6515
.pdfМИНОБРНАУКИ РОССИИ Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего
образования «Нижегородский государственный архитектурно-строительный университет»
С.В. Митрофанова
ФИЗИЧЕСКАЯ ХИМИЯ
Учебно-методическое пособие
по:
-подготовке к лабораторным работам для обучающихся по дисциплине «Физическая химия. Основы водоподготовки.»
направлению подготовки 13.03.01 Теплоэнергетика и теплотехника направленность (профиль) Промышленная теплоэнергетика
Нижний Новгород
2022
МИНОБРНАУКИ РОССИИ Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего
образования «Нижегородский государственный архитектурно-строительный университет»
С.В. Митрофанова
ФИЗИЧЕСКАЯ ХИМИЯ
Учебно-методическое пособие
по:
-подготовке к лабораторным работам для обучающихся по дисциплине «Физическая химия. Основы водоподготовки.»
направлению подготовки 13.03.01 Теплоэнергетика и теплотехника направленность (профиль) Промышленная теплоэнергетика
Нижний Новгород ННГАСУ
2022
2
УДК
Митрофанова, С. В. Физическая химия: учебно-методическое пособие / С. В. Митрофанова; Нижегородский государственный архитектурно-строительный университет. – Нижний Новгород : ННГАСУ, 2022. – 26 с. : ил. – Текст : электронный.
Приведены указания по подготовке к лабораторным работам по дисциплине «Физическая химия. Основы водоподготовки», приведено описание закономерностей протекающих процессов, рассмотрены методы физико-химических измерений, рассмотрены основные свойства систем разного состава, рассмотрена термодинамика фазового равновесия в однокомпонентной системе «жидкость – пар», термический метод построения диаграмм кристаллизации для бинарных систем.
Предназначено обучающимся в ННГАСУ для подготовки к лабораторным работам по направлению подготовки 13.03.01 Теплоэнергетика и теплотехника направленность (профиль) Промышленная теплоэнергетика.
© С. В. Митрофанова 2022
© ННГАСУ, 2022.
3
|
СОДЕРЖАНИЕ |
|
1. |
ВВЕДЕНИЕ |
5 |
2. |
Лабораторная работа №1 ОПРЕДЕЛЕНИЕ ИНТЕГРАЛЬНОЙ ТЕПЛОТЫ |
|
РАСТВОРЕНИЯ СОЛИ |
6 |
|
3. |
Лабораторная работа 2. ГЕТЕРОГЕННОЕ ХИМИЧЕСКОЕ РАВНОВЕСИЕ |
8 |
4. |
Лабораторная работа №3 ВЛИЯНИЕ КОНЦЕНТРАЦИИ КАТАЛИЗАТОРА НА |
|
СКОРОСТЬ РЕАКЦИИ |
10 |
|
5. |
Лабораторная работа №4 ОПРЕДЕЛЕНИЕ ЖЕСТКОСТИ ПИТЬЕВОЙ ВОДЫ |
13 |
6. |
Лабораторная работа №5 ОПРЕДЕЛЕНИЕ МОЛЕКУЛЯРНОЙ МАССЫ |
|
ВЕЩЕСТВА МЕТОДОМ КРИОСКОПИИ |
15 |
|
7. |
Лабораторная работа № 6 ФАЗОВОЕ РАВНОВЕСИЕ В |
|
ОДНОКОМПОНЕНТНЫХ СИСТЕМАХ |
18 |
|
8. |
Лабораторная работа № 7 Построение диаграммы состояния |
|
двухкомпонентной системы (термический анализ) |
21 |
|
9. ЛИТЕРАТУРА |
26 |
|
4
1. ВВЕДЕНИЕ
Физическая химия – это наука, которая изучает взаимосвязь между химическими и физическими явлениями, позволяет предсказать ход химического процесса для обеспечения наиболее быстрого и полного проведения реакции.
Физическая химия как фундаментальная дисциплина является одним из основных компонентов, составляющих методологическую базу подготовки бакалавров, связанных с изучением теоретических основ физико-химических процессов, протекающих в системах водоподготовки в теплоэнергетике, а также их эффективной эксплуатации. Специалисты такого профиля должны знать и понимать законы протекания физических и химических процессов, уметь использовать эти знания для предсказания направления протекания любого физико-химического процесса в окружающей среде, химических технологиях, подбирать оптимальные условия для проведения технологических процессов, т. е. управлять ими.
5
2. Лабораторная работа №1
ОПРЕДЕЛЕНИЕ ИНТЕГРАЛЬНОЙ ТЕПЛОТЫ РАСТВОРЕНИЯ СОЛИ
Цель работы: Ознакомиться с калориметрическим методом измерения тепловых эффектов. Определить постоянную калориметра и теплоту растворения соли.
Для большинства физико-химических и технологических расчетов необходимо знать теплоемкости веществ, участвующих в процессе, тепловые эффекты процессов растворения, фазовых превращений и химических реакций. Эти величины можно определить экспериментально. При температурах, близких к комнатной 20-50оС, широко применяется калориметрический метод.
