Определение вероятности протекания реакции

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА №1

 

ХИМИЧЕСКАЯ ТЕРМОДИНАМИКА

 

1. Определение изменения энтальпии реакции нейтрализации

Для проведения эксперимента необходимо взять (по указанию преподавателя) один из растворов сильной кислоты (HCl, H₂SO₄, HNO₃) и один из растворов щелочи (NaOH, KOH) заданных концентраций. Составьте уравнение реакции между указанными кислотой и щелочью в молекулярном и ионном виде.

Опыт проводят в калориметрической установке, упрощенная схема которой показана на рисунке 1. Установка состоит из двух алюминиевых стаканов, вставленных один в другой и изолированных друг от друга корковыми или резиновыми прокладками в целях уменьшения потерь тепла. Во внутренний стакан калориметра помещается стеклянный химический стакан, в котором и проводится опыт.

Взвесьте калориметрический стеклянный стакан. Измерьте его диаметр и высоту с точностью до 1 мм. При помощи мерных цилиндров точно отмерьте равные объемы (20‑25 мл, объем указывает преподаватель) растворов кислоты и щелочи равных концентраций; при этом необходимо воспользоваться разными цилиндрами, маркированными соответственно буквами «К» и «Щ». В стеклянный стакан калориметра, предварительно вытащив его из калориметрической установки, аккуратно, без потерь, внесите отмеренный объем раствора щелочи. Стакан с раствором щелочи вновь поместите в калориметрическую установку. Измерьте температуру раствора кислоты при помощи ртутного термометра с точностью до 0,1⁰С. Ополоснув термометр дистиллированной водой, c той же точностью измерьте температуру раствора щелочи, находящегося в стеклянном стакане калориметра. Не вынимая термометра из раствора щелочи, быстро и без потерь прилейте к нему весь раствор кислоты. При помощи термометра аккуратно перемешайте полученный раствор и отметьте максимальную температуру, которую покажет термометр. После этого вытащите стеклянный стакан из калориметрической установки и измерьте высоту столба жидкости в нем. С помощью ареометра измерьте плотность полученного раствора.

Результаты опыта внесите в таблицу.

На основании полученных данных рассчитайте изменение энтальпии реакции нейтрализации.

 

Кислота

Щелочь

tнач.,°С растворов кислоты и щелочи до начала опыта (tК + tЩ)/2

tкон..,°С раствора после проведения реакции нейтрализации

r, г/см^3 раствора после проведения реакции нейтрализации

Стакан

СМ, моль/л

V, мл

tК,°С до начала опыта

СМ, моль/л

V, мл

tЩ,°С до начала опыта

масса, г

диаметр, см

высота, см

высота столба жидкости после опыта, см

Пояснение к расчетам:

1. Вычисление теплоты, выделившейся в ходе опыта, проводится по формуле:

Q = (m_р‑раС_р‑ра + m_стеклаС_стекла)Dt (Дж),

где Dt = t_кон. – t_нач; С_р‑ра и С_стекла – удельные теплоемкости раствора (С_р‑ра примем равной теплоемкости воды, С_воды = 4,184 Дж/г К) и стекла (С_стекла = 0,753 Дж/г К); m_р‑ра и m_стекла – массы раствора после проведения реакции и стакана, занятого раствором. Массу раствора можно определить, зная его плотность и объем (определяем как сумму объемов исходных растворов кислоты и щелочи, при этом, правда, пренебрегаем контракцией). Массу стакана, занятого раствором, можно оценить по пропорции, предварительно вычислив его общую площадь и площадь, занятую раствором.

2. Зная концентрации и объемы исходных растворов, вычислить количества n кислоты и щелочи, взятые для проведения реакции. По найденной величине сделать пересчет выделившегося количества тепла на 1 моль Н⁺ (ОН^‑).

3. Рассчитать значение изменения энтальпии реакции нейтрализации по табличным данным (DН_обр.⁰(Н⁺) = 0, DН_обр.⁰(ОН^‑) =‑230,19, DН_обр.⁰(Н₂О_(ж)) = ‑285,83 кДж/моль). Определить (в %) относительную ошибку опыта.

