Донецкой народной республики

Донецкой народной республики

государственное образовательное учреждение

высшего профессионального образования

«ДОНБАССКАЯ АГРАРНАЯ АКАДЕМИЯ»

кафедра естественнонаучных дисциплин

Методические рекомендации

К Лабораторным занятиям

по учебной дисциплине

«ФИЗИЧЕСКая И КОЛЛОИДНая ХИМИя»

направления подготовки 35.03.03 «Агрохимия и агропочвоведение», 35.03.04 «Агрономия», 35.03.05 «Садоводство» (профиль «Декоративное садоводство и флористика»), 36.03.01 «Ветеринарно-санитарная экспертиза»

Всех форм обучения

Макеевка, 2020 г.

министерство образования и науки

Донецкой народной республики

государственное образовательное учреждение

высшего профессионального образования

«ДОНБАССКАЯ АГРАРНАЯ АКАДЕМИЯ»

кафедра естественнонаучных дисциплин

Методические рекомендации

К Лабораторным занятиям

по учебной дисциплине

«ФИЗИЧЕСКая И КОЛЛОИДНая ХИМИя»

направления подготовки 35.03.03 «Агрохимия и агропочвоведение», 35.03.04 «Агрономия», 35.03.05 «Садоводство» (профиль «Декоративное садоводство и флористика»), 36.03.01 «Ветеринарно-санитарная экспертиза» всех форм обучения

Макеевка, 2020 г.

 

УДК 544

 

Чернышева Р. И. Методические рекомендации к лабораторным работам по дисциплине «Физическая и коллоидная химия» для студентов направлений подготовки: 35.03.03 «Агрохимия и агропочвоведение», 35.03.04 «Агрономия», 35.03.05 «Садоводство» (профиль «Декоративное садоводство и флористика»), 36.03.01 «Ветеринарно-санитарная экспертиза» всех форм обучения/ сост. Чернышева Р. И. - Макеевка: ДОНАГРА, 2018. - 35 с.

 

Методическая разработка к лабораторным работам содержит краткое теоретическое описание и экспериментальную часть. Приведены подробные методики проведения работ и расчетов, вопросы для контроля подготовленности студента к выполнению практических занятий.

 

Рецензенты:

Магунова Н.Г., старший преподаватель кафедры естественнонаучных дисциплин;

Шелихов П.В., кандидат биологических наук, доцент, заведующий кафедры естественнонаучных дисциплин.

 

Рассмотрено на заседании предметно-методической комиссии кафедры естественнонаучных дисциплин

Протокол №__ от “__” ___________ 20___ года

 

Утверждено на заседании кафедры естественнонаучных дисциплин

Протокол №__ от “__” ___________ 20___ года

 

Рекомендовано к использованию в учебном процессе Решением Учебно-методического совета ДОНАГРА

Протокол №__ от “__” ___________ 20___ года

 

© ДОНАГРА, 2020

СОДЕРЖАНИЕ

Введение

Правила работы в лаборатории химии	5
Первая помощь при несчастных случаях в лаборатории	5
Раздел 1. Физическая химия Тема 1.1 Основы термодинамики химических процессов	7
Лабораторная работа №1 «Определение теплового эффекта реакции нейтрализации»	7
Тема 1.2 Химическая кинетика и катализ Лабораторная работа №2 «Скорость химических реакций и факторы, на нее влияющие» Лабораторная работа №3 «С корость химической реакции»	9   10
Тема 1.3 Растворы Лабораторная работа №4 «Рефрактометрическое определение концентрации соков овощей и их осмотических давлений» Лабораторная работа №5 «Решение задач»	12 14
Тема 1.4 Поверхностные явления Лабораторная работа №6 «Адсорбция уксусной кислоты активированным углем» Лабораторная работа №7 «Определение коэффициента поверхностного натяжения жидкости»	19 20
Раздел 2. Коллоидная химия Тема 2.1 Общая характеристика дисперсных систем. Лабораторная работа №8 тема «Химические системы. Истинные и коллоидные растворы».	21 22
Тема 2.2 Строение лиофобных золей. Лабораторная работа № 9 «Определение порога коагуляции золя гидроксида железа (III)». Лабораторная работа № 10 «Получение, устойчивость и коагуляция коллоидных растворов».	23   24
Тема 2.3 Грубодисперсные коллоидные системы. Лабораторная работа № 11 «Седиментационный анализ суспензий методом непрерывного взвешивания осадка».	27
Лабораторная работа № 12 «Получение устойчивых эмульсий и пен, выявление роли стабилизатора»	30
Тема 2.4 Высокомолекулярные соединения и их растворы. Лабораторная работа № 13 «Определение свойств белка»	32
Список литературы	34
Приложения	35

