2. Визначення молекулярної маси розчиненої речовини кріоскопічним методом

Для роботи необхідно: кріоскоп; пробірка для розчину з мішалкою; термометр Бекмана; стаканчик фарфоровий; лід; сіль; речовина і розчини для дослідження.

Виходячи з сучасної теорії розведених розчинів, встановлена залеж- ність пониження точки замерзання розчинника від концентрації роз- чиненої в ньому речовини:

,

де К_кр – кріоскопічна стала; g – вага розчиненої речовини, кг; g_о – вага розчинника, кг; М – молекулярна маса розчиненої речовини. Це рівняння справедливе для розведених розчинів, що не дисоціюють на йони, а також неасоційованих.

Розв’язавши це рівняння відносно молекулярної маси М, експери- ментально визначаючи величини, що входять до нього, можна розрахувати молекулярну вагу неелектроліту:

,

де g_о – вага розчинника, кг (її можна брати і в об’ємних одиницях, знаючи густину розчинника). Для води густина приблизно дорівнює 1.

Визначаючи експериментально пониження температури замерзання розчину неелектроліту, можна розрахувати його молярність, виходячи з того, що кріоскопічна стала К_кр – молярне пониження точки замерзання розчинника, тобто таке пониження температури, яке спостерігається, коли в 1 кг розчинника розчинений 1 моль речовини.

Молярну концентрацію розчину неелектроліту визначають за фор- мулою:

.

Значення кріоскопічної сталої залежить від властивостей і виража- ється рівнянням:

,

де R – газова стала в калоріях; T – абсолютна температура замерзання розчинника; M_o – молекулярна маса розчинника; _зам. – молекулярна теплота замерзання розчинника; l_зам. – питома теплота замерзання роз- чинника.

Температури замерзання деяких розчинників, а також кріоскопічні сталі приведені в табл. 2, що знаходиться в кінці опису.

У випадку слабких електролітів число молекул і йонів у і разів більше числа початково взятих молекул:

,

де і – коефіцієнт Вант-Гоффа;  – ступінь дисоціації; п – число йонів, які утворюються з однієї молекули. Тому рівняння для пониження темпе- ратури замерзання у випадку слабких електролітів можна записати в такому вигляді:

.

Для електролітів, молекулярна маса яких невідома, розв’язуючи це рівняння, одержимо:

.

У випадку слабких електролітів, при відомій молекулярній масі, можна підрахувати коефіцієнт Вант-Гоффа:

.

Знаючи і, підраховують ступінь дисоціації електролітів

.

Рис.1

Перш ніж приступити до роботи, необ- хідно ознайомитися з термометром Бекмана (рис. 2.).

Рис. 2.

Шкала термометра розділена на 5 К, кожний градус ділиться на десяті долі, а кожна десята доля в свою чергу ділиться на соті долі; тисячні долі можуть бути при- близно розраховані за допомогою лупи.

Термометр для кріоскопічних вимірів налагоджується так, щоб при температурі замерзання рівень ртуті знаходився між третім і п’ятим градусами. Перед наладкою термометра перевіряють його покази при умовах, необхідних для роботи. Якщо рівень ртуті в капілярі не буде встановлюватися між 3 К і 5 К, термометр необхідно налагодити. Це робиться наступним чином: затискують рукою нижній резервуар ртуті, тобто нагрівають його і з’єднують із стовпчиком ртуті в верхньому резервуарі. Якщо в нижньому резервуарі був надлишок ртуті, тобто ртуть піднімалась у попередньому досліді вище п’ятого градусу, то після з’єднання обох резервуарів необхідно частину ртуті перевести в верхній резервуар. Для цього термометр повертають верхнім резервуаром вниз. Якщо ртуть у попередньому досліді опускалась нижче нуля, тобто в нижньому резервуарі ртуті недостатньо, то частину ртуті необхідно перелити з верхнього в нижній резервуар.

