VILNIAUS GEDIMINO TECHNIKOS UNIVERSITETAS

Rūta Gražėnienė, Birutė Tamulaitienė,

Elena Zalieckienė

BENDROSIOS CHEMIJOS

LABORATORINIAI DARBAI

IR TEORINIAI PAGRINDAI

Mokomoji knyga

Vilnius 2007

2

UDK 54(076) Gr173

R. Gražėnienė, B. Tamulaitienė, E. Zalieckienė. Bendrosios

chemijos laboratoriniai darbai ir teoriniai pagrindai. Mokomoji

knyga. Vilnius: Technika, 2007. 208 p.

Mokomoji knyga skirta Aplinkos inžinerijos, Mechanikos, Statybos,

Transporto inžinerijos fakultetų ir A. Gustaičio aviacijos instituto studen-tams, studijuojantiems chemijos kursą. Knygos paskirtis – padėti pasiruošti chemijos laboratoriniams darbams ir pagal pateiktas metodikas juos atlikti. Teorinės žinios leidžia pasirengti testinei apklausai ir laboratorinių darbų gy-nimui. Prieduose pateikiama reikalinga medžiaga.

Autoriai dėkoja recenzentams doc. A. Žilinskui ir doc. J. Jankauskui už geranoriškas pastabas bei fotografui D. Gražėnui, prisidėjusiems rengiant šį leidinį. Leidinį rekomendavo VGTU Fundamentinių mokslų fakulteto studijų komitetas. Recenzavo: doc. dr. A. Žilinskas (VU) doc. dr. J. Jankauskas (VGTU)

VGTU leidyklos „Technika“ 918 mokomosios metodinės literatūros knyga ISBN 978-9955-28-110-8

© R. Gražėnienė, 2007

© B. Tamulaitienė, 2007

© E. Zalieckienė, 2007

© VGTU leidykla „Technika“, 2007

3

TURINYS

Įvadas ...................................................................................................................5

Studento, atliekančio laboratorinius darbus chemijos

laboratorijoje, saugaus darbo instrukcija..............................................................6

Laboratorinio darbo aprašymo reikalavimai ........................................................9

1. Laboratorinių darbų technika .....................................................................14

Eksperimentinė dalis. Metalo hidroksido kiekio nustatymas

titrimetriniu būdu .......................................................................................21

2. Tirpalų koncentracijos................................................................................24

Eksperimentinė dalis. Tirpalų ruošimas.....................................................37

3. Cheminių reakcijų entalpijos pokytis.........................................................41

Eksperimentinė dalis. Druskų tirpimo ir neutralizacijos

reakcijos entalpijos pokyčių nustatymas....................................................45

4. Medžiagų tirpumas.....................................................................................51

Eksperimentinė dalis. Oksalatų tirpumo nustatymas .................................53

5 . Tirpalų savybės .........................................................................................56

Eksperimentinė dalis. Neelektrolito molio masės

nustatymas krioskopiniu metodu ...............................................................66

6. Elektrolitinė disociacija..............................................................................69

Eksperimentinė dalis. Silpnųjų elektrolitų disociacijos

konstantos bei disociacijos laipsnio nustatymas ........................................74

7. Druskų hidrolizė.........................................................................................79

Eksperimentinė dalis. Įvairių druskų hidrolizė ..........................................82

8. Kompleksiniai junginiai .............................................................................84

Eksperimentinė dalis. Kompleksinių junginių

susidarymas ir savybės ..............................................................................88

9. Koloidiniai tirpalai .....................................................................................92

Eksperimentinė dalis. Teigiamo ir neigiamo zolių

gamyba ir elektrolitų koaguliacinės galios nustatymas .............................94

10. Cheminė kinetika, katalizė ir pusiausvyra.................................................98

Eksperimentinė dalis. Koncentracijos ir temperatūros įtaka

reakcijos greičiui. Katalizė ir cheminė pusiausvyra ................................102

11. Oksidacijos-redukcijos reakcijos..............................................................108

Eksperimentinė dalis. Oksidacijos-redukcijos

procesai tirpaluose ...................................................................................114

12. Galvaniniai elementai ir elektrolizė .........................................................117

Eksperimentinė dalis. Galvaninio elemento elektrovaros

jėgos nustatymas ir vandeninių tirpalų elektrolizė...................................123

13. Akumuliatoriai .........................................................................................127

4

Eksperimentinė dalis. Akumuliatorinė sieros rūgštis...............................133

14. Metalų cheminės savybės.........................................................................137

Eksperimentinė dalis. Metalų ir jų junginių

cheminės savybės.....................................................................................143

15. Lydiniai ....................................................................................................147

Eksperimentinė dalis. Lydinių analizė.....................................................155

16. Elektrocheminė metalų korozija...............................................................158

Eksperimentinė dalis. Įvairių metalų

elektrocheminė korozija...........................................................................161

17. Vandens kietumas ir jo pašalinimas ..........................................................166

Eksperimentinė dalis. Vandens kietumo

kiekybinis nustatymas..............................................................................169

18. Neorganinės rišamosios statybinės medžiagos .......................................175

Eksperimentinė dalis. Cemento analizė ..................................................180

19. Priedai ......................................................................................................185

19.1 lentelė. Dažniausiai chemijos laboratorijoje

naudojami indai........................................................................................185

19.2 lentelė. Kai kurių medžiagų tirpimo entalpijų

pokyčiai (18 °C temperatūroje)................................................................193

19.3 lentelė. Kai kurių neelektrolitų molinės masės ................................194

19.4 lentelė. Rūgščių, bazių ir druskų tirpumas vandenyje .....................195

19.5 lentelė. Kai kurių elektrolitų disociacijos laispnis α (%) .................196

19.6 lentelė. Metalų įtampų (aktyvumo) eilė ir standartiniai

elektrodiniai potencialai φ°, V.................................................................197

19.7 lentelė. Vandeninių sieros rūgšties tirpalų tankis ir

koncentracija (20 °C temperatūroje)........................................................198

19.8 lentelė. Vandens kietumo matavimo vienetai įvairiose

šalyse ir ryšys tarp jų ...............................................................................199

19.9 lentelė. Metalų sąveika su rūgštimis bei vandeniu ir

reakcijos produktai...................................................................................200

19.10 lentelė. Skaitmeniniai priešdėliai ...................................................201

19.11 lentelė. Graikų abėcėlė...................................................................201

19.12 lentelė. Periodinė elementų lentelė ................................................202

19.13 lentelė. Kai kurie matavimo vienetai, jų perskaičiavimas ir

pagrindinės fizikinės konstantos ..............................................................204

Literatūra ..........................................................................................................205

5

ĮVADAS

Laboratoriniai darbai – tai sudėtinė chemijos kurso dalis. Jie pa-pildo paskaitas. Čia praktiškai patikrinami teoriniai teiginiai. Be to, laboratorijoje ugdomi cheminio eksperimento įgūdžiai.

Dirbti laboratorijoje leidžiama tik susipažinus su saugaus darbo taisyklėmis, išklausius šia tema instruktažą ir pasirašius žurnale.

Laboratoriniai darbai skiriami iš anksto. Jiems tenka savarankiš-kai ruoštis pagal dėstytojo nurodytą literatūrą. Kiekvienas studentas privalo turėti laboratorinių darbų sąsiuvinį. Besiruošdamas laborato-riniam darbui privalo sąsiuvinyje trumpai sukonspektuoti laboratori-nio darbo teorinę dalį. Studentui, neaprašiusiam darbo šaltinių ap-žvalgos, neleidžiama atlikti laboratorinio darbo. Kiekvieno darbo pradžioje patikrinamos studento žinios. Studentui leidžiama daryti laboratorinius darbus tik atsakius į dėstytojo pateiktus klausimus.

Darbo metu laboratorinių darbų sąsiuvinyje užrašomi eksperi-mento rezultatai, pastabos, reikalingos reakcijos bei atlikti skaičia-vimai. Atlikęs laboratorinį darbą studentas gautus rezultatus turi pa-rodyti dėstytojui. Jeigu studentas laboratorinio darbo metu nespėja baigti darbo (skaičiavimai, reakcijų lygtys), jis turi atsiskaityti iki kito laboratorinio darbo. Priešingu atveju daryti kito laboratorinio darbo studentui neleidžiama. Atlikęs laboratorinius darbus studentas privalo pateikti dėstytojui laboratorinių darbų aprašymus. Kaip apra-šyti laboratorinį darbą, paaiškinta šios knygos 9–13 puslapiuose.

Dirbti laboratorijoje reikia tvarkingai ir atsargiai. Būtina atsiminti, kad daugelis netinkamai pavartotų cheminių reagentų gali padaryti žalos ne tik tam, kas dirba, bet ir šalia esantiems asmenims. Reagentai naudojami taupiai, tačiau jų perteklius atgal į indus nepilamas. Jei dar-bo metodikoje nenurodyti tikslūs reikiamų medžiagų kiekiai, tai sausų-jų medžiagų imama tiek, kad jos tik dengtų mėgintuvėlio dugną, o tir-palų – ne daugiau kaip 1/6 dalis mėgintuvėlio tūrio.

Visais neaiškiais klausimais reikia kreiptis į dėstytoją. Norint išvengti nelaimingų atsitikimų, kiekvienas studentas turi

žinoti saugaus darbo taisykles, mokėti suteikti pirmąją medicininę pagalbą laboratorijoje.

6

STUDENTO, ATLIEKANČIO LABORATORINIUS DARBUS CHEMIJOS LABORATORIJOJE, SAUGAUS DARBO INSTRUKCIJA

1. BENDROJI DALIS

1.1. Laboratorinius darbus (LD) leidžiama atlikti tik tiems stu-dentams, kurie išklausė saugaus darbo instruktažą, atsakė į dėstytojo klausimus ir pasirašė darbo saugos žurnale.

1.2. Studentui leidžiama atlikti tik tuos LD, kurie yra numatyti mokymo plane arba tvarkaraštyje ir tik pagal nustatytus darbo aprašymus.

