot М (Аl(OH)3)

Мэ (H3PO4) = 1

3middot М (H3PO4)

г) Аl(OH)3 + 3H3PO4 rarr Al(Н2PO4)3 + 3H2O

Мэ (Аl(OH)3) = 1

3middot М (Аl(OH)3)

Мэ (H3PO4) = М (H3PO4)

д) 2Аl(OH)3 + 3H3PO4 rarr Al2(НPO4)3 + 6H2O

Мэ (Аl(OH)3) = 1

3middot М (Аl(OH)3)

Мэ (H3PO4) = 1

2middot М (H3PO4)

е) Fe(OH)2Cl + HCl rarr Fe(OH)Cl2 + H2O

Мэ (Fe(OH)2Cl) = М (Fe(OH)2Cl)

Fe(OH)2Cl + 2HCl rarr FeCl3 + 2H2O

18

Мэ (Fe(OH)2Cl) = 1

2middot М (Fe(OH)2Cl)

Fe(OH)2Cl + NaOH rarr Fe(OH)3 + NaCl

Мэ (Fe(OH)2Cl) = М (Fe(OH)2Cl)

ж) KCr(SO4)2 + 3KOH rarr Cr(OH)3 + 2K2SO4

Мэ (KCr(SO4)2) = 1

3middot М (KCr(SO4)2)

KCr(SO4)2 + 6KOH rarr K3[Cr(OH)6] + 2K2SO4

Мэ (KCr(SO4)2) = 1

6middot М (KCr(SO4)2)

и) MnSO4 + 2KOH rarr Mn(OH)2 + K2SO4

Мэ (MnSO4) = 1

2middot М (MnSO4)

MnSO4 + 2Cl2 + 8KOH rarr K2MnO4 + 4KCl + K2SO4 + 4H2O

Мэ (MnSO4) = 1

4middot М (MnSO4)

2MnSO4 + 5K2S2O8 + 8H2O rarr 2HMnO4 + 2H2SO4 + 10KHSO4

Мэ (MnSO4) = 1

5middot М (MnSO4)

Масса эквивалента вещества (mэ) (г кг hellip)

mэ = э

A

M

N = fЭ middot

A

M

N=

M

z NA =

э A

m

ν N

Пример

mэ (Mg) =

A

M Mg

N =

23 1

12 гмоль

6022 10 моль = 1993middot10

minus23 г

mэ (СаСО3) = 23 1

300г

6моль 6022 10 моль = 83029middot10

minus23 г

Таким образом эквивалент фактор эквивалентности эквивалентное чис-

ло масса эквивалента молярная масса эквивалента ndash величины переменные

зависящие от валентности степени окисления количества атомов зарядов

ионов в молекулах веществ основности кислоты кислотности основания а в

окислительно-восстановительных реакциях ndash от количества отданных или при-

нятых электронов

Количество вещества эквивалента (νэ моль)

νэ = эM

m =

Э

m

Мf = в-ва

Эf

=

m z

M

где m ndash масса вещества г

Пример

m (Аl) = 135 г Мэ (Аl) = 1

3 middot 27 гмоль = 9 гмоль

ν (Аl) = 135г

9гмоль = 15 моль

В 135 г алюминия содержится 15 молей эквивалентов алюминия или (15

middot NA) эквивалентов алюминия z = 3 1 моль атомов алюминия эквивалентен 3

молям эквивалентов алюминия или (3 NA) эквивалентам алюминия

19

1 моль электронов эквивалентен числу Фарадея

F = 160217733middot10minus19

Кл middot 60221367middot10minus1

моль = 96485309 Клмоль

(Клmiddotмольminus1

)

Пример

m = M (O2) νэ = 32г

8гмоль = 4 моль

1 моль молекул O2 содержит 4 моль эквивалентов кислорода

Для сложных веществ Мэ и νэ могут быть рассчитаны по fЭ который ха-

рактеризует их в данной реакции

Молярный объем эквивалента газообразного вещества (Vэ) (лмоль

м3кмоль м

3моль) ndash это объем занимаемый 1 молем эквивалентов этого ве-

щества

Vэ= fЭ middot Vm = 0V

э V 0

э = fЭ middot V

0

m = 0V

э

Пример

V 0

э (О2) =

1

4middot 224 лмоль = 56 лмоль

Это означает что 1 моль эквивалентов О2 при ну занимает объем равный

56 л

V 0

э (Н2) =

1

2middot 224 лмоль = 112 лмоль те 1 моль эквивалентов Н2 при

ну занимает объем равный 112 л

1 моль молекул О2 или 4 моля эквивалентов О2 при ну занимают объем

224 л 1 моль молекул Н2 или 2 моля эквивалентов Н2 при ну занимают объем

224 л

Закон эквивалентов массы веществ реагирующих друг с другом или об-

разующихся в результате химической реакции соотносятся между собой как

их молярные массы эквивалентов

2

1

m

m =

э (1)

э (2)

M

M

1

э (1)

m

М=

2

э (2)

m

М

1

э (1)

m

М = νэ (1)

2

э (2)

m

М = νэ (2)

νэ (1) = νэ (2) ndash количество эквивалентов каждого из участников химической

реакции

Для газообразного вещества

э

m

M =

э

V

V =

0

0

э

V

V = νэ

Закон эквивалентов для химической реакции с участием газа

1

э (1)

m

М=

2

э 2

V

V=

0

2

0

э 2

V

V = νэ (1) = νэ (2)

Мэ (1) =

0

э (2)1

0

2

m middotV

V

Экспериментальное определение эквивалентов и молярных масс эквива-

лента различных веществ может быть проведено различными методами

20

Б2

Л1

Т

Б1

Л2

П

Г

1 Метод прямого определения Эквивалент и молярную массу эквива-

лента устанавливают исходя из соединений данного элемента с водородом или

кислородом

2 Косвенный метод в котором вместо водорода и кислорода использу-

ют другие элементы и вещества с известным эквивалентом и молярной массой

эквивалента

3 Метод вытеснения водорода из кислоты металлом взятой навески

Применим к металлам которые способны вытеснять водород из щелочей и раз-

бавленных кислот

4 Аналитический метод Эквивалент определяют из результатов хими-

ческого анализа элемента в одном из его соединений

5 Электрохимический метод основан на законе Фарадея согласно ко-

торому asymp 96 500 Кл электричества выделяют из электролитов при электролизе

1 моль эквивалентов вещества

Экспериментальная часть

Опыт 1 Определение молярной массы эквивалента алюминия мето-

дом вытеснения

Метод основан на реакции взаимодействия алюминия с соляной кислотой

и измерении объема выделившегося водорода

Собрать прибор представленный на рис 4 Заполнить 14 часть пробирки

раствором соляной кислоты (с массовой долей 15 ) Наклонив пробирку на

ее сухую сторону поместить предварительно взвешенную алюминиевую

Установка состоит из двух бюреток рабочей изме-

рительной Б1 и уравнительной Б2 соединенных

резиновой трубкой Т и заполненных подкрашен-

ной водой К рабочей бюретке при помощи газо-

отводной трубки Г присоединена пробирка П

Рис 4 Лабораторная установка для определения молярной массы эквивалента алюминия

21

фольгу (0015ndash0020 г) так чтобы она не соприкасалась с кислотой Присоеди-

нить пробирку к бюретке и проверить прибор на герметичность Для этого во-

ронку опустить на 10ndash15 см Если прибор герметичен то уровень воды в бю-

ретке несколько снизится а затем останется без изменения Привести давление

в бюретке к атмосферному для чего установить уровень воды в бюретке и во-

ронке на одной высоте в бюретке ndash около нулевого деления но не выше Отме-

тить и записать положение нижнего края мениска в бюретке (А1) После этого

пробирку со штативом наклонить так чтобы кислота смыла алюминиевую

фольгу Для начала реакции содержимое пробирки нагреть на спиртовке (не ка-

саться фитилем дна пробирки не кипятить) Выделяющийся водород бу-

дет вытеснять воду из бюретки После окончания реакции пробирку не снимая

с прибора охладить до комнатной температуры опустив ее в стакан с холодной

водой Затем привести давление внутри прибора к атмосферному и отметить

уровень воды в бюретке (А2)

Объем выделившегося водорода при комнатных условиях V2H = (А2 ndash А1)

привести по объединенному газовому закону (T

PV=

0

00

T

VP) к ну (V0 (H2)) учи-

тывая что общее давление Р = P пар OH2+ P

2Н (где P ndash парциальное давление)

откуда P2Н = Р ndash P пар OH2

тогда объединенный газовый закон T

Vmiddot)P (P пар OH2=

= 0

00

T

VP V

0(H2) = 22общ пар 0 HН О

0

(P Р )middotТ V

Р Т

Таблица 1

Зависимость давления водяного пара от температуры

Т К P OН2 Па Т К P OН2

Па

289 181318 295 233976

290 193317 296 281301

291 206649 297 298641

292 219913 298 317306

293 233314 299 335971

294 247979 300 355970

На основании полученных данных и закона эквивалентов рассчитать молярную

массу эквивалента алюминия (Al)э

Al

M

m=

2

0 2

0

m ( ) H

V (H )

V э

Результаты измерений записать по следующей форме

Навеска

алюминия

г

V2H мл

(А2 ndash А1) Т К

Робщ

Па 2H OP Па V 20 H

мл

Мэ(Al)

гмоль

Ошиб

ка

22

Опыт 2 Определение молярной массы эквивалента карбоната каль-

ция косвенным методом

Взвесить в стакане около 3 г мрамора с точностью до 001 г (m1) При-

лить пипеткой (рис 5) 15 мл раствора соляной кислоты с мо-

лярной концентрацией эквивалента 1 мольл Как только выде-

ление углекислого газа замедлится нагреть стакан до 60ndash70 оС

выдержать при этой температуре до окончания реакции Затем

слить образовавшийся раствор с оставшихся кусочков мра-

мора промыть их два раза дистиллированной водой методом

декантации Стакан с оставшимся мрамором высушить в су-

шильном шкафу при 107 оС и после охлаждения взвесить (m2)

Зная количество молей эквивалентов вступившей в реакцию

соляной кислоты (νэ) и массу прореагировавшего мрамора m3

рассчитать по закону эквивалентов молярную массу эквивален-

та карбоната кальция

Рис 5 Пипетки мерные

Результаты эксперимента записать по следующей форме

m1 г m2 г m3 (CaCO3) =

= m1 ndash m2 г V (HCl) мл

Mэ(СaCO3)

гмоль

Ошибка

νэ (HCl) = Vр-ра (HCl) middot Сэ (HCl)

νэ (СaCO 3 ) = νэ (HCl) )(CaCO э

CaCO

3

3

M

m = Сэ (HCl) middot Vр-ра (HCl)

Мэ (СаСО3) =

3CaCO

HCl э(HCl)

m г

мольV л middotС

л

Вопросы и задачи

1 Как проверить на герметичность прибор для определения молярной

массы эквивалента металла методом вытеснения водорода

2 Как привести давление в герметически закрытом приборе к атмосфер-

ному

3 Под каким давлением по сравнению с атмосферным будет находиться

газ в сосуде если уровень воды в бюретке

а) выше чем в воронке (уравнительном сосуде)

б) ниже чем в воронке

в) на одном уровне

23

4 Как рассчитать парциальное давление газа если он собран над водой

5 Вычислите молярную массу эквивалента металла если навеска техни-

ческого металла массой 0035 г имеющего 20 примесей (не взаимодейству-

ющих с кислотой) вытесняет из кислоты 119 мл водорода собранного над во-

дой при температуре 17 оС и давлении 103middot10

5 Па (давление водяного пара над

водой при 17 оС равно 00193middot10

5 Па)

Ответ 2807 гмоль

6 Чему равны молярные массы эквивалентов мышьяка в его оксидах со-

держащих мышьяк а) 652 (мас) As б) 757 (мас) As

Ответ 1499 гмоль 2492 гмоль

7 Вычислите молярную массу эквивалента фосфорной кислоты и гидрок-

сида алюминия в уравнениях реакций

а) H3PO4 + Ca(OH)2 = CaHPO4 + 2H2O

б) Al(OH)3 + HNO3 = Al(OH)2NO3 + H2O

8 Рассчитайте молярную массу эквивалента олова если

а) при нагревании 092 г его в токе кислорода образуется оксид олова

массой 117 г

б) при восстановлении оксида олова массой 117 г водородом получена

вода массой 016 г

Ответ а) 2944 гмоль б) 5886 гмоль

9 Из 27 г оксида некоторого металла можно получить 63 г его нитрата

Вычислите молярную массу эквивалента металла

Ответ 325 гмоль

10 При восстановлении 51 г оксида металла (III) образовалось 27 г во-

ды Определите молярную массу эквивалента и относительную атомную массу

металла

Ответ 9 гмоль 27

Следует уметь

1 Рассчитывать фактор эквивалентности массу эквивалента и молярную

массу эквивалента элемента простого и сложного веществ исходя из формулы

вещества уравнений реакций в которых участвует вещество закона эквива-

лентов молярного объема эквивалентов любого газообразного вещества

2 Экспериментально определять молярную массу эквивалентов простых

и сложных веществ

24

Работа 3 Приготовление растворов

Задания для подготовки к лабораторной работе

1 Изучите теоретическое введение к лабораторной работе обратив особое

внимание на различные способы выражения содержания растворенного веще-

ства в растворе

2 Проведите все расчеты необходимые для выполнения опытов изучив

метод интерполяции и laquoправило крестаraquo

3 Ознакомьтесь с устройством ареометра мерной посудой и правилами

пользования ими

Теоретическая часть

Раствор ndash это гомогенная система переменного состава состоящая из рас-

творителя растворенных веществ (одного или нескольких) и продуктов их вза-

имодействия Компонент который количественно преобладает и находится в

том же агрегатном состоянии что и образующийся раствор называется раство-

рителем все остальные его части ndash растворенными веществами Основным

признаком характеризующим раствор является его однородность Процесс

растворения часто сопровождается значительными объемными и энергетиче-

скими эффектами По этим признакам растворы больше напоминают химиче-

ские соединения и тем самым отличаются от механических смесей С другой

стороны растворы не имеют строго определенного состава и в этом их суще-

ственное отличие от химических соединений

Первоначально процесс растворения идет самопроизвольно (∆Gр-ния lt 0) и

раствор является ненасыщенным При дальнейшем добавлении вещества

наступает момент когда вещество перестает растворяться и тогда избыток рас-

творенного вещества выпадает в осадок Система оказывается в состоянии ис-

тинного равновесия (∆Gр-ния = 0) те скорости осаждения и растворения равны

Раствор становится насыщенным Можно получить и пересыщенные растворы

те такие массовые доли растворенных веществ в которых выше чем в насы-

щенных растворах (при определенных температуре и давлении) Пересыщен-

ные растворы можно приготовить медленным охлаждением насыщенных при

высокой температуре растворов (например Na2S2O3 NaCH3COO и др) Они

представляют систему находящуюся в кажущемся равновесии (∆Gр-ния gt 0)

Встряхивание или внесение кристаллов того же вещества которое находится в

растворе или изоморфного с ним вызывает кристаллизацию В результате про-

исходит выделение избытка растворенного вещества и раствор становится

насыщенным

Способы выражения концентрации растворов

Состав любого раствора может быть выражен как качественно так и ко-

личественно Раствор с относительно низким содержанием растворенного ве-

щества называют разбавленным с относительно высоким ndash концентрирован-

25

ным Такая количественная оценка условна Например для серной кислоты

концентрированным считается раствор где массовая доля кислоты равна 98 а

для соляной ndash 38

Для количественной оценки состава растворов используют понятие laquoкон-

центрацияraquo Существуют различные способы ее выражения

1 Массовая доля растворенного вещества в растворе Она обознача-

ется Wрв (по первой букве английского слова laquoWeightraquo ndash вес) и рассчитывается

по формуле Wрв = )ткг г(m

)ткг г(m

ра-р

рв Она выражается в долях от единицы и пока-

зывает сколько граммов (кг т) растворенного вещества содержится в 1 г (кг т)

раствора Например W3NaNO = 005 Это означает что в каждом грамме (кг т)

раствора содержится 005 г (кг т) растворенного вещества Массовая доля рас-

творенного вещества в растворе может быть выражена и в процентах Wрв

= ра-р

рв

m

m middot 100 = Wрв middot 100 В этом случае W указывает сколько граммов (кг

т) растворенного вещества содержится в каждых 100 г (кг т) раствора Напри-

мер W3NaNO = 5 в каждых 100 г раствора содержится 5 г NaNO3 или в

каждых 100 кг (т) раствора ndash 5 кг (т) NaNO3

Раствор любой концентрации характеризуется своей плотностью ρ (гмл

кгл гл тм3) которая показывает сколько граммов (кг т) весит 1 мл (л м

3)

раствора данной концентрации Например ρ = 102 гмл Это означает что 1 мл

раствора данной концентрации весит 102 г Плотность раствора рассчитывает-

ся по формуле ρр-ра = ра-р

ра-р

V

m Плотность (ρ) ndash это величина для перехода от массы

раствора к его объему и наоборот

2 Молярная концентрация раствора (См) Ее значение показывает

сколько молей растворенного вещества содержится в 1 л раствора Например

См (р-ра KCl) = 5 мольл Это означает что в каждом литре такого раствора со-

держится 5 моль KCl Молярная концентрация рассчитывается по формуле

См = рв

р-ра

ν

V=

рв

рв р-ра

m

М middotV(мольл) где νрв minus количество растворенного вещества

(моль) mрв ndash масса растворенного вещества (г) М ndash молярная масса раство-

ренного вещества (гмоль) Vр-ра ndash объем раствора (л)

3 Молярная концентрация эквивалента раствора (эквивалентная кон-

центрация или нормальная концентрация) Она обозначается Сэ (используется

также Сн) Ее значение показывает сколько молей эквивалентов растворенного

вещества содержится в 1 л раствора Например Сэ (р-ра HNO3) = 2 мольл Это

означает что в каждом литре раствора содержится 2 моль эквивалентов HNO3

Молярная концентрация эквивалента раствора рассчитывается по формуле

Сэ = э рв

р-ра

ν

V=

рв

э рв р-ра

m

М middotV(мольл)

26

Растворы имеющие одинаковые значения Сэ реагируют между собой в

равных объемах так как содержат равные количества молей эквивалентов рас-

творенных веществ Если растворы имеют различные значения Сэ то вступаю-

щие в реакцию объемы этих растворов обратно пропорциональны их молярным

концентрациям эквивалента 2

1

V

V=

1 э

2 э

С

C или V1 middot Cэ 1 = V2 middot Cэ 2

4 Моляльная концентрация раствора (Сm) Ее значение показывает

сколько молей растворенного вещества содержится в 1 кг растворителя

Например Сm (р-ра H2SO4) = 10 молькг Это означает что в каждом кило-

грамме воды растворено 10 моль H2SO4 Моляльная концентрация раствора

рассчитывается по формуле Сm = рв

р-ля

ν

m=

рв

рв р-ля

m

М middotm(молькг)

