Лабораторная работа № 4

Свойства растворов электролитов

Опыт 1. Сравнение степени диссоциации растворов кислот

          и оснований:

а) В три пробирки налейте по 2-3 мл 0,1 N раствора серной, уксусной и борной кислот. В каждую из них добавьте по 2-3 капли раствора метилоранжа. Какую окраску приобрел раствор в каждой из пробирок?

     В каждую пробирку бросьте по небольшому кусочку магния.

     Что при этом наблюдается? Какой газ выделяется? Изменяется ли окраска индикатора к концу реакции? Почему? Напишите уравнения реакций в молекулярном и ионном видах. От концентрации каких ионов в растворе зависит скорость реакции между кислотой и магнием?

б) В две пробирки налейте 1-2 мл хлорида кальция. В одну пробирку добавьте немного 0,2 N раствора гидроксида натрия, а в другую - 0,2 N раствора гидроксида аммония.

     Что при этом наблюдается? Напишите уравнения реакций в молекулярном и ионном видах.

Опыт 2.Реакции на ион хлора.

     Налейте в пробирку 1-2 мл разбавленной соляной кислоты и добавьте в неё 2-3 капли раствора нитрата серебра.

     Что при этом наблюдается? Напишите уравнения реакций в молекулярном и ионном виде. Проведите в отдельных пробирках реакции между растворами хлорида натрия, хлорида кальция и раствором нитрата серебра.

     Какой ион является аналитическим на ион хлора?

Опыт 3. Реакции на ион SO₄^2-

     Налейте в пробирку 1-2 мл разбавленной серной кислоты и добавьте в неё 2-3 капли хлорида бария.

     Что наблюдается? Напишите уравнения реакций в молекулярном и ионном виде. Между какими ионами идет реакция?

     Проведите в отдельных пробирках реакции между растворами сульфата натрия, сульфата магния и раствором хлорида бария.

     Какой ион является аналитическим на ион SO₄^2-?

Опыт 4. Смещение ионного равновесия слабого электролита.

     Налейте в одну пробирку 3 мл 0,1 N раствора уксусной кислоты, а в другую - 3 мл чистой воды. Прибавьте в обе пробирки по 2-3 капли метилоранжа. Какую окраску имеет индикатор в каждой пробирке? Почему? Оставьте пробирку с водой для сравнения.

      В пробирку с раствором уксусной кислоты насыпьте немного сухого ацетата натрия. Слегка взболтайте содержимое пробирки.

     Как изменится окраска раствора? Почему?

Опыт 5. Гидролиз солей.

     В 4 отдельные пробирки налейте по 2-3 мл разбавленных растворов следующих солей: в первую - раствор карбоната натрия, во вторую - сульфата алюминия, в третью - карбоната аммония, в четвертую хлорида натрия. В каждую пробирку опустите поочередно розовую и синюю лакмусовые или универсальную индикаторную бумажки.     Как изменится окраска индикаторной бумажки в каждой из пробирок? Почему? Напишите в молекулярном и ионном виде уравнения реакций гидролиза солей. В какой пробирке гидролиз не происходит? Почему? Определите рН растворов

Лабораторная работа № 5

Окислительно-восстановительные реакции

Опыт 1. 

К 2 - 3 см³ раствора иодида калия KI прилейте несколько капель раствора серной кислоты H₂SO₄ и добавьте 2 - 3 см³ нитрита калия KNO₂. Наблюдайте и опишите изменения в пробирке. Определите изменение степени окисления иода и азота. Какие свойства проявляют эти элементы в данной реакции? Составьте уравнение реакции.

Опыт 2.

К 2 - 3 см³ раствора перманганата калия KMnO₄ прилейте несколько капель раствора серной кислоты H₂SO₄ и добавьте 2 - 3 см³ нитрита калия KNO₂. Наблюдайте и опишите изменения в пробирке. Определите изменение степени окисления азота и марганца. Какие свойства проявляют эти элементы в данной реакции? Сравните роль азота в первом и во втором опытах. Составьте уравнение реакции.

Опыт 3.

К 2 - 3 см³ раствора перманганата калия KMnO₄ прилейте несколько капель раствора серной кислоты H₂SO₄ и добавьте 2 - 3 см³ сульфита натрия Na₂SO₃. Наблюдайте и опишите изменения в пробирке. Определите изменение степени окисления серы и марганца. Какие свойства проявляют эти элементы в данной реакции? Сравните роль марганца во втором и третьем опытах. Составьте уравнение реакции.