1.3. Jei studentas nusižengia darbo saugos reikalavimams, toliau jam dirbti neleidžiama, pakartotinai neišklausius instruktažo.

1.4. Atlikti konkretų LD galima tik leidus darbui vadovaujan-čiam dėstytojui.

1.5. Apie įvykusius nelaimingus atsitikimus studentas nedels-damas privalo pranešti LD vadovaujančiam dėstytojui.

1.6. Visi studentai turi mokėti suteikti pirmąją pagalbą nukentė-jusiajam.

2. PAVOJINGI, KENKSMINGI IR KITI RIZIKOS VEIKSNIAI, JŲ POVEIKIS SVEIKATAI. BŪTINOS SAUGOS PRIEMONĖS

2.1. Pavojingi veiksniai – koncentruotų rūgščių skiedimas (ypač sieros rūgšties), cheminis ir terminis nusideginimas.

2.2. Įvairūs cheminių reagentų, koncentruotų rūgščių, amoniako garai.

2.3. Elektros įrenginiai. 2.4. Studentams specialūs drabužiai bei individualios apsaugos

priemonės nereikalingi.

3. STUDENTO VEIKSMAI PRIEŠ DARBO PRADŽIĄ

3.1. Susipažinti su LD aprašymu, naudojamų reagentų, indų ir aparatūros paskirtimi bei darbo su jais tvarka.

7

3.2. Pradėti darbą galima tik leidus dėstytojui. 3.3. Pašalinti nuo darbo stalo visus nereikalingus daiktus. 3.4. Apžiūrėti naudojamus LD indus ir šildymo prietaisus, jei

sudužę ar sugadinti – prašyti laboranto pakeisti. 3.5. Visus reagentus ir įrenginius naudoti tik pagal paskirtį.

4. STUDENTO VEIKSMAI DARBO METU

4.1. Laboratorijoje būtina laikytis bendrųjų darbo taisyklių, ku-rios yra LD knygelėse.

4.2. Visos reikalingos priemonės ir reagentai laikomi darbo vie-toje, koncentruotos rūgštys ir amoniakas – traukos spintoje. Koncentruotų reagentų talpų negalima neštis į darbo vietas. Reikalingi tūriai matuojami traukos spintoje esančiais ma-tavimo cilindrais.

4.3. Privalu taupiai naudoti reagentus, atsargiai elgtis su indais, aparatais bei įrenginiais.

4.4. Negalima užteršti reagentų. Juos matuoti reikia tik švariais indais. Jei tuo pačiu indu reikia pamatuoti kelių skysčių tū-rį – po kiekvieno matavimo jį reikia gerai išplauti. Negali-ma sumaišyti reagentinių indų kamščių. Įpylus didesnį rea-gento kiekį, perteklius atgal į butelį nepilamas.

4.5. Pilant skysčius iš butelio, reikia etiketę pakreipti į delno pusę ir atsargiai pilti atokiau nuo savęs.

4.6. Bandymus su degiomis, nuodingomis, sprogiomis, nemalo-naus kvapo, lakiomis medžiagomis atlikti traukos spintoje.

4.7. Skiedžiant, koncentruotą rūgštį (ypač H2SO4) maža srovele pilti į vandenį, bet ne atvirkščiai, ir gerai maišyti.

4.8. Koncentruotų rūgščių, koncentruotų šarmų, koncentruoto amoniako ir lakiųjų medžiagų negalima matuoti pipetėmis. Joms matuoti naudoti cilindrus.

4.9. Kietieji šarmai ir fenolis smulkinami tik užsidėjus apsaugi-nius akinius.

4.10. Rūgščių tirpalus neutralizuojant šarmais arba atvirkščiai, dirbti labai atsargiai, nes, vykstant egzoterminei reakcijai, tirpalas įšyla ir gali net ištikšti. Indą laikyti toliau nuo savęs ir reagentus pilti pamažu, nedideliais kiekiais.

8

4.11. Maišant, pilant ir šildant skysčius, indą laikyti toliau nuo savęs ir aplinkinių, nes skysčio lašeliai gali aptaškyti veidą.

4.12. Šildant mėgintuvėlį su skysčiu, jį reikia nukreipti nuo savęs ir aplinkinių, kad staigiai įkaitęs skystis neaptaškytų. Nepa-likti šildomų skysčių be priežiūros.

4.13. Lakiąsias medžiagas uostyti ne tiesiogiai iš indo, bet rankos mostu nukreipiant orą į save.

4.14. Sugedusių elektros šildomųjų prietaisų (plytelių, džiovini-mo krosnelių) remontuoti neleidžiama.

4.15. Matavimo induose negalima vykdyti cheminių reakcijų, draudžiama juos šildyti bei pilti į juos karštus skysčius.

4.16. Laboratorijoje draudžiama gerti, valgyti, rūkyti.

5. VEIKSMAI AVARINIAIS (YPATINGAIS) ATVEJAIS

5.1. Nusideginus arba apsiplikinus, žaizdą kuo greičiai apiplauti KMnO4 tirpalu. Truputį nusideginus, uždedama etilo alko-holiu suvilgyta vata ir palaikoma 2–3 min.

5.2. Nusideginus koncentruotomis rūgštimis, odą iš pradžių rei-kia sausai nuvalyti skudurėliu arba filtrinio popieriaus ga-balėliu, ilgai plauti tekančiu vandeniu, tada – 2 % NaHCO3 tirpalu ir patepti vazelinu.

5.3. Patekus ant odos šarmams, plauti tekančiu vandeniu tol, kol oda pasidarys neslidi, tada perplauti 2 % acto rūgštimi (CH3COOH) ir patepti vazelinu.

5.4. Įtiškus į akis rūgšties, jas reikia gerai perplauti vandeniu, tada 2 % NaHCO3 tirpalu. Įtiškus šarmo, taip pat perplauti vandeniu, tada boro rūgšties tirpalu ir įlašinti lašą ricinos. Kreiptis į gydytoją.

5.5. Užsidegus alkoholiui, benzenui, toluenui, gesinti smėliu ar-ba medžiaginiu skuduru, bet ne vandeniu. Prireikus iškvies-ti priešgaisrinę gelbėjimo tarnybą tel. 112.

5.6. Apsinuodijus gerti daugiau vandens, stengtis sukelti vėmimą.

6. STUDENTO VEIKSMAI BAIGUS DARBĄ

6.1. Išjungti elektros prietaisus, užsukti vandentiekio čiaupus.

9

6.2. Parodyti dėstytojui gautus bandymų rezultatus bei skaičia-vimus ir gauti jo parašą laboratorinių darbų sąsiuvinyje.

6.3. Sutvarkyti darbo vietą: išplauti naudotus cheminius indus, cheminius reagentus ir indus sudėti į jiems skirtas vietas, nušluostyti laboratorinius stalus.

LABORATORINIO DARBO APRAŠYMO REIKALAVIMAI

Kiekvienas laboratorinis darbas aprašomas ant vienodų (vienodos kokybės ir formato) rašomojo A4 formato popieriaus lapų. Rašoma vie-noje lapo pusėje, paliekant laukelius 30, 10, 10 ir 10 mm. Darbai suse-gami į aplanką, užpildomas titulinis lapas (laboratorinio darbo aprašymo bei titulinio lapo pavyzdžiai yra chemijos laboratorijos skelbimų lentoje).

Kiekviename aprašyme turi būti tokios dalys:

1. Laboratorinio darbo numeris ir darbo pavadinimas

Pvz.: Laboratorinis darbas Nr.1 (5a)

Kompleksiniai junginiai

Naudojama dviguba numeracija. Pirmasis skaičius – tai darbo ei-lės numeris pagal semestro darbų eigą. Skaičius skliausteliuose – tai darbo ir jo varianto numeris chemijos laboratorinių darbų knygelėje.

2. Teorinė dalis

Trumpai pateikiami atliekamo laboratorinio darbo teoriniai as-pektai: svarbiausios sąvokos, apibrėžimai, dėsniai (jeigu jie yra), matematinės dėsnių išraiškos ir pan. Ši darbo dalis atliekama iš anks-to, besiruošiant laboratoriniam darbui.

3. Darbo tikslas

Jis paaiškėja, perskaičius temos šaltinius ir darbo metodiką. Pvz., 5-ojo darbo tikslas gali būti formuluojamas taip: išnagrinėti

kompleksinių junginių sandarą ir jų pagrindines chemines savybes.

10

4. Priemonės ir reagentai

Nurodomos priemonės, reikalingos darbui atlikti, bei naudotos cheminės medžiagos ir tirpalai.

5. Darbo metodika

Trumpai, savais žodžiais aprašoma konkretaus, studento atlikto eksperimentinio darbo eiga, nebūtinai ta pačia tvarka, kaip parašyta laboratorinių darbų knygelėje. Jeigu darbe naudojamasi prietaisais, nurodomi jų pavadinimai ir modeliai.

6. Bandymų duomenys ir gautų rezultatų aptarimas

Šioje aprašymo dalyje labiausiai atsiskleidžia individualūs kiek-vieno studento gabumai. Priklausomai nuo darbo pobūdžio, rezultatai gali būti aprašomieji, eksperimentiniai arba skaičiavimai.

Studentas turi pateikti gautus rezultatus, parašyti visas reikalin-gas reakcijas, atlikti būtinus skaičiavimus.

Kai darbo rezultatai pateikiami lentelėje, prieš ją būtinai turi būti jungiamasis sakinys, pvz.: „Bandymų duomenys pateikiami 1–oje lentelėje“. Kiekviena lentelė turi numerį ir pavadinimą, kuris rašo-mas jos viršuje kairiajame kampe, pvz.:

1 lentelė. Reakcijos greičio priklausomybė nuo reaguojančių

medžiagų koncentracijos

Lentelės grafose būtina pateikti užrašomo dydžio dimensiją (mL, g, mg, mol).

