Растворы. Способы выражения концентрации растворов. Основы титриметрического анализа. Метод нейтрализации



страница1/4
Дата17.02.2019
Размер1.16 Mb.
#72825
ТипМетодические рекомендации
  1   2   3   4

Методические рекомендации для студентов

к лабораторному практикуму

(в количестве 7 тем)


Дисциплина – химия

Специальность /Направление подготовки – стоматология 060201

Разработчик ____________ Сергеева С.А.



(подпись)

Тема: Растворы. Способы выражения концентрации растворов. Основы титриметрического анализа. Метод нейтрализации

Цель темы: Определение количество растворенного вещества, используя различные способы выражения концентрации. Знакомство с общими приемами титриметрии, приготовлением и стандартизацией титранта, применением кислотно-основных индикаторов, получение навыков измерения объемов с заданной точностью, отбора аликвот, осуществления процесса титрования.

Исходный уровень. При изучении данного материала студенты опираются на знания химии довузовского этапа: «Растворы, растворимость веществ, тепловые эффекты при растворении. Влияние различных факторов на растворимость. Способы выражения концентрации веществ в растворе. Теория электролитической диссоциации Аррениуса (ТЭД). Химические реакции и закономерности их протекания».

Основные учебно-целевые вопросы:

1.Основные правила техники безопасности при работе в химической лаборатории и правила ведения лабораторного журнала.

2.Растворы (определение, классификация).

2.1.Механизм процессов растворения. Термодинамический подход к процессу растворения.



    1. Растворимость газов в жидкостях. Закон Генри-Дальтона. Растворимость газов в крови. Кессонная болезнь.

    2. Способы выражения концентрации растворов (массовая, мольная и объемная доли растворенного вещества, молярная концентрация, молярная концентрация эквивалента, титр раствора).

    3. Взаимосвязь разных способов выражения концентрации растворов.

3.Титриметрический метод анализа (понятие и виды).

3.1.Расчеты в титриметрии. Закон эквивалентов.

3.2.Оборудование титриметрического анализа: мерные и вспомогательные менее точные посуды. Техника работы в объемном анализе (наблюдение за правильностью установки мениска при работе с пипеткой, мерной колбой и бюреткой, правила наливание раствора пипеткой, проверка емкости мерной посуды).

4. Метод кислотно-основного титрования (определение, основное уравнение).

4.1. Ацидиметрия и алкалиметрия: исходные вещества и рабочие тированные растворы; кривые титрования, скачок титрования, точка эквивалентности; индикаторы и интервалы их перехода: метилоранж, фенолфталеин, принцип выбора индикаторов для титрования.



4.2. Применение реакции нейтрализации в фармакотерапии: лекарственные средства с кислотными и основными свойствами.

Практическая часть

Ситуационные задачи

Расчет по массовой доле веществ в растворе

Задача №1. В медицине издавна борную кислоту // (сассолин) применяют в виде 2-3% растворов для полоскания горла, в мазях и присыпках, т.к. она обладает антисептическими свойствами. Но, в настоящее время в связи с выявленными побочными явлениями внесены ограничения к ее применению. Сколько граммов и воды нужно для приготовления 250 г раствора с массовой долей борной кислоты 3%?

Ответ. г., 242,5 г.

Расчеты при разбавлении и смешивании растворов с различной массовой долей растворенного вещества

Задача №2. Натрия нитрит // в весьма редких случаях применяют внутрь при отравлении цианидами. В этом случае его вводят внутривенно в виде 1-2 % раствора. Какую массу воды следует добавить к 50 г раствора с массовой долей 11%, чтобы получить раствор с массовой долей 1% (0,01)?

Ответ. =500 г.

Расчет по молярной концентрации раствора

Задача №3. В медицине калия хлорид // применяется при нарушении сердечного ритма, особенно в связи с интоксикацией сердечными гликозидами, когда происходит обеднение клеток миокарда ионами K+. Сколько граммов необходимо для приготовления 1 л раствора с моль/л? Опишите процесс приготовления этого раствора (см. рисунок 1).
Ответ. 149,12 г.



Расчет по молярной концентрации эквивалента

Задача №4. Перманганат калия // применяют в медицинской практике как антисептическое средство наружно в водных растворах для промывания ран, полоскания полости рта и горла, а также для смазываний язвенных и ожоговых поверхностей. Рассчитайте сколько граммов необходимо взять для приготовления 2 л раствора с С()= 0,5 моль/л, если анализ будет проводиться в кислой среде?

Ответ. 6,53 г.

Связь между разными способами выражения концентрации

Задача №5. Вычислите молярную, эквивалентную молярную и моляльность раствора серной кислоты с и .

