Получение дисперсных систем лабораторная работа. Дисперсные системы. Контрольные вопросы для самопроверки

ОКТЯБРЬСКИЙ КОММУНАЛЬНО-СТРОИТЕЛЬНЫЙ ТЕХНИКУМ

Специальность: ………………………………….

Лабораторные работы

по предмету

ВЫПОЛНИЛ Студент группы

…………….

номер группы

………………………………

Фамилия, инициалы.

ПРОВЕРИЛ Преподаватель химии

Шалганова О.Л.

Лабораторная работа №1

Тема: «Смеси и примеси. Приготовление дисперсных систем и изучение их свойств».

Цель: Ознакомиться со свойствами дисперсных систем. Научиться: готовить суспензию и эмульсию; решать задачи на определение массовой доли компонентов смеси и примесей

ТЕОРЕТИЧЕСКИЙ ОБЗОР

Чистые вещества в природе встречаются очень редко, чаще всего встречаются смеси. Смеси разных веществ в различных агрегатных состояниях могут образовывать гомогенные(растворы) и гетерогенные(дисперсные) системы.

Дисперсными- называют гетерогенные системы, в которых одно вещество - дисперсная фаза ( их может быть несколько) в виде очень мелких частиц равномерно распределено в объеме другого - дисперсионной среде.

Среда и фазы находятся в разных агрегатных состояниях – твердом, жидком и газообразном. По величине частиц веществ, составляющих дисперсную фазу, дисперсные системы делятся 2 группы:

Грубодисперсные (взвеси) с размерами частиц более 100 нм. Это непрозрачные системы, в которых фаза и среда легко разделяются отстаиванием или фильтрованием. Это- эмульсии, суспензии, аэрозоли.

Тонкодисперсные- с размерами частиц от 100 до 1 нм. Фаза и среда в таких системах отстаиванием разделяются с трудом. Это: золи (коллоидные растворы- "клееподобные") и гели (студни).

Коллоидные системы прозрачны и внешне похожи на истинные растворы, но отличаются от последних по образующейся “светящейся дорожке” – конусу при пропускании через них луча света. Это явление называют эффектом Тиндаля . При определенных условиях в коллоидном растворе может начаться процесс коагуляции.			Эффект Тиндаля
Коагуляция – явление слипания коллоидных частиц и выпадения их в осадок. При этом коллоидный раствор превращается в суспензию или гель. Гели или студни представляют собой студенистые осадки, образующиеся при коагуляции золей. Со временем структура гелей нарушается (отслаивается) – из них выделяется вода. Это явление синерезиса Различают 8 типов дисперсных систем.(д/с + д/ф) Г+Ж→аэрозоль (туман, облака, карбюраторная смесь бензина с воздухом в ДВС Г+ТВ→аэрозоль(дым, смог, пыль в воздухе) Ж+Г→пена (газированные напитки, взбитые сливки) Ж+Ж→эмульсия (молоко, майонез, плазма крови, лимфа, цитоплазма) Ж+ТВ→золь, суспензия (речной и морской ил, строительные растворы, пасты) ТВ+Г→твердая пена(керамика, пенопласт, поролон, полиуретан, пористый шоколад) ТВ+Ж→гель(желе, желатин, косметические и медицинские мази, помада) ТВ+ТВ→твердый золь (горные породы, цветные стекла) Решение задач на определение массовой доли компонентов смеси и примесей Какую массу вещества оксида кальция можно получить при термическом разложении 600г известняка, содержащего 10% примесей? При взаимодействии 10.8 г безводного карбоната натрия с избытком азотной кислоты получили 2.24 л (н.у.) оксида углерода (IV).Вычислите содержание примесей в карбонате натрия. ХОД РАБОТЫ

Ход работы		Выводы
Опыт №1 Приготовление суспензии карбоната кальция в воде и изучение ее свойств .
В стеклянную пробирку влить 4-5мл воды и всыпать 1-2 ложечки карбоната кальция. Пробирку закрыть резиновой пробкой и встряхнуть пробирку несколько раз	Наблюдали: ......................................
Опыт №2 Приготовление эмульсии масла в воде и изучение ее свойств
В стеклянную пробирку влить 4-5мл воды и 1-2 мл масла, закрыть резиновой пробкой и встряхнуть пробирку несколько раз. Изучить свойства эмульсии. Добавить 2-3 капли глицерина. Что произошло после его добавлении?	Наблюдали: Внешний вид и видимость частиц: ..................................................................................................................................................................................... Способность осаждаться и способность к коагуляции Внешний вид после добавления глицерина................................................................
Опыт №3 Приготовление коллоидного раствора и изучение его свойств
В стеклянный стакан с горячей водой внести 1-2 ложечки муки(или желатина), тщательно переме-шать. Пропустить через раствор луч света фонарика на фоне темной бумаги	Внешний вид и видимость частиц: ...................................................................................................................................................... Способность осаждаться и способность к коагуляции ....................................................................................................................... ................................. Наблюдается ли эффект Тиндаля...........................................................................

Общий вывод:

...................................................................... ............................................................................................................................................................................. ............................................................................................................................................................................. .............................................................................................................................................................................

Лабораторная работа №2

Тема: «Растворы. Приготовление растворов»

Цель: Познакомиться с понятиями раствор, концентрация, растворитель, растворенные вещества. Научиться рассчитывать массовую долю, процентную, молярную концентрации, а также готовить растворы на основании данных расчетов.

ТЕОРЕТИЧЕСКИЙ ОБЗОР

Раствор- это однородная система, состоящая из растворителя,растворенных веществ и продуктов их взаимодействия. Растворителем чаще всего является то вещество, которое в чистом виде имеет тоже агрегатное состояние, что и раствор, либо присутствует в избытке.

По агрегатному состоянию различают растворы: жидкие, твердые, газообразные. По соотношению растворителя и растворенного вещества: разбавленные, концентрированные, насыщенные, ненасыщенные, перенасыщенные. Состав раствора обычно передается содержанием в нем растворимого вещества в виде массовой доли, процентной концентраций и молярности.

Массовая доля (безразмерная величина) – это отношение массы растворенного

вещества к массе всего раствора: W м.д. = m раст. вещества

m раствора.

Процентная концентрация (%)– это величина показывающая сколько грамм растворенного вещества cсодержится в 100 гр. раствора :

W % = m раст. вещества 100%

m раствора

Молярная концентрация, или молярность (моль/литр)- это величина показывающая сколько молей растворимого вещества содержатся в 1 литре раствора:

См = m раст. вещес

М r ( раст. вещества ) V раствора .

ХОД РАБОТЫ

Ход работы, задание	Решение, расчеты
Опыт №1 Приготовление раствора соли NaCL
Задание : Определить массу хлорида натрия и массу воды, которые потребуются для приготовления 20% физ.раствора массой 10 гр.	.................................................... ....................................................	.................................................... .................................................... .................................................... ....................................................
	Найти: .................................................... .................................................... .................................................... .................................................... .................................................... ....................................................

Опыт №2 Приготовление раствора сахара и определение его W % и См

Задание : Определить W% и Cм сахарного раствора, состоящего из 20г. воды и 5гр. сахара (С 12 Н 22 О 11), если плотность этого раствора 1,25 г/мл. Как изменится W% данного раствора, если к нему прилить 50 гр воды.

Произвести расчеты и приготовить раствор

.................................................... ....................................................

…………………………...............

.................................................... .................................................... ....................................................

Опыт №3 Приготовление раствора уксуса из уксусной эсенции

Задание :

Сколько грамм 70% -ной уксусной эссенции и воды, необходимо взять для приготовления 200гр. раствора 9%ного столового уксуса (плотность1,008г/мл)

Произвести расчеты и приготовить раствор.

.................................................... .................................................... ....................................................

....................................................

…………………………................... Вывод:

Общий вывод: .....................................................................................................................................................

Лабораторная работа№3

Тема: "Классы неорганических веществ"

Цель: Познакомиться с понятиями кислота, основание, оксид, амфотерный гидроксид, соли, получить и исследовать наиболее распространенные простые вещества и соединения .

ТЕОРЕТИЧЕСКИЙ ОБЗОР

НЕОРГАНИЧЕСКИЕ СОЕДИНЕНИЯ

Кислоты

- сильные

Одноосновные

Многоосновные

Например:

Н CL, H 2 SO 4

Гидроксиды

Растворимые

Нерастворимые

Однокислотные

Многокислотные

Соли

- кислые

Основные

Например:

КНSO 4 , ALOHCL,

Оксиды

солеобразующие

Кислотные

Основные

Амфотерные

Например: СО 2, СаО, С r 2 O 3

несолеобразующие Например: СО

основания

Например:

NaOH , Ca (OH ) 2

-амфотерные

гидроксиды

Например:

Zn(OH) 2

ХОД РАБОТЫ

Ход работы

Рисунки, реакции, наблюдения.