Опыт 4.

К 2 - 3 см³ раствора перманганата калия KMnO₄ добавьте 2 - 3 см³ сульфита натрия Na₂SO₃. Наблюдайте и опишите изменения в пробирке Определите изменение степени окисления серы и марганца. Какие свойства проявляют эти элементы в данной реакции? Составьте уравнение реакции.

Опыт 5.

К 2 - 3 см³ раствора перманганата калия KMnO₄ прилейте немного раствора щелочи NaOH или KOH и добавьте 2 - 3 см³ сульфита натрия Na₂SO₃. Наблюдайте и опишите изменения в пробирке. Определите изменение степени окисления серы и марганца. Какие свойства проявляют эти элементы в данной реакции? Сделайте вывод о глубине протекания процесса восстановления марганца в кислой, нейтральной и щелочной средах. Составьте уравнение реакции.

Опыт 6.

К 2 - 3 см³ раствора бихромата калия K₂Cr₂O₇ прилейте несколько капель раствора серной кислоты H₂SO₄ и добавьте немного кристаллического сульфата железа (II) FeSO₄. Наблюдайте и опишите изменения в пробирке. Определите изменение степени окисления хрома и железа. Какие свойства проявляют эти элементы в данной реакции? Составьте уравнение реакции.

Лабораторная работа № 6

Свойства металлов

Опыт 1. Действие кислот на металлы.

    1.1. В 1 н. растворы соляной, серной, уксусной кислот поместите по кусочку магния, цинка, железа, меди. Какие продукты получаются? Напишите уравнения реакций.

Опыт 2. Сравнительная активность металлов.

     2.1. В пробирки с 2-3 мл водного раствора медного купороса поместите по кусочку железа, цинка, магния. Оставьте на 10 мин. Опишите наблюдения. Напишите реакции.

     2.2. Используя кусочки меди, железа, цинка, магния, растворы их солей и разбавленную серную кислоту, по методике 2.1. составьте вытеснительный ряд для предложенных металлов. Определите место водорода в этом ряду.

     Опыт 3. Гальванические элементы.

     3.1. В 10%-ный раствор серной кислоты поочередно поместите пластинку меди и пластинку цинка. Опишите наблюдения. Напишите уравнения протекающих реакции.

     Соберите схему, состоящую из двух электродов медь-цинк, поместите электроды в раствор серной кислоты. Объясните наблюдения. Напишите реакции, протекающие на электродах.

     Замкните цепь через лампочку /1В/. Опишите наблюдения в момент замыкания цепи и через 1 мин.

Определите разность потенциалов с помощью вольтметра.

     Замкните цепь через насыщенный раствор сульфата натрия /на часовом стекле/, добавив несколько капель спиртового раствора фенолфталеина. Опишите наблюдения.

     3.2. Составьте концентрационный гальванический элемент. В стакан, содержащий 1 М раствор сульфата меди, поместите медный электрод. В другой стакан, содержащий 0.0001 М раствор сульфата меди, также поместите медный электрод. Растворы соедините электрохимическим ключом (U -образная трубка, заполненная коллоидным раствором агар-агар, содержащим сульфат магния или натрия). С помощью милливольтметра определите разность потенциалов между электродами.

Лабораторная работа № 7

Диаграммы плавкости

Настоящие методические указания составлены в соответствии со стандартом по физической химии для студентов технических высших учебных заведений по одному из разделов курса "Фазовые равновесия", содержат краткое теоретическое введение и описание экспериментальной части работы.

Цель работы: Исследование процесса кристаллизации, приобретение навыка экспериментального построения диаграмм состояния сплавов.

Задачей работы является построение диаграммы плавкости для бинарной системы. Для этого следует построить, опираясь на экспериментальные данные, кривые охлаждения двух чистых веществ и нескольких сплавов заданного состава.

Диаграммой состояния называют графическое изображение зависимости какого-либо свойства от состава системы.

Для анализа замкнутых систем, находящихся в состоянии равновесия, применяют правило фаз Гиббса.

Фаза - часть системы, отделенная от других частей системы поверхностью раздела, при переходе через которую свойства меняются скачкой. Однофазные системы называются гомогенными, многофазные - гетерогенными.

Составная часть системы - совокупность частиц, которые могут устойчиво существовать вне системы.

Число компонентов - наименьшее число составных частей, достаточное для образования системы во всем многообразии ее состояний.

