Физикалық ЖӘне коллоидтық химия

Оқытушы ұсынған ерітінділердің рН-ын анықтау

жүктеу 2,11 Mb.

бет	10/12
Дата	24.02.2018
өлшемі	2,11 Mb.
	#10617

1 ... 4 5 6 7 8 9 10 11 12

Зертханалық жұмыс № 9
Зертханалық жұмыс № 10

Оқытушы ұсынған ерітінділердің рН-ын анықтау.

Жұмысқа қажет ыдысты зерттелетін ерітіндімен толтырып, 3-4 рет элементтің ЭҚК мен ерітіндінің рН-ын өлшейді.

Өлшеулер нәтижелерін өңдеп, ерітінділердің рН-ын анықтаудың потенциометрлік әдісі туралы қорытынды жазып, әдістің артықшылықтарын жазу керек.
«рН-ТЫ АНЫҚТАУДЫҢ ПОТЕНЦИОМЕТРЛІК ӘДІСІ» ТАҚЫРЫБЫНА

БАҚЫЛАУ СҰРАҚТАРЫ

Электродтық потенциалдың туындау механизмі?
Электродтық потенциал мәні қандай факторларға тәуелді?
Бірінші текті электрод дегеніміз не? Соған сәйкес Нернст теңдеуін жазыңдар.
Стандартты сутектік электрод дегеніміз не?
Кернеу қатары қандай принцип бойынша құрылған? Осы қатардағы металдардың орналасуы негізінде қандай қорытынды жасауға болады?
Екінші текті электрод дегеніміз не? Соған сәйкес Нернст теңдеуін жазыңдар.
Тотығу-тотықсыздану электроды үшін нернст теңдеуін жазыңдар. Заттардың қандай қасиеттері стандартты тотығу-тотықсыздану потенциал мәндерін сипаттайды?
Гальваникалық элемент жұмысының принципі?
Гальваникалық элементтердің ЭҚК-ін қалай есептейді?

Зертханалық жұмыс № 9
ЕРІТІНДІЛЕРДІҢ ЭЛЕКТР ӨТКІЗГІШТІГІ
Электролит ерітінділерінде электр тоғының жүруі (екінші реттік өткізгіштер) иондар арқылы жүреді. Бірінші реттік (металдар) өткізгіштер сияқты электролит ерітінділері (қарама-қарсылығы) мына формула бойынша есептеледі:

[Ом] (1)
мұндағы: R – ертіндінің кедергі (Ом);

ρ – меншікті кедергі (Ом*м);

l – 1м болғанда S=1м².

Меншікті кедергіге қарама-қарсы шама меншікті электр өткізгіштік деп аталады.

χ = l/ ρ [Ом^-1*м^-1] немесе [сим/м]

немесе χ = [Ом^-1*м^-1] немесе [сим/м]. (2)

Электролит ерітінділерінің электр өткізгіштігі еритін заттың табиғатына, концентрацияға және температураға тәуелді болады. Ерітіндінің концентрациясы өскен сайын меншікті электрөткізгіштік алдымен көтеріледі, яғни ерітіндідегі ион саны да өседі. Әрі қарай концентрация артқанда электр өткізгіштік төмендей бастайды, себебі әлсіз электролиттік диссоциациялану дәрежесі азаяды, ал күшті электролитте ион аралық күштің әсері ұлғаяды. Электр өрісіндегі потенциалдың бір В/метрге төмендегендегі иондар қозғалысынң жылдамдығы иондар қозғалысының абсолюттік жылдамдығы деп аталады да V белгіленеді. Иондардың абсолюттік жылдамдығы концентрацияға, температураға, ерітіндінің тұтқырлығына тәуелді болады және сұйытылған ерітіндіде максимал шамаға жетеді. Иондардың абсолюттік жылдамдығының Фарадей санына тәуелділігі иондар қозғалғыштығы деп аталады.

l_k=V_k∙F; l_a=V_a∙F (3)

мұндағы: Ғ – Фарадей саны.

l_k және l_a – аниондар мен катиондар қозғалғыштығы.