5 Молярная (мольная) доля растворенного вещества в растворе Она

обозначается χрв Ее значение показывает сколько молей растворенного веще-

ства содержится в 1 моль раствора Например χ4CuSO = 002 Это означает что в

1 моль раствора содержится 002 моль CuSO4 Если в растворе только одно рас-

творенное вещество то χ ОH2= 098 Сумма мольных долей всех компонентов в

растворе равна единице те 1 моль Мольная доля растворенного вещества в

растворе рассчитывается по формуле χрв = ля-ррв

рв

νν

ν

=

ра-р

рв

ν

ν=

OH

OH

рв

рв

рв

рв

2

2

M

m

М

m

М

m

Если в растворе несколько (К) растворенных веществ то мольная доля любого

из компонентов в том числе растворителя рассчитывается по формуле

χi =

K

1i

i

i

ν

ν Например при наличии трех растворенных веществ и растворителя

χ1 = 4321

1

νννν

ν

χ2 =

4321

2

νννν

ν

χ3 =

4321

3

νννν

ν

χ4 = 4321

4

νννν

ν

χ1 + χ2 + χ3 + χ4 = 1

6 Титр раствора Этот вид выражения состава раствора обозначается

буквой Т Его значение показывает сколько граммов растворенного вещества

содержится в 1 мл раствора Например Т (р-ра Na2CO3) = 15 гмл Это означа-

ет что в каждом миллилитре такого раствора содержится 15 г Na2CO3 Титр

раствора рассчитывается по формуле Т = рв

р-ра

m

V (гмл)

27

Экспериментальная часть

Опыт 1 Приготовление пересыщенного раствора тиосульфата натрия

Положите в пробирку несколько кристаллов Na2S2O3middot5H2O и очень осто-

рожно нагрейте Закройте пробирку ватой и дайте ей охладиться Охлажден-

ную до комнатной температуры пробирку резко встряхните Нагреванием про-

бирки с солью снова получите прозрачный раствор Охладите и внесите не-

большой кристалл исходного вещества Объясните наблюдаемое

Опыт 2 Определение массовой доли серной кислоты по плотности

раствора

Наиболее простой и быстрый способ ndash с помощью ареометра Его приме-

нение основано на том что плавающее тело погружается в жидкость до тех пор

пока масса вытесненной жидкости не станет равной массе самого тела В рас-

ширенной нижней части ареометра находится груз на верхней узкой части ndash

шейке ndash нанесены деления показывающие плотность жидкости в которой

laquoплаваетraquo ареометр

Исследуемый (концентрированный) раствор серной кислоты налейте (под

тягой) в сухой чистый мерный цилиндр на frac34 его объема В раствор осторож-

но не касаясь стенок цилиндра опустите ареометр Каждый ареометр предна-

значен для измерения плотности в определенных пределах При выборе арео-

метра необходимо ориентировочно знать плотность данного раствора Вы-

яснив цену одного деления шкалы ареометра отметьте его показания (по ниж-

нему мениску раствора) Приподняв ареометр на 1ndash2 см вновь опустите его в

раствор и еще раз определите показания По справочной таблице найдите мас-

совую долю растворенного вещества в растворе Если такая величина в таблице

отсутствует то массовую долю находят методом интерполяции (определение

промежуточного значения по двум крайним) Например экспериментальное

показание ареометра равно 1124 гмл Находим ближайшие к этому табличные

значения плотности массовой доли и их разность

ρ гмл W

1130 1831

1120 1701

0010 130

Таким образом изменению плотности на 0010 гмл соответствует изме-

нение массовой доли на 130 Экспериментальное показание ареометра отли-

чается от меньшей табличной величины на 0004 гмл

ρ гмл W

1124

1120 1701

0004

С учетом того что в указанных пределах между плотностью и массовой

долей раствора зависимость линейная составляем пропорцию

28

0010 гмл -----------------130

0004 гмл ----------------- х х = 052

Найденное число (052 ) прибавляем к меньшей массовой доле

(1701 ) взятой из таблицы и соответствующей плотности 1120 Получаем

W = 1701 + 052 = 1753 что соответствует плотности 1124 гмл Этот спо-

соб определения содержания растворенного вещества в растворе применяют в

том случае если не требуется большой точности Более точный способ ndash опре-

деление с помощью титрования Обычно ареометры калибруются при 20 оС В

таблицах значения плотностей растворов приводятся при этой же температуре

Если не требуется особой точности табличными данными можно пользоваться

и для других температур

Опыт 3 Приготовление 50 мл 4 раствора сульфата меди из кри-

сталлогидрата CuSO4middot5H2O

Рассчитайте сколько граммов CuSO4middot5H2O и какой объем воды нужно

взять для приготовления 50 мл раствора с массовой долей CuSO4 4

Взвесьте вычисленную массу кристаллогидрата и перенесите в стакан емко-

стью 100 мл Отмерьте мерным цилиндром (см рис 3) рассчитанный объем

дистиллированной воды перелейте ее в стакан с навеской пентагидрата суль-

фата меди и перемешайте стеклянной палочкой до полного растворения кри-

сталлов соли Полученный раствор перелейте в мерный цилиндр и измерьте

плотность раствора По таблице найдите и запишите массовую долю CuSO4

отвечающую этому значению плотности (ρтеор (4 раствора CuSO4) =

= 104 гмл) пересчитайте на молярную концентрацию молярную концентра-

цию эквивалента моляльную концентрацию и титр раствора

Таблица 2

Исходные данные и полученные результаты приготовления

раствора сульфата меди

Задан-

ная

массо-

вая доля

W

ρтеор

гмл

Рассчитанные

массы компо-

нентов г ρэксп

гмл

Экспериментальные

значения Отн

ошиб

ка

CuSO4middot5H2O Н2О W

См

мольл

Сэ

мольл

Сm

молькг

Т

гмл

Опыт 4 Приготовление 100 мл раствора серной кислоты с молярной

концентрацией эквивалента 01 мольл из более концентрированного раз-

бавлением водой

Для приготовления растворов заданной молярной или эквивалентной

концентраций используются мерные колбы (рис 6) различного объема (25 50

100 200 250 500 1000 мл и более) Рассчитайте объем концентрированного

раствора серной кислоты массовая доля которого определена в опыте 2 необ-

29

ходимый для приготовления 100 мл рас-

твора серной кислоты с молярной кон-

центрацией эквивалента 01 мольл Кис-

лоту перенесите пипеткой (см рис 5) в

мерную колбу объемом 100 мл предвари-

тельно налив в нее примерно 20 мл ди-

стиллированной воды После этого до-

лейте воду в колбу до метки раствор

перемешайте и охладите до комнатной

Рис 6 Мерные колбы температуры Молярная концентрация

эквивалента полученного раствора должна быть близка к 01 мольл Точную

концентрацию раствора серной кислоты определите титрованием щелочью Для

титрования бюретку с наконечником (рис 7) заполните до нулевой

метки титрованным раствором щелочи

предварительно ополоснув им бюретку В

три конические колбы (рис 8) пипеткой

налейте по 10 мл приготовленной серной

кислоты Добавьте в каждую колбу по 2ndash3

капли фенолфталеина и поочередно титруй-

те раствором щелочи из бюретки Щелочь

приливайте медленно левой рукой правой

размешивая раствор Титрование считается

законченным если от прибавления следу-

ющей капли щелочи появляется малиновое

окрашивание которое не исчезает 30 с Рис 8 Колба коническая

Рис 7 Бюретка

мерная для титрования

Для более четкого определения изменения цвета под колбу для титрова-

ния поместите лист белой бумаги Запишите объем щелочи израсходованной

на титрование 10 мл раствора серной кислоты

Аналогично оттитруйте две другие пробы кислоты Результаты парал-

лельных определений не должны различаться между собой более чем на

005ndash010 мл Возьмите из них среднее и рассчитайте точную концентрацию

приготовленного раствора серной кислоты и его титр

Опыт 5 (дополнительный) Приготовление раствора серной кислоты

смешиванием растворов с более высокой и более низкой массовыми долями

Из концентрированного (опыт 2) и имеющегося (опыт 4) в лаборатории

растворов серной кислоты приготовьте 50 мл раствора с массовой долей серной

кислоты равной 30 Для расчета объемов исходных растворов воспользуй-

тесь laquoправилом крестаraquo

30

W1 m1

W

W2 m2

где W ndash массовая доля серной кислоты приготовляемого раствора W1 и W2 ndash

более высокая и более низкая массовые доли H2SO4 в исходных растворах (для

воды W = 0) m1 и m2 ndash массы исходных растворов с более высокой и более

низкой массовой долей Соотношения для исходных растворов таковы

m1 = W ndash W2 m2 = W1 ndash W Таким образом для получения раствора массой

m = (m1 + m2) c массовой долей W необходимо взять m1 г раствора с массовой

долей W1 и m2 г раствора с массовой долей W2 (или V1 р-ра = 1

1m

ρ V2 р-ра =

2

2m

ρ)

Отмерьте вычисленные объемы растворов слейте их в цилиндр объемом 100

мл перемешайте С помощью ареометра и таблицы установите содержание

растворенного вещества в растворе и расхождение практически полученного

значения с заданным

Вопросы и задачи

1 Что произойдет с насыщенным пересыщенным и ненасыщенным рас-

творами алюмокалиевых квасцов при внесении в каждый из них нескольких

кристаллов KAl(SO4)2middot12Н2О

2 Какой объем раствора в котором массовая доля КОН составляет 12

(ρр-ра = 1109 гмл) надо взять чтобы приготовить 250 мл раствора с молярной

концентрацией 2 мольл

Ответ 178 мл

3 В 1 кг воды растворено 666 г гидроксида калия Рассчитайте массовую

долю растворенного вещества в растворе и его концентрации (молярную мо-

ляльную молярную концентрацию эквивалента молярные доли щелочи и во-

ды титр раствора) если его плотность равна 1395 гмл

Ответ 40 995 мольл 119 молькг 0176 0824 0557 гмл

4 В лаборатории имеются растворы с массовыми долями хлорида калия

20 и 40 Сколько граммов каждого раствора надо взять для получения 500 г

раствора с массовой долей соли 25

Ответ 375 г 125 г

5 Плотность раствора карбоната калия равна 122 гмл Из 1 л этого рас-

твора при действии соляной кислоты получено 445 л СО2 (ну) Вычислите

процентное содержание К2СО3 в растворе и его молярную концентрацию экви-

валента

Ответ 225 397 мольл

31

6 В каких объемах должны быть смешаны 01 н и 60 (ρ = 1498 гмл)

растворы серной кислоты чтобы получить 1 л 1 н раствора Н2SO4

Ответ 493 и 9507 мл

7 К 005 л раствора хлорида марганца (II) (ρ = 1085 гмл W = 8 ) при-

бавлено 02 л раствора гидроксида лития массовая доля LiOH в котором 10

(ρ = 1107 гмл) Какое вещество взято в избытке и в каком количестве оно

останется после реакции

Ответ 27 г

8 Для осаждения сульфата бария из раствора BaCl2 (ρ = 106 гмл

W = 8 ) объемом 100 мл требуется раствор Н2SO4 объемом 139 мл Чему равна

молярная концентрация и моляльная концентрация эквивалента раствора

Н2SO4

Ответ 0294 и 0588 мольл

9 Растворы азотной кислоты и гидроксида натрия объемом 1 л каждый

содержат соответственно 189 г HNO3 и 32 г NaOH Какова молярная концен-

трация этих растворов и в каком объемном соотношении они должны быть

смешаны для получения нейтрального раствора

Ответ 03 и 008 мольл 1 375

10 Какова масса Al(OH)3 если для его растворения потребовалось 02 л

раствора азотной кислоты (ρ = 118 гмл W = 30 ) Какой объем 25 н раство-

ра КОН необходимо затратить для растворения этого количества гидроксида

алюминия

Ответ 292 мл 015 л

Следует уметь

1 Выражать содержание растворенного вещества в растворе различными

способами и осуществлять их взаимный пересчет

2 Готовить растворы смешиванием растворенного вещества и раствори-

теля разбавлением водой концентрированного раствора смешиванием двух

растворов разной концентрации выпариванием растворителя добавлением

растворяемого вещества к раствору

3 Пользоваться ареометром мерной посудой установкой для титрова-

ния методом интерполяции laquoправилом крестаraquo

4 Определять содержание растворенного вещества в растворе по его

плотности и с помощью титрования

Работа 4 Методы очистки веществ

Задания для подготовки к лабораторной работе

1 Ознакомьтесь со следующими элементами техники выполнения лабо-

раторных работ взвешиванием на весах измельчением растворением филь-

32

трованием изготовлением простых и складчатых фильтров фильтрованием го-

рячих растворов и фильтрованием растворов под вакуумом нагреванием на

электроплитке растворов в химической посуде промыванием и высушиванием

осадков методами очистки твердых жидких и газообразных веществ

2 Выполните необходимые расчеты

Теоретическая часть

В лабораторной практике большое значение имеет очистка веществ так

как работа с загрязненными реактивами обусловливает получение неточных ре-

зультатов и неправильных выводов

Известны многочисленные методы очистки веществ фильтрование ди-

стилляция дробная перегонка возгонка зонная плавка метод транспортных

реакций и др В лабораторной практике для очистки твердых веществ чаще ис-

пользуются перекристаллизация и возгонка для очистки жидкостей ndash фильтро-

вание и перегонка газов ndash отделение примесей путем поглощения их различ-

ными химическими веществами

1 Очистка твердых веществ от примесей перекристаллизацией и

возгонкой

Перекристаллизация основана на различной растворимости одного и то-

го же вещества при различных температурах Под растворимостью понимают

содержание вещества в насыщенном растворе при данной температуре Она

выражается обычно в граммах безводного вещества на 100 г растворителя

(табл 3) или любым видом концентрации растворов (см работу 3)

Таблица 3

Растворимость солей г100 г воды

Формула соли Температура

оС

0 20 40 60 80

CuSO4 143 205 287 395 555

K2Cr2O7 46 125 259 455 730

NaNO3 727 876 1049 1247 1490

КNO3 133 316 639 1100 1690

NH4Cl 294 372 458 552 656

Зависимость растворимости от температуры изображается также кривы-

ми растворимости (рис 9) Пользуясь табл 3 и рис 9 можно определить

например что в 100 г воды при 20 и 80 оС растворяется соответственно 316 и

1690 г нитрата калия Очевидно при охлаждении насыщенного при 80 оС рас-

твора нитрата калия до 20 оС должно выпасть 1690 ndash 316 = 1374 г соли Чем

ниже температура до которой охлаждают раствор тем большее количество

кристаллов выпадает в осадок

33

При небольшом изменении растворимости в результате повышения тем-

пературы (например хлорида натрия) раствор сначала упаривают а затем

охлаждают Иногда для кристаллиза-

ции к насыщенному водному раствору

вещества добавляют реагенты пони-

жающие его растворимость в воде

(например спирт ацетон концентри-

рованную соляную кислоту) Это явле-

ние называется laquoвысаливаниемraquo

Вещества применяемые в лабо-

раторной практике содержат как пра-

вило немного растворимых приме-сей

относительно которых раствор нена-

сыщен Поэтому при кристал-лизации

вещества из насыщенного раствора

примеси остаются в маточ-ном раство-

ре Маточным называется раствор

оставшийся после отфиль- тровыва-

ния выпавших кристаллов

Рис 9 Кривые растворимости Для получения более чистых ве-

некоторых солей ществ осуществляют повторную крис-

таллизацию

Возгонка ndash это переход вещества при нагревании из твердого состояния

непосредственно в пар минуя жидкое Этим методом очищают твердые веще-

ства от нелетучих примесей например йод серу нафталин хлорид аммония

салициловую кислоту и др Пары возгоняемого вещества конденсируются в

кристаллы на поверхности охлажденных предметов

2 Очистка жидкостей перегонкой

Перегонка основана на различии состава жидкой и паровой фаз Жидкая

фаза одного состава превращается в пар с последующей конденсацией его сно-

ва в жидкость другого состава Этим методом очищают жидкие смеси от рас-

творенных в них твердых веществ или менее летучих жидкостей

Различают несколько способов перегонки жидкостей под нормальным

давлением уменьшенным давлением и с водяным паром

Перегонкой под нормальным давлением пользуются в тех случаях когда

очищаемые жидкости при нагревании не разлагаются и не имеют слишком вы-

сокую температуру кипения Индивидуальное вещество при постоянном давле-

нии кипит при строго определенной температуре Поэтому температура кипе-

ния является характеристикой чистоты вещества Оно тем чище чем меньше

разница между температурой кипения очищаемого вещества и температурой

при которой оно перегоняется

34

3 Очистка газов

Газы для очистки пропускают через поглотительные сосуды содержащие

твердые или жидкие поглотители вступающие в химические реакции с приме-

сями и не реагирующие с очищаемым газом Этот процесс включает высуши-

вание и удаление специфических примесей образующихся в процессе его по-

лучения Пары воды можно поглощать концентрированной серной кислотой

прокаленным хлоридом кальция оксидом фосфора (V) силикагелем безвод-

ным сульфатом меди пары аммиака и хлороводорода ndash водой

Экспериментальная часть

Опыт 1 Очистка медного купороса перекристаллизацией

Пользуясь табл 4 рассчитайте четырьмя способами сколько граммов

воды и медного купороса следует взять для приготовления насыщенного при 80 оС раствора соли из которого при охлаждении до 20

оС выделилось бы 10 г

пентагидрата или 64 г безводного сульфата меди

Таблица 4

Растворимость

безводного сульфата меди и кристаллогидрата сульфата меди

при 80 и 20 оС

t оС

Масса г Масса раствора

г CuSO4 Н2О CuSO4times5Н2О Н2О

80 555 100 8672 6878 1555

8069 14539 12608 100 22608

20

205 100 3203 8847 1205

1594 7774 2490 6878 9368

2317 11303 362 100 1362

I способ расчет на 10 г CuSO4middot5Н2О

m (CuSO4middot5Н2О) m (Н2О)

80 оC 8672 6878

20 оC 2490 6878

II способ расчет на 10 г CuSO4middot5Н2О

m (CuSO4middot5Н2О) m (Н2О)

80 оC 12608 100

20 оC 3620 100

III способ расчет на 64 г CuSO4

m (CuSO4) m (Н2О)

80 оC 5550 100

20 оC 1594 1774

35

IV способ расчет на 64 г CuSO4

m (CuSO4) m (Н2О)

