В практикуме описаны лабораторные работы, охватывающие весь курс физической химии. Каждой работе предпослано теоретическое введение. Особое внимание обращено на современные методы исследования: спектроскопию, рентгенографию, электронографию и др., а также рассмотрены классические методы исследования: криоскопия, эбуллиоскопия, колориметрия, хроматография и т. п.
ПРЕДИСЛОВИЕ
Задачи, поставленные XXVII съездом КПСС перед наукой по интенсификации многих производственных процессов, могут быть решены благодаря знаниям законов физической химии.
Физическая химия органически сочетает в себе теорию и эксперимент. Путем экспериментальных исследований физическая химия обогащается новыми фактами, на базе которых делают обобщения, разрабатывают теории. Выводы из теоретических положений, в свою очередь, контролируют опытом.
Практикум по физической химии по ряду причин не может выполняться синхронно с изложением курса лекций. Однако работа в физико-химической лаборатории только тогда имеет смысл и повышает квалификацию студента, когда она проводится с пониманием задач эксперимента. Поэтому описанию лабораторных работ предпосланы краткие теоретические введения, которые необходимы, чтобы с минимальной затратой времени понять смысл, теоретическое обоснование и следствия производимого эксперимента.
На лабораторных занятиях студент знакомится с устройством прибора или установки. При подготовке к выполнению лабораторной работы необходимо сначала по схеме, а затем непосредственно у прибора ознакомиться с его устройством и принципом работы. Во избежание порчи дорогостоящих приборов следует строго руководствоваться прилагаемыми инструкциями. При работе в физико-химической лаборатории следует строго соблюдать правила техники
безопасности.
Совершенствование техники эксперимента ведет к ускорению получения экспериментальных данных и повышению степени точности и надежности их. За сравнительно короткое время стали получать такое количество экспериментальных данных, математическая обработка которых оказалась слишком трудоемкой. На помощь экспериментатору приходят ЭВМ. Они становятся неотъемлемой частью лабораторного оборудования.
Четвертое издание практикума отличается от предыдущих тем, что в большинстве лабораторных работ предложено математическую обработку полученных результатов проводить на ЭВМ. В при-
<•»
ОГЛАВЛЕНИЕ
Предисловие.............................. 3
Глава I. Молекулярная спектроскопия................. 5
1. Взаимодействие электромагнитного излучения с молекулами вещества 5
2. Молекулярные спектры двухатомных молекул............. 7'
3. Спектры комбинационного рассеяния.................. 21
4. Молекулярные спектры многоатомных молекул............. 23
5. Применение молекулярной спектроскопии для расчета термодинамлче-
ских функций. Основы статистической термодинамики.......... 29
6. Принцип устройства спектральных приборов.............. 35
7. Оценка точности спектральных измерений................ 65
Работа 1. Изучение колебательно-вращательного спектра поглощения двухатомных газообразных молекул.............. 67
Работа 2. Определение равновесного межъядерного расстояния . . 68 Работа 3. Определение зависимости вращательной постоянной от
колебательного квантового числа. Определение Ве и ге....... 68
Работа 4. Определение распределения молекул по вращательным
квантовым уровням........................ 68
Работа 5. Определение волнового числа основной полосы поглощения двухатомной молекулы.................... 69
Работа 6. Определение теплоемкости Ср и зависимости теплоемкости от температуры статистическим методом............ 70
Работа 7. Определение энтальпии (Нт°—Я0°) вещества статистическим методом и зависимости (Нт°—Я0°) от температуры...... 70
AT—U0 0°Т-Н0 Работа 8. Определение функций--—-- и ---—-- ...... 71
Работа 9. Определение энтропии и зависимости энтропии от температуры .............................. 71
Работа 10. Изучение колебательно-вращательного спектра метана . 71 Работа 11. Определение вращательной постоянной, момента инерции и равновесного межъядерного расстояния rc-н молекулы метана 72 Работа 12. Определение зависимости вращательной постоянной от
колебательного квантового числа. Определение Ве и го_н..... 72
Работа 13. Определение волновых чисел основных полос поглощения СН4 ............................. 73
Работа 14. Определение изобарной теплоемкости Ср и зависимости
Cp=f(T) статистическим методом................. 73
Работа 15. Определение энтальпии (Нт°—Я0°) метана статистическим методом и зависимости (Нт°—Н0°) от температуры..... 74
Работа 16. Определение энтропии метана статистическим методом
и зависимости энтропии от температуры............... 74
0°т-Н°0 Работа 17. Определение функции------ метана статистическим
методом .............................
