Физическая химия

УДК 544 
Ф11 

Публикация настоящего издания осуществлена при поддержке научно-технической Федеральной целевой программы «Государственная поддержка интеграции высшего образования и фундаментальной науки за 
1997 - 2001 годы», проект № А101 «Учебно-научный центр по проблемам 
«Физика конденсированных систем, материаловедение и самораспространяющийся высокотемпературный синтез», выполняемый на базе Московского института стали и сплавов. Института физики твердого тела РАН, 
Института химической физики РАН, Института проблем технологии микроэлектроники и особо чистых веществ РАН, Института микрокинетики 
РАН 

Физическая химия: Лаб. практ. Изд. 2-е /Под ред. Б.С. Бокштейна.-М.: МИСиС, 2004- 81с. 

Содержит описание 14 лабораторных работ по следующим разделам курса физической химии: "Термохимия", "Растворы", "Фазовые диаграммы", "Электрохимия", "Кинетика химических реакций", "Адсорбция". 

В каждой лабораторной работе сформулирована ее цель, дано описание аппаратуры и указан порядок выполнения работы, оформления отчета, приведены вопросы для контроля усвоеного материала. 

Предназначено для студентов следующих специальностей: 
070800, 070900, 072000, 090300, 110100, 110200, 110300, 110400, 110500, 
110800, 200100, 200200, 210200, 330100, 330200, 510400. 

© Московский государственный 
институт стали и сплавов 
(Технологический университет) 
(МИСиС), 2004 

СОДЕРЖАНИЕ 

I. Термохимия 
4 

Лабораторная работа! 

Определение теплоты реакции нейтрализации 
7 

Лабораторная работа 2 

Определение теплоты растворения соли в воде 
10 

П. Растворы 
13 

Лабораторная работа 3 

Определение константы равновесия гомогенной реакции 
13 

Лабораторная работа 4 

Определение парциальных мольных объемов компонентов 
раствора 
17 

Лабораторная работа 5 

Определение молекулярной массы растворенного вещества по 
понижению температуры замерзания 
23 

Лабораторная работа 6 

Закон распределения 
28 

III. Фазовые диаграммы 
32 

Лабораторная работа 7 

Фазовая диаграмма двухкомпонентной системы 
32 

IV. Электролиты 
36 

Лабораторная работа 8 

Определение степени и константы диссоциации слабого электролита 
методом измерения электропроводности 
36 

Лабораторная работа 9 

Определение числа переноса иона водорода в растворе соляной 
кислоты по методу движущейся границы 
42 

V. Термодинамика гальванических элементов 
45 

Лабораторная работа 10 

Определение электродвижущих сил гальванических элементов 
53 

Лабораторная работа 11 

Определение изменения энергии Гиббса, энтропии и энтальпии 
химической реакции по электродвижущей силе гальванического 
элемента 
59 

VI. Кинетика химических реакций 
63 

Лабораторная работа 12 

Определение константы скорости химической реакции 
63 

VII. Адсорбция 
70 

Лабораторная работа 13 

Адсорбция кислоты углем 
70 

Лабораторная работа 14 

Определение поверхностного натяжения растворов и адсорбции на 
границе раствор - воздух 
74 

Литература 
80 

3 

I. ТЕРМОХИМИЯ 

Тепловые эффекты, связанные с различными химическими 
превращениями, могут быть рассчитаны по уравнению: 

q-C^T, 
(1.1) 

где ^-теплота процесса, 

С-теплоемкость, 
АГ-изменение температуры. 

Экспериментальное определение тепловых эффектов проводится в калориметре. В работах по термохимии используется калориметр, показанный на рис. 1.1. 

Рис. 1.1. Калориметр 

Внутренний стакан с калориметрической жидкостью 1 устанавливается в изотермическую оболочку 8, закрытую крышкой 6, в 

4 

которой укреплен термометр или термосопротивление 3, нагреватель 7. На дно внутреннего стакана помещается магнит, так как в работе используется магнитная мешалка 2. 

Для определения теплоемкости системы необходимо сообщить ей некоторое количество тепла. Оно может быть вычислено, 
если нагревание производится с помощью электрического тока: 

q = Uh, 
(1.2) 

где / - сила тока, выраженная в амперах; 
и- напряжение, выраженное в вольтах; 
X - время нагрева, выраженное в секундах. 

Калориметрический эксперимент можно разделить на три периода: начальный, главный и конечный. Начальный период фиксирует температуру калориметрической системы до нагрева. Изменение 
температуры происходит за счет работы мешалки и теплового обмена между калориметрической системой и внешней средой. В момент 
то в систему вводится тепло с помощью нагревателя. 

Температура повышается постепенно. Затем нагреватель выключают, и начинается конечный период, аналогичный начальному. 

