Осмос. Осмотическое давление, закон Вант-Гоффа.

О.Л. Шепелюк

МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ

ПО ХИМИИ

к лабораторным работам и самостоятельной работе для студентов нехимических специальностей всех форм обучения и направления

Сургут

Утверждено учебно-методической комиссией

Федерального государственного бюджетного образовательного учреждения высшего профессионального образования ТюмГНГУ филиал в г. Сургуте

УДК 540

ББК 24.1

О.Л. Шепелюк, кхн, доцент кафедры ЕНГД

Методические указания по химии к лабораторным работам и самостоятельной работе для студентов нехимических специальностей всех форм обучения и направления./ О.Л. Шепелюк. - Тюмень: ТюмГНГУ, 2016. – 46 с.

В методическим указании содержатся описания лабораторных работ и методика их выполнения. Порядок следования работ соответствует очередности изложения тем в лекционном курсе и эффективно его дополняет. В описании каждой лабораторной работы представлен раздел «Вопросы для самоконтроля», позволяющий студентам самостоятельно подготовится к тестированию по данной теме.

© Сургутский филиал

«Тюменский государственный нефтегазовый университет»,

2016 г.

ВВЕДЕНИЕ

Методические указания к лабораторным работам предназначены для всех студентов нехимических специальностей, в учебные планы которых входит дисциплина «Химия». В них рассматриваются лабораторные работы, относящиеся к аналитической химии и химии дисперсных систем.

Лабораторные работы соответствуют дидактическим единицам данных разделов. Основные цели, преследуемые при выполнении этих работ, состоят в том, чтобы помочь студентам приобрести навыки выполнения химического эксперимента, обработки результатов опытов, выполнения требований техники безопасности при работе в лаборатории.

В данном пособии представлено пять лабораторных работ. Каждая работа включает теоретическую часть, вопросы для самоконтроля, которые позволяют подготовиться к тесту по данной теме, и описание лабораторного эксперимента.

Методика и условия проведения опытов, объекты исследований выбраны таким образом, чтобы обеспечить полную самостоятельность студентов при выполнении лабораторной работы.

Выполнение лабораторного практикума способствует формированию у студента компетенций, прописанных в ФГОС ВО по данной дисциплине:

- способностью к самоорганизации и самообразованию;

- способностью использовать основные законы естественнонаучных дисциплин в профессиональной деятельности, применять методы математического анализа и моделирования, теоретического и экспериментального исследования;

- способностью применять процессный подход в практической деятельности, сочетать теорию и практику.

После проведения представленных лабораторных работ студент должен

- знать: химические свойства элементов и их соединений, термодинамические и кинетические условия протекания химических реакций, равновесие в гомогенных и гетерогенных системах, правила безопасной работы в учебно-научных лабораториях;

- уметь: определять концентрации растворов различных соединений, термодинамические характеристики химических реакций и равновесные концентрации веществ, скорость реакции и влияние различных факторов на неё, анализировать полученные данные, выявлять общую закономерность их изменения;

- владеть: навыками выполнения основных химических лабораторных операций.

После выполнения лабораторной работы студент должен отчет по следующей форме:

- номер, название, цель и ход лабораторной работы

- основные расчетные формулы (если они есть в методичке)

- схема установки, таблицы и графики (если они есть в методичке)

- выводы

Основные правила по технике безопасности

При работе в химической лаборатории

1. Не трогайте, не включайте без разрешения преподавателя рубильники и электрические приборы.

2. Не загромождайте свое рабочее место лишними предметами.

3. Нельзя брать вещества руками и пробовать их на вкус. При определении веществ по запаху, склянку следует держать на расстоянии и направлять движением руки воздух от отверстия склянки к носу.

4. При приливании реактивов нельзя наклоняться над отверстием сосуда, во избежание попадания брызг на лицо и одежду; наклоняться над нагреваемой жидкостью, так как ее может выбросить.

5. Разбавляя концентрированные кислоты, особенно серную, осторожно вливают кислоту в воду.

6. Опыты с ядовитыми и легковоспламеняющимися веществами надо проводить в вытяжном шкафу.

7. С легковоспламеняющимися веществами нельзя работать вблизи нагревательных приборов.

