Лабораторная работа по теме «Строение вещества» для СПбГУПТД

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА 1. РЕФРАКЦИЯ

Цель работы: определение рефракции соли и вычисление состава раствора.

Задание:

1. Изучить устройство рефрактометра.

2. Определить удельную и молярную рефракции соли.

3. Найти концентрацию раствора.

Порядок проведения работы

Для определения удельной рефракции необходимо найти плотности и показатели преломления всех анализируемых растворов.

Плотность растворов определяют с помощью пикнометра (рис.1). Сухой и чистый пикнометр взвешивают на аналитических весах с точностью до четвертого знака после запятой. Затем пикнометр наполняют дистиллированной водой или исследуемым раствором. Для заполнения пикнометра жидкостью используют воронку с длинной и узкой шейкой. Жидкость наливают точно до метки, избыток убирают фильтровальной бумагой.

Определив массы пустого пикнометра m и с водой m₀ и взяв из табличных данных плотность воды при температуре опыта r_0, рассчитывают объем пикнометра V:

.

Зная массу исследуемого раствора и объем пикнометра, рассчитывают плотность растворов по формуле

где r₁ – плотность анализируемого раствора; m₁ – масса пикнометра с анализируемым раствором.

Показатель преломления определяют по рефрактометру.

Принцип действия рефрактометра

Непосредственное измерение показателя преломления жидких и твердых тел производится на рефрактометре. Прибор используется для быстрого установления концентраций водных, спиртовых, эфирных и других растворов по показателю преломления.

Принцип действия прибора основан на явлении полного внутреннего отражения при прохождении светом границы раздела двух сред с различными показателями преломления.

На приборе исследуются вещества, показатель преломления которых меньше показателя преломления измерительной призмы. Все измерения на приборе проводятся в белом свете. Определение показателя преломления прозрачных жидкостей производится в проходящем свете. Несколько капель исследуемой жидкости помещают между двумя гипотенузными гранями призм 1 и 2 (рис.2). Призма 1 с хорошо отполированной плоской гранью АВ является измерительной, а призма 2 с матовой гранью А₁В₁ ‑ осветительной.

От источника света лучи падают на грань С₁В₁, преломляются и попадают на матовую поверхность А₁В₁. Вследствие рассеивания света матовой поверхностью в исследуемую жидкость входят лучи различных направлений. Далее они проходят слой исследуемой жидкости и падают на поверхность АВ призмы 1. Так как показатель преломления исследуемой жидкости меньше показателя преломления измерительной призмы 1, то лучи всех направлений, преломившись на границе жидкости и стекла, войдут в призму 1.

Отсчет величины показателя преломления производится непосредственно по шкале прибора совмещением границы раздела с перекрестием зрительной трубы. Для совмещения границы раздела с перекрестием призмы могут поворачиваться вокруг оси, перпендикулярной плоскости рисунка.

Порядок работы с прибором

Для определения показателя преломления раствора произведите следующие операции:

1. Включите прибор 1 в сеть.

2. Включите выключателем лам-пу 2 и установите ее так, чтобы она светила точно в окошко 3 осветительной призмы блока призм 4.

3. Перед работой промойте блок призм прибора 4 дистиллированной водой.

4. Откройте блок призм 4 и аккуратно протрите поверхности осветительной и измерительной призм фильтровальной бумагой.

5. Нанесите на поверхность измерительной призмы 2 ‑ 3 капли исследуемого раствора с помощью стеклянной палочки, или пипетки.

6. Закройте блок призм 4.

7. Посмотрите в окуляр 5 и настройте его с помощью кольца на окуляре (как бинокль) так, чтобы четко видеть цифры на шкалах.

8. Продолжая смотреть в окуляр двигайте измерительный рычаг 6 и найдите положение, когда в окуляре видна граница света и тени.

