ЗАНЯТТЯ № 1

ЗАНЯТТЯ № 1

Тема: 1. Правила техніки безпеки при роботі в лабораторії фізичної та колоїдної хімії. Основні поняття термодинаміки. Перший закон термодинаміки.

2. Визначення теплоти реакції нейтралізації (практична робота № 1).

Мета: Засвоїти правила техніки безпеки при роботі в лабораторії фізичної та колоїдної хімії. Ознайомитись з основними поняттями термодинаміки, їх класифікацією та основами термодинамічного методу досліджень. Ознайомитись з калориметричним методом визначення теплових ефектів фізико-хімічних процесів. Розвиток умінь в постановці якісних і кількісних досліджень та навичок оцінки точності вимірювань.

Професійна орієнтація студентів

Курс фізичної та колоїдної хімії передбачає виконання лабораторного практикуму та ознайомлення з хімічним посудом, приладами і їх призначенням, а також правилами математичної обробки результатів експерименту. А тому засвоєння основних правил техніки безпеки при роботі в хімічній лабораторії є необхідним для безпечного і успішного засвоєння навчального матеріалу з даного курсу.

Обмін речовин (метаболізм) у живому організмі нерозривно пов’язаний із супутнім йому процесом обміну енергії. Цей процес обміну речовин та енергії – найхарактерніша ознака життя: з його припиненням зупиняється й життя. В теперішній час термодинамічний метод дослідження є одним з найнадійніших та ефективних засобів вивчення процесів обміну речовин та енергії, що відбуваються в живих організмах.

Базовий рівень знань та вмінь студентів

1. Відомості з курсу математики, фізики, загальної та неорганічної хімії (І курс).

2. Вміння користуватись мірним посудом, термометром.

Програма самопідготовки студентів

Підготуватись до практичного заняття за матеріалами підручників і лекцій, звернувши увагу на такі питання.

Тема 1. Правила техніки безпеки при роботі в лабораторії фізичної та колоїдної хімії. Основні поняття термодинаміки. Перший закон термодинаміки

1.      Особливостями роботи з електрообладнанням, отруйними, вогненебезпечними і вибухонебезпечними речовинами.

2.      Правила першої допомоги при опіках, отруєннях і інших трагічних випадках та при виникненні пожежі.

3.      Що таке системи і як вони класифікуються?

4.      Що таке параметри і як вони класифікуються?

5.      Що таке стани системи і як вони класифікуються?

6.      Що таке процеси і як вони класифікуються?

7.      Що таке теплота і робота?

8.      Що таке внутрішня енергія?

9.       Ентальпія як термодинамічна величина.

10.  Дайте кілька формулювань першого закону термодинаміки.

11.  Запишіть математичний вираз першого закону термодинаміки в інтегральному та диференціальному вигляді.

12.  Напишіть рівняння для розрахунку максимальної роботи розширення ідеального газу при ізобарному, ізохорному та ізотермічному процесах.

13.  Що таке теплоємність? Її види.

Тема 2. Термохімія. Визначення теплоти реакції нейтралізації

1.     Що таке тепловий ефект хімічної реакції?

2.     Що таке теплота нейтралізації? Стандартна ентальпія реакції нейтралізації.

3.     Методика калориметричного вимірювання теплового ефекту процесу.

4.     Будова калориметра та термометра Бекмана.

5.     Правила побудови графіків.

6.     Математична обробка результатів експерименту.

Інформаційна частина до практичної роботи № 1 « Визначення теплового ефекту реакції нейтралізації»

Серед реакцій, що відбуваються у водних розчинах, реакції нейтралізації є одними з найбільш екзотермічних. Це реакція між кислотою і лугом і фактично зводиться до реакції:

Н⁺ + ОН^– = Н₂О

і в нескінченно розведених розчинах супроводжується тепловим ефектом, рівним -13,36 ккал на 1 г/екв кислоти чи лугу, що прореагували і не залежать від їх природи. Проте в більш концентрованих розчинах реакція нейтралізації ускладнюється явищами дисоціації і зміною ступеня гідратації йонів, внаслідок чого тепловий ефект для кожної пари “кислота — основа” має своє значення, більш чи менш відмінне від величини -13,36 ккал на 1 г/екв (∆Н = -55,9 кДж/моль).

