Реферат: Определение массы полимера криоскопическим способом

 

1.  Обоснование выбранной темы.

2.  Сущность криоскопического методаопределения молекулярной массы вещества.

2.1     Закон Рауля применительно кразбавленным растворам.

2.2     Диаграмма состояния воды.

2.3     Графическое изображение законаРауля для разбавленных растворов.

2.4     Понижение температуры замерзаниярастворов.

2.5     Связь понижения температурызамерзания растворов с мольной концентрацией.

2.6     Криоскопическая постоянная и еёфизический смысл.

2.7     Формула для расчёта молекулярноймассы криоскопическим методом.

3.  Экспериментальная часть.

Мы выбралитему – «Определение молекулярной массы вещества криоскопическим методом».Изучая высокомолекулярные соединения, мы отметили, что их важнойхарактеристикой является молекулярная масса, от которой зависят свойства. Таккак в химии формула полимера неопределённая, то есть нет точного количестваатомов элементов, а пишется только структурное звено и степень полимеризации,то по формуле молекулярную массу полимера рассчитать нельзя, её определяютэкспериментально. Для этого существует много способов: по осмотическомудавлению, по давлению пара над раствором высокомолекулярного соединениясогласно закону Рауля; эбуллиоскопическим методом (через температуру кипенияраствора и чистого растворителя); криоскопическим методом (через температурузамерзания раствора и растворителя). Учитывая, что в наших лабораторныхусловиях мы не можем получить очень низкую температуру, мы изучили один извышеуказанных методов, а именно: криоскопический метод для определениямолекулярной массы вещества на примере мономера. В качестве растворённоговещества мы взяли нафталин, а в качестве растворителя – бензол.

Сущность криоскопическогометода.

Криоскопическим называется методопределения молекулярной массы по понижению точки замерзания растворителя. Дляисследования этого метода нам необходимо вспомнить закон Рауля применительно кразбавленным растворам. Мы знаем, что давление насыщенного пара каждой жидкостиесть величина постоянная для данной температуры. При растворении в жидкостикакого-либо твёрдого вещества давление пара жидкости понижается. Таким образом,давление пара раствора всегда ниже давления пара чистого растворителя при тойже температуре. Разность между числовыми значениями давления пара чистогорастворителя и давления пара раствора называется обычно понижением давленияпара растворителя над раствором. Это можно выразить формулой: />

В 1887 году французский физикРауль на основании многочисленных опытов с растворами различных твёрдых веществи нелетучих жидкостей установил следующий закон: в разбавленных растворахнеэлектролитов при постоянной температуре понижение давления парапропорционально количеству вещества, растворённого в данном количестверастворителя. Объяснение этому закону даёт молекулярно-кинетическая теория.Давление находящегося над жидкостью насыщенного пара зависит от числа молекул,испаряющихся с поверхности жидкости в единицу времени. Но в растворе часть егосвободной поверхности занята молекулами нелетучего растворённого вещества.Поэтому число молекул, покидающих поверхность раствора в единицу времени,становится меньше, чем в случае чистого растворителя при той же температуре, идавление пара понижается. Например, давление пара раствора, в котором числомолекул растворённого вещества составляет 1/20 всего числа молекул, на 1/20меньше давления пара чистого растворителя.

Зависимость между понижениемдавления пара и количеством растворённого вещества может быть выражена вматематической форме. Обозначим давление чистого растворителя через p, понижение давления пара через />, число молей растворённоговещества через n и число молей растворителячерез N. Тогда закон Рауля для разбавленныхрастворов выразится уравнением: />

Измерением понижение давленияпара раствора можно пользоваться для определения молекулярной массырастворённых веществ. Однако на практике обычно применяется другой, болееудобный метод, основанный на измерении понижения температуры замерзанияраствора.

Все чистые вещества характеризуются строгоопределённой температурой замерзания. Так, чистая вода при нормальноматмосферном давлении замерзает при 0º С; бензол при +5,5º С. Этитемпературы сохраняются неизменными до тех пор, пока вся жидкость не замёрзнетили не превратится в пар.

