Работа 4. Определение изотонического коэффициента i электролита в водном растворе методом криоскопии.

СВОЙСТВА РАЗБАВЛЕННЫХ РАСТВОРОВ

Раствором называется термодинамическая система, состоящая не менее чем из двух компонентов, любая часть которой имеет одинаковый состав и химические свойства. Наиболее простым закономерностям подчиняются идеальные растворы.

Для того, чтобы законы, выведенные для идеальных растворов, можно было использовать для растворов электролитов, вводится поправочный коэффициент – изотонический коэффициент Вант – Гоффа (i), показывающий во сколько раз изменится фактическое число частиц в растворе вследствие диссоциации. Изотонический коэффициент определяется по уравнению

i =1+α (v -1) (2.1)

где α -степень диссоциации, v - фактическое число частиц, образующихся при диссоциации из одной молекулы электролита: для растворов электролитов i > 1, для растворов неэлектролитов i = 1.

Свойства идеального разбавленного раствора из нелетучего вещества в летучем растворителе при постоянной температуре определяется законом Рауля: понижение давления ∆ p пара растворителя над раствором нелетучего вещества по сравнению с давлением пара над чистым растворителем р⁰ определяется уравнением:

∆ p = р⁰х_bi (2.2)

где х_b – молярная доля растворенного вещества.

Для растворов по сравнению с чистым растворителем, характерно понижение температуры замерзания

∆ T_m=Km i (2.3)

и повышение температуры кипения

∆ T_b=Em i (2.4),

где К и Е - криоскопическая и эбулиоскопическая постоянные, соответственно, которые определяются только природой растворителя; m - моляльная концентрация, моль/кг. Для воды К=1, 86 град кг/моль; E=0, 52 град кг/моль.

Осмотическое давление разбавленных растворов пропорционально молярной концентрации растворенного вещества с, моль/л:

π = RTc i (2.5)

В идеальных растворах, все эти свойства определяются только концентрацией растворенных веществ, но не зависят от их природы. Определив из опыта одно из перечисленных свойств раствора, можно рассчитать концентрацию растворенного вещества (i с) и любое из других свойств. Например, экспериментальное определение величины ∆ T_m и ∆ T_b (криоскопия и эбулиоскопия) часто используются для нахождения изотонических коэффициентов растворов электролитов, осмотического давления растворов, молярных масс растворенных веществ.

Работа 4. Определение изотонического коэффициента i электролита в водном растворе методом криоскопии.

Цель работы: Определить температуру замерзания растворителя и температуру начала замерзания раствора, по величине ∆ T_m рассчитать изотонический коэффициент i, рассчитать осмотическое давление раствора.

Порядок выполнения работы:

1. Подготовить криометр (рис.2.1) к работе. Для этого промыть пробирку 1 и резервуар термометра 2 дистиллированной водой. Заполнить стакан 4 охлаждающей смесью из льда, NaCI и воды.

2. Измерить температуру замерзания воды. Для этого в пробирку 1 налить такой объем дистиллированной воды, чтобы ее уровень был на 0, 5-1 см выше резервуара термометра и поместить ее в криометр (сосуд 3). Наблюдать за понижением температуры воды, непрерывно перемешивая жидкость мешалкой 5. Начиная с температуры 2 - 3°С, отмечать показания термометра каждые 30 секунд и записывать их в таблицу 2.1. Обычно температура жидкости постепенно снижается до значения ниже температуры замерзания (переохлаждение), затем после начала кристаллизации ее температура быстро повышается до постоянного значения, которое и является температурой замерзания чистого растворителя Т₀. Записать температуру замерзания воды в таблицу 2.2. Вынуть пробирку из криометра, расплавить кристаллы, нагревая пробирку рукой, и повторить определение температуры замерзания воды.

3. Измерить температуру замерзания раствора. Приготовить раствор исследуемого вещества (концентрация вещества указывается преподавателем). Пробирку 1 и термометр промыть исследуемым раствором. Определить температуру начала замерзания раствора, как определяли температуру замерзания воды.

а) б)

Рис 2.1 а). Изменение температуры в процессе охлаждения 1-воды, 2- раствора; б) Криометр.

Важно помнить, что температура кристаллизации раствора будет постепенно понижаться по мере выпадения кристаллов растворителя и повышения концентрации раствора (рис.2а). Температура кристаллизации растворителя из раствора исходной концентрации соответствует наивысшей температуре после переохлаждения (T ₁). Измерения повторить 2-3 раза.

4. По данным таблицы 2.1 построить кривые охлаждения воды и раствора.

5. По экспериментально найденному значению ∆ T_m = T₀ - T₁, рассчитать величину изотонического коэффициента i =∆ T_m / Кс, и сравнить найденное значение с максимально возможным для раствора данного вещества.

6. По формуле (2.6), полученной из формул (2.3) и (2.5), рассчитать осмотическое давление исследуемого раствора:

π ₂₇₃=RT∆ T_m (2.6)

7. Установить изотоничность раствора исследуемого вещества крови. Для этого по формуле (2.7) рассчитать осмотическое давление раствора при 310 К:

π ₃₁₀=310π ₂₇₃/273 (2.7)

Полученное значение сравнить с осмотическим давлением крови (783 кПа).

Таблица 2.1

Зависимость температуры раствора(t₁) от времени охлаждения.

Растворитель	Раствор
время, мин.	t0, °C	время, мин.	t1, °C
0, 5
1, 0
….

Таблица 2.2

Растворитель................. К………

Растворенное вещество…………………..

Масса растворителя........... Масса вещества………………

Контрольные вопросы

Перед выполнением работы:

1. Сформулируйте цель работы.

2. Какова последовательность выполнения эксперимента?

3. Как будет изменяться температура растворителя в процессе его охлаждения? Какое показание термометра принимают за температуру замерзания растворителя?

4. Как будет изменяться температура раствора в процессе его охлаждения? Какое показание термометра принимают за температуру замерзания раствора?

К защите работы:

1. Как зависит температура замерзания раствора от концентрации растворенного вещества. Запишите формулу для расчета ∆ T_m.

2. Каков физический смысл криоскопической постоянной?

3. Какое давление называют осмотическим?

4. Как оценить осмотическое давление раствора по температуре его замерзания?

5. Зависит ли осмотическое давление раствора от природы растворенного вещества?

6. В каких случаях величина осмотической концентрации совпадает с аналитической?

7. Каково максимальное значение изотонического коэффициента КСl, Na₂SO₄?

8. Будет ли одинаковым понижение температуры замерзания растворов сахарозы и NaСl одной и той же моляльной концентрации?

9. Будет ли изотоничен 0, 85% раствору NaCl раствор А: глюкоза 1%; СаCl₂ 0, 85%; мочевина 1, 2%; КСl 4%?

10. Имеются растворы Ва(NО₃)₂ и А1₂(SО₄)₃ с одинаковой моляльной концентрацией. Какой из растворов обладает большим осмотическим давлением (кажущуюся степень ионизации солей считать одинаковой)?