Число степеней свободы - это число параметров, определяющих состояние системы, которые можно произвольно изменять не вызывая при этом изменения числа фаз в системе. К таким параметрам относятся температура, давление и т.п. Правило фаз задается следующим уравнением:

Ф = К - С + 2,

где Ф - число фаз системы,

  К - число независимых компонентов,

  С - число степеней свободы,

  2 - число независимых параметров системы, определяющих ее термодинамическое               состояние (в данном случае - температура и давление).

Уравнение правила фаз дает возможность определить условия, при которых в равновесной системе сохраняется существующее число фаз и устанавливает математическую связь между числом степеней свободы, числом компонентов и числом фаз в системе, находящейся в равновесии. Например при равновесии воды с её насыщенным паром число независимых компонентов К = 1, число фаз Ф = 2, тогда число степеней свободы

С = К - Ф + 2 = 1 - 2 + 2 = 1.

Данная система моновариантна. В ней можно произвольно изменять лишь один параметр (температуру или давление, например), чтобы в системе сохранялись обе фазы - жидкая и газовая. Действительно, каждой температуре соответствует однозначно определенное давление водяного пара, или каждому внешнему давлению соответствует определенная температура кипения воды.

Рассмотрим диаграмму состояния для веществ взаимно неограниченно растворимых в жидком состоянии и нерастворимых в кристаллическом состоянии.

На рисунке 1 представлена диаграмма состояния системы Cd-Bi. По оси абсцисс отложен состав сплава. Ордината А отвечает 100% Cd, ордината В - 100% Bi. Точки а и b соответствуют температурам плавления чистых кадмия и висмута.

При анализе кривой охлаждения жидкофазной системы (рис. 2) понижение температуры до начала кристаллизации имеет прямолинейный характер - участок dа. С началом кристаллизации, сопровождающейся выделением теплоты, что компенсирует потери теплоты в окружающую среду, понижение температуры в системе прекращается - участок aa. После окончания кристаллизации продолжается равномерное понижение температуры - участок ае. Согласно правилу фаз число степеней свободы на участке аа при охлаждении одной жидкой фазы равно:

С = К - Ф + 1 = 1 - 1 + 1 = 1.

На участке da температура может меняться произвольно, т.к. состав здесь не меняется (чистое вещество), давление постоянно. В точке а начинается кристаллизация, появляется вторая фаза и становится нонвариантной:

С = К - Ф + 1 = 1 - 2 + 1 = 0

Таким образом видно, что температура должна оставаться постоянной, пока имеются две фазы - участок aa.

Когда кристаллизация заканчивается система становится вновь моновариантной и температура равномерно понижается - участок ае. Известно, что температура плавления чистых веществ выше температуры плавления сплавов. Для сплавов кадмия с висмутом различных составов (от 0% Вi до 100% Вi) строят кривые охлаждения и температуры плавления, в зависимости от состава сплава, отмечают на рис. 1. Получается кривая, имеющая перегиб в точке с - минимум. Точка с называется эвтектической (эвтектикой). При составе сплава, отвечающего эвтектической точке, происходит одновременная кристаллизация кадмия и висмута в виде мелкозернистой смеси. Во время кристаллизации в точке с одновременно существуют три фазы - две кристаллические и одна жидкая

С = К - Ф + 1 = 2 - 3 + 1 = О

- система нонвариантная. Пока существуют три фазы, ни температура, ни состав не могут быть изменены произвольно. Кристаллизация должна идти при постоянных температуре и составе.

 

Рис. 1                                                 Рис. 2

 

Как видно из кривых, при охлаждении сплава любого состава вначале выделяются кристаллы одного из веществ, находящегося в избытке по сравнению с его содержанием в эвтектической точке, до тех пор, пока состав расплава не достигнет эвтектического, после чего кристаллизация пойдет при постоянных составе расплава и температуре. Линия асb, соответствующая температурам начала кристаллизации (окончания плавления), называется линией ликвидус, горизонтальная линия, проходящая через точку с, соответствующая температурам окончания кристаллизации (начала плавления), называется линией солидус.

Эвтектический состав имеет самую низкую температуру плавления (из возможных для составов данной пары веществ).

Сплавы подобной системы любого состава (за исключением чистых веществ) также начинают плавиться при эвтектической температуре, однако в процессе плавления температура повышается. Плавление заканчивается при температуре, которая находится на линии ликвидуса сплава данного состава.

Диаграммы рассмотренного типа характерны не только для сплавов металлов, но и для сплавов сложных веществ: например, для некоторых сплавов солей, органических веществ, водных растворов солей и др.