Работа 18. Изучение колебательных спектров комбинационного рас-
сеяния веществ в жидком состоянии................
Работа 19. Изучение спектра комбинационного рассеяния молекул,
обладающих тетраэдрической структурой..............
Работа 20. Определение термодинамических функций веществ, молекулы которых обладают тетраэдр ической структурой, по спектрам комбинационного рассеяния....................
490
Работа 21. Изучение электронно-колебательно-вращательного спектра излучения радикала CN.................... 76
Работа 22. Определение колебательной постоянной и ангармоничности для радикала CN в электронно-возбужденном состоянии .... 79 Работа 23. Определение константы равновесия реакции образования комплекса по электронно-колебательному спектру поглощения ... 79 Работа 24. Определение констант диссоциации слабых органических
кислот по электронно-колебательным спектрам поглощения..... 80
Глава II. Поляризация молекул................... 83
1. Поляризация и поляризуемость молекул................ 83
ррактометры........................... SR
элькометры............................
Работа 1. Изучение зависимости показателя преломления жидкости
от температуры и от длины волны светового потока.........
Работа 2. Определение концентрации растворенного вещества по
показателю преломления раствора..................
Работа 3. Изучение зависимости показателя преломления от кон-
2. Рефрактометры........................... 86
3. Диэлькометры............................ 91
изучение зависимости показателя преломления жидкости
от температуры и от длины волны светового потока......... 94
Работа 2. Определение концентрации растворенного вещества по
показателю преломления раствора.................. 94
показателя преломления от концентрации растворов....................... 95
Работа 4. Определение молярной рефракции вещества и установление строения молекул....................... 95
Работа 5. Изучение свойства молярной рефракции вещества .... 96 Работа 6. Определение электрического момента диполя молекул
вещества............................. 96
Глава III. Жидкое состояние вещества................ 97
Поверхностное натяжение. Парахор.................. 97
Работа 1. Определение поверхностного натяжения жидкости .... 98 Работа 2. Изучение зависимости поверхностного натяжения жидкости от температуры ......................... 99
Работа 3. Изучение термодинамики поверхностных явлений..... 100
Работа 4. Определение парахора и установление структуры молекулы 100
Работа 5. Определение плотности жидкости............. 100
Работа 6. Изучение зависимости плотности жидкости от температуры .............................. 101
Глава IV. Электронографический анализ............... 101
1. Метод электронографии и его применение............... 101
2. Приготовление образцов для электронографического анализа..... 103
Работа. Получение и расчет электронограмм поликристаллических
образцов............................. 105
Глава V. Рентгеноструктурный анализ
108
1. Получение рентгеновского излучения................. 108
2. Краткие сведения о структуре кристаллов ............... 111
3. Дифракция рентгеновского излучения.................. 113
4. Метод рентгеноструктурного анализа.................. 114
5. Аппаратура, применяемая в рентгеноструктурном анализе....... 116
Работа. Определение параметра и типа кубической кристаллической
решетки............................. 118
Глава VI. Термохимия........................ 125
Термохимические измерения....................... 125
Работа 1. Определение суммарной теплоемкости калориметрической
системы электрическим методом................. 129
Работа 2. Определение удельной интегральной теплоты растворения
соли............................... 130
Работа 3. Определение интегральной теплоты растворения соли при образовании концентрированного раствора ............. 132
491
Работа 4. Определение теплоты образования твердого раствора из
двух твердых компонентов..................... 133
Работа 5. Определение теплоты образования кристаллогидрата из
соли и воды............................ 135
Работа 6. Определение теплоты нейтрализации........... 135
Работа?. Определение теплоты реакции окисления.......... 136
Работа 8. Определение истинной теплоемкости вещества в жидком
состоянии............................ 138
