Лабораторный журнал

Результаты опытов записываются в лабораторном журнале, которым может служить большая общая тетрадь с полями для замечаний преподавателя и собственных корректив.

На обложке или на первой странице студент пишет свою фамилию, инициалы, номер группы и название практикума. Записи в журнале следует выполнять только чернилами, кратко, аккуратно, сразу в чистовом варианте.

Рекомендуется такая последовательность записей в рабочем журнале.

1. Дата. 2. Номер работы и ее название. 3. Номер опыта и его название. 4. Описание цели эксперимента. 5. Краткое теоретическое обоснование. 6. Схема установки. 7. Таблицы для записей измерений и первоначальных расчетов (готовятся заранее). 8. Наблюдения в ходе опыта (интенсивность процесса, условия его проведения, сопутствующие явления – появление осадка, изменение окраски, выделение газа и т. д.). 9. Выводы (таблицы, графики, итоговые обобщения). 10. Ответы на вопросы и решение задач.

Студент допускается к выполнению лабораторной работы при наличии подготовленного лабораторного журнала.

Студент, не подготовившийся к выполнению лабораторной работы, готовится к ней во время занятия под наблюдением преподавателя и допускается к работе, если остается достаточно времени для ее выполнения. Если времени на выполнение лабораторной работы недостаточно, то студент направляется на отработку пропущенной работы в другую группу по расписанию работы преподавателя (или направляется в другую группу по договоренности с преподавателем).

Студент выполняет лабораторную работу, внося в практическую часть отчета необходимые сведения: уравнения реакций, наблюдения, расчеты, графики, делает необходимые выводы. Далее студент должен защитить работу, ответив на ряд теоретических и практических вопросов преподавателя по сути эксперимента, решив расчетную задачу.

Лабораторный практикум считается выполненным, если студент отработал и защитил все лабораторные работы, набрав при этом минимально необходимую сумму баллов.

Работа 1. Определение молярных масс газообразных веществ

Задания для подготовки к лабораторной работе

1. Повторите важнейшие законы газового состояния (Бойля – Мариотта, Гей-Люссака, Шарля, Авогадро, объединенный газовый закон), уравнение Клапейрона – Менделеева; понятия об относительной молекулярной (относительной атомной) и молярной массах, моле, абсолютной и относительной плотности веществ; методы определения молярных масс веществ в газообразном состоянии.

2. Ознакомьтесь с устройством аппарата Киппа и методикой определения молярной массы оксида углерода (IV).

Теоретическая часть Основные химические понятия

Химический элемент – совокупность атомов естественного изотопического состава этого элемента с одинаковым зарядом ядра.

Изотопы – разновидности атомов химического элемента с одинаковым порядковым номером и отличающиеся друг от друга количеством нейтронов и массовыми числами ( Н; Н; Н; О; О; О).

Атом – наименьшая частица химического элемента, являющаяся носителем его свойств и неделимая при химических реакциях.

Молекула – наименьшая частица простого или сложного вещества, определяющая его свойства, способная к самостоятельному существованию; состоит из атомов одного (простое вещество) или различных (сложное вещество) химических элементов (С, Si, P₄, S₈, O₂, O₃, Г₂, N₂, Fe, Cu – простые вещества; Н₂О, СО₂, СаСО₃, Са₃(РО₄)₂ – сложные вещества).

Ион – это заряженная частица – атом или группа химически связанных атомов, несущая на себе, при недостатке электронов, положительный заряд и называющаяся катионом, а при избытке электронов, отрицательный заряд и называющаяся анионом (Сl⁻, Са²⁺, РО ).

Вещество – это форма материи, состоящая из атомов, молекул или ионов.

Структурные единицы – любой вид реальных частиц (атомов, молекул, ионов, электронов и т. п.) и условно существующие доли таких частиц (1/3 Н₃РО₄; 1/5 КМnО₄; 1/3 Аl; 1/2 СаСО₃; 1/2 Ва²⁺ и т. п.).

Число Авогадро – число атомов изотопа углерода С в 12,0000 г этого вещества. N_А = 6,0221367·10²³ ≈ 6,022·10²³ атомов.

Постоянная Авогадро – константа, численно равная числу Авогадро и показывающая число соответствующих структурных единиц в 1 моле таких единиц. N_А = 6,0221367·10²³ ≈ 6,022·10²³ моль⁻¹.

N_А =

Пример.

Содержание структурных единиц в 1 моле таких единиц.