Кей жағдайда меншікті электр өткізгіштік өлшемінің орнына мольдік электр өткізгіштікті пайдаланған тиімдірек. Мольдік электр өткізгіштік аралығындағы электролиттің көлемі 1 моль еріген затқа тең келетін бірдей электролиттердің аралығында орналасқан 1 мольге тең ерітіндінің электр өткізгіштік қабатына тең. Мольдік электрөткізгіштік лямбда әрпімен белгіленеді, меншікті электр өткішгіштік мына формуламен өрнектеледі:
λν = χ/c (Ом^-1м²/моль немесе сим м²/моль) (4)
мұндағы: λν – берілген концентрациядағы мольдік электрөткізгіштік;

с – ерітіндінің нормальдығы.

Мольдік электрөткізгіштік ерітіндінің сұйытылу шамасына қарай өседі. Ерітіндінің мольдік электрөткізгіштігінің максимал шамасы шексіз сұйытылған электр өткізгіштік деп аталады. λ_∞ деп белгіленеді. Шексіз сұйытылған мольдік электр өткізгіштік Ф.Кольрауштың анықтауы бойынша аниондар жиынтығына тең:

λ_∞=l_k+l_a(5)

Кольрауш заңының иондар қозғалысының тәуелсіздігінің математикалық өрнегі. Берілген концентрациядағы мольдік электр өткізгіштік электролиттің диссоциациялану дәрежесіне және шексіз ерігендегі мольдік электр өткізгіштікке тура пропорционал, осыдан:
a = λν /λ_∞ (6)

Бұл өрнек әлсіз электролиттер үшін тиімді. Күшті электролиттер үшін ерітіндінің мольдік электр өткізгіштігінің шексіз ерігендегі мольдік өткізгіштік қатынасы электр өткізгіштік коэффициенті деп аталады:

f = λν /λ_∞(7)
Ерітіндінің меншікті электр өткізгіштігін өлшеу үшін ерітіндінің жалпы кедергісін білу шарт. Кедергіш айнымалы токпен қоректенетін мост арқылы өлшенеді.
Жұмысты орындау реті
Тәжірибе №1. Ыдыс тұрақтылығын тексеру.

Ерітінділердің электр өткізгіштігі әртүрлі пішіндегі ыдыстарда өлшенеді. Ерітінділер кедергісін берілген ыдыста өлшей отырып, меншікті электр өткізгіштікті мына формула бойынша анықтайды:

χ = (8)
L/S қатынасы әр ыдыс үшін тұрақты шама болады, яғни ыдыс тұрақтылығы деп аталады (К_с). К-ны анықтау үшін ыдысты 0,02М КСl ерітіндісімен толтырып, кедергіш өлшейді. Ерітіндінің кедергісін З-38 типті реохордты көпірмен өлшейді. Ыдыс тұрақтылығы мына формула бойынша есептеледі:

К_с = R_KCl∙X_KCl(9)

Тәжірибе кезіндегі температурадағы (t°) меншікті электр өткізгіштікті №1 кесте бойынша табады. Тәжірибеден соң ыдысты дистельденген сумен ұқыпты жуып, №2 тәжірибеде қолданады.

Кесте 1 – Әртүрлі температурадағы 0,02 М KCl ерітіндісінің электрөткізгіштігі

Т, К

χ, сим/м

Т, К

χ, сим/м

Т, К

χ, сим/м

287

288

289

290

291

292

0,219

0,224

0,229

0,234

0,240

0,245

293

294

295

296

297

298

0,250

0,255

0,261

0,266

0,271

0,276

299

300

301

302

303

304

0,282

0,287

0,293

0,298

0,304

0,309

Тәжірибе №2. Электр өткізгіштік әдісі бойынша электролиттік диссоциацияның константасы мен дәрежесін анықтау.

Ыдыс тұрақтылығын анықтаған соң мұғалімнен зерттейтін ерітіндіні алып, оның кедергісін R_x анықтайды.

Меншікті электр өткізгіштікті есептейді, содан кейін мольдік электр өткізгіштікті мына формула бойынша анықтайды:
λ=K_c/R_x; λν=χ/C (10)
2-кестеден зерттейтін ерітіндідегі аниондар мен катиондар қозғалғыштығы мәнін табады, тәжірибе кезіндегі температура бойынша және шексіз ерігендегі электр өткізгіштікті Кольрауш заңы бойынша есептейді:
λ_∞= l_k+l_a(11)
Диссоциациялану дәрежесін мына формуламен анықтайды:
a = λν/ λ_∞(12)

Кесте 2 – Екі әртүрлі температурадағы сулы ерітіндідегі иондар қозғалғыштығы, сим м/моль.