 

Введение

Правила работы в лаборатории химии

На первом занятии студенты должны ознакомиться с правилами техники безопасности и расписаться об этом в специальном журнале.

Работать в лаборатории студенты обязаны в халатах.

При выполнении опытов в лаборатории каждый студент должен соблюдать следующие основные правила работы:

1. Вначале необходимо ознакомиться с описанием опыта и только затем приступать к его выполнению.

2. При использовании реактивов необходимо поддержать порядок в рас­положении склянок с растворами и веществами, не перемещать их на другое место, ставить на полку или под тягу так, чтобы надпись на склянке была хорошо видна всем работающим.

3. При выполнении опыта необходимо брать то количество реактива, ко­торое указано в описании. Если количество реактива взято больше, чем необходимо для проведения опыта, лишнюю его часть выливать или пересыпать из пробирки в общие склянки не разрешается во избежа­ние порчи реактивов и растворов.

4. При нагревании пробирки, ее следует держать таким образом, чтобы отверстие не было направлено ни на себя, ни на работающих рядом или напротив.

5. Перед нагреванием пробирки с реакционной смесью необходимо удо­стовериться, что она целая (без трещин), а также что с наружной сто­роны пробирка сухая, в противном случае она лопнет.

6. При работе с пробиркой снабженной газоотводной трубкой, надо пом­нить, что убирать горелку из-под пробирки с реакционной смесью можно только после того, как нижний конец газоотводной трубки уда­лен из жидкости.

7. При работе с горючими и легко воспламеняющими жидкостями распо­лагать зажженные горелки по возможности дальше от места работы и от склянок с указанными жидкостями.

8. Категорически запрещается нагревать горючие органические вещества на открытом пламени горелки, необходимо пользоваться водяной ба­ней или асбестовой сеткой.

9. Работу с летучими ядовитыми веществами производить в вытяжном шкафу.

10. При воспламенении горючих веществ немедленно принимать меры к тушению огня (накрыть асбестовой сеткой, чашкой или засыпать пес­ком). В случае большого очага пожара пользоваться огнетушителем.

11. При пользовании концентрированными растворами кислот и щелочей следить, чтобы была исключена возможность попадания их на лицо, руки, одежду.

12. В конце работы необходимо убрать свое рабочее место. Качество уборки рабочих мест проверяет дежурный по группе.

Первая помощь при несчастных случаях в лаборатории

1. При ранении стеклом необходимо убедиться, что в ранке не осталось стекла. Если в ранку попал кусочек стекла, надо прежде всего удалить его пинцетом.

2. Затем (при небольшом ранении) протереть ранку ваткой, смоченной спиртом или смазать йодом и наложить повязку.

3. Если кровотечение сразу не прекращается, к ране надо приложить ку­сочек ваты, смоченной 10% (по массе) раствором хлорида железа (III).

4. При сильном кровотечении, связанным с ранением более крупных кро­веносных сосудов, надо временно перетянуть руку эластичным жгутом. Как только кровотечение остановится, жгут надо немедленно снять.

5. При термических ожогах пострадавшее место подержать под струей холодной воды, а затем нанести мазь от ожогов.

6. При ожогах кислотами следует немедленно и тщательно промыть обожженный участок водой, а затем 2%-ным раствором питьевой соды.

7. При ожогах щелочами следует немедленно и тщательно промыть обожженный участок водой, а затем 2%-ным раствором борной кислоты.