Характерная кривая изменения температуры от времени, полученная с помощью потенциометра КСН-4, показана на рис. 1.2. Истинное значение ^T находят графически. Для этого через середину 
главного периода проводят перпендикуляр, до пересечения с ним 
продолжают линейные участки графика, соответствующие начальному и конечному периоду. Измеряют расстояние между точками 
пересечения /,. Поскольку потенциометр КСН-4 регистрирует разность потенциалов, то переводной коэффициент от напряжения к 
температуре (М,) устанавливается заранее и указывается на приборе. 
Размерность М, - К/см. Истинное значение АГ вычисляется по формуле 

АГ-МЛ. 
(1.3) 

Для определения времени нагрева измеряют расстояние между Ю и х - 4. Масштаб по оси X (М.) имеет размерность с/см. Таким 
образом 

Х-Л44. 
(1.4) 

5 

Рис. 1.2. Изменение температуры в ходе калориметрического опыта 

Зная q и ^T, можно определить теплоемкость спстемы 

C = ql^T. 
(1.5) 

6 

Лабораторная работа 1 

Определение теплоты реакции 
нейтрализации 

(2 часа) 

1.1. Цель работы 

Определение теплоты реакции нейтрализации. 

1.2. Теоретическое введение 

Теплотой реакции нейтрализации называется теплота, выделяющаяся 
при 
взаимодействии 
1 г-эквивалента 
кислоты 
с 
1г-эквивалентом основания, взятых в разбавленных растворах. 

При смешении концентрированных растворов выделяющаяся 
теплота слагается из теплоты нейтрализации q, и теплоты разбавления растворов кислоты и основания q^. 

q^qi 
+ qi
Для опыта во внутренний стакан (рис. 1.1) наливают 200 мл 
0,25 N раствора кислоты. Собрав установку в соответствии с инструкцией, проводят запись температуры во времени, чтобы можно 
было построить линию фона. Через 5 мин в калориметрическую 
жидкость добавляют 25 мл 2 N раствора щелочи. При этом происходит повышение температуры АГ, (за счет выделения теплоты реакции, которое надо определить). После окончания реакции включают 
нагреватель для ввода в систему определенного количества теплоты q, и определяют теплоемкость системы С (см. раздел I), зная q, и 
Мг - повышение температуры в процессе нагрева. 

Для указанных растворов теплота разбавления q2 составляет 
1 - 2 % от ^ и поэтому в расчетах ее можно не учитывать. 

Теплоту реакции рассчитывают по уравнению (1.1), зная С и 
АГь Для определения теплоты нейтрализации q, пересчитывают на 
1г-эквивалент кислоты. 

7 

1.3. Порядок выполнения работы 

1.3.1. Подготовка приборов к работе 

1. Включить тумблер "СЕТЬ" на источнике питания. 
2. Включить тумблер "ПРИБОР" на приборе КСП-4. 

1.3.2. Проведение эксперимента 

1. Во внутренний стакан калориметра влить 200 мл 0,25 N раствора 
кислоты н а . 

2. Опустить стакан с кислотой в калориметр. 
3. Опустить в стакан магнит. 
4. Опустить крышку и включить мешалку. 
5. Включить тумблер "ТЕРМОМЕТР" на источнике питания. 
6. Установить с помощью ручки на источнике питания штамп 
КСП-4 в левой части шкалы (до 2 см) и включить тумблер "ДИАГРАММА". 

7. Через 5 мин, используя воронку, через отверстие в крышке влить 
25млКОП(КаОН). 

8. Через 8 - 10 мин после окончания реакции включить тумблер 
"НАГРЕВАТЕЛЬ" и записать показания амперметра и вольтметра, 
вычислить цену деления. 

9. Через 4 - 5 мин выключить тумблер "НАГРЕВАТЕЛЬ". 
10. Через 8-10 мин выключить тумблер "ДИАГРАММА" и "ПРИЬОР" на приборе КСП-4. 

11. Выключить тумблеры "ТЕРМОМЕТР" и "СЕТЬ" на источнике 
питания. 

12. Выключить мешалку, извлечь магнит, вылить раствор в раковину, 
вымыть стакан, снять колбу. 

13. Рассчитать теплоту нейтрализации. 

Убрать рабочее место и подписать результаты у лаборанта. 

Примечание. МАСШТАБЫ ПО ОСЯММхиМ^. см. на приборе. 

1.4. Содержание отчета и контрольные вопросы 

В отчете необходимо указать цель работы, кратко изложить 
теорию, представить результаты наблюдений в виде графиков, привести подробный расчет теплоты нейтрализации. 

8 

Вопросы к защите: 

1. В чем заключалась цель работы? 
2. Что называется теплотой нейтрализации? 
3. Что называется теплоемкостью, какие виды теплоемкости могут 
быть использованы в расчетах? 