9. Продолжая смотреть в окуляр и придерживая правой рукой измерительный рычаг 6, двигайте левой рукой рычаг настройки 7 так, чтобы граница света и тени была по возможности черно-белой (а не цветной).

10. Поставьте измерительный рычаг 6 в такое положение, когда отсчетное перекрестье окуляра в виде трех штриховых линий совпадает с границей света и тени.

11. Снимите показания по левой шкале с точностью ±0,001 и запишите их в отчет.

12. Выключите лампу, выключите прибор из сети и аккуратно протрите поверхности осветительной и измерительной призм фильтровальной бумагой.

После определения показателей преломления всех исследуемых растворов поверхности призм протирают и оставляют на 2 ‑ 3 мин для просушки. После этого между призмами кладут чистый лист фильтровальной бумаги и выключают рефрактометр из сети.

Удельную рефракцию рассчитывают по уравнению

(1)

Удельная рефракция обладает свойствами аддитивности, т. е. равна сумме удельных рефракций компонентов А и В (А – растворенное вещество, В ‑ растворитель) с учетом их массового содержания в растворе.

(2)

где b_A ‑ массовая доля растворенного вещества; r_A, r_B ‑ удельные рефракции растворенного вещества и растворителя соответственно.

Определение удельной и молярной рефракции соли

По уравнению (1) рассчитывают рефракции двух заданных растворов соли r_A+B и растворителя r_B (воды). Затем по уравнению (2) вычисляют удельную рефракцию чистой соли r_A, исходя из измерений при двух заданных концентрациях b_A. Находят среднюю величину r_A и молекулярную рефракцию соли:

где М_А – молекулярная масса соли.

Вычисление концентрации водного раствора этилового спирта

Удельные рефракции чистых компонентов раствора рассчитывают на основании свойства аддитивности молекулярной рефракции. Рефракции отдельных атомов и связей находят по табличным данным [2]:

где R₁ ‑ рефракция i ‑ го атома, n₁ ‑ количество i-х атомов; М ‑ молекулярная масса соединения. Концентрацию заданного раствора рассчитывают из уравнения (2).

ФОРМА ОТЧЕТА

1. Температура опыта, °С.

2. Плотность воды.

3. Масса пикнометра:

сухого m;

с водой m₀;

с растворами соли:

m₁, конц. …,

m₂, конц. …,

со спиртовым раствором m₃.

4. Показатели преломления:

n₀,

n₁,

n₂,

n₃,

5. Расчет объема пикнометра.

6. Расчет плотности растворов.

7. Расчет удельной и молярной рефракции соли.

8. Расчет содержания спирта в растворе.

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА 2

ОПРЕДЕЛЕНИЕ КОНЦЕНТРАЦИИ ВОДНЫХ РАСТВОРОВ

Цель работы: Определение состава водных растворов этилового спирта по его показателям преломления и плотностям.

Задания:

1. Определить плотность водного раствора.

2. Изучить устройство рефрактометра и определить показатель преломления раствора.

3. Рассчитать удельную и молярную рефракции раствора по показателю преломления.

4. Найти концентрацию раствора по его рефракции.

5. Найти концентрацию раствора по его плотности.

Порядок проведения работы

Для определения удельной рефракции необходимо найти плотности и показатели преломления всех анализируемых растворов.

Для этого берется водный раствор спирта по заданию преподавателя (проба № 1). Часть раствора (10 мл) отливается в отдельный стакан. В этот стакан добавляется 1 мл дистиллированной воды, и раствор тщательно перемешивается (проба № 2).

1. Определение плотности раствора

Плотность растворов определяют с помощью пикнометра (рис.1), который представляет собой маленькую стеклянную колбу с нанесенной меткой и маркировкой, которая указывает примерный объем пикнометра. Сухой и чистый пикнометр взвешивают сначала на технических весах с точностью до грамма, затем на аналитических весах с точностью до четвертого знака после запятой. Затем пикнометр наполняют дистиллированной водой или исследуемым раствором. Для заполнения пикнометра жидкостью используют воронку с длинной и узкой шейкой. Жидкость наливают в пикнометр немного выше метки, затем убирают капли жидкости с горлышка пикнометра и избыток жидкости фильтровальной бумагой точно до метки.