Катион

291 К

298 К

Анион

291К

298 К

H⁺

K⁺

Na⁺

NH₄⁺

Ca²⁺

Cu²⁺

Mg²⁺

Zn²⁺

Mn²⁺

Ba²⁺

31,50

6,39

4,28

6,39

5,07

4,53

4,49

4,50

4,45

5,46

34,98

7,35

5,01

7,35

5,95

5,66

5,30

5,66

5,35

6,36

OH^-

Cl^-

Br^-

J^-

CH₃COO^-

NO₃^-

H₂PO₄^-

HPO₄^-

SO₄^2-

CO₃^2-

17,10

6,60

6,80

6,65

3,50

6,23

3,60

5,70

6,84

605

19,83

7,63

7,81

7,88

4,09

7,15

8,00

6,93

Күшті электролиттер үшін диссоциация дәрежесін анықтаумен аяқталады, ал әлсіз электролиттер үшін Oствальттың сұйылту заңы бойынша диссоциациялану константасын табады.
K_q _{тәжірибе}= (13)

мұндағы: С- ерітіндінің молярлығы.

Тәжірибенің салыстырмалы қатесін табады:
% _қате = ∙100 (14)
K_q шамасы диссоциация константасын (теориясын) 3-кестеден алады.

Кесте 3 – Кейбір электролиттің диссоциация константасы 298K.

Электролит

Сатылы диссоциация

К₁

К₂

К₃

NH₃*H₂O

CH₃COOH

H₂CO₃

H₃PO₄

H₂S

H₂SO₄

1,77*10^-4

1,77*10^-5

4,45*10^-7

7,52*10^-3

6,00*10^-8

1*10³

4,69*10^-11

6,31*10^-8

1,00*10^-14

1,20*10^-2

1,26*10^-2

«ЭЛЕКТРӨТКІЗГІШТІК» ТАҚЫРЫБЫНА ТИПТІК ЕСЕПТЕР ШЫҒАРУ

1-мысал. Электр өткізгіштікті анықтауға арналған ыдыс меншікті электр өткізгіштігі 0,25 сим/м (18ºС) және кедергісі 490 Oм-ға тең 0,02 кн KCl ерітіндісімен толтырылған 0,1 кн ертіндідегі NaOH-тың диссоциациялану дәрежесін есептеп шығару, егер осы ыдысқа құйылған ертіндінің кедергісі 90 Oм-ға тең болса.

Шешуі:

Сыйымдылық константасын табамыз:
K_c=
Ыдыстың сыйымдылық константасын (біле отырып) және NaOH ертіндісінің кедергісін біле отырып, меншікті электр өткізгіштікті есептейміз:

Меншікті электрөткізгіштік өлшемі бойынша ертіндінің эквиваленттік электрөткізгіштігін табамыз:

Заттардың диссоциациялану дәредесі мына формуламен анықталады:
a = λ_ν/λ_∞, мұндағы λ_∞= l_k+l_a
K+ және ОН^- иондарының қозғалғыштық мәні:
λ₊ = 4,28 сим^.м²/кг-экв; λ₋ = 17,1 сим^.м²/кг-экв.
Сонда: λ_∞ = 4,28 + 17,1 = 21,38 сим^.м²/кг-экв.
а =
2-мысал. Егер калий ионының қозғалғыштығы 7,35 тең ал сульфат ион қозғалғыштығы 8,0 сим^.м²/кг-экв болса, 25ºС температурада сұйытылған калий сульфаты ертіндісінің калий ионының ауысу санын анықтау.

Шешуі:

Шексіз сұйытылған ертіндідегі ауысу саны иондар қозғалысы арқылы анықталады:

n =

Есептің берілгенін осы формуладан қайтып табамыз:
n =
«ЭЛЕКТРӨТКІЗГІШТІК» ТАҚЫРЫБЫНА БАҚЫЛАУ СҰРАҚТАРЫ:
1. Меншікті және эквиваленттік электр өткізгіштік деген не?

2. Кольрауш заңына түсінік беріңдер.