Метою даної роботи є визначення величини теплового ефекту нейтралізації шляхом безпосереднього вимірювання кількості теплоти (Q), що виділяється при змішуванні відомих кількостей розчинів кислоти і лугу.

Вимірювання проводяться в найпростішому калориметрі, який складається з двох стаканів, поміщених один в однин на пробковій підставці, що є теплоізолятором. Вимірювання стрибка температури проводиться за допомогою термометра Бекмана.

Калориметр складається з калориметричної посудини та ізолюючої системи. Схема найпростішого калориметра наведена на рис. 1. Калориметрична посудина являє собою металеву чи скляну посудину Дьюара (1). Ізолюючою системою є повітряна оболонка (2), що утворена іншою посудиною і кришкою з пластмаси. Калориметрична посудина встановлюється в іншу посудину на азбестовій чи пластмасовій підставці (3). У кришці (4) є отвори для термометра Бекмана (5), мішалки (6), ампули з досліджуваною речовиною (7).

Зміну температури в ході калориметричного досліду визначають за допомогою термометра Бекмана (рис. 2). Термометр має два резервуари: нижній (7) — основний і верхній (4) — запасний, з’єднані капіляром (3). До капіляра прикріплена шкала (2) на 5°. Ціна поділки на ній 0,01°. Переливаючи ртуть з верхнього резервуара в нижній і назад, термометр можна настроїти на кожну з температур, які нас цікавлять (від –35 аж до +250°С) у межах застосовності ртутного термометра. Перед роботою термометр повинний бути налаштований таким чином, щоб при температурах досліду рівень ртуті в капілярі знаходився в межах шкали.

Термометром Бекмана не можна визначити температуру середовища без порівняння зі звичайним термометром, що має фіксовану шкалу температур. Це диференціальний термометр, що дозволяє визначати з великою точністю різницю температур у різних інтервалах.

Термометр занурюють у воду з температурою, рівною температурі калориметричної рідини. Якщо при цьому ртуть у капілярі буде знаходитися у верхній частині у випадку ендотермічного процесу чи в нижній частині у випадку екзотермічного процесу, то термометр Бекмана встановлений правильно. В іншому випадку його треба налаштувати. Якщо ртуті в основному резервуарі не вистачає, то її слід додати з верхнього резервуара. Для цієї мети з’єднують ртуть обох резервуарів, підігріваючи рукою чи опускаючи в теплу воду нижній резервуар термометра. Ртуть при цьому розширюється, заповнює весь капіляр доверху і витісняється у вигляді маленької краплини у верхній резервуар. Швидко перевертають термометр голівкою вниз, злегка постукавши по ній так, щоб ртуть у запасному резервуарі з’єдналася з ртуттю у верхівці капіляра. Потім, обережно, щоб не порушити з’єднання, повертають термометр у вихідне вертикальне положення і занурюють нижній резервуар у посудину з водою при температурі калориметричної рідини. Ртуть у нижньому резервуарі, охолоджуючись, стискується і перетягає додаткову кількість ртуті з верхнього резервуара в нижній.

Щільно затиснувши термометр посередині правою рукою, виймають його з води і, стукнувши голівкою термометра по ребрі долоні лівої руки, розривають ртуть в сполучному капілярі. Знову занурюють термометр у воду. Якщо ртуть виявиться вище необхідної поділки шкали, то виймають термометр із води, рукою злегка нагрівають нижній резервуар і краплину ртуті, що зібралася вгорі, струшують у верхній резервуар. Іноді доводиться повторювати цю операцію кілька разів, щоб домогтися необхідного положення ртуті на шкалі.

Увага! З налаштованим термометром слід поводитися обережно, щоб не допустити зміни кількості ртуті в нижньому резервуарі: тримати термометр у вертикальному положенні і ні в якому разі не струшувати.

Послідовність виконання калориметричного досліду. Користуючись довідковими даними, визначають, яким повинен бути досліджуваний процес: екзотермічним чи ендотермічним. Відповідно до цього перевіряють і, якщо це необхідно, налаштовують термометр Бекмана.

У калориметр наливають необхідний об’єм калориметричної рідини і готують визначену наважку (чи об’єм) досліджуваної речовини. Опускають в калориметр термометр Бекмана, намагаючись, щоб він знаходився приблизно посередині об’єму рідини.