Pateiktus duomenis beveik visada galima analizuoti pasitelkus grafinį vaizdavimo metodą. Grafinio vaizdavimo būdai gali būti įvai-rūs: koordinačių sistema, stulpelis, % − skritulio forma. Grafinė me-džiaga gali būti ir vienspalvė, ir daugiaspalvė. Paprastai viename darbe taikomas vienas vaizdavimo būdas, bet tai nėra griežta taisyklė.

Sudarant grafikus, būtina laikytis šių nurodymų: 1. Sudaroma argumento ir funkcijos duomenų lentelė, pvz.:

x 0,2 0,4 0,6 0,8 0,87

y 0,352 0,436 0,565 0,624 0,650

11

2. Argumento ir funkcijos reikšmių masteliai parenkami taip, kad grafikas būtų stačiakampio, kurio aukščio ir pločio santykis yra nuo 1:2 iki 2:1, pavidalo.

3. x ir y ašys sugraduojamos kartotiniais dydžiais, nurodomi argu-mento ir funkcijos žymenys bei dimensijos.

4. Grafike atidedami eksperimentiniai taškai ir brėžiama tiesė arba kreivė, maksimaliai atitinkanti taškų visumą (tiesė arba kreivė nebūtinai turi kirsti visus taškus). Kiekvienas paveikslas privalo turėti numerį ir pavadinimą, kurie

rašomi apačioje. Paveikslas, kaip ir lentelė, pateikiamas prieš jį užra-šius jungiamąjį sakinį, pvz.:

1 lentelėje pateiktų duomenų grafinį vaizdą parodome 1 pav.

1 pav. Reakcijos greičio priklausomybė nuo Na2S2O3

koncentracijos

Būtina aprašyti, ką matome iš lentelės ir iliustracijos. Jeigu laboratoriniame darbe reikia atlikti matematinius skaičia-

vimus, būtina pateikti pagrindinę formulę, kiekvieno jos nario

12

reikšmę ir dimensiją, o toliau nuosekliai paaiškinti, kaip buvo gautas kiekvienas dydis, pvz.:

Stingimo temperatūros depresija apskaičiuojama pagal formulę:

,

M

mKt =∆

čia K – tirpiklio krioskopinė konstanta;

m – ištirpusios medžiagos kiekis (g) 1 000 g tirpiklio;

M – ištirpusios medžiagos molinė masė.

Kartais laboratoriniame darbe prašoma apskaičiuoti gauto rezul-tato paklaidas.

Kiekvienas dydis gali būti išmatuotas (eksperimentiškai nustaty-tas) tik ribotu tikslumu, priklausančiu nuo prietaisų tikslumo, mata-vimo sąlygų, metodo ir kitų priežasčių. Kitaip tariant, visada egzis-tuoja tam tikras verčių intervalas, kurio ribose tikėtinas matavimo nuokrypis į didesnių ar mažesnių verčių pusę. Jis vadinamas neapi-brėžties intervalu. Skaičius, rodantis gauto eksperimentiškai rezultato nuokrypį nuo teorinės rezultato vertės, vadinamas absoliučiąja ma-

tavimo paklaida. Pvz.: laboratorijoje, esant normaliam slėgiui, ter-mometru išmatavote metilo alkoholio virimo temperatūrą. Jūsų gau-tas rezultatas 65 °C. Teorinė metilo alkoholio virimo temperatūra, kuri nustatyta atliekant daugkartinius matavimus ir pateikta lentelėje (esant normaliam slėgiui) yra 66 °C. Taigi skirtumas tarp šių dviejų temperatūrų yra absoliučioji paklaida. Teigiami ir neigiami nuokry-piai nuo matavimo rezultato dažniausiai praktikoje pasitaikančiais atvejais yra vienodai tikėtini.

Laboratorijoje, norint įvertinti atlikto darbo tikslumą, dažniau-siai skaičiuojama ne absoliučioji, bet santykinė (procentinė) matavi-mo paklaida. Absoliučiosios paklaidos ir tikrosios dydžio vertės san-tykis ∆x/x vadinamas santykine matavimo paklaida. Ji reiškiama dešimtaine trupmena arba procentais. Pastaruoju atveju ji vadinama procentine paklaida.

Jei tikroji dydžio reikšmė x, o absoliučioji matavimo paklaida ∆x, tai santykinė matavimo paklaida (%):

13

Santykinė paklaida = %.100⋅∆

x

x

Pagal pasireiškimo kartojant matavimus pobūdį paklaidos skirs-tomos į sistemines ir atsitiktines. Sistemines paklaidas nulemia ma-tavimo prietaisų netikslumai, eksperimento metodikos netobulumai, patikros ir reguliavimo netikslumai, teorinio modelio neatitikimas aprašomam procesui ir kiti pastovūs veiksniai. Matavimo prietaiso paklaida pateikiama jo techniniame pase. Atsitiktines paklaidas lemia įvairios nuo laiko priklausančios priežastys. Pavyzdžiui, temperatū-ros, elektros tinklo pokyčiai, eksperimentatoriaus klaidos ir kt.

7. Išvados

Tyrimų rezultatai ir išvados – tai ne tas pats. Išvados – tai tiesio-ginis atsakymas į su darbo tikslu susijusius klausimus: turėjome tokį tikslą – o ką gavome, kokias išvadas darome, remdamiesi savo tyri-mų rezultatais. Išvadas būtina numeruoti ir pateikti trumpa, griežtai suformuluota forma.

8. Literatūros sąrašas

Nurodomi darbui pasirengti ir atlikti naudoti šaltiniai. Literatūra pateikiama taip: autoriaus pavardė ir inicialai. Knygos pavadinimas. Miestas, kuriame išleista knyga, arba jo pirmoji raidė. Toliau leidyk-la, knygos išleidimo metai bei knygos puslapių skaičius. Pvz.:

1. JANKAUSKAS, J.; KAZRAGIS, K.; KERIENĖ, J.; TAMU- LAITIENĖ, B.; ZALIECKIENĖ, E. Bendrosios chemijos teori-niai pagrindai ir uždaviniai. Vilnius: Technika, 2006. 248 p.

9. Data

Užrašoma darbo atlikimo data.

14

1. LABORATORINIŲ DARBŲ TECHNIKA

TEORINĖ DALIS

Šiame darbe susipažįstama su pagrindinėmis operacijomis, atlie-kamomis chemijos laboratorijoje: skysčių tūrių matavimu, nusodini-mu, filtravimu, titravimu.

1. Svėrimas

Chemijos laboratorijoje naudojamos įvairaus tikslumo svarstyk-lės: techninės – mažiau tikslios, analitinės bei elektroninės – tiks- lesnės.

Sveriant svirtinėmis svarstyklėmis, reikia laikytis šių pagrindinių taisyklių:

1. Negalima perstatinėti svarstyklių iš vienos vietos į kitą. 2. Uždėti ir nuimti svarelius arba sveriamą daiktą galima tik iš-

jungus svarstykles, daryti tai švelniai. 3. Sveriama medžiaga dedama ant kairiosios lėkštelės, o svare-

liai – ant dešiniosios pincetu. 4. Svareliai dedami ant lėkštelės tik pincetu, mažėjančio svorio

tvarka. 5. Biriosios medžiagos sveriamos iš anksto pasvertuose induose

arba ant švaraus popieriaus. 6. Baigus sverti, svarstyklės ir svareliai sutvarkomi: svareliai

pincetu nuimami ir sudedami į dėžutę, nuvalomos svarstyklių lėkštelės.

7. Negalima dėti ant lėkštelės didesnį svorį nei nurodyta svars-tyklių techniniame pase.

Elektroninės svarstyklės turi stovėti toliau nuo stipraus elektro-magnetinio lauko šaltinių ir nuo skersvėjo apsaugotoje vietoje. Sve-riant elektroninėmis svarstyklėmis, reikia elgtis taip:

1. Įjungus svarstykles, palaukiama, kol ekrane atsiras 0,00 g. 2. Ant svėrimo lėkštelės padedamas sveriamas daiktas. Ekrane

atsiranda svėrimo rodmenys. 3. Biriosios medžiagos sveriamos indeliuose. Pirmiausia pasve-

riamas indas, tada spaudžiamas mygtukas TARE, ekrane vėl

15

atsiranda 0,00 g. Tada į indelį beriamas reikalingas medžia-gos kiekis.

4. Baigus sverti, svarstyklės išjungiamos, nuvaloma svarstyklių lėkštelė.

2. Skysčių tūrio matavimas

Skysčių tūriai matuojami įvairiais matavimo indais: apytikriai matuojama matavimo cilindrais bei menzūromis, tiksliai – įvairios talpos matavimo kolbomis, pipetėmis, biuretėmis.

Matavimo induose, ypač siauruose, skysčio, drėkinančio indo sie-neles, paviršius yra įgaubtas, jo aukštis nustatomas pagal žemiausią menisko lygį viename lygyje su akimi (1.1 pav.).

Naudojami tik švarūs matavimo indai. Pamatavus tirpalo tūrį, indai gerai išplaunami ir padedami į vietą. Matavimo indų negalima

šildyti, pilti į juos karštų tirpalų ir atlikti juose cheminių reakci-

jų. Skysčiams matuoti galima naudoti tik darbo aprašyme nurodytus indus.

Matavimo cilindrai ir menzūros naudojami apytikriam skysčio tūriui matuoti.

Matavimo kolbos skirtos tiksliam tirpalo tūriui matuoti, tirpa-lams iki tam tikro tūrio skiesti bei jiems gaminti.

1.1 pav. Tūrio matavimas biurete

16

Matavimo kolbos būna įvairaus tūrio; jis žymimas ant kolbos šono arba kaklelio. Ilgame, siaurame kolbos kaklelyje yra brūkšnys; iki jo kolba pripildoma skysčio (menisko apačia ant brūkšnio). Ga-minant arba skiedžiant tirpalus, paskutiniai lašai iki pat brūkšnio lašinami, o tada tirpalas gerai sumaišomas.