Почему реакция нейтрализации сопровождается выделением тепла? Почему тепловой эффект реакции нейтрализации сильного основания сильной кислотой не зависит от природы кислоты и основания? относится ли то же самое к слабым кислотам и основаниям и почему?

	DG^0f, кДж/моль
Mn^2+	‑227,1
Fe^2+	‑78,96
Cu^2+	65,61
Zn^2+	‑147,26
MnS	‑219,36
FeS	‑100,8
CuS	‑53,6
ZnS	‑200,7
H2S	‑27,9
H2O	‑237,24

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА №2

Катализ

Автокатализ

В две пробирки налейте по 2 мл насыщенного раствора щавелевой кислоты, добавьте по нескольку капель разбавленной серной кислоты и раствора перманганата калия, а затем в одну из пробирок внесите несколько капель раствора сульфата марганца (II). В какой из пробирок обесцвечивание перманганата идет быстрее? Составьте уравнение. В чем роль сульфата марганца (II)? Какие реакции называются автокаталитическими?

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА №3

РАСТВОРЫ. ПРОЦЕСС РАСТВОРЕНИЯ. РАСТВОРИМОСТЬ

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА №4

ЭЛЕКТРОЛИТИЧЕСКАЯ ДИССОЦИАЦИЯ. ОБМЕННЫЕ РЕАКЦИИ В РАСТВОРАХ ЭЛЕКТРОЛИТОВ. УСЛОВИЯ ОБРАЗОВАНИЯ ОСАДКОВ

 

1. Зависимость электропроводности растворов от силы электролитов

Рис.4. Схема прибора для изучения электропроводности растворов

В предварительно промытый дистиллированной водой небольшой стеклянный стаканчик налейте 0,1М раствор уксусной кислоты и, осторожно опустив в раствор два электрода, по яркости свечения лампочки (рис.4) сделайте вывод о степени диссоциации уксусной кислоты в этом растворе.

Такой же опыт повторите с дистиллированной и водопроводной водой, раствором глицерина, 0,1М растворами аммиака, соляной и азотной кислоты, гидроксидов калия и натрия, хлорида кальция, а также с насыщенным раствором сульфата кальция. Объясните результаты. Составьте уравнения электролитической диссоциации всех рассмотренных в данном опыте электролитов. После каждого испытания выключайте прибор из сети и промывайте стаканчик и электроды дистиллированной водой!

Слейте растворы уксусной кислоты и аммиака в один стакан и определите электропроводность полученного раствора. Объясните полученный результат.

Всегда ли процесс растворения молекулярных и ионных веществ сопровождается электролитической диссоциацией?

2. Зависимость электропроводности раствора от концентрации электролита

Измерьте электропроводность концентрированного раствора уксусной кислоты и сделайте вывод о силе данного электролита. Разбавьте этот раствор водой в соотношении примерно 4:1 (для этого кислоту долейте к заранее отмеренному количеству воды) и вновь изучите электропроводность. После этого раствор разбавьте вдвое и повторите измерение электропроводности. Обоснуйте наблюдаемые явления.

(Опыт выполняется демонстрационно).

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА №5

ГИДРОЛИЗ СОЛЕЙ

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА №6

ГАЛЬВАНИЧЕСКИЙ ЭЛЕМЕНТ. НАПРАВЛЕНИЕ ПРОТЕКАНИЯ ОКИСЛИТЕЛЬНО‑ВОССТАНОВИТЕЛЬНЫХ РЕАКЦИЙ. ЭЛЕКТРОХИМИЧЕСКАЯ КОРРОЗИЯ. ЭЛЕКТРОЛИЗ

Гальванический элемент

Из указанных преподавателем металлов и их растворов соберите гальванический элемент (рис.5). Для этого два небольших стаканчика на 3/4 наполните 1М растворами указанных солей и опустите в них пластины соответствующих металлов, соединенные металлическим проводником. Стаканы с растворами соедините солевым мостиком ‑ стеклянной трубкой, заполненной раствором хлорида калия. Отметьте по вольтметру напряжение.

Рассчитайте ожидаемое значение ЭДС для каждого гальванического элемента, использованного в опыте. Составьте схемы гальванических элементов, указав катод и анод и направление движения тока в цепи.