80 оC 8069 14539

20 оC 2317 11303

Примеры расчета масс веществ

Пример 1 Какие массы дихромата калия и воды необходимо взять для

получения очищенной соли массой 30 г если перекристаллизация будет прово-

диться в температурном интервале 80ndash20 оС

Решение

1) По табл 3 находим что при 80 оС в 100 г воды растворяется 7300 г

дихромата калия а при 20 оС ndash 1250 г

2) Следовательно при охлаждении раствора от 80 до 20 оС выделится

7300 ndash 1250 = 6050 г соли

3) Массу дихромата калия необходимую для получения 30 г очищенной

соли вычисляем следующим образом

для выделения 6050 г соли требуется 7300 г дихромата калия

для 30 г -------------------- х г х = 5060

0073middot30= 3619 г

4) Объем воды в котором должна быть растворена эта навеска рассчиты-

вается так

73 г дихромата калия растворяются в 100 г воды

362 г -------------------------------------- в х г

х = 73

100middot236= 4959 г (4959 мл так как плотность воды принимаем

равной 1 гмл)

Пример 2 Какую массу воды и медного купороса надо взять для приго-

товления насыщенного при 80 оС раствора соли из которого при последующем

охлаждении до 0 оС выделяется пентагидрат сульфата меди (II) массой 20 г

Решение

1) Учитывая растворимости безводного сульфата меди при 80 и 0 оС рас-

считаем какой массе кристаллогидрата соответствует масса безводной соли

555 и 143 г (CuSO4)

М(CuSO4middot5Н2О) = 250 гмоль М(CuSO4) = 160 гмоль

160 г безводной соли содержится в 250 г кристаллогидрата

555 г ----------------------------------- в х г

х = 160

250middot555= 867 г (80

оС)

160 г безводной соли содержится в 250 г кристаллогидрата

143 г ----------------------------------- в у г

у = 160

250middot314= 223 г (0

оС)

36

2) Вычисляем массу воды необходимую для растворения кристаллогид-

рата при соответствующих температурах

80 оС 100 ndash (867 ndash 555) = 688 г

0 оС 100 ndash (223 ndash 143) = 92 г

3) Масса медного купороса растворенная в воде массой 688 г при 0 оС

будет равна

в 92 г воды растворяются 223 г медного купороса

в 688 г ----------------------- х г

х = 688middot223

92= 1668 г

4) Масса кристаллогидрата выделяющегося при охлаждении от 80 до

0 оС равна 867 ndash 167 = 700 г

5) По условию задачи требуется получить медный купорос массой 20 г

Для выделения 70 г кристаллогидрата необходимо растворить его 867 г

для выделения 20 г ----------------------------------------------------------- х г

х = 2477 г

6) Масса воды необходимая для растворения 2477 г кристаллогидрата

для растворения 867 г кристаллогидрата требуется 668 г воды

для 2477 г ---------------------------------------------------- х г

х = 1965 г или 1965 мл (так как ρ OH2= 1 гмл)

Рассчитанную массу медного купороса взвесьте поместив его на часовое

стекло Отмерьте мерным цилиндром (см рис3) необходимый объем дистил-

лированной воды Вылейте воду в стакан из термостойкого стекла и нагрейте

до начала кипения Затем поместите навеску медного купороса в стакан с

нагретой водой и растворите при помешивании стеклянной палочкой Если по-

лученный раствор прозрачный и не содержит механических примесей то охла-

дите его до 20 оС помешивая стеклянной палочкой Если в приготовленном ис-

ходном растворе содержатся нерастворимые примеси то прежде чем охладить

раствор его необходимо отфильтровать через воронку для горячего фильтро-

вания (рис 10) с применением складчатого фильтра (рис 11)

Для нагрева воронки можно использовать

горячую воду из водопроводной сети Воронка имеет боковой отросток под который подстав-

ляют газовую горелку для нагревания находя-

щейся между стенками воды

При фильтровании легко воспламеняю-

щихся жидкостей применяют воронки с элек-

трическим обогревом

Рис 10 Воронка для горячего фильтрования

37

Для изготовления складчатого фильтра нужно взять соответствующий

размеру воронки квадрат из фильтровальной бумаги сложить его пополам и за-

тем еще раз пополам Внешние углы обрезать по дуге сложить laquoгармошкойraquo

При изготовлении простого фильтра приготовить конус как описано вы-

ше отогнуть один листочек и полученный конус вставить в воронку смочить

его дистиллированной водой (рис 12) Необходимо чтобы фильтр плотно при-

легал к стенкам воронки и между ними не было пузырьков воздуха Край филь-

тра должен быть ниже края воронки не менее чем на 05 см (рис 12 г)

Рис 11 Складчатый фильтр Рис 12 Изготовление простого фильтра

а-в ndash стадии изготовления г ndash фильтр помещен в воронку

Стеклянную воронку с развернутым складчатым фильтром поместите в

воронку для горячего фильтрования фильтр смочите ди-

стиллированной водой Жидкость перелейте на фильтр по

стеклянной палочке (рис 13) держать которую нужно в ле-

вой руке профильтруйте и охладите раствор до 20 оС

Выпавшие кристаллы отделите от маточного раствора

с помощью прибора изображенного на рис 14

Он состоит из фарфоровой воронки Бюхнера (1) колбы Бун-

зена (2) водоструйного вакуум-насоса или насоса Камовско-

го На сетчатое дно воронки Бюх-

нера положите два кружка филь-

тровальной бумаги Чтобы выре-

зать эти фильтры на верх воронки

положите два листа фильтроваль-

ной бумаги и плот-но прижмите

ладонью затем ножницами вы-

режьте один по обозначенному

контору другой ndash на 3ndash4 мм Рис 13 Фильтрование

меньше

На дно воронки вначале положите фильтр меньшего

размера затем большего смочите их дистиллирован-

ной водой и прижмите края к стенкам воронки

Вставьте воронку в колбу Бунзена перенесите в нее

кристаллы вместе с маточным раствором подсоеди-

Рис 14 Установка для ните прибор к насосу и включите его После отделе-

фильтрования с примене- ния кристаллов промойте их в 5ndash10 мл холодной дис- нием вакуума

38

тиллированной воды для удаления остатков маточного раствора

При перекристаллизации нужно получить вещество в кристаллах средне-

го размера так как крупные кристаллы обычно содержат включения маточного

раствора с находящимися в нем примесями а очень мелкие будучи свобод-

ными от этих включений образуют густую кашицу между отдельными кри-

сталлами которой прочно удерживается маточный раствор и отмыть его полно-

стью без потери вещества не удается

Снять кристаллы с воронки перевернув ее на лист фильтровальной бу-

маги и осторожно постучав по ее стенкам Сушить кристаллы нужно в сушиль-

ном шкафу или между листами фильтровальной бумаги до тех пор пока они

не перестанут прилипать к сухой стеклянной палочке Взвесьте перекристал-

лизованную соль и рассчитайте ее выход в процентах Раствор очищенной со-

ли и маточный раствор испытайте на присутствие хлорид-ионов (Реакция с

нитратом серебра в пробирку с небольшим количеством раствора добавьте

каплю раствора нитрата серебра и две капли азотной кислоты Выпавший бе-

лый осадок является хлоридом серебра)

Для уменьшения потери вещества при перекристаллизации маточный

раствор можно упарить наполовину и выделить новую порцию вещества по ме-

тодике описанной выше

Опыт 2 Возгонка йода

Взвесьте на часовом стекле 020 г йода 005 г йодида калия и 010 г окси-

да кальция (оксид кальция необходим для поглощения влаги йодид калия ndash для

очистки от примесей кислородных и других соединений йода) Смесь помести-

те на дно низкого тонкостенного стакана без носика и осторожно размешайте

стеклянной палочкой Накройте стакан круглодонной колбой наполненной

холодной водой (рис 15)

Поставьте стакан на кольцо штатива с асбестовой сеткой осторожно

нагрейте его дно пламенем спиртовки и наблюдайте возгонку йода По окон-

чании процесса прекратите нагревание и дайте стакану охладиться не снимая с

него колбы Затем поднимите колбу и осторожно снимите стеклянной палочкой

йод на предварительно взвешенное часовое стекло (кристаллы йода не сни-

мать металлическим шпателем так как йод взаимодействует с большинством

металлов) Определите массу йода и рассчитайте его выход в процентах

39

а б

Рис 15 Возгонка йода а ndash начало процесса б ndash конец процесса

Опыт 3 Очистка водопроводной воды перегонкой

Для очистки водопроводной воды соберите прибор для перегонки пред-

ставленный на рис 16 Он состоит из колбы Вюрца (1) в которую вставлен

термометр холодильника Либиха (2) аллонжа (3) колбы-приемника (4) с

хлоркальциевой трубкой Проверьте водопроводную воду на содержание в ней

ионов хлора (с использованием раствора нитрата серебра) ионов кальция и

магния

Для доказательства

наличия ионов кальция и

магния в пробирку налейте

5ndash6 мл водопроводной во-

ды добавьте 1 мл амми-

ачной буферной смеси и 3ndash

4 капли индикатора эри-

хрома черного Т Винно-

красная окраска жидкости

свидетельствует о наличии в

воде ионов кальция и маг-

ния фиолетовая ndash указы-

Рис16 Установка для перегонки воды вает на их отсутствие

Далее колбу Вюрца на 13 объема наполните водопроводной водой поместите

в нее для равномерного кипения жидкости несколько стеклянных капилляров

запаянных с одного конца Закройте отверстие колбы Вюрца пробкой с термо-

40

метром (ртутный шарик термометра должен быть немного ниже уровня отвод-

ной трубки колбы) Заполните холодильник водой (ток воды подается снизу

вверх) Приемник закройте пробкой снабженной аллонжем и хлоркальциевой

трубкой с натронной известью для поглощения углекислого газа из воздуха

Нагрейте на электроплитке воду до кипения предварительно положив под дно

колбы асбестовую сетку Отметьте при какой температуре закипит жидкость

Когда в приемнике соберется приблизительно 10 мл воды нагревание

прекратите Проверьте содержит ли дистиллированная вода ионы которые бы-

ли в водопроводной

Опыт 4 Очистка углекислого газа

Соберите прибор для получения и очистки оксида углерода (IV) (см

рис 1) Он состоит из аппарата Киппа и двух промывных склянок Тищенко В

одной из них находится дистиллированная вода (или раствор гидрокарбоната

натрия) в другой ndash концентрированная серная кислота

Получите углекислый газ в аппарате Киппа Для этого загрузите мрамор в

его средний шар и налейте через воронку такое количество 20 раствора соля-

ной кислоты чтобы он закрыл часть мрамора

Пропустите в течение 2 мин слабый ток оксида углерода (IV) через про-

мывные склянки Убедитесь с помощью обезвоженного сульфата меди содер-

жащегося в хлоркальциевой трубке что углекислый газ сухой Исследуйте

жидкость в склянке с дистиллированной водой на содержание в ней хлорид-

ионов Сделайте выводы

Вопросы и задачи

1 На чем основан процесс перекристаллизации

2 Как перекристаллизовать вещества растворимость которых изменяется

от температуры незначительно

3 Какой раствор называется маточным

4 Где остаются примеси после перекристаллизации и почему

5 От каких факторов зависит величина кристаллов Какие кристаллы со-

держат меньше примесей мелкие или крупные

6 От каких примесей освобождаются при очистке твердых веществ воз-

гонкой На чем основан этот метод

7 С какой целью при возгонке к йоду добавляют йодид калия и оксид

кальция

8 На каких физических процессах основана перегонка

41

9 Какой принцип лежит в основе работы холодильника

10 С какой целью при перегонке в колбу Вюрца добавляют так называе-

мые laquoкипелкиraquo (стеклянные трубки пористые материалы и т д)

11 От каких примесей очищается водопроводная вода при перегонке

12 Какие примеси присутствуют в диоксиде углерода полученном в ап-

парате Киппа и как их устранить

13 В насыщенном при 60 оС растворе сульфата калия его массовая доля

равна 154 Выразите растворимость в граммах на 100 г воды

Ответ 1829 г

14 Какая масса хлорида аммония выпадает в осадок при охлаждении до

0 оС насыщенного при 80

оС раствора массой 800 г

Ответ 17488 г

15 Какую массу воды и дихромата калия нужно взять для получения соли

массой 30 г если насыщение осуществлять при 60 а кристаллизацию ndash при

20 оС

Ответ 9090 г 4136 г

16 Какую массу нитрата натрия можно получить из раствора приготов-

ленного путем насыщения при 60 оС 25 мл воды и охлаждении до 0

оС (раство-

римость веществ приведена в табл 3)

Ответ 13 г

Следует уметь

1 Рассчитывать массы растворенного вещества и растворителя необхо-

димые для получения заданной массы очищенной соли

2 Взвешивать на весах отмерять жидкость цилиндром нагревать хими-

ческую посуду на электроплитке

3 Изготавливать простые и складчатые фильтры фильтровать при обыч-

ном давлении и под вакуумом

4 Рассчитывать практический выход продуктов

5 Правильно называть приборы и химическую посуду

6 Пользоваться аппаратом Киппа холодильником Либиха воронкой го-

рячего фильтрования

7 Проверять воду на чистоту

42

Работа 5 Определение изменения энтальпий физико-химических

процессов

Задания для подготовки к лабораторной работе

1 Повторите основные понятия изменение энтальпии реакции ∆rН изме-

нение энтальпии образования вещества ∆fН тепловой эффект реакции Qр-ции

тепловой эффект образования вещества Qобр закон Гесса и следствия из него

2 Ознакомьтесь с устройством калориметрической установки и зарисуйте

ее схему (рис 17)

Теоретическая часть

Большинство химических реакций сопровождается переходом химиче-

ской энергии в тепловую экзотермические реакции осуществляются с выделе-

нием тепла эндотермические ndash с поглощением

Количество тепла выделяющегося или поглощающегося при химической

реакции называется тепловым эффектом реакции который обозначается Qр-ции

или Qr где индекс laquorraquo ndash первая буква английского слова reaction

Тепловой эффект химической реакции при постоянном давлении Qр (ин-

декс laquoрraquo указывает постоянное давление) численно равен изменению энтальпии

∆rН взятой с противоположным знаком Qp = minus∆rН Тепловой эффект и измене-

ние энтальпии химической реакции измеряются в килоджоулях (кДж) или в ки-

локалориях (ккал) Уравнения химических реакций в которых указываются

тепловые эффекты или изменения энтальпии называются термохимическими

Энергетические эффекты различных процессов определяют эксперимен-

тально а термохимические расчеты проводят на базе основного закона термо-

химии ndash закона Гесса тепловой эффект изменение энтальпии изменение внут-

ренней энергии химической реакции зависят от природы и состояния исходных

веществ и конечных продуктов но не зависят от числа и характера промежу-

точных стадий процесса Этот закон лежит в основе расчета Q ∆Н ∆U различ-

ных процессов minus образования разложения сгорания растворения гидратации

нейтрализации и др

Если в ходе процесса при постоянном давлении системой совершается

работа расширения то Qp = ∆U + Р middot ∆V РV = nRT Р middot ∆V = ∆n middot RT

∆Н = ∆U + ∆n middot RT ∆U = ∆Н minus ∆n middot RT где ∆n ndash изменение числа молей газооб-

разных продуктов реакции и исходных веществ (∆n = продn minus исх

n )

Тепловой эффект (изменение энтальпии) растворения ndash теплота растворе-

ния (энтальпия растворения) данного вещества в данном растворителе опреде-

ляется количеством теплоты (изменением энтальпии) которое выделяется или

поглощается при растворении одного моля вещества в таком количестве рас-

творителя что дальнейшее прибавление последнего уже не вызывает дополни-

тельного теплового эффекта (изменения энтальпии)

Пример 1 Растворение Na2SO4 сопровождается выделением теплоты

(29 кДжмоль) а при растворении кристаллогидрата Na2SO4middot10Н2О происходит

43

поглощение теплоты (787 кДжмоль) Вычислите изменение энтальпии гидра-

тации

Решение

1 Термохимическое уравнение растворения Na2SO4

Na2SO4 (к) + aq rarr Na2SO4middotaq ∆Н1 (растворения безводной соли) = minus29 кДж

2 Процесс гидратации безводной соли

Na2SO4 (к) + 10Н2О(ж) rarr (Na2SO4 middot10Н2О)(к) ∆Н2 (гидратации) minus

3 Термохимическое уравнение растворения кристаллогидрата

Na2SO4middot10Н2О + aq rarr Na2SO4middot aq ∆Н3 (растворения кристаллогидрата) =

= 787 кДж

В соответствии с законом Гесса процесс растворения безводной соли (1)

складывается из процесса гидратации (2) и процесса растворения кристалло-

гидрата (3) те ∆Н1 = ∆Н2 + ∆Н3

Тогда ∆Н2 (гидратации) = ∆Н1 (растворения безводной соли) minus ∆Н3 (рас-

творения кристаллогидрата) = minus29 кДж minus 787 кДж = minus816 кДж

1-е следствие из закона Гесса изменение энтальпии реакции равно

сумме изменения энтальпий образования продуктов реакции за вычетом

суммы изменения энтальпий образования исходных веществ с учетом сте-

хиометрических коэффициентов

Пусть аА + бБ = сС + дД а б с д ndash стехиометрические коэффициенты

Тогда ∆rН = с middot ∆fНС + д middot ∆fНD minus а middot ∆fНА minus б middot ∆fНВ

Пример 2 Вычислите ∆Н 0

298 растворения NaOH в воде при образовании

раствора с концентрацией См = 1 мольл

Решение

Процесс растворения NaOH схематически выражается уравнением

NaOH(к) + aq rarr Na (р)

+ OH р

∆fН0

298 кДжмоль minus4268 minus2397 minus2284

∆rН0

298 = minus2397 minus 2284 + 4268 = minus413 кДж

Опыт подтверждает что растворение твердого NaOH сопровождается

разогреванием раствора

2-е следствие из закона Гесса изменение энтальпии реакции равно

сумме изменения энтальпий сгорания исходных веществ за вычетом суммы

изменения энтальпий сгорания продуктов реакции (с учетом стехиомет-

рических коэффициентов)