1.2 pav. Tūrio matavimas pipete

Pipetės naudojamos tiksliam skysčių tūriui išmatuoti; jis gali būti įvairus – nuo 0,1 iki 100 mL ir žymimas pipetės viršuje arba ant praplatintos dalies. Ant pipetės kaklelio yra brūkšnelis, iki kurio pi-petė pripildoma tirpalo taip: ji giliai įmerkiama į tirpalą ir tirpalas gumine kriauše įsiurbiamas virš brūkšnelio. Tada pipetė užspau-džiama smiliumi (ne nykščiu!), ištraukiama iš tirpalo ir priglaudžia-ma prie indo sienelės. Atsargiai atleidžiant pirštą, skysčio lygis pipe-tėje nuleidžiamas iki brūkšnio (menisko apačia ant brūkšnio, 1.2 pav.). Užspausta pirštu pipetė perkeliama į reikiamą indą, pirštas atleidžiamas, pipetės galas priglaudžiamas prie indo sienelės ir skys-čiui leidžiama ištekėti. Negalima išpūsti iš pipetės skysčio likučių. Naudota pipetė išplaunama ir padedama į vietą. Naudojamos ir gra-duotos pipetės, kuriomis galima pamatuoti įvairų ant jų pažymėtą tūrį.

17

1.3 pav. Tūrio matavimas automatine pipete

Automatinės pipetės skirtos tiksliam skysčių tūriui matuoti. Jos

būna įvairios – fiksuotojo arba keičiamojo tūrio, nuo 1 µL iki 10 mL. Keičiamojo tūrio pipetėse tūris reguliuojamas sukant operacinį mygtu-ką pagal laikrodžio rodyklę, norint sumažinti tūrį, arba prieš laikrodžio rodyklę, norint padidinti tūrį, kol indikatoriaus langelyje atsiras reika-lingi skaičiai. Griežtai draudžiama nustatinėti matuojamąjį tūrį už

matavimo ribų, nes taip gadinama pipetė, ji gali prarasti tikslumą (ma-tavimų ribos yra nurodytos ant pipetės rankenos). Pipetę privaloma

laikyti tik vertikaliai, kad skystis nepatektų į mechanizmą. Atrama (kablys) turi gulėti ant smiliaus, mygtukas spaudžiamas nykščiu. Pipetę sudaro dvi dalys: mechanizmo dalis ir antgalis. Dirbama su pipete taip: ant mechanizmo dalies užmaunamas antgalis, operacinis mygtukas nuspaudžiamas iki pirmojo pasipriešinimo (1.3 pav., 1 padėtis), antgalis panardinamas į skystį, tada mygtukas švelniai ir lėtai atleidžiamas (1.3 pav., 2 padėtis), palaukiama, kol skysis pripil-do antgalį. Pipetė ištraukiama iš skysčio, atsargiai nubraukiamas skysčio perteklius į indo sieneles, ir skystis išleidžiamas iš pipetės lengvai spaudžiant mygtuką iki pirmojo pasipriešinimo, po sekundės mygtukas spaudžiamas iki galo, norint išpūsti iš antgalio visą skystį (1.3 pav., 3 padėtis). Baigus darbą, antgalis nuimamas nuo pipetės stūmokliu ir kruopščiai išplaunamas. Pipetė įstatoma į specialų stovą arba pakabinama.

18

Biuretės skirtos tiksliam skysčių tūriui matuoti atliekant tirpalų titravimą. Tai ilgas, plonas stiklinis vamzdelis, sugraduotas į dešim-tąsias mililitro dalis, kurio gale yra čiaupas arba žarnelė su stikliniu burbuliuku arba spaustuku ir stiklinis antgalis. Biuretė pripildoma skysčio per piltuvėlį iki 0 mL padalos taip, kad stikliniame antgalyje neliktų oro burbulų. Prieš pradedant dirbti piltuvėlis būtinai išima-mas, nes nuo jo sienelių nuvarvėjusio skysčio lašai sumažina mata-vimo tikslumą.

3. Titravimas

Titravimas – tai žinomos koncentracijos tirpalo (titranto, darbi-nio tirpalo) pilimas iš biuretės į analizuojamąjį tirpalą, kol pasiekia-mas ekvivalentinis taškas. Taip nustatoma analizuojamojo tirpalo koncentracija.

Prieš titruojant biuretė pripildoma žinomos koncentracijos )(1N

C

tirpalo iki nulinės padalos taip, kad jos apatiniame gale nebūtų oro bur-buliukų; piltuvėlis išimamas. Į kūginę kolbutę įpilamas tiksliai pipete pamatuotas nežinomos koncentracijos (

NC ) tirpalo tūris (V), įlašinami

keli indikatoriaus lašai. Viena ranka kolbutė laikoma už kaklelio ir su-kama taip, kad joje esantis skystis nuolat maišytųsi (biuretės galas yra kolbutės kaklelyje, bet neturi liesti sienelių), kita ranka atsargiai atlei-džiamas spaustukas. Iš pradžių tirpalas iš biuretės pilamas plona čiurkš-le, nuolat maišant tirpalą, paskui darbinis tirpalas pilamas vis lėčiau ir, baigiant titruoti, – lašais. Titravimo rezultatai bus teisingi, jeigu titravi-mo pabaigoje nuo vieno lašo darbinio tirpalo staiga pasikeis titruoja-mojo tirpalo spalva. Kad tirpalo spalvos kitimas būtų geriau matomas, titruojant naudojamas baltas fonas (balta koklinė plokštelė arba popie-riaus lapas). Pagal biuretėje likusio tirpalo lygį randamas titruojant su-naudoto titranto tūris (V1, 1.1 pav.).

Kiekvienas tirpalas titruojamas ne mažiau kaip 2–3 kartus, t. y. 2–3 kartus pamatuojamas toks pat tirpalo tūris ir atliekama aprašytoji procedūra. Titravimo rezultatai vienas nuo kito turi skirtis ne daugiau kaip 0,1 mL. Kiekvieną kartą, nutitravus tirpalą, biuretės skalėje nu-statoma, kiek sunaudota darbinio tirpalo; rezultatai užrašomi. Pirma-sis titravimas yra orientacinis. Titruojant pirmą kartą, darbinio tirpalo iš biuretės rekomenduojama pilti kiekvieną kartą po 1 mL, kad būtų

19

galima nustatyti intervalą, kurio ribose yra ekvivalentinis taškas. Pvz., jeigu pridėjus į titruojamąjį tirpalą 15 mL titranto, indikatoriaus spalva nesikeičia, o pridėjus 16 mL tirpalo, spalva staigiai pasikeičia, tai reiškia, kad ekvivalentinis taškas yra intervale tarp 15 ir 16 mL. Titruojant kitą porciją analizuojamojo tirpalo, 15 mL darbinio tirpalo supilami gana greitai, kolbos turinį intensyviai maišant, o toliau tit-rantas lašinamas jau lašais, kol pasikeičia indikatoriaus spalva. Kad būtų patogu stebėti spalvos kitimą, prieš pradedant titruoti rekomen-duojama iš karto į kelias kolbutes įpilti vienodus kiekius analizuoja-mojo tirpalo ir indikatoriaus, o titravimo metu lyginti titruojamojo ir netitruotojo tirpalų spalvas. Norint galutinai įsitikinti, ar teisingai atliktas titravimas, į nutitruotąjį skystį įlašinamas analizuojamojo tirpalo lašas. Tirpalo spalva turi staigiai pasikeisti (grįžti į pradinę).

Analizuojamojo tirpalo koncentracija skaičiuojama naudojant darbinio tirpalo tūrio vidurkį pagal formulę:

11VCVC

N⋅=⋅

N,

čia N

C – analizuojamojo tirpalo nežinoma molinė ekvivalentų kon-

centracija (normalingumas); V – titruoti paimtos analizuojamojo tirpalo porcijos tūris, mL;

1NC – darbinio tirpalo žinomas normalingumas;

V1 – titruojant sunaudoto darbinio tirpalo vidurkis, mL.

4. Filtravimas

Filtravimas yra kietųjų dalelių atskyrimas filtru iš skystosios ar-ba dujinės terpės.

Filtruojant reikia turėti piltuvėlį, filtravimo popieriaus ir stiklinę lazdelę. Ruošiant filtrą, filtravimo popierius sulenkiamas du kartus, praskleidžiamas taip, kad vienoje pusėje liktų trys popieriaus sluoks-niai, t. y. padaromas maišelis (1.4 pav.). Filtras įstatomas į piltuvėlį. Filtro kraštai turi būti maždaug 5 mm žemiau už piltuvėlio kraštą. Jeigu filtras didesnis, jį reikia apkirpti. Jeigu nereikia filtruoti pro sausą filtrą, jis sudrėkinamas tirpikliu (dažniausiai distiliuotu vandeniu) ir prispau-džiamas prie piltuvėlio sienelių. Filtruojamasis skystis kartu su nuosė-domis per stiklinę lazdelę pilamas ant filtro (1.5 pav., a). Skysčio pila-ma tiek, kad jo lygis būtų 2–3 mm žemiau už filtro kraštus. Šlapias

20

filtro popierius labai greitai plyšta, todėl jo negalima liesti ar maišyti nuosėdų lazdele. Ant stiklinėje likusių nuosėdų užpilama truputis disti-liuoto vandens. Skystis su nuosėdomis vėl pilamas ant filtro (1.5 pav., b). Ši operacija kartojama tol, kol visos nuosėdos iš stiklinės supilamos ant filtro. Pro filtrą praėjęs skystis vadinamas filtratu.

1.4 pav. Filtravimo popieriaus lankstymas

Jeigu nuosėdas reikia praplauti, tai plovimo skystis (distiliuotas

vanduo arba kitas nurodytas tirpalas) pilamas porcijomis ant filtro. Kita skysčio porcija pilama tik tada, kai ankstesnioji būna visiškai persifiltravusi.

