POLITECHNIKA ŚLĄSKA WYDZIAŁ CHEMICZNY KATEDRA FIZYKOCHEMII I TECHNOLOGII POLIMERÓW OZNACZANIE MASY MOLOWEJ SUBSTANCJI NIELOTNYCH METODĄ Opiekun: Miejsce ćwiczenia: Sandra Pluczyk Katedra Fizykochemii i Technologii Polimerów, Sala 210 LABORATORIUM Z CHEMII FIZYCZNEJ
2 I. CEL ĆWICZENIA Celem ćwiczenia jest oznaczenie masy molowej substancji poprzez pomiar obniżenia temperatury krzepnięcia wodnego roztworu. II. WSTĘP TEORETYCZNY Rozpuszczanie substancji w rozpuszczalniku powoduje w myśl prawa Raoulta obniżenie temperatury krzepnięcia proporcjonalnie do efektywnego stężenia substancji rozpuszczonej, wyrażonego w kilomolach na 1000 kilogramów rozpuszczalnika. Wyznaczając temperaturę krzepnięcia rozpuszczalnika i rozcieńczonego roztworu zawierającego odważoną ilość substancji w znanej masie rozpuszczalnika, masę cząsteczkową M wylicza się z następującego wzoru: gdzie: K k a b gdzie: T 0 T 1 M x = K k 1000a 1 b T stała krioskopowa równa obniżeniu temperatury krzepnięcia roztworu 1 kmola substancji w 1000 kg rozpuszczalnika masa substancji rozpuszczonej w kg masa rozpuszczalnika w kg T = T 0 T 1 temperatura krzepnięcia rozpuszczalnika temperatura krzepnięcia rozcieńczonego roztworu Jeżeli substancją rozpuszczoną jest elektrolit, efektywne stężenie molowa jest większe niż obliczone z ilości moli substancji rozpuszczonej. Powodem jest dysocjacja elektrolityczna. Pozorna masa cząsteczkowa M p oznaczona z obniżenia temperatury krzepnięcia roztworu elektrolitu może być użyta do obliczenia stopnia dysocjacji, jeżeli substancją rozpuszczoną jest słaby elektrolit i gdy znana jest rzeczywista masa cząsteczkowa M rz : i α = 1 (2) n 1 gdzie: k (1) Mrz i = (3) M p n - ilość jonów powstałych w dysocjacji jednej cząsteczki
III. WYKONANIE ĆWICZENIA Aparatura Kriometr Beckmanna, termometr, pipety, zlewka, naczyńko wagowe, kolby miarowe, statyw, łącznik, łapa, probówka, bagietka, lejek. 3 Rys. 1. Schemat kriometru: 1 - termos z wkładką plastikową, 2 - łąźnia lodowa, 3 - płaszcz powietrzny, 4 - probówka pomiarowa, 5 - mieszadło duże, 6 - termometr, 7 - termometr do kontroli temperatury łaźni, 8 - mieszadło małe, 9 - nakrywka blaszana.
Odczynniki Woda destylowana, lód, sól kuchenna, próbka badanej soli. 4 Wykonanie ćwiczenia Schemat aparatury do oznaczania masy cząsteczkowej metodą krioskopową przedstawia rys. 1. Płaszcz powietrzny (3) zapobiega bezpośredniemu zetknięciu probówki (4) z mieszaniną chłodzącą, a tym samym zbyt szybkiej wymianie ciepła. Oznaczanie temperatury krzepnięcia rozpuszczalnika a) Napełnić termos (1) mieszaniną chłodzącą (woda, drobno pokruszony lód, sól). Proszę nie wyjmować z termosu plastikowej wkładki ochronnej! Temperaturę mieszaniny chłodzącej należy utrzymywać około 2 stopni poniżej temperatury krzepnięcia rozpuszczalnika. b) Nałożyć na termos nakrywkę (9) z termometrem (7) i dużym mieszadłem (5). c) Przemyć i wysuszyć probówki (3) i (4). Probówkę (4) napełnić rozpuszczalnikiem. Objętość rozpuszczalnika w probówce (4) powinna być taka, aby zbiornik rtęci termometru był całkowicie zanurzony (ok. 25 cm 3 ). Termometr umocować w korku probówki (4). W korku umieszczamy również małe mieszadełko (8). Probówkę (4) zanurzyć bezpośrednio w mieszaninie chłodzącej. d) Obserwować spadek temperatury lekko mieszając rozpuszczalnik, notując co 30 sekund temperaturę z dokładnością do 0,01 C. e) Po ustaleniu temperatury, co odpowiada początkowi wydzielania się kryształów, odczytać jej wartość. Jest to przybliżona temperatura krzepnięcia T 0. f) Wyjąć probówkę z mieszaniny chłodzącej i stopić zupełnie powstałe kryształy ciepłem ręki. Umieścić ponownie probówkę (4) w mieszaninie oziębiającej i lekko mieszając ochłodzić do temperatury T 0 + 2. Przerwać mieszanie i pozwolić temperaturze opaść do T 0 + 0,3. g) Wyjąć szybko probówkę z łaźni, wytrzeć ją do sucha, umieścić w płaszczu powietrznym (3) i całość włożyć do kąpieli oziębiającej. Przechłodzić ciecz do temperatury T 0-0,5 bez mieszania. Następnie zamieszać lekko ciecz w probówce i obserwować wzrost temperatury, prowadząc odczyty co 30 s. Maksymalna temperatura po usunięciu przechłodzenia jest rzeczywistą temperaturą krzepnięcia rozpuszczalnika T 0.