Ответ. моль/л; 2,18 ; моль/кг.

Расчет для приготовления растворов лекарственных препаратов при введении больному

Задача №6. Больному при угнетении дыхания и кровообращения различного происхождения необходимо ввести 100 мг лекарственное средство 4-этил-4-метил-2,6-пиперидиндион (бемегрида). Сколько мл этого раствора с массовой долей 0,5% необходимо ввести больному?

Ответ. Больному надо ввести 20 мл бемегрида.

Вычисления по результатам прямого титрования

Задача №7. В медицине кислоту хлористоводородную разведенную применяют внутрь в каплях или в виде микстуры (чаще вместе с пепсином) при недостаточной кислотности желудочного сока и ее обычно назначают совместно с препаратами железа, так как она способствует улучшению их всасывания. Какова молярная концентрация эквивалента и титр хлороводородной кислоты, если на нейтрализацию 20 мл ее раствора по реакции израсходовано 30 мл раствора гидроксида натрия С моль/л

Ответ. 0,15 моль/л; г/мл.

Контрольные вопросы и задачи

  1. Что такое раствор? Какие свойства воды делают ее универсальным растворителем?

  2. Какими энергетическими эффектами сопровождается процесс растворения веществ?

  3. Что называется парциальным давлением газа? Дайте формулировку закона парциальных давлений Дальтона.

  4. Объясните характер изменения растворимости газов в жидкостях при изменении парциального давления газов и температуры системы. Приведите примеры. Что такое кессонная болезнь (для ответа см. приложение 2 и 3).

  5. Дайте определение, укажите размерность и обозначение каждого из следующих типов концентраций: молярная концентрация, эквивалентная молярная концентрация (нормальность), моляльность (мольно-массовая концентрация).

  6. В чем заключается сущность процесса титрования? Что такое точка эквивалентности?

  7. Для чего при титровании применяются индикаторы? Какие индикаторы вы знаете?

  8. Рассчитайте молярную массу эквивалента для серной кислоты, фосфорной кислоты, гидроксида калия, сульфата алюминия, карбоната натрия, хлорида меди (II), сульфата меди (II).

  9. Какой массы медный купорос надо добавить к раствору объемом 0,5 л, в котором массовая доля 4% (ρ=1,040 г/мл), для того, чтобы увеличить ее до 16%?

  10. Какая масса кристаллогидрата потребуется для приготовления раствора массой 1750 г, если его моляльность должна быть равна 0,2 моль/кг?

  11. Определить молярную концентрацию эквивалента и титр раствора пероксида водорода, если на титрование 5,0 мл этого раствора израсходовалась 6.5 мл 0,0208 М раствора КMnO4.



Экспериментальная часть

Лабораторная работа. Кислотно-основное титрование (нейтрализация)

Оборудование: пипетки Мора и градуированные вместимостью 5 или 10 мл, резиновые груши, бюретки вместимостью 25 мл на штативе; воронки; мерные колбы на 100 мл, конические колбы вместимостью 250 мл, мензурки, цилиндры, электрическая плитка.

Реактивы: раствор первичного стандарта – 0,1 моль дигидрат щавелевой кислоты, раствор титранта – гидроксид натрия (приблизительная концентрация 0,1 моль/л), соляная кислота с ρ=1,04 г/мл; индикаторы – растворы фенолфталеина и метилоранжа; дистиллированная вода.

Опыт №1. Установление точной концентрации рабочего раствора NaOH

Цель работы. Научиться стандартизировать титранты по первичному стандарту с применением прямого титрования, а именно: получить навыки работы пипетками Мора, бюретками и выполнения титрования; научиться выбирать индикаторы для конкретных случаев кислотно-основного титрования; научиться выполнять расчеты по результатам титрования.

Принцип метода. В основе метода лежит кислотно-основное титрование и закон эквивалентов: все вещества реагируют друг с другом в строгих весовых соотношениях, пропорциональных их молярным массам эквивалентов:

Стандартизацию растворов щелочи проводят по дигидрату щавелевой кислоты ; титруют в присутствии фенолфталеина, т.к. среда в точке эквивалентности слабощелочная:. Фактор эквивалентности щавелевой кислоты равен , эквивалентом является половина молекулы щавелевой кислоты, молярная масса эквивалента равна половине молярной массы щавелевой кислоты. Для гидроксида натрия фактор эквивалентности равен 1.



Ход работы:

    1. Бюретку промойте рабочим раствором NaOH и доведите уровень раствора в ней до «0» (правила мениска).

