4.9.9. Зертханалық жұмыстарды орындау бойынша әдістемелік нұсқаулар мен ұсыныстар

Тәжірибелік жұмысты бастамай тұрып, жұмыстың негізгі теориялық және практикалық қағидалары бойынша допуск тапсыру қажет. Жұмыстың мақсатын нақты білу керек. Тәжірибелік және аналитикалық бөлігін білу қажет. Кез келген физика- химиялық жұмыстың негізгі қорытындысы-есеп бөлігі.

Жұмысты өрнектеуге қойылатын талаптар:

1. Ғылыми-зерттеу жұмыстың алдына қойылатын талаптарда міндетті түрде қанағаттандыру қажет – міндетін анықтау, жұмыстың ғылыми негізделуі,тәжірибелердің және есептеулердің ұсынылатын әдістері,жұмыстың нәтижелері,негізгі қорытындылары,пайдаланылған әдебиеттер

2.Жұмыстың бүкіл нәтижелері таблицалар мен графиктердің көмегімен өрнектеледі

3.Жұмыс нәтижелерінің өлшем бірліктері қазіргі кездегі талаптарға сәйкес келу керек.

«ФИЗКОЛЛОИДТЫҚ ХИМИЯ»

пәні бойынша

МАМАНДЫҚ: 5В072100 «Органикалық заттардың химиялық технологиясы»

Зертханалық жұмыстар тақырыптары

№	Зертханалық жұмыстар тақырыптары	Сағат саны
1	Химиялық термодинамика заңдарын пайдаланып, жылу эффектілерін есептеу	2
2	Еру жылуды өлшеуінің калориметриялық әдісі ,калориметр түрақтысьш (жылу сыйымдылығьш) Тұздардың интегралдық еру жылуын анықтау.	2
3	Криоскопия Кристалдау температурасын зертгеу арқылы ерітінділердің қату температураларының төмендеуін, еріген затгың молекулалық салмағын анықтау	2
4	Эбулиоскопия Еріткіштің және еритін затгың кайнау температурасын, заттың молекулалық салмағын эбулиоскопия әдісімен анықтау Ерітіндінің парциальдық молярлы жылуын жөне еру энтропиясын анықтау	2
5	Гомогенді және гетерогенді жүйелердегі химиялық тепе-тендік. Гомогенді және гетерогенді жүйелердегі химиялық тепе-тендікті экспериментады. зертгеу	2
6	Гомогенді, гетерогенді жүйелердегі (сүйық фаза) химиялық тепе-теңдікті анықтау	2
7	Термиялық (анализ) талдау. Нафталин-азобензол қоспасын негізге альш, термиялық анализ әдісімен танысу, .Әр түрлі дербес затгардың, олардың белгілі құрамдағы қоспаларының және құрамы белгісіз (бақылау) қоспасының салқындау қисығын алу, Температура-құрам диаграммасын құру, .Фазалар ережесі бойынша алынған диаграмманы анализдеу Қатты заттар мен сұйықтардың қаныққан будың ілестіру әдісімен анықгау	2
8	Термиялық (анализ) талдау. Таза компоненттердің және құрамы белгілі қоспалардың салқындау қисығын гальванометрдің көрсеткішімен уакыт координатьш тұрғызу. .Таза компонент арқылы термопараны калибровка жасау. Калибровкаланған термометрдің қисығы арқылы қоспаның кристадцануын аныктау. .Берілген жүйенің диаграммасын тұрғызу және фазалар ережесімен талдау. Қатты заттар мен сұйықтардың қаныққан будың ілестіру әдісімен анықгау	2
9	Үш компонентті (системалар) жүйелер. Құрамды график арқылы өрнектеу. Үш құралас бөлікті жүйенің бір жүбы өзара жақсы өріп үшіншісі шектеулі еріген жағдайдаты ерігіштік айнасымен (диаграммасымен) танысу. Үш құралас бөлікп жүйелердің өзара ерігіштігі	2
10	Электролит ерітінділерінің электр өткізгіштігі. Элекгролиттердің электр еткізгіштігін анықгау әдісімен танысу. Ыдыс тұрақгысын анықтау. Берілген әлсіз электролиттердің электр кедергісін анықтау. Алынған эксперименталдық мәліметгер бойьшша электролит ерітіндісінің меншікті және эквивалентгі электр өткізгіштігін, ыдырау дәрежесін және ыдырау константасын есептеу.	2
11	Гомогенді катализ. Қышқыл-негізді катализ Электрофильді (нуклеофильді) катализ. Реакцияның жылдамдың константасын анынта 50,90,99% ацетонды иодтау уақытын есепте. Екі температурада реакция жылдамдыгының константасьш аныңга. Активтілік энергиясын есепте және графигін тұрғызу	2
12