3. Электрөткізгіштік әдісі бойынша электролиттің, диссоциациялану дәрежесі мен константасын қалай анықтайды? Аррениус және Оствальд формулалары.

4. Электрөткізгіштікті өлшеу үшін қандай электр схемасын пайдалануға болады?

5. Иондардың абсолюттік қозғалыс жылдамдығы және ауысу саны деген не? Кондуктометриялық титрлеудің маңызы қандай?

6. Агрономия, агрохимия, топырақтану саласында электрөткізгіштік әдісін қолдану.

Зертханалық жұмыс № 10
СУТЕКТІК КӨРСЕТКІШ. БУФЕР ЕРІТІНДІЛЕРІ.
Суда ерігенде күшті электролиттер иондарға толық, әлсіз электролиттер толық емес ажыратады. Әлсіз электролиттерде электролиттік диссоциациялану константасы диссоциациялану дәрежесі мен ертінді концентрациясына төмендегі қатынас арқылы байланысты.

(1)

Бұл Оствальдтың заңының математикалық өрнегі. Су әлсіз электролит және аздан диссоциацияланады, төмендегі формула бойынша:

2H₂O = H₃O⁺ + OH^-
Өрнекті ықшамдау үшін гидроксоний ионының Н₃О⁺ орнына жай ғана Н⁺ ионын жазады:

2H₂O = H⁺ + OH^-

Сутектік және гидроксил иондардың концентрациясының өнімін су өнімі деп атайды. T = 25°C үшін:

(2)
Су және бейтарап сұйытылған сулы ертінділер үшін мына теңдеу дұрыс:
-ион/м (3)
Күшті электролиттерде (С) концентрациясын активтілікпен (а) ауыстырады, иондар арасындағы байланысты көрсететін активтілік коэффициентін бірлік ретінде аламыз, сонда судың өнімі былай жазылады:
мұнда - сутегі ионының активтілігі - гидроксил – ион активтілігі орта бейтарап реакция болғанда ертіндідегі.

Ертіндінің қышқылдығы мен сілтілігі теріс таңбамен алынған Н⁺ немесе ОН^- иондарының активтілігінің ондық логарифмімен өрнектейді, бұл рН сутектік көрсеткіш немесе рОН гидроксил көрсеткіш деп аталады.

pH=-lg , pOH=-lg (4)
Бұл көрсеткіштер калориметрлік немесе потенциометриялық әдістер арқылы анықталады. Сумен сұйытылғанда немесе қышқыл не сілті қосқанда рН шамасын тұрақты сақтайтын ертінділерді буфер ертінділер дейді. Қышқыл буфер ертінділер әлсіз қышқылдардан және олардың күшті негіз құралған тұздарынан, сілтілік ертінділер – әлсіз негізбен және оның күшті қышқылдан жасалған тұздарынан түзіледі.

Қышқыл буфер қоспадағы сутек ионының концентрациясын мына теңдеу бойынша есептейді:

немесе (5)
мұндағы: К_Д– қышқылдардың диссоциациялану константасы, N_Kжәне V_K-қышқылдың нормальдығы және көлемі, N_тұз және V_тұз – тұздың нормальдығы мен көлемі,α – тұздың диссоциациялану дәрежесі.

Негіздік буфер үшін:

, немесе (6)
мұндағы, К_Д – негіздің диссоциялану константасы, N_негіз, V_негіз – негіздің нормальдығы мен көлемі, N_тұз және V_тұз- тұз ертіндісінің нормальдығы мен көлемі, α – тұздың диссоциациялану дәрежесі. Белгілі-бір қатынаста қышқыл мен оның күшті негізден түзілген тұзын немесе негіз бен оның күшті қышқылдан түзілген тұзын араластыра отырып берілген рН мөлшерлі буфер ертінді алуға болады.
Жұмысты орындау реті
Құрал-жабдықтар мен реактивтер:

1). ЛПУ-01 приборы.

2). Михаэлис приборы.

3). Индикатор қағаздар.

4). Бюретка, пипетка, стакан, палеткалар.

5). Ертінділер СН₃СООН, СН₃СООNa, NaOH

6). Шкалалы универсал индикатор ерітіндісі
Тәжірибе №1. Буфер ертінді дайындау.

a) СН₃СООН және СН₃СООNa ертінділерін мұғалімнен алынған қатынаста араластырып алынған буфер қоспасының рН мөлшерін мына формула бойынша анықтау:

;

Шыққан шаманы калориметрмен анықтап рН-пен салыстыру және ЛПУ-01 рН-метрмен анықтау (индикатор).