Калориметричний дослід поділяють на три періоди:

1) попередній – 5 хвилин;

2) головний, що відповідає протіканню термохімічного процесу (розчинення солі, реакція нейтралізації і т.д.);

3) заключний –5 хвилин.

Попередній період. Перемішуючи калориметричну рідину, спостерігають за температурою, що може змінюватися в результаті теплообміну з навколишнім середовищем.

Головний період. Після цього починають розчинення солі (чи інший процес), не виключаючи секундоміра і не перериваючи запису температури. Якщо температура змінюється дуже швидко, відлік можна робити з точністю до 0,1°.

Заключний період. Відліком температури, з якого починається її рівномірний хід, закінчується головний період калориметричного досліду і починається заключний період. У заключному періоді відбувається вирівнювання температури в системі.

Якби калориметр не мав теплообміну з зовнішнім середовищем, то Dt можна було б визначити як t₂ – t₁, де t₁ і t₂ — початкова і кінцева температури в калориметричному досліді. Але оскільки досліджуваний процес відбувається в часі, і калориметр має теплообмін, останній необхідно враховувати при визначенні дійсного значення Dt. У зв’язку з цим Dt знаходять графічним методом. Саме для цієї мети необхідне вивчення ходу температури в попередньому і заключному періодах процесу.

На підставі експериментальних даних (див. табл.) будують графік залежності температури від часу. Масштаб вибирають наступний: 1 хв. – 1 см; 0,1° — 1 см при Dt < 1° і 0,2° — 1 см при Dt < 1°. При екзотермічному процесі графік має вигляд кривої типу ABCD (рис. 3), де АВ — попередній період; ВР — головний; CD — заключний. З точок В і С, що відповідають початку і кінцю головного періоду, опускають перпендикуляри на вісь абсцис. Із середньої точки Е головного періоду (момент реакції) встановлюють перпендикуляр EF. Прямі АВ і CD екстраполюють до перетину з перпендикуляром EF. Відрізок КР, отриманий у результаті перетину EF із продовженнями прямих АВ і CD, дає дійсну зміну температури, зумовлену процесом, з урахуванням поправки на теплообмін.

Оцінка точності вимірювання. В експериментах кількісного характеру виникає необхідність у вимірюванні фізичних величин (маси, часу, температури тощо). Результати вимірювань завжди відрізняються від дійсних значень. Похибки вимірювань поділяють на грубі, систематичні та випадкові. Грубі помилки виникають при порушенні основних умов вимірювання. Результат, що містить грубу помилку, різко відрізняється від інших значень вимірювання. Систематичні помилки можуть бути спричинені неполадками в роботі вимірювальних приладів чи недосконалим методом вимірювання. Систематичні помилки можна усунути шляхом введення відповідних поправок у результати вимірювань. Випадкові помилки вимірювань неминучі. Наявність їх призводить до того, що будь-яке вимірювання дає наближене значення вимірюваної величини.

Точність вимірювання характеризується абсолютною та відносною похибками.

Абсолютна похибка Dх – абсолютне значення різниці між дійсним значенням вимірюваної величини (х) та результатом вимірювання (х_вим):

Абсолютну похибку виражають в одиницях вимірюваної величини.

Відносна похибка (d) – відношення абсолютної похибки (Dх) до дійсного значення вимірюваної величини (х). Відносна похибка виражається у відсотках:

Методика виконання практичної роботи № 1 « Визначення теплового ефекту реакції нейтралізації»

1.       Отримати у викладача завдання (концентрація кислоти — 0,1н, об`єм — 100 мл, концентрація лугу — 1н, об`єм — 10 мл).

2.       Зваживши занурений стакан, відміряти в нього заданий об`єм кислоти і помістити його в зовнішній стакан.

3.       В пробірку відміряти піпеткою 10 мл лугу, після чого помістити в стакан з кислотою.

4.       Отримавши налаштований термометр Бекмана, занурити його в кислоту, обережно підвісивши його до кільця штатива.

5.       Обережно перемішуючи кислоту мішалкою (пробіркою з лугом), зачекати 2 хв., доки вирівняється температура кислоти і лугу, і термометр набуде температури рідини, після чого його покази будуть змінюватись значно повільніше.