8. Нельзя сливать растворы, содержащие ядовитые соединения, в раковину. Остатки ядовитых реактивов сливать в специальные сосуды.

9. Если на склянке отсутствует этикетка, её следует отдать преподавателю.

10. При проведении нагревания спиртовку зажигают после того как в пробирку внесены все вещества, горящую спиртовку не передвигать.

11. В лабораторию запрещается приносить продукты питания.

Правила пожарной безопасности

1. При проведении опытов, в которых может произойти самовозгорание, необходимо иметь под руками огнетушители, песок, войлок.

2. В случае воспламенения горючих веществ отключите электроэнергию, примите меры к тушению пожара. В случае возгорания большой площади покиньте аудиторию и вызовите специальные службы.

3. В случае воспламенения щелочных металлов, нефтепродуктов не тушите пламя водой.

Первая помощь при несчастных случаях

1. При ранении стеклом удалите осколки из раны, смажьте края раны раствором йода и перевяжите бинтом. При попадании на руки или лицо реактив, смойте реактив большим количеством воды.

2. При термическом ожоге смажьте обожженное место мазью от ожога. При химических ожогах глаз, обильно промойте глаза водой, а затем сразу обратитесь к врачу.

Лабораторная работа № 1

КОМПЛЕКСНЫЕ СОЕДИНЕНИЯ

Цель работы: рассмотрение реакций комплексообразования, строение комплексов, определение устойчивости комплексов.

ТЕОРЕТИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ

Соединения сложного состава, в которых можно выделить центральный атом и непосредственно связанные с ним молекулы или ионы называются комплексными или координационными соединениями. Существование комплексных соединений было установлено Альфредом Вернером, награжденным в 1913 году Нобелевской премией за разработку химии координационных соединений.

Строение комплексных соединений.

K₃⁺[Fe³⁺(CN)₆⁻] [Co³⁺(NH₃)₆⁰]Cl₃⁻

лиганды лиганды

комплексообразователь комплексообразователь

Fe³⁺, Co³⁺ - комплексообразователь, всегда пишется на первом месте после квадратных скобок. Комплексообразователем, как правило, являются металлы и чаще всего d-элементы, но существует целый ряд комплексных соединений, где центральным атомом служит неметалл – Si, P, As.

CN⁻, NH₃⁰ – лиганды, молекулы или ионы, окружающие центральный атом, представлены нейтральными молекулами или анионами. Лигандами могут быть и сложные органические соединения.

[Fe³⁺(CN)₆⁻]³⁻, [Co³⁺(NH₃)₆⁰]³⁺ - комплексный ион или внутренняя сфера, в зависимости от степени окисления может быть комплексным катионом, комплексным анионом, электронейтральным комплексом.

K⁺, Cl⁻ - ионы составляющие внешнею сферу.

Координационное число комплексообразователя – это число лигандов, координированных вокруг центрального атома, обычно бывает четным числом - 2, 4, 6, 8(таблица1). Координационное число центрального атома металлы не связано с его степенью окисления, но, как правило, превышает её.

В зависимости от числа донорных атомов лиганда, различают моно-, би- и полидентантные лиганды. Лиганды, координирующиеся через два или более донорных атомов к одному центральному атому, называются хелатными.

Таблица 1

Координационное число комплексообразователей

Комплексные соединения, в которых два или более комплексообразователя, называются би- или полиядерными комплексными соединениями – [Sn₂(OH)₂]²⁺, [Sn₃(OH)₄]²⁺, чаще всего данные комплексы образуются при гидролизе.

Составление формул комплексных соединений

При составлении формулы внутренней сферы на первом месте после квадратных скобок пишется центральный атом, т.е. комплексообразователь. Затем лиганды с указанием их числа –n, если лиганды разные, то они записываются в следующем порядке – нейтральные лиганды с указанием их числа, потом анионы, также с указанием их числа.

Например: [Co³⁺(NH₃)₅⁰ Cl⁻]²⁺, [Pt⁴⁺(NH₃)₄⁰Cl₂⁻]²⁺

При составлении формулы комплексного соединения индексы следует расставить таким образом, чтобы сумма всех зарядов была равна нулю.

Например: K₂²⁺[Pt⁴⁺(OH)₆⁻]²⁻

Классификация комплексных соединений

В зависимости от заряда комплексного иона комплексные соединения делятся на катионные, анионные и нейтральные:

Также комплексные соединения делятся на кислоты, основания и соли.

Номенклатура комплексных соединений

Образование названий анионных и катионных комплексов отличается. Название катионного комплекса начинают записывать с названия внешней сферы, затем одним словом пишется название комплексного катиона, начало которого составляет название лигандов (таблица 2) с указанием их числа, обозначаемого префиксами – ди-, три-, тетра-, пента-, гекса-. Последним записывают комплексообразователь с указанием степени окисления римской цифрой.

Например:

[Cu(NH₃)₄](OH)₂ − гидроксид тетраамминмеди(II)

[Cr(H₂O)₅Cl]Cl₂ − хлорид хлоропентааквахрома(III)

[Co(NH₃)₄(NO₂)Cl]NO₃ − нитрат хлоронитротетраамминкобальта(III)

Образование названий анионных комплексов начинают с названия комплексного аниона в соответствии с теми же правилами, что и названия комплексного катиона, но с добавлением суффикса «ат» к названию комплексообразователя. Затем называют ионы внешней сферы.

Например:

K₃[Co(CN)₆] − гексацианокобальтат(III) калия

K[Pt(NH₃)Cl₃] − трихлороамминплатинат(II) калия

K[Au(CN)₂] − дицианоаурат(I) калия

Образование названий нейтральных комплексов начинается с названия и числа лигандов, затем называется комплексообразователь и его степень окисления.

Например:

[Ni(CO)₄] − тетракарбонилникеля

[Pt(NH₃)₂Cl₂] − дихлородиамминплатины(II)

Таблица 2

Номенклатура лигандов

Пространственное строение комплексных соединений

В пространстве комплексные ионы имеют форму многогранников (в соответствии с моделью Кеперта, атом металла лежит в центре многогранника, а лиганды располагаются в вершинах многогранника). Возможны следующие конфигурации:

- линейное расположение:

комплексы с координационным числом 2 − [CuCl₂]⁻, [Ag(CN)₂]⁻.

- плоский равносторонний треугольник:

комплексы с координационным числом 3 − [HgI₃]⁻.

- тетраэдрическая конфигурация:

комплексы с координационным числом 4 − [BF₄]⁻.

- плоский квадрат:

комплексы с координационным числом 4 − [Pt(NH₃)₂Cl₂].

- тригонально-бипирамидальная конфигурация:

комплексы с координационным числом 5 − [Fe(CO)₅].

- октаэдрическая конфигурация:

комплексы с координационным числом 6 − [PtCl₆]²⁻.

Изомерия комплексных соединений

Рассматривают два типа изомерии комплексных соединений. Первый тип изомеров – при котором состав внутренней сферы не изменяется, это может быть пространственная или оптическая изомерия.

Например:

Пространственные изомеры комплексного соединения [Pt(NH₃)₂Cl₂] (по положению лигандов относительно комплексообразователя)

а б

Рис. 1 Пространственный комплекс: а – цис-изомер, б – транс-изомер

Второй тип комплексных изомеров – при котором меняется состав внутренней сферы – ионизационная, гидратная изомерия.

Например:

Гидратная изомерия комплексного соединения [Cr(H₂O)₆]Cl₃:

[Cr(H₂O)₅Cl]Cl₂ ∙ H₂O; [Cr(H₂O)₄Cl₂]Cl∙2H₂O

Устойчивость комплексных соединений

В водном растворе диссоциация комплексных соединений протекает полностью на внешнию сферу и комплексный ион. Диссоциация комплексного иона протекает незначительно и характеризуется так называемой константой нестойкости.

[Fe(CN)₆]⁴⁻ ↔ Fe²⁺ + 6CN⁻

В таблице 3 представлены константы нестойкости ряда комплексных ионов.

Таблица 3

Константы нестойкости комплексных ионов

В таблице 4 представлена классификация комплексообразователей по способности их гидроксидов растворяться в избытке щелочи или аммиака, образуя соответствующие комплексные соединения.