Определив массы пустого пикнометра m и с водой m₀ и взяв из табличных данных плотность воды при температуре опыта r_В (см. табл.1), рассчитывают точный объем пикнометра:

. | (3)

Таблица 1. Плотность воды r₀ при температуре опыта

t, °C | 20 | 21 | 22 | 23 | 24 | 25 | 26

r_0, кг/м³ | 998,2 | 998 | 997,8 | 997,6 | 997,3 | 997,0 | 996,8

n | 1.333 | 1.3329 | 1.3328 | 1.3327 | 1.3326 | 1.3325 | 1.3324

Зная массу исследуемого раствора и объем пикнометра, рассчитывают плотность раствора по формуле

(4)

где r_A+B – плотность анализируемого раствора; m₁ – масса пикнометра с анализируемым раствором.

Используя формулу (4), рассчитывают плотности растворов для пробы № 1 и пробы № 2.

2. Вычисление концентрации водного раствора этилового спирта

по его плотности

Считая, что в первом приближении плотность смеси линейно зависит от состава, приближенно определяют концентрацию этилового спирта в водном растворе. Для этого строят график зависимости r=f(C), где С – концентрация раствора, наносят на оси абсцисс плотности воды и чистого спирта и графическим методом определяют составы растворов x¹₁ и x¹₂.

Так же, плотность водного раствора может быть приблизительно рассчитана по формуле

(5)

где r_A+B – плотность анализируемого раствора;

х_A – его концентрация (% мас.); r_B – плотность чистой воды.

В действительности плотность зависит от состава нелинейно, поэтому по табличным данным (табл.

2) строят точный график зависимости плотности от состава и по нему определяют уточненные составы растворов x²₁ и x²₂. Полученные значения концентраций записывают в отчет и сравнивают между собой. Обратите внимание, что таблицы взяты из различных источников и плотности в них приведены в разных размерностях.

Таблица 2. Плотность водных растворов этилового спирта (С₂Н₅ОН) r_А при различных концентрациях (25 °С, % мас.)