1.5 pav. Filtravimas (a) ir nuosėdų plovimas (b)

21

EKSPERIMENTINĖ DALIS

1 darbas. Metalo hidroksido kiekio nustatymas titrimetriniu būdu

Darbo tikslas

Susipažinti su dažniausiai chemijos laboratorijoje naudojamomis operacijomis ir jas išmokti. Nustatyti, kiek gramų metalo hidroksido gaunama druskos reakcijos su natrio šarmu NaOH metu.

Darbo priemonės ir reagentai

Stiklinė, pipetė, kūginės kolbutės, matavimo kolbutė, biuretė, piltuvas, filtro popierius, stiklinė lazdelė.

Tirpalai: 1 N NaOH; 1 N druskos (CuSO4, CoCl2, NiCl2); 0,1 N HCl; metiloranžo indikatorius.

Darbo eiga

Užmaukite druskai skirtą automatinės pipetės antgalį ir ja pama-tuokite 10 mL 1 N metalo druskos tirpalo (CuSO4, CoCl2 arba NiCl2), supilkite į stiklinę. Pakeiskite pipetės antgalį (imamas antga-lis NaOH matuoti) ir į tą pačią stiklinę įpilkite 20 mL pipete pama-tuoto 1 N NaOH tirpalo (imamas NaOH perteklius). Tirpalą sumai-šykite ir filtruokite į 100 mL matavimo kolbutę. Parašykite įvykusią reakciją. Kadangi imtas natrio šarmo perteklius, dalis jo sureaguoja su druska, o dalis – lieka tirpale. Nesureagavusį NaOH, kuris yra ant stiklinės sienelių ir nuosėdų, suplaukite į 100 mL talpos matavimo kolbutę. Nuosėdas ant filtro kelis kartus perplaukite distiliuotu van-deniu ir filtratą surinkite į tą pačią matavimo kolbutę. Baigę plauti nuosėdas, filtrą su nuosėdomis išmeskite, o filtratą praskieskite disti-liuotu vandeniu iki 100 mL (iki brūkšnio) ir gerai sumaišykite.

Titravimo būdu raskite nesureagavusio natrio šarmo tirpalo kon-centraciją. Paimkite 3 švarias kūgines kolbutes. Į kiekvieną iš jų įpilkite po 10 mL gauto praskiesto tirpalo (matuojama gerai išplauta pipete, skirta NaOH matuoti), į kiekvieną kolbutę įlašinkite po 1–2 lašus indi-katoriaus metiloranžo. Spalvotąjį tirpalą titruokite 0,1 N HCl tirpalu tol, kol geltona indikatoriaus spalva tampa oranžine. Taip pat nutitruokite ir

22

kitas dvi tirpalo porcijas. Parašykite titravimo metu vykusią reakciją. Titravimo duomenis surašykite į 1.1 lentelę.

1.1 lentelė. Nesureagavusio NaOH titravimo duomenys

Titravimas

Titruoti paimto

tiriamojo tirpalo

tūris V, mL

Titruojant

sunaudotos

0,1 N HCl

tūris, mL

Vidutinis titruojant

sunaudotos rūgšties

tūris V1, mL

1 10

2 10

3 10

Skaičiavimai

1. Metalo druskos (CuSO4, NiCl2 arba CoCl2) ir natrio šarmo (NaOH) reakcijai paimto natrio hidroksido kiekį gramais m1 skai-čiuokite pagal formulę:

m1 =0001

VCEN

⋅⋅

, (1.1)

čia E – natrio šarmo ekvivalento masė;

NC – natrio šarmo, paimto reakcijai, molinė ekvivalentų kon–

centracija (normalingumas, N

C = 1);

V – paimto reakcijai tirpalo tūris (V = 20 mL).

2. Nesureagavusio (reakcijai imtas NaOH perteklius) natrio šarmo tirpalo koncentraciją skaičiuokite pagal formulę:

,11VCVC

NN⋅=⋅ (1.2)

čia N

C – šarmo molinė ekvivalentų koncentracija (normalingumas);

V – titruoti paimto natrio šarmo tūris, mL;

1NC – rūgšties normalingumas (0,1 N);

V1 – vidutinis titruojant sunaudotos rūgšties tūris, mL.

23

3. Naudodamiesi (1.1) formule, apskaičiuokite nesureagavusio natrio šarmo kiekį gramais 100 mL praskiesto filtrato m2 (V – tirpalo tūris, iki kurio buvo praskiestas filtratas, t. y. V = 100 mL,

NC – natrio šarmo molinė ekvivalentų koncentra-

cija, paskaičiuota 2 punkte pagal 1.2 formulę).

4. Druskos ir natrio šarmo reakcijai sunaudoto natrio šarmo kiekis gramais:

m3 = m1 – m2. (1.3)

5. Žinant sureagavusio natrio šarmo kiekį m3, pagal anksčiau parašy-tą druskos (CuSO4, CoCl2 arba NiCl2) reakciją su NaOH apskai-čiuokite susidariusio metalo hidroksido, t. y. nuosėdų, kiekį gra-mais.

Atsiskaitymo forma

– užpildoma lentelė; – pateikiamos titravimo bei druskos su NaOH reakcijų lygtys; – atliekami skaičiavimai.

24

2. TIRPALŲ KONCENTRACIJOS

TEORINĖ DALIS

Tirpalai – tai dviejų ar kelių medžiagų homogeninė sistema, su-sidedanti iš tirpiklio ir tirpinio (ištirpintos medžiagos):

Tirpalas = tirpinys + tirpiklis.

Pagrindinis tirpalų rodiklis yra jų koncentracija. Tirpalo kon-

centracija išreiškiama ištirpusios medžiagos kiekiu tam tikroje tirpalo

ar tirpiklio masėje arba tūryje. Koncentracijos gali būti išreiškiamos

įvairiai. Dažniausiai naudojamos šios tirpalų koncentracijos: procen-

tinė, molinė, molinė ekvivalentų (normalinė) ir molialinė.

Procentinė koncentracija rodo ištirpusios medžiagos kiekį

gramais 100 g tirpalo. Ji žymima C% ir reiškiama procentais arba

gramais 100 g tirpalo. Ją galima apskaičiuoti pagal tokią formulę:

C% = %100⋅

tirpalo

medžiagos

m

m. (2.1)

Pavyzdžiui, jeigu NaCl tirpalo koncentracija C% = 5 %, tai reiš-

kia, kad 100 g to tirpalo yra 5 g NaCl ir 95 g H2O. Jeigu 12 g me-

džiagos yra ištirpę 100-te g tirpalo, tai C% = 12 %.

Molinė koncentracija rodo ištirpusios medžiagos molių skaičių

viename litre tirpalo. Ji žymima CM ir reiškiama mol/L arba sutrum-

pintai M.

Medžiagos molio masė (M.m.) lygi jos molinei masei, išreikštai

gramais. Pvz.:

vandens M.m. (H2O) = 18 g/mol;

natrio chlorido M.m. (NaCl) = 23 + 35,5 = 58,5 g/mol.

Jeigu NaCl (M.m. = 58,8 g/mol) tirpalo koncentracija 0,5 M, tai

viename litre tokio tirpalo yra 0,5 molio arba 58,5 : 2 = 29,3 g ištir-

pusio NaCl. Norint rasti tirpalo molinę koncentracija, reikia apskai-

čiuoti, kiek molių medžiagos yra ištirpę 1 000 mL tirpalo (mol/L).

25

Molinius tirpalus skaičiuoti ir ruošti galima naudojantis tokia

formule:

m = 0001

VCMM

⋅⋅

, (2.2)

čia m – tirpalo tūryje V esančios medžiagos masė, g;

M – ištirpintos medžiagos molinė masė;

CM – tirpalo molinė (moliarinė) koncentracija;

V – tirpalo tūris, mL.

Jeigu tirpalo tūris reiškiamas litrais, ši formulė supaprastėja:

m = M · CM · V. (2.2a)

Molinė ekvivalentų (normalinė, ekvivalentinė) koncentracija

rodo ištirpusios medžiagos ekvivalentų skaičių viename litre tirpalo.

Ji žymima CN ir reiškiama ekv/L arba sutrumpintai N.

Ekvivalento masė (E.m.) reiškiama g/mol.

Sudėtinių medžiagų ekvivalentą galima apskaičiuoti molinę ma-

sę dalijant iš junginio teigiamų (arba neigiamų) jonų krūvių skai-

čiaus, pvz.:

E.m. H2SO4 = 21

98

⋅

= 49 g/mol,

kadangi H2SO4 ↔ 2H+ + ;SO2

4

−

E.m. Ca(OH)2 = 12

74

⋅

= 37 g/mol,

kadangi Ca(OH)2 ↔ Ca2+ + 2OH–;

E.m. Al2(SO4)3 = 23

342

⋅

= 57 g/mol,

kadangi Al2(SO4)3 ↔ 2Al3++ 3 −2

4SO ;

E.m. NaHCO3 = 11

84

⋅

= 84 g/mol,

26

kadangi NaHCO3 ↔ Na+ + −

3HCO ;

E.m. Fe(OH)Cl2 = 12

144

⋅

= 72 g/mol,

kadangi Fe(OH)Cl2 ↔ Fe(OH)2+ + 2Cl–.

Jeigu tirpalo koncentracija 2 N, tai viename litre tirpalo yra du

ekvivalentai ištirpusios medžiagos (2 ekv/L).

Molinę ekvivalentų koncentraciją skaičiuoti ir tirpalus ruošti ga-

lima naudojantis tokia formule:

m = ,0001

VCEN

⋅⋅

(2.3)

čia m – tirpalo tūryje V esančios medžiagos masė, g;

E – ištirpintos medžiagos ekvivalento masė;

CN – tirpalo molinė ekvivalentų (normalinė) koncentracija;

V – tirpalo tūris, mL.