8. При ожогах бромом следует смачивать пораженное место 1%-ным раствором карбоната натрия (пока не исчезнет бурая окраска от брома), а затем наложить компресс из ваты или марли, смоченной 5%-ным раствором мочевины.

9. При ожогах фенолом следует промыть пораженный участок водой и наложить компресс из ваты или марли, смоченной глицерином.

10. После оказания первой помощи пострадавшего необходимо доставить в медицинский пункт.

Раздел 1. Физическая химия

 

Тема 1.1 Основы термодинамики химических процессов

 

Раздел - химической термодинамики,изучающий тепловые эффекты химических реакций и фазовых превращений,называется термохимией.

В ходе химической реакции происходит перестройка энергетических уровней атомов, молекул, изменяется внутренняя энергия и, следовательно, должно наблюдаться поглощение или выделение теплоты - тепловой эффект.

Закон Гесса: тепловой эффект реакции зависит от природы и состояния исходных веществ и конечных продуктов, но не зависит от пути реакции. Он лежит в основе термохимии и распространяется на все процессы, сопровождающиеся тепловыми эффектами - фазовые превращения, растворение, испарение, кристаллизация и т.д.

Если исходные вещества и продукты реакции находятся в стандартном состоянии, то тепловой эффект реакции называется стандартной энтальпией реакции Н ⁰.

Стандартное состояние веществ не зависит от температуры. Если в ходе реакции теплота выделяется, т.е. энтальпия системы понижается (Δ Н < 0), то реакция называется экзотермической. Реакция, протекающая с поглощением теплоты, т.е. с повышением энтальпии системы (Δ Н > 0), называется эндотермической.

Тепловой эффект реакции относительно мало зависит от температуры реакции и давления, поэтому в расчетах можно использовать стандартные значения энтальпий реакций (Н ⁰).

Термохимия оперирует термохимическими уравнениями. В них указывают тепловой эффект, агрегатные состояния веществ и допускаются дробные коэффициенты.

С термохимическими уравнениями можно оперировать, как и с алгебраическими уравнениями.

Лабораторная работа №1

Лабораторная работа №2

Лабораторная работа №3

Тема 1.3 Растворы

 

Растворы – это гомогенные системы переменного состава, включающие два и более компонентов. Частицы компонентов раствора распределены по его объему в виде атомов, молекул или ионов (размер частиц 0,1 – 0,5 нм).

Образование растворов, в отличие от механических смесей, сопровождается изменением энтальпии, энтропии и объема системы.

По агрегатному состоянию различают газовые, жидкие и твердые растворы. Но обычно термин растворы относится к жидким системам.

Способы выражения концентрации растворов:

Обозначение Название и определение Сm Молярная весовая концентрация (моляльность) - число молей растворённого вещества, приходящееся на 1000 г растворителя. CM Молярная объёмная концентрация (молярность) - число молей растворённого вещества, содержащееся в 1 литре раствора. Cн (н.) Нормальность - число грамм-эквивалентов растворённого вещества, содержащееся в 1 литре раствора. N Мольная (или молярная) доля - число молей растворённого вещества, приходящееся на 1 моль раствора. T Титр - число граммов растворённого вещества, содержащееся в 1 мл раствора. P Весовой процент - число граммов растворённого вещества, содержащееся в 100 г раствора. A Число граммов растворённого вещества, приходящееся на 100 г растворителя.

Лабораторная работа №4

Лабораторная работа №5

Тема «Решение задач»

Цель работы - закрепить знания по теме «растворы» путем решения расчетных задач.

 

Выполнение работы:

Задача 1. Выразите известным вам способом концентрацию раствора 10 г NaCl в 100 мл (г) воды. В качестве способов выражения концентрации используйте:

1) молярную весовую концентрацию (моляльность);

2) молярную объемную концентрацию (молярность);

3) нормальность (молярную концентрацию эквивалента);

4) моляльную (молярную) долю;

5) титр;

6) весовой процент;

7) число граммов растворенного вещества на 100 г растворителя (коэффициент растворимости при данных условиях).