Для цього з’єднують верхній і нижній резервуар, і нижній резервуар охолоджують в суміші льоду і води. Після того, як ртуть перейде в деякій кількості в потрібному напрямку, розривають стовпчик ртуті в капілярі. Нижній резервуар затискають у долоні і легким постукуванням однієї руки по другій розривають стовпчик ртуті. У випадку, коли ртуть не зупи- няється в потрібному інтервалі температур, налагодження повторюють.

Налагоджений термометр залишають у стакані з льодом і присту- пають до наступної операції.

Розчинник наливають у пробірку в такій кількості, щоб після зану- рення в нього термометра Бекмана рівень рідини був на 2–3 см вищий верх- ньої частини нижнього резервуару, а нижня частина резервуару не повин-на доходити до дна на 1–2 см. У більшості випадків заливають 25–40 мл розчинника.

Потім готують охолоджену суміш із води, льоду і солі з температурою на 3–4 К нижче температури замерзання розчинника. Заповнюють охо- лоджуючою сумішшю стакан 3, проводять наближене визначення t_o замерзання розчинника. Для цього пробірку з розчинником і вставленим в неї термометром поміщають безпосередньо в охолоджуючу суміш. Перемішуючи рідину, спостерігають за показами термометра. Внаслідок переохолодження температура опускається нижче точки замерзання; коли починається кристалізація в результаті виділення теплоти кристалізації, температура розчину починає підвищуватися. По термометру відра- ховують максимальну температуру, яка й приймається за наближену температуру замерзання. Наближеною вона являється тому, що дослід проводиться в умовах, які не виключають нерівномірностей охолодження.

Після наближеного визначення температури пробірку виймають з охолоджуючої суміші і розплавляють утворені кристали, опускаючи про- бірку у воду кімнатної температури. Потім ставлять пробірку у повітряну сорочку 2 приладу. Для прискорення процесу охолодження рідину в пробірці 1 перемішують мішалкою 5. Коли встановиться температура приблизно на 0,5 К вище попередньо знайденої наближеної температури кристалізації, перемішування припиняють і переохолоджують рідину на 0,2–0,5 К нижче наближеної температури. Перемішуючи переохолоджений розчинник, зумовлюють його кристалізацію. Процес кристалізації супро- воджується виділенням прихованої теплоти плавлення, яка, в свою чергу, веде до збільшення температури. Максимальну температуру, яка спосте- рігалась при кристалізації, відмічають, користуючись лупою з точністю до 0,002 К і записують як температуру замерзання розчинника.

Вимірювання температури замерзання чистого розчинника повто- рюють декілька разів. Після кожного визначення пробірку 1 виймають з приладу, утворені кристали розплавляють, як було вказано вище.

Середнє арифметичне з окремих вимірів приймають за дійсне зна- чення температури замерзання розчинника. Графічна похибка не повинна перевищувати 0,005 К.

Для визначення молекулярної маси досліджуваної речовини беруть наважку g 0,2–0,3 г з точністю зважування до 0,0001 г і розчиняють її в даному розчиннику.

Наближену температуру кристалізації визначають так, як і для роз- чинника.

Визначення проводять 3 рази. Середнє значення трьох вимірів беруть за дійсне.

В даній роботі студент повинен виконати наступні завдання:

1. Визначити молекулярну масу речовини.

2. Визначити ступінь дисоціації слабкого електроліту або коефіцієнт активності сильного електроліту.

3. Визначити молярну концентрацію розчину неелектроліту.

Результати роботи і розрахункові дані записують по формі:

Об’єм розчинника V =

Вага розчинника g_o =

Вага розчиненої речовини g =

Електроліт для визначення ступені дисоціації

Об’єм, взятий для досліджування молярної концентрації V_k =

Вага розчинника g_o =

Вага розчиненої речовини g =

Досліджувані і розрахункові дані заносяться в табл. 1.

Таблиця 1

Таблиця 2