Методика выполнения работы и ее обоснование

Содержание

Общие методические указания…………………………………………………..4

Вопросы коллоквиума к разделу «Электрохимия»…………………………4

Учебно-методические материалы……………………………………………5

Лабораторные работы…………………………………………………………6

Работа № 1 Определение константы и степени диссоциации слабого

                электролита………………………………………………………6

Работа № 2 Определение растворимости и произведения

                растворимости малорастворимой соли………………………..10

Работа № 3 Определение среднего коэффициента активности

                электролита методом потенциометрии………………………..13

Работа № 4 Определение значений водородного показателя (рН)

                водных растворов……………………………………………….15

Работа № 5 Определение ЭДС гальванического элемента

                и потенциалов отдельных электродов в зависимости

                от концентрации растворов…………………………………….19

Приложения …………………………………………………………………..24

 

 

Общие методические указания

 

Физическая химия относится к числу фундаментальных дисциплин и является теоретической основой для повседневной практической деятельности современного химика. Изучение физической химии обеспечивает развитие и углубление знаний по химическим законам природы и является составной частью подготовки специалистов по фундаментальным наукам. Содержание курса обеспечивает формирование у студентов навыков анализа, управления и интенсификации хода химико-технологических процессов, обоснование выбора типа аппаратуры для проведения технологических процессов. Полученные при изучении курса сведения необходимы для успешной специализации выпускников ПГТУ как в области конкретных технологий, создания и аппаратурного оформления новых технологических процессов и их автоматизации, так и для выполнения научно-исследовательских работ.

Предметом изучения и основными задачами физической химии являются предсказание временного хода химического процесса и конечного результата (состояния равновесия) в различных условиях на основании данных о строении и свойствах частиц веществ, составляющих изучаемую систему.

Программа изучения дисциплины должна обеспечить приобретение знаний, умений и навыков в соответствии с ГОСами высшего профессионального образования.

Основные виды учебных занятий по курсу физической химии слагаются из следующих элементов: посещение лекций и изучение лекционного материала; выполнение индивидуальных расчетных заданий; выполнение лабораторного практикума; индивидуальные консультации; сдача зачета по лабораторному практикуму; сдача экзамена по всему курсу.

Электрохимия – это раздел физической химии, в котором изучают физико-химические свойства ионных систем, а также процессы и явления на границах раздела фаз с участием заряженных частиц (электронов или ионов) и молекул растворителя. Электрохимия состоит из двух частей. Теория растворов электролитов занимается изучением как равновесных, так и неравновесных свойств этих однофазных систем. Электрохимическая термодинамика и кинетика изучает общие условия равновесия на заряженных границах раздела фаз, строение этих границ, механизм и кинетические закономерности перехода заряженных частиц через межфазные поверхности.

 

Вопросы коллоквиума к разделу «Электрохимия»

 

1. Основные положения теории электролитической диссоциации

2. Сильные и слабые электролиты. Средний коэффициент активности. Правило ионной силы.

3. Степень и константа диссоциации слабых электролитов. Закон разведения Оствальда.

4. Теория растворов сильных электролитов. Предельный закон Дебая–Хюккеля.

5. Электрическая проводимость растворов электролитов. Удельная и молярная электрические проводимости.

6. Зависимость электрической проводимости растворов слабых и сильных электролитов от концентрации электролита.

7. Электрофоретическое и релаксационное торможение в растворах сильных электролитов.

8. Подвижность ионов и числа переноса.

9. Скачки потенциалов на границах фаз. Двойной электрический слой.

10. ЭДС гальванического элемента. Вывод уравнения Нернста.

11. Методы измерения ЭДС. Зависимость ЭДС от температуры.

12. Типы электродов, используемых в потенциометрии. Определение потенциала электрода.

13. Электрохимические цепи. Связь ЭДС электрохимического элемента с термодинамическими параметрами системы.

14. Элементы кинетики электрохимических реакций. Перенапряжение. Уравнение Тафеля.

 

Учебно-методические материалы

Литература основная

1. Стромберг А.Г., Семченко Д.П. Физическая химия. М.: Высш. шк., 2003. 527 с.

2. Жуховицкий А.А., Шварцман Л.А. Физическая химия. М.: Металлургия, 2001. 668 с.

3. Вольхин В.В. Общая химия. В 3-х кн. Кн. 1. Основной курс. Пермь: Перм. гос. техн. ун-т, 2006. 464 с.

4. Краснов К.С., Воробьев Н.К., Годнев И.Н. и др. Физическая химия. В 2-х кн. Кн. 2. Электрохимия. Химическая кинетика и катализ. М.: Высш. шк., 2001. 319 с.

5. Каретников Г.С., Кудряшов И.В. Сборник примеров и задач по физической химии. М.: Высш. шк., 1998. 527 с.

6. Еремин В.В., Каргов С.И., Успенская И.А. и др. Задачи по физической химии. М.: Экзамен, 2003. 320 с.

7. Практикум по физической химии. Под ред. Горбачева С.В., М.: Высш. шк., 1995.

8. Голиков Г.А. Руководство по физической химии. М.: Высш. шк., 1988. 383 с.

9. Краткий справочник физико-химических величин. Под ред. Равделя А.А., Пономаревой А.М. СПб.: Специальная литература, 1998. 232 с.

10. Методические руководства к лабораторным работам. Колл. препод. кафедры АФХ, Пермь: Перм. гос. техн. ун-т, 1988–1998.

 

 

Литература дополнительная

1. Фролов Ю.Г., Белик В.В. Физическая химия. М.: Химия, 1993. 464 с.

2. Киреев В.Д. Курс физической химии. М.: Химия, 1985.