Пример 3 Вычислите ∆Н 0

298 реакции которая выражается уравнением

СН3СООН(ж) + С2Н5ОН(ж) = СН3СООС2Н5(ж) + Н2О(ж) ∆rН0

1 minus

Изменение энтальпии этого процесса можно рассчитать алгебраически

суммируя энтальпии сгорания

СН3СООН(ж) + 2О2(г) = 2СО2(г) + 2Н2О(ж) ∆rН0

2 = minus8711 кДж

2С2Н5ОН(ж) + 3О2(г) = 2СО2(г) + 3Н2О(ж) ∆rН0

3 = minus1367 кДж

СН3СООС2Н5(ж) + 5О2(г) = 4СО2(г) + 4Н2О(ж) ∆rН0

4 = minus2284 кДж

44

∆rН0

1 = ∆rН0

2 + ∆rН0

3 minus ∆rН

0

4 = minus8711 minus1367 + 22840 = minus46 кДж

Различают изменение энтальпий фазовых и химических превращений К

фазовым относят сублимацию испарение плавление полиморфные превраще-

ния переход из аморфного состояния в кристаллическое Разновидностью хи-

мических реакций служат процессы электролитической диссоциации и химиче-

ские превращения в водных растворах электролитов

Большое значение для развития химии имеет определение изменения эн-

тальпии нейтрализации кислоты щелочью ∆Ннейтр одного моля сильной кисло-

ты одним молем сильного основания ndash величина постоянная Этот факт объяс-

няет теория электролитической диссоциации Аррениуса согласно которой лю-

бая реакция нейтрализации сводится к следующему процессу

Н р-р

+ ОН р-р

= Н2О(ж)

∆fН0

298кДжмоль 0 minus23019 minus28583 Изменение энтальпии этой реакции

∆Н 0

298 нейтр = minus28583 + 23019 = minus556 кДж

∆Ннейтр слабых кислот слабыми основаниями ndash величина переменная за-

висящая от их констант диссоциации и соответственно от концентрации ионов

водорода Н р-р

и гидроксид-ионов ОН р-р

в растворе и имеет значение мень-

шее чем 556 кДжмоль

Экспериментальная часть

Опыт 1 Определение изменения энтальпии нейтрализации сильного

основания сильной кислотой

Для проведения опыта используйте калориметрическую установку

(рис 17) Она состоит из калориметрического стакана (1) вставленного в дру-

гой стакан (2) который играет роль теплоизо-

лирующей муфты подставки (3) крышки (4)

термометра (5) мешалки (6) пипетки (7) шта-

тива (8)

Взвесьте калориметрический стакан и

влейте в него из пипетки (бюретки) 25 мл рас-

твора NaOH или КОН с концентрацией Сэ

= 1 мольл и отметьте температуру с точностью

до 01 оС В другой стакан налейте из бюретки

25 мл НСl или HNO3 такой же концентрации и

измерьте с той же точностью температуру рас-

твора кислоты Затем быстро но аккуратно

влейте раствор кислоты в калори-

Рис 17 Калориметрическая метрический стакан Перемешивая мешалкой

установка содержимое сосуда отметьте максимальную

температуру смеси

Полученные данные используйте для расчетов Расчет проводите по сле-

дующей схеме

45

1 Вычислите изменение энтальпии реакции

NaOH (КОН) + НСl (HNO3) = Н2О + NaCl (KCl)

∆rН0 = (mж middot Cж + mст middot Cст) middot ∆t ∆t = tкон minus tнач где tкон tнач ndash конечная и

начальная температуры (оС) растворов в калориметрическом сосуде mст mж ndash

масса стеклянного калориметрического сосуда и находящейся в нем жидкости

Cст Cж ndash удельные теплоемкости стекла и жидкости Начальная температура ndash

это среднеарифметическая температура щелочи и кислоты конечная ndash наивыс-

шая температура после сливания растворов плотность раствора принять равной

1 гмл его удельную теплоемкость ndash равной теплоемкости воды

(4184 ДжгmiddotК) а удельную теплоемкость стекла ndash 0753 ДжгmiddotК Массу стакана

(mст) определяют в зависимости от того какая часть его объема заполняется

раствором (если наполовину то стm

2)

2 Составьте ионно-молекулярное уравнение реакции нейтрализации и

рассчитайте изменение энтальпии нейтрализации одного моля эквивалента

кислоты по результатам проведенного опыта

3 Определите относительную ошибку опыта (в процентах)

Опыт 2 Определение изменения энтальпии нейтрализации слабого

основания слабой кислотой

Проведите опыт аналогично первому взяв растворы аммиака и уксусной

кислоты с концентрацией Сэ = 1 мольл Вычислите изменение энтальпии

нейтрализации в расчете на 1 моль эквивалентов уксусной кислоты Сравните

результаты с данными предыдущего опыта

Опыт 3 Определение изменения энтальпии растворения безводного

сульфата меди (II)

Опыт проведите в калориметрической установке (см рис 17) В предва-

рительно взвешенный калориметрический стакан налейте 30 мл дистиллиро-

ванной воды определите ее температуру с точностью до 01 оС Взвесьте 1 г

безводного сульфата меди (II) с точностью до 001 г Быстро и аккуратно

всыпьте соль в калориметрический сосуд Размешивая его содержимое мешал-

кой отметьте максимальную температуру Зная разность температур общую

массу раствора и приняв удельную теплоемкость раствора равной удельной

теплоемкости воды рассчитайте изменение энтальпии данного процесса на

1 моль безводной соли

I 1 CuSO4 (к) + aq rarr CuSO4 middot aq ∆Н 0

р-ния б сminus

Имея в виду что гидратация безводной соли и растворение кристалло-

гидрата выражаются следующими термохимическими уравнениями

1 CuSO4(к) + 5H2O(ж) = CuSO4middot5H2O(к) ∆Н 0

1 = minus778 кДж ndash изменение

II энтальпии при гидратации

2 CuSO4middot5H2O(к) + aq = CuSO4 middot aq ∆Н 0

2 = 117 кДж ndash изменение энталь-

пии растворения кристаллогидрата рассчитайте ∆Н 0

р-ния б с CuSO4 на основе за-

46

кона Гесса ∆Н(р-ния б с) = ∆Н(гидрат) + ∆Н(р-ния кристаллогидрата) Сравните теоретиче-

ские и экспериментально рассчитанные значения изменения энтальпии и опре-

делите относительную погрешность опыта (в процентах)

Опыт 4 Определение изменения энтальпии гидратации карбоната

натрия

Опыт проведите по методике описанной в опыте 3 Взятая навеска кар-

боната должна составлять примерно 07 г Опыт и расчеты повторите для кри-

сталлогидрата Na2CO3middot10Н2О (навеска ndash 15 г на 30 мл воды) По найденным

изменениям энтальпий растворения Na2CO3 и Na2CO3middot10Н2О вычислите изме-

нение энтальпии гидратации карбоната натрия и сравните с литературными

данными

(∆Н 0

р-ния б с= minus251 кДжмоль ∆Н

0

гидрат = minus920 кДжмоль

∆Н 0

р-ния кристаллогидрата = 669 кДжмоль)

Вопросы и задачи

1 Почему химические и фазовые превращения сопровождаются выделе-

нием или поглощением энергии Почему в одних случаях энергия выделяется а

в других поглощается

2 Рассчитайте среднюю энергию связи в молекулах СН4 и SiH4 если из-

вестны изменения энтальпий образования Н (г) С (г) Si (г) и СН4 (г) SiH4 (г)

Объясните различия средней энергии связи С ndash Н Si ndash Н

Ответ 415325 кДжмоль

3 Вычислите среднюю энергию связи Н ndash О в молекуле воды если из-

вестно изменение энтальпии образования Н2О (г) Н (г) и О (г)

Ответ 462 кДжмоль

4 Вычислите изменение энтальпии реакции нейтрализации растворов

КОН и НСl CsOH и H2SO4 NaOH и HNO3 в случае очень разбавленных рас-

творов в расчете на 1 моль Н2О в стандартных условиях Почему изменение эн-

тальпий этих реакций одинаковы Почему значения изменения энтальпий

нейтрализации разных слабых оснований и кислот различны

Ответ minus556 кДжмоль

5 При растворении 10 г СаСl2 в 200 мл воды температура раствора повы-

силась на 77 К Вычислите изменение энтальпии гидратации СаСl2 если изме-

нение энтальпии растворения СаСl2middot6Н2О равна 1908 кДжмоль Удельную

теплоемкость раствора примите равной удельной теплоемкости воды

(4184 ДжгmiddotК) Ответ minus9423 кДжмоль

6 При растворении 8 г хлорида аммония в 20 г воды температура понизи-

лась на 2 оС Вычислите ∆Н растворения NH4Cl в воде принимая удельную

теплоемкость полученного раствора равной 41870 Дж(г middot К)

Ответ minus163 кДжмоль

47

7 Рассчитайте ∆rН растворения алюминия в разбавленной соляной кисло-

те если стандартные изменения энтальпий образования реагирующих веществ

равны ∆fНHCl (p-p) = minus1675 кДжмоль ∆fН 3 р-р

AlCl = minus6723 кДжмоль

Ответ minus3396 кДж

8 При растворении 5206 г BaCl2 в 400 моль Н2О выделяется 216 кДж

теплоты Вычислите ∆Н гидратации безводного BaCl2

Ответ 2713 кДжмоль

9 При растворении 16 г СаС2 в воде выделяется 313 кДж теплоты Опре-

делите изменение стандартной энтальпии образования Са(ОН)2

Ответ minus98633 кДжмоль

10 Вычислите изменение энтальпии при сгорании 20 л диборана (ну)

если ∆fН (В2О3 (к)) = minus1264 кДжмоль ∆fН (В2Н6 (г)) = 314 кДжмоль Целе-

сообразно ли использовать в качестве топлива диборан вместо этана если

стандартное изменение энтальпии сгорания этана равно minus155988 кДжмоль

Ответ minus19220 кДж

Следует уметь

1 Используя калориметрический метод рассчитывать энтальпию различ-

ных физико-химических процессов

2 Вычислять энтальпию реакции по энтальпиям образования исходных

веществ и конечных продуктов пользуясь законом Гесса и его следствиями

3 Учитывать влияние прочности химических связей в продуктах реакции

и исходных веществах на энтальпию реакции

48

Библиографический список

1 Еремин В В Основы общей и физической химии В В Еремин

А Я Борщевский ndash М Интеллект 2012 ndash 800 c

2 Неорганическая химия в 3 т под ред Ю Д Третьякова ndash М Ака-

демия 2011 minus 2012 ndash Т 1 ndash 240 с Т 2 ndash 368 с Т 3 (1) ndash 352 с Т 3 (2) ndash 400 с

3 Павлов Н Н Общая и неорганическая химия Н Н Павлов ndash М Лань

2011 ndash 496 с

4 Росин И В Общая и неорганическая химия Современный курс И

В Росин Л Д Томина ndash М Юрайт 2012 ndash 1338 с

5 Шрайвер Д Неорганическая химия в 2-х т Д Шрайвер П Эткинс ndash

М Мир 2013 Т 1 ndash 679 с Т 2 ndash 486 с

Содержание

Правила работы в химической лабораторииhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip3

Работа 1 Определение молярных масс газообразных веществhelliphelliphelliphellip4

Работа 2 Определение молярных масс эквивалентовhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip12

Работа 3 Приготовление растворовhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip24

Работа 4 Методы очистки веществhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip32

Работа 5 Определение изменения энтальпий

физико-химических процессовhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip42

Библиографический списокhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip48

Page 14: МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ К ЛАБОРАТОРНОМУ ...phys-chem.mrsu.ru/wp-content/uploads/2017/11/...МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ К ЛАБОРАТОРНОМУ

14

Пример

fЭ (Н2) = 1

1 2 =

1

2 fЭ (О2) =

1

2 2=

1

4 fЭ (Г2) =

1

1 2 =

1

2 fЭ (N2) =

1

3 2 =

= 1

6 fЭ (О3) =

1

2 3 =

1

6

Для элемента входящего в состав любого сложного вещества fЭ = 1

х

где х ndash степень окисления этого элемента взятая по модулю

Пример

MnO fЭ (Mn) = 1

2 Mn2O3 fЭ (Mn) =

1

3

MnO2 fЭ (Mn) = 1

4 Mn2O7 fЭ (Mn) =

1

7

Для оксидов R2Oх fЭ = 1

2x где х ndash степень окисления элемента образу-

ющего оксид те z = |2x| Таким образом

fЭ(оксида)=

1

сумма по модулю всех зарядов + или поляризованныхчастиц образующих оксид

fЭ (Al2O3)=

1

3 2 =

1

2 3 =

1

6 fЭ (ОsО4) =

1

8 1 =

1

2 4 =

1

8

Для кислот оснований солей

fЭ = 1

сумма по модулю всех зарядов катионов или анионов

fЭ (Н3РО4) =

1

1 3 =

1

3 1 =

1

3 =

1

основность кислоты z = 3

fЭ (Al(ОН)3) =

1

3 1 =

1

1 3 =

1

3 =

1

кислотность основания z = 3

fЭ (Na2SО4) =

1

1 2 =

1

2 1 =

1

2 z = 2

fЭ [Al2(SО4)3] =

1

3 2 =

1

2 3 =

1

6 z = 6

fЭ (NaНSО4) =

1

1 1 =

1

1 1 = 1 z = 1

fЭ [(AlОН)Cl2] =

1

2 1 =

1

1 2 =

1

2 z = 2

fЭ 3 4 2Cu NH OH =

1

2 1 =

1

1 2 =

1

2 z = 2

Фактор эквивалентности (fЭ )и эквивалентное число (z) зависят от ос-

новности кислоты или кислотности основания в соответствии с которыми они

вступают в химическое взаимодействие

Пример

а) 2Н3РО4 + 3Са(ОН)2 rarr Са3(РО4)2 + 6Н2О

15

Основность кислоты равна 3 кислотность основания равна 2 так как в

кислоте замещаются 3 иона водорода в основании ndash 2 гидроксид-иона

z (Н3РО4) = 3 z (Са(ОН)2) = 2 fЭ (Н3РО4) = 1

3 fЭ (Са(ОН)2) =

1

2

б) 2Н3РО4 + Са(ОН)2 rarr Са(Н2РО4)2 + 2Н2О

Основность кислоты равна 1 кислотность основания ndash 2

z (Н3РО4) = 1 z (Са(ОН)2) = 2 fЭ (Н3РО4) = 1 fЭ (Са(ОН)2) = 1

2

в) Н3РО4 + Са(ОН)2 rarr СаНРО4 + 2Н2О

Основность кислоты равна 2 кислотность основания равна 2

z (Н3РО4) = 2 z (Са(ОН)2) = 2 fЭ (Н3РО4) = 1

2 fЭ (Са(ОН)2) =

1

2

г) Н3РО4 + 3Са(ОН)2 rarr (СаОН)3РО4 + 3Н2О

Основность кислоты равна 3 кислотность основания равна 1

z (Н3РО4) = 3 z (Са(ОН)2) = 1 fЭ (Н3РО4) =1

3 fЭ (Са(ОН)2) = 1

д) 2Al(OH)3 + Н2SO4 rarr [Al(OH)2]2SO4 + 2Н2О

Основность кислоты равна 2 кислотность основания равна 1

z (Al(OH)3) = 1 z (Н2SO4) = 2 fЭ (Al(OH)3) =1 fЭ (Н2SO4) = 1

2

е) Al(OH)3 + Н2SO4 rarr [Al(OH)]SO4 + 2Н2О

Основность кислоты равна 2 кислотность основания равна 2

z (Al(OH)3) = 2 z (Н2SO4) = 2 fЭ (Al(OH)3) =1

2 fЭ (Н2SO4) =

1

2

Для окислительно-восстановительных реакций fЭ (окислителя) = 1

n

fЭ (восстановителя) = 1

n где n ndash число электронов принятых или отдан-

ных 1 молекулой или 1 ионом окислителя или восстановителя соответственно

Пример

MnO4

+ 8H+ + 5 ē rarr Mn

2+ + 4Н2О z = 5 fЭ =

1

5

SO 2

3

+ Н2О minus 2 ē = SO 2

4

+ 2H+ z = 2 fЭ =

1

2

Молярная масса эквивалентов вещества (Мэ гмоль) ndash это масса

1 моля эквивалентов вещества или 6022middot1023

эквивалентов вещества

Мэ = fЭ middot М = M

z =

m

э где М ndash молярная масса гмоль m ndash масса (г) ве-

щества количеством νэ (моль)

Пример

Мэ (Н) = fЭ middot М (Н) = 1 middot 1008 гмоль = 1008 гмоль

Мэ (Н2) = 1

2middot М (Н2) =

1

2middot 2016 гмоль = 1008 гмоль

Мэ (О) = 1

2middot М (О) =

1

2middot 16 гмоль = 8 гмоль

16

Мэ (О2) = 1

4middot М (О2) =

32 гмоль

4 = 8 гмоль

Мэ (Na) = М (Na) = 23 гмоль

Мэ (ОНminus) = М (ОН

minus) = 17 гмоль

Мэ (С) в СО = 12 гмоль

2 = 6 гмоль

Мэ (С) в СО2 = 12 гмоль

4 = 3 гмоль

Для оксидов R2Oх

Мэ (R2Ox) = fЭ middot М (R2Ox)

Мэ (R2Ox) = Мэ (R) + Мэ (O) = fЭ (R) middot М (R) + 8

Пример

Мэ (Al2O3) = 1

6middot M (Al2O3) =

102 гмоль

6 = 17 гмоль

Мэ (Al2O3) = 27 гмоль

3+ 8 гмоль = 17 гмоль

Мэ (кислоты) = fЭ middot М (кислоты)

Мэ (кислоты) = 1

основность кислотыmiddot М (кислоты)

Мэ (кислоты) = Мэ (Н+) + Мэ (А

minus) = 1 гмоль + fЭ middot М (А

minus) = 1 гмоль +

+1

заряд анионаmiddot М (А

minus) где А

minus minus кислотный остаток

Пример

Мэ (Н3РО4) = 1

3middot М (Н3РО4) =

1

3middot 98 гмоль = 3267 гмоль

Мэ (Н3РО4) = Мэ (Н+) + Мэ (РО 3

4

) = 1 + 1

3middot М (РО 3

4

) = 1 гмоль + 1

3middot

middot 95 гмоль = 1 гмоль + 3167 гмоль = 3267 гмоль

Мэ (основания) = fЭ middot М (основания)

Мэ (основания) = 1

кислотность основанияmiddot М (основания)

Мэ (основания) = Мэ (Мn+

) + Мэ (ОНminus) = fЭ middot М (М

n+) + fЭ middot М (ОН

minus) =

= 1

nmiddot М (М

n+) + 17

Пример

Мэ (Al(OH)3) = 1

3middot 78 гмоль = 26 гмоль

Мэ (Al(OH)3) = 1

3middot 27 гмоль + 17 гмоль = 9 гмоль + 17 гмоль =

= 26 гмоль

Для солей состава КхАу

Мэ (соли) = fЭ middot М (соли) = Мэ (Ку+

) + Мэ (Ахminus

) = fЭ (Ку+

) middot М (Ку+

) +

+ fЭ (Ахminus

) middot М (Ахminus

)