Работа 9. Определение средней теплоемкости твердых и жидких веществ методом смешения...................... 138
Работа 10. Определение средней теплоемкости твердых веществ методом смешения......................... 141
Работа 11. Определение истинной теплоемкости жидкости методом
калорифера...........................-141
Работа 12. Определение теплоты образования насыщенного раствора
при ^290 К (полной энтальпии растворения ДЯ).......... 142
Работа 13. Построение диаграммы плавкости неизоморфных веществ ........................... : . . 143
Работа 14. Определение теплот сгорания органических веществ . . 145
Работа 15. Термометрическое титрование.............. 148
Работа 16. Определение константы скорости растворения КС1 ... 151
Глава VII. Фазовые равновесия................... 153
1. Общие условия равновесия в гетерогенных системах.......... 153
2. Зависимость давления насыщенного пара от температуры....... 155
Работа 1. Определение давления насыщенного пара индивидуальных жидкостей статическим методом................. 158
Работа 2. Определение давления насыщенного пара индивидуальных
жидкостей динамическим методом.................. 160
Работа 3. Определение давления насыщенного пара индивидуальных жидкостей по температурам кипения.............. 162
Работа 4. Определение давления насыщенного пара твердых веществ
и жидкостей методом увлечения.................. 165
Работа 5. Определение температур кипения микрометодами..... 169
Глава VIII. Жидкие растворы.................... 170
1. Идеальные разбавленные растворы.................. 171
2. Химический потенциал........................ 174
Работа 1. Определение активностей и химических потенциалов воды и соли в растворе при 40°С.................. 177
Работа 2. Определение парциальных молярных теплот и энтропии
растворения........................... 178
Работа 3. Определение молекулярной массы растворенного вещества криоскопическим методом.................... 179
Работа 4. Определение концентрации растворенного вещества криоскопическим методом........................ 184
Работа 5. Определение молекулярной массы вещества по методу
Раста............................... 186
Работа 6. Эбуллиоскопический метод определения молекулярной
массы веществ.......................... 188
Работа 7. Определение температуры кипения чистого вещества и раствора по методу Сиволобова.................... 190
Глава IX. Растворы жидкостей в жидкостях.............. 191
1. Термодинамика растворения..................... 191
2. Неограниченно смешивающиеся жидкости............... 193
Работа. Изучение равновесий жидкость — пар в двойных жидких системах............................. 199
Глава X. Взаимная растворимость жидкостей.............. 202
1. Ограниченная растворимость жидкостей................ 202
2. Третий компонент в двухфазной жидкой системе. Закон распределения 205
492
3. Взаимная растворимость трех жидкостей................ 207
4. Зависимость взаимной растворимости трех жидкостей от температуры 211
Работа 1. Построение диаграммы для системы вода — фенол .... 212
Работа 2. Определение коэффициента распределения........ 215
Работа 3. Определение коэффициента распределения иода между
органическими и неорганическими растворителями.......... 217
Работа 4. Изучение взаимной растворимости в трехкомпонентной
системе.............................. 219
Глава XI. Равновесие жидкость — кристаллическая фаза........ 223
1. Построение диаграмм состояния кристаллическая фаза — жидкость . . 223
2. Равновесие твердый компонент — раствор................ 223
3. Методы изучения гетерогенных систем...............». . 224
4. Неизоморфные смеси с простой эвтектикой............... 227
5. Неизоморфные смеси, образующие устойчивое химическое соединение 230
6. Неизоморфные смеси, образующие неустойчивое химическое соединение ................................. 231
7. Изоморфные смеси. Системы с ограниченной растворимостью в твердом состоянии.............................. 233
Работа 1. Изучение кристаллизации из растворов при высоких температурах ............................ 236
Работа 2. Построение диаграммы плавкости системы KNO3—NaNO3 238 Работа 3. Построение диаграммы плавкости системы KNO3—NaNO3
и изучение структуры сплава .................... 239