    2. 5 мл раствора дигидрат щавелевой кислоты с 0,1 моль/л переносите в коническую колбу для титрования, прибавьте 2-3 капли индикатора фенолфталеина и нагревайте на электрической плитке до кипения (до 50-60оС).

    3. Горячий раствор титруйте рабочим раствором NaOH, прибавляя его из бюретки по каплям до появления неисчезающей в течение 30 с бледно-розовой окраски раствора. В точке эквивалента определите по шкале объем раствора .

    4. Титрование повторите до тех пор, пока не будут получены 3 сходящихся (т.е. отличающихся друг от друга не более чем на 0,1 мл) результата. По окончании титрования бюретку закрывайте пробкой, чтобы раствор щелочи не поглощал углекислый газ из воздуха.

    5. Из 3 сходящихся результатов титрования рассчитывайте точную молярную концентрацию эквивалента раствора по формуле: .

    6. Все вышеуказанные данные и результаты расчетов занесите в таблицу №2.1.

Таблица 2.1

Экспериментальные данные и результаты измерений





(л)



(л)



(л)

моль/л


1













2













3













Выводы. Вывод в данной работе может быть сформулирован так: 1) «Освоены правила работы с мерной посудой, используемой в титриметрическом анализе. 2) Методом прямого титрования с использованием в качестве первичного стандарта установлена молярная концентрация эквивалента титраната – раствора .=……….. моль/л».

Примечание: Стандартизированный раствор может быть использован в свою очередь как вторичный стандартный раствор для определения количества соляной кислоты. Но надо помнить, что гидроксид натрия медленно реагирует со стеклом с образованием силикатов, поэтому растворнельзя долго хранить в стеклянном сосуде.

Опыт №2. Определение массовой доли соляной кислоты в фармакопейном препарате (Acidum hydrochiloridum dilutum)

Цель работы. Опытным путем определить в % содержание соляной кислоты в фармакопейном препарате (ρ = 1,04 г/мл).

Принцип метода. В основе метода лежит кислотно-основное титрование. В качестве титранта применяют стандартизированный раствор (из опыта №1). Продуктами реакции между сильной кислотой и сильным основанием являются соль, не подвергающаяся гидролизу и вода: , . В этом случае раствор в точке эквивалентности имеет нейтральную реакцию, т.е. , поэтому титрование проводят в присутствии метилоранжа.

Ход работы:

  1. 5 мл раствора соляной кислоты (ρ = 1,04 г/мл) переносите в мерную колбу на 100 мл, объем доводите дистиллированной водой до метки и тщательно перемешивайте.

  2. Отбирайте пипеткой по 5 аликвоты соляной кислоты в колбы для титрования, добавляйте 1-2 капли индикатора метилоранжа и титруйте, постоянно перемешивая стандартным раствором гидроксида натрия из бюретки до желтого окрашивания.

  3. Из 3-х сходящихся результатов титрования рассчитайте процентное содержание соляной кислоты в анализируемом образце.

,

где:

  • а – навеска, а ;

  • объем препарата взятый для определения, мл

  • М.м.(HCI)=36,46 г/моль;

  • V (пипетки) – объем аликвотной (точной) части разведения, взятый для титрования, мл.

  1. Результаты внесите в таблицу №2.2.

Таблица 2.2

Экспериментальные данные и результаты измерений





(л)



(л)



(л)




1













2













3













Выводы. Сделайте заключение о процентном содержании в растворе, подлежит ли лекарственная форма отпуску? Как велико относительное отклонение вашего результата от данных, имеющихся у преподавателя? В какой среде индикатор – метиловый оранжевый – изменяет окраску? Соответствует ли это рН в точке эквивалентности в данном титровании? Не следовало ли взять другой индикатор?


Тема: Тепловые эффекты химических реакций. Термодинамические характеристики химических и биохимических процессов

Цель темы: Приобретение системных знаний об основных началах термодинамики и термодинамических функциях состояния системы и умение применять эти знания к конкретным системам, встречающихся в биологических объектах. Овладение навыками выполнения термохимических расчетов для прогнозирования направленности и энергетики биохимических процессов, а также экспериментального определения тепловых эффектов на примере реакция нейтрализации.

Исходный уровень. Студент должен знать из довузовского курса химии: «Тепловые эффекты химических реакций, сохранение и превращение энергии при химических реакциях. Термохимические уравнения. Молярная концентрация вещества в растворе» и из курса биологии: «Обмен веществ и превращение энергии в клетке».