Иначе обстоит дело с растворами.Присутствие растворённого вещества понижает точку (или температуру) замерзаниярастворителя, и тем сильнее, чем концентрированнее раствор. Поэтому растворызамерзают при более низких температурах, чем чистые растворители. Нетруднодоказать, что это является прямым следствием понижения давления пара растворов.Более низкая температура замерзания раствора, по сравнению с чистымрастворителем, объясняется тем, что температура замерзания есть та температура,при которой одновременно могут существовать твёрдая и жидкая фазы данноговещества.

/>

Диаграмма состояния воды.

Показанная выше зависимость между давлением водяногопара и температурой, а также условия одновременного существования воды вразличных фазах могут быть наглядно представлены при помощи диаграммы состоянияводы. На этой диаграмме линия ОА представляет кривую давления паров воды, алиния ОВ – кривую давления паров льда. Точки кривой ОА показывают, при какихтемпературах и давлениях могут одновременно существовать в равновесии вода ипар; точки кривой ОВ определяют условия равновесия между льдом и паром. Обекривые пересекаются в точке О, указывающей температуру и давление, при которыхмогут находиться в равновесии все три фазы.

Поэтому точка О называетсятройной точкой; ей отвечает давление 4,6 мм.рт.ст. и температура +0,01º С.Кривая ОС показывает влияние давления на точку плавления льда. Каждой её точкесоответствует определённое давление и определённая температура, при которых лёди вода находятся в равновесии. Однако для этого необходимо, чтобы давление паратвёрдой и жидкой фаз было одинаковым, иначе пар будет переходить от одной фазык другой до полного исчезновения той из них, над которой давление пара больше.Одновременное существование льда и раствора будет возможно только притемпературе ниже 0º С, и именно при такой, при которой давление их паровстанет одинаковым. Другими словами, раствор будет замерзать при более низкойтемпературе, чем чистый растворитель. Все эти соотношения становятся особенноясными, если изобразить их графически, начертив кривые изменения давления паровс температурой.

/>

На графике линия Аа изображаеткривую давления пара чистой воды, а линия Bb – кривуюдавления пара над раствором. Так как при любой температуре давление парараствора меньше давления пара чистой воды, то линия Bbлежит ниже линии Аа. Линия АС изображает кривую давления пара льда. Мы ужеговорили, что при температуре замерзания давления паров твёрдой и жидкой фазрастворителя или твёрдого растворителя и раствора должно быть одинаковым. Этомуусловию отвечают точки А и В пересечения кривых Аа и Bbс кривой АС. Температуры замерзания воды и раствора определяются как проекцииточек А и В на ось абсцисс. В этом случае, как видно из графика, температуры Ти Т1, расположены в обратном порядке, тоесть температура замерзания раствора ниже температуры замерзания воды.

При замерзании разбавленныхрастворов вначале выделяется в твёрдом виде чистый растворитель, например в случаеводного раствора – чистый лёд. Так как ко мере выделения льда концентрацияраствора увеличивается, то температура замерзания не остаётся постоянной, апостепенно понижается Однако выделение льда и понижение температуры замерзанияпроисходят лишь до тех пор, пока концентрация раствора не достигнет некоторойопределённой для данного вещества величины, при которой весь раствор застываетв сплошную массу. Такая масса получила название эвтектики. Температура,при которой происходит её образование, называется эвтектическойтемпературой, а соответствующая концентрация раствора – эвтектическойконцентрацией.

С количественной стороны явлениезамерзания раствора было изучено Раулем, который экспериментальным путемустановил следующие положения, известные под названием законов Рауля: 1)понижение точки замерзания пропорционально количеству вещества, растворённого вданном количестве растворителя; 2) эквимолекулярные количества различныхвеществ, будучи растворены в одном и том же количестве данного растворителя, понижаютего точку замерзания на одно и то же число градусов. Понижение температурызамерзания, соответствующее растворению 1 моля вещества в 1000 граммахрастворителя, есть величина постоянная для данного растворителя. Она называетсякриоскопической (от греч. «криос» — холод, «скопео» — смотрю) константойрастворителя.

Математически законы Рауля могутбыть выражены следующим уравнением:/>, где /> - понижение точкизамерзания растворителя; С – число молей растворённого вещества, приходящеесяна 1000 граммов растворителя; К – коэффициент пропорциональности, равныйсоответственно криоскопической константе растворителя (при С=1 величина />=К).