№ 1 лабораториялық жұмыс Химиялық термодинамика заңдарын пайдаланып, жылу эффектілерін есептеу

Сабақтың мақсаты: Химиялық термодинамика-энергияның әртүрлі формаларының өзара ауысуын, оның ішінде химиялық реакция нөтижесінде бөлінетін энергияның түрленуіи қарастыру

Тапсырмалар:

1. Термодинамика түсінікті болу үшін, осы салада қальштасқан атаулармен және терминдермен, ұғымдармен нақтырақ танысу;

2. Химиялық, реакцияның жылу тиімділігі.анықтау;

Құрал-саймандар, ыдыс-аяқ, инструменттер:

1. Колориметрлік құрылғы, колориметрлік бомба, термометрлер, Бекман термометрі, сткандар, араластырғыш,

2. Дистилденген су, калий нитраты, мыс сульфаты, мыс кристаллогидраты, аммоний нитраты.

Кесте 1.

Зерттеу объектісінің органолептикалық және физикалық көрсеткіштері

Сынама атауы	Сапа көрсеткіштері
	Сыртқы түрі	Түсі	Дәмі	Иісі	Шығымы г.	Қолданылуы

Тапсырманы орындау реті:

Жалпы түсініктемелер

Химиялық термодинамика-энергияның әртүрлі формаларының өзара ауысуын, оның ішінде химиялық реакция нөтижесінде бөлінетін энергияның түрленуіи қарастыратын физикалық химияның негізгі белімдерінің бірі. Ол көптеген тәжірибе, өмірдегі байқаулар нөтижесінде тұжырымдалған үш бастамаға (заңға) сүйенеді.

Бірінші заң — энергия сақталу заңы, яғни энергия жоқтан пайда болмайды және жоғалмайды, тек бір түрден екінші түрге ауысып, өзгеріп отыратындығьша негізделген.

Екінші заң — өзгеріс бағытын, оның ішіңде химиялық реакция жүру мүмкіндігін айқындайтын шама бар деген тұжырымға сүйенеді.

Үшінші заң — абсолютті ноль температурасына жету мүмкін екендяі туралы.

Жалпы денелердің ыстық, сұйықтың белгілі бір зат күйінің өзгерісі арқылы керсету мүмкіндігі термодинамиканың алғашқы бастамасы (нулевое начало) арқылы жүзеге асады. Бұл қағида-егер кез келген екі зат, үшінші бір денемен жылу тепе-теңдігінде болса, онда олар өзара да жылу тепе-тендік күйінде болады. Жалпы термодинамиканың зандарын химиялық реакциялар мен олардың жүру жағдайларына қолданса, онда әңгіме химиялық термодинамика саласы туралы болғаны.

1. Тапсырма: термодинамика түсінікті болу үшін, осы салада қальштасқан атаулармен және терминдермен нақтырақ танысу.

Термодинамиканың бірінші бастамасы, яғни бірінші заңы, өмірдегі энергия сақталу заңына негізделіп каішштасқан. Алғашқыда термодинамиканың бірінші заңы энергия сақталу заңының механикалық денелердегі жылу сақталуының нақты бір көрінісі ретіңде қарастырылған. Ал, заттың ішкі энергиясы туралы ұғым енгеннен соң бірінші бастаманы жалпы заң, яғни энергия сақталу заңы регінде қарастырады. Осыған байланысты Джоуль "Кез келген түйық қоршаған ортамен қатысы жоқ жүйеде энергияның жалпы қоры түракты" — деген қоыртынды жасады. Ал, бізге термодинамика түсінікті болу үшін, осы салада қальштасқан атаулармен және терминдермен нақтырақ танысайық.