17

Пример

Мэ (Al2(SO4)3) = 1

6 middot М [Al2(SO4)3] =

342 гмоль

6 = 57 гмоль

Мэ (Al2(SO4)3) = 27

3 +

96

2 = 9 гмоль + 48 гмоль = 57 гмоль

Мэ (окислителя или восстановителя) = fЭ middot М (в-ва) = 1

nmiddot М (в-ва) где n ndash

число отданных или принятых электронов z ndash эквивалентное число = n

Пример

а) Мэ (KMnO4) = 1

5middot М (KMnO4) =

1

5middot 158 гмоль = 316 гмоль (при пере-

ходе MnO4

в Mn+2

)

Мэ (MnO2) = 1

2middot М (MnO2) =

1

2middot 87 гмоль = 435 гмоль (при переходе

MnO2 в MnO 2

4

)

При определении Мэ веществ участвующих в химических реакциях сле-

дует учитывать их fЭ

Пример

а) Аl(OH)3 + H3PO4 rarr AlPO4 + 3H2O

Мэ (Аl(OH)3) = 1

3middot М (Аl(OH)3)

Мэ (H3PO4) = 1

3middot М (H3PO4)

б) 3Аl(OH)3 + H3PO4 rarr [Al(ОН)2]3PO4 + 3H2O

Мэ (Аl(OH)3) = М (Аl(OH)3)

Мэ (H3PO4) = 1

3middot М (H3PO4)

в) 3Аl(OH)3 + 2H3PO4 rarr [Al(ОН)]3(PO4)2 + 6H2O

Мэ (Аl(OH)3) = 1

2middot М (Аl(OH)3)

Мэ (H3PO4) = 1

3middot М (H3PO4)

г) Аl(OH)3 + 3H3PO4 rarr Al(Н2PO4)3 + 3H2O

Мэ (Аl(OH)3) = 1

3middot М (Аl(OH)3)

Мэ (H3PO4) = М (H3PO4)

д) 2Аl(OH)3 + 3H3PO4 rarr Al2(НPO4)3 + 6H2O

Мэ (Аl(OH)3) = 1

3middot М (Аl(OH)3)

Мэ (H3PO4) = 1

2middot М (H3PO4)

е) Fe(OH)2Cl + HCl rarr Fe(OH)Cl2 + H2O

Мэ (Fe(OH)2Cl) = М (Fe(OH)2Cl)

Fe(OH)2Cl + 2HCl rarr FeCl3 + 2H2O

18

Мэ (Fe(OH)2Cl) = 1

2middot М (Fe(OH)2Cl)

Fe(OH)2Cl + NaOH rarr Fe(OH)3 + NaCl

Мэ (Fe(OH)2Cl) = М (Fe(OH)2Cl)

ж) KCr(SO4)2 + 3KOH rarr Cr(OH)3 + 2K2SO4

Мэ (KCr(SO4)2) = 1

3middot М (KCr(SO4)2)

KCr(SO4)2 + 6KOH rarr K3[Cr(OH)6] + 2K2SO4

Мэ (KCr(SO4)2) = 1

6middot М (KCr(SO4)2)

и) MnSO4 + 2KOH rarr Mn(OH)2 + K2SO4

Мэ (MnSO4) = 1

2middot М (MnSO4)

MnSO4 + 2Cl2 + 8KOH rarr K2MnO4 + 4KCl + K2SO4 + 4H2O

Мэ (MnSO4) = 1

4middot М (MnSO4)

2MnSO4 + 5K2S2O8 + 8H2O rarr 2HMnO4 + 2H2SO4 + 10KHSO4

Мэ (MnSO4) = 1

5middot М (MnSO4)

Масса эквивалента вещества (mэ) (г кг hellip)

mэ = э

A

M

N = fЭ middot

A

M

N=

M

z NA =

э A

m

ν N

Пример

mэ (Mg) =

A

M Mg

N =

23 1

12 гмоль

6022 10 моль = 1993middot10

minus23 г

mэ (СаСО3) = 23 1

300г

6моль 6022 10 моль = 83029middot10

minus23 г

Таким образом эквивалент фактор эквивалентности эквивалентное чис-

ло масса эквивалента молярная масса эквивалента ndash величины переменные

зависящие от валентности степени окисления количества атомов зарядов

ионов в молекулах веществ основности кислоты кислотности основания а в

окислительно-восстановительных реакциях ndash от количества отданных или при-

нятых электронов

Количество вещества эквивалента (νэ моль)

νэ = эM

m =

Э

m

Мf = в-ва

Эf

=

m z

M

где m ndash масса вещества г

Пример

m (Аl) = 135 г Мэ (Аl) = 1

3 middot 27 гмоль = 9 гмоль

ν (Аl) = 135г

9гмоль = 15 моль

В 135 г алюминия содержится 15 молей эквивалентов алюминия или (15

middot NA) эквивалентов алюминия z = 3 1 моль атомов алюминия эквивалентен 3

молям эквивалентов алюминия или (3 NA) эквивалентам алюминия

19

1 моль электронов эквивалентен числу Фарадея

F = 160217733middot10minus19

Кл middot 60221367middot10minus1

моль = 96485309 Клмоль

(Клmiddotмольminus1

)

Пример

m = M (O2) νэ = 32г

8гмоль = 4 моль

1 моль молекул O2 содержит 4 моль эквивалентов кислорода

Для сложных веществ Мэ и νэ могут быть рассчитаны по fЭ который ха-

рактеризует их в данной реакции

Молярный объем эквивалента газообразного вещества (Vэ) (лмоль

м3кмоль м

3моль) ndash это объем занимаемый 1 молем эквивалентов этого ве-

щества

Vэ= fЭ middot Vm = 0V

э V 0

э = fЭ middot V

0

m = 0V

э

Пример

V 0

э (О2) =

1

4middot 224 лмоль = 56 лмоль

Это означает что 1 моль эквивалентов О2 при ну занимает объем равный

56 л

V 0

э (Н2) =

1

2middot 224 лмоль = 112 лмоль те 1 моль эквивалентов Н2 при

ну занимает объем равный 112 л

1 моль молекул О2 или 4 моля эквивалентов О2 при ну занимают объем

224 л 1 моль молекул Н2 или 2 моля эквивалентов Н2 при ну занимают объем

224 л

Закон эквивалентов массы веществ реагирующих друг с другом или об-

разующихся в результате химической реакции соотносятся между собой как

их молярные массы эквивалентов

2

1

m

m =

э (1)

э (2)

M

M

1

э (1)

m

М=

2

э (2)

m

М

1

э (1)

m

М = νэ (1)

2

э (2)

m

М = νэ (2)

νэ (1) = νэ (2) ndash количество эквивалентов каждого из участников химической

реакции

Для газообразного вещества

э

m

M =

э

V

V =

0

0

э

V

V = νэ

Закон эквивалентов для химической реакции с участием газа

1

э (1)

m

М=

2

э 2

V

V=

0

2

0

э 2

V

V = νэ (1) = νэ (2)

Мэ (1) =

0

э (2)1

0

2

m middotV

V

Экспериментальное определение эквивалентов и молярных масс эквива-

лента различных веществ может быть проведено различными методами

20

Б2

Л1

Т

Б1

Л2

П

Г

1 Метод прямого определения Эквивалент и молярную массу эквива-

лента устанавливают исходя из соединений данного элемента с водородом или

кислородом

2 Косвенный метод в котором вместо водорода и кислорода использу-

ют другие элементы и вещества с известным эквивалентом и молярной массой

эквивалента

3 Метод вытеснения водорода из кислоты металлом взятой навески

Применим к металлам которые способны вытеснять водород из щелочей и раз-

бавленных кислот

4 Аналитический метод Эквивалент определяют из результатов хими-

ческого анализа элемента в одном из его соединений

5 Электрохимический метод основан на законе Фарадея согласно ко-

торому asymp 96 500 Кл электричества выделяют из электролитов при электролизе

1 моль эквивалентов вещества

Экспериментальная часть

Опыт 1 Определение молярной массы эквивалента алюминия мето-

дом вытеснения

Метод основан на реакции взаимодействия алюминия с соляной кислотой

и измерении объема выделившегося водорода

Собрать прибор представленный на рис 4 Заполнить 14 часть пробирки

раствором соляной кислоты (с массовой долей 15 ) Наклонив пробирку на

ее сухую сторону поместить предварительно взвешенную алюминиевую

Установка состоит из двух бюреток рабочей изме-

рительной Б1 и уравнительной Б2 соединенных

резиновой трубкой Т и заполненных подкрашен-

ной водой К рабочей бюретке при помощи газо-

отводной трубки Г присоединена пробирка П

Рис 4 Лабораторная установка для определения молярной массы эквивалента алюминия

21

фольгу (0015ndash0020 г) так чтобы она не соприкасалась с кислотой Присоеди-

нить пробирку к бюретке и проверить прибор на герметичность Для этого во-

ронку опустить на 10ndash15 см Если прибор герметичен то уровень воды в бю-

ретке несколько снизится а затем останется без изменения Привести давление

в бюретке к атмосферному для чего установить уровень воды в бюретке и во-

ронке на одной высоте в бюретке ndash около нулевого деления но не выше Отме-

тить и записать положение нижнего края мениска в бюретке (А1) После этого

пробирку со штативом наклонить так чтобы кислота смыла алюминиевую

фольгу Для начала реакции содержимое пробирки нагреть на спиртовке (не ка-

саться фитилем дна пробирки не кипятить) Выделяющийся водород бу-

дет вытеснять воду из бюретки После окончания реакции пробирку не снимая

с прибора охладить до комнатной температуры опустив ее в стакан с холодной

водой Затем привести давление внутри прибора к атмосферному и отметить

уровень воды в бюретке (А2)

Объем выделившегося водорода при комнатных условиях V2H = (А2 ndash А1)

привести по объединенному газовому закону (T

PV=

0

00

T

VP) к ну (V0 (H2)) учи-

тывая что общее давление Р = P пар OH2+ P

2Н (где P ndash парциальное давление)

откуда P2Н = Р ndash P пар OH2

тогда объединенный газовый закон T

Vmiddot)P (P пар OH2=

= 0

00

T

VP V

0(H2) = 22общ пар 0 HН О

0

(P Р )middotТ V

Р Т

Таблица 1

Зависимость давления водяного пара от температуры

Т К P OН2 Па Т К P OН2

Па

289 181318 295 233976

290 193317 296 281301

291 206649 297 298641

292 219913 298 317306

293 233314 299 335971

294 247979 300 355970

На основании полученных данных и закона эквивалентов рассчитать молярную

массу эквивалента алюминия (Al)э

Al

M

m=

2

0 2

0

m ( ) H

V (H )

V э

Результаты измерений записать по следующей форме

Навеска

алюминия

г

V2H мл

(А2 ndash А1) Т К

Робщ

Па 2H OP Па V 20 H

мл

Мэ(Al)

гмоль

Ошиб

ка

22

Опыт 2 Определение молярной массы эквивалента карбоната каль-

ция косвенным методом

Взвесить в стакане около 3 г мрамора с точностью до 001 г (m1) При-

лить пипеткой (рис 5) 15 мл раствора соляной кислоты с мо-

лярной концентрацией эквивалента 1 мольл Как только выде-

ление углекислого газа замедлится нагреть стакан до 60ndash70 оС

выдержать при этой температуре до окончания реакции Затем

слить образовавшийся раствор с оставшихся кусочков мра-

мора промыть их два раза дистиллированной водой методом

декантации Стакан с оставшимся мрамором высушить в су-

шильном шкафу при 107 оС и после охлаждения взвесить (m2)

Зная количество молей эквивалентов вступившей в реакцию

соляной кислоты (νэ) и массу прореагировавшего мрамора m3

рассчитать по закону эквивалентов молярную массу эквивален-

та карбоната кальция

Рис 5 Пипетки мерные

Результаты эксперимента записать по следующей форме

m1 г m2 г m3 (CaCO3) =

= m1 ndash m2 г V (HCl) мл

Mэ(СaCO3)

гмоль

Ошибка

νэ (HCl) = Vр-ра (HCl) middot Сэ (HCl)

νэ (СaCO 3 ) = νэ (HCl) )(CaCO э

CaCO

3

3

M

m = Сэ (HCl) middot Vр-ра (HCl)

Мэ (СаСО3) =

3CaCO

HCl э(HCl)

m г

мольV л middotС

л

Вопросы и задачи

1 Как проверить на герметичность прибор для определения молярной

массы эквивалента металла методом вытеснения водорода

2 Как привести давление в герметически закрытом приборе к атмосфер-

ному

3 Под каким давлением по сравнению с атмосферным будет находиться

газ в сосуде если уровень воды в бюретке

а) выше чем в воронке (уравнительном сосуде)

б) ниже чем в воронке

в) на одном уровне

23

4 Как рассчитать парциальное давление газа если он собран над водой

5 Вычислите молярную массу эквивалента металла если навеска техни-

ческого металла массой 0035 г имеющего 20 примесей (не взаимодейству-

ющих с кислотой) вытесняет из кислоты 119 мл водорода собранного над во-

дой при температуре 17 оС и давлении 103middot10

5 Па (давление водяного пара над

водой при 17 оС равно 00193middot10

5 Па)

Ответ 2807 гмоль

6 Чему равны молярные массы эквивалентов мышьяка в его оксидах со-

держащих мышьяк а) 652 (мас) As б) 757 (мас) As

Ответ 1499 гмоль 2492 гмоль

7 Вычислите молярную массу эквивалента фосфорной кислоты и гидрок-

сида алюминия в уравнениях реакций

а) H3PO4 + Ca(OH)2 = CaHPO4 + 2H2O

б) Al(OH)3 + HNO3 = Al(OH)2NO3 + H2O

8 Рассчитайте молярную массу эквивалента олова если

а) при нагревании 092 г его в токе кислорода образуется оксид олова

массой 117 г

б) при восстановлении оксида олова массой 117 г водородом получена

вода массой 016 г

Ответ а) 2944 гмоль б) 5886 гмоль

9 Из 27 г оксида некоторого металла можно получить 63 г его нитрата

Вычислите молярную массу эквивалента металла

Ответ 325 гмоль

10 При восстановлении 51 г оксида металла (III) образовалось 27 г во-

ды Определите молярную массу эквивалента и относительную атомную массу

металла

Ответ 9 гмоль 27

Следует уметь

1 Рассчитывать фактор эквивалентности массу эквивалента и молярную

массу эквивалента элемента простого и сложного веществ исходя из формулы

вещества уравнений реакций в которых участвует вещество закона эквива-

лентов молярного объема эквивалентов любого газообразного вещества

2 Экспериментально определять молярную массу эквивалентов простых

и сложных веществ

24

Работа 3 Приготовление растворов

Задания для подготовки к лабораторной работе

1 Изучите теоретическое введение к лабораторной работе обратив особое

внимание на различные способы выражения содержания растворенного веще-

ства в растворе

2 Проведите все расчеты необходимые для выполнения опытов изучив

метод интерполяции и laquoправило крестаraquo

3 Ознакомьтесь с устройством ареометра мерной посудой и правилами

пользования ими

Теоретическая часть

Раствор ndash это гомогенная система переменного состава состоящая из рас-

творителя растворенных веществ (одного или нескольких) и продуктов их вза-

имодействия Компонент который количественно преобладает и находится в

том же агрегатном состоянии что и образующийся раствор называется раство-

рителем все остальные его части ndash растворенными веществами Основным

признаком характеризующим раствор является его однородность Процесс

растворения часто сопровождается значительными объемными и энергетиче-

скими эффектами По этим признакам растворы больше напоминают химиче-

ские соединения и тем самым отличаются от механических смесей С другой

стороны растворы не имеют строго определенного состава и в этом их суще-

ственное отличие от химических соединений

Первоначально процесс растворения идет самопроизвольно (∆Gр-ния lt 0) и

раствор является ненасыщенным При дальнейшем добавлении вещества

наступает момент когда вещество перестает растворяться и тогда избыток рас-

творенного вещества выпадает в осадок Система оказывается в состоянии ис-

тинного равновесия (∆Gр-ния = 0) те скорости осаждения и растворения равны

Раствор становится насыщенным Можно получить и пересыщенные растворы

те такие массовые доли растворенных веществ в которых выше чем в насы-

щенных растворах (при определенных температуре и давлении) Пересыщен-

ные растворы можно приготовить медленным охлаждением насыщенных при

высокой температуре растворов (например Na2S2O3 NaCH3COO и др) Они

представляют систему находящуюся в кажущемся равновесии (∆Gр-ния gt 0)

Встряхивание или внесение кристаллов того же вещества которое находится в

растворе или изоморфного с ним вызывает кристаллизацию В результате про-

исходит выделение избытка растворенного вещества и раствор становится

насыщенным

Способы выражения концентрации растворов

Состав любого раствора может быть выражен как качественно так и ко-

личественно Раствор с относительно низким содержанием растворенного ве-

щества называют разбавленным с относительно высоким ndash концентрирован-

25

ным Такая количественная оценка условна Например для серной кислоты

концентрированным считается раствор где массовая доля кислоты равна 98 а

для соляной ndash 38

Для количественной оценки состава растворов используют понятие laquoкон-

центрацияraquo Существуют различные способы ее выражения

1 Массовая доля растворенного вещества в растворе Она обознача-

ется Wрв (по первой букве английского слова laquoWeightraquo ndash вес) и рассчитывается

по формуле Wрв = )ткг г(m

)ткг г(m

ра-р

рв Она выражается в долях от единицы и пока-

зывает сколько граммов (кг т) растворенного вещества содержится в 1 г (кг т)

раствора Например W3NaNO = 005 Это означает что в каждом грамме (кг т)

раствора содержится 005 г (кг т) растворенного вещества Массовая доля рас-

творенного вещества в растворе может быть выражена и в процентах Wрв

= ра-р

рв

m

m middot 100 = Wрв middot 100 В этом случае W указывает сколько граммов (кг

т) растворенного вещества содержится в каждых 100 г (кг т) раствора Напри-

мер W3NaNO = 5 в каждых 100 г раствора содержится 5 г NaNO3 или в

каждых 100 кг (т) раствора ndash 5 кг (т) NaNO3

Раствор любой концентрации характеризуется своей плотностью ρ (гмл

кгл гл тм3) которая показывает сколько граммов (кг т) весит 1 мл (л м

3)

раствора данной концентрации Например ρ = 102 гмл Это означает что 1 мл

раствора данной концентрации весит 102 г Плотность раствора рассчитывает-

ся по формуле ρр-ра = ра-р

ра-р

V

m Плотность (ρ) ndash это величина для перехода от массы

раствора к его объему и наоборот

2 Молярная концентрация раствора (См) Ее значение показывает

сколько молей растворенного вещества содержится в 1 л раствора Например

См (р-ра KCl) = 5 мольл Это означает что в каждом литре такого раствора со-

держится 5 моль KCl Молярная концентрация рассчитывается по формуле

См = рв

р-ра

ν

V=

рв

рв р-ра

m

М middotV(мольл) где νрв minus количество растворенного вещества

(моль) mрв ndash масса растворенного вещества (г) М ndash молярная масса раство-

ренного вещества (гмоль) Vр-ра ndash объем раствора (л)