3. Курс физической химии. т. 3. Под ред. Герасимова Я.И. М.: Химия, 1973. 416 с.

4. Эткинс П. Физическая химия. т. 2, М.: Мир, 1980. 584 с.

5. Даниэльс Ф., Олберти Р. Физическая химия. М.: Мир, 1978. 645 с.

6. Практикум по физической химии. Под ред. Мищенко К.П. Л.: Химия, 1988.

7. Антропов Л.И. Теоретическая электрохимия. М.: Высш. шк., 1984. 519 с.

8. Багоцкий В.С. Основы электрохимии. М.: Химия, 1988. 400 с.

9. Корыта И., Дворжак И., Богачкова В. Электрохимия. М.: Мир, 1977. 472 с.

 

Лабораторные работы

 

Работа № 1

 

Определение константы и степени диссоциации

 слабого электролита

 

Цель работы

 

Исследовать электрические свойства растворов слабых электролитов, рассчитать удельную и молярную электрические проводимости, степень диссоциации и константу диссоциации электролита в растворе. Проверить, подчиняется ли раствор данного вещества закону разведения Оствальда.

 

Вопросы коллоквиума

 

1. Растворы электролитов. Теория электролитической диссоциации. Сильные и слабые электролиты. Закон Оствальда.

2. Удельная электрическая проводимость. Зависимость удельной электрической проводимости сильных и слабых электролитов от концентрации и температуры.

3. Эквивалентная и молярная электропроводности. Зависимость эквивалентной и молярной электропроводностей сильных и слабых электролитов от концентрации. Электропроводность при бесконечном разведении.

4. Определение постоянной электрохимического сосуда при измерении сопротивления раствора.

5. Кондуктометрия и ее практическое применение.

6. Порядок выполнения работы и обработки экспериментальных данных.

 

 

Приборы и реактивы

 

1. Учебно – лабораторный комплекс «Химия» в комплектации:

– центральный контроллер;

– модуль «электрохимия» в комплекте с двумя стаканами (50 см³), двумя электродами в одной обойме для кондуктометрических измерений;

0,01 М раствор KCl;

2. Растворы слабых электролитов с концентрацией 0,01 М (уксусная кислота, муравьиная кислота, гидроксид аммония);

3. Мерный цилиндр на 25 см³;

4. Пипетки на 10 и 20 см³;

5. Дистиллированная вода;

6. Лабораторная посуда.

 

Методика выполнения работы и ее обоснование

Лабораторной работе должен предшествовать опыт по определению постоянной сосуда для электрохимических измерений. Если работы выполняются на одной установке в течение одного лабораторного занятия, то достаточно этот опыт провести один раз.

Определение постоянной сосуда (j)

Постоянной сосуда является отношение расстояния между электродами (l) к площади каждого из электродов (S), используемых в электрохимической ячейке для измерения электропроводности раствора (L). Она определяется экспериментально. Для этого измеряют электрическую проводимость раствора (L), удельная электрическая проводимость которого известна. Обычно для этой цели используется 0,01 М раствор KCl. Значение k для этих растворов для заданной температуры берут из приложения. Тогда, для полученных значений k и R рассчитывают постоянную сосуда (j) по уравнению для удельной электропроводности k

k = j,                                      (1.1)

где j – постоянная сосуда.

Отсюда j = k_KCl R _KCl = , см^–1.                                                  (1.2)

Сосуд для измерения вместе с электродами промывают дистиллированной водой и исследуемым раствором. Затем в сосуд помещают 20 см³ 0,01 М раствора KCl, при этом электроды должны быть полностью покрыты раствором. Электроды сосуда подсоединяют к измерительной цепи и определяют его электрическую проводимость (L), после чего рассчитывают постоянную сосуда по уравнению (1.2).

К равновесию, которое устанавливается в растворе слабого электролита между ионами и молекулами, можно применить законы химического равновесия и записать выражение константы равновесия. Например, для диссоциации уксусной кислоты

CH₃COOH «CH₃COO^– + H⁺

константа равновесия, выраженная через молярные концентрации реагентов имеет вид

K = .

Константа равновесия процесса диссоциации слабого электролита называется константой диссоциации. Величина K зависит от природы электролита и растворителя, а также от температуры. Она характеризует способность данного электролита распадаться на ионы в растворе. Чем больше K, тем полнее диссоциирует электролит в растворе.

Выражение для константы диссоциации слабого электролита через его начальную концентрацию (С) и степень диссоциации (a) имеет вид

K = .                                            (1.3)

Это уравнение для константы диссоциации выражает закон разведения Оствальда.

Степень диссоциации электролита определяют по уравнению

a = ,                                            (1.4)

где l – молярная электропроводность раствора,

  l^¥ – молярная электропроводность электролита при бесконечном разведении.

Молярная электрическая проводимость l связана с удельной электрической проводимостью k соотношением

l = .                                         (1.5)

Величину l^¥ рассчитывают по справочным данным по уравнению

l^¥ = l^¥₊ + l^¥_–,                                       (1.6)

где l^¥₊ и l^¥_– – подвижности ионов при предельном разбавлении.

Экспериментальные данные зависимости электропроводности разбавленного слабого электролита от его концентрации позволяют графически определять величины l^¥ и K. Для этого уравнение (1.3) с использованием (1.4) приводят к линейному виду в координатах (  – l С):

.                                    (1.7)

Построив график в указанных координатах и продолжив прямую линию графика до пересечения с осью ординат, находят значение l^¥ как величину, обратную величине отрезка ординаты, отсекаемой линией графика, а K определяют из уравнения

tg b = .

tg b определяется из треугольника как отношение противолежащего катета к прилежащему в масштабах осей графика (b – острый угол наклона линии зависимости к оси абсцисс).