Физическая химия

МИНИСТЕРСТВО НАУКИ И ВЫСШЕГО ОБРАЗОВАНИЯ  
РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

УРАЛЬСКИЙ ФЕДЕРАЛЬНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ  
ИМЕНИ ПЕРВОГО ПРЕЗИДЕНТА РОССИИ Б. Н. ЕЛЬЦИНА

ФИЗИЧЕСКАЯ ХИМИЯ

Практикум

2‑е издание, исправленное и дополненное

Рекомендовано
методическим советом Уральского федерального университета  
для студентов вуза, обучающихся по направлениям подготовки  
04.03.01 «Химия», 04.03.02 «Химия, физика и механика материалов», 
по специальности 04.05.01 «Фундаментальная и прикладная химия»

Екатеринбург
Издательство Уральского университета
2018

Ф503
Физическая химия : практикум / [В. А. Черепанов, А. Ю. Зуев, 
Д. А. Малышкин, В. В. Середа, Д. С. Цветков ; под общ. ред. Д. С. Цвет‑
кова] ; М‑во науки и высш. образования Рос. Федерации, Урал. федер. 
ун‑т. — 2‑е изд., испр. и доп. — Екатеринбург : Изд‑во Урал. ун‑та, 
2018. — 128 с.

ISBN 978‑5‑7996‑2428‑6

Практикум включает описания лабораторных работ, иллюстрирующих 
основные экспериментальные подходы при определении теплоты различ‑
ных процессов, включая химические реакции. Показаны методы изучения 
термодинамики фазовых переходов, построения диаграмм состояния, оп‑
ределения электропроводности растворов, порядка и константы скорости 
химической кинетики и др. Каждой лабораторной работе предшествует 
краткая теория. Дано описание приборов и реактивов.
Для студентов, изучающих дисциплины «Химическая термодинамика 
и равновесие», «Электрохимия и кинетика», входящие в модуль «Физиче‑
ская химия».
УДК 544(076.5)

УДК 544(076.5)
 
Ф503

А вто ры:
В. А. Черепанов, А. Ю. Зуев, Д. А. Малышкин,  
В. В. Середа, Д. С. Цветков

Под  о бщей р ед а к цией
Д. С. Цветкова

Рецен з ен т ы:
лаборатория твердооксидных топливных элементов Института 
высокотемпературной электрохимии УрО РАН (заведующий 
лабораторией доктор химических наук М. В. Ананьев);
И. А. Леонидов, кандидат химических наук, ведущий научный 
сотрудник Института химии твердого тела УрО РАН

ISBN 978‑5‑7996‑2428‑6

© Уральский федеральный университет, 2012
© Уральский федеральный университет,  
исправления и дополнения, 2018

ПРЕДИСЛОВИЕ

Физическая химия, возникшая на стыке двух фундаменталь‑
ных разделов естествознания — физики и химии, устанавливает 
взаимо связь между протеканием химических реакций и изменением 
энергии, занимается проблемами строения вещества и его свойст‑
вами в различных состояниях. В процессе становления физической 
химии такие ее разделы, как химическая термодинамика, кинетика 
и катализ, квантовая химия, электрохимия, кристаллохимия, химия 
твердого состояния, радиохимия и другие выделились в самостоя‑
тельные научные направления. Будучи вполне самостоятельным, ка‑
ждое из этих направлений связано с другими областями химического 
знания и входит в определенную иерархическую систему химических 
наук, которая и образует современную химию. Единой универсаль‑
ной связкой этих наук являются методы физической химии.
Подготовка специалистов‑химиков включает освоение ими ме‑
тодов физической химии и приобретение навыков и умений по при‑
менению этих методов на практике для решения химических задач. 
Последнее означает, что важнейшей стороной подготовки является 
овладение студентами техникой физико‑химического эксперимента.
Значительное обновление материальной базы физико‑химиче‑
ского практикума кафедры физической химии в рамках выполнения 
инновационной образовательной программы УрГУ (2007–2008) 
привело к его существенному изменению и, как следствие, к изда‑
нию в 2012 г. учебного пособия «Практикум по физической химии». 
Однако в результате дальнейшей модернизации лабораторного 
практикума в рамках программ развития Уральского федерального 
университета и повышения конкурентоспособности «5–100» были 