Так как число молей веществаравно его массе в граммах (m), делённой на молекулярныйвес (M), то, заменив в предыдущем уравнении С на />, получим: />. Из этого уравнениявыражаем молекулярную массу: />. Носуществует формула для любого количества растворителя: />, где /> - масса растворённоговещества; /> - массарастворителя.

       Экспериментальнаячасть

В экспериментальной части работы ставилась задачаопытным путём определить понижение температуры замерзания приготовленногораствора и вычислить молекулярный вес растворённого вещества (неэлектролита).

При этом использовались следующиеприборы:

1)    Широкаяпробирка с боковым отростком и кожухом.

2)    Термометрс ценой деления /> или термометрБекмана.

3)    Лупа.

4)    Бюкс

5)    Охладительнаясмесь (лёд + NaCl).

6)    Чистыйбензол (для криоскопии).

7)    Испытуемоевещество, растворимое в бензоле.

8)    Мешалка.

9)    Широкийстакан для охладительной смеси.

Ход работы

Для определения температурызатвердевания растворителя и раствора пользуются специальным прибором,состоящим из широкой пробирки с боковым отростком, вставленной в более широкуюпробирку – кожух. Во внутреннюю пробирку на пробке устанавливают термометрБекмана или термометр с ценой деления />.Пробирку с кожухом помещают в широкий стакан, заполненный охладительной смесью.В пробирке для перемешивания жидкости имеется стеклянная или металлическаямешалка.

В сухую пробирку отбираютпипеткой 11,38 мл. чистого бензола и погружают в него термометр таким образом,чтобы резервуар со ртутью был полностью погружён в жидкость, но не касался днаи стенок. Боковой отросток закрывают пробкой. Вставляют пробирку в кожух ипомещают в охладительную смесь. Осторожно помешивая жидкость, следят за показаниямитермометра. Температура сначала понизится немного ниже точки затвердевания(явление переохлаждения), а  затем с появлением кристаллов несколько повыситсяи установится на некотором постоянном уровне. Эта температура и являетсятемпературой затвердевания чистого растворителя. Повторяют такое измерение 2-3раза. Для этого пробирку вынимают, нагревают рукой до исчезновения кристаллов,снова помещают в охладительную смесь и определяют />.Отсчёт температуры  производят с помощью лупы. В бюксе на аналитических весахотвешивают навеску исследуемого вещества, то есть нафталина, массой 0,124 г.Открыв боковой отросток пробирки, вводят навеску, закрывают пробкой и,осторожно помешивая, добиваются полного растворения вещества в бензоле.

Аналогично описанному определениюнаходят температуру затвердевания полученного раствора />, повторяя измерение так же2-3 раза.

По разности /> и /> вычисляют />.

Расчёт молекулярного весарастворённого вещества производят по формуле /> ,предварительно найдя К для бензола по таблице. Массу /> растворителя (бензола)находят по формуле /> где V – объём растворителя, а ρ – плотность растворителя(табличная величина).

Все опытные табличные данныезаписывают в таблицу.

Объём р.-ля, мл

/> 

р.-ля (бензол), º

Масса пустого бюкса, г Масса бюкса с в.-вом, г Масса навески в.ва (нафталина), г

/>        р.-ра,

 º

/>, º

/>, º

/>, г/мл

M, г/моль 11,38 4,56 1,01 1,134 0,124 4,064 0,496 5,12 0,879 127,5

 

Проведя вычисления, мы получили,что масса нафталина M=127,5 г/моль. У нафталинамолекулярная масса равна 128 г/моль, следовательно, процент ошибки оченьневелик.

Вывод.

Во-первых, проводя опыт, мы познакомились с новымдля нас прибором – термометром Бекмана. Во-вторых, в ходе работы мыпознакомились с одним из способов определения молекулярной массы.

        Списокиспользованной литературы.

 

1.             Н.Л. Глинка «Общая химия», издательство «Химия», Москва, 1965.

2.             Н.К. Воробьёв, В.А. Гольцшмидт,М.Х. Карапетьянц «Практикум по физической химии», Государственноенаучно-техническое издательство химической литературы, Москва, 1950

3.             А.И. Бродский «Физическая химия»,Т.2, Росхимиздат, Ленинград, 1948