Выводы

Опыт № 1 Ознакомление со свойствами неорганических кислот

Осторожно! Попадание кислот на кожу вызывает химические ожоги!

Изучим физические свойства кислот: серной, соляной, азотной и уксусной. Прильем к серной и уксусной кислоте по 1-2 капли воды, добавим по 1 капле метилоранжа (или другой индикатор). Поместим по грануле цинка(или алюминия).

Наблюдали:

............................................................................

Допишите уравнения:

СН 3 СООН + Zn → ....................................

H 2 SO 4 + Zn → ....................................

…………………………

Опыт № 2 Ознакомление со свойствами оснований

Осторожно! Попадание щелочи на кожу вызывает химические ожоги!

Изучим физические свойства гидроксидов натрия u кальция. Поместим их в пробирку с водой.

Добавим в каждую по 1 капле фенолфталеина. Нейтрализуем растворы серной кислоты.

Наблюдали:

Допишите уравнение:

NaOH + H 2 SO 4 → ....................................

Са (ОН ) 2 + H 2 SO 4 → ................................

…………………………

Опыт № 3 Ознакомление со свойствами солей.

а) Соли взаимодействуют с кислотами, образуя новую соль и кислоту.

Положим в пробирку кусочек мела и прибавим 1-2 капели раствора НСL.Полученный газ пропустим через раствор индикатора(метилоранж)

Составим реакцию:

СаСО 3 +НС L → ..............................................

…………………………

……………………………………………………

…………………………

……………………………………………………

…………………………

Наблюдали

: .............................................................................................................................................. .................

Наблюдали:

..................................................................................................................................................

б) Соли взаимодействуют со щелочами, образуя нерастворимые в воде основания и новую соль.

В две пробирки поместим по 1мл растворов солей

FeSO 4 и CuSO 4 , добавим по 1-2капли NaOH. К полученному осадку железа прильем

1-2 капли H 2 SO 4

Осадок меди будем длительно нагревать до его разложения (оксид меди (II) +вода)

Составим реакции:

FeSO 4 + NaOH  ………………………

Fe (ОН) 2 + H 2 SO 4  ........................................

Наблюдали: ................................................................................................................................................

С uSO 4 + NaOH  …… ……………………

С u (ОН) 2 нагреем  ………………............

Наблюдали:

. ...........................................................................................................................................................

в) Взаимодействие солей друг с другом .

В пробирку внесем

1 мл раствора хлорида натрия и добавим столько же раствора нитрата серебра.

Составим реакции:

NaCL + AgNO 3  ……………….........

Наблюдали:

………………………………………………………………………....

г) Взаимодействие солей с м еталлами

В пробирку c 1мл. CuSO 4 поместим железную скрепку. Для ускорения процесса внесем 1-2 капли серной кислоты.

Составим реакции:

CuSO 4 + Fe  ……………….........

Наблюдали:

………………………………………………………………………....

Общий вывод:

............................................................................................................................................................................ .

Опыт 3. Получение эмульсии моторного масла

Опыт 2. Приготовление суспензии карбоната кальция

Описание лабораторного оборудования

Материалы Оборудование

мел микропробирки 2шт.

моторное масло : фарфоровая ступка

зубная паста, пробиркодержатель

крем (для тела, лица, рук),

желейные конфеты, зефир,

конфеты «птичье молоко» и другое

Методика выполнения задания

В пробирку налейте 4-5 капель свежеприготовленного раствора

гидроксида кальция (известкой воды) и осторожно через трубочку

продувайте через него выдыхаемый воздух.

Известковая вода мутнеет в результате протекании реакции:

Са(ОН) 2 + СО 2 = СаСО 3 + Н 2 О

Поместить в пробирку 4 капли моторного масла и 10 капель воды. Содержимое пробирки энергично взболтать до образования мутно-желтого коллоидного раствора. Полученный раствор отстоять в течение 2 минут. Наблюдать за произошедшими изменениями.

Приготовьте небольшую коллекцию образцов дисперсных систем из имеющихся дома суспензий, эмульсий, паст и гелей. Каждый образец снабдите фабричной этикеткой.

Поменяйтесь с соседом коллекциями и затем распределите образцы коллекции в соответствии с классификацией дисперсных систем.

Ознакомьтесь со сроками годности пищевых, медицинских и косметических гелей. Каким свойством гелей определяется срок их годности?

Контрольные вопросы для самопроверки

Вариант 1

1.В случае морской пены дисперсная фаза: а) твердая б) жидкая в) газообразная

2. Смог – это: а) золь б) гель в) пена г) аэрозоль 3. К эмульсиям относятся: а) мыльный раствор б) морской ил в) молоко г) лимфа 4.Деление растворов на истинные и коллоидные обусловлено: а) цветом б) температурой в) размером частиц г) прозрачностью 5. Дисперсная фаза – это: а) вещество, которого в дисперсной системе больше б)вещество, которого в дисперсной системе меньше в) смесь всех веществ, которые содержит дисперсная система г) вещество, с размером частиц менее 1 нм

Вариант 2 1.В случае пористого шоколада дисперсная среда: а) твёрдая б) жидкая в) газообразная 2. Дым – это: а) золь б) гель в) аэрозоль г) пена 3. Явление коагуляции характерно: а) для золей б) гелей в) эмульсий г) аэрозолей 4. В случае чугуна дисперсная фаза: а)твёрдая б)жидкая в) газообразная 5. Кисель – это: а) истинный раствор б) коллоидный раствор в)аэрозоль г) взвесь

Вариант 3

1.Дайте определение, что такое золи, гели? 2. На какие подгруппы можно разделить гели? 3. Чем определяется срок годности косметических, медицинских и пищевых гелей? 4.Охарактеризуйте понятие «золи». На какие группы делят золи? Приведите примеры и расскажите об их значении 5.Охарактеризуйте явления коагуляции и синерезиса

24 6. Какое практическое значение имеет синерезис в промышленном производстве? 7. Охарактеризуйте понятие «гели». На какие группы делят гели? Приведите примеры каждой из групп гелей и расскажите об их значении

Требования к содержанию и оформлению отчёта по лабораторной работе

Запишите в журнал лабораторно-практических занятий:

1. Наименование опыта

2. Краткое описание опыта

3. Наблюдения

4. Вывод к работе

Список литературы и интернет - источников

Учебник О.С. Габриелян для СПО, 2008, с. 58 - 64

Лабораторная работа №1

Моделирование построения Периодической системы (таблицы) элементов.

Цель: научиться выявлять законы по таблице элементов.

Оборудование: карточки размером 6х10 см

Ход работы:

Заготовьте 20 карточек размером 6 х 10 см для элементов с порядковыми номерами с 1-го по 20 –й в Периодической системе Менделеева. На каждую карточку запишите следующие сведения об элементе:

Химический символ

Название

Значение относительной атомной массы

Формулу высшего оксида (в скобках укажите характер оксида- основный, кислотный или амфотерный)

Формулу высшего гидроксида (для гидроксидов металлов также укажите в скобках характер - основный или амфотерный)

Формулу летучего водородного соединения (для неметаллов).

Расположите карточки по возрастанию значений относительных атомных масс.

Расположите сходные элементы, начиная с 3-го по 18-й друг под другом. Водород и калий над литием и под натрием соответственно, кальций под магнием, а гелий над неоном. Сформулируйте выявленную вами закономерность в виде закона.

Поменяйте в полученном ряду местами аргон и калий. Объясните почему.

Еще раз сформулируйте выявленную вами закономерность в виде закона.

Лабораторная работа №2

Приготовление дисперсных систем.

Цель: получить дисперсные системы и исследовать их свойства

Оборудование и реактивы: - дистиллированная вода;

Раствор желатина;

Кусочки мела;

Раствор серы;

Пробирки, штатив.

1. Приготовление суспензии карбоната кальция в воде.

Налить в 2 пробирки по 5мл дистиллированной воды. В пробирку №1 добавить 1мл 0,5%-ного раствора желатина. Затем в обе пробирки внести небольшое количество мела и сильно взболтать.

Поставить обе пробирки в штатив и наблюдать расслаивание суспензии.

Ответьте на вопросы:

Одинаково ли время расслаивания в обеих пробирках? Какую роль играет желатин? Что является в данной суспензии дисперсной фазой и дисперсионной средой?

2. Исследование свойств дисперсных систем

К 2-3мл дистиллированной воды добавьте по каплям 0,5-1мл насыщенного раствора серы. Получается опалесцирующий коллоидный раствор серы. Какую окраску имеет гидрозоль?

Форма отчёта

Лабораторная работа №3.

Ознакомление со свойствами дисперсных систем.

Классификация дисперсных систем.