 

Решение:

Если обозначить:

Э - эквивалентный вес растворённого вещества;

M - молекулярный вес растворённого вещества;

MP - молекулярный вес растворителя;

n - число грамм-эквивалентов в 1 моль растворённого вещества;

p - плотность раствора, то:

 

nNaCl= mNaCl/MNaCl=10/23+35.5=0.17 моля;

nNaCl • m’H2O (1000 г) 0.17 • 1000

 

1) Сm = ----------------------------------- = -------------------- = 1,7 моль/1000 г;

mH2O 100

nNaCl • 1000 мл 0.17 1000

 

2) CM = ---------------------------- = --------------------- = 1,7 моль/л

100 мл (V H2O) 100

 

T • 1000

3) СN = ---------------- =; CN = 1,7 г экв/л

 

Э

также возможен расчет нормальности раствора по следующей формуле:

m X

СN = -----------------, где

Э 100

 

m – масса, г; X - массовая доля, %; Э - эквивалентная масса, г/г-экв.

 

nNaCl • n’H2O (1 моль) 0.17 1

4) N = --------------------------- = ----------------------; nр-ра = nNaCl + nH2O; N = 0,033

nр-ра 5+0.17

 

mNaCl • V’H2O (1 мл) 10 1

5) Т = ----------------------- = ------------------------; Т = 0,1 г/мл

V H2O 100

 

mNaCl 10

6) Р = ------------ = -------------; Р = 9,09 %

mH2O + mNaCl 100+10

 

7) А = mNaCl / m’H2O; А = 0,1 г/100 г воды

Задача 2. В 100 г воды растворено 1,53 г глицерина. Давление пара воды при 298К равно 3167,2 Н/м2. Вычислите: а) понижение давления пара воды над раствором; б) температуру кипения раствора; в) температуру его замерзания; г) его осмотическое давление.

Решение:

а) В соответствии с законом Рауля относительное понижение давления равновесного с раствором пара равно:

ро – р Dр ¾¾¾¾ = ¾¾¾ = Хгл, ро ро   

 

где Хгл – мольная доля глицерина в растворе.

Хгл = nгл/(nгл + nводы), где n – количество вещества (моль).

nводы=100/18 = 5,555 моль; nгл = 1,53/92 = 0,017 моль; 

 

Значит, Хгл= 0,017/(0,017 + 5,555) = 0,003,

и тогда Dр/3167,2 = 0,03; DР = 95,02 Па.

б) Повышение температуры кипения раствора неэлектролита можно вычислить по эбуллиоскопической формуле:

Кэ m 1000 DТкип = ¾¾¾¾¾, M a 

 

где Кэ – эбуллиоскопическая константа растворителя (для воды она равна 0,52); m – масса растворенного вещества в граммах; М – его молярная масса;

а – масса растворителя в граммах. Отсюда

 

0,52´1,53´1000 DТкип = ¾¾¾¾¾¾¾¾ = 0,086о. 92´100 

 

Следовательно, температура кипения раствора будет равна 100,0860С.

в) Понижение (депрессия) температуры замерзания раствора рассчитывается по криоскопической формуле:

Кк m 1000 DТзам = ¾¾¾¾¾, M a

 

где Кк - криоскопическая константа растворителя (для воды 1,86):

1,86•1,53•1000 DТзам = ¾¾¾¾¾¾¾ = 0,309о 92•100 

 

Следовательно, раствор будет замерзать при –0,309 ⁰С.

г) в соответствии с законом Вант–Гоффа осмотическое давление в растворах неэлектролитов можно рассчитать по уравнению

p = CRT,

где С – молярная концентрация раствора.

При пересчете в систему СИ концентрация должна быть выражена в моль/м³. Считая плотность раствора равной плотности воды, получим:

1,53•1000 С = ¾¾¾¾¾ = 0,17 моль/л = 0,17´103 моль/м3. 90•100

 

Тогда

p = 0,17´103•8,314•298 = 421187,2 Па (» 4,2 атм).

Задача 3. Раствор, содержащий 0,8718 моль/л тростникового сахара, при Т = 291К, изотоничен с раствором хлорида натрия, содержащим 0,5 моль/л NaCl.Рассчитайте: а) изотонический и осмотический коэффициенты для хлорида натрия; б) кажущуюся степень его диссоциации.