Jeigu tirpalo tūris reiškiamas litrais, ši formulė supaprastėja:

m = E · CN · V. (2.3a)

Vienodos molinės ekvivalentų koncentracijos tirpalai reaguoja

lygiais tūriais. Kai reaguojančiųjų medžiagų molinės ekvivalentų

koncentracijos yra skirtingos, tirpalai tarpusavyje reaguoja kiekiais,

atvirkščiai proporcingais jų molinėms ekvivalentų koncentracijoms:

,

1

2

2

1

N

N

C

C

V=

V arba

2211VCVC

NN⋅=⋅ , (2.4)

čia 1N

C ir 2N

C − pirmosios ir antrosios medžiagų tirpalų molinės

ekvivalentų koncentracijos;

1V ir

2V − pirmojo ir antrojo tirpalų tūriai.

Molialinė koncentracija rodo ištirpusios medžiagos molių skaičių viename kilograme tirpiklio. Ji žymima Cm ir reiškiama mol/kg (mol/1 000 g) arba sutrumpintai m. Pavyzdžiui, jeigu tirpalo koncentracija 3 m, tai viename kilograme tirpiklio yra 3 moliai ištir-

27

pusios medžiagos. Gaminant molialinius tirpalus, galima naudotis tokia formule:

m = ,0001

tmmCM ⋅⋅

(2.5)

čia m – tirpale esančios medžiagos masė, g; M – ištirpintos medžiagos molinė masė, g/mol; Cm – tirpalo molialinė koncentracija; mt – tirpiklio masė, g.

Jeigu tirpiklio masė reiškiama kilogramais, ši formulė supapras-tėja:

m = M · Cm · mt. (2.5a)

Žinant tirpalų koncentracijų apibrėžtis, galima: 1) apskaičiuoti, kiek reikia medžiagos tam tikros koncentracijos

tirpalui pagaminti; 2) apskaičiuoti koncentraciją, žinant ištirpusios medžiagos kiekį

tam tikrame tirpalo ar tirpiklio kiekyje; 3) žinant vieną tirpalo koncentraciją, apskaičiuoti bet kurią kitą.

Molinė ir normalinė koncentracijos reiškiamos medžiagos kiekiu 1 L tirpalo, o procentinė – 100 g tirpalo, todėl, norint paversti vieną koncentraciją kita, reikia pasinaudoti tirpalo tankiu:

ρ = ,

V

m (2.6)

čia ρ – tirpalo tankis, g/mL; m – tirpalo masė, g; V – tirpalo tūris, mL.

Taigi, žinant tirpalo tankį, galime apskaičiuoti šio tirpalo masę:

m = ρ · V. (2.6a)

Skaičiavimų pavyzdžiai

Pagal SI medžiagos masė išreiškiama kg, tūris – m3, tankis – kg/m3. Kadangi laboratorijoje paprastai gaminami nedideli tirpalų kie-

28

kiai, pateikiamų skaičiavimų pavyzdžiuose medžiagos masė išreiškia-ma gramais (g), tūris – litrais (L) arba mililitrais (mL), o tankis – g/mL.

PROCENTINIAI TIRPALAI

1. Procentinių tirpalų gamyba iš kietosios medžiagos

2.1 pavyzdys

Kiek gramų BaCl2 reikia 400 g 8 % tirpalo pagaminti?

Sprendimas

Pagal procentinės koncentracijos apibrėžtį, ji parodo, kiek gramų medžiagos yra ištirpę šimte gramų tirpalo. Vadinasi:

100 g tirpalo yra 8 g BaCl2;

400 g tirpalo yra x g BaCl2;

x = 100

4008 ⋅

= 32 g.

2.2 pavyzdys

Kiek gramų NaOH ir kiek gramų vandens reikia 5 L 12 % tirpa-lo (ρ = 1,131 g/mL) pagaminti?

Sprendimas

1. Apskaičiuojama tirpalo masė:

m = ρ · V;

5 000 mL ⋅ 1,131 g/mL = 5 655 g.

2. Apskaičiuojamas tirpalui pagaminti reikalingas NaOH kiekis:

100 g tirpalo yra 12 g NaOH;

5 655 g tirpalo yra x g NaOH;

29

x = 100

655512 ⋅

= 678,6 g NaOH.

3. Apskaičiuojama tirpalui pagaminti reikalinga vandens masė:

5 655 g − 678,6 g = 4 976,4 g.

2. Procentinės koncentracijos apskaičiavimas, žinant ištirpusios medžiagos kiekį

2.3 pavyzdys

Apskaičiuoti procentinę koncentraciją tirpalo, gauto ištirpinus 32 g NaCl 368 mL distiliuoto vandens.

Sprendimas

1. Apskaičiuojama tirpalo masė (1 mL distiliuoto vandens masė yra 1 g):

368 g + 32 g = 400 g.

2. Apskaičiuojama tirpalo procentinė koncentracija:

400 g tirpalo yra 32 g NaCl;

100 g tirpalo yra x g NaCl;

x = 400

10032 ⋅

= 8 g.

Ištirpusios medžiagos kiekis gramais šimte gramų tirpalo − tai ir yra jo procentinė koncentracija, C% = 8 %.

MOLINĖS KONCENTRACIJOS TIRPALAI

1. Molinės koncentracijos tirpalų gamyba iš kietosios medžiagos

2.4 pavyzdys

Kiek gramų NaOH reikia paimti, norint pagaminti 400 mL 0,2 M tirpalo?

30

Sprendimas

1. Apskaičiuojama NaOH molinė masė:

M.m. (NaOH) = 40 g/mol.

2. Apskaičiuojama, kiek gramų NaOH reikia, norint pagaminti 1 L 0,2 M tirpalo:

1 mol NaOH sudaro 40 g NaOH;

0,2 mol NaOH sudaro x g NaOH;

8mol1

g40mol2,0=

⋅

=x g.

3. Apskaičiuojama, kiek gramų NaOH reikia 400 mL tirpalo:

1 000 mL tirpalo reikia 8 g NaOH;

400 mL tirpalo reikia x g NaOH;

2,3mL0001

g8mL400=

⋅

=x g.

Skaičiuoti galima ir pagal formulę:

m = M · CM · V;

m = 40 g/mol · 0,2 mol/L · 0,4 L = 3,2 g.

2. Molinės koncentracijos apskaičiavimas, žinant ištirpusios medžiagos kiekį

2.5 pavyzdys

Kokia bus molinė tirpalo koncentracija, jeigu 200 mL tirpalo yra ištirpę 16,8 g KOH ?

Sprendimas

1. Apskaičiuojama KOH molinė masė:

M.m. (KOH) = 56 g/mol.

31

2. Apskaičiuojama, kiek molių atitinka 16,8 g medžiagos:

1 mol atitinka 56 g KOH;

x mol atitinka 16,8 g KOH;

3,0g56

g16,8mol1=

⋅

=x mol.

3. Apskaičiuojama, kiek molių KOH yra viename litre tirpalo:

0,3 mol KOH yra ištirpę 200 mL tirpalo;

x mol KOH yra ištirpę 1000 mL tirpalo,

5,1mL200

mol3,0mL0001=

⋅

=x mol.

Apskaičiavome, kiek molių medžiagos yra ištirpę viename litre

tirpalo, vadinasi, CM = 1,5 mol/L, arba 1,5 M.

3. Molinės koncentracijos tirpalų gamyba iš procentinės koncentracijos tirpalų

2.6 pavyzdys

Kiek mililitrų 20 % azoto rūgšties HNO3 tirpalo (ρ = 1,115 g/mL)

reikia paimti, norint pagaminti 500 mL 0,1 M tirpalo?

Sprendimas

1. Apskaičiuojama HNO3 molinė masė:

M.m. (HNO3) = 63 g/mol.

2. Gaminant tirpalą iš kito tirpalo, iš pradžių skaičiuojama, kiek

gramų grynos medžiagos yra tirpale, kurį reikia pagaminti. Pasinau-

dosime molinės koncentracijos skaičiavimo formule:

m = M · CM · V;

m = 63 g/mol · 0,1 mol/L · 0,5 L = 3,15 g.

32

3. Apskaičiuojama 20 % HNO3 tirpalo masė, kurioje yra reika-

lingas grynos medžiagos kiekis:

20 g HNO3 yra 100 g 20 % tirpalo;

3,15 g HNO3 yra x g 20% tirpalo;

75,15g20

g100g15,3=

⋅

=x g.

4. Apskaičiuojamas tirpalui pagaminti reikalingas 20 % azoto

rūgšties HNO3 tūris :

===

g/mL115,1

g75,15

ρ

mV 14,1 mL.

MOLINĖS EKVIVALENTŲ KONCENTRACIJOS (NORMALINIAI) TIRPALAI

1. Molinės ekvivalentų koncentracijos tirpalų gamyba iš kietosios medžiagos

2.7 pavyzdys

Kiek gramų BaCl2 reikia 250 mL 0,5 N tirpalo pagaminti?

Sprendimas

1. Apskaičiuojama BaCl2 ekvivalento masė:

M.m. (BaCl2) = 208 g/mol;

BaCl2 ↔ Ba2+ + 2Cl−;

E.m. (BaCl2) = 208 : 2 = 104 g/mol.

2. Apskaičiuojamas BaCl2 kiekis, reikalingas 1 L 0,5 N jo tirpalo

pagaminti:

1 N tirpalui reikia 104 g;

0,5 N tirpalui reikia x g;

33

521

g1045,0=

⋅

=

N

Nx g.

3. Apskaičiuojama, kiek gramų BaCl2 reikia paimti, norint pa-

gaminti 250 mL 0,5 N tirpalo:

1 000 mL tirpalo reikia 52 g BaCl2;

250 mL tirpalo reikia x g BaCl2;

13mL0001

g52mL250=

⋅

=x g.

2. Molinės ekvivalentų koncentracijos skaičiavimas, žinant ištirpusios medžiagos masę

2.8 pavyzdys

200 mL tirpalo yra ištirpę 19,6 g H2SO4. Koka tokio tirpalo mo-

linė ekvivalentų koncentracija (normalingumas)?

Sprendimas

1. Apskaičiuojama H2SO4 ekvivalentinė masė:

M.m. (H2SO4) = 98 g/mol;

−+

+⇔2

442SOH2SOH ;

E.m. = 98 : 2 = 49 g/mol.