поставлены новые и существенно изменены существующие лабора‑
торные работы, что, наряду с принятием нового государственного 
образовательного стандарта, вызвало необходимость издания но‑
вого, существенно переработанного пособия.
Настоящее пособие является руководством к лабораторным за‑
нятиям по дисциплинам «Химическая термодинамика и равновесие» 
и «Электрохимия и кинетика», входящим в модуль «Физическая 
химия», и обобщает многолетний опыт проведения физико‑хими‑
ческих лабораторных работ на кафедре физической и неорганиче‑
ской химии Института естественных наук и математики (ИЕНиМ) 
Уральского федерального университета.
Главная задача практикума — привить студентам необходимые 
экспериментальные навыки физико‑химического эксперимента, 
связанного с измерением физических величин, характеризующих 
химические превращения. Немаловажной задачей является также 
закрепление у студентов знаний, полученных при прослушивании 
лекций по соответствующим дисциплинам. Для решения этих задач 
в пособие включены описания лабораторных работ, иллюстри‑
рующие основные экспериментальные подходы при определении 
теплоты различных процессов, включая химические реакции; при 
изучении термодинамики фазовых переходов, построении диаграмм 
состояния, определении электропроводности растворов, порядка 
и константы скорости химической кинетики, и др.
Каждой лабораторной работе предшествует краткая теория, ко‑
торая лежит в основе экспериментальных измерений и необходима 
для осмысления их результатов. Эти вводные разделы не претенду‑
ют на систематическое изложение всего теоретического материала 
и не могут заменить курса лекций и имеющуюся учебную литера‑
туру. Затем идет описание приборов и реактивов, используемых 
при выполнении работы, и порядка ее выполнения. Завершают 
описание каждой лабораторной работы методические указания 
по составлению отчета.
Авторы признательны лаборанту кафедры физической и неор‑
ганической химии А. С. Степаруку, внесшему существенный вклад 
в развитие и постановку лабораторных работ, описанных в насто‑
ящем пособии.

1. ТЕРМОХИМИЯ

Краткая теория

В процессе химических превращений происходит изменение 
энергии системы, обусловленное тем, что значения внутренней 
энергии продуктов и исходных реагентов различны. В результате 
реакции выделяется или поглощается тепло и совершается работа. 
Раздел термодинамики, экспериментально изучающий тепловые 
эффекты в ходе химических реакций, называется термохимией.
В соответствии с первым законом термодинамики изменение 
внутренней энергии термодинамической системы запишется

 
dU
Q
PdV
A
.  
(1.1)

Здесь δQ — выделяемая (поглощаемая) теплота; PdV — механи‑
ческая работа расширения; 
A  — все другие виды работ; знак ± 
указывает, что выбор знака работы (исключая механическую) усло‑
вен и берется по договоренности.
Если реакция протекает при постоянном объеме и при этом 
не совершается механической, электрической и других видов ра‑
боты, то при Т = const можно записать:

 
Q
dU
U
Q
V
V
1

2

1

2
.  
(1.2)

Если реакция протекает при постоянном давлении и совершает‑
ся только работа расширения, а все другие виды работ отсутствуют, 
то изменение энтальпии в ходе реакции будет равно теплоте:

 
Q
d U
PV
dH
H
Q
P
P
1

2

1

2

1

2
(
)
.

