Криометрический метод в исследовании растворов

 Государственное  учреждение образования

«Гимназия №1 имени академика Е.Ф. Карского г. Гродно» 
 
 
 
 
 
 
 
Криометрический метод в исследовании растворов 
 
 
 
 
 

Руководитель:

Броисевич Т.Е., учитель химии

Автор:

Хох Александра Игоревна,

учащаяся 9 «У» класса

 

ОГЛАВЛЕНИЕ

 

ВВЕДЕНИЕ

Всем хорошо известно, что в зимний период времени оледеневшие дорожки посыпают солью, что заставляет таять лёд. На чём же основано такое свойство льда?

В быту мы нередко применяем  растворы некоторых неорганических солей и спиртов, называемые антифризы. Такие растворы используются для охлаждения цилиндров автомобильных, тракторных и авиационных двигателей при эксплуатации их в зимнее время. С чем связано не замерзание антифризов при температурах ниже 0 градусов по Цельсию, если вода при такой температуре превращается в лёд?

В повседневной жизни  мы постоянно встречаемся с растворами. Мама солит огурцы или растворяет порошок от кашля в большом количестве воды. А можно привести и ещё проще пример – мы завариваем каждый день чай и всыпаем по вкусу сахар. И, наверное, вы заметили, что вода, в которой растворена поваренная соль или сода, кипит дольше, чем обычная вода в чайнике. Почему?

А если поставить замерзать  такие растворы в холодильник, то они замерзать будут так же дольше, чем простая вода. И снова, почему? Чтобы найти ответы на все эти вопросы мы решили обратиться к литературе, из которой узнали о коллигативных свойствах растворов.

Четыре свойства разбавленных растворов нелетучего вещества в  летучем растворителе традиционно  объединяются под названием коллигативных  свойств:

1. Понижение давления пара растворителя.
2. Повышение температуры кипения растворителя.
3. Понижение температуры замерзания растворителя.
4. Явление осмотического давления.

Эти свойства называются коллигативными потому, что они зависят от количества имеющихся молекул или ионов растворенного вещества, а не от природы растворенных частиц^[3]. Мы решили изучить свойство понижения температуры замерзания и повышения температуры кипения растворов по сравнению с температурами замерзания и кипения чистого растворителя.

Заинтересовавшись этой темой, мы приступили к изучению такого метода исследования растворов как криометрия. В ходе нашей работы использовались вещества, применяемые в быту.

В лабораторной практике криометрический метод нашёл  значительно большее распространение  по сравнению с эбулиометрическим  методом, так как измерять точки замерзания растворов значительно проще и безопаснее, чем точки их кипения. С помощью криометрии можно узнать такие параметры раствора, как криоскопическая константа растворителя, молярная масса растворённого вещества, изотонический коэффициент Вант-Гоффа и степень диссоциации растворённого вещества.

Температурой замерзания жидкости является такая температура, при  которой давление насыщенного пара над кристаллами льда и над  жидкостью одинаковы. При внесении в жидкость какого-либо вещества условия для испарения ухудшаются. Например, сокращается площадь испарения, занятая неиспаряющимися частицами растворённого вещества, уменьшается мольная доля растворителя. Следовательно, давление пара над раствором понижается. По закону Рауля давление пара понижается пропорционально концентрации растворённого вещества. Из этого следует, что понижение температуры замерзания раствора неэлектролита будет прямопропорционально концентрации растворённого вещества.

где K – криоскопическая константа растворителя, а b – моляльность раствора.

Криоскопическая константа растворителя – величина, показывающая понижение  температуры замерзания раствора, содержащего 1 моль растворённого вещества на 1 кг растворителя.

Моляльность раствора – величина, показывающая содержание количества молей растворённого вещества на 1 кг растворителя.

Моляльность рассчитывается по формуле:

Тогда, объединив две формулы, можно  рассчитать молекулярную массу растворённого  вещества:

Однако не во всех растворах можно  применить формулу для температуры  замерзания. Так в растворах электролитов ∆t_зам. будет больше, чем в растворах неэлектролитов, так как электролиты диссоциируют, что увеличивает количество частиц в растворе. Такое отклонение характеризуется коэффициентом Вант-Гоффа:

Зная величину i, можно рассчитать степень диссоциации электролитов:

где n – количество ионов, образующиеся при диссоциации одной молекулы. Для растворов идеальных сильных электролитов i→n, а α→1. В реальных же растворах и i<n, а α<1.