4. Как сформулировать закон Гесса и следствия из него? 
5. Что называется теплотой образования вещества? 
6. Почему для определения изменений температуры необходимы 
линейные участки ее изменения до и после участков, относящихся 
к реакции и нагреванию током? 

7. Почему на этих линейных участках температура изменяется? 
8. Изменению какой функции состояния равняется теплота, определенная в данной работе? 

9. Как определить знак изменения температуры в ходе реакции нейтрализации и можно ли в расчетах не учитывать знак изменения 
температуры? 

9 

Лабораторная работа 2 

Определение теплоты растворения 
соли в воде 

(2 часа) 

2.1. Цель работы 

Определение теплоты растворения соли в воде. 

2.2. Теоретическое введение 

При растворении соли в воде тепло может поглощаться или 
выделяться, в зависимости от соотношения теплот эндотермического 
процесса разрушения кристаллической решетки и экзотермического 
процесса взаимодействия ионов с водой. 

Теплота растворения зависит от количеств соли и воды. При 
большом избытке воды теплота растворения в расчете на 1 моль соли 
стремится к постоянной величине. 

Для опыта во внутренний стакан (рис. 1.1) наливают 250 мл 
дистиллированной воды, затем взвешивают исследуемую соль. Собрав установку в соответствии с инструкцией, приведенной в разделе: "Порядок выполнения работы", проводят запись температуры во 
времени. Через 10 мин засыпают соль и наблюдают изменение температуры при растворении соли. После окончания растворения 
включают нагреватель для ввода в систему определенного количества теплоты. 

При расчете сначала определяют теплоту, затраченную на нагревание (см. уравнение (1.2)), затем находят теплоемкость системы 
(см. уравнение (1.5)). Зная теплоемкость системы и изменение температуры при растворении соли, рассчитывают теплоту растворения 
взятой навески соли q,. Теплоту растворения, рассчитанную на моль 
соли, вычисляют по уравнению 

Q = {qx М)1т, 

где М- молекулярная масса соли, г/моль; 
т-масса растворенной соли, г. 

10 

2.3. Порядок выполнения работы 

2.3.1. Подготовка приборов к работе 

1. Включить тумблер "СЕТЬ" на источнике питания. 
2. Включить тумблер "ПРИБОР" на приборе КСП-4. 

2.3.2. Проведение эксперимента 

1. Во внутренний стакан влить 250 мл дистиллированной воды. 
2. Взвесить исследуемую соль (КС1 - 10 г, КВг - 10 г, Nal - 20 г, 
KI - 10 г, KNOs - 5 г, K2SO4 - 8 г, СаС^- 2 г, NaCl - 30 г). 

3. Поместить стакан с водой в калориметр и опустить в него магнит. 
4. Опустить крышку калориметра и включить мешалку. 
5. Включить тумблер "ТЕРМОМЕТР" на источнике питания. 
6. 
С помощью ручки на источнике питания установить штамп прибора КСП-4 в правой части шкалы (15.. .20 см) и включить тумблер "ДИАГРАММА" . 
7. Через 8 - 1 0 мин в отверстие в крышке через воронку засыпать 
соль. 

8. Через 8 - 1 0 мин после окончания реакции включить тумблер 
"НАГРЕВАТЕЛЬ" на источнике питания и записать показания 
амперметра и вольтметра, вычислить цену деления. 

9. Через 7 мин выключить тумблер "НАГРЕВАТЕЛЬ". 
Ю.Через 10 мин выключить тумблеры "ДИАГРММА" и "ПРИЬОР" 

на приборе КСП-4. 
11.Выключить тумблеры "ТЕРМОМЕТР" и "СЕТЬ" на источнике 

питания. 
12.Выключить мешалку, извлечь магнит, вылить раствор в раковину, 

вымыть стакан, снять колбу. 
13.Рассчитать теплоту растворения соли. 

Убрать рабочее место и подписать результаты у лаборанта. 

Примечание. МАСШТАБЫ ПО ОСЯМ М^ И My см. на приборе. 

2.4. Содержание отчета и контрольные вопросы 

В отчете необходимо указать цель работы, кратко изложить 
теорию, представить результаты наблюдений в виде графиков, привести подробный расчет теплоты растворения соли. 

11 

Вопросы к защите: 

1. В чем заключалась цель работы? 
2. Что называется теплотой растворения соли в воде? 
3. Зависит ли теплота растворения соли от концентрации? 
4. Почему для определения изменений температуры необходимы 
линейные участки ее изменения до и после участков, относящихся 
к реакции и нагреванию током? 

5. Почему на этих линейных участках температура изменяется? 
6. От чего зависит знак теплоты растворения? 
7. Изменению какой функции состояния равняется теплота, определенная в данной работе? 

8. Как определить знак изменения температуры в ходе реакции нейтрализации и можно ли в расчетах не учитывать знак изменения 
температуры? 

12