6.       Включити секундомір і після проходження першої хвилини здійснити відлік температури з точністю 0,01⁰С. Щоб не нагрівати мішалку від руки, рекомендується 50 сек. помішувати рідину, а решту 10 сек. до кінця хвилини забирати руку, слідкувати за показами термометра і записувати. Якщо робота виконується вдвох, то один слідкує за часом і записує відліки, а інший  перемішує рідину і заміряє температуру.

7.       Продовжуючи помішувати рідину і не зупиняючи секундоміра, здійснювати відлік кожну хвилину до 5 хв. включно.

8.       На 6 хвилині (5хв. 30 сек.), після чергового відліку, злегка підняти пробірку і обережно вилити луг в стакан з кислотою, після чого швидко перемішати рідину в стакані. В кінці хвилини записати результат.

9.       Починаючи з 7 хвилини, знову здійснювати відліки температури щохвилини до 10 хвилин включно, перемішуючи порожньою мішалкою рідину.

10.   Вилити рідину з внутрішнього стакана в раковину і визначити об`єм ртутного резервуара термометра, занурюючи його в мірний циліндр з водою і помічаючи підвищення рівня води.

11.   Обробка результатів досліду.

Обробка експериментальних даних

1.     Розрахувати водний еквівалент (W) калориметра, тобто сумарну теплоємність всіх його частин, включаючи калориметричну рідину: W = m_c∙C_c + m_p∙C_p + V_T∙C_T, де m_c — маса стакана з мішалкою, С_с — питома теплоємність скла, рівна 0,19 кал/г∙град, V_T — об`єм резервуара термометра, С<sub>т</sub> — об`ємна теплоємність скла і ртуті, рівна 0,46 кал/см³∙град, m_p — маса рідини, рiвна сумі мас кислоти і лугу, С_р — питома теплоємність рідини, яку можна умовно вважати рівною теплоємності чистої води — 1 кал/г∙град. Густину рідини можна вважати рівною 1 г/см³.

2.     Визначити стрибок температури (DТ) в результаті реакції, для чого побудувати графічну залежність температури рідини (Т) від часу (t) і провести екстраполяцію прямолінійних ділянок початкового (1-5 хв.) і кінцевого (5-6 хв.) періодів досліду до моменту середини реакції (5,5 хв.). Потім враховується теплообмін з навколишнім середовищем. Стрибок температури (DТ) дорівнює різниці ординат прямих на 5,5 хвилині.

3.     За отриманими значеннями водного еквіваленту калориметра (W) і стрибка температури (DТ) обчислити кількість теплоти () в кал, що виділилась в калориметрі: = W∙DТ.

4.     Обчислити кількість грам-еквівалентів кислоти (n_к) та лугу (n_л), взятих для досліду, виходячи з концентрацій і об`ємів вихідних розчинів.

5.     Визначити тепловий ефект реакції нейтралізації (∆Н), поділивши кількість теплоти реакції () на меншу кількість грам-еквівалентів (частина речовини, взятої в надлишку, не прореагує).

∆Н = /n_min

Таблиця

Ситуаційні задачі

1.       Обчисліть газову сталу для 1 моля, виразивши її: а) в Дж/моль∙К; б) в кал/моль∙К; в) в мл∙мм.рт.ст./моль∙К; г) в атм.∙л/моль∙К.

2.   0,025 м³ повітря під тиском 1,013∙10⁵ Па розширюються до 0,1 м³ при 15˚С. Розрахуйте роботу та кінцевий тиск повітря.

3.   При 37ºС об’єм газу дорівнює 0,50 м³. Який об’єм займе газ при 100ºС, якщо тиск залишатиметься сталим?

4.   Визначити зміну внутрішньої енергії при ізобарному (1,013·10⁵Па) випаровуванні 100 г води при 150˚С, якщо об’ємом рідкої води знехтувати. Питома теплота випаровування води при 150˚С дорівнює 2112,66 Дж/г.

5.   Питома теплота випаровування бензолу при 80˚С дорівнює 397,1 Дж/г. Визначити зміну внутрішньої енергії при конденсації 1 моль бензолу при 80˚С (об’ємом рідини в порівнянні з об’ємом пари знехтувати).