Теоретическая часть
Тепловым эффектом химической реакции называется количество теплоты (кДж), которое выделяется или поглощается при необратимом протекании реакции, когда единственным видом работы является работа расширения, а температуры исходных веществ и продуктов реакции одинаковы.
Изучением тепловых процессов, сопровождающихся изменением состояния системы, занимается термохимия. По закону Гесса тепловой эффект реакции зависит только от начального и конечного состояния реагирующих веществ и не зависит от пути перехода от одного состояния к другому.
Пользуясь этим законом можно рассчитать тепловой эффект процесса там, где невозможно произвести точное прямое измерение.
При растворении вещества в воде протекают одновременно следующие процессы:
1.Разрушение кристаллической решетки вещества. При этом происходит поглощение тепла в количестве равном Q кристаллической решетки.
2.Гидратация ионов, сопровождаемая выделением определенного количества тепла, равного Q гидратации. Теплота растворения соли равна алгебраической сумме тепловых эффектов этих процессов:
Q раств = Qкрист.реш. + Qгидр
Теплота растворения, помимо природы растворенного вещества и растворителя, зависит от температуры растворителя и концентрации полученного раствора.
Различают интегральную и дифференциальную теплоты растворения.
Интегральная теплота растворения – это тепловой эффект растворения одного грамма (удельная) и одного моля (мольная) вещества в определенном количестве растворителя, при данной температуре.
Дифференциальная или парциальная теплота растворения– это тепловой эффект,
сопровождающий процесс растворения одного моля или одного грамма вещества в настолько большом количестве растворителя определенной концентрации, что изменение ее, вызванное растворением этого количества вещества, можно считать равным нулю.
6
Интегральные теплоты растворения находятся экспериментально, а дифференциальные – методом расчета.
Для расчета теплового процесса, протекающего в калориметрической установке, необходимо знать постоянную калориметра, т.е. количество тепла, необходимое для нагревания всех частей калориметра на 10С. Эту величину можно определить разными методами.
Экспериментальная часть
Выполнение работы проводится на УЛК «Химия». При выполнении работы потребуется следующее оборудование:
1)Центральный контроллер.
2)Модуль «Термостат» в комплекте со стеклянным стаканчиком объемом 100-120 мл, термодатчиком, мешалкой и устройством для размещения навески соли в термостате.
3)Навеска соли с известной теплотой растворения массой ≈ 2 г.
4)Навеска соли с неизвестной теплотой растворения массой ≈ 2 г.
5)Мерный цилиндр на 100 мл.
6)Дистиллированная вода.
Порядок выполнения работ на УЛК «Химия»
Выполнение работы осуществляется с использованием модуля УЛК «Термостат». Термостат используется в пассивном режиме как калориметр. В ходе выполнения работы необходимо использовать магнитную мешалку. Изменение температуры раствора контролируется датчиком температуры.
1. Определение постоянной калориметра
Берем навеску NH4Cl массой ≈ 2 г пересыпаем ее в специальную пробирку. В стакан наливаем 80 мл дистиллированной воды, помещаем стакан в термостат, закрываем крышкой, в которую устанавливаем термодатчик и специальную пробирку с солью. Включаем мешалку и нажимаем кнопку «Измерение». Проводим 10 измерений температуры и добавляем соль, проводим ещё 15 измерений, нажимаем кнопку «Стоп». На полученном графике отмечаем интервал падения температуры и определяем T1. По формуле находим К – постоянную калориметра:
К = - Q1/ΔT1 - (mNH4Cl + mH2O)CH2O ,
CH2O = 4,18 Дж/г К
Q1 = (15270. mNH4Cl)/МNH4Cl
2. Определение теплоты растворения соли (NH4)2SO4
Повторяем опыт с солью (NH4)2SO4 растворения соли по формуле:
Q2 = – [(m(NH4)2SO4 + mH2O).CH2O + К] . Н = (Q2. М(NH4)2SO4)/ m(NH4)2SO4
и по графику находим T2. Рассчитываем теплоту
T2
Выводы:
7
3. Лабораторная работа 2.
ГЕТЕРОГЕННОЕ ХИМИЧЕСКОЕ РАВНОВЕСИЕ
Цель работы – определение зависимости давления паров воды над кристаллогидратом сульфата меди от температуры с помощью статического метода и расчет энтальпии разложения кристаллогидрата.
Общими условиями устойчивого химического равновесия являются следующие:
1.Динамичность равновесия, т. е. протекание прямой и обратной реакций с равными скоростями: это кинетическое условие химического равновесия;
2.Неизменность равновесного состава системы Сi = const при постоянстве внешних параметров Т, Р, V = const – это концентрационное условие химического равновесия;
3.Минимальное постоянное значение энергии Гиббса Gr или энергии Гельмгольца Ar:
ΔGr = 0 или Аr = 0 – это термодинамическое условие химического равновесия;
4.Подвижность равновесия, т. е. возможность смещения равновесия при изменении параметров системы: Т, Р, Сi, pi;
5.Возможность подхода к состоянию равновесия с двух противоположных сторон: со стороны прямой и со стороны обратной реакции.
Закон действия масс. Константа химического равновесия.