Основные учебно-целевые вопросы:

1. Основные понятия химической термодинамики:

  • система; типы систем (изолированные, закрытые, открытые);

  • интенсивные и экстенсивные параметры системы;

  • функции состояния системы;

  • внутренняя энергия; работа и теплота – формы передачи энергии;

  • термохимические процессы (изотермические, изобарные, изохорные);

  • термодинамические обратимые (равновесные) и необратимые процессы; стандартное состояние.

1.2. Первое начало термодинамики. Энтальпия. Стандартная энтальпия образования и сгорания веществ.

1.3. Термохимия. Тепловой эффект химической реакции. Закон Гесса и следствия из него.

1.4. Второе начало термодинамики. Энтропия. Энергия Гиббса. Прогнозирование направления самопроизвольно протекающих процессов в изолированных и закрытых системах; роль энтальпийного и энтропийного факторов. Термодинамические условия равновесия.

1.5.Экзергонические и эндергонические процессы в организме. Макроэргические соединения.



1.6.Химическая термодинамика как теоретическая основа химических процессов и биоэнергетики

Практическая часть

Ситуационные задачи

Вычисление значение внутренней энергии, теплоты и работы

Задача №1. Рассчитайте значение работы, проделанной реакцией открытия мышьяка в биологическом материале (слюне):



Ответ. = 2496,4 Дж или 2,5 кДж.

Задача №2. Чему равно изменение внутренней энергии при испарении воды массой 100 г при 20°С, если принять, что водяной пар подчиняется законам идеальных газов, а объемом жидкости, который незначителен по сравнению с объемом пара, можно пренебречь. Удельная теплота парообразования воды Дж/г.

Ответ. Внутренняя энергия увеличилась на 230,97 кДж.

Вычисление значение теплового эффекта и определение теплоты образования и сгорания

Задача №3. Определите тепловой эффект реакции образования воды: при постоянном давлении и температуре 298 К, если тепловой эффект при постоянном объеме равен -284,2 кДж/моль.

Ответ. Дж/моль или 291,6 кДж/моль.

Задача №4. Определите теплоту образования по реакции:

Ответ. кДж/моль.

Задача №5. Рассчитайте стандартный тепловой эффект реакции:по стандартным теплотам сгорания.
Ответ. кДж/моль.

Вычисление изменения стандартной энтропии и энергии Гиббса

Задача №6.Предскажите знак изменения энтропии // в каждой из ниже предполагаемых реакций и проверьте правильность сделанных выводов расчетом соответствующих реакций, пользуясь справочными данными.





Реакции

Выводы

1.



первой реакции больше нуля />0/. Энтропия системы как мера неупорядоченности растет при увеличении количества молей вещества (числа молей), тем более что полученные вещества находятся в газообразном состоянии.

2.



<0, так как в реакцию вступают три объема газов, а получаются два, т.е. число частиц газообразных веществ уменьшается, в системе растет 4порядоченность.

3.



<0 по той же причине, что и в случае 2.

4.



Вероятно, >0, так как усложнился состав молекул газа ( вместо ), хотя в результате реакции число молей и не изменилось (в том числе и газообразных веществ).

5



<0. Ионы и , находящиеся в растворе, переходят в осадок, т. е. в системе растет упорядоченность.

Ответ. Таким образом, результаты вычисления реакций подтвердили выводы, сделанные ранее, т.е.:……..

1) =

2) =

3)=

4) =

5)=



Задача №7. Какие из реакций, перечисленных в задаче №6, протекают самопроизвольно при стандартных условиях?

Ответ. Полученные результаты говорят о том, что реакции …, … и … могут протекать в стандартных условиях самопроизвольно до установления равновесия, а реакции … и …. в этих условиях протекать в указанном направлении не могут.

Контрольные вопросы

  1. Какие из следующих термодинамических функций относятся к функциям состояния системы: теплота, энтальпия, энтропия, работа расширения газа, свободная энергия Гиббса?

  2. Для каких условий справедливо соотношение ? При каких условиях это не так?

  3. Сформулируйте условия самопроизвольного протекания реакций, сопровождающихся:

1) увеличением энтропии и энтальпии;

2) уменьшением энтальпии и энтропии;

3) увеличением энтропии и уменьшением энтальпии;

4) уменьшением энтропии и увеличением энтальпии.



  1. Сформулируйте I закон термодинамики. В чем различие между величинами и ? Напишите уравнение связи и .

  2. Обоснуйте, почему величину или целесообразнее использовать при изучении химических реакций?

  3. Как формулируется закон Гесса и где он применяется? Покажите, что данный закон справедлив для процессов, протекающих при условии постоянства давления или постоянства объема системы.

  4. Проиллюстрируйте примерами тот факт, что направление химического процесса зависит от следующих факторов таких, как энтальпии и энтропии.

