VII Международная студенческая научная конференция Студенческий научный форум - 2015

Криоскопический метод определения молекулярной массы какого-либо вещества, основанный на измерении понижения температуры замерзания растворов, называется криоскопией. Метод применяется для идентификации веществ по молекулярной массе.

Температура замерзания – это температура, при которой давление пара жидкого растворителя или раствора равно давлению пара растворителя в твердом состоянии (точки А и C на рис. 1). Вследствие понижения давления насыщенного пара над раствором, температура замерзания последнего (Т_З^/) ниже, чем температура замерзания чистого растворителя T_З⁰.

Разность между температурами замерзания чистого растворителя и раствора (T_З⁰ – Т_З^/) называется относительным понижением температуры замерзания раствора или депрессией раствора (DT_З). [1]

Рис. 1. Температурная зависимость давления насыщенного пара растворителя АВ – над чистым жидким растворителем (кривая испарения); CD – над раствором; CA – над растворителем в твердом состоянии (кривая возгонки).

Для относительного понижения температуры замерзания раствора неэлектролита можно получить следующее уравнение

(1)

где m – моляльная концентрация растворенного вещества;

K – криоскопическая константа растворителя или мольное понижение температуры замерзания.

Для растворов электролитов уравнение (1) несколько преобразуется:

(2)

где i – изотонический коэффициент.

Схема экспериментальной установки

Для криоскопических измерений применяют установку, предложенную Бекманом (рис. 2).

Рис. 2.Схема установки с детализацией. 1 – широкогорлая пробирка; 2 – пробка; 3 – термометр; 4 – резиновая прокладка; 5 – стеклянная муфта; 6 – криостат.

Криостат представляет собой толстостенный стакан, наполненный охлаждающей смесью. Стеклянная широкогорлая пробирка 1 предназначена для растворителя и раствора. Пробирку закрывают пробкой 2, в которую вставляют термометр 3 (в исходном варианте экспериментальной установки предполагается использование термометра Бекмана, но в нашей работе достаточным является применение химического термометра с точностью 0,01⁰C). При помощи резиновой прокладки 4 пробирку помещают в воздушную стеклянную муфту 5, которую погружают в криостат 6. [2]

Определение температуры замерзания

В пробирку помещают определенный объем растворителя. Этот объем должен быть таким, чтобы резервуар термометра был полностью погружен в жидкость и не касался стенок пробирки.

Пробирку вставляют в воздушную муфту, а затем все собранное помещают в криостат, наполненный охлаждающей смесью, и дают растворителю охладиться. Для построения кривой охлаждения записывают показания термометра через равные промежутки времени. При работе с водными растворами в качестве охлаждающей смеси применяют мелкораздробленный лед с поваренной солью. Температура охлаждающей смеси поддерживается постоянной посредством добавления льда или соли.

Для равномерности охлаждения жидкости охлаждающую смесь можно медленно перемешивать вставленной в криостат мешалкой. Перемешивание прекращают, когда значение температуры будет на 0,5⁰C выше ожидаемой температуры кристаллизации. После этого особенно внимательно следят за изменением температуры растворителя, так как жидкость легко переохлаждается, о чем свидетельствуют показания термометра. Для чистого растворителя допустимо переохлаждение до 1⁰C. Встряхивание пробирки с переохлажденной жидкостью вызывает кристаллизацию. При кристаллизации выделяется скрытая теплота, и температура кристаллизующейся жидкости начинает заметно повышаться. В это время необходимо особенно внимательно следить за показаниями термометра, отмечая максимальную температуру подъема (из переохлажденного состояния), которая и будет истинной температурой кристаллизации данной жидкости. После этого пробирку вынимают из стеклянной муфты и, подогревая ее в руке, растворяют образовавшиеся кристаллы.

На аналитических весах взвешивают заданное количество исследуемого вещества с точностью до 1∙10^-4 г. Навеску исследуемого вещества помещают в пробирку с растворителем и перемешивают путем встряхивания. Далее пробирку вставляют в воздушную муфту и, записывая показания термометра через равные промежутки времени.

По понижению температуры замерзания раствора могут быть определены следующие величины:

1. Молекулярная массарастворенного вещества, если известна криоскопическая константа растворителя:

(4)

где gB– масса растворенного вещества в г;

g_A – масса растворителя в г;

K – криоскопическая константа растворителя.

Этим методом можно определить молекулярную массу растворенного вещества только в том случае, если его молекулы не диссоциируют и не ассоциируют в растворе, а концентрация достаточно мала (т.е., раствор является разбавленным). Если эти условия не соблюдаются, по уравнению (4) определяется кажущаяся молекулярная масса.

2. Моляльная концентрация растворенного неэлектролита:

(5)

3. Криоскопическая константа растворителя, если известна молекулярная масса растворенного неэлектролита:

(6)

Обработка результатов эксперимента

Результаты эксперимента для наглядности представлены в табл. 2.

Таблица 2.

Масса навески растворенного вещества составляет gB = 0, 2 г.

Растворитель – диоксан, масса растворителя - 15г.

Понижение температуры замерзания раствора:

ΔT_З = (T_З⁰ – Т_З^/) = 10,50 – 10,15 = 0,35K.

Расчет молекулярной массы:

М=K*1000*gBT3*gA=4.71*0.2*10000.35*15=179.4

Относительная ошибка анализа составила 6.2%

Вывод

В данной работе с помощью криоскопического метода определяется молекулярная масса растворенного вещества. Относительную погрешность результата можно объяснить возможной визуальной неточностью определения точки начала кристаллизации, а также отклонением характеристик применяемого диоксана от справочных данных. Таким образом, измеряя понижение температуры кристаллизации раствора, мы рассчитали молекулярную массу растворенного вещества.

Список использованной литературы.

1. Миронов Г.С. «Основной органический синтез и нефтехимия Выпуск 5»

2. Физическая и коллоидная химия Учебник для ВУЗов, Хмельницкий Р.А., 2009г.

3. Физическая химия Учебник для ВУЗов, Зимон А.Д., 2006г.

4. Физическая химия, Стромберг А.Г., 2009г.

5. Н.К. Воробьёв, В.А. Гольцшмидт, М.Х. Карапетьянц

6. «Практикум по физической химии», Государственное научно-техническое

7. издательство химической литературы, Москва, 1950

Код для цитирования: Скопировать