N_А атомов Na в 1 моле атомов Na;

N_А ионов Na⁺ в 1 моле ионов Na⁺;

N_А молекул Н₂ в 1 моле молекул Н₂;

N_А атомов Н в 1 моле атомов Н;

2N_А атомов Н в 1 моле молекул Н₂;

N_А молекул Са₃(РО₄)₂ в 1 моле молекул Са₃(РО₄)₂;

3N_А ионов Са²⁺ в 1 моле молекул Са₃(РО₄)₂;

2N_А ионов РО в 1 моле молекул Са₃(РО₄)₂;

3N_А ионов Са²⁺ в 3 молях ионов Са²⁺;

2N_А ионов РО в 2 молях ионов РО ;

13N_А атомов Са, Р, О в 1 моле молекул Са₃(РО₄)₂.

Моль – единица измерения количества вещества. Моль характеризует количество вещества определенной химической формулы – формульной единицы (Ф.Е.).

1 моль любого вида структурных единиц – это такое количество вещества, которое содержит N_А соответствующих структурных единиц.

Пример.

1 моль ионов Na⁺ содержит N_А ионов Na⁺;

1 моль молекул NaCl N_А ионов Na⁺ и N_А ионов Cl⁻;

1 моль молекул Са₃(РО₄)₂ 3 моль ионов Са²⁺ (3 · N_А ионов);

2 моль ионов РО (2 · N_А ионов); 3 моль атомов Са (3 · N_А атомов);

2 моль атомов Р (2 · N_А атомов);

8 моль атомов О (8 · N_А атомов);

1 моль S₈ N_А молекул S₈ (8 · N_А атомов S).

Количество молей вещества обозначается ν и рассчитывается по формуле ν = = , где m – масса ν молей вещества; M – его молярная масса. Если ν = 1 моль, то m = M. Масса 1 моля вещества равна его молярной массе (в г/моль).

Пример.

1 моль Са₃(РО₄)₂ весит столько, чему равна его молярная масса. М[Са₃(РО₄)₂] = 3 · М (Са) + 2 · М (Р) + 8 · М (О) = 3 · 40,078 + 2 · 30,974 + 8 · · 15,999 = 310,174 г/моль.

Масса 1 моля Са₃(РО₄)₂ или 6,022·10²³ молекул Са₃(РО₄)₂ равна 310,174 г.

Атомная единица массы (а.е.м.) (другое название – углеродная единица (у.е.)). Она равна 1/12 части массы атома легкого изотопа углерода с массовым числом 12. Атомная единица массы – величина постоянная, равная 1,6605402·10⁻²⁴ г.

1 а.е.м. = m_ат. ( С) = ≈ 0,166·10⁻²⁶ кг.

Единицы измерения а.е.м. – граммы, килограммы и т. д.

Масса атомов и молекул. m_ат., m_мол-лы выражается очень малыми величинами порядка 10⁻²⁶ кг.

Пример.

m (Н) = 0,167·10⁻²⁶ кг = 1,0079 · а.е.м.

m ( С) = 1,994·10⁻²⁶ кг = 12,011 · а.е.м.

m (СО₂) = 7,305·10⁻²⁶ кг = 12,011 · а.е.м. + 2 · 15,999 · а.е.м.

Единицы измерения масс атомов и молекул: кг, г, а.е.м. и т. д.

m_ат = = А_r · а.е.м.; m_мол-лы = = М_r · а.е.м.

m_{любого числа частиц}: m (N) = = M · ν.

Пример.

m_ат. ( С) = = 1,992·10⁻²⁶ кг;

m_ат. ( С) = = 1,994·10⁻²⁶ кг.

Относительная атомная масса (А_r) показывает, во сколько раз средняя масса атома естественного изотопического состава элемента больше 1 а. е. м. Значения А_r приводятся в периодической системе элементов Д. И. Менделеева. А_r можно рассчитать по формуле А_r = . А_r − величина безразмерная. Подстрочная буква «r» − первая буква английского слова relative или латинского relativus – относительный, сравнительный; масса атома сравнивается с 1 а.е.м.

Пример.

А_r (О) = 15,9994. Это означает, что масса атома кислорода больше а.е.м. в 15,9994 раз. А_r (Н) = 1,0079 – масса атома водорода больше 1 а.е.м. в 1,0079 раз; А_r (С) = 12,011 – масса атома углерода в 12,011 раз больше 1 а.е.м.