 

Решение:

а) Для раствора сахара осмотическое давление рассчитывается по уравнению Вант-Гоффа для неэлектролитов:

p1 = С1RT;

 а для раствора NaCl по уравнению для электролитов:

p2 = iC2RT, где i -изотонический коэффициент.

 

Так как осмотические давления растворов равны, т.е. p1 = p2, и значит С1RT = iC2RT.

 

Отсюда i = С1/С2 = 0,8718/0,5 = 1,7436.

 

По величине изотонического коэффициента рассчитываем осмотический коэффициент g:

g = i/n = 1,7436/2 = 0,8718,

где n– число ионов, образующихся при диссоциации одной молекулы.

 

б) Кажущуюся степень диссоциации a вычисляем с помощью уравнения, связавющего ее с изотоническим коэффициентом:

i = 1 + a(n –1);

 

Отсюда a = (i –1)/(n–1) = (1,7436 –1)/(2 –1) = 0,7436.

Контрольные вопросы:

1. Рассчитайте объемы 0,1 М растворов уксусной кислоты и ацетата натрия, необходимые для приготовления 20 мл ацетатного буферного раствора с рН = 4.

2. Вычислить давление, необходимое для понижения температуры замерзания воды на 1⁰, и температуру, при которой будет плавиться лед при повышении давления на 1 атм. При 0 ⁰С удельная теплота плавления льда равна 333,5*10³ Дж/кг, плотность воды 0,9998*10³ кг/м3, плотность льда 0,9168*10³ кг/м³.

 

Лабораторная работа №6

Лабораторная работа №7

Натяжения жидкости»

Цель работы – ознакомить с методиками определения практически КПН методом отрыва капель и методом поднятия жидкости в капилляре, уметь вычислять погрешности измерений.

 

Выполнение работы:

Приборы и посуда: колб емкостью 250 мл; бюретка; пипетки на 5, 10 и 20 мл; мерный цилиндр на 100 мл; колбы на 100 мл.

Реактивы и материалы: 0,4 н раствор СН₃СООН; 0,1 н раствор NaОН; активированный уголь; фенолфталеин, фильтровальная бумага.

 

Раздел 2. Коллоидная химия

Лабораторная работа №8

Опыт 8. Получение эмульсий.

А) В пробирку налить5 мл воды, добавить 2 мл бензола, встряхнуть. Наблюдать образование нестойкой эмульсии, которая при стоянии расслаивается. Добавить 2 мл раствора мыла. Образуется стойкая эмульсия. Описать и объяснить наблюдаемые явления.

 В) В пробирку налить 5 мл воды, добавить 1 мл подсолнечного масла. Наблюдать образование нестойкой эмульсии, которая при стоянии расслаивается. Добавить 2 мл раствора мыла. Образуется стойкая эмульсия. Описать и объяснить наблюдаемые явления.

Контрольные вопросы:

1. Дайте определение и классификацию растворов.

2. Охарактеризуйте способность различных веществ растворяться в воде и в органических растворителях.

3. Что такое коллоидные растворы. Приведите примеры, охарактеризуйте свойства.

4. Что такое золи. Приведите примеры, охарактеризуйте свойства.

5. Что такое суспензии и эмульсии. Приведите примеры, охарактеризуйте свойства.

 

Лабораторная работа № 9

Лабораторная работа № 10

Лабораторная работа № 11

Лабораторная работа № 12

Опыт 1. Получение эмульсий.

Приготовьте 3 пробирки и налейте

· в 1-ю 5 мл воды,

· во 2-ю 5 мл раствора мыла,

· в 3-ю 5 мл раствора белка.

Добавьте в каждую пробирку по 5 капель растительного масла и взболтайте содержимое. Наблюдайте образование и относительную скорость разрушения эмульсий.

Задание. Определите дисперсионную среду и фазу для каждой системы. Какие системы наиболее устойчивые (частицы масла не коагулируют)? Дайте объяснение различной устойчивости полученных эмульсий (определять по полярности (неполярности) среды и стабилизатора).