Дененің ішкі энергиясы

Әрбір зат қозғалысына тән, не салыстырмалы тыныштық жағдайыңца осы дененің езіндік күйін сипатгайтын термодинамикалық шама-ішкі энергиясы бар. Ішкі энергияның жалпы қоры, сол затты қүрайтын элементар бөлшектерінің бірқальшты, тербелісті және

айнымалы қозғалыстарынан қүралады. Дененің ішкі энергия қоры оньң массасы мен күйіне тәуелді, яғни жүйеге белгілі дәрежеде сырттан әсер еткен қысым, температура жөне т.б. шамалардың ықпалын ескерту қажет. Электромагнитті толқындар әсерін ескермегеңде, көп жағдайда ішкі энергия мөлшері осы үш айнымалы арқылы сипатгала альшады.

Ішкі энергия массаға төуелді болғандықтан оны зат мөлшеріне яғни бір мольге шағып есептейді. Денеге өсер етуші қысым, температура өзгергенде оның ішкі энергиясы да өзгереді. Егер, әуелгі 1-жағдайы дененің ішкі энергиясын, оның ІІ-күйге келгендегі жағдайы болса, онда ішкі энергия өзгерісін айырым арқылы анықтауға болады:

Ішкі энергияның абсолютгік шамасын аньгецау мүмкін емес, себебі әуелгі өмірдің, яғни қозғалыстың қай кезден басталғаны беймағлүм. Оның шамасын анықгаудың қажетгілігі де жоқ, тек бізге дененің, не жүйенің әуелгі жағдайдан соңғы күйге келгендегі ішкі энергия айрымын аныңтасақ жеткілікті. Дененің әуелгі ішкі энергиясы болса, онда І-жағдайда оның ішкі энергиясы U^+Uj, ІІ-жағдайда

Uj+Ujj болар еді. Бүл кезде ішкі энергия өзгерісі:

Дененің ішкі энергиясы, көп жағдайда жүйе жылу сіңірсе не более, яки жүйе белгілі түрде жүмыс атқарса, өзгереді. Сондықтан жылу және жүмыс табиғатымен танысайық.

Жылу және жұмыс

Кез келген, қоршаған ортамен қатысы жоқ, оқшауланған жүйені қарастырайық. Мүндай жүйе ішінде энергияның өзара түрленуі болғанымен ондагы ішкі энергия мөлшері түрақты шама, яғни

const — тұрақты константа.

Математика тілінде тұрақты шаманың туындысы нольге тең, яки өсімшесі жоқ деген сөз.

Олай болса, жүйенің ішкі энергиясы тек ортамен әрекетгескенде ғана өзгереді. Мысалы, кез келген зертгелетін жүйені сьфтқы жылу көзіннен қыздырсақ, оның температурасы жоғарылайды, яғни ішкі энергиясы өзгереді. Әуелгі жағдайда жүйе энергиясын U десек, оған сыртқы орта әсері арқылы оның ішкі энергиясын ете аз мөлшерге өзгертсек, оны математика тілінде ішкі энергияның өсімшесі, яғни дифферешщалы деп атайды:

Сонымен, аталған өзгерісті төмендегідей (1.6) жаза аламыз:

Мұндағы: dQ — өте аз мелшерде жүйеге жылу күйінде берілген энергия;

dU — ішкі энергия өсімшесі (дифференциалы); 6А — өте аз мөлшерде атқарылған жұмыс.

(1.6) тендігінен керіп отьфғанымыздай жылу мен жүмыс іс-қимылдың нәтижесінде туьшдайды, ал ішкі энергияның мөні әуелгі жағдайдан dU мәніне өзгереді. Сондықган ішкі энергия термодика-микалық күй параметрінің ішкі энергияны сипаттайтьш функциясы больш табылады. Ол үзіліссіз болғандықган, оның нақгы бір өсімшесі-дифференциалы бар. Ал жүмыс пен жылу мүндай қасиетке ие бола алмайды, олар тек қимыл, әрекет нәтижесінде пайда болады, яғни жүйе үшін олардың "әуелгі" мәні жоқ.