Тәжірибе №2. Буфер ертінділердің қасиеттерін зерттеу.

1а тәжірибеде дайындалған буфер қоспасын 3 фарфор палеткаларға (немесе чашкаларға) құю. Басқа 3 палеткаға дистилденген су құю. Барлық 6 палеткаға да 1-2 тамшыдан универсал индикатор (әмбебап индикатор) тамызу. Палеткаларды қос-қостан айыру (буфер қоспа және су) және 1-ші қосаққа 2-3 тамшы 0,1 кн НСl, 2-ші қосаққа 0,1 кн NaOH, 3-ші қосаққа – су құю. Барлық 6 ыдыстағы ертінділердің түстерін салыстырып, тиісінше қортынды жасаңдар.

Тәжірибе №3. Ертінділердің pH-ын калориметриялық әдіспен анықтау.

рН–ты бірге дейінгі дәлдікпен анықтау универсал индикатор қағазы арқылы жүреді. Индикатор қағазының бір тілімін зерттелуге тиіс сұйықтыққа батырады. Сұйықтан алып, оның боюуының түсін рН шкаласымен салыстырады. Универсал индикатор ерітіндісімен рН-ты 0,5-ке тең дәлдікпен анықтайды. Бұл үшін зерттелетін ертіндіні палеткаға немесе фарфор чашкаға құяды да оған бір тамшы универсал индикатор қосады. Ертіндінің түсін стандарт шкаламен салыстырады.

Нақты дәл (рН өлшемін 0,1-ге дейін) рН-ты Михаэлис құралы арқылы анықтауға болады. Әмбебап индикаторы арқылы рН-ты анықтап, сәйкес келетін бір түсті индикаторды тауып, алдын ала анықталған ертіндінің рН-ы индикатор рН-ның аралығына сәйкес келетіндей болу керек, осы индикатор сол аралықта түсін өзгертеді. Мысалы егер ерт інді рН-ы=7 болса, онда салыстыру үшін рН=8,4-6,8 болатын Nitrophenol-meta индикаторы алынады. Прибордың компараторына зерттелетін ертінді құйылған пробирка қойылып, осы ертіндінің түсімен түстес келетін эталон индикатор ертіндісі таңдап алынады. Егер бояу алынған екі эталон ертіндінің аралығында жаттса, онда рН шамасын осы шамалардың арифметикалық ортасымен алады.
Тәжірибе №4. Буфер сыйымдылығын анықтау.

1 а) тәжірибесі бойынша дайындалған буферді ацетат қоспадан 40 мл алып, стаканға құяды, және оның ЛПУ-01 рН-метр көмегімен рН-ын анықтайды. Ертіндіні үздіксіз араластыра отырып, азғантай мөлшерімен титрленген сілті ертіндісін рН қоспа бірге дейін өзгергенше қоса береді.

Қоспалық буфер сыйымдылығын мына теңдеу бойынша есептейді:

В = (7)

«СУТЕКТІК КӨРСЕТКІШ. БУФЕР ЕРІТІНДІ» ТАҚЫРЫБЫНА ТИПТІК ЕСЕПТЕР ШЫҒАРУ.
1-мысал. 0,05 кн NaOH ертіндісінің рН-ын есептеу. Электролиттік диссоциация дәрежесі есебіндей шаманы бірге теңдеп алу керек.

Шешуі: Ертіндідегі диссоциация дәрежесі бірге тең деп алынғандағы гидроксил-ионның активтілігі заттың концентрациясына сәйкес келеді.

кг-экв/м

Кез-келген сулы ертіндідегі сутегі мен гидроксил–ионының активтілік көрсеткіші (судың иондық көрсеткіші) тұрақты шама және 25ºС температурада 1∙10^-14.

Гидроксил-ионының активтілігін білген соң сутек ионының активтілігін есептейміз:

10^-14/5∙10^-2=2∙10^-13 кг-ион/м³
Сонда рН=-lg, яғни біздің ерітінді үшін: рН=-lg2∙10^-13=-(0,3010-13)=12,6990.