Работа 4. Изучение кристаллизации веществ из растворов при низких температурах .......................... 241
Работа 5. Изучение кристаллизации веществ из растворов..... 244
Глава XII. Химическое равновесие.................. 245
1. Химическое равновесие в гомогенных и гетерогенных системах .... 245
2. Уравнение изотермы реакции...................... 248
3. Зависимость константы равновесия от температуры........... 248
4. Принцип экспериментального изучения химического равновесия .... 251
Работа 1. Определение химического равновесия в гомогенных системах (жидкая фаза)......................... 251
Работа 2. Изучение химического равновесия реакции 2Fe3++2I-=^=
*±2Fe2+ + I2.......................... . 255
Работа 3. Изучение химического равновесия в растворах при образовании комплекса методом распределения............. 257
Работа 4. Определение химического равновесия в гомогенных системах (газовая фаза)...................... 258
Работа 5. Определение химического равновесия в гетерогенных системах (исследование карбонатов) ................. 261
Работа 6. Исследование химического равновесия в кристаллогидратах ............................... 263
Работа 7. Изучение равновесия реакций дегидрирования спиртов в
газовой фазе........................... 265
Глава XIII. Растворы электролитов................... 269
1. Электрическая проводимость.................... 269
2. Удельная и эквивалентная электрические проводимости......... 270
3. Зависимость электрической проводимости от концентрации...... 271
4. Электрическая проводимость неводных растворов электролитов .... 273
5. Зависимость электрической проводимости от температуры........ 274
6. Равновесие в растворах электролитов ................. 276
7. Влияние температуры на константу диссоциации растворов электролитов 277
Работа 1. Измерение электрической проводимости растворов электролитов ............................. 278
Работа 2. Изучение влияния температуры на электрическую проводимость и вязкость растворов электролитов в воде и водно-органических растворителях ....................... 281
493
Работа 3. Изучение зависимости электрической проводимости растворов электролитов от концентрации............."... 282
Работа 4. Определение растворимости труднорастворимой соли при
различных температурах методом электрической проводимости . . . 285
Глава XIV. Электродвижущие силы гальванических цепей........ 286
1. Гальванические элементы...................... 286
2. Механизм возникновения э. д. с.................. 287
3. Термодинамика обратимых электрохимических систем.......... 289
4. Электроды.............................. 292
5. Гальванические элементы....................... 295
Работа 1. Измерение э. д. с. элемента Якоби — Даниэля...... 297
Работа 2. Измерение э. д. с. окислительно-восстановительных элементов, электродных потенциалов и изучение влияния добавок на
окислительно-восстановительные потенциалы............. 302
Работа 3. Определение стандартного потенциала ферри-ферро-элект-рода, расчет константы равновесия электродной реакции, изучение
окислительно-восстановительной способности раствора....... 305
Работа 4. Определение коэффициента активности растворов хлористоводородной кислоты методом измерения э. д. с......... 307
Работа 5. Определение термодинамических функций реакции, протекающей в окислительно-восстановительном элементе......... 310
Работа 6. Определение термодинамических функций реакции окисления— восстановления методом потенциометрического титрования 313 Работа 7. Определение рН образования гидроксидов металлов . . . 316 Работа 8. Определение буферной емкости растворов методом потен-
циометрического титрования ................... 317
Глава XV. Кинетика реакций в растворах............... 319
1. Скорость химической реакции. Кинетическая классификация реакций . . 319
2. Зависимость скорости реакции от концентрации реагирующих веществ 322
3. Экспериментальные методы определения скорости и порядка реакции . 328
4. Зависимость скорости реакции от температуры............. 333
5. Особенности кинетики реакций в растворах........... 340
6. Зависимость скорости реакции от катализатора (гомогенный катализ) 343
Работа 1. Изучение скорости инверсии тростникового сахара . . . 345
Работа 2. Изучение скорости мутаротации глюкозы......... 350