Как изменится ЭДС гальванического элемента, если один из растворов солей разбавить в 10 раз? Рассчитайте ЭДС для данного случая и измерьте, разбавив соответствующий раствор в 10 раз. Вновь сравните расчетное и экспериментальное значения. Как следует изменять концентрацию раствора в прикатодном пространстве (в прианодном пространстве), чтобы повысить ЭДС гальванического элемента?

 

2. Направление протекания окислительно‑восстановительных реакций

Полуреакция	j^0, B
Na^+ + e ® Na^0	‑2,713
K^+ + e ® K^0	‑2,923
Al^3+ + 3e ® Al^0	‑1,66
Cu^2+ + 2e ® Cu^0	0,345
Fe^2+ + 2e ® Fe^0	‑0,44
Ni^2+ + 2e ® Ni^0	‑0,228
Sn^2+ + 2e ® Sn^0	‑0,136
Zn^2+ + 2e ® Zn^0	‑0,764
Fe^3+ + e ® Fe^2+	0,77
Cl2 + 2e ® 2Cl^‑	1,359
Br2 + 2e ® 2Br^‑	1,087
I2 + 2e ® 2I^‑	0,536
2H^+ + 2e ® H2
2H2O + 2e ® H2 + 2OH^‑	‑0,828
O2 + 2H2O + 4e ® 4OH^‑	0,401
O2 + 4H^+ + 4e ® 2H2O	1,229
S2O8^2‑ + 2e ® 2SO4^2‑	2,01

Пользуясь таблицами стандартных электродных потенциалов, рассчитайте ЭДС окислительно‑восстановительной реакции между ионами Fe³⁺ и Г^‑ (где Г = Cl, Br, I) и сделайте вывод о возможности восстановления ионов Fe³⁺ каждым из галогенид‑ионов.

Расчеты проверьте на опыте. В три пробирки налейте по 2 мл 2М растворов хлорида, бромида и иодида калия, затем в каждую из них добавьте равные объемы 2М раствора хлорида железа (III). Что наблюдается? Согласуются ли данные опыта с расчетом? Если нет, то почему? Что нужно изменить в условиях проведения опыта, чтобы расчетные и экспериментальные данные совпали?

Сделайте следующий расчет, имеющий отношение к проведенному опыту, и его результат используйте для комментария вашего эксперимента: начиная с какой концентрации бромид‑ионов восстановление ионов Fe³⁺ термодинамически возможно, если [Fe³⁺] = 1 моль/л и [Fe²⁺] = 10^‑6 моль/л.

Коррозия

Протекторная защита

В одной пробирке смешайте 5‑6 мл 1 М раствора уксусной кислоты и 0,5 мл раствора иодида калия. Содержимое пробирки разлейте на две части, затем одновременно в одну из них поместите кусочек свинца, в другую ‑ свинец в контакте с цинком. В какой пробирке раствор приобретает более интенсивную желтую окраску и почему? Объясните результаты опыта, составьте уравнения катодного и анодного процессов. Какой способ защиты от коррозии моделирует данный опыт?

Пассивирование стали

Зачистите наждаком два гвоздя. Один гвоздь пассивируйте, опустив его в пробирку с концентрированным раствором азотной кислоты. Ополосните гвоздь водой и вновь опустите в тот же раствор, после чего гвоздь достаньте и сполосните водой.

Обработанный и необработанный концентрированной кислотой гвоздь поместите в две пробирки с разбавленным раствором серной кислоты. В каком случае скорость выделения газа (какого?) больше?

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА №7

КОМПЛЕКСНЫЕ СОЕДИНЕНИЯ

 

Окраска комплексов

а) Сравнение окраски безводных солей и кристаллогидратов

В отдельных тиглях нагрейте кристаллические вещества CoCl₂*6H₂O, CuSO₄*5H₂O, NiSO₄*7H₂O, наблюдайте изменение окраски за счет образования безводных солей. После охлаждения тиглей добавьте по каплям воду; как при этом изменилась окраска?