 

ЦЕЛИ, ЗАДАЧИ И ОБОРУДОВАНИЕ

Цель:

• Изучение криометрического метода определения молекулярной массы вещества, криоскопической константы растворителя, изотонического коэффициента и степени диссоциации растворённого вещества.

Задачи:

• Определить криоскопическую константу растворителя.
• Определить молекулярную массу растворённого вещества – неэлетролита.
• Определить изотонический коэффициент и степень диссоциации слабого и сильного электролитов.

Оборудование:

• криоскопы;
• лёд;
• химические стаканы;
• термометр;
• пипетки;
• весы.

Вещества

• охлаждающая смесь (аммиачная селитра);
• кальцинированная сода (электролит);
• поваренная соль (электролит);
• сахар (неэлектролит);
• борная кислота (неэлектролит);
• дистиллированная вода.

 

РАСЧЁТЫ

Определение криоскопической константы растворителя

H₂O

m_{растворённого вещества}=4 г

m_{растворителя}=20 г

Δt_зам.= 1,00 °C

Расчёт погрешности  прямых измерений:

Δt_зам.= 1,00±0,75 °C

ε=75,00%

Определение молекулярной массы неэлектролита

C₁₂H₂₂O₁₁

m_{растворённого вещества}=4 г

m_{растворителя}=20 г

Δt_зам.= 1,00 °C

Расчёт погрешности  прямых измерений:

Δt_зам.= 1,00±0,75 °C

ε=75,00%

Определение изотонического коэффициента и степени диссоциации  слабого и сильного электролитов

Сильные электролиты:

Na₂CO₃

m_{растворённого вещества}=1 г

m_{растворителя}=20 г

Δt_зам.= 1,50 °C

Расчёт погрешности  прямых измерений:

Δt_зам.= 1,50±0,75 °C

ε=50,00%

NaCl

m_{растворённого вещества}=1 г

m_{растворителя}=20 г

Δt_зам.= 2,77 °C

 

Расчёт погрешности  прямых измерений:

Δt_зам.= 2,77 ±0,91 °C

ε=32,85%

Слабые электролиты:

H₃BO₃

m_{растворённого вещества}=0,25 г

m_{растворителя}=20 г

Δt_зам.= 0,42 °C

Расчёт погрешности  прямых измерений:

Δt_зам.= 0,42 ±0,86 °C

 

РЕЗУЛЬТАТЫ

Вещество	tзам. раствора, °C			tзам. раствора средняя, °C	Δtзам., °C	M,	i	α
	1	2	3
кальцинированная сода	-1,50	-1,50	-1,50	-1,50	1,50	–	1,71	35,50%
поваренная соль	-2,55	-2,75	-3,00	-2,77	2,77	–	1,74	74,00%
сахар	-1,00	-1,00	-1,00	-1,00	1,00	372	–	–
борная кислота	-0,25	-0,50	-0,50	-0,42	0,42	–	1,12	12,00%

 

ВЫВОДЫ

1. Данный метод может быть использован для определения приблизительных значений таких параметров растворов, как молярная масса растворённого вещества, криоскопическая константа растворителя, изотонический коэффициент Вант-Гоффа и степень диссоциации растворённого вещества.
2. Криоскопическая константа воды, определённая нами экспериментально,  (1,71°C) незначительно отличается от справочного значения (1,86°C).
3. Молярная масса сахара, установленная нами, (372 ) так же отличается от действительного значения (342 ).
4. По результатам наших исследований поваренная соль и кальцинированная сода являются сильными электролитами, так как степень диссоциации этих веществ в растворе превышает 30%. Борная кислота является слабым электролитом, так как значение её степени диссоциации – 12%.
5. Все отклонения от справочных данных обусловлены использованием в школьной лаборатории приборов (термометра) с большой погрешностью.
6. Рекомендуем организацию данного эксперимента на факультативном занятии в 10-м классе по теме «Химия растворов».

 

ЛИТЕРАТУРА

1. Ф. Сабадвари, А. Робинсон История аналитической химии
2. Б. В. Ахметов, Ю. П. Новиченко, В. И. Чапурин «Физическая и коллоидная химия»
3. Т.В. Гомза Коллигативные свойства растворов: Методические указания для самостоятельной работы студентов первого курса всех специальностей и форм обучения
4. О. С. Зайцев Учебная книга по химии для учителей средних школ, студентов педагогических вузов и школьников 9–10 классов, решивших посвятить себя химии и естествознанию
5. Л. А. Исаченкова, Г. В. Пальчик, А. А. Сокольский Физика 9 класс