(1.3)

Смысл соотношений (1.2) и (1.3) состоит в том, что тепло‑
та реакции, поглощаемая (выделяемая) при постоянном объеме 
или давлении, становится равной изменению термодинамической 
функции состояния и поэтому не зависит от пути процесса. Дан‑
ная закономерность была открыта Г. Гессом и носит его имя. Закон 
Гесса гласит: тепловые эффекты химических реакций, проводимых 
в условиях V = const, либо P = const, не зависят от пути процесса 
и определяются только природой и состоянием исходных веществ 
и продуктов реакции.
Из закона Гесса вытекает очень важное для химии следствие: 
энтальпия (теплота) реакции ∆HP равна сумме энтальпий (теплот) 
образования продуктов реакции 
i
i

i

H
f
( ) за вычетом суммы  

энтальпий (теплот) образования исходных веществ 
j
j
j
H
f
( ):

 
H
H
H
p
i
i
i
j
j
j

f
f
( )
( ),  
(1.4)

где ni — стехиометрические коэффициенты продуктов: nj — стехио‑
метрические коэффициенты исходных веществ.
Поскольку энтальпия является функцией состояния, то нет не‑
обходимости знать (табулировать) значения теплот всех возможных 
реакций; достаточно иметь сведения об энтальпиях лишь миниму‑
ма реакций, из которых можно получить все остальные. Подобный 
минимум представляет собой стандартные энтальпии образования 
соединений из простых веществ и/или сгорания соединений. Эти ве‑
личины табулируются в различных термодинамических справочниках.
Стандартная энтальпия образования DH
f
298
o ( ) — теплота, выде‑
ляемая (поглощаемая) при образовании 1 моля вещества из простых 
веществ, его составляющих, находящихся в стандартных состояниях.

Стандартная энтальпия сгорания DH298
o (сг) — теплота, по‑
глощаемая (выделяемая) при полном сгорании 1 моля вещества 
в атмосфере кислорода при 1 атм (продуктами реакции сгорания 
обычно являются СО2, Н2О(ж), N2 и др.).
Стандартная энтальпия реакции DH298
o (р) — теплота, поглощае‑
мая (выделяемая) в стандартных условиях при взаимодействии опре‑
деленного числа молей реагентов, задаваемого уравнением реакции. 
Кроме теплот реакций термохимия занимается изучением теплот раз‑
личных процессов, например, фазовых переходов, растворения и т. п.
Теплота растворения твердого кристаллического вещества 
в жидком растворителе определяется в основном суммой двух ве‑
личин: теплоты разрушения кристаллической решетки и теплоты 
сольватации ионов (атомов или молекул) растворяемого вещества 
молекулами растворителя. Алгебраическая сумма тепловых эф‑
фектов этих двух процессов дает теплоту (изменение энтальпии) 
процесса растворения соли. Значения теплот растворения зависят 
от концентрации соли в растворе и от того, были ли смешиваемые 
компоненты в начале взяты в чистом виде. Теплота, сопровожда‑
ющая процесс изотермического растворения одного моля вещест‑
ва в таком количестве растворителя, чтобы образовался раствор 
с определенной концентрацией, называется интегральной теплотой растворения ∆Hm. Интегральная теплота растворения зависит 
от концентрации полученного раствора, поэтому для данного ве‑
щества можно получить ряд значений Hm, относящихся к опреде‑
ленным концентрациям, например, долевым x x
xi
n
n
n
2
2
,
...
2 = n2/(n1 + n2) 
(см. рис. 1.1). Значение DH1
о  называют первой интегральной тепло‑
той растворения; она равна тепловому эффекту при растворении 
1 моля вещества в бесконечно большом количестве растворителя.
Теплота растворения моля вещества (условно принятого вторым 
компонентом) в бесконечно большом количестве раствора некоторой 
постоянной концентрации называется дифференциальной или парциальной теплотой растворения DH2. Этому определению соответст‑
вует соотношение:

 
H
H
n

m

P T n

2
2
1
, ,
.  
(1.5)

Аналогичную величину для растворителя (первого компонен‑
та) — теплоту растворения моля растворителя в большом количе‑
стве раствора постоянной концентрации — называют дифференциальной или парциальной теплотой разбавления DH1.

 
H
H

n
m

P,T,n

1

2

1
.  
(1.6)

Интегральная теплота растворения может быть получена из 
дифференциальных (парциальных) теплот:

 
H
n
H
n
H
m 1
1
2
2.  
(1.7)

Лабораторная работа 1 
Определение теплоты растворения металлического 
магния Mg в растворе соляной кислоты HCl

Цель р аб о ты: определение теплоты растворения металличе‑
ского магния Mg в растворе соляной кислоты HCl.