2. Apskaičiuojamas sieros rūgšties kiekis, esantis viename litre

tirpalo:

200 mL yra 19,6 g H2SO4;

1 000 mL yra x g H2SO4;

x = mL200

mL0001g6,19 ⋅

= 98 g.

3. Apskaičiuojama tirpalo normalinė koncentracija:

34

Jeigu 1 L tirpalo yra 49 g H2SO4 , tai koncentracija 1 N;

jeigu 98 g H2SO4 tai koncentracija x N;

x = 98 : 49 = 2 N.

Naudojantis formule m = E ⋅ CN⋅ V, šis uždavinys sprendžiamas

taip:

CN = VE

m

⋅

= 2,049

6,19

⋅

= 2.

3. Molinės ekvivalentų koncentracijos tirpalų gamyba iš tirpalų

2.9 pavyzdys

Kiek mililitrų 40 % ortofosforo rūgšties (ρ = 1,254 g/mL) reikia

200 mL 0,15 N ortofosforo rūgšties tirpalo pagaminti?

Sprendimas

1. Apskaičiuojama H3PO4 ekvivalentinė masė:

M.m. (H3PO4) = 98 g/mol;

;POH3POH3

443

−+

+⇔

E.m. 98 : 3 = 32,7 g/mol.

2. Apskaičiuojama H3PO4 masė, reikalinga 200 mL 1 N jos tir-

palo pagaminti:

1000 mL reikia 32,7 g H3PO4;

200 mL reikia x g H3PO4;

x = 0001

2007,32 ⋅

= 6,54 g.

3. Apskaičiuojama H3PO4 masė, reikalinga 200 mL 0,15 N jos

tirpalo pagaminti:

1 N tirpalui reikia 6,54 g;

0,15 N tirpalui reikia x g;

35

x = 6,54 ⋅ 0,15 = 0,98 g.

4. Apskaičiuojama 40 % fosforo rūgšties masė, kurioje yra

0,98 g grynos H3PO4:

40 g H3PO4 yra 100 g tirpalo;

0,98 g H3PO4 yra x g tirpalo;

x = 40

980100 ,⋅

= 2,45 g.

5. Apskaičiuojamas tirpalui pagaminti reikalingas 40 % fosforo

rūgšties tūris:

95,1254,1

45,2==

ρ=m

V mL.

MOLIALINĖS KONCENTRACIJOS TIRPALAI

1. Molialinės koncentracijos skaičiavimas, žinant ištirpusios medžiagos kiekį

2. 10 pavyzdys

200 g vandens ištirpinta 12 g MgSO4. Kokia tokio tirpalo molia-

linė koncentracija?

Sprendimas

1. Molialinė koncentracija rodo, kiek molių medžiagos yra ištir-

pę 1 000 g tirpiklio, todėl apskaičiuojama, kiek gramų MgSO4 bus

ištirpę 1 000 g vandens:

200 g vandens ištirpę 12 g MgSO4;

1 000 g vandens ištirpę x g MgSO4;

60g200

g12g0001=

⋅

=x g.

36

2. Apskaičiuojama MgSO4 molinė masė:

M.m. (MgSO4) = 120 g/mol.

3. Apskaičiuojama, kiek molių sudaro 60 g MgSO4:

1 mol MgSO4 sudaro 120 g;

x mol MgSO4 sudaro 60 g MgSO4;

5,0g120

g60mol1=

⋅

=x mol.

1 000 g vandens ištirpę 0,5 mol medžiagos, vadinasi, Cm = 0,5 m.

2. Molialinės koncentracijos perskaičiavimas iš procentinės koncentracijos

2. 11 pavyzdys

Apskaičiuokite 15 % CuSO4 tirpalo molialinę koncentraciją.

Sprendimas

1. Apskaičiuojamos medžiagos ir tirpiklio, kuriame ištirpinta ši

medžiaga, masės. Procentinė koncentracija rodo, kiek gramų me-

džiagos yra 100-te gramų tirpalo. Vadinasi, 15 g CuSO4 yra 100 g

tirpalo. Tirpiklio yra:

100 g − 15 g = 85 g vandens (tirpiklio).

2. Apskaičiuojama, kiek gramų CuSO4 yra 1 000 g tirpiklio:

15 g CuSO4 ištirpę 85 g tirpiklio;

x g CuSO4 ištirpę 1 000 g tirpiklio;

47,176g85

g0001g15=

⋅

=x g.

3. Apskaičiuojama CuSO4 molinė masė:

M.m. (CuSO4) = 160 g/mol.

4. Apskaičiuojama, kiek molių sudaro 176,47 g CuSO4:

37

1 mol CuSO4 sudaro 160 g;

x mol CuSO4 sudaro 176,47 g;

1,1g160

g176,47mol1=

⋅

=x mol.

Suskaičiavome, kiek molių medžagos yra 1 000-yje gramų tir-

piklio, vadinasi, tirpalo koncentracija Cm = 1,1 mol/kg (1,1 m).

EKSPERIMENTINĖ DALIS

2 darbas. Tirpalų ruošimas

Darbo tikslas

Išmokti gaminti molinės ir molinės ekvivalentų koncentracijų

tirpalus, titrimetriškai patikrinti, ar tiksli pagaminto tirpalo koncent-

racija, skirtingais būdais nustatyti tirpalų tankį.

Darbo priemonės ir reagentai

Cheminė stiklinėlė, kūginės kolbutės, matavimo kolbutė su

kamščiu, piltuvėlis, pipetė, biuretė, biuksai (svėrimo indeliai), areo-

metras, cilindras, elektroninės svarstyklės.

Tirpalai: 0,1 N HCl, metiloranžo indikatorius.

Sausieji reagentai: NaOH, KOH, Na2CO3.

Darbo eiga

1. Molinės ekvivalentų koncentracijos tirpalo ruošimas ir

titrimetrinis koncentracijos nustatymas

Norint paruošti tam tikrą tūrį nurodytos koncentracijos tirpalo,

pirmiausia reikia apskaičiuoti, kiek grynos medžiagos reikės pa-

sverti svarstyklėmis. Po teisingai atliktų skaičiavimų, elektroninė-

mis svarstyklėmis pasverta reikalinga medžiagos masė suberiama į

matavimo kolbutę ir iki žymos praskiedžiama distiliuotu vandeniu.

Praskiedus tirpalas užkemšamas kamščiu ir kelis kartus apverčiant

kolbutę gerai sumaišomas. Gautas homogeninis tirpalas titruoja-

38

mas. Iš titravimo rezultatų nustatoma, ar tiksli pagaminto tirpalo

koncentracija.

Dėstytojas nurodo, iš kokios medžiagos, kiek ir kokios koncent-

racijos tirpalą reikia pagaminti. Pirmiausia apskaičiuokite, kiek gra-

mų medžiagos reikės pasverti, norint pagaminti nurodytos koncent-

racijos ir tūrio tirpalą. Skaičiavimus pateikite dėstytojui. Jeigu

skaičiavimai buvo teisingi, elektroninėmis svarstyklėmis pasverkite

reikiamą medžiagos kiekį. Tam įjunkite svarstykles. Kai ekrane pasi-

rodys skaičius 0, ant svarstyklių dėkite tuščią sausą cheminę stikli-

naitę. Nusistovėjus pastoviam stiklinaitės svoriui, nuspauskite myg-

tuką T (tara). Ekrane vėl matysite 0. Tada atsargiai į stiklinaitę

berkite medžiagą ir pasverkite apskaičiuotą jos kiekį. Pasvėrę ant

stiklinaitėje esančių medžiagos kristalų užpilkite nedidelį kiekį disti-

liuoto vandens ir maišydami ištirpinkite jame medžiagą. Gautąjį tir-

palą atsargiai per piltuvėlį supilkite į matavimo kolbutę. Stiklinaitę

praplaukite nedideliu kiekiu distiliuoto vandens ir vėl supilkite į kol-

butę. Tirpalą kolbutėje praskieskite iki brūkšnio (brūkšnys ant kolbu-

tės kaklelio) ir apversdami sumaišykite. Turite pagaminę reikalingą

tūrį nurodytos koncentracijos tirpalo.

Dabar reikia patikrinti, ar tiksliai pagaminote tirpalą. Norint pa-

tikrinti tirpalo koncentraciją, jį reikia titruoti žinomos koncentracijos

(tiksliai pagaminto) tirpalu (titrantu). Tam tikslui automatine pipete

pamatuokite 10 mL Jūsų pagaminto tirpalo, supilkite į kūginę kolbu-

tę, įlašinkite 1–2 lašus metiloranžo indikatoriaus ir titruokite iki pasi-

keis spalva (iki ekvivalentinio taško). Užsirašykite, kiek mililitrų

darbinio tirpalo sunaudojote titruodami. Titravimą pakartokite dar 2

kartus. Iš trijų titravimo metu gautų rezultatų vidurkio apskaičiuokite

tikslią pagaminto tirpalo koncentraciją.

Titravimo duomenis surašykite į 2.1 lentelę.

2. 1 lentelė. Šarminio tirpalo titravimo duomenys

Titravimo eil. Nr.

Titruoti paimtas šarminio tirpalo tūris, mL

Titruojant sunaudotas 0,1 N HCl tirpalo tūris, mL

1 2 3

39

Skaičiavimai

1. Apskaičiuokite titruojant sunaudoto 0,1 N HCl tirpalo tūrių vidurkį.

2. Iš formulės apskaičiuokite pagaminto tirpalo molinę ekvivalentų

koncentraciją:

11VCVC

NN⋅=⋅ ,

čia N

C – pagaminto tirpalo molinė ekvivalentų koncentracija, N;

V – pagaminto tirpalo tūris, paimtas titruoti, mL;

1NC – titranto (HCl) koncentracija, N,

1V – titruojant sunaudoto HCl tūrių vidurkis, mL.

3. Apskaičiuokite paklaidą.

2. Tirpalo tankio nustatymas

Tirpalo tankį nustatykite dviem būdais: svėrimo ir tūrio matavi-

mo būdu bei areometru.