 

 

	Kнест.
[Ag(NH3)2]^+	5,8*10^‑8
[Ag(S2O3)2]^3‑	1*10^‑13
[HgI4]^2‑	1*10^‑3^0
[BiI4]^‑	1,1*10^‑15
[Cu(NH3)4(H2O)2]^2+	2*10^‑13
[Ni(NH3)6]^2+	2*10^‑9
[Zn(NH3)4]^2+	4*10^‑10
[Fe(CN)6]^3‑	1*10^‑31
[Fe(CN)6]^4‑	1*10^‑24
[Fe(SCN)6]^3‑	5,9*10^‑4
[Fe(HC2O4)3]	6,3*10^‑^21
	ПР
AgCl	1,8*10^‑^10
Ag2O	1,95*10^‑8
Ag2S	6*10^‑50
HgO	3*10^‑^26
HgS	3*10^‑^53
CuS	6*10^‑36
Cu(OH)2	8,3*10^‑20
Ni(OH)2	2*10^‑15
Zn(OH)2	1,4*10^‑^17
BiI3	8,1*10^‑^19
Bi2S3	1,6*10^‑^72
Bi(OH)3	4,3*10^‑^31

Составьте уравнения реакций и объясните изменение окраски за счет изменения природы лигандов, окружающих данный комплексообразователь.

б) Сравнение окраски комплексов кобальта (+2)

К водному раствору соли кобальта, содержащему аквакомплексы [Co(H₂O)₆]²⁺, в отдельных пробирках добавьте концентрированную соляную кислоту и кристаллический роданид аммония. Наблюдайте изменение окраски за счет комплексообразования.

Составьте уравнения реакций с учетом того, что в полученных комплексных соединениях кч(Со) = 4. Объясните изменение окраски за счет изменения природы и симметрии поля лигандов, окружающих данный комплексообразователь. Почему окраска изменилась с розовой на синюю (а, например, не наоборот)?

Таблица растворимости веществ в воде при комнатной температуре

 

Ион	OH^	NO3^	Cl^	S^2	SO3^2	SO4^2	CO3^2	SiO3^2	PO4^3
H^+		Р	Р	Р	Р	Р	Р	Н	Р
NH4^+	Р	Р	Р	Р	Р	Р	Р	?	
K^+	Р	Р	Р	Р	Р	Р	Р	Р	Р
Na^+	Р	Р	Р	Р	Р	Р	Р	Р	Р
Ag^+	?	Р	Н	Н	Н	М	Н	?	Н
Ba^2+	Р	Р	Р	Р	Н	Н	Н	Н	Н
Ca^2+	М	Р	Р	М	Н	М	Н	Н	Н
Mg^2+	Н	Р	Р	Н	Н	Р	Н	Н	Н
Zn^2+	Н	Р	Р	Н	Н	Р	Н	Н	Н
Cu^2+	Н	Р	Р	Н	?	Р	Н	?	Н
Hg^2+	?	Р	Р	Н	Н		?	?	Н
Pb^2+	Н	Р	Н	Н	Н	Н	Н	Н	Н
Fe^2+	Н	Р	Р		Н	Р	Н	Н	Н
Fe^3+	Н	Р	Р		?	Р	?	?	Н
Al^3+	Н	Р	Р		?	Р	?	?	Н
Cr^3+	Н	Р	Р			Р	?	?	Н

Вещество:

“Р” ‑ растворимо,

“Н” ‑ нерастворимо,

“М” ‑ малорастворимо,

“ “ ‑ в водной среде разлагается,

“?” – нет данных о существовании соединения.

 

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА №1

 

ХИМИЧЕСКАЯ ТЕРМОДИНАМИКА

 

1. Определение изменения энтальпии реакции нейтрализации

Для проведения эксперимента необходимо взять (по указанию преподавателя) один из растворов сильной кислоты (HCl, H₂SO₄, HNO₃) и один из растворов щелочи (NaOH, KOH) заданных концентраций. Составьте уравнение реакции между указанными кислотой и щелочью в молекулярном и ионном виде.

Опыт проводят в калориметрической установке, упрощенная схема которой показана на рисунке 1. Установка состоит из двух алюминиевых стаканов, вставленных один в другой и изолированных друг от друга корковыми или резиновыми прокладками в целях уменьшения потерь тепла. Во внутренний стакан калориметра помещается стеклянный химический стакан, в котором и проводится опыт.