Pomiar temperatury krzepnięcia roztworu W kolbie miarowej sporządzić roztwór zawierający 1 2 g badanej substancji w 100 cm 3 roztworu. Roztwór przelać do probówki (4), a następnie postępując identycznie jak dla czystego rozpuszczalnika znaleźć przybliżoną i dokładną temperaturę krzepnięcia roztworu badanej substancji. Przykładowy przebieg krzywych opisujących obserwowane zmiany temperatury w trakcie pomiarów przedstawiono na rys. 2. 5 Rys. 2. Wykres zależności temperatury od czasu dla czystego rozpuszczalnika i roztworu. IV. ZASADY BEZPIECZEŃSTWA I UTYLIZACJA ODPADÓW Substancja Klasyfikacja Zagrożenia Środki bezpieczeństwa Utylizacja odpadów NaCl substancja nieszkodliwa H- nie sklasyfikowano P: nie dotyczy w przypadku kontaktu z oczami - przepłukać wodą wprowadzić do kanalizacji KCl KBr KNO 3 substancja nieszkodliwa Substancja nieszkodliwa substancja utleniająca (H271) H: nie sklasyfikowano P: nie dotyczy w przypadku kontaktu z oczami - przepłukać wodą H: nie sklasyfikowano P: nie dotyczy w przypadku kontaktu z H271 Może spowodować pożar lub wybuch; silny utleniacz. oczami - przepłukać wodą P210 Przechowywać z dala od źródeł ciepła/iskrzenia/otwartego ognia/gorących wprowadzić do kanalizacji wprowadzić do kanalizacji umieścić w pojemniku na odpady z grupy N
powierzchni. Palenie zabronione. 6 P220 Trzymać/Przechowywać z dala od odzieży/materiałów zapalnych. P280 Stosować rękawice ochronne/odzież ochronną oczu/ochronę twarzy. P370+378 W przypadku pożaru użyć rozpylonej wody do gaszenia V. OPRACOWANIE WYNIKÓW Wyniki pomiarów zestawiamy w dwóch tabelach: I oziębianie rozpuszczalnika II oziębianie roztworu Czas τ [s] Temperatura T [K] Czas τ [s] Temperatura T [K] Następnie rysujemy wykres T = f(τ). Z wykresu odczytujemy obniżenie temperatury krzepnięcia T k. Korzystając z równania (1) obliczamy masę cząsteczkową badanej substancji. W przypadku elektrolitu o znanej rzeczywistej masie cząsteczkowej, ze wzoru (2) znajdujemy stopień dysocjacji. VI. PYTANIA KONTROLNE 1. Porównać metodę kriometryczną z innymi metodami oznaczania masy molowej. 2. Jaki jest sens fizyczny masy molowej oznaczonej metodą kriometryczną w przypadku substancji polidyspersyjnych? 3. W jaki sposób wyznacza się stopień dysocjacji słabych elektrolitów na podstawie pomiarów kriometrycznych?
7 VII. LITERATURA 1. A. Dorabialska, Ćwiczenia z chemii fizycznej, PWN Warszawa 1955 2. Praca zbiorowa, Chemia fizyczna, PWN Warszawa 1980 3. R. Brdicka, Podstawy chemii fizycznej, PWN Warszawa 1970 4. G.M. Barrow, Chemia fizyczna, PWN Warszawa 1971 5. Ćwiczenia laboratoryjne z chemii fizycznej część I, skrypt Politechniki Śląskiej nr 705, praca zbiorowa pod redakcją J. Podkówki, Gliwice 1978 Wersja: 01.10.2014