3 Молярная концентрация эквивалента раствора (эквивалентная кон-

центрация или нормальная концентрация) Она обозначается Сэ (используется

также Сн) Ее значение показывает сколько молей эквивалентов растворенного

вещества содержится в 1 л раствора Например Сэ (р-ра HNO3) = 2 мольл Это

означает что в каждом литре раствора содержится 2 моль эквивалентов HNO3

Молярная концентрация эквивалента раствора рассчитывается по формуле

Сэ = э рв

р-ра

ν

V=

рв

э рв р-ра

m

М middotV(мольл)

26

Растворы имеющие одинаковые значения Сэ реагируют между собой в

равных объемах так как содержат равные количества молей эквивалентов рас-

творенных веществ Если растворы имеют различные значения Сэ то вступаю-

щие в реакцию объемы этих растворов обратно пропорциональны их молярным

концентрациям эквивалента 2

1

V

V=

1 э

2 э

С

C или V1 middot Cэ 1 = V2 middot Cэ 2

4 Моляльная концентрация раствора (Сm) Ее значение показывает

сколько молей растворенного вещества содержится в 1 кг растворителя

Например Сm (р-ра H2SO4) = 10 молькг Это означает что в каждом кило-

грамме воды растворено 10 моль H2SO4 Моляльная концентрация раствора

рассчитывается по формуле Сm = рв

р-ля

ν

m=

рв

рв р-ля

m

М middotm(молькг)

5 Молярная (мольная) доля растворенного вещества в растворе Она

обозначается χрв Ее значение показывает сколько молей растворенного веще-

ства содержится в 1 моль раствора Например χ4CuSO = 002 Это означает что в

1 моль раствора содержится 002 моль CuSO4 Если в растворе только одно рас-

творенное вещество то χ ОH2= 098 Сумма мольных долей всех компонентов в

растворе равна единице те 1 моль Мольная доля растворенного вещества в

растворе рассчитывается по формуле χрв = ля-ррв

рв

νν

ν

=

ра-р

рв

ν

ν=

OH

OH

рв

рв

рв

рв

2

2

M

m

М

m

М

m

Если в растворе несколько (К) растворенных веществ то мольная доля любого

из компонентов в том числе растворителя рассчитывается по формуле

χi =

K

1i

i

i

ν

ν Например при наличии трех растворенных веществ и растворителя

χ1 = 4321

1

νννν

ν

χ2 =

4321

2

νννν

ν

χ3 =

4321

3

νννν

ν

χ4 = 4321

4

νννν

ν

χ1 + χ2 + χ3 + χ4 = 1

6 Титр раствора Этот вид выражения состава раствора обозначается

буквой Т Его значение показывает сколько граммов растворенного вещества

содержится в 1 мл раствора Например Т (р-ра Na2CO3) = 15 гмл Это означа-

ет что в каждом миллилитре такого раствора содержится 15 г Na2CO3 Титр

раствора рассчитывается по формуле Т = рв

р-ра

m

V (гмл)

27

Экспериментальная часть

Опыт 1 Приготовление пересыщенного раствора тиосульфата натрия

Положите в пробирку несколько кристаллов Na2S2O3middot5H2O и очень осто-

рожно нагрейте Закройте пробирку ватой и дайте ей охладиться Охлажден-

ную до комнатной температуры пробирку резко встряхните Нагреванием про-

бирки с солью снова получите прозрачный раствор Охладите и внесите не-

большой кристалл исходного вещества Объясните наблюдаемое

Опыт 2 Определение массовой доли серной кислоты по плотности

раствора

Наиболее простой и быстрый способ ndash с помощью ареометра Его приме-

нение основано на том что плавающее тело погружается в жидкость до тех пор

пока масса вытесненной жидкости не станет равной массе самого тела В рас-

ширенной нижней части ареометра находится груз на верхней узкой части ndash

шейке ndash нанесены деления показывающие плотность жидкости в которой

laquoплаваетraquo ареометр

Исследуемый (концентрированный) раствор серной кислоты налейте (под

тягой) в сухой чистый мерный цилиндр на frac34 его объема В раствор осторож-

но не касаясь стенок цилиндра опустите ареометр Каждый ареометр предна-

значен для измерения плотности в определенных пределах При выборе арео-

метра необходимо ориентировочно знать плотность данного раствора Вы-

яснив цену одного деления шкалы ареометра отметьте его показания (по ниж-

нему мениску раствора) Приподняв ареометр на 1ndash2 см вновь опустите его в

раствор и еще раз определите показания По справочной таблице найдите мас-

совую долю растворенного вещества в растворе Если такая величина в таблице

отсутствует то массовую долю находят методом интерполяции (определение

промежуточного значения по двум крайним) Например экспериментальное

показание ареометра равно 1124 гмл Находим ближайшие к этому табличные

значения плотности массовой доли и их разность

ρ гмл W

1130 1831

1120 1701

0010 130

Таким образом изменению плотности на 0010 гмл соответствует изме-

нение массовой доли на 130 Экспериментальное показание ареометра отли-

чается от меньшей табличной величины на 0004 гмл

ρ гмл W

1124

1120 1701

0004

С учетом того что в указанных пределах между плотностью и массовой

долей раствора зависимость линейная составляем пропорцию

28

0010 гмл -----------------130

0004 гмл ----------------- х х = 052

Найденное число (052 ) прибавляем к меньшей массовой доле

(1701 ) взятой из таблицы и соответствующей плотности 1120 Получаем

W = 1701 + 052 = 1753 что соответствует плотности 1124 гмл Этот спо-

соб определения содержания растворенного вещества в растворе применяют в

том случае если не требуется большой точности Более точный способ ndash опре-

деление с помощью титрования Обычно ареометры калибруются при 20 оС В

таблицах значения плотностей растворов приводятся при этой же температуре

Если не требуется особой точности табличными данными можно пользоваться

и для других температур

Опыт 3 Приготовление 50 мл 4 раствора сульфата меди из кри-

сталлогидрата CuSO4middot5H2O

Рассчитайте сколько граммов CuSO4middot5H2O и какой объем воды нужно

взять для приготовления 50 мл раствора с массовой долей CuSO4 4

Взвесьте вычисленную массу кристаллогидрата и перенесите в стакан емко-

стью 100 мл Отмерьте мерным цилиндром (см рис 3) рассчитанный объем

дистиллированной воды перелейте ее в стакан с навеской пентагидрата суль-

фата меди и перемешайте стеклянной палочкой до полного растворения кри-

сталлов соли Полученный раствор перелейте в мерный цилиндр и измерьте

плотность раствора По таблице найдите и запишите массовую долю CuSO4

отвечающую этому значению плотности (ρтеор (4 раствора CuSO4) =

= 104 гмл) пересчитайте на молярную концентрацию молярную концентра-

цию эквивалента моляльную концентрацию и титр раствора

Таблица 2

Исходные данные и полученные результаты приготовления

раствора сульфата меди

Задан-

ная

массо-

вая доля

W

ρтеор

гмл

Рассчитанные

массы компо-

нентов г ρэксп

гмл

Экспериментальные

значения Отн

ошиб

ка

CuSO4middot5H2O Н2О W

См

мольл

Сэ

мольл

Сm

молькг

Т

гмл

Опыт 4 Приготовление 100 мл раствора серной кислоты с молярной

концентрацией эквивалента 01 мольл из более концентрированного раз-

бавлением водой

Для приготовления растворов заданной молярной или эквивалентной

концентраций используются мерные колбы (рис 6) различного объема (25 50

100 200 250 500 1000 мл и более) Рассчитайте объем концентрированного

раствора серной кислоты массовая доля которого определена в опыте 2 необ-

29

ходимый для приготовления 100 мл рас-

твора серной кислоты с молярной кон-

центрацией эквивалента 01 мольл Кис-

лоту перенесите пипеткой (см рис 5) в

мерную колбу объемом 100 мл предвари-

тельно налив в нее примерно 20 мл ди-

стиллированной воды После этого до-

лейте воду в колбу до метки раствор

перемешайте и охладите до комнатной

Рис 6 Мерные колбы температуры Молярная концентрация

эквивалента полученного раствора должна быть близка к 01 мольл Точную

концентрацию раствора серной кислоты определите титрованием щелочью Для

титрования бюретку с наконечником (рис 7) заполните до нулевой

метки титрованным раствором щелочи

предварительно ополоснув им бюретку В

три конические колбы (рис 8) пипеткой

налейте по 10 мл приготовленной серной

кислоты Добавьте в каждую колбу по 2ndash3

капли фенолфталеина и поочередно титруй-

те раствором щелочи из бюретки Щелочь

приливайте медленно левой рукой правой

размешивая раствор Титрование считается

законченным если от прибавления следу-

ющей капли щелочи появляется малиновое

окрашивание которое не исчезает 30 с Рис 8 Колба коническая

Рис 7 Бюретка

мерная для титрования

Для более четкого определения изменения цвета под колбу для титрова-

ния поместите лист белой бумаги Запишите объем щелочи израсходованной

на титрование 10 мл раствора серной кислоты

Аналогично оттитруйте две другие пробы кислоты Результаты парал-

лельных определений не должны различаться между собой более чем на

005ndash010 мл Возьмите из них среднее и рассчитайте точную концентрацию

приготовленного раствора серной кислоты и его титр

Опыт 5 (дополнительный) Приготовление раствора серной кислоты

смешиванием растворов с более высокой и более низкой массовыми долями

Из концентрированного (опыт 2) и имеющегося (опыт 4) в лаборатории

растворов серной кислоты приготовьте 50 мл раствора с массовой долей серной

кислоты равной 30 Для расчета объемов исходных растворов воспользуй-

тесь laquoправилом крестаraquo

30

W1 m1

W

W2 m2

где W ndash массовая доля серной кислоты приготовляемого раствора W1 и W2 ndash

более высокая и более низкая массовые доли H2SO4 в исходных растворах (для

воды W = 0) m1 и m2 ndash массы исходных растворов с более высокой и более

низкой массовой долей Соотношения для исходных растворов таковы

m1 = W ndash W2 m2 = W1 ndash W Таким образом для получения раствора массой

m = (m1 + m2) c массовой долей W необходимо взять m1 г раствора с массовой

долей W1 и m2 г раствора с массовой долей W2 (или V1 р-ра = 1

1m

ρ V2 р-ра =

2

2m

ρ)

Отмерьте вычисленные объемы растворов слейте их в цилиндр объемом 100

мл перемешайте С помощью ареометра и таблицы установите содержание

растворенного вещества в растворе и расхождение практически полученного

значения с заданным

Вопросы и задачи

1 Что произойдет с насыщенным пересыщенным и ненасыщенным рас-

творами алюмокалиевых квасцов при внесении в каждый из них нескольких

кристаллов KAl(SO4)2middot12Н2О

2 Какой объем раствора в котором массовая доля КОН составляет 12

(ρр-ра = 1109 гмл) надо взять чтобы приготовить 250 мл раствора с молярной

концентрацией 2 мольл

Ответ 178 мл

3 В 1 кг воды растворено 666 г гидроксида калия Рассчитайте массовую

долю растворенного вещества в растворе и его концентрации (молярную мо-

ляльную молярную концентрацию эквивалента молярные доли щелочи и во-

ды титр раствора) если его плотность равна 1395 гмл

Ответ 40 995 мольл 119 молькг 0176 0824 0557 гмл

4 В лаборатории имеются растворы с массовыми долями хлорида калия

20 и 40 Сколько граммов каждого раствора надо взять для получения 500 г

раствора с массовой долей соли 25

Ответ 375 г 125 г

5 Плотность раствора карбоната калия равна 122 гмл Из 1 л этого рас-

твора при действии соляной кислоты получено 445 л СО2 (ну) Вычислите

процентное содержание К2СО3 в растворе и его молярную концентрацию экви-

валента

Ответ 225 397 мольл

31

6 В каких объемах должны быть смешаны 01 н и 60 (ρ = 1498 гмл)

растворы серной кислоты чтобы получить 1 л 1 н раствора Н2SO4

Ответ 493 и 9507 мл

7 К 005 л раствора хлорида марганца (II) (ρ = 1085 гмл W = 8 ) при-

бавлено 02 л раствора гидроксида лития массовая доля LiOH в котором 10

(ρ = 1107 гмл) Какое вещество взято в избытке и в каком количестве оно

останется после реакции

Ответ 27 г

8 Для осаждения сульфата бария из раствора BaCl2 (ρ = 106 гмл

W = 8 ) объемом 100 мл требуется раствор Н2SO4 объемом 139 мл Чему равна

молярная концентрация и моляльная концентрация эквивалента раствора

Н2SO4

Ответ 0294 и 0588 мольл

9 Растворы азотной кислоты и гидроксида натрия объемом 1 л каждый

содержат соответственно 189 г HNO3 и 32 г NaOH Какова молярная концен-

трация этих растворов и в каком объемном соотношении они должны быть

смешаны для получения нейтрального раствора

Ответ 03 и 008 мольл 1 375

10 Какова масса Al(OH)3 если для его растворения потребовалось 02 л

раствора азотной кислоты (ρ = 118 гмл W = 30 ) Какой объем 25 н раство-

ра КОН необходимо затратить для растворения этого количества гидроксида

алюминия

Ответ 292 мл 015 л

Следует уметь

1 Выражать содержание растворенного вещества в растворе различными

способами и осуществлять их взаимный пересчет

2 Готовить растворы смешиванием растворенного вещества и раствори-

теля разбавлением водой концентрированного раствора смешиванием двух

растворов разной концентрации выпариванием растворителя добавлением

растворяемого вещества к раствору

3 Пользоваться ареометром мерной посудой установкой для титрова-

ния методом интерполяции laquoправилом крестаraquo

4 Определять содержание растворенного вещества в растворе по его

плотности и с помощью титрования

Работа 4 Методы очистки веществ

Задания для подготовки к лабораторной работе

1 Ознакомьтесь со следующими элементами техники выполнения лабо-

раторных работ взвешиванием на весах измельчением растворением филь-

32

трованием изготовлением простых и складчатых фильтров фильтрованием го-

рячих растворов и фильтрованием растворов под вакуумом нагреванием на

электроплитке растворов в химической посуде промыванием и высушиванием

осадков методами очистки твердых жидких и газообразных веществ

2 Выполните необходимые расчеты

Теоретическая часть

В лабораторной практике большое значение имеет очистка веществ так

как работа с загрязненными реактивами обусловливает получение неточных ре-

зультатов и неправильных выводов

Известны многочисленные методы очистки веществ фильтрование ди-

стилляция дробная перегонка возгонка зонная плавка метод транспортных

реакций и др В лабораторной практике для очистки твердых веществ чаще ис-

пользуются перекристаллизация и возгонка для очистки жидкостей ndash фильтро-

вание и перегонка газов ndash отделение примесей путем поглощения их различ-

ными химическими веществами

1 Очистка твердых веществ от примесей перекристаллизацией и

возгонкой

Перекристаллизация основана на различной растворимости одного и то-

го же вещества при различных температурах Под растворимостью понимают

содержание вещества в насыщенном растворе при данной температуре Она

выражается обычно в граммах безводного вещества на 100 г растворителя

(табл 3) или любым видом концентрации растворов (см работу 3)

Таблица 3

Растворимость солей г100 г воды

Формула соли Температура

оС

0 20 40 60 80

CuSO4 143 205 287 395 555

K2Cr2O7 46 125 259 455 730

NaNO3 727 876 1049 1247 1490

КNO3 133 316 639 1100 1690

NH4Cl 294 372 458 552 656

Зависимость растворимости от температуры изображается также кривы-

ми растворимости (рис 9) Пользуясь табл 3 и рис 9 можно определить

например что в 100 г воды при 20 и 80 оС растворяется соответственно 316 и

1690 г нитрата калия Очевидно при охлаждении насыщенного при 80 оС рас-

твора нитрата калия до 20 оС должно выпасть 1690 ndash 316 = 1374 г соли Чем

ниже температура до которой охлаждают раствор тем большее количество

кристаллов выпадает в осадок

33

При небольшом изменении растворимости в результате повышения тем-

пературы (например хлорида натрия) раствор сначала упаривают а затем

охлаждают Иногда для кристаллиза-

ции к насыщенному водному раствору

вещества добавляют реагенты пони-

жающие его растворимость в воде

(например спирт ацетон концентри-

рованную соляную кислоту) Это явле-

ние называется laquoвысаливаниемraquo

Вещества применяемые в лабо-

раторной практике содержат как пра-

вило немного растворимых приме-сей

относительно которых раствор нена-

сыщен Поэтому при кристал-лизации

вещества из насыщенного раствора

примеси остаются в маточ-ном раство-

ре Маточным называется раствор

оставшийся после отфиль- тровыва-

ния выпавших кристаллов

Рис 9 Кривые растворимости Для получения более чистых ве-

некоторых солей ществ осуществляют повторную крис-

таллизацию

Возгонка ndash это переход вещества при нагревании из твердого состояния

непосредственно в пар минуя жидкое Этим методом очищают твердые веще-

ства от нелетучих примесей например йод серу нафталин хлорид аммония

салициловую кислоту и др Пары возгоняемого вещества конденсируются в

кристаллы на поверхности охлажденных предметов

2 Очистка жидкостей перегонкой

Перегонка основана на различии состава жидкой и паровой фаз Жидкая

фаза одного состава превращается в пар с последующей конденсацией его сно-

ва в жидкость другого состава Этим методом очищают жидкие смеси от рас-

творенных в них твердых веществ или менее летучих жидкостей

Различают несколько способов перегонки жидкостей под нормальным

давлением уменьшенным давлением и с водяным паром

Перегонкой под нормальным давлением пользуются в тех случаях когда

очищаемые жидкости при нагревании не разлагаются и не имеют слишком вы-

сокую температуру кипения Индивидуальное вещество при постоянном давле-

нии кипит при строго определенной температуре Поэтому температура кипе-

ния является характеристикой чистоты вещества Оно тем чище чем меньше

разница между температурой кипения очищаемого вещества и температурой

при которой оно перегоняется

34

3 Очистка газов

Газы для очистки пропускают через поглотительные сосуды содержащие

твердые или жидкие поглотители вступающие в химические реакции с приме-

сями и не реагирующие с очищаемым газом Этот процесс включает высуши-

вание и удаление специфических примесей образующихся в процессе его по-

лучения Пары воды можно поглощать концентрированной серной кислотой

прокаленным хлоридом кальция оксидом фосфора (V) силикагелем безвод-

ным сульфатом меди пары аммиака и хлороводорода ndash водой

Экспериментальная часть

Опыт 1 Очистка медного купороса перекристаллизацией

Пользуясь табл 4 рассчитайте четырьмя способами сколько граммов

воды и медного купороса следует взять для приготовления насыщенного при 80 оС раствора соли из которого при охлаждении до 20