Работа 3. Изучение скорости реакции иодирования ацетона .... 352 Работа 4. Изучение скорости разложения пероксида водорода газометрическим методом....................... 354
Работа 5. Изучение скорости гидролиза уксусного ангидрида методом электрической проводимости................. 356
Работа 6. Изучение скорости реакции разложения карбамида в водных растворах методом электрической проводимости........ 359
Работа 7. Изучение кинетики акватации комплексных ионов Со3+
(кислотный гидролиз) колориметрическим методом......... 361
Работа 8. Изучение кинетики реакции гидролиза уксусного ангидрида колориметрическим методом................. 369
Работа 9. Изучение кинетики реакции окисления тиомочевины и тио-
ацетамида гексацианоферрата (III) в щелочном растворе..... 372
Работа 10. Изучение кинетики реакции восстановления гексацианоферрата (III) аскорбиновой кислотой................ 376
Глава XVI. Фотохимические и цепные реакции, радикальная полимеризация .......................... 379
оуо
1. Фотохимические реакции....................... ;f'j:
2. Цепные реакции........................... ^5V
3. Радикальная полимеризация..................... °°%
4. Кинетика радикальной полимеризации..............• • • ^1|2
Работа 1. Изучение кинетики фотохимического разложения Н2О2 . . а°у Работа 2. Определение квантового выхода при фотохимическом раз-
ложении Н2О2.......................... 6
Работа 3. Изучение скорости реакции сульфирования карбамида . . 395 Работа 4. Исследование кинетики радикальной полимеризации ме-
тилметакрилата .......................... 397
Глава XVII. Кинетика гетерогенных процессов............ 399
1. Диффузия.............................. 400
2. Кинетика процесса испарения жидкости............... 402
3. Кинетика процесса растворения.................... 405
4. Кинетика топохимических реакций................... 408
Работа 1. Изучение кинетики испарения жидкостей и определение коэффициента диффузии паров жидкости в воздух (и другие газы)
методом увлечения ........................ 412
Работа 2. Изучение кинетики испарения жидкости и определение коэффициента диффузии паров жидкости в воздух методом адсорбции ............................... 416
Работа 3. Изучение кинетики растворения малорастворимых веществ .............................. 417
Работа 4. Изучение кинетики термического разложения пермангана-
та калия............................. 419
Глава XVIII. Адсорбция....................... 425
1. Термодинамика адсорбции...................... 425
2. Кинетика адсорбции......................... 428
Работа 1. Статический метод изучения адсорбции......... 42У
Работа 2. Динамический метод изучения адсорбции........ 431
Работа 3. Построение изотермы адсорбции бензола и определение удельной площади поверхности катализаторов методом проявитель-
ной хроматографии....................... 433
Работа 4. Изучение адсорбционного равновесия из водных растворов карбоновых кислот на активированном угле кондуктометриче-
ским методом.......................... 436
Глава XIX. Кинетика гетерогенно-каталитических реакций....... 438
1. Катализ и катализаторы....................... 438
2. Гетерогенные катализаторы..................... 440
3. Мультиплетная теория катализа.................... 443
4. Теория активных ансамблей ..................... 446
5. Реакции в потоке.......................... 447
Работа 1. Изучение кинетики реакции распада (крекинга) ацетона
в потоке............................. 450
Работа 2. Каталитическая дегидратация этилового спирта..... 453
Работа 3. Каталитическое разложение метилового спирта..... 456
Глава XX. Кинетика электрохимических реакций............ 457
1. Общие сведения о кинетике электродных процессов......... 457
2. Кинетика обратимых окислительно-восстановительных процессов .... 460
Работа 1. Изучение кинетики электрохимических реакций темпер а-
турно-кинетическим методом................... 461
Работа 2. Изучение зависимости скорости электролиза от состава окислительно-восстановительной системы методом поляризационных
измерений............................ 463
Глава XXI. Математическая обработка экспериментальных данных . . . 464
1. Оценка точности и надежности измеренных и рассчитанных величин 464
2. Природа происхождения погрешности измеренных величин.
Цена: 300руб.