6.   Знайти теплоту, яка вбирається при нагріванні 100 г вуглекислого газу від 15 до 100 ºС, якщо питома теплоємність газу дорівнює 21.1 Дж/г*град.

7.     Питома теплоємність сухих коренів оману може бути розрахована за рівнянням: С_р = -6,09 + 2,25·10^-2Т Дж/(г·К). Визначте кількість теплоти, що поглинається при нагріванні 50 г коренів оману від 70 до 100°С.

8.     Яка кількість теплоти виділяється в шлунку людини при нейтралізації хлоридної кислоти шлункового соку 1 г гідрокарбонату натрію? Теплота нейтралізації сильної основи становить – 55,9 кДж/моль.

9.     Теплоти окиснення білків, вуглеводів та жирів в організмі відповідно дорівнюють: 16,8; 19,8 і 37,8 кДж/г. Добова потреба людини в білках – 80 г; вуглеводах – 385 г; жирах – 100 г. Визначити калорійність даної фізіологічної норми.

10.  Визначте, яка кількість теплоти втрачається організмом, якщо крізь шкіру виділяється 250 г води.

11.  Обчисліть масу води, яка виділяється з організму крізь шкіру, якщо при цьому втрачається 1800 кДж теплоти.

Вихідний рівень знань та вмінь студентів

Студент повинен знати:

1.     Основні правила техніки безпеки при роботі в хімічній лабораторії.

2.     Основні поняття термодинаміки та їх класифікацію.

3.     Визначення та математичний вираз першого закону термодинаміки.

4.     Будову калориметра та термометра Бекмана.

5.     Методику калориметричного вимірювання теплового ефекту.

6.     Основні формули для розрахунку експериментальних даних.

7.     Що таке стандартне значення теплових ефектів різних процесів.

8.     Що таке відносна похибка вимірювань.

Студент повинен вміти:

1.     Розрахувати роботу різних процесів.

2.     Розрахувати зміну внутрішньої енергії при різних процесах.

3.     Розрахувати кількість теплоти процесу.

4.     Налаштовувати термометр Бекмана.

5.     Працювати з калориметром.

6.     Визначати стандартну теплоту реакції нейтралізації.

7.     Оцінювати точність вимірювань.

Джерела інформації:

Основні:

1.       Мороз А.С., Яворська Л.П., Луцевич Д.Д. та ін. Біофізична та колоїдна хімія. – Вінниця: Нова книга, 2007. – 600 с.

2.       Кабачний В.І., Осипенко Л.К., Грицан Л.Д. та ін. Фізична та колоїдна хімія – Х.: Прапор, В-во УкрФА, 1999. – 368 с.

3.       Кабачний В.І., Осипенко Л.К., Грицан Л.Д. та ін. Фізична та колоїдна хімія. Збірник задач. – Х.: Золоті сторінки, 2001. – 207 с.

4.       Вовокотруб Н.П., Смик С.Ю., Бойко Р.С. Практикум з фізичної та колоїдної хімії. Електронний навчальний посібник, 2002. – 257 с.

5.       Мороз А.С., Ковальова А.Г. Фізична та колоїдна хімія. – Львів: Світ, 1994. –  280 с.

6.       Матеріали сайту http://www.tdmu.edu.te.ua/

Додаткові:

1.     Евстратова К.И., Купина И.А., Малахова Е.Е. Физическая химия. – М.: Высшая школа, 1990. –  487с.

2.     Красовский И.В., Вайль Е.И., Безуглый В.Д. Физическая и коллоидная химия. – К.: Вища школа., 1983. – 345 с.

3.     Амирханова Н.А., Беляева Л.С., Белоногов В.А. Задачник по химии. – Уфа: Изд-во УГАТУ, 2002. – 117 с.

4.     Бугреева Е.В., Евстратова К.И.,  Купина Н.А. Практикум по физической и коллоидной химии. – М.: Высш. шк., 1990. – 255 с.

 

Методичні вказівки обговорені і затверджені:

на засіданні кафедри:

 “5”  червня 2013 р., протокол № 1

Завідувач кафедри загальної хімії                               д.б.н., Фальфушинська Г.І.

 

 

на засіданні циклової методичної комісії

з фармацевтичних дисциплін “18” червня 2013 р., протокол № 5

 

Голова циклової методичної комісії                                  проф. Соколова Л.В.