оС выделилось бы 10 г

пентагидрата или 64 г безводного сульфата меди

Таблица 4

Растворимость

безводного сульфата меди и кристаллогидрата сульфата меди

при 80 и 20 оС

t оС

Масса г Масса раствора

г CuSO4 Н2О CuSO4times5Н2О Н2О

80 555 100 8672 6878 1555

8069 14539 12608 100 22608

20

205 100 3203 8847 1205

1594 7774 2490 6878 9368

2317 11303 362 100 1362

I способ расчет на 10 г CuSO4middot5Н2О

m (CuSO4middot5Н2О) m (Н2О)

80 оC 8672 6878

20 оC 2490 6878

II способ расчет на 10 г CuSO4middot5Н2О

m (CuSO4middot5Н2О) m (Н2О)

80 оC 12608 100

20 оC 3620 100

III способ расчет на 64 г CuSO4

m (CuSO4) m (Н2О)

80 оC 5550 100

20 оC 1594 1774

35

IV способ расчет на 64 г CuSO4

m (CuSO4) m (Н2О)

80 оC 8069 14539

20 оC 2317 11303

Примеры расчета масс веществ

Пример 1 Какие массы дихромата калия и воды необходимо взять для

получения очищенной соли массой 30 г если перекристаллизация будет прово-

диться в температурном интервале 80ndash20 оС

Решение

1) По табл 3 находим что при 80 оС в 100 г воды растворяется 7300 г

дихромата калия а при 20 оС ndash 1250 г

2) Следовательно при охлаждении раствора от 80 до 20 оС выделится

7300 ndash 1250 = 6050 г соли

3) Массу дихромата калия необходимую для получения 30 г очищенной

соли вычисляем следующим образом

для выделения 6050 г соли требуется 7300 г дихромата калия

для 30 г -------------------- х г х = 5060

0073middot30= 3619 г

4) Объем воды в котором должна быть растворена эта навеска рассчиты-

вается так

73 г дихромата калия растворяются в 100 г воды

362 г -------------------------------------- в х г

х = 73

100middot236= 4959 г (4959 мл так как плотность воды принимаем

равной 1 гмл)

Пример 2 Какую массу воды и медного купороса надо взять для приго-

товления насыщенного при 80 оС раствора соли из которого при последующем

охлаждении до 0 оС выделяется пентагидрат сульфата меди (II) массой 20 г

Решение

1) Учитывая растворимости безводного сульфата меди при 80 и 0 оС рас-

считаем какой массе кристаллогидрата соответствует масса безводной соли

555 и 143 г (CuSO4)

М(CuSO4middot5Н2О) = 250 гмоль М(CuSO4) = 160 гмоль

160 г безводной соли содержится в 250 г кристаллогидрата

555 г ----------------------------------- в х г

х = 160

250middot555= 867 г (80

оС)

160 г безводной соли содержится в 250 г кристаллогидрата

143 г ----------------------------------- в у г

у = 160

250middot314= 223 г (0

оС)

36

2) Вычисляем массу воды необходимую для растворения кристаллогид-

рата при соответствующих температурах

80 оС 100 ndash (867 ndash 555) = 688 г

0 оС 100 ndash (223 ndash 143) = 92 г

3) Масса медного купороса растворенная в воде массой 688 г при 0 оС

будет равна

в 92 г воды растворяются 223 г медного купороса

в 688 г ----------------------- х г

х = 688middot223

92= 1668 г

4) Масса кристаллогидрата выделяющегося при охлаждении от 80 до

0 оС равна 867 ndash 167 = 700 г

5) По условию задачи требуется получить медный купорос массой 20 г

Для выделения 70 г кристаллогидрата необходимо растворить его 867 г

для выделения 20 г ----------------------------------------------------------- х г

х = 2477 г

6) Масса воды необходимая для растворения 2477 г кристаллогидрата

для растворения 867 г кристаллогидрата требуется 668 г воды

для 2477 г ---------------------------------------------------- х г

х = 1965 г или 1965 мл (так как ρ OH2= 1 гмл)

Рассчитанную массу медного купороса взвесьте поместив его на часовое

стекло Отмерьте мерным цилиндром (см рис3) необходимый объем дистил-

лированной воды Вылейте воду в стакан из термостойкого стекла и нагрейте

до начала кипения Затем поместите навеску медного купороса в стакан с

нагретой водой и растворите при помешивании стеклянной палочкой Если по-

лученный раствор прозрачный и не содержит механических примесей то охла-

дите его до 20 оС помешивая стеклянной палочкой Если в приготовленном ис-

ходном растворе содержатся нерастворимые примеси то прежде чем охладить

раствор его необходимо отфильтровать через воронку для горячего фильтро-

вания (рис 10) с применением складчатого фильтра (рис 11)

Для нагрева воронки можно использовать

горячую воду из водопроводной сети Воронка имеет боковой отросток под который подстав-

ляют газовую горелку для нагревания находя-

щейся между стенками воды

При фильтровании легко воспламеняю-

щихся жидкостей применяют воронки с элек-

трическим обогревом

Рис 10 Воронка для горячего фильтрования

37

Для изготовления складчатого фильтра нужно взять соответствующий

размеру воронки квадрат из фильтровальной бумаги сложить его пополам и за-

тем еще раз пополам Внешние углы обрезать по дуге сложить laquoгармошкойraquo

При изготовлении простого фильтра приготовить конус как описано вы-

ше отогнуть один листочек и полученный конус вставить в воронку смочить

его дистиллированной водой (рис 12) Необходимо чтобы фильтр плотно при-

легал к стенкам воронки и между ними не было пузырьков воздуха Край филь-

тра должен быть ниже края воронки не менее чем на 05 см (рис 12 г)

Рис 11 Складчатый фильтр Рис 12 Изготовление простого фильтра

а-в ndash стадии изготовления г ndash фильтр помещен в воронку

Стеклянную воронку с развернутым складчатым фильтром поместите в

воронку для горячего фильтрования фильтр смочите ди-

стиллированной водой Жидкость перелейте на фильтр по

стеклянной палочке (рис 13) держать которую нужно в ле-

вой руке профильтруйте и охладите раствор до 20 оС

Выпавшие кристаллы отделите от маточного раствора

с помощью прибора изображенного на рис 14

Он состоит из фарфоровой воронки Бюхнера (1) колбы Бун-

зена (2) водоструйного вакуум-насоса или насоса Камовско-

го На сетчатое дно воронки Бюх-

нера положите два кружка филь-

тровальной бумаги Чтобы выре-

зать эти фильтры на верх воронки

положите два листа фильтроваль-

ной бумаги и плот-но прижмите

ладонью затем ножницами вы-

режьте один по обозначенному

контору другой ndash на 3ndash4 мм Рис 13 Фильтрование

меньше

На дно воронки вначале положите фильтр меньшего

размера затем большего смочите их дистиллирован-

ной водой и прижмите края к стенкам воронки

Вставьте воронку в колбу Бунзена перенесите в нее

кристаллы вместе с маточным раствором подсоеди-

Рис 14 Установка для ните прибор к насосу и включите его После отделе-

фильтрования с примене- ния кристаллов промойте их в 5ndash10 мл холодной дис- нием вакуума

38

тиллированной воды для удаления остатков маточного раствора

При перекристаллизации нужно получить вещество в кристаллах средне-

го размера так как крупные кристаллы обычно содержат включения маточного

раствора с находящимися в нем примесями а очень мелкие будучи свобод-

ными от этих включений образуют густую кашицу между отдельными кри-

сталлами которой прочно удерживается маточный раствор и отмыть его полно-

стью без потери вещества не удается

Снять кристаллы с воронки перевернув ее на лист фильтровальной бу-

маги и осторожно постучав по ее стенкам Сушить кристаллы нужно в сушиль-

ном шкафу или между листами фильтровальной бумаги до тех пор пока они

не перестанут прилипать к сухой стеклянной палочке Взвесьте перекристал-

лизованную соль и рассчитайте ее выход в процентах Раствор очищенной со-

ли и маточный раствор испытайте на присутствие хлорид-ионов (Реакция с

нитратом серебра в пробирку с небольшим количеством раствора добавьте

каплю раствора нитрата серебра и две капли азотной кислоты Выпавший бе-

лый осадок является хлоридом серебра)

Для уменьшения потери вещества при перекристаллизации маточный

раствор можно упарить наполовину и выделить новую порцию вещества по ме-

тодике описанной выше

Опыт 2 Возгонка йода

Взвесьте на часовом стекле 020 г йода 005 г йодида калия и 010 г окси-

да кальция (оксид кальция необходим для поглощения влаги йодид калия ndash для

очистки от примесей кислородных и других соединений йода) Смесь помести-

те на дно низкого тонкостенного стакана без носика и осторожно размешайте

стеклянной палочкой Накройте стакан круглодонной колбой наполненной

холодной водой (рис 15)

Поставьте стакан на кольцо штатива с асбестовой сеткой осторожно

нагрейте его дно пламенем спиртовки и наблюдайте возгонку йода По окон-

чании процесса прекратите нагревание и дайте стакану охладиться не снимая с

него колбы Затем поднимите колбу и осторожно снимите стеклянной палочкой

йод на предварительно взвешенное часовое стекло (кристаллы йода не сни-

мать металлическим шпателем так как йод взаимодействует с большинством

металлов) Определите массу йода и рассчитайте его выход в процентах

39

а б

Рис 15 Возгонка йода а ndash начало процесса б ndash конец процесса

Опыт 3 Очистка водопроводной воды перегонкой

Для очистки водопроводной воды соберите прибор для перегонки пред-

ставленный на рис 16 Он состоит из колбы Вюрца (1) в которую вставлен

термометр холодильника Либиха (2) аллонжа (3) колбы-приемника (4) с

хлоркальциевой трубкой Проверьте водопроводную воду на содержание в ней

ионов хлора (с использованием раствора нитрата серебра) ионов кальция и

магния

Для доказательства

наличия ионов кальция и

магния в пробирку налейте

5ndash6 мл водопроводной во-

ды добавьте 1 мл амми-

ачной буферной смеси и 3ndash

4 капли индикатора эри-

хрома черного Т Винно-

красная окраска жидкости

свидетельствует о наличии в

воде ионов кальция и маг-

ния фиолетовая ndash указы-

Рис16 Установка для перегонки воды вает на их отсутствие

Далее колбу Вюрца на 13 объема наполните водопроводной водой поместите

в нее для равномерного кипения жидкости несколько стеклянных капилляров

запаянных с одного конца Закройте отверстие колбы Вюрца пробкой с термо-

40

метром (ртутный шарик термометра должен быть немного ниже уровня отвод-

ной трубки колбы) Заполните холодильник водой (ток воды подается снизу

вверх) Приемник закройте пробкой снабженной аллонжем и хлоркальциевой

трубкой с натронной известью для поглощения углекислого газа из воздуха

Нагрейте на электроплитке воду до кипения предварительно положив под дно

колбы асбестовую сетку Отметьте при какой температуре закипит жидкость

Когда в приемнике соберется приблизительно 10 мл воды нагревание

прекратите Проверьте содержит ли дистиллированная вода ионы которые бы-

ли в водопроводной

Опыт 4 Очистка углекислого газа

Соберите прибор для получения и очистки оксида углерода (IV) (см

рис 1) Он состоит из аппарата Киппа и двух промывных склянок Тищенко В

одной из них находится дистиллированная вода (или раствор гидрокарбоната

натрия) в другой ndash концентрированная серная кислота

Получите углекислый газ в аппарате Киппа Для этого загрузите мрамор в

его средний шар и налейте через воронку такое количество 20 раствора соля-

ной кислоты чтобы он закрыл часть мрамора

Пропустите в течение 2 мин слабый ток оксида углерода (IV) через про-

мывные склянки Убедитесь с помощью обезвоженного сульфата меди содер-

жащегося в хлоркальциевой трубке что углекислый газ сухой Исследуйте

жидкость в склянке с дистиллированной водой на содержание в ней хлорид-

ионов Сделайте выводы

Вопросы и задачи

1 На чем основан процесс перекристаллизации

2 Как перекристаллизовать вещества растворимость которых изменяется

от температуры незначительно

3 Какой раствор называется маточным

4 Где остаются примеси после перекристаллизации и почему

5 От каких факторов зависит величина кристаллов Какие кристаллы со-

держат меньше примесей мелкие или крупные

6 От каких примесей освобождаются при очистке твердых веществ воз-

гонкой На чем основан этот метод

7 С какой целью при возгонке к йоду добавляют йодид калия и оксид

кальция

8 На каких физических процессах основана перегонка

41

9 Какой принцип лежит в основе работы холодильника

10 С какой целью при перегонке в колбу Вюрца добавляют так называе-

мые laquoкипелкиraquo (стеклянные трубки пористые материалы и т д)

11 От каких примесей очищается водопроводная вода при перегонке

12 Какие примеси присутствуют в диоксиде углерода полученном в ап-

парате Киппа и как их устранить

13 В насыщенном при 60 оС растворе сульфата калия его массовая доля

равна 154 Выразите растворимость в граммах на 100 г воды

Ответ 1829 г

14 Какая масса хлорида аммония выпадает в осадок при охлаждении до

0 оС насыщенного при 80

оС раствора массой 800 г

Ответ 17488 г

15 Какую массу воды и дихромата калия нужно взять для получения соли

массой 30 г если насыщение осуществлять при 60 а кристаллизацию ndash при

20 оС

Ответ 9090 г 4136 г

16 Какую массу нитрата натрия можно получить из раствора приготов-

ленного путем насыщения при 60 оС 25 мл воды и охлаждении до 0

оС (раство-

римость веществ приведена в табл 3)

Ответ 13 г

Следует уметь

1 Рассчитывать массы растворенного вещества и растворителя необхо-

димые для получения заданной массы очищенной соли

2 Взвешивать на весах отмерять жидкость цилиндром нагревать хими-

ческую посуду на электроплитке

3 Изготавливать простые и складчатые фильтры фильтровать при обыч-

ном давлении и под вакуумом

4 Рассчитывать практический выход продуктов

5 Правильно называть приборы и химическую посуду

6 Пользоваться аппаратом Киппа холодильником Либиха воронкой го-

рячего фильтрования

7 Проверять воду на чистоту

42

Работа 5 Определение изменения энтальпий физико-химических

процессов

Задания для подготовки к лабораторной работе

1 Повторите основные понятия изменение энтальпии реакции ∆rН изме-

нение энтальпии образования вещества ∆fН тепловой эффект реакции Qр-ции

тепловой эффект образования вещества Qобр закон Гесса и следствия из него

2 Ознакомьтесь с устройством калориметрической установки и зарисуйте

ее схему (рис 17)

Теоретическая часть

Большинство химических реакций сопровождается переходом химиче-

ской энергии в тепловую экзотермические реакции осуществляются с выделе-

нием тепла эндотермические ndash с поглощением

Количество тепла выделяющегося или поглощающегося при химической

реакции называется тепловым эффектом реакции который обозначается Qр-ции

или Qr где индекс laquorraquo ndash первая буква английского слова reaction

Тепловой эффект химической реакции при постоянном давлении Qр (ин-

декс laquoрraquo указывает постоянное давление) численно равен изменению энтальпии

∆rН взятой с противоположным знаком Qp = minus∆rН Тепловой эффект и измене-

ние энтальпии химической реакции измеряются в килоджоулях (кДж) или в ки-

локалориях (ккал) Уравнения химических реакций в которых указываются

тепловые эффекты или изменения энтальпии называются термохимическими

Энергетические эффекты различных процессов определяют эксперимен-

тально а термохимические расчеты проводят на базе основного закона термо-

химии ndash закона Гесса тепловой эффект изменение энтальпии изменение внут-

ренней энергии химической реакции зависят от природы и состояния исходных

веществ и конечных продуктов но не зависят от числа и характера промежу-

точных стадий процесса Этот закон лежит в основе расчета Q ∆Н ∆U различ-

ных процессов minus образования разложения сгорания растворения гидратации

нейтрализации и др

Если в ходе процесса при постоянном давлении системой совершается

работа расширения то Qp = ∆U + Р middot ∆V РV = nRT Р middot ∆V = ∆n middot RT

∆Н = ∆U + ∆n middot RT ∆U = ∆Н minus ∆n middot RT где ∆n ndash изменение числа молей газооб-

разных продуктов реакции и исходных веществ (∆n = продn minus исх

n )

Тепловой эффект (изменение энтальпии) растворения ndash теплота растворе-

ния (энтальпия растворения) данного вещества в данном растворителе опреде-

ляется количеством теплоты (изменением энтальпии) которое выделяется или

поглощается при растворении одного моля вещества в таком количестве рас-

творителя что дальнейшее прибавление последнего уже не вызывает дополни-

тельного теплового эффекта (изменения энтальпии)

Пример 1 Растворение Na2SO4 сопровождается выделением теплоты

(29 кДжмоль) а при растворении кристаллогидрата Na2SO4middot10Н2О происходит

43

поглощение теплоты (787 кДжмоль) Вычислите изменение энтальпии гидра-

тации

Решение

1 Термохимическое уравнение растворения Na2SO4

Na2SO4 (к) + aq rarr Na2SO4middotaq ∆Н1 (растворения безводной соли) = minus29 кДж

2 Процесс гидратации безводной соли

Na2SO4 (к) + 10Н2О(ж) rarr (Na2SO4 middot10Н2О)(к) ∆Н2 (гидратации) minus

3 Термохимическое уравнение растворения кристаллогидрата

Na2SO4middot10Н2О + aq rarr Na2SO4middot aq ∆Н3 (растворения кристаллогидрата) =

= 787 кДж

В соответствии с законом Гесса процесс растворения безводной соли (1)

складывается из процесса гидратации (2) и процесса растворения кристалло-

гидрата (3) те ∆Н1 = ∆Н2 + ∆Н3

Тогда ∆Н2 (гидратации) = ∆Н1 (растворения безводной соли) minus ∆Н3 (рас-

творения кристаллогидрата) = minus29 кДж minus 787 кДж = minus816 кДж

1-е следствие из закона Гесса изменение энтальпии реакции равно

сумме изменения энтальпий образования продуктов реакции за вычетом

суммы изменения энтальпий образования исходных веществ с учетом сте-

хиометрических коэффициентов

Пусть аА + бБ = сС + дД а б с д ndash стехиометрические коэффициенты

Тогда ∆rН = с middot ∆fНС + д middot ∆fНD minus а middot ∆fНА minus б middot ∆fНВ