Суть закона состоит в том, что в равновесной смеси концентрации всех веществ находятся между собой в определенных отношениях. Это отношение называется
константой химического равновесия.
Константа химического равновесия представляет собой отношение произведения равновесных концентраций (или давлений) продуктов реакции, возведенных в степени, равные коэффициентам реакции, к аналогичному произведению для исходных веществ.
Рассмотрим это выражение для условной реакции
аА + bВ сС + dD
Тогда концентрационная константа равновесия (выраженная через концентрации) выглядит так:
|
|
|
C c |
C d |
|
K |
|
|
C |
D |
|
C |
C a |
C b |
|||
|
|
||||
|
|
|
|||
|
|
|
A |
B |
Где Кс – константа химического равновесия, а подстрочный символ С означает, что она выражена через равновесные концентрации.
Аналогично выражается константа равновесия через равновесные давления веществ:
|
|
|
P c P d |
||
K |
|
|
C |
D |
|
P |
P a P b |
||||
|
|
||||
|
|
|
|||
|
|
|
A |
B |
|
В случае гетерогенных обратимых реакций в выражение константы химического равновесия входят равновесные парциальные давления или концентрации газов, или концентрации растворённых веществ, участвующих в реакции, так как активности
8
твердых веществ или жидкостей при одновременном участии газов принимаются равными единице.
С(т) + СО2(г) 2СО(г)
р2
К р р СО СО2
Закон действующих масс имеет большое значение в учении о химическом равновесии. Из него следует, что в системе, в которой протекает обратимая реакция:
-соотношение равновесных величин, характеризующих состав системы при Т=const, является постоянным и равным константе равновесия;
-константа равновесия не зависит от того, какие из реагирующих веществ будут исходными веществами, а какие – продуктами реакции;
-константа равновесия не зависит от начального состава исходных веществ;
-для расчета константы равновесия достаточно экспериментально определить равновесную концентрацию одного из реагирующих веществ.
2
3
4
Экспериментальная часть
Установка для измерения упругости пара 1 представляет собой стеклянный манометр, состоящий из узкого – 1 и широкого – 2 колена, заполненных ртутью 4. В широком колене на поверхности ртути находится слой медного купороса 3. Свободное пространство над ртутью в обоих коленах вакуумировано и не содержит воздуха. Свободное пространство над кристаллогидратом в широком колене содержит только пары воды. При нагревании пары воды давят на поверхность ртути в широком колене, что
приводит к повышению уровня ртути в узком колене.
Порядок выполнения работы
1.Поместить установку в водяную баню, чтобы широкое колено было полностью погружено в воду
2.При постоянном перемешивании включаем нагрев воды.
3.В процессе повышения температуры, начиная с 25оС, через каждые 5о, измеряем высоту ртутного столба в узком колене
4.Результаты заносим в таблицу
t, оС |
T,K |
1/T.103 |
P, мм рт. ст. |
lgP |
25 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
30 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
35 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
9
40
45
50
55
60
65
70
75
80
5.Заполните таблицу и постройте график зависимости lgP от 1/T.103.
6.Определите энтальпию разложения медного купороса графическим методом, для этого на прямолинейном участке графика выбираем две точки, стоящие подальше друг от друга, определяем их координаты и подставляем в уравнение вместо Кр подставляем значения P:
|
KP |
|
H |
|
1 |
|
1 |
|
|
lg |
|
2 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||
|
K |
P1 |
|
2.303R T |
|
T |
|
||
|
|
|
|
|
2 |
|
1 |
|
|
7.Рассчитайте температуру, при которой давление паров воды в установке будет равно 760 мм рт.ст.
8.Напишите вывод.
4. Лабораторная работа №3
ВЛИЯНИЕ КОНЦЕНТРАЦИИ КАТАЛИЗАТОРА НА СКОРОСТЬ РЕАКЦИИ
Цель работы: изучить влияние концентрации катализатора (K2Cr2O7) на скорость разложения пероксида водорода (Н2О2).
Под катализом понимается ускорение или замедление реакций под влиянием специальных веществ – катализаторов. При этом катализатор не расходуется в процессе реакции. Его молекулы многократно вступают в промежуточное взаимодействие с молекулами реагирующих веществ и восстанавливаются после каждого акта взаимодействия. Поэтому требуемое количество катализатора обычно во много раз меньше (в десятки и сотни тысяч раз и более), чем реагирующих веществ.
Суть влияния катализатора объясняется тем, что он с молекулами реагирующих веществ образует некое соединение, которое называется активированным комплексом. В последующем этот активированный комплекс очень быстро вступает в реакцию с образованием продукта реакции и свободного катализатора. Ускорение реакции в присутствии катализатора объясняется резким снижением энергии активации по сравнению с исходным, без участия катализатора, и, соответственно, увеличением доли активных молекул. Катализаторы – более мощное средство ускорения реакций, чем температура. Катализаторы действуют обычно очень специфично. Определенный катализатор ускоряет только конкретные реакции, не влияя на другие, которые также могут проходить с участием тех же веществ. Это свойство катализаторов называется
10