Ćwiczenia laboratoryjne z chemii fizycznej. Wydanie drugie poprawione i uzupełnione - ebook

Do przygotowania niniejszego opracowania skłoniły nas zarówno zapotrzebowanie ze strony studentów chemii na skrypt zawierający opis ćwiczeń wykonywanych w laboratorium chemii fizycznej, jak i wieloletnie doświadczenie zdobyte w czasie organizowania i prowadzenia zajęć z chemii fizycznej na kierunku chemicznym Wydziału Fizyki i Chemii Uniwersytetu Łódzkiego.

Zakres opisanych ćwiczeń laboratoryjnych jest dostosowany do trzydziestu dziewięciu zestawów ćwiczeniowych wykonywanych w Katedrze Chemii Fizycznej UŁ. Skrypt nie uwzględnia ćwiczeń z tych działów chemii fizycznej, które nie są reprezentowane w naszym laboratorium. Poszczególne rozdziały dotyczące wybranych zagadnień z chemii fizycznej zawierają wstępy teoretyczne, które stanowią wprowadzenie do problematyki wykonywanych ćwiczeń. Każde ćwiczenie zawiera dość szczegółowo określony cel, z którego na ogół wynika wybór metody pomiarowej. W opracowaniu ćwiczenia zawarty jest zawsze opis układu pomiarowego (często ze schematem aparatury), spis stosowanych odczynników chemicznych, sposób wykonania eksperymentu oraz opracowanie i dyskusja uzyskanych rezultatów badań. Czasochłonność wykonywania wszystkich ćwiczeń została dostosowana do zajęć czterogodzinnych. Studenci wykonują ćwiczenia indywidualnie, a wyniki pomiarów opracowują w formie sprawozdań. Ze względu na to, że niniejsze opracowanie obejmuje tylko te zagadnienia, które są niezbędne do wykonania ćwiczeń, nie może ono stanowić jedynego źródła wiedzy koniecznej do zdania egzaminu. Spis podręczników i opracowań o charakterze monograficznym z dziedziny chemii fizycznej został zamieszczony za wstępem, natomiast na końcu każdego rozdziału podano numery zalecanych pozycji literaturowych dotyczących omawianej tematyki.

WSTĘP 7

LITERATURA 8

1. METODYKA PRACY W LABORATORIUM CHEMII FIZYCZNEJ 9

1.1. Przygotowanie i wykonanie pomiaru w pracowni studenckiej 9

1.2. Przedstawienie i opracowanie wyników pomiarów 10

1.2.1. Tabele i wykresy 10

1.2.2. Graficzne opracowanie wyników pomiarów 17

1.2.3. Numeryczne opracowanie wyników pomiarów 23

1.2.4. Elementy rachunku błędu 27

2. JEDNOSTKI I STAŁE FIZYCZNE 36

2.1. Układ jednostek 36

2.2. Wartości liczbowe ważniejszych stałych fizykochemicznych 40

2.3. Alfabet grecki 40

3. OPTYCZNE I ELEKTRYCZNE WŁASNOŚCI SUBSTANCJI 41

3.1. Widma absorpcyjne 41

Ćwiczenie 3.1.1. Wyznaczanie punktu izozbestycznego p-nitrofenolu 53

Ćwiczenie 3.1.2. Spektrofotometryczne oznaczanie stężenia jonów żelaza Fe(III) 58

3.2. Refraktometria 63

Ćwiczenie 3.2.1. Refrakcja dwuskładnikowych mieszanin organicznych 69

3.3. Interferometria 73

Ćwiczenie 3.3.1. Zastosowanie metody interferometrycznej do oznaczania stężenia roztworu 77

3.4. Aktywność optyczna związków chemicznych 80

Ćwiczenie 3.4.1. Wyznaczanie skręcalności właściwej sacharozy 82

3.5. Polaryzacja dielektryczna 87

Ćwiczenie 3.5.1. Względna przenikalność elektryczna cieczy organicznych 94

Ćwiczenie 3.5.2. Wyznaczanie momentu dipolowego cieczy polarnych 97

3.6. Elektryczne własności ciał stałych 101

Ćwiczenie 3.6.1. Temperaturowa charakterystyka termistora typu NTC 108

4. TERMODYNAMIKA CHEMICZNA 112

4.1. Efekty cieplne reakcji chemicznych i procesów fizykochemicznych 112

Ćwiczenie 4.1.1. Wyznaczanie entalpii tworzenia związku organicznego na podstawie pomiaru jego ciepła spalania 122