Рис. 1.1. Зависимость интегральной теплоты растворения 
от концентрации раствора

H

H

H

H

H

x
x

x

m

m

x

i

1

1

2

2

2

2H

H

H

H

H

x
x

x

m

m

x

i

H

H

H

H

H

x
x

x

m

m

x

i

1

1

2

2

2

2H

H

H

H

H

x
x

x

m

m

x

i

1

1

2

2

2

2H

x
x

x

m

m

x

i

1

1

2

2

2

2H

H

H

H

H

x
x

x

m

m

x

i

1

1

2

2

2

2H

H

H

H

H

x
x

x

m

m

x

i

1

1

2

2

2

2xi

2

Аппаратура. Значения тепловых эффектов (энтальпий) раз‑
личных химических и фазовых превращений определяют обычно 
путем прямых измерений в калориметрах. Различают два основных 
типа калориметров: изотермические и неизотермические. К первому 
типу относятся калориметры, в которых во время опыта темпера‑
тура не меняется, например, при определении теплоты фазового 
перехода первого рода: плавление, сублимация и испарение. В этих 
калориметрах во время опыта температура не меняется, так как вся 
теплота, сообщаемая калориметру, идет на изменение агрегатного 
состояния вещества, которое является в этом случае главной частью 
калориметрической системы.
Калориметры второго типа характеризуются изменением темпе‑
ратуры во время опыта, причем часть теплоты, подлежащей измере‑
нию, расходуется на теплообмен с окружающей средой. Теплообмен 
искажает истинные результаты опыта. Он должен быть учтен либо 
устранен. В соответствии с этим различают калориметры:
а) адиабатические, в которых температура оболочки поддержи‑
вается равной температуре калориметра, что исключает теплообмен 
с окружающей средой;
б) дифференциальные, устройство которых позволяет не учи‑
тывать поправки на теплообмен. Калориметр состоит из двух со‑
вершенно одинаковых частей: одна служит для проведения иссле‑
дуемого экзотермического процесса, а другая — для нагревания 
электрическим током до температуры, равной температуре первой 
части установки. Тогда количество теплоты, выделившейся в ре‑
зультате процесса в первой части калориметра, эквивалентно элек‑
трической энергии, затраченной на нагревание второй его части;
в) калориметры с изотермической оболочкой, позволяющие 
точно учитывать поправку на теплообмен.
В настоящем лабораторном практикуме используют калориметр 
последнего типа, так называемый калориметр Нернста (рис. 1.2). 
Этот вариант калориметра, несмотря на простоту устройства, по‑
зволяет получать при аккуратной работе хорошо воспроизводимые 
результаты.
Калориметр состоит из двух основных частей: калориметриче‑
ской системы и оболочки. Калориметрической системой называется 

совокупность тех частей калориметра, между которыми должна 
распределяться вся теплота, подлежащая измерению. В описыва‑
емом ниже калориметре калориметрическая система включает: 
калориметрическую жидкость (например, воду, раствор кислоты 
или соли); калориметрический стакан, мешалку, термометр и другие 
приборы, помещенные в калориметрическую жидкость.
Калориметрический стакан (1) помещен в термоизоляционный 
корпус (2), представляющий адиабатическую оболочку. Для умень‑
шения потерь теплоты термоизоляционный корпус (2) закрывают 
крышкой из теплоизолирующего материала (3), в которую через 
отверстия вставлены мешалка (4), термометр сопротивления (5), 
пробирка с исследуемым веществом и нагреватель (6). Мешалка 
необходима для быстрого приведения всех частей калориметра 
в тепловое равновесие.

Рис. 1.2. Калориметрическая установка: 
1 — калориметрический стакан; 2 — термоизоляционный корпус; 
3 — теплоизолирующий материал; 4 — мешалка; 5 — термометр 
сопротивления; 6 — нагреватель