Tirpalo tankiui nustatyti imamas dėstytojo duotas tirpalas. Pir-

miausia elektroninėmis svarstyklėmis pasverkite 3 tuščius biuksus.

Tada į kiekvieną iš jų švaria pipete įpilkite atitinkamai po 10, 20 ir

30 mL tirpalo. Biuksus su tirpalu pasverkite. Kiekviename apskai-

čiuokite tirpalo tankį:

,

V

m=ρ g/mL.

Duomenis surašykite į 2.2 lentelę.

2. 2 lentelė. Tirpalo tankio nustatymas

Nr. Tuščio biukso masė, g

Paimto tirpalo

tūris, mL

Biukso masė su tirpalu, g

Tirpalo masė, g

Tirpalo tankis, g/mL

1

2

3

Tirpalo temperatūra: (imama lygi laboratorijos temperatūrai)

40

Apskaičiuokite tankių vidurkį.

Visus tirpalus iš biuksų perpilkite į matavimo cilindrą ir kartu su

dėstytoju išmatuokite tirpalo tankį areometru.

Palyginkite skirtingais būdais nustatytas tankio reikšmes.

Atsiskaitymo forma

– tirpalo titravimo rezultatai;

– užpildytos lentelės;

– skirtingais būdais nustatytų tankių palyginimas.

41

3. CHEMINIŲ REAKCIJŲ ENTALPIJOS POKYTIS

TEORINĖ DALIS

Vykstant cheminėms reakcijoms ar fizikiniams procesams, su-vartojama arba išsiskiria energija (šiluminė, elektros, šviesos spindu-lių, mechaninė ir kt.). Kai kuriose reakcijose energija pasireiškia tuo pačiu metu įvairiomis formomis. Dažniausiai chemines reakcijas lydi šiluminiai reiškiniai, kuriuos nagrinėja termochemija. Nagrinėjant cheminių reakcijų, dažnai vykstančių atviruose induose, ryšį su šiluminiais reiškiniais, labai patogu turėti būsenos funkciją, kurios pokytis sutampa su bandymais išmatuojama reakcijos šiluma. To-kia būsenos funkcija yra entalpija H. Pačios entalpijos išmatuoti neįmanoma, bet galima išmatuoti su entalpijos pokyčiu ∆H sutam-pančią šilumą Qp.

Reakcijos šiluma Qp, esant pastoviam slėgiui, yra lygi sistemos entalpijos prieaugiui, o esant pastoviam tūriui – sistemos vidinės energijos prieaugiui. Sistemos energijos padidėjimą laikome teigia-mu dydžiu, todėl absorbuota šiluma yra teigiamas, o atpalaiduo-ta − neigiamas dydis. Cheminės reakcijos, vykstančios išsiskiriant šilumai, vadinamos egzoterminėmis. Reakcijos, kurios vyksta su-naudodamos šilumą, – endoterminėmis.

Egzoterminėse reakcijose išsiskirianti šiluma sumažina sistemos energiją, todėl šių reakcijų entalpijos pokytis yra neigiamas. Pavyz-džiui, anglies degimo reakcija:

C (k) + O2 (d) = CO2 (d); ∆H = – 395 kJ.

Endoterminių reakcijų entalpijos pokytis yra teigiamas, nes su-naudojama šiluma padidina sistemos energiją:

H2O (d) = H2 (d) + ½ O2 (d); ∆H = +242,18 kJ.

Cheminių reakcijų lygtys, kuriose nurodyta reakcijos šiluma, vadinamos termocheminėmis lygtimis.

Šiluminės energijos kiekis (entalpijos pokytis, ∆H), išskiriamas arba sunaudojamas reakcijos metu, vadinamas reakcijos šiluminiu

efektu. Reakcijos šiluminis efektas priklauso nuo reaguojančiųjų

42

medžiagų ir reakcijos produktų agregatinės būsenos, o ši priklauso nuo temperatūros ir slėgio. Todėl, rašant termocheminių reakcijų lygtis, medžiagų agregatinės būsenos imamos standartinėmis sąly-gomis, t. y. esant 298 K temperatūrai ir 1 atm slėgiui.

Termocheminėse lygtyse šiluminis efektas skaičiuojamas vie-nam moliui medžiagos, todėl šiose lygtyse naudojami ir trupmeniniai koeficientai:

Mg (k) + ½ O2 (d) = MgO (k); ∆H = – 599,2 kJ.

Termocheminėse lygtyse nurodoma ir medžiagos agregatinė bū-sena, nes nuo jos priklauso reakcijos šiluminis efektas, pvz.:

H2 (d) + ½ O2 (d) = H2O (d); ∆H = – 242,18 kJ.

H2 (d) + ½ O2 (d) = H2O (s); ∆H = – 286,18 kJ.

H2 (d) + ½ O2 (d) = H2O (k); ∆H = – 292,04 kJ.

Kaip matome, susidarant skirtingos agregatinės būsenos vienam vandens moliui, išsiskiria skirtingas šilumos kiekis.

Vieno molio standartinės būsenos junginio susidarymo iš stabi-liausių vieninių medžiagų reakcijos šiluma vadinama standartine moline susidarymo šiluma, arba susidarymo entalpija. Junginio standartinė molinė susidarymo entalpija žymima ∆H0.

Kiekvieno cheminio junginio susidarymo entalpija yra lygi jo skilimo šilumai su priešingu ženklu (Lavuazjė ir Laplaso dėsnis). Vieninių medžiagų susidarymo entalpija lygi 0.

Junginio susidarymo šiluma gali būti nustatyta: a) kalorimetriškai; b) pagal skaičiavimus. Kalorimetriškai galima nustatyti neutralizacijos, oksidacijos-

redukcijos, kristalizacinio vandens prijungimo prie bevandenės drus-kos ir kitų reakcijų entalpijos pokyčius.

Skaičiavimai atliekami naudojant Heso dėsnį. Jis teigia, kad reakcijos šiluminis efektas priklauso tik nuo pradinės ir galinės rea-guojančiųjų medžiagų būsenos, bet nepriklauso nuo tarpinių proceso stadijų.

43

Termocheminiams skaičiavimams labai patogu naudotis Heso dėsnio išvada: cheminės reakcijos šiluminis efektas gaunamas iš

reakcijos produktų susidarymo entalpijų sumos atėmus reaguo-

jančiųjų medžiagų susidarymo entalpijų sumą. Reakcijai:

mAB + nCD = pAC + gBD

entalpijos pokytis apskaičiuojamas taip:

( ) ( )0

CD

0

AB

0

BD

0

AC

0nmgp HHHHH ∆+∆−∆+∆=∆ .

Naudojantis Heso dėsniu, galima atlikti daugybę termocheminių skaičiavimų.

3.1 pavyzdys

Apskaičiuoti metilo alkoholio susidarymo entalpiją, kai reakci-jos

CH3OH (s) + 1,5 O2 (d) = CO2 (d) + 2H2O (d)

šiluminis efektas ∆H0 = –676,21 kJ, o 0

2COH∆ = –393,62 kJ/mol,

0

O2HH∆ = –241,88 kJ/mol.

Sprendimas

Iš Heso dėsnio išplaukia:

0H∆ = ( 0

2COH∆ + 2 0

O2HH∆ ) – ( 0

OH3CHH∆ + 1,5 0

2OH∆ ).

Kadangi deguonis yra vieninė medžiaga, tai jo susidarymo šilu-ma yra lygi 0, reakcijos šiluminis efektas skaičiuojamas:

0H∆ = ( 0

2COH∆ + 2 0

O2HH∆ ) – 0

OH3CHH∆ .

Tuomet metilo alkoholio susidarymo šiluma bus lygi:

0

OH3CHH∆ = ( 0

2COH∆ + 2 0

O2HH∆ ) – 0

H∆ ;

0

OH3CHH∆ = – 393,62 + 2 ⋅ (–241,88) – (– 676,21) = – 201,17 kJ/mol;

44

CH3OH susidarymo šiluma 0

OH3CHH∆ = – 201,17 kJ/mol.

3.2 pavyzdys

Reaguojant 9 g Al su deguonimi išsiskiria 278,42 kJ šilumos. Raskite vieno molio aliuminio oksido susidarymo entalpiją.

Sprendimas

Parašome aliuminio reakciją su deguonimi:

2Al (k) + 1,5 O2 (d) = Al2O3 (k).

Kadangi reaguojant 2 moliams aliuminio susidaro 1 molis aliu-minio oksido, tai šios reakcijos šiluminis efektas bus aliuminio oksi-do susidarymo šiluma. Aliuminio molio masė yra lygi:

M.m. (Al) = 27 g/mol.

Tuomet: reaguojant 9 g Al išsiskiria 278,42 kJ šilumos; reaguojant 2 ⋅ 27 g Al išsiskirs x kJ šilumos;

53,6701g9

kJ278,42g272=

⋅⋅

=x kJ.

Aliuminio oksido susidarymo entalpija 0

3O2AlH∆ = –1 670,53

kJ/mol. Šilumos kiekis, suvartojamas ar išsiskiriantis, tirpstant 1 moliui

medžiagos, vadinamas tirpimo šiluma arba tirpimo entalpijos po-

kyčiu. Medžiagų tirpimo entalpijos pokytis susideda iš entalpijos pokyčio ∆H1, susidarančio tirpikliui ardant kristalinę gardelę (endo-terminis procesas), ir entalpijos pokyčio ∆H2, kuris susidaro, vyks-tant solvatacijai arba hidratacijai (egzoterminis procesas). Kai krista-linės gardelės ardymo entalpijos pokytis mažesnis už solvatacijos entalpijos pokytį (∆H1 < ∆H2), tai medžiagai tirpstant išsiskiria šilu-ma. Kai kristalinės gardelės ardymo entalpijos pokytis didesnis už solvatacijos entalpijos pokytį (∆H1 > ∆H2), medžiagai tirpstant su-

45

naudojama šiluