Пример протокола выполненной лабораторной работы

Лабораторная работа №1А.

Определение молекулярной массы растворенного вещества криоскопическим методом.

Допуск

Выполнение

Защита

Цель работы: Определить молекулярную массу растворенного вещества криоскопическим методом (по понижению температуры замерзания раствора).

Используемые методы: Криоскопия.

Краткое теоретическое введение

Метода анализа, основанный на измерении понижения температуры замерзания растворов, называется криоскопией.

Температура замерзания – это температура, при которой давление пара жидкого растворителя или раствора равно давлению пара растворителя в твердом состоянии (точки А и C на рис. 1). Вследствие понижения давления насыщенного пара над раствором, температура замерзания последнего (ТЗ/) ниже, чем температура замерзания чистого растворителя TЗ0.

Разность между температурами замерзания чистого растворителя и раствора (TЗ0 – ТЗ/) называется относительным понижением температуры замерзания раствора или депрессией раствора (DTЗ).

Рис. 1. Температурная зависимость давления насыщенного пара растворителя

АВ – над чистым жидким растворителем (кривая испарения);

CD – над раствором;

CA – над растворителем в твердом состоянии (кривая возгонки).

Для относительного понижения температуры замерзания раствора неэлектролита можно получить следующее уравнение

 (1)

где m – моляльная концентрация растворенного вещества;

K – криоскопическая константа растворителя или мольное понижение температуры замерзания.

Для растворов электролитов уравнение (1) несколько преобразуется:

(2)

где i – изотонический коэффициент.

(3)

где α – степень диссоциации электролита; v – число ионов, образующихся при диссоциации одной молекулы электролита.

Величину α, вычисленную для сильных электролитов по уравнению 3, иногда называют кажущейся степенью диссоциации.

Как следует из уравнений 1 и 2, при данном значении моляльной концентрации понижение температуры замерзания раствора будет тем больше, чем больше криоскопическая константа K. Соответственно, с увеличением значения K возрастает точность измерения ΔTЗ. Криоскопическая постоянная, как правило, значительно выше, эбуллиоскопической константы (E) того же растворителя, поэтому экспериментальное определение понижения температуры замерзания раствора производится с большей точностью, чем определение повышения температуры кипения. Это одна из основных причин более широкого применения криоскопии в сравнении с эбуллиоскопией.

 

Таблица 1.

Криоскопические (K) и эбуллиоскопические (E) постоянные  некоторых растворителей

Растворитель

TЗ0, 0C

K

E

Вода

Уксусная кислота

Бензол

Диоксан

0

16,0

5,7

11,2

1,86

3,9

5,1

4,6

0,52

3,1

2,57

 

Примечание: Значения температур замерзания растворителей относятся к стандартному давлению

Экспериментальная часть

Схема экспериментальной установки

Для криоскопических измерений применяют установку, предложенную Бекманом (рис. 2).

Рис. 2. Схема установки с детализацией. 1 – широкогорлая пробирка; 2 – пробка;

3 – термометр; 4 – резиновая прокладка; 5 – стеклянная муфта; 6 – криостат.

Криостат представляет собой толстостенный стакан, наполненный охлаждающей смесью. Стеклянная широкогорлая пробирка 1 предназначена для растворителя и раствора. Пробирку закрывают пробкой 2, в которую вставляют термометр 3 (в исходном варианте экспериментальной установки предполагается использование термометра Бекмана, но в нашей работе достаточным является применение химического термометра с точностью 0,010C). При помощи резиновой прокладки 4 пробирку помещают в воздушную стеклянную муфту 5, которую погружают в криостат 6.

Ход работы. Определение температуры замерзания

В пробирку помещают определенный объем растворителя. Этот объем должен быть таким, чтобы резервуар термометра был полностью погружен в жидкость и не касался стенок пробирки. Пробирку вставляют в воздушную муфту, а затем все собранное помещают в криостат, наполненный охлаждающей смесью, и дают растворителю охладиться. Для построения кривой охлаждения записывают показания термометра через равные промежутки времени. При работе с водными растворами в качестве охлаждающей смеси применяют мелкораздробленный лед с поваренной солью. При работе с бензолом – смесь льда с водой (в этом случае в криостат можно поместить мешалку). Температура охлаждающей смеси поддерживается постоянной посредством добавления льда или соли.

Для равномерности охлаждения жидкости охлаждающую смесь можно медленно перемешивать вставленной в криостат мешалкой. Перемешивание прекращают, когда значение температуры будет на 0,50C выше ожидаемой температуры кристаллизации. После этого особенно внимательно следят за изменением температуры растворителя, так как жидкость легко переохлаждается, о чем свидетельствуют показания термометра. Для чистого растворителя допустимо переохлаждение до 10C. Встряхивание пробирки с переохлажденной жидкостью вызывает кристаллизацию. При кристаллизации выделяется скрытая теплота, и температура кристаллизующейся жидкости начинает заметно повышаться. В это время необходимо особенно внимательно следить за показаниями термометра, отмечая максимальную температуру подъема (из переохлажденного состояния), которая и будет истинной температурой кристаллизации данной жидкости. После этого пробирку вынимают из стеклянной муфты и, подогревая ее в руке, растворяют образовавшиеся кристаллы.