Таблица 4

Растворимость гидроксидов

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ

- приступая к выполнению лабораторной работы получите у преподавателя номера заданий;

- для составления формул комплексных соединений воспользуйтесь таблицей 1.

Опыт 1. Получение гидроксокомплексных соединений.

- составьте уравнения реакций в молекулярном и ионном виде.

- напишите название полученного комплексного соединения.

- напишите выражение для константы нестойкости комплексного иона и выпишите из справочника его значение.

- запишите наблюдения

а) В пробирку внесите 5-6 капель хлорида алюминия и по каплям прибавляйте раствор гидроксида калия, сначала до образования осадка и затем до его полного растворения.

б) В пробирку внесите 5-6 капель нитрата хрома и по каплям прибавляйте раствор гидроксида калия, сначала до образования осадка и затем до его полного растворения.

в) В пробирку внесите 5-6 капель хлорида цинка и по каплям прибавляйте раствор гидроксида калия, сначала до образования осадка и затем до его полного растворения.

Опыт 2. Получение аминокомплексных соединений.

- составьте уравнения реакций в молекулярном виде.

- напишите название полученного комплексного соединения.

- напишите выражение для константы нестойкости комплексного иона и выпишите из справочника его значение.

- запишите наблюдения.

а) В пробирку внесите 5-6 капель сульфата меди и по каплям прибавляйте раствор гидроксида аммония, сначала до образования осадка и затем до его полного растворения.

б) Во пробирку внесите 5-6 капель сульфата никеля и по каплям прибавляйте раствор гидроксида аммония, сначала до образования осадка и затем до его полного растворения.

в) В пробирку внесите 5-6 капель нитрата серебра и по каплям прибавляйте раствор гидроксида аммония, сначала до образования осадка и затем до его полного растворения.

Опыт 3. Получение комплексных соединений других групп.

- составьте уравнение реакции в молекулярном виде.

- напишите название полученного комплексного соединения.

- напишите выражение для константы нестойкости комплексного иона и выпишите из справочника его значение.

- запишите наблюдения.

а) В пробирку внесите 5-6 капель хлорида железа(III) и по каплям прибавляйте раствор роданида калия до изменения окраски раствора.

! Повторите опыт с сульфатом железа (II). Внесите в пробирку сульфат железа на кончике шпателя и долейте 5 мл дистиллированной воды. Внесите в пробирку 1-2 капли роданида калия.

б) В пробирку внесите 5-6 капель нитрата хрома и по каплям прибавляйте раствор роданида калия до изменения окраски раствора.

в) В пробирку внесите 5-6 капель нитрата серебра и по каплям прибавляйте раствор иодида калия до образования осадка и его полного растворения.

Опыт 4. Реакции ионного обмена с участием комплексных соединений.

- составьте уравнение реакции в молекулярном и ионном виде.

- напишите название полученного комплексного соединения.

- запишите наблюдения.

а) В пробирку внесите 5-6 капель хлорида железа (III) и по каплям прибавляйте раствор гексацианоферрата (II) калия.

б) В пробирку внесите на кончике шпателя сульфат железа (II), растворите в воде и по каплям прибавляйте раствор гексацианоферрата (III) калия.

в) В пробирку внесите 5-6 сульфата меди и по каплям прибавляйте раствор гексацианоферрата (II) калия.

г) В пробирку внесите 5-6 капель сульфата никеля и по каплям прибавляйте раствор гексацианоферрата (II) калия.

ВОПРОСЫ ДЛЯ САМОКОНТРОЛЯ

1. Какое выражение соответствует константе нестойкости комплексного иона в соединении Na₃[Co(NO₂)₆]?

1)	4)
2)	5)
3)

2. В каком соединении степень окисления комплексообразователя наименьшая?

3. Чему равно координационное число комплексообразователя в соединении [Co(NH₃)₂(H₂O)₄]Cl₃?

4. Указать формулу гексацианоферрат (II) калия.

5. Сравнив константы нестойкости, указать самый нестойкий ион.

1)	2)	3)
4)	5)

Лабораторная работа № 2

ЗАМЕРЗАНИЕ РАСТВОРОВ

Цель работы: определить температуру замерзания растворителя (воды), молярных растворов хлорида калия; вычислить степень диссоциации растворов хлорида калия и сравнить их между собой.

1. ТЕОРЕТИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ

Термодинамика процесса растворения.

Растворение веществ происходит с различными тепловыми эффектами.

Тепловой эффект сольватации- количество теплоты, которая выделяется при взаимодействии растворенного вещества с молекулами растворителя и образование связей между ними. Тепловой эффект, сопровождающий процесс растворения, относящийся к 1 молю растворенного вещества, называется молярной теплотой растворения ΔН_раств.

ΔН_раств. = ∆Н₁ + ∆Н₂

где ∆Н₁ - количество теплоты, затраченной на распределение частиц растворяемого вещества среди молекул растворителя; или для твердого вещества, энергия необходимая для разрушения кристаллической решетки и энергия необходимая для разрыва связей между молекулами растворителя (процесс эндотермический).

∆Н₂ - тепловой эффект сольватации (процесс экзотермический).

Сольватация - электростатическое взаимодействие между частицами (ионами, молекулами) растворенного вещества и растворителя. Сольватация в водных растворах называется гидратацией.

В зависимости от того преобладает первая или вторая составляющие, процесс растворения может быть экзотермический или эндотермический:

если ∆Н₂>∆Н₁, процесс экзотермический и ∆Н < 0;

если ∆Н₂ < ∆Н₁, процесс эндотермический и ∆Н > 0.

Так, например, тепловой эффект растворения:

_раств.(NH₄NO₃) = 26,5 кДж/моль, _раств.(Н₂SO₄) = −74,2 кДж/моль.

Коллигативные свойства растворов.

Свойства растворов, которые зависят только от концентрации частиц в растворе и не зависят от природы растворенного вещества, называются коллигативными.

1 закон Рауля: относительное понижение давления насыщенного пара растворителя над раствором равно мольной доле растворенного вещества.

p₀ - давление насыщенного пара над растворителем, Па
p - давление насыщенного пара над раствором, Па
n₀ - число моль растворителя
n - число моль растворенного вещества.

2 закон Рауля: понижение температуры замерзания и повышение температуры кипения раствора прямо пропорционально моляльной концентрации раствора (число моль растворенного вещества в 1 кг растворителя):

К_кр. – криоскопическая константа, К_эб. – эбулиоскопическая константа, выбираются для растворителя, кг·К/моль

m_{р. вещества} – масса растворенного вещества, г

М_{р. вещества} – молярная масса растворенного вещества, г/моль.

m_{растворителя} – масса растворителя, г.

Осмос. Осмотическое давление, закон Вант-Гоффа.

Осмос - односторонняя самопроизвольная диффузия молекул растворителя через полупроницаемую мембрану из раствора с низкой концентрацией в раствор с более высокой концентрацией.

Осмотическое давление р_осм. – внутреннее давление растворенного вещества, численно равное тому внешнему давлению, которое нужно приложить, чтобы прекратить явление осмоса:

С_М – молярная концентрация раствора, моль/л

R = 8,31 Дж/моль·К, универсальная газовая постоянная

Т- температура, К.

Данные законы справедливы для идеальных растворов или растворов неэлектролитов, в растворах электролитов следует учесть диссоциацию молекул на ионы, т.к. для них не выполняются законы Рауля и Вант-Гоффа.

Для учета этих отклонений Вант-Гофф внес в уравнения поправку для растворов электролитов:

i – изотонический коэфициэнт.

Изотонический коэффициэнт, как поправку вводят в уравнения свойств растворов. Изотонический коэффициент для растворов электролитов всегда больше единицы, причем с разбавлением раствора i возрастает до некоторого целочисленного значения.

Степень диссоциации – отношение числа молекул, распавшихся на ионы, к общему числу молекул:

α – степень диссоциации

N – число молекул, распавшихся на ионы, N₀ – общее число молекул

n – число ионов, на сколько диссоциирует молекула. Например для реакции:

CaCl₂ → Ca²⁺ + 2Cl¯, n=3.

Примеры решения задач.

1. Вычислите понижение температуры замерзания раствора, если в 200 г бензола растворили 15 г гексана (C₆H₁₄), криоскопическая постоянная бензола - К_кр =5,07 К·кг/моль.