Система называется дисперсной, если в каком-либо веществе (дисперсионной среде) распределено другое вещество (дисперсная фаза) в виде мельчайших частиц. Дисперсные системы являются гетерогенными. Обязательным условием получения дисперсных систем является взаимная нерастворимость диспергируемого вещества и дисперсионной среды. Например, нельзя получить дисперсную систему сахара или поваренной соли в воде, но они могут быть получены в керосине или в бензоле, в которых эти вещества практически нерастворимы.

Дисперсные системы классифицируют по размеру частиц, по агрегатному состоянию дисперсной фазы и дисперсионной среды, по характеру взаимодействия между дисперсной фазой и дисперсионной средой. Наиболее распространена классификация по агрегатному состоянию, предложенная Освальдом (табл. 1). Возможны восемь типов дисперсных систем в зависимости от агрегатного состояния распределенного вещества и среды: Г- газообразное вещество, Ж - жидкое, Т - твердое; первая буква относится к распределяемому веществу, вторая - к среде. Все системы, отвечающие коллоидной степени дисперсности, принято называть золями.

Таблица 1.Классификация дисперсных систем по агрегатному состоянию дисперсной фазы и дисперсионной среды

Дисперсионная среда	Дисперсная фаза	Примеры дисперсных систем
Твердая	Твердая	Рубиновое стекло; пигментированные волокна; сплавы; рисунок на ткани, нанесенный методом пигментной печати
Твердая	Жидкая	Жемчуг, вода в граните, вода в бетоне, остаточный мономер в полимерно-мономерных частицах
Твердая	Газообразная	Газовые включения в различных твердых телах: пенобетоны, замороженные пены, пемза, вулканическая лава, полимерные пены, пенополиуретан
Жидкая	Твердая	Суспензии, краски, пасты, золи, латексы
Жидкая	Жидкая	Эмульсии: молоко, нефть, сливочное масло, маргарин, замасливатели волокон
Жидкая	Газообразная	Пены, в том числе для пожаротушения и пенных технологий замасливания волокон, беления и колорирования текстильных материалов
Газообразная	Твердая	Дымы, космическая пыль, аэрозоли
Газообразная	Жидкая	Туманы, газы в момент сжижения
Газообразная	Газообразная	Коллоидная система не образуется

По величине частиц веществ, составляющих дисперсную фазу, дисперсные системы делят на грубодисперсные (взвеси) с размерами частиц более 100нм и тонкодисперсные (коллоидные растворы или коллоидные системы) с размерами частиц от 100 до 1 нм. Если же вещество раздроблено до молекул или ионов размером менее 1 нм, образуется гомогенная система- раствор. Она однородна (гомогенна), поверхности раздела между частицами и средой нет.

Способы получения дисперсных систем

Дисперсные системы занимают промежуточное положение между грубодисперсными и молекулярными системами. Поэтому их получают двумя способами: дроблением крупных кусков вещества до требуемой дисперсности (диспергирование) или объединением молекул (ионов) в агрегаты коллоидных размеров (конденсация).

Дисперсионные методы получения дисперсных систем

1. Механический

Твердые тела дробятся в специальных дробилках, жерновах, мельницах различной конструкции. Тонко измельченные вещества приобретают множество полезных свойств. Например, красители - лучшую красящую способность, большую устойчивость, более красивые оттенки. Методом механического измельчения получают краски, смазочные материалы, фармацевтические препараты, пищевые продукты.

2. Ультразвуковой

Твердые тела дробят под действием ультразвука. Этим способом получают гидрозоли различных полимеров, серы, графита, органозоли металлов и сплавов.

Конденсационные методы получения дисперсных систем

1. Физические

К ним относится замена растворителя. Например, в раствор серы в этиловом спирте добавляют воду.

2. Химические

В основе лежат химические реакции окисления, восстановления, обмена, гидролиза. Например, FeCl3 + 3H2O = Fe(OH)3 ¯ + 3HCl.

Коллоидные растворы

Раздробленное (диспергированное) состояние вещества с размером частиц от 10-9 до 10-7 м называют коллоидным состоянием вещества. Коллоидные растворы изучает раздел науки - коллоидная химия.

Коллоидная химия - это наука о свойствах гетерогенных высокодисперсных систем и протекающих в них процессах.

Основоположником коллоидной химии является англичанин Т. Грэм (1805-1869). Он впервые дал общие представления о коллоидных растворах и разработал некоторые методы их исследования.

Коллоидные растворы проявляют специфические свойства : коагуляции и адсорбции.

Коагуляция - процесс слипания коллоидных частиц, т.е. образования при определенных условиях осадка. Коагуляция происходит в результате лишения коллоидных частиц адсорбционной оболочки, нейтрализации заряда или химических превращений.

Причины коагуляции:

1) нагревание . При нагревании уменьшается адсорбционная способность коллоидных частиц, поэтому крупные частицы, ставшие нейтральными, притягиваются друг к другу, образуя осадок;

2) действие электрического тока . Под действием электрического тока крупные заряженные коллоиды притягиваются к соответствующему (противоположно заряженному) электроду и там разряжаются, образовавшиеся нейтральные частицы притягиваются друг к другу и дают осадок. Явление разряда мицелл под действием электрического тока называется электрофорезом;

3) прибавление сильного электролита приводит к нейтрализации коллоидных частиц;

4) замораживание . При замораживании образуются кристаллики воды, в результате в оставшейся части системы происходит концентрирование золя, и частицы могут приходить друг с другом в контакт и слипаться.

Адсорбция - самопроизвольный процесс увеличения концентрации одного вещества (адсорбата) на поверхности другого (адсорбента).

Адсорбция происходит на любых межфазовых поверхностях, адсорбироваться могут любые вещества.

Вывод: свойства дисперсных систем_________________________

ЛПЗ №4 СВОЙСТВА КИСЛОТ, ОСНОВАНИЙ, ОКСИДОВ И СОЛЕЙ.

Цель работы: на основании проведенных опытов сделать вывод о взаимодействии металлов с кислотами, кислот с основаниями, кислот с солями, щелочей с солями, разложении нерастворимых оснований, а также исследовать, как действуют кислоты на индикаторы.

Оборудование: индикаторы, пробирки, кислоты(), основания(), оксиды(), соли(), металлы().

Ход работы:

Задание №1. Испытание растворов кислот и щелочей индикаторами.

Согласуется ли вывод с таблицей «Изменение цвета индикаторов».

Изменение цвета индикаторов

Задание №2. Пользуясь предложенными реактивами, проведите реакции, характеризующие свойства кислот.

Сделайте общий вывод об отношении кислот к металлам. Для этого воспользуйтесь схемой:

Отношение металлов к воде и к некоторым кислотам

Задание №3. Пользуясь предложенными реактивами, проведите реакции, характеризующие свойства щелочей.

Задание №4. Разложение нерастворимых оснований.

Вывод данной работы.

Цель работы:

Друг с другом.

Оборудование:

Ход работы:

Задание №2. Взаимодействие солей друг с другом .

ЛПЗ №5. ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ СОЛЕЙ С МЕТАЛЛАМИ.

Цель работы: на основании проведенных опытов сделать

Вывод о взаимодействии металлов с солями, а также солей

Друг с другом.

Оборудование: пробирки, соли(), металлы().

Ход работы:

Задание №1. Взаимодействие металлов с солями .

Задание №3.

Задание №3. 1) Запишите уравнения практически осуществимых реакций:

а) фосфат натрия с нитратом серебра; б) карбонат кальция с хлоридом калия; в) нитрат меди (II) с цинком;

2) Сделайте вывод о проделанной работе.

ЛПЗ №6.

Цель работы:

Ход работы:

ЛПЗ №6. Зависимость скорости взаимодействия соляной кислоты с металлами от их природы. Зависимость скорости взаимодействия цинка с соляной кислотой от ее концентрации. Зависимость скорости взаимодействия оксида меди с серной кислотой от температуры.

Цель работы: практическим путем подтвердить зависимость скорости химической реакции от природы реагирующего вещества, от её концентрации и от температуры.

Ход работы:

1.Зависимость скорости взаимодействия цинка с соляной кислотой от ее концентрации.

В две пробирки поместите по одной грануле цинка. В одну прилейте 1 мл соляной кислоты (1:3), в другую – столько же этой кислоты другой концентрации (1:10). В какой пробирке более интенсивно протекает реакция? Что влияет на скорость реакции?

2.Зависимость скорости взаимодействия соляной кислоты с металлами от их природы.

В три пробирки (подписанные, под номерами) прилить по 3 мл раствора НCl и внести в каждую из пробирок навески опилок одинаковой массы: в первую - Mg, во вторую - Zn, в третью – Fe.

2 SO 4

Что наблюдаете? В какой пробирке реакция протекает быстрее? (или вообще не протекает). Напишите уравнения реакций. Какой фактор влияет на скорость реакции? Сделайте выводы.