Ćwiczenie 4.1.2. Wyznaczanie ciepła właściwego cieczy metodą kalorymetryczną 132

Ćwiczenie 4.1.3. Entalpia rozpuszczania elektrolitu w wodzie 139

4.2. Równowagi fazowe w układach jedno- i wieloskładnikowych 150

Ćwiczenie 4.2.1. Wyznaczanie entalpii i entropii parowania wody na podstawie pomiaru temperaturowego współczynnika prężności pary 157

Ćwiczenie 4.2.2. Równowaga ciecz-para w układzie dwuskładnikowym 166

Ćwiczenie 4.2.3. Izoterma rozpuszczalności w układzie trójskładnikowym 178

Ćwiczenie 4.2.4. Wyznaczanie współczynnika podziału w układzie: woda-kwas octowy-chloroform metodą potencjometryczną 184

Ćwiczenie 4.2.5. Wyznaczanie współczynnika podziału w układzie: woda- aceton-tetrachloroetylen metodą refraktometryczną 193

4.3. Wielkości cząstkowe molowe 200

Ćwiczenie 4.3.1. Wyznaczanie cząstkowych molowych objętości wody i alkoholu w temperaturze 25°C 205

4.4. Oznaczanie masy cząsteczkowej substancji 209

Ćwiczenie 4.4.1. Wyznaczanie masy cząsteczkowej substancji metodą ebuliometryczną 210

Ćwiczenie 4.4.2. Wyznaczanie masy cząsteczkowej cieczy lotnej metodą V. Meyera 218

Ćwiczenie 4.4.3. Zastosowanie destylacji z parą wodną do oznaczania masy cząsteczkowej cieczy niemieszającej się z wodą 225

5. ZJAWISKA TRANSPORTU W CIECZACH 232

5.1. Lepkość cieczy 232

Ćwiczenie 5.1.1. Wyznaczanie lepkości wodnych roztworów sacharozy 243

Ćwiczenie 5.1.2. Wyznaczanie termodynamicznych funkcji aktywacji lepkiego przepływu cieczy 247

Ćwiczenie 5.1.3. Lepkościowo średnia masa cząsteczkowa polimeru 250

6. ZJAWISKA POWIERZCHNIOWE 258

6.1. Napięcie powierzchniowe cieczy 258

Ćwiczenie 6.1.1. Zależność napięcia powierzchniowego wody od stężenia mydła 268

Ćwiczenie 6.1.2. Zależność napięcia powierzchniowego 1,4-dioksanu od temperatury 272

Ćwiczenie 6.1.3. Wyznaczanie wartości parachory substancji organicznych 274

6.2. Adsorpcja 279

Ćwiczenie 6.2.1. Adsorpcja kwasu octowego na węglu aktywnym 285

7. KINETYKA CHEMICZNA 289

7.1. Podstawowe zagadnienia kinetyki chemicznej 289

Ćwiczenie 7.1.1. Wpływ rodzaju kwasu na szybkość inwersji sacharozy 306

Ćwiczenie 7.1.2. Wpływ stężenia kwasu na szybkość hydrolizy octanu etylu 313

Ćwiczenie 7.1.3. Wyznaczanie stałej szybkości i rzędu reakcji metodą całkową (wariant graficzny) 318

Ćwiczenie 7.1.4. Energia aktywacji jodowania acetonu 321

8. ELEKTROCHEMIA 326

8.1. Przewodnictwo i równowagi jonowe w roztworach elektrolitów 326

Ćwiczenie 8.1.1. Przewodnictwo graniczne mocnego elektrolitu 340

Ćwiczenie 8.1.2. Wyznaczanie stałej dysocjacji kwasu octowego poprzez pomiar przewodnictwa 341

Ćwiczenie 8.1.3. Entalpia dysocjacji kwasu octowego 343

Ćwiczenie 8.1.4. Miareczkowanie konduktometryczne 347

Ćwiczenie 8.1.5. Wyznaczanie stałej dysocjacji kwasu mlekowego metodą potencjometryczną 353

Ćwiczenie 8.1.6. Wyznaczanie współczynników aktywności soli trudno rozpuszczalnej metodą pomiaru rozpuszczalności 361

Ćwiczenie 8.1.7. Oznaczanie punktu izoelektrycznego żelatyny 369

8.2. Siła elektromotoryczna ogniwa 376

Ćwiczenie 8.2.1. Wyznaczanie funkcji termodynamicznych ΔG, ΔS, ΔH reakcji zachodzącej w ogniwie 383

Ćwiczenie 8.2.2. Siła elektromotoryczna ogniwa stężeniowego 385