Ішкі энергия келемі {V), қысымы (Р) жөне температурасы (7) төуелді больш, осы үш айнымалының ең кемі 2 төуелсіз айньн-андағы ішкі энергияның аз өзгерісі оның толық өсімшесін (толық дифференциальш) көрсетеді, яғни ішкі энергия толық дифференциал қасиетіпе ие болады, ол жүйенің функциялық күйі болатьшдығын растайды.

Сонымен P,V жене Т-тәуелсіз айнымалылардың (параметрдің) төуелді шамасы-яғни жүйенің функциялық күйі болуы үшін оның мөні осы аталған күй параметрлеріне тікелей тәуелді болуы шарт. Осы жағдайда, ішкі энергияның толық дифференциал қасиетін ескере отьфьш былай жазамыз:

Мүңдағы иңдексгегі шамалар осы айнымалылардың кдрастырылып отьфған жағдайда түрақтылығын білдіреді. Сонымен ішкі энергия

жылуымен жұмыс арасындағы қатьшасты (І.б)-теңдік сипаттайды. Егер жүйе V келемі ұлғайганда пайдалы жұмыс атқармай, тек энергия сьфтқы қоршаған ауа кедергісін жоюғажүмсалса, оңда (1.6) теңцігін былай жазамыз:

Бүл жылу мен жұмыс энергия берілуінің бірден-бір жолы. Онда электромагниттік толқьш, сәуле шашу арқьшы энергия берілуін ескермегенде, энергия тек жылу күйінде не жұмыс аткдрылуы арқылы ғана беріледі.

Жүмыс дегеніміз — жүйені қүратын элементар бөлшектер жиынтығының белгілі бір бағьпта ретгелген қозғалысы арқылы энергия түрінің берілу кескінін айтамыз.

Жылу дегеніміз-жүйені құрайтын элементар бөлшектердің бағдарсыз, бей-берекет қозғалысы нәтижесінде энергия берілуінің бір кескінін айтамыз. Осы шаманы сандық сипаттау үшін жылу сиымдылықдеген түсінікпен танысайық.

Жылу сыйымдылық

Жүйе дене немесе денелер жиьштьпы, ал жылу мен жүмыс энергия берілу кескін түрлері болғандыңган, олардың мөлшерін белгілі бір бірлікке шағып есептейді. Сондай шамалардың бірі-жылу сыйымдылық.

Жылу сыйымдьшың деп қысым немесе көлем тұрақгы жағдайда заттың бірлік мөлшерінің температурасьш бір градусқа арттьфуға қажетгі жылу мөлшерін айтады.

Бір фамм зат массасьшың температурасьш бір градускэ артгыруға кеткен жылу мөлшері меншікті жылу сыйымдылық деп аталынады.

Затгың бір молінің температурасьш бір градускэ арттьфуға кеткен жылу мөлшері молярлы жылу сыйымдылық делінеді.

Қысым түрақты жағдайда өлшелінген жылу сыйымдылық изобарлы, көлем түрақты ж^дайда өлшелінген жылу сыйымдылық изохорлы жылу сыйымдылық деп атальшады да Ср жөне С^ деп белгіленеді. Осы шамалардың айырымын

Майер теңдеуі деп те атайды, мүнда R— универсалды газ тұрақтысы. Ал Ср-ның Сv-ге қатысы идеалды газдар үшін ү деп белгіленеді.

131 1

Физикалық химияда кеп жағдайда жылу сыйымдылызстың өте аз өсімшесі нақты температурадағы энтальпия, яғни энергия өзгерісінің мәнімен беріліп, оны нақты изохорлы не изобарлы жылу сыйымдылықтар деп атайды. Су-нақты изохорлы жылу сыйымдылық; Ср— нақты изобарлы жылу сыймдылық. Бұл шамалардың мөнін математика тілінде өрнектесек:

Туьшдының бұл жағдайда физикалық мәнге ие болуы үшін және Ср үшін олардың дифференциалдарьш пайдаланамыз.