3.Зависимость скорости взаимодействия оксида меди с серной кислотой от температуры.

В три пробирки (под номерами) налить по 3 мл раствора Н 2 SO 4 (одинаковой концентрации). В каждую поместить навеску CuO (II) (порошок). Первую пробирку оставить в штативе; вторую - опустить в стакан с горячей водой; третью - нагреть в пламени спиртовки.

В какой пробирке цвет раствора меняется быстрее (голубой цвет)? Что влияет на интенсивность реакции? Напишите уравнение реакции. Сделайте вывод.

Лабораторная работа №1

Ознакомление со свойствами смесей и дисперсных систем

Цель: получить дисперсные системы и исследовать их свойства

Оборудование: пробирки, штатив*

Реактивы: дистиллированная вода, раствор желатина, кусочки мела, раствор серы

Методические указания:

1. Приготовление суспензии карбоната кальция в воде.

Налить в 2 пробирки по 5мл дистиллированной воды.

В пробирку №1 добавить 1мл 0,5%-ного раствора желатина.

Затем в обе пробирки внести небольшое количество мела и сильно взболтать.

Поставить обе пробирки в штатив и наблюдать расслаивание суспензии.

Ответьте на вопросы:

2. Исследование свойств дисперсных систем

3. Напишите отчет:

В ходе работы отобразите проведенные опыты и их результат в виде таблицы:

*Цель*	*Схема опыта*	*Результат*
Приготовить суспензию карбоната кальция в воде
Исследовать свойства дисперсных систем

Сделайте и запишите вывод о проделанной работе.

Практическая работа №2

Приготовление раствора заданной концентрации

Цель: приготовить растворы солей определенной концентрации.

Оборудование: стакан, пипетка, весы, стеклянная лопаточка, мерный цилиндр

Реактивы: сахар, поваренная соль, пищевая сода, холодная кипяченая вода

Методические указания:

Приготовьте раствор вещества с указанной массовой долей вещества (данные указаны в таблице для десяти вариантов).

Произведите расчеты: определите, какую массу вещества и воды потребуется взять для приготовления раствора, указанного для вашего варианта.

варианта	наименование	массовая доля вещества	масса раствора

	поваренная соль
	пищевая сода

	поваренная соль
	пищевая сода

	поваренная соль
	пищевая сода

1. Отвесьте соль и поместите ее в стакан.

2. Отмерьте измерительным цилиндром необходимый объем воды и вылейте в колбу с навеской соли.

Внимание! При отмеривании жидкости глаз наблюдателя должен находиться в одной плоскости с уровнем жидкости. Уровень жидкости прозрачных растворов устанавливают по нижнему мениску.

3. Напишите отчет о работе:
-укажите номер практической работы , ее название, цель, используемое оборудование и реактивы;

Оформите расчеты в виде задачи;

Схемой отобразите приготовление раствора;

Сделайте и запишите вывод.

Лабораторная работа №2

Свойства неорганических кислот

Цель: изучить свойства неорганических кислот на примере соляной кислоты

Оборудование: пробирки, шпатель, пипетка, пробиркодержатель, спиртовка*

Реактивы: раствор соляной кислоты, лакмус, фенолфталеин, метилоранж; гранулы цинка и меди, оксид меди, раствор нитрата серебра.

Методические указания:

1. Испытание растворов кислот индикаторами:

В три пробирки налейте раствор соляной кислоты и поставьте их в штатив.

В каждую из пробирок добавьте несколько капель каждого индикатора: 1- метилоранж, 2- лакмус, 3- фенолфталеин. Зафиксируйте результат.

Индикатор
	нейтральная	щелочная

Фенолфталеин	бесцветный	бесцветный
метилоранж			оранжевый

2. Взаимодействие кислот с металлами:

Возьмите две пробирки и поместите в 1 – гранулу цинка, во 2 – гранулу меди.

3. Взаимодействие с оксидами металлов:

Поместите в пробирку порошок оксида меди (II), прилейте раствора соляной кислоты. Нагрейте пробирку и зафиксируйте результат и объясните.

4. Взаимодействие с солями:

В пробирку налейте раствор нитрата серебра и добавьте раствор соляной кислоты. Результат зафиксируйте и объясните.

5. Напишите отчет о работе:

Укажите номер лабораторной работы, ее название, цель, используемое оборудование и реактивы;

Заполните таблицу

Наименование опыта	Схема проведения опыта	Наблюдения	Объяснение наблюдений	Химическое уравнение реакции

*(при наличии технической возможности) компьютер, OMS модуль

Лабораторная работа №3

«Факторы, влияющие на скорость химической реакции»

Цель: выявить зависимость скорости химической реакции от различных факторов.

Оборудование: пробирки, стаканы, шпатель, электроплитки, колбы, мерный цилиндр, штатив, газоотводные трубки, весы, воронка, фильтровальная бумага, стеклянная палочка*

Реактивы: гранулы цинка, магния железа, кусочки мрамора, соляная и уксусная кислота; цинковая пыль; пероксид водорода , оксид марганца (II).

Методические указания:

1. Зависимость скорости химической реакции от природы веществ.

Налейте в три пробирки раствор соляной кислоты. В первую пробирку положите гранулу магния, во вторую – гранулу цинка, в третью – гранулу железа.

Возьмите 2 пробирки: в 1 – налейте соляной кислоты, во 2 – уксусной кислоты. В каждую пробирку положите по одинаковому кусочку мрамора. Зафиксируйте наблюдения, определите какая реакция идет с большей скоростью и почему.

2. Зависимость скорости химической реакции температуры.

В два химических стакана налейте одинаковое количество соляной кислоты и накройте их стеклянной пластинкой. Поставьте оба стакана на электроплитку: для первого стакана установите температуру - 20˚С, для второго - 40˚С. На каждую стеклянную пластинку положите по грануле цинка. Приведите приборы в действие, одновременным сбрасыванием гранул цинка с пластинок. Зафиксируйте наблюдений и объясните.

3. Зависимость скорости химической реакции от площади соприкосновения реагентов.

Соберите две одинаковых установки:

В колбы налейте по 3 мл соляной кислоты одинаковой концентрации, установите их горизонтально на штативе, шпателем в первую колбу (в ее горлышко) поместите порошок цинка, во вторую – гранулу цинка. Закройте колбы газоотводными т рубками. Одновременно приведите приборы в действие повернув их в вертикальную плоскость на 90 градусов против часовой стрелки.

4. Зависимость скорости химической реакции от катализатора.

В два химических стакана налейте одинаковое количество 3% пероксида водорода. Взвесьте один шпатель катализатора – оксида марганца (II). В первый стакан добавьте взвешенный катализатор. Что наблюдаете, оцените скорость разложения пероксида водорода с катализатором и без него.

5. Напишите отчет:

Проведенные опыты, их результаты и объяснения зафиксируйте в виде таблицы

	Наименование опыта	Схема проведения опыта	Наблюдения	Объяснение наблюдений	Химическое уравнение реакции

Сформулируйте и запишите вывод о влияние каждого фактора на скорость химической реакции

*(при наличии технической возможности) компьютер, OMS модуль

Практическая работа №3

Решение экспериментальных задач по теме: «Металлы и неметаллы»

Цель: научиться распознавать предложенные вам вещества, используя знания об их химических свойствах.

Оборудование: штатив с пробирками

Реактивы: растворы нитрата натрия, сульфата натрия, хлорида натрия, фосфата натрия, нитрата бария, нитрата кальция, нитрата серебра и нитрата меди

Методические указания:

1. Распознавание неметаллов:

В четырех пробирках находятся растворы: 1 - нитрата натрия, 2 - сульфата натрия, 3 – хлорид натрия, 4 – фосфат натрия, определите в какой из пробирок находится каждое из указанных веществ (для определения аниона следует подобрать такой катион, с которым анион даст осадок).

	1 - нитрата натрия	2 - сульфата натрия	3 – хлорид натрия	4 – фосфат натрия
Вещество (идентификатор)
Наблюдения
Химическая реакция

2. Распознавание металлов:

В четырех пробирках находятся растворы: 1 – нитрата бария, 2 – нитрата кальция, 3 - нитрата серебра, 4 – нитрат меди, определите в какой из пробирок находится каждое из указанных веществ (для определения катиона металла следует подобрать такой анион, с которым катион даст осадок).

Результаты проведенных опытов зафиксируйте в отчетной таблице:

	1 - нитрата бария	2 – нитрат кальция	3 – нитрат серебра	4 – нитрат меди
Вещество (идентификатор)
Наблюдения
Химическая реакция

Укажите номер практической работы, ее название, цель, используемое оборудование и реактивы;

Заполните отчетные таблицы

Напишите вывод о способах идентификации металлов и неметаллов.

Лабораторная работа №4

«Изготовление моделей молекул органических веществ»

Цель: построить шаростержневые и масштабные модели молекул первых гомологов предельных углеводородов и их галогенопроизводных.