Взвесьте калориметрический стеклянный стакан. Измерьте его диаметр и высоту с точностью до 1 мм. При помощи мерных цилиндров точно отмерьте равные объемы (20‑25 мл, объем указывает преподаватель) растворов кислоты и щелочи равных концентраций; при этом необходимо воспользоваться разными цилиндрами, маркированными соответственно буквами «К» и «Щ». В стеклянный стакан калориметра, предварительно вытащив его из калориметрической установки, аккуратно, без потерь, внесите отмеренный объем раствора щелочи. Стакан с раствором щелочи вновь поместите в калориметрическую установку. Измерьте температуру раствора кислоты при помощи ртутного термометра с точностью до 0,1⁰С. Ополоснув термометр дистиллированной водой, c той же точностью измерьте температуру раствора щелочи, находящегося в стеклянном стакане калориметра. Не вынимая термометра из раствора щелочи, быстро и без потерь прилейте к нему весь раствор кислоты. При помощи термометра аккуратно перемешайте полученный раствор и отметьте максимальную температуру, которую покажет термометр. После этого вытащите стеклянный стакан из калориметрической установки и измерьте высоту столба жидкости в нем. С помощью ареометра измерьте плотность полученного раствора.

Результаты опыта внесите в таблицу.

На основании полученных данных рассчитайте изменение энтальпии реакции нейтрализации.

 

Кислота

Щелочь

tнач.,°С растворов кислоты и щелочи до начала опыта (tК + tЩ)/2

tкон..,°С раствора после проведения реакции нейтрализации

r, г/см^3 раствора после проведения реакции нейтрализации

Стакан

СМ, моль/л

V, мл

tК,°С до начала опыта

СМ, моль/л

V, мл

tЩ,°С до начала опыта

масса, г

диаметр, см

высота, см

высота столба жидкости после опыта, см

Пояснение к расчетам:

1. Вычисление теплоты, выделившейся в ходе опыта, проводится по формуле:

Q = (m_р‑раС_р‑ра + m_стеклаС_стекла)Dt (Дж),

где Dt = t_кон. – t_нач; С_р‑ра и С_стекла – удельные теплоемкости раствора (С_р‑ра примем равной теплоемкости воды, С_воды = 4,184 Дж/г К) и стекла (С_стекла = 0,753 Дж/г К); m_р‑ра и m_стекла – массы раствора после проведения реакции и стакана, занятого раствором. Массу раствора можно определить, зная его плотность и объем (определяем как сумму объемов исходных растворов кислоты и щелочи, при этом, правда, пренебрегаем контракцией). Массу стакана, занятого раствором, можно оценить по пропорции, предварительно вычислив его общую площадь и площадь, занятую раствором.

2. Зная концентрации и объемы исходных растворов, вычислить количества n кислоты и щелочи, взятые для проведения реакции. По найденной величине сделать пересчет выделившегося количества тепла на 1 моль Н⁺ (ОН^‑).

3. Рассчитать значение изменения энтальпии реакции нейтрализации по табличным данным (DН_обр.⁰(Н⁺) = 0, DН_обр.⁰(ОН^‑) =‑230,19, DН_обр.⁰(Н₂О_(ж)) = ‑285,83 кДж/моль). Определить (в %) относительную ошибку опыта.

Почему реакция нейтрализации сопровождается выделением тепла? Почему тепловой эффект реакции нейтрализации сильного основания сильной кислотой не зависит от природы кислоты и основания? относится ли то же самое к слабым кислотам и основаниям и почему?

	DG^0f, кДж/моль
Mn^2+	‑227,1
Fe^2+	‑78,96
Cu^2+	65,61
Zn^2+	‑147,26
MnS	‑219,36
FeS	‑100,8
CuS	‑53,6
ZnS	‑200,7
H2S	‑27,9
H2O	‑237,24

Определение вероятности протекания реакции

Составьте молекулярные и ионные уравнения реакций растворения сульфидов марганца, железа, меди и цинка в разбавленной серной кислоте и, выполнив по данным таблицы необходимые расчеты, определите, растворение каких сульфидов термодинамически вероятно, а каких – нет.

Пользуясь растворами солей марганца, железа, меди и цинка и раствором сульфида натрия, осадите в четырех пробирках указанные сульфиды, осадки промойте дистиллированной водой методом декантации, а затем добавьте к каждому из них 2‑3 мл разбавленного раствора серной кислоты. Что происходит? Сравните данные опыта с результатами расчета.