 

Опыт 2. Получение пен.

 

Налейте в колбу 15 мл воды и через капиллярную трубку продувайте воздух. Повторите опыт, заменив воду раствором мыла.

В каком случае образуется пена?

K полученной пене добавке 1-2 капли спирта.

Как это повлияла на устойчивость пены?

Задание. Объясните, почему в чистой воде пена не образуется, а образуется в растворе мыла? Какова роль спирта?

Лабораторная работа № 13

Список литературы

1. Физическая химия: Учебник для хим. спец. вузов / Под редакцией А.Г.

Стромберга. – М.: Высшая школа, 2001. – 527с.

2. Гельфман М.И., Ковалевич О.В., Юстратов В.П. Коллоидная химия. –

СПб.: Изд-во «Лань», 2003. – 336 с.

3. Хмельницкий Р.А. Физическая и коллоидная химия. – М.: Высшая

школа, 1988. – 400 с.

4. Болдырев А.И. Физическая и коллоидная химия. – М.: Высшая школа,

1983. – 408 с.

5. Зимон А.Д., Лещенко Н.Ф. Коллоидная химия: Учебник для вузов. – М.:

ВЛАДМО, 1999. – 320 с.

6. Заплишный В.Н. Физическая и коллоидная химия. – Краснодар: ГУП

«Печатный двор Кубани», 2001. – 344 с.

 

ПРИЛОЖЕНИЕ

Стандартные энтальпии образования D Н ° ₂₉₈, энтропии S º₂₉₈ и энергии Гиббса образования Δ G ° ₂₉₈ некоторых веществ

Вещество	D Н ° 298, кДж/моль	S º298, Дж/(моль·К)	Δ G ° 298, кДж/моль
Al2O3 (к.)	–1676,0	50,9	–1582,0
C(графит)	0	5,7	0
C(алмаз)	1,9	2,4	2,9
Br2(ж.)	0	152,3	0
Br2(г.)	30,9	245,3	3,1
CH4 (г.)	–74,9	186,2	–50,8
C2H2 (г.)	226,8	200,8	209,2
C2H4 (г.)	52,3	219,4	68,1
C2H6 (г.)	–89,7	229,5	–32,9
C6H6 (ж.)	82,9	269,2	129,7
CO(г.)	–110,5	197,5	–137,1
CO2 (г.)	–393,5	213,7	–394,4
Cr2O3(к.)	–1440,6	81,2	–1050,0
CuO (к.)	–162,0	42,6	–129,9
FeO (к.)	–264,8	60,8	–244,3
Fe2O3 (к.)	–822,2	87,4	–740,3
H2 (г.)	0	130,5	0
HBr (г.)	–36,3	198,6	–53,3
MgO (к.)	–601,9	26,9	–569,6
MgCO3 (к.)	–1096,0	65,7	–1019,3
O2 (г.)	0	205,0	0
P2O5 (к.)	–1492	114,5	–1348,8
PbO (к.)	–219,3	66,1	–189,1
PbO2 (к.)	–276,6	74,9	–218,3
ZnO (к.)	–350,6	43,6	–320,7
F2 (г.)	0	202,9	0
NaF (к.)	–573,6	51,3	–543,3
Cl2 (г.)	0	229,9	0
NaCl (к.)	–411,1	72,1	–384,0

 

 

донецкой народной республики

государственное образовательное учреждение

высшего профессионального образования

«ДОНБАССКАЯ АГРАРНАЯ АКАДЕМИЯ»

кафедра естественнонаучных дисциплин

Методические рекомендации

К Лабораторным занятиям

по учебной дисциплине

«ФИЗИЧЕСКая И КОЛЛОИДНая ХИМИя»

направления подготовки 35.03.03 «Агрохимия и агропочвоведение», 35.03.04 «Агрономия», 35.03.05 «Садоводство» (профиль «Декоративное садоводство и флористика»), 36.03.01 «Ветеринарно-санитарная экспертиза»

Всех форм обучения

Макеевка, 2020 г.

министерство образования и науки