Оборудование: набор шаростержневых моделей.

Методические указания.

Для построения моделей используйте детали готовых наборов или пластилин с палочками. Шарики, имитирующие атомы углерода, готовят обычно из пластилина темной окраски, шарики, имитирующие атомы водорода, - из светлой окраски, атомы хлора – из зеленого или синего цвета. Для соединения шариков используют палочки.

Ход работы:

1. Соберите шаростержневую модель молекулы метана. На «углеродном» атоме наметьте четыре равноудаленные друг от друга точки и вставьте в них палочки, к которым присоединены «водородные» шарики. Поставьте эту модель (у нее должны быть три точки опоры). Теперь соберите масштабную модель молекулы метана. Шарики «водорода» как бы сплющены и вдавлены в углеродный атом.

Сравните шаростержневую и масштабную модели между собой. Какая модель более реально передает строение молекулы метана? Дайте пояснения.

2. Соберите шаростержневую и масштабную модели молекулы этана. Изобразите эти модели на бумаги в тетради.

3. Соберите шаростержневые модели бутана и изобутана. Покажите на модели молекулы бутана, какие пространственные формы может принимать молекула, если происходит вращение атомов вокруг сигма связи. Изобразите на бумаге несколько пространственных форм молекулы бутана.

4. Соберите шаростержневые модели изомеров C5H12 . изобразите на бумаге.

5. Соберите шаростержневую модель молекулы дихлорметана CH2Cl2

Могут ли быть изомеры у этого вещества? Попытайтесь менять местами атомы водорода и хлора. К какому выводу вы приходите?

6. Напишите отчет:

Укажите номер лабораторной работы, ее название, цель, используемое оборудование;

Зафиксируйте выполненные задания в виде рисунка и ответов на вопросы к каждому заданию

Сформулируйте и запишите вывод.

Практическая работа №4

Решение экспериментальных задач по теме: «Углеводороды»

Цель: научиться распознавать предложенные вам углеводороды, используя знания об их химических свойствах.

Методические указания:

Проанализируйте, как можно распознать пропан, этилен, ацетилен, бутадиен и бензол, исходя из знаний об их химических и физических свойствах

Результаты анализа зафиксируйте в отчетной таблице:

	ацетилен	бутадиен
физические свойства
химические свойства

(укажите в таблице только наиболее отличительные свойства каждого из классов углеводородов)

3. Напишите отчет и сформулируйте вывод:

Укажите номер практической работы, ее название и цель

Заполните отчетную таблицу

Напишите вывод о способах идентификации углеводородов.

Лабораторная работа №5

«Свойства спиртов и карбоновых кислот»

Цель: на примере этанола, глицерина и уксусной кислоты изучить свойства предельных одноатомных спиртов, многоатомных спиртов и карбоновых кислот.

Оборудование: пробирки,металлические щипцы, фильтровальная бумага, фарфоровая чашка, газоотводная трубка, спички, шпатель, штатив, штатив для пробирок*

Реактивы: этанол, металлический натрий; сульфат меди(II), гидроксид натрия, глицерин; уксусная кислота, дистиллированная вода, лакмус, гранулы цинка, оксид кальция, гидроксид меди, мрамор, гидроксид кальция.

1. Свойства предельных одноатомных спиртов.

В две пробирки налейте этилового спирта.

В 1 добавьте дистиллированной воды и несколько капель лакмуса. Зафиксируйте наблюдения и объясните.

Во вторую пробирку металлическими щипцами поместите кусочек натрия, предварительно промокнув его в фильтровальной бумаге. Зафиксируйте наблюдения и объясните.

Выделяющийся газ соберите в пустую пробирку. Не переворачивая пробирку, поднесите к ней зажженную спичку. Зафиксируйте наблюдения и объясните.

В фарфоровую чашку налейте небольшое количество этилового спирта. С помощью лучинки подожгите спирт в чашке. Зафиксируйте наблюдения и объясните.

2. Качественная реакция на многоатомные спирты.

В пробирку налейте раствор сульфата меди (II) и раствор гидроксида натрия. Зафиксируйте наблюдения и объясните.

Затем прилейте небольшое количество глицерина. Зафиксируйте наблюдения и объясните.

3. Свойства предельных карбоновых кислот.

В пять пробирок налейте уксусной кислоты.

В 1 прилейте небольшое количество дистиллированной воды и несколько капель лакмуса. Во 2 поместите гранулу цинка. Выделяющийся газ соберите в пустую пробирку, и проверьте его на горючесть.

В 3 поместите один шпатель оксида кальция.

В 4 поместите один шпатель гидроксида меди.

В 5 поместите кусочек мрамора. Выделяющийся газ пропустите через раствор гидроксида кальция.

Зафиксируйте наблюдения в каждой из пяти пробирок, напишите уравнения химических реакций и объясните наблюдаемые изменения.

4. Напишите отчет по указанному ниже плану:

Укажите номер лабораторной работы, ее название, цель, используемое оборудование и реактивы;

Проведенные опыты, их результаты и объяснения зафиксируйте в виде таблицы (на двойном развороте страницы)

	Наименование опыта	Схема проведения опыта (описание действий)	Наблюдения	Объяснение наблюдений	Химические уравнения реакций
предельные одноатомные спирты

многоатомные спирты

карбоновые кислоты

Сформулируйте и запишите вывод о свойствах спиртов и карбоновых кислот

*(при наличии технической возможности) компьютер, OMS модуль

Лабораторная работа №6

«Свойства жиров и углеводов»

Цель: изучить свойства углеводов и доказать непредельный характер жидких жиров.

Оборудование: пробирки, мерная пипетка, спиртовка, стеклянная палочка, пробиркодержатель*

Реактивы: аммиачный раствор оксида серебра, раствор глюкозы, раствор сахарозы, раствор гидроксида натрия, раствор сульфата меди (II), растительное масло, бромная вода.

1. Свойства углеводов:

А) Реакция «серебряного зеркала»

В пробирку налейте аммиачный раствор оксида серебра (I). Добавьте пипеткой немного раствора глюкозы. Зафиксируйте наблюдения, объясните их исходя из строения молекулы глюкозы.

Б) Взаимодействие глюкозы и сахарозы с гидроксидом меди (II).

В пробирке №1 налито 0,5 мл раствора глюкозы, добавьте 2 мл раствора гидроксида натрия.

К полученной смеси добавьте 1 мл раствора сульфата меди (II).

К полученному раствору аккуратно добавьте 1 мл воды и нагрейте на пламени спиртовки до кипения. Прекратите нагревание, как только начнется изменение цвета.

Прибавьте к раствору сульфата меди (II) раствор сахарозы и смесь взболтайте. Как изменилась окраска раствора? О чем это свидетельствует?

Зафиксируйте наблюдения и ответьте на вопросы:

1. Почему образовавшийся вначале осадок гидроксида меди(II) растворяется с образованием прозрачного синего раствора?

2. Наличие каких функциональных групп в глюкозе обусловлена эта реакция?

3. Почему при нагревании происходит изменение цвета реакционной смеси с синего на оранжево-желтый?

4. Что представляет собой желто-красный осадок?

5. Наличие какой функциональной группы в глюкозе является причиной данной реакции?

6. Что доказывает реакции с раствором сахарозы?

2. Свойства жиров:

В пробирку прилить 2-3 капли растительного масла и добавить 1-2 мл бромной воды. Все перемешать стеклянной палочкой.

Зафиксируйте наблюдения и объясните.

3. Напишите отчет:

Укажите номер лабораторной работы, ее название, цель, используемое оборудование и реактивы;

Составьте схему каждого проведенного опыта, подпишите свои наблюдения на каждом этапе и уравнения химических реакций; ответьте на вопросы.

Сформулируйте и запишите вывод

*(при наличии технической возможности) компьютер, OMS модуль

Лабораторная работа №7

«Свойства белков»

Цель: изучить свойства белков

Оборудование: пробирки, пипетка, пробиркодержатель, спиртовка*

Реактивы: раствор куриного белка, раствор гидроксида натрия, раствор сульфата меди (II), концентрированная азотная кислота, раствор аммиака , раствор нитрата свинца, раствор ацетата свинца.

1. Цветные «реакции белков»

Налейте в пробирку раствор куриного белка. Добавьте 5-6 капель гидроксида натрия и взболтайте содержимое пробирки. Прибавьте 5-6 капель раствора сульфата меди (II).

Зафиксируйте наблюдения.

В другую пробирку налейте раствор куриного белка и добавьте 5-6 капель концентрированной азотной кислоты. Затем добавьте раствор аммиака и слегка нагрейте смесь. Зафиксируйте наблюдения.

2. Денатурация белка

Налейте в 4 пробирки раствор белка куриного яйца.

Раствор в первой пробирке нагрейте до кипения.