На аналитических весах взвешивают заданное количество исследуемого вещества с точностью до 1∙10-4 г. Навеску исследуемого вещества помещают в пробирку с растворителем и перемешивают путем встряхивания. Далее пробирку вставляют в воздушную муфту и, записывая показания термометра через равные промежутки времени, получают кривую охлаждения раствора аналогично тому, как это делалось в случае растворителя.

По понижению температуры замерзания раствора могут быть определены следующие величины:

1. Молекулярная масса растворенного вещества (неэлектролита), если известна криоскопическая константа растворителя:

(4)

где  gB – масса растворенного вещества в г;

gA     – масса растворителя в г;

K – криоскопическая константа растворителя.

Этим методом можно определить молекулярную массу растворенного вещества только в том случае, если его молекулы не диссоциируют и не ассоциируют в растворе, а концентрация достаточно мала (т.е., раствор является разбавленным). Если эти условия не соблюдаются, по уравнению (4) определяется кажущаяся молекулярная масса. 

2. Моляльная концентрация растворенного неэлектролита:

(5)

3. Криоскопическая константа растворителя, если известна молекулярная масса растворенного неэлектролита:

(6)

4. Изотонический коэффициент Вант-Гоффа i и степень диссоциации α для слабых электролитов:

(7)

(8)

5. Осмотический коэффициент в растворе сильного электролита:

(9)

6. Коэффициент активности:

(11)

Если растворенное вещество – электролит, распадающийся на два иона, то нужно применять следующее уравнение:

(12)

По экспериментально найденному значению ΔTc рассчитывается одна из величин m, K, MB, i, α, γ (по указанию преподавателя).

Обработка результатов эксперимента

            Результаты эксперимента для наглядности представлены в табл. 2.

Таблица 2.

Исследуемое вещество (система)

Температура замерзания, K

Понижение температуры замерзания раствора ΔTЗ, K

растворитель: диоксан

282,7

 

0,3

раствор:

нафталин - диоксан

282,4

Масса навески растворенного вещества составляет gB = 0, 4970 г.

Масса растворителя может быть определена по известным значениям его объема и плотности:

где ρA=1,033 г/мл – справочное значение плотности диоксана;

VA = 50 мл – объем диоксана.

Понижение температуры замерзания раствора:

ΔTЗ = (TЗ0 – ТЗ/) = 282,7 – 282,4 = 0,3K.

Расчет молекулярной массы нафталина:

На рис. 3 представлены кривые охлаждения раствора и растворителя (таблицы исходных данных T – t не приводятся).

Рис. 3. Кривые охлаждения растворителя (диоксана) и раствора (нафталин-диоксан).

 

Оценка погрешности измерений

 

При криоскопическом методе определения молекулярной массы величина MB прямо или обратно пропорциональна величинам, входящим в формулу (уравнение 4). Поэтому определенная погрешность в каждой из них вызовет такую же (в %) погрешность в конечном значении. Наиболее неточным в данном случае является определение TЗ, вследствие использования простого химического термометра и малой разности двух отсчетов температуры. Отсчет по шкале термометра, разделенной на десятые доли градуса, производят с точностью до ±0,10C. При определении TЗ выполняют два измерения температуры, поэтому погрешность удваивается и составляет 0,20C.

Относительная погрешность в определении молекулярной массы по уравнению (4) равна:

(12)

где Δ(ΔT) – точность показаний термометра.

Подставляя в уравнение (12) свои значения (будем считать, что растворитель взвешен на технических весах с точностью до ± 0,05 г), получим:

MB=147,5 г/моль; ΔMB=147,5∙0.669=98,68 г/моль.

           

MB = (147, 5 ±  98,68) г/моль.

 

Брутто-формула нафталина C10H8, следовательно, его молекулярная масса, рассчитанная по атомным весам, составляет 12∙10 + 1∙8 = 128 г/моль. Таким образом, действительное значение молекулярной массы растворенного вещества находится в рамках экспериментально полученного доверительного интервала значений.

Вывод

В данной лабораторной работе с помощью криоскопического метода вычисляется молекулярная масса растворенного вещества (нафталина). Большую погрешность результата можно объяснить недостаточной точностью проведения эксперимента (вместо термометра Бекмана используется термометр с ценой деления 0,10C), а также отклонением характеристик применяемого диоксана от справочных данных. В частности, экспериментально получено TЗ0 = 282,7K; в то время как справочное значение температуры кристаллизации диоксана при давлении 760 мм рт. ст. составляет 284,8K (для температур плавления (кристаллизации) различие более чем на 2K является значительным и не может быть вызвано отличием атмосферного давления в день выполнения эксперимента (752 мм рт. ст.) от стандартного). Отклонение характеристик диоксана от справочных значений приводит к отклонению его криоскопической константы от значения, используемого в расчете (K=4,6).

Примечание: Все структурные единицы протокола должны быть сохранены.

Last modified: Monday, 11 November 2013, 12:42 PM