Пример 2 Вычислите ∆Н 0

298 растворения NaOH в воде при образовании

раствора с концентрацией См = 1 мольл

Решение

Процесс растворения NaOH схематически выражается уравнением

NaOH(к) + aq rarr Na (р)

+ OH р

∆fН0

298 кДжмоль minus4268 minus2397 minus2284

∆rН0

298 = minus2397 minus 2284 + 4268 = minus413 кДж

Опыт подтверждает что растворение твердого NaOH сопровождается

разогреванием раствора

2-е следствие из закона Гесса изменение энтальпии реакции равно

сумме изменения энтальпий сгорания исходных веществ за вычетом суммы

изменения энтальпий сгорания продуктов реакции (с учетом стехиомет-

рических коэффициентов)

Пример 3 Вычислите ∆Н 0

298 реакции которая выражается уравнением

СН3СООН(ж) + С2Н5ОН(ж) = СН3СООС2Н5(ж) + Н2О(ж) ∆rН0

1 minus

Изменение энтальпии этого процесса можно рассчитать алгебраически

суммируя энтальпии сгорания

СН3СООН(ж) + 2О2(г) = 2СО2(г) + 2Н2О(ж) ∆rН0

2 = minus8711 кДж

2С2Н5ОН(ж) + 3О2(г) = 2СО2(г) + 3Н2О(ж) ∆rН0

3 = minus1367 кДж

СН3СООС2Н5(ж) + 5О2(г) = 4СО2(г) + 4Н2О(ж) ∆rН0

4 = minus2284 кДж

44

∆rН0

1 = ∆rН0

2 + ∆rН0

3 minus ∆rН

0

4 = minus8711 minus1367 + 22840 = minus46 кДж

Различают изменение энтальпий фазовых и химических превращений К

фазовым относят сублимацию испарение плавление полиморфные превраще-

ния переход из аморфного состояния в кристаллическое Разновидностью хи-

мических реакций служат процессы электролитической диссоциации и химиче-

ские превращения в водных растворах электролитов

Большое значение для развития химии имеет определение изменения эн-

тальпии нейтрализации кислоты щелочью ∆Ннейтр одного моля сильной кисло-

ты одним молем сильного основания ndash величина постоянная Этот факт объяс-

няет теория электролитической диссоциации Аррениуса согласно которой лю-

бая реакция нейтрализации сводится к следующему процессу

Н р-р

+ ОН р-р

= Н2О(ж)

∆fН0

298кДжмоль 0 minus23019 minus28583 Изменение энтальпии этой реакции

∆Н 0

298 нейтр = minus28583 + 23019 = minus556 кДж

∆Ннейтр слабых кислот слабыми основаниями ndash величина переменная за-

висящая от их констант диссоциации и соответственно от концентрации ионов

водорода Н р-р

и гидроксид-ионов ОН р-р

в растворе и имеет значение мень-

шее чем 556 кДжмоль

Экспериментальная часть

Опыт 1 Определение изменения энтальпии нейтрализации сильного

основания сильной кислотой

Для проведения опыта используйте калориметрическую установку

(рис 17) Она состоит из калориметрического стакана (1) вставленного в дру-

гой стакан (2) который играет роль теплоизо-

лирующей муфты подставки (3) крышки (4)

термометра (5) мешалки (6) пипетки (7) шта-

тива (8)

Взвесьте калориметрический стакан и

влейте в него из пипетки (бюретки) 25 мл рас-

твора NaOH или КОН с концентрацией Сэ

= 1 мольл и отметьте температуру с точностью

до 01 оС В другой стакан налейте из бюретки

25 мл НСl или HNO3 такой же концентрации и

измерьте с той же точностью температуру рас-

твора кислоты Затем быстро но аккуратно

влейте раствор кислоты в калори-

Рис 17 Калориметрическая метрический стакан Перемешивая мешалкой

установка содержимое сосуда отметьте максимальную

температуру смеси

Полученные данные используйте для расчетов Расчет проводите по сле-

дующей схеме

45

1 Вычислите изменение энтальпии реакции

NaOH (КОН) + НСl (HNO3) = Н2О + NaCl (KCl)

∆rН0 = (mж middot Cж + mст middot Cст) middot ∆t ∆t = tкон minus tнач где tкон tнач ndash конечная и

начальная температуры (оС) растворов в калориметрическом сосуде mст mж ndash

масса стеклянного калориметрического сосуда и находящейся в нем жидкости

Cст Cж ndash удельные теплоемкости стекла и жидкости Начальная температура ndash

это среднеарифметическая температура щелочи и кислоты конечная ndash наивыс-

шая температура после сливания растворов плотность раствора принять равной

1 гмл его удельную теплоемкость ndash равной теплоемкости воды

(4184 ДжгmiddotК) а удельную теплоемкость стекла ndash 0753 ДжгmiddotК Массу стакана

(mст) определяют в зависимости от того какая часть его объема заполняется

раствором (если наполовину то стm

2)

2 Составьте ионно-молекулярное уравнение реакции нейтрализации и

рассчитайте изменение энтальпии нейтрализации одного моля эквивалента

кислоты по результатам проведенного опыта

3 Определите относительную ошибку опыта (в процентах)

Опыт 2 Определение изменения энтальпии нейтрализации слабого

основания слабой кислотой

Проведите опыт аналогично первому взяв растворы аммиака и уксусной

кислоты с концентрацией Сэ = 1 мольл Вычислите изменение энтальпии

нейтрализации в расчете на 1 моль эквивалентов уксусной кислоты Сравните

результаты с данными предыдущего опыта

Опыт 3 Определение изменения энтальпии растворения безводного

сульфата меди (II)

Опыт проведите в калориметрической установке (см рис 17) В предва-

рительно взвешенный калориметрический стакан налейте 30 мл дистиллиро-

ванной воды определите ее температуру с точностью до 01 оС Взвесьте 1 г

безводного сульфата меди (II) с точностью до 001 г Быстро и аккуратно

всыпьте соль в калориметрический сосуд Размешивая его содержимое мешал-

кой отметьте максимальную температуру Зная разность температур общую

массу раствора и приняв удельную теплоемкость раствора равной удельной

теплоемкости воды рассчитайте изменение энтальпии данного процесса на

1 моль безводной соли

I 1 CuSO4 (к) + aq rarr CuSO4 middot aq ∆Н 0

р-ния б сminus

Имея в виду что гидратация безводной соли и растворение кристалло-

гидрата выражаются следующими термохимическими уравнениями

1 CuSO4(к) + 5H2O(ж) = CuSO4middot5H2O(к) ∆Н 0

1 = minus778 кДж ndash изменение

II энтальпии при гидратации

2 CuSO4middot5H2O(к) + aq = CuSO4 middot aq ∆Н 0

2 = 117 кДж ndash изменение энталь-

пии растворения кристаллогидрата рассчитайте ∆Н 0

р-ния б с CuSO4 на основе за-

46

кона Гесса ∆Н(р-ния б с) = ∆Н(гидрат) + ∆Н(р-ния кристаллогидрата) Сравните теоретиче-

ские и экспериментально рассчитанные значения изменения энтальпии и опре-

делите относительную погрешность опыта (в процентах)

Опыт 4 Определение изменения энтальпии гидратации карбоната

натрия

Опыт проведите по методике описанной в опыте 3 Взятая навеска кар-

боната должна составлять примерно 07 г Опыт и расчеты повторите для кри-

сталлогидрата Na2CO3middot10Н2О (навеска ndash 15 г на 30 мл воды) По найденным

изменениям энтальпий растворения Na2CO3 и Na2CO3middot10Н2О вычислите изме-

нение энтальпии гидратации карбоната натрия и сравните с литературными

данными

(∆Н 0

р-ния б с= minus251 кДжмоль ∆Н

0

гидрат = minus920 кДжмоль

∆Н 0

р-ния кристаллогидрата = 669 кДжмоль)

Вопросы и задачи

1 Почему химические и фазовые превращения сопровождаются выделе-

нием или поглощением энергии Почему в одних случаях энергия выделяется а

в других поглощается

2 Рассчитайте среднюю энергию связи в молекулах СН4 и SiH4 если из-

вестны изменения энтальпий образования Н (г) С (г) Si (г) и СН4 (г) SiH4 (г)

Объясните различия средней энергии связи С ndash Н Si ndash Н

Ответ 415325 кДжмоль

3 Вычислите среднюю энергию связи Н ndash О в молекуле воды если из-

вестно изменение энтальпии образования Н2О (г) Н (г) и О (г)

Ответ 462 кДжмоль

4 Вычислите изменение энтальпии реакции нейтрализации растворов

КОН и НСl CsOH и H2SO4 NaOH и HNO3 в случае очень разбавленных рас-

творов в расчете на 1 моль Н2О в стандартных условиях Почему изменение эн-

тальпий этих реакций одинаковы Почему значения изменения энтальпий

нейтрализации разных слабых оснований и кислот различны

Ответ minus556 кДжмоль

5 При растворении 10 г СаСl2 в 200 мл воды температура раствора повы-

силась на 77 К Вычислите изменение энтальпии гидратации СаСl2 если изме-

нение энтальпии растворения СаСl2middot6Н2О равна 1908 кДжмоль Удельную

теплоемкость раствора примите равной удельной теплоемкости воды

(4184 ДжгmiddotК) Ответ minus9423 кДжмоль

6 При растворении 8 г хлорида аммония в 20 г воды температура понизи-

лась на 2 оС Вычислите ∆Н растворения NH4Cl в воде принимая удельную

теплоемкость полученного раствора равной 41870 Дж(г middot К)

Ответ minus163 кДжмоль

47

7 Рассчитайте ∆rН растворения алюминия в разбавленной соляной кисло-

те если стандартные изменения энтальпий образования реагирующих веществ

равны ∆fНHCl (p-p) = minus1675 кДжмоль ∆fН 3 р-р

AlCl = minus6723 кДжмоль

Ответ minus3396 кДж

8 При растворении 5206 г BaCl2 в 400 моль Н2О выделяется 216 кДж

теплоты Вычислите ∆Н гидратации безводного BaCl2

Ответ 2713 кДжмоль

9 При растворении 16 г СаС2 в воде выделяется 313 кДж теплоты Опре-

делите изменение стандартной энтальпии образования Са(ОН)2

Ответ minus98633 кДжмоль

10 Вычислите изменение энтальпии при сгорании 20 л диборана (ну)

если ∆fН (В2О3 (к)) = minus1264 кДжмоль ∆fН (В2Н6 (г)) = 314 кДжмоль Целе-

сообразно ли использовать в качестве топлива диборан вместо этана если

стандартное изменение энтальпии сгорания этана равно minus155988 кДжмоль

Ответ minus19220 кДж

Следует уметь

1 Используя калориметрический метод рассчитывать энтальпию различ-

ных физико-химических процессов

2 Вычислять энтальпию реакции по энтальпиям образования исходных

веществ и конечных продуктов пользуясь законом Гесса и его следствиями

3 Учитывать влияние прочности химических связей в продуктах реакции

и исходных веществах на энтальпию реакции

48

Библиографический список

1 Еремин В В Основы общей и физической химии В В Еремин

А Я Борщевский ndash М Интеллект 2012 ndash 800 c

2 Неорганическая химия в 3 т под ред Ю Д Третьякова ndash М Ака-

демия 2011 minus 2012 ndash Т 1 ndash 240 с Т 2 ndash 368 с Т 3 (1) ndash 352 с Т 3 (2) ndash 400 с

3 Павлов Н Н Общая и неорганическая химия Н Н Павлов ndash М Лань

2011 ndash 496 с

4 Росин И В Общая и неорганическая химия Современный курс И

В Росин Л Д Томина ndash М Юрайт 2012 ndash 1338 с

5 Шрайвер Д Неорганическая химия в 2-х т Д Шрайвер П Эткинс ndash

М Мир 2013 Т 1 ndash 679 с Т 2 ndash 486 с

Содержание

Правила работы в химической лабораторииhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip3

Работа 1 Определение молярных масс газообразных веществhelliphelliphelliphellip4

Работа 2 Определение молярных масс эквивалентовhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip12

Работа 3 Приготовление растворовhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip24

Работа 4 Методы очистки веществhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip32

Работа 5 Определение изменения энтальпий

физико-химических процессовhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip42

Библиографический списокhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip48

Page 15: МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ К ЛАБОРАТОРНОМУ ...phys-chem.mrsu.ru/wp-content/uploads/2017/11/...МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ К ЛАБОРАТОРНОМУ
Page 16: МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ К ЛАБОРАТОРНОМУ ...phys-chem.mrsu.ru/wp-content/uploads/2017/11/...МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ К ЛАБОРАТОРНОМУ
Page 17: МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ К ЛАБОРАТОРНОМУ ...phys-chem.mrsu.ru/wp-content/uploads/2017/11/...МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ К ЛАБОРАТОРНОМУ
Page 18: МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ К ЛАБОРАТОРНОМУ ...phys-chem.mrsu.ru/wp-content/uploads/2017/11/...МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ К ЛАБОРАТОРНОМУ
Page 19: МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ К ЛАБОРАТОРНОМУ ...phys-chem.mrsu.ru/wp-content/uploads/2017/11/...МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ К ЛАБОРАТОРНОМУ
Page 20: МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ К ЛАБОРАТОРНОМУ ...phys-chem.mrsu.ru/wp-content/uploads/2017/11/...МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ К ЛАБОРАТОРНОМУ
Page 21: МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ К ЛАБОРАТОРНОМУ ...phys-chem.mrsu.ru/wp-content/uploads/2017/11/...МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ К ЛАБОРАТОРНОМУ
Page 22: МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ К ЛАБОРАТОРНОМУ ...phys-chem.mrsu.ru/wp-content/uploads/2017/11/...МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ К ЛАБОРАТОРНОМУ
Page 23: МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ К ЛАБОРАТОРНОМУ ...phys-chem.mrsu.ru/wp-content/uploads/2017/11/...МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ К ЛАБОРАТОРНОМУ
Page 24: МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ К ЛАБОРАТОРНОМУ ...phys-chem.mrsu.ru/wp-content/uploads/2017/11/...МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ К ЛАБОРАТОРНОМУ
Page 25: МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ К ЛАБОРАТОРНОМУ ...phys-chem.mrsu.ru/wp-content/uploads/2017/11/...МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ К ЛАБОРАТОРНОМУ
Page 26: МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ К ЛАБОРАТОРНОМУ ...phys-chem.mrsu.ru/wp-content/uploads/2017/11/...МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ К ЛАБОРАТОРНОМУ
Page 27: МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ К ЛАБОРАТОРНОМУ ...phys-chem.mrsu.ru/wp-content/uploads/2017/11/...МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ К ЛАБОРАТОРНОМУ
Page 28: МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ К ЛАБОРАТОРНОМУ ...phys-chem.mrsu.ru/wp-content/uploads/2017/11/...МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ К ЛАБОРАТОРНОМУ
Page 29: МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ К ЛАБОРАТОРНОМУ ...phys-chem.mrsu.ru/wp-content/uploads/2017/11/...МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ К ЛАБОРАТОРНОМУ
Page 30: МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ К ЛАБОРАТОРНОМУ ...phys-chem.mrsu.ru/wp-content/uploads/2017/11/...МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ К ЛАБОРАТОРНОМУ
Page 31: МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ К ЛАБОРАТОРНОМУ ...phys-chem.mrsu.ru/wp-content/uploads/2017/11/...МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ К ЛАБОРАТОРНОМУ
Page 32: МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ К ЛАБОРАТОРНОМУ ...phys-chem.mrsu.ru/wp-content/uploads/2017/11/...МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ К ЛАБОРАТОРНОМУ
Page 33: МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ К ЛАБОРАТОРНОМУ ...phys-chem.mrsu.ru/wp-content/uploads/2017/11/...МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ К ЛАБОРАТОРНОМУ
Page 34: МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ К ЛАБОРАТОРНОМУ ...phys-chem.mrsu.ru/wp-content/uploads/2017/11/...МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ К ЛАБОРАТОРНОМУ
Page 35: МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ К ЛАБОРАТОРНОМУ ...phys-chem.mrsu.ru/wp-content/uploads/2017/11/...МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ К ЛАБОРАТОРНОМУ
Page 36: МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ К ЛАБОРАТОРНОМУ ...phys-chem.mrsu.ru/wp-content/uploads/2017/11/...МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ К ЛАБОРАТОРНОМУ
Page 37: МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ К ЛАБОРАТОРНОМУ ...phys-chem.mrsu.ru/wp-content/uploads/2017/11/...МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ К ЛАБОРАТОРНОМУ
Page 38: МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ К ЛАБОРАТОРНОМУ ...phys-chem.mrsu.ru/wp-content/uploads/2017/11/...МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ К ЛАБОРАТОРНОМУ
Page 39: МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ К ЛАБОРАТОРНОМУ ...phys-chem.mrsu.ru/wp-content/uploads/2017/11/...МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ К ЛАБОРАТОРНОМУ
Page 40: МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ К ЛАБОРАТОРНОМУ ...phys-chem.mrsu.ru/wp-content/uploads/2017/11/...МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ К ЛАБОРАТОРНОМУ
Page 41: МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ К ЛАБОРАТОРНОМУ ...phys-chem.mrsu.ru/wp-content/uploads/2017/11/...МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ К ЛАБОРАТОРНОМУ
Page 42: МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ К ЛАБОРАТОРНОМУ ...phys-chem.mrsu.ru/wp-content/uploads/2017/11/...МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ К ЛАБОРАТОРНОМУ
Page 43: МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ К ЛАБОРАТОРНОМУ ...phys-chem.mrsu.ru/wp-content/uploads/2017/11/...МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ К ЛАБОРАТОРНОМУ
Page 44: МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ К ЛАБОРАТОРНОМУ ...phys-chem.mrsu.ru/wp-content/uploads/2017/11/...МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ К ЛАБОРАТОРНОМУ
Page 45: МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ К ЛАБОРАТОРНОМУ ...phys-chem.mrsu.ru/wp-content/uploads/2017/11/...МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ К ЛАБОРАТОРНОМУ
Page 46: МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ К ЛАБОРАТОРНОМУ ...phys-chem.mrsu.ru/wp-content/uploads/2017/11/...МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ К ЛАБОРАТОРНОМУ
Page 47: МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ К ЛАБОРАТОРНОМУ ...phys-chem.mrsu.ru/wp-content/uploads/2017/11/...МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ К ЛАБОРАТОРНОМУ
Page 48: МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ К ЛАБОРАТОРНОМУ ...phys-chem.mrsu.ru/wp-content/uploads/2017/11/...МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ К ЛАБОРАТОРНОМУ