Во вторую добавьте по каплям раствор ацетата свинца.

В третью пробирку добавьте раствор нитрата свинца.

В четвертую прилейте в 2 раза больший объем органического раствори% этанола, хлороформа, ацетона или эфира) и перемешайте. Образование осадка можно усилить добавлением нескольких капель насыщенного раствора хлорида натрия.

Зафиксируйте наблюдения и объясните.

3. Напишите отчет:

Укажите номер лабораторной работы, ее название, цель, используемое оборудование и реактивы;

Составьте схему каждого проведенного опыта, подпишите свои наблюдения на каждом этапе и объяснения происходящих явлений.

Сформулируйте и запишите вывод

*(при наличии технической возможности) компьютер, OMS модуль

Практическая работа №5

«Решение экспериментальных задач на идентификацию органических соединений»

Цель: обобщить знания о свойствах органических веществ, научиться распознавать органические вещества, на основе знаний о качественных реакциях для каждого класса веществ

Оборудование: пробирки, спиртовка, пробиркодержатель, пипетка, стеклянная палочка*

Реактивы: раствор белка, раствор глюкозы, пентен – 1, глицерин, фенол, хлорид железа (III), раствор гидроксида меди, аммиачный раствор оксида серебра, раствор брома в воде, нитрат свинца

1. Идентификация органических соединений.

Проведите эксперименты, на основе анализа которых определите в какой из пробирок находится каждое из указанных веществ: 1- раствор белка, 2- раствор глюкозы, 3 - пентен – 1, 4 - глицерин, 5 - фенол.

2. Зафиксируйте полученные результаты в виде отчетной таблицы.

	раствор белка	раствор глюкозы	пентен - 1	глицерин
хлорид железа (III)
гидроксид меди
аммиачный раствор оксида серебра
раствор брома в воде
нитрат свинца

В каждой ячейке нарисуйте полученный результат, отметьте реакции – индетифицирующие каждое из веществ. Сформулируйте и запишите вывод о способах идентификации органических веществ.