Дене температурасын Tj жене температурасына арттыруға кеткен жылу мөлшерінің осы температура айырымына қатынасы орташа жылу сыйымдылықтың менін береді:

(1.13) ернегімен 5Qy= CydT температура Tj ден езгергенде

(1.14) теңдігінен мөнін (І.І3)-ке қойсақ орташа жылу сьшьшдылықпен "нақты" жылу сыйьшдылықтың өзара байланысын табамыз.

Тапсырманы орындау реті:

Жылу мен жұмыс іс-қимыл нөтижесі болғандықтан, оның шамасьш белгілі нақты жағдайларда қарастьфу қажет.

Қысым тұрақты. P=const — изобарлы процесс.

Бұл жағдайда жүйені жылу күйінде берілген энергия дененің ішкі энергиясын артгырьш, көлемін үлғайтады.

Егер пайдалы жүмыс істелінбесе, онда атқарылған жүмыс сан мөні жөнінен жүйе үлғайғандағы сыртацл ауа кедергісін жеңуге кепсен энергия мелшеріне тең, япш

Дифференциал теңдеуін шешсек

екені шьнады.

Тұрақты көлемде V=const — изохорлы процессте жүмыс атқарылмайды А=0.V=const, ал түрақты шаманың туындысы нольге тең. Бүл жағдайда

Температура түрақты. T=const - изотермиялы процесс. Бүл жағдайда газ күйінің теңдеуі PV=TR екенін ескеріп, қысымды көлем арқылы өрнектесек (1.16) теңдігі төмендегідей болады:

Интеграл түрі

ал тұрақты температурада PjV,=P2V2 екенін ескерсек

4. Егер жүйедегі іс-қимыл Q=const, жылу өзгерісі сыртқы қоршаған ортамен жылу алмаспай жүрсе, оны адиабатты процесс деп атайды. Бұл жағдайда істелінетін жұмыс ішкі энергия азаюы нәтижесінде іске асады.

Бүл жағдайда немесе

Адиабатты процесс кезінде газ күйінің тендеуі (1.27) түрііще өрнектеледі:

Көп процестер түрақты қысым, атмосфералық жағдайда жүретін болғандыңтан, біз ішкі энергия орнына энтальпия деген шаманы кіргізіп есеіггеулерге пайдаланайық.

Ішкі энергия, жүйе жағдайьш түрақты келемде сипатгаса тұрақты қысымда жүйе күйін энтальпия білдіреді. Оны "Н" деп белгілеп, ішкі энергиямен қатысын (1.28) өрнегі көрсетеді:

Былайша айтқанда, сол қысымдағы дененің ұлғаюы нөтижесіндегі ішкі энергия деп қарастыруға болады. Ішкі энергияның абсолютті шамасын анықтау мүмкіндігі жоқтығынан энтальпияның да абсолютті шамасын табу мүмкін емес. Бізге энтальпия езгерісін білсек жеткілікті, яғни

Бүл жағдайда бірінші бастаманьш, математикалъпс, өрнегін былай жазамыз:

Егер (1.28) тендігін ескеосек:

Бүдан шығатьш қорытьшды, түрақты қысьш-изобарлы процесте жүйеге жылу түрінде берілген энергия толығымен энтальпия өзгерісіне жұмсалады. Сонымен,

Егер Н=и+РҮжөне AH=AU+PAV екендігін ескеріп PV-ны RT көбейгіндісімен алмастырсақ, идеалды газдың бір молі үшін түрақты қысым мен көлешіегі жылу айырмашылыіы RT көбейтіндісіне тең.

Химияльж, термодинамиканың негізгі бір бөлімі термохимия-химиялық реакциялардың жылу тиімділіктерін, заттардың жылу сыйымдылықтарьш жөне олармен байланысты басқа шамаларды зерттейді. Термохимиялық зерггеулер термодинамиканың бірінші заңьша, яши энергия сақталу жөне түрлену заңьша негізделген.