Дано: mрастворителя=200г (C6H6) mр. в-ва=15г (C6H14) Mр. в-ва =86г/моль (C6H14) Ккр =5,07 К·кг/моль(C6H6) Δt - ?

Решение:

Аналогично решаются задачи на вычисление повышения температуры кипения и вычисления молярной массы растворенного вещества.

2. Вычислите осмотическое давление раствора при температуре 20ºC, если в 1 литре раствора содержится 50 г глюкозы (C₆H₁₂О₆).

Дано: Vраствора=1л = 1·10-3 м3 mр. в-ва=50г (C6H12О6) Mр. в-ва =180г/моль (C6H12О6) t = 20ºC; 293 К R = 8,31 Дж/моль·К росм. -?

Решение: ;

3. При растворении в 600 г воды 20 г хлорида кальция экспериментальное значение понижения температуры замерзания раствора составило 1,3^оC, криоскопическая постоянная воды – К_кр =1,86 К·кг/моль. Вычислить степень диссоциации хлорида кальция.

Дано: mрастворителя=600г mр. в-ва=20г (CaCl2) Mр. в-ва =112г/моль (CaCl2) Ккр =1,86К·кг/моль(H2O) Δtзам. (экспер.)=1,3ºC α - ?	Решение: Найдем теоретическое значение температуры замерзания раствора:
Изотонический коэффициент равен: ; n =3 (число ионов, образующихся при диссоциации молекулы хлорида кальция). Степень диссоциации равна:

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ

Задание выполняется на установке, которая представлена на рисунке 1.

В кристаллизаторе 1 приготовьте охлаждающую смесь, состоящую из снега и поваренной соли: 3-5 чайных ложек соли на 5-8 ложек снега.

В стакан 3 налейте 5 -6 мл дистиллированной воды и поместите его в охлаждающую смесь.

Помешивая воду термометром (осторожно, чтобы не разбить термометр), определите температуру замерзания воды. Температурой замерзания считать ту, которую покажет термометр после появления первого кристаллика льда в замораживаемой жидкости.

Аналогично определите температуру замерзания 1 и 2 раствора выданной преподавателем соли. Результаты запишите в таблицу 1.

Рис. 1. Схема установки для определения температуры замерзания:

1 - термометр; 2 - стакан с водой или раствором; 3 - охлаждающая смесь.

Таблица 1

Рассчитайте изотонический коэффициент i. используя формулу

Δt_зам = i∙K∙C_m ,

Δt_зам = t_{зам( р-ля)} - t_{зам( р-ра)}

K- криоскопическая константа растворителя, К(H₂O)=1,86

C_m- моляльность раствора

По полученным данным рассчитайте степень диссоциации раствора KCl в воде по формуле: α =

n – число ионов, на которые распадается данная молекула.

Постройте график зависимости температуры замерзания раствора от концентрации растворенной соли.

Сделайте выводы:

1. Сравните температуру замерзания растворителя и растворов, сравните температуру замерзания двух растворов разной концентрации;

2. Сравните степени диссоциации двух растворов разной концентрации.

ВОПРОСЫ ДЛЯ САМОКОНТРОЛЯ

1. Вычислить понижение температуры замерзания раствора, если в 550 г бензола растворили 60 г гексана (C₆H₁₄), криоскопическая постоянная бензола - К_кр =5,07 К·кг/моль.

2. Вычислить повышение температуры кипения раствора, если в 320 г воды растворить 15 г этанола (C₂H₅OН), эбулиоскопическая постоянная воды –К_эб= 0,52 К·кг/моль.

3. Вычислить молярную массу этанола, если при растворении в 550 г воды 65 г этанола понижение температуры замерзания раствора составило 4,78ºC, криоскопическая постоянная воды - К_кр=1,86 К·кг/моль.

4. Вычислить осмотическое давление раствора при температуре 26ºC, если в 1 литре раствора содержится 140 г глюкозы.

5. При растворении в 850 г воды 25 г сульфата марганца экспериментальное значение повышения температуры кипения раствора составило 0,18ºC, эбулиоскопическая постоянная воды – К_эб =0,52 К·кг/моль. Вычислить степень диссоциации сульфата марганца.

Лабораторная работа № 3