  5. Что такое изобарно-изотермический потенциал, или свободная энергия Гиббса? Что можно сказать о химическом процессе, для которого:1) ; 2) ; 3) .

  6. Почему некоторые реакции, значение которых отрицательно, на самом деле не протекают? Какие условия можно подобрать для их протекания?

  7. Почему некоторые вещества, значение образования которых положительны, все-таки существуют? Что можно сказать о способах получения таких веществ?

Экспериментальная часть

Лабораторная работа. Определение стандартной теплоты (энтальпии)

реакции нейтрализации

Принцип метода. Теплота, выделяемая или поглощаемая в химической реакции, измеряется с помощью калориметра. В калориметрах наиболее распространенного типа реакция протекает в камере, которая помещена в термоизолированный сосуд. Выделение теплоты изучается при реакции нейтрализации по повышению температуры раствора.

В данной работе требуемая точность эксперимента позволяет учитывать только теплоту, пошедшую на разогрев раствора и калориметрического стакана; теплотой, пошедший на разогрев других частей калориметра, можно пренебречь

Энтальпия реакции нейтрализации, протекающей между сильной кислотой и сильным основанием, практически не зависит от их природы, так как реально в растворах протекает одна и та же реакция: В качестве примера рассмотрим реакцию нейтрализации сильной кислоты раствором сильного основания . Представим ее уравнением реакции гидратированных ионов:

;

После сокращения ионов натрия и хлора может быть представлена в виде краткого ионного уравнения, составляющего суть процесса:



; .

При температуре 298 К для 1 моль – эквивалентна кислоты или основания . Отсюда кДж/моль, поэтому .



В случае реакции нейтрализации слабых кислот и слабых оснований такого постоянство не наблюдается, так как часть теплоты расходуется на ионизации слабой кислоты и слабого основания.

Цель работы. Научиться калориметрически определять энтальпии химических реакций.

Приборы и оборудование: калориметр, состоящий из двух стаканов различного объема (например, 0,1 и 0,5 л), вставленных один в другой; пробки с отверстиями для термометра; мешалки и воронки; мерные цилиндры; термометр с ценой деления .

Реактивы: соляная кислота и гидроксид натрия с концентрацией в пределах 0,5-1 моль/л; вода дистиллированная.

Ход работы:

  1. Ознакомьтесь с устройством калориметра и зарисуйте его, зная, что простейший калориметр (см. рисунок 1.1) представляет собой калориметрический стакан (1), находящийся в большом термоизаляционном стакане (2) с крышкой (3). С внутренним пространством калориметрического стакана контактируют воронка (4) и термометр (5).

  2. Отмерьте цилиндром 30 мл 1 М раствора гидроксида натрия / г/мл/ и поместите содержимое в калориметрический стакан, затем измерьте температуру раствора в стакане //.

  3. Отмерьте цилиндром 30 мл 1 М раствора соляной кислоты / г/мл/ и измерьте температуру раствора кислоты //. Затем быстро, без потерь, влейте через воронку кислоту в калориметр к раствору щелочи. Тщательно перемешайте раствор и измерьте его максимальную температуру //.

  4. Данные и результаты эксперимента записывайте в таблицу по форме:

Таблица 1.1

Экспериментальные данные и результаты измерений

1) Масса калориметрического стакана

(г);

2) Концентрация растворов

= (моль/л);

3) Объем раствора

(мл);

4) Температура раствора

(градус):

5) Температура раствора

(градус);

6) Начальная температура раствора

(градус);

7) Температура после нейтрализации

(градус);

8) Масса

(г);

9) Масса

(г).

  1. Выполните следующие нижеуказанные расчеты:

  1. По закону Гесса рассчитайте теоретическое значение теплового эффекта реакции нейтрализации с использованием табличных значений: . Отсюда =.

  2. Теплоемкость калориметра // находите по формуле: ,

где:

    • – удельная теплоёмкость стекла, равная;

    • – удельная теплоёмкость раствора, равная ;

  1. Стандартную энтальпию реакции нейтрализации определите по формуле:

,где:

    • - разность среднего арифметического значения температуры после реакции и среднего арифметического значения температуры до реакции;



  1. Определите абсолютную (а) и относительную (б) ошибку по следующим формулам:

а) и б)

  1. Выводы. 1) Делайте вывод о зависимости стандартной теплоты реакции от природы реагирующих кислот и оснований. 2) Объясните наличие относительной ошибки опыта.





Поделитесь с Вашими друзьями:
  1   2   3   4




База данных защищена авторским правом ©vossta.ru 2022
обратиться к администрации

    Главная страница