Концентрация | r_A | Концентрация | r_A | Концентрация | r_A

% | г/л | % | г/л | % | г/л

2 | 19,89 | 0,9945 | 36 | 339,5 | 0,9431 | 70 | 607,4 | 0,8677

4 | 39.64 | 0,9910 | 38 | 356,9 | 0,9392 | 72 | 621,3 | 0,8629

6 | 59,27 | 0,9878 | 40 | 374.1 | 0,9352 | 74 | 635.0 | 0,8581

8 | 78.78 | 0,9848 | 42 | 391,1 | 0,9311 | 76 | 648,4 | 0,8532

10 | 98,19 | 0,9819 | 44 | 407,8 | 0,2685 | 78 | 661,7 | 0,84835

12 | 117,5 | 0,9791 | 46 | 424,4 | 0,9226 | 80 | 674.7 | 0,8434

14 | 136.7 | 0,9764 | 48 | 440,7 | 0,9182 | 82 | 687,6 | 0,8385

16 | 155.8 | 0,9739 | 50 | 456,9 | 0,9138 | 84 | 700,1 | 0,8335

18 | 174,8 | 0,9713 | 52 | 472,9 | 0,9094 | 86 | 712,4 | 0,8284

20 | 193,7 | 0,9686 | 54 | 488,6 | 0,90485 | 88 | 724,4 | 0,8232

22 | 212,5 | 0,9659 | 56 | 504,2 | 0,9003 | 90 | 736,2 | 0,8180

24 | 231,1 | 0,9631 | 58 | 519,5 | 0,8957 | 92 | 747,6 | 0,8126

26 | 219,7 | 0,9602 | 60 | 534,7 | 0,8911 | 94 | 758,6 | 0,80705

28 | 268.0 | 0,9571 | 62 | 549,6 | 0,8865 | 96 | 769,3 | 0,8014

30 | 286,1 | 0,9538 | 64 | 564,4 | 0,8818 | 98 | 779.6 | 0,7955

32 | 304,1 | 0,9504 | 66 | 578,9 | 0,8771 | 100 | 789.3 | 0,7893

34 | 321,9 | 0,9468 | 68 | 593,2 | 0,8724

3. Определение показателя преломления

Показатель преломления определяют по рефрактомеру. Устройство рефрактометра и порядок работы с ним описаны выше, а схема приведена на рис.2.

Перед началом работы обязательно необходимо проверить нулевую точку рефрактометра по дистиллированной воде, коэффициент преломления которой при температуре опыта представлен в табл. 1. Температура опыта определяется с помощью термометра, установленного на стене в помещении. Нормальным считается результат, когда показатель преломления воды при температуре опыта совпадает с измеренным значением с точностью ±0,0001.

4. Определение удельной и молярной рефракции

по показателям преломления

Удельную рефракцию рассчитывают по уравнению

(6)

По этому уравнению рассчитывают рефракции заданных растворов r_A+B и растворителя (воды) r_B.

Затем находят молекулярную рефракцию определяемого вещества:

(7)

где М_А – молекулярная масса вещества.

Удельные или молярные рефракции чистых компонентов раствора могут быть рассчитаны на основании свойства аддитивности рефракции. Это делается в случае, когда чистое вещество недоступно или его невозможно исследовать. Например, получить чистый (100 %) спирт достаточно сложно, так как его нельзя выделить из смеси ректификацией. Кроме того, полученный косвенными методами (например, при отгонке с водопоглотителем) чистый спирт очень быстро испаряется. В таких случаях рефракцию чистого вещества находят по сумме рефракций отдельных атомов и связей, которые представлены в таблицах [2]. Расчет удельной рефракции производится по формуле

(8)

где R_i – атомная рефракция i-го атома, n_i ‑ количество i-х атомов; М ‑ молекулярная масса соединения.

Эту же формулу можно использовать для определения химической формулы вещества по его показателю преломления.

5. Вычисление концентраций водных растворов этилового спирта

по рефракциям

По величине показателя преломления двухкомпонентного раствора можно установить его концентрацию. Точность анализа определяется в этом случае точностью измерения показателей преломления компонентов, а также зависит от формы кривой показатель преломления – состав.

Если кривые показателей преломления имеют экстремум или значи­тельную кривизну, то точность рефрактометрического анализа будет существенно зависеть от концентрации. Например, анализ спирто-водных смесей рефрактометром дает высокую точность при не слишком больших концентрациях спирта (до 50 – 60 %), а более концентрированные растворы целесообразнее анализировать по плотности.

Рефрактометрический анализ растворов предполагает, что известна зависимость между их составом и показателем преломления. Если таких данных не имеется, то необходимо использовать кривые показателей преломления, вычерчиваемые в большом масштабе по результатам измерения специально приготовленных растворов точно известного состава.

Смеси известного состава следует готовить путем точного взвешивания на аналитических весах или путем разбавления растворов средней концентрации.

Удельная рефракция обладает свойствами аддитивности, т. е. равна сумме удельных рефракций компонентов А и В с учетом их массового содержания в растворе.

(9)

где w_A ‑ массовая доля растворенного вещества; r_A, r_B — удельные рефракции растворенного вещества и растворителя соответственно. Значения r_A+B и r_B рассчитывают по формуле (6) исходя из показателей преломления. Значение r_A рассчитывают по формуле (8), исходя из атомных рефракций.

Концентрации заданных растворов рассчитывают из уравнения (9). Рассчитанные значения вносят в таблицу и сравнивают с результатами, полученными другими путями.