Относительная молекулярная масса (М_r) простого или сложного вещества – безразмерная величина; равна отношению средней массы естественного изотопического состава вещества к 1 а.е.м.: М_r = . Значения М_r рассчитывают из величин А_r элементов, образующих соединения, с учетом количества атомов каждого из них. Если химическая формула вещества А_хВ_уС_z, то М_r = х · А_r (А) + y · А_r (В) + z · А_r (С).

Пример.

М_r (N₂O₅) = 2 · А_r (N) + 5 · А_r (О) = 2 · 14,007 + 5 · 15,999 = 108,009; т.е. масса молекулы N₂O₅ в 108,009 раз больше 1 а.е.м.

Молярная масса вещества (М) – это масса 1 моля вещества. Единицы измерения: г/моль; кг/моль; г/кмоль; кг/кмоль и т. д. М = , где m – масса ν молей вещества. Молярная масса, выраженная в г/моль или кг/кмоль, численно равна относительной молекулярной (М_r), а для простых веществ, состоящих из одного атома, – относительной атомной (А_r) массе. Для вещества, имеющего формулу А_хВ_уС_z, М = х · М (А) + y · М (В) + z · М (С) (г/моль).

Пример.

А_r (Cs) = 132,905; М (Cs) = 132,905 г/моль.

М_r(SO₂) = А_r (S) + 2 · А_r (O) = 32,064 + 15,9994 · 2 = 64,063;

М(SO₂) = 64,063 г/моль.

1 моль атомов цезия или 6,022·10²³ атомов цезия весят 132,905 г; 1 моль молекул SO₂ или 6,022·10²³ молекул SO₂ весят 64,063 г.

Молярный объем газа (V_m) – объем, занимаемый 1 молем газа. Единица измерения V_m – л/моль; м³/моль; мл/моль; л/кмоль и др..

1 моль любого газа при одинаковых условиях (Р, Т) занимает одинаковый объем (V) (закон Авогадро). Молярный объем газа при нормальных условиях (н.у.: 0 ^оС или 273 К; 760 мм рт. ст. или 101 325 Па).

V = 22,4 л/моль = 22,4·10⁻³ м³/моль.

Таким образом, 1 моль любого газа при н.у. занимает объем, равный 22,4 л.

V_m и V рассчитываются по формулам

V_m = ; V = , где ν – количество вещества (моль), V и V₀ − объемы газов (мл, л, м³) соответственно при любых условиях (V) и при н.у. (V₀).

Молярный объем газа равен отношению объема (V) к количеству вещества (ν).

Масса 1 л любого газа: m = .

Количество вещества (ν): ν = = = .

Молярная масса вещества: М (г/моль) = m (г) · .

Относительная плотность одного газа (х) по другому газу (В), обозначается D_в – величина безразмерная, показывающая, во сколько раз масса газа х (m_х) больше массы газа В (m_в) такого же объема, измеренных при одинаковых условиях (Р, Т).

D_в = .

Если m_х и m_в взяты для веществ в количестве 1 моль, то: D_в = .

D_в показывает, во сколько раз 1 моль газа х тяжелее 1 моля газа В.

Для расчета D_в можно использовать и абсолютные плотности газов (ρ). В этом случае D_в = . Таким образом, D_в = = = ; М_х = D_в · М_в.

Абсолютная плотность вещества (ρ) в любом агрегатном состоянии – это масса единицы его объема:

ρ = (кг/м³; г/л; г/мл).

Пример.

а) Относительная плотность СО₂ по Н₂:

D = = , где m и m – массы СО₂ и Н₂ при одинаковых V, Р, Т; М и М – молярные массы СО₂ и Н₂, т.е. массы СО₂ и Н₂ объемом 22,4 л при н.у. М = D · M .

б) Относительная плотность СО₂ по воздуху:

D_возд.= = . М = D_возд. · М_возд..

Уравнение Клапейрона – Менделеева:

PV = νRT = RT; P, V, T – условия, при которых проводится опыт; ν – количество вещества; R – универсальная газовая постоянная, которая рассчитывается по формуле R = , ν = 1 моль.

а) R = = 8,314 .

Па = ; Дж = = Па · м³.

б) R = = 62,4 ;

R = 62 400 .

в) R = = 8,314 .

Из уравнения Клапейрона – Менделеева:

М_х = , где М_х – молярная масса определяемого газа; m – его масса; P, V, T – давление, объем, температура, соответствующие условиям опыта. Для углекислого газа М = .