Жүзге дейінгі дәлдікпен дөңгелеткенде рН=12,70 екенін табамыз.

2-мысал. Егер 0,1 м³ таза суға 0,02 кг H₂SO₄ қосса, таза судың рН-ы қалай өзгереді. Заттың диссоциация дәрежесі 90 % деп алынсын.

Шешуі: Күкірт қышқылының киломолярлық концентрациясын табамыз: 1м³ ертіндіде 0,2 кг H₂SO₄ болады, бұдан киломолярлық концентрация 0,2:98=2,04∙10^-13 кмоль/м³ тең. Күкірт қышқылы екі негізді және диссоциациялану дәрежесі 90%, сондықтан ертіндіден сутек ионының активтілігі:

кг-ион/м³ тең.
рН=-lg тең екенін біле отырып, берілген ерітінді үшін рН-ты табамыз:
pH=-lg3,67∙10^-3=-(lg3,67+lg10^-3)=-(0,5647-3)=2,4353
0,01 дәлдікке дейін дөңгелектеп есептейміз: рН=2,44.

Сутек ионының судағы концентрациясы 10^-7 кг-ион/м³ тең. Осыдан, судың рН=7. Қышқылдың берілген шамасын қосқанда, рН 4,56 бірлікке дейін кемиді.

3-мысал. рН=8,62 тең ертіндідегі гидроксил ионының активтілігін есептеу. Бұл – lg=-8,62 деген. Онда сутек ионының активтілігі =10^-8,62, дәреже көрсеткішінің характеристикасы теріс шама (-) болатындай, ал мантиссасы оң (+) болатындай қылып алу қажет. Яғни 8,62=9,38. Кесте бойынша тиісті антилогарифмді табамыз =2,40∙10^-9. Судың иондық өнімінен гидроксил ион активтілігін есептейміз. =1∙10^-14/2,40∙10^-9=4,1∙10^-6 кг-ион/м³
4-мысал. 0,01 кн сірке қышқылының (СН₃СООН) рН есептеу, 20ºС температурадағы диссоциациялану константасы 1,75∙10^-5 тең.

Шешуі: Сутек ионының активтілігі электролиттің активтілігіне байланысты, оны диссоциациялану константасынан есептеп шығаруға болады:

(α<<1) мәнді әлсіз электролит үшін диссоциациялану дәрежесі квадрат түбірге тең:

5-мысал. 2∙10^-6м³ 0,03 кн сірке қышқылы мен 4∙10^-6м³ 0,06 кн натрий ацетатынан жасалған буфер қоспасының рН-ын есептеу. Бұл ертіндідегі диссоциациялану дәрежесі 2,42∙10^-7 тең.

Шығарылуы: Диссоциациялану дәрежесін біле отырып, сірке қышқылының диссоциациялану константасын иһмына формула бойынша табамыз:

α шамасы өте аз болғандықтан, түбірдің астындағы өрнекті қысқартуға болады. Сонда: Кд = α²∙c = (2,42∙10^-2)²∙ 0,03 = 1,75∙10^-5

Қышқыл буфер қоспа үшін сутек ионының активтілігі формуламен анықталады:

Тұздың диссоциациялану дәрежесі (α) 1-ге тең. Осы формулаға берілген сандарды қоя отырып, табамыз:
«СУТЕКТІК КӨРСЕТКІШ. БУФЕР ЕРІТІНДІЛЕР» ТАҚЫРЫБЫНА СҰРАҚТАРЫ:

1. Әлсіз элктролиттердің диссоциациясына анықтама беру. Диссоциациялану константасы мен дәрежесі.

2. Судың иондық құрылысының мәне неде? рН түсінігі.

3. Буфер ертінді дегеніміз не? Буфер қоспасын дайындайтын заттарды ата.

4. Күшті қышқылдың немесе сілтінің азғантай мөлшерін немесе су қосқанда буфер ертінділердің рН-ы неге өзгермейді?

5. Буфер ертінділердің рН-ын қалай есептейді?

6. Буфер сыйымдылығы деген не?

7. Индикатор теориясы. Ертінділердің рН-ын калориметрмен анықтау.

жүктеу 2,11 Mb.

Достарыңызбен бөлісу:

1 ... 4 5 6 7 8 9 10 11 12