*(при наличии технической возможности) компьютер, OMS модуль

ПОВЕРХНОСТНЫЕ ЯВЛЕНИЯ И ДИСПЕРСНЫЕ СИСТЕМЫ ИЗДÀТЕЛЬСТВО ТГТУ Министерство образования и науки Российской Федерации Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Тамбовский государственный технический университет» ПОВЕРХНОСТНЫЕ ЯВЛЕНИЯ И ДИСПЕРСНЫЕ СИСТЕМЫ Лабораторные работы для студентов 3 курса специальности 240901 «Пищевая биотехнология» Тамбов Издательство ТГТУ 2006 УДК 541.18 ББК 24.6 М15 Р е це н зе н т кандидат химических наук Н.Ф. Гладышев Автор ы-со ст ав ите ли: Е.И. Муратова, А.А. Ермаков М15 Поверхностные явления и дисперсные системы: Лабораторные работы / Авт.-сост.: Е.И. Муратова, А.А. Ермаков. Тамбов: Изд-во Тамб. гос. техн. ун-та, 2006. 48 с. Даны лабораторные работы по изучению особенностей поверхностных явлений и свойств многочисленных дисперсных систем – объектов пищевой биотехнологии. Представлен широкий спектр методов, приборов и установок для исследования поверхностных явлений (поверхностного натяжения, адсорбции) и дисперсных систем (золей, суспензий, эмульсий, пен и др.). Лабораторные работы составлены в соответствии с Государственным образовательным стандартом высшего профес- сионального образования для специальности 240901 «Пищевая биотехнология» и программой дисциплины «Поверхност- ные явления и дисперсные системы» и предназначены для студентов 3 курса. УДК 541.18 ББК 24.6  Тамбовский государственный технический университет (ТГТУ), 2006 Учебное издание ПОВЕРХНОСТНЫЕ ЯВЛЕНИЯ И ДИСПЕРСНЫЕ СИСТЕМЫ Лабораторные работы Авторы-составители: Муратова Евгения Ивановна, Ер ма ков Александр Анатольевич Редактор З.Г. Чер но ва Компьютерное макетирование Е.В. Кораблево й Подписано к печати 30.01.2006 Гарнитура Тimes New Roman. Формат 60 × 84/16. Бумага офсетная. Печать офсетная. Объем: 2,79 усл. печ. л.; 2,9 уч.-изд. л. Тираж 100 экз. С. 25М Издательско-полиграфический центр ТГТУ 392000, Тамбов, Советская, 106, к. 14 ВВЕДЕНИЕ В последние годы произошло значительное расширение ассортимента пищевых продуктов, получили широ- кое распространение комбинированные продукты питания функционального назначения, продукты-аналоги, гид- робионты и др. Проектирование рецептур таких продуктов и разработка технологий их получения должны вестись с учетом коллоидно-химических свойств пищевых масс. Дисциплина «Поверхностные явления и дисперсные системы» (коллоидная химия) входит в федеральный компонент государственного образовательного стандарта высшего профессионального образования специальности «Пищевая биотехнология». Необходимость ее изучения вызвана тем, что практически все пищевые массы пред- ставляют собой дисперсные системы, физико-химические свойства которых следует учитывать при производстве и хранении продовольственных продуктов. По выражению Бехгольда «приемы кулинарии являются ничем иным как практическим применением коллоидной химии». В соответствии с квалификационными требованиями государственного образовательного стандарта выпуск- ники специальности «Пищевая биотехнология» должны знать теоретические и технологические основы образова- ния и разрушения пищевых дисперсных систем, коллоидно-химические свойства пищевого сырья и готовой про- дукции; владеть методами исследования пищевых дисперсных систем и иметь практические навыки работы с со- ответствующим лабораторным оборудованием; уметь использовать полученные знания и практические навыки для проектирования комбинированных продуктов питания, выбора оптимальных технологических режимов работы оборудования, получения продукции высокого качества. Представленные в пособии лабораторные работы охватывают наиболее значимые для пищевых производств разделы коллоидной химии. Их выполнение позволит будущему инженеру-биотехнологу познакомиться со спосо- бами получения и свойствами суспензий, золей, эмульсий, пен; освоить современные методики, приборы и уста- новки; исследовать влияние рецептурных и технологических параметров на величину поверхностного натяжения, удельную адсорбцию, полную обменную емкость ионитов, реологические свойства различных пищевых дисперс- ных систем. Надеемся, что полученные знания и навыки будут способствовать более глубокому пониманию сту- дентами специальных технологических курсов. Лабораторная работа 1 ОПРЕДЕЛЕНИЕ ПОВЕРХНОСТНОГО НАТЯЖЕНИЯ Цель работы: измерение поверхностного натяжения; определение зависимости поверхностного натяжения жидкостей от температуры, природы и концентрации растворенного вещества. Общие теоретические положения Поверхностное натяжение σ является важной характеристикой поверхности раздела фаз и поверхностных яв- лений. Оно характеризует избыток поверхностной энергии, приходящейся на единицу межфазной поверхности и выражается в Дж/м2 или Н/м. Чем больше различия в интенсивности межмолекулярных взаимодействий гранича- щих фаз, тем больше поверхностное натяжение. При температуре 20 °С поверхностное натяжение ртути составля- ет 485,0 мДж/м2, воды – 72,8 мДж/м2, этанола – 22,0 мДж/м, подсолнечного масла – 33,0 мДж/м, сливок – 42,0 мДж/м, вина – 45…55 мДж/м2. 2 2 2 Поверхностное натяжение раствора σ почти всегда отличается от поверхностного натяжения растворителя σ0, так как растворенные вещества в зависимости от их природы могут концентрироваться на поверхности раствора или переходить в объем раствора. Вещества, которые уменьшают поверхностное натяжение, называются поверхностно- активными (ПАВ). ПАВ относительно воды являются спирты, органические кислоты, амины и др. Поверхностное натяжение индивидуальных веществ на границе с газом повышается с повышением темпера- туры, причем температурный коэффициент α имеет практически постоянное отрицательное значение. Для боль- шинства полярных жидкостей σT = σ 0 − α∆T , где σT и σ0 – поверхностное натяжение при температуре Т и стан- дартной температуре; ∆T – разность температур; α = –dσ/dt. Наиболее доступными для экспериментального измерения поверхностного натяжения являются системы жидкость–газ и жидкость–жидкость. Наиболее часто используют статические или полустатические методы, позво- ляющие измерять равновесные значения поверхностного натяжения жидкостей. К статическим относятся методы капиллярного поднятия жидкости и висячей (лежащей) капли. Полустатическими являются методы максимального давления в капле (пузырьке), отрыва кольца или пластины и сталагмометрический метод. Наиболее часто для оп- ределения поверхностного натяжения применяют следующие методы: наибольшего давления, сталагмометриче- ский, отрыва кольца и уравновешивания пластинки (метод Вильгельми). Метод наибольшего давления основан на продавливании пузырька газа или воздуха под воздействием внеш- нею давления р через калиброванный капилляр радиусом r0 (рис. 1.1, а). С увеличением давления пузырек растет, а радиус кривизны его поверхности R превышает радиус капилляра (положение 1: R > r0). Дальнейшее увеличение объема пузырька будет происходить до тех пор, пока внутреннее давление достигнет своего максимального значе- ния; радиус кривизны при этом будет минимальным, т.е. R = r0 (положение 2). а) б) в) г) Рис. 1.1 Методы определения поверхностного натяжения: а – наибольшего давления; б – сталагмометрический; в – отрыва кольца; г – уравновешивания пластинки В этот момент пузырек потеряет устойчивость: при увеличении его объема он отрывается от капилляра. Если в момент отрыва пузырька измерить давление р, то поверхностное натяжение можно выразить следующим обра- зом: 2σ pr p= →σ= 0 . (1.1) r0 2 Для того чтобы не измерять радиус капилляра, можно определить р для жидкости, поверхностное натяжение которой известно. В качестве эталонной жидкости часто используют воду. Тогда вместо формулы (1.1) можно за- писать p σ = σ H 2O . (1.2) p H 2O В сталагмометрическом методе определяют вес капли, которая отрывается от капилляра (см. рис 1.1, б) под действием силы тяжести или в результате выдавливания микрошприцом. Приближенно считают, что при отрыве вес капли Рк уравновешивается силой, равной поверхностному натяжению, умноженному на длину окружности капилляра радиусом r0 т.е. r0 σ Pk 1 P = 2π →σ= ; (1.3) k1 2πr0 σ = km , (1.4) где k – постоянная сталагмометра; m – масса одной капли. При измерении поверхностного натяжения методом наибольшего давления и сталагмометрическим методом пузырек и капля формируются сравнительно быстро за время, недостаточное для образования адсорбционного слоя растворенных молекул ПАВ, особенно, если они имеют сравнительно большую молекулярную массу. В этих условиях не успевает установиться равновесное поверхностное натяжение. Для подобных растворов рекомендует- ся увеличивать время формирования пузырька или капли до тех пор, пока давление или число капель станут по- стоянными. В методе отрыва кольца (см. рис. 1.1, в) измеряют силу F, которой противодействует поверхностное натяже- ние жидкости, смачивающей периметр поверхности кольца, r0 σ F = 4π . (1.5) k Коэффициент k является поправочным, он учитывает что поднимающийся при отрыве кольца столб жидкости не имеет формы правильного полого цилиндра. В методе уравновешивания пластинки (или методе Вильгельми) определяют силу F, необходимую для из- влечения из жидкости погруженной в нее тонкой пластинки шириной h (см. рис. 1.1, г), F = 2σh . (1.6) Перечисленные выше методы определения поверхностного натяжения доступны, но имеют один общий не- достаток – низкую точность измерений. Более точным является метод капиллярного поднятия в том случае, если капилляр хорошо смачивается водой, а его диаметр не изменяется по высоте, что в лабораторных условиях не все- гда соблюдается. Причем, чем меньше радиус капилляров, тем точнее результаты измерений поверхностного на- тяжения. В основе метода капиллярного поднятия лежит зависимость высоты поднятия жидкости h в узком капилляре от ее поверхностного натяжения. В соответствии с уравнением Лапласа избыточное давление связано с высотой h жидкости в капилляре соотношениями 2σ ∆p = ; (1.7) rm ∆ p = ∆ ρ gh , (1.8) где rm – радиус кривизны мениска жидкости в капилляре; ∆ρ – разность плотностей жидкости и газовой фазы; g – уско- рение свободного падения. Вводя так называемую капиллярную постоянную а, 2σ а2 = = rm h , (1.9) ∆ρg и учитывая угол смачивания θ жидкостью стенок капилляра радиусом r, из уравнений (1.8) и (1.9) получаем ∆ρgrh a 2 ∆ρg σ= = . (1.10) 2 cos θ 2 cos θ Последнее соотношение известно как уравнение Жюрена. Таким образом, для определения поверхностного натяжения жидкостей этим методом экспериментально находят высоту поднятия h, радиус капилляра r и угол сма- чивания θ. Метод капиллярного поднятия является одним из наиболее точных (относительная погрешность менее 0,01 %). Порядок выполнения лабораторной работы 1 Прежде чем приступить к выполнению практической части лабораторной работы, следует внимательно прочитать материалы теоретической части и изучить схему лабораторной установки (рис. 1.2). 2 Заполните сталагмометр исследуемой жидкостью (в том числе и носик) и закройте кран сталагмометра. 3 По секундомеру установите скорость истечения жидкости 15 – 20 капель в минуту. 4 Произведите подсчет капель истекающей из сталагмометра жидкости в мерный цилиндр объемом 10 мл. 5 Результат измерения числа капель исследуемой жидкости запишите в табл. 1.1. Для расчета используйте формулы (1.4) и данные табл. 1.2. 6 Вновь заполните сталагмометр исследуемой жидкостью. Установите следующую температуру в термоста- те и повторите измерение согласно пп. 3-4. Таким же образом проведите отсчет капель жидкости при всех указан- ных температурах. Результаты внесите в табл. 1.1. 20 °С 20 0 С 40 °С 1 40 0 С 1 60 °С 60 0 С 2 2 3 3 4 4 Рис. 1.2 Схема лабораторной установки: 1 – термостат; 2 – сталагмометр; 3 – мерный цилиндр; 4 – штатив 1.1 Результаты исследования зависимости σ от температуры Постоян- ная Объем Масса № Количество капель Поверхностное сталагмометра k, Темпера-тура t, °С жидкости одной опыта n, шт. натяжение σ, Дж/м2 Дж/(м2·кг) V, мл капли m, кг 1 20 2 40 3 60 1.2 Плотность некоторых жидкостей при различных температурах Плотность, кг/м3, при 7 Повторите измерения при по- Вещество 20 °С 40 °С 60 °С стоянной температуре, но при изме- нении концентрации исследуемой Вода 998 992 983 жидкости. Заполните табл. 1.3. Уксусная кислота 1048 1027 1004 8 Постройте графики зависимо- Этанол 789 772 754 сти поверхностного натяжения от температуры (σ = f (t °С)) и от кон- центрации (σ = f (с)) и сформулируйте выводы. 1.3 Результаты исследования зависимости σ от концентрации Постоянная ста- Концентрация Объем Поверхностное № Количество ка- Масса одной лагмо-метра k, исследуемой жидкости натяжение σ, опыта пель n, шт. капли m, кг Дж/(м2·кг) жидкости с, % V, мл Дж/м2 1 2 3 4 Вопросы для самоконтроля 1 Какова причина возникновения избыточной поверхностной энергии? 2 Что называется поверхностным натяжением? В каких единицах оно измеряется? 3 От чего зависит величина поверхностного натяжения? 4 Какие вещества называют поверхностно-активными? Приведите примеры ПАВ. 5 Какие методы измерения поверхностного натяжения Вы знаете? 6 В чем заключается сталагмометрический метод определения σ? 7 На чем основан метод капиллярного поднятия, использующийся для определения σ? 8 Какие величины в выполненной лабораторной работе являются экспериментальными (справочными, рас- четными)? Лабораторная работа 2 ИССЛЕДОВАНИЕ АДСОРБЦИИ ИЗ БИНАРНЫХ РАСТВОРОВ НА ТВЕРДЫХ ПОВЕРХНОСТЯХ Цель работы: определение гиббсовской (избыточной) адсорбции на твердом адсорбенте из бинарных рас- творов; расчет гиббсовской адсорбции компонентов раствора по изменению состава раствора при адсорбции; по- строение изотерм избыточных величин адсорбции и их анализ. Общие теоретические положения Дисперсные системы характеризуются сильно развитой поверхностью раздела фаз, следовательно, ∆G = σS > 0. В любых дисперсных системах ∆G стремится к уменьшению за счет уменьшения σ или S. Адсорбция относится к поверхностным явлениям, приводящим к самопроизвольному уменьшению σ, т.е ∆G = σS < 0. Адсорбцией называется самопроизвольное перераспределение (сгущение, концентрирование) растворенного вещества из объема фазы на поверхность раздела фаз, отнесенное к единице поверхности. Процесс, обратный ад- сорбции, называется десорбцией. Вещество, на поверхности которого происходит адсорбция, называется адсор- бентом (как правило, это вещество с большей плотностью). Вещество, которое может адсорбироваться, называет- ся адсорбтив, а которое уже адсорбировалось – адсорбат (как правило, это газообразные или жидкие вещества). В зависимости от агрегатного состояния адсорбента и адсорбтива различают адсорбцию на границе твердое тело – газ (т-г), жидкости и газа (ж-г) и твердого тела и жидкости (т-ж). При установлении равновесия адсорбция ↔ десорбция количество адсорбированного вещества в поверхностном слое зависит от концентрации, давления и температуры. Адсорбцию выражают в абсолютных и избыточных величинах. Абсолютная адсорбция (А) – это количество адсорбата на единице поверхности адсорбента. Она равна концентрации адсорбата в поверхностном слое сS ум- ноженной на толщину этого слоя h: А = cSh. (2.1) Избыток адсорбата в поверхностном слое по сравнению с его первоначальным количеством в этом слое ха- рактеризует избыточную, или так называемую гиббсовскую адсорбцию (Г). Она показывает, насколько увели- чилась концентрация адсорбата в результате адсорбции: Г = A – ch = Г – N, (2.2) где с – равновесная концентрация адсорбтива в объеме; N – количество адсорбата в адсорбционном слое, когда его концентрация на поверхности соответствует концентрации в объемной фазе. Когда концентрация адсорбата на поверхности адсорбента значительно превышает его концентрацию в объе- ме, т.е. сS >> с, то величиной N можно пренебречь и считать, что Г = А. В случае адсорбции на границе раздела жидкость – газ и адсорбции на твердых гладких поверхностях вели- чины Г и А определяют относительно единицы площади границы раздела фаз, т.е. размерность Г и А будет моль/м2. Для твердого и особенно пористого порошкообразного адсорбента, имеющего значительную поверх- ность раздела фаз, адсорбцию выражают по отношению к единице массы адсорбента, т.е. в этом случае величины Г и А имеют размерность моль/кг. Таким образом, величина адсорбции для i-го компонента Г i = n/S (моль/м 2) или Г i = n/т (моль/кг), (2.3) где n – избыточное число молей адсорбата i-го компонента на поверхности по сравнению с eго содержанием в объеме; S – площадь поверхности раздела фаз, м2; т – масса пористого порошкообразного адсорбента, кг. В случае адсорбции одного компонента уравнения (2.3) упрощаются: Г = n/S или Г = n/т, (2.4) Зависимости количества адсорбированного вещества от его концентрации в растворе при постоянной темпе- ратуре называют изотермами адсорбции (рис. 2.1). ГГ С S Рис. 2.1 Изотерма адсорбции (Т = const) Адсорбция на твердых поверхностях имеет большое практическое значение. Ее используют в пищевой хи- мической, металлургической и других отраслях промышленности. При повышении пористости адсорбента увели- чивается степень извлечения вещества из смеси. В пищевой промышленности процесс адсорбции используют для ос- ветления сиропов, соков, бульонов и т.д. На практике используется более 200 различных адсорбентов. Порядок выполнения лабораторной работы Ча сть 1 Адсорбция уксусной кислоты активированным углем 1 В соответствии с табл. 2.1. приготовьте 10 колб с растворами уксусной кислоты различной концентрации из исходного раствора концентрацией 0,3 М СН3СООН и дистиллированной воды. 2 Взвесьте 10 навесок активированного угля массой 1 г. 3 В колбы с растворами внесите навески адсорбента (по одной в каждую колбу) и оставьте на 45 мин, перио- дически взбалтывая, для установления адсорбционного равновесия в системе. 4 Отделите растворы от адсорбента фильтрованием. 5 Отберите пипеткой 10 мл фильтрата в стаканчик и титруйте раствором 0,1н NaОН, в присутствии 0,1 % раствора фенолфталеина до появления устойчивой бледно-розовой окраски. 2.1 Приготовление растворов и результаты исследования адсорбции уксусной кислоты активированным углем 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 Объем исследуемой жидкости 0,3 М 50 45 40 35 30 25 20 15 10 5 СН3СООН, мл Объем растворите- – 5 10 15 20 25 30 35 40 45 ля, мл Объем щелочи по- шедшей на титро- вание 10 мл фильт- рата, мл Концентрация ук- сусной кислоты после адсорбции, г/м3 6 Вычислите концентрацию уксусной кислоты, оставшейся в растворе после адсорбции, и сравните ее с ис- ходной концентрацией. Постройте график зависимости и сформулируйте выводы. 7 Рассчитайте гиббсовскую адсорбцию и постройте изотерму адсорбции в координатах Г2 = f (х2). Ча сть 2 Адсорбция красителя активированным углем 1 В соответствии с табл. 2.2 приготовьте 10 колб с растворами бромфенол синего различной концентрации из исходного раствора концентрацией 0,005 г/л и дистиллированной воды. 2.2 Приготовление растворов и результаты исследования адсорбции бромфенола синего активированным углем 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 Объем исследуемой 50 45 40 35 30 25 20 15 10 5 жидкости, мл Объем растворите- – 5 10 15 20 25 30 35 40 45 ля, мл Оптическая плот- ность, D 2 Взвесьте 10 навесок активированного угля массой 1 г. 3 В колбы с растворами внесите навески адсорбента (по одной в каждую колбу) и оставьте на 45 мин, перио- дически взбалтывая, для установления адсорбционного равновесия в системе. 4 Отделите растворы от адсорбента фильтрованием. 5 Измерьте величину оптической плотности при помощи ФЭК-56, с кюветами толщиной 10 мм и оранжевым светофильтром № 8. 6 Постройте график зависимости оптической плотности от концентрации красителя. 7 По калибровочной кривой определите содержание красителя после адсорбции. 8 Рассчитайте гиббсовскую адсорбцию и постройте изотерму адсорбции в координатах Г2 = f (х2). Вопросы для самоконтроля 1 Дайте определение процессу адсорбции. Какие виды адсорбции Вы знаете? 2 Что называют адсорбатом, адсорбтивом, адсорбентом? 3 В чем отличие адсорбции на твердых поверхностях от адсорбции на поверхности жидкости? 4 Приведите примеры адсорбентов, которые применяют в пищевой промышленности. 5 Какие уравнения используются для описания процессов адсорбции? 6 Почему при некоторых пищевых отравлениях рекомендуют принимать таблетки активированного угля? 7 Как рассчитать гиббсовскую адсорбцию из раствора и построить изотерму адсорбции? 8 Какие факторы влияют на величину гиббсовской адсорбции? Лабораторная работа 3 ИОННООБМЕННАЯ АДСОРБЦИЯ Цель работы: определение полной обменной емкости катионита и константы ионного обмена. Общие теоретические положения Ионообменная адсорбция представляет собой процесс обмена ионов между раствором и твердой фазой – ад- сорбентом. Вещества, способные к ионному обмену, получили название ионитов. В зависимости от того какой вид ионов участвует в обмене, иониты делят на катиониты и аниониты. Широкое применение ионообменная адсорбция получила с развитием синтетических ионитов на основе органических смол, сульфоуглей, ионцеллюлоз. Наиболее важное техническое использование ионитов – это получение в производственных условиях деми- нерализованной воды, т.е. воды, не содержащей растворенных солей, в том числе солей жесткости. Для полного обессоливания воды ее последовательно пропускают через катионитовый и анионитовый фильтры. В сахарной промышленности иониты применяют для очистки диффузионного сока от электролитов – патокообразователей, что позволяет повысить выход сахара и уменьшить количество менее ценной патоки. В молочной промышленно- сти катиониты используют для частичного удаления из молока ионов кальция и магния с заменой их на ионы ка- лия и натрия и удаления радиоактивных веществ. Анионитной обработкой можно заменить во фруктовых соках кислоты, имеющие неприятный вкус, например яблочную. Иониты нашли также широкое применение для очистки промышленных сточных вод от ионов тяжелых металлов. Ионообменная адсорбция имеет большое значение для земле- делия, так как от природы поглощенных почвой катионов зависит ее плодородие. Количественной характеристикой ионита является полная обменная емкость (ПОЕ): V с ПОЕ = общ, (3.1) m где Vобщ – суммарный объем раствора, содержащий вытесненную из смолы кислоту; с – концентрация кислоты; m – масса ионита смолы в колонке. ПОЕ можно определить статическим или динамическим методом, основанным обычно на реакциях, проте- кающих в водных растворах: − − RS О 3 H+ + NaOH → RS О 3 Na+ + H2O; − − RN Н 3 OH+ + HCl → RN Н 3 Cl+ + H2O. При статическом методе смолу, например катионит в Н+-форме, титруют раствором щелочи. При динамиче- ском методе через колонку с ионообменной смолой пропускают раствор электролита и регистрируют зависимость концентрации поглощаемого иона в выходящем растворе (элюате) от объема пошедшего раствора (выходная кри- вая). В работе ПОЕ сульфокатионита в Н+-форме определяют динамическим методом по количеству кислоты в элюате, образующейся в результате вынесения из смолы ионов Н+ ионами Na+: − − RS О 3 H+ + Na+ + Cl– → RS О 3 Na+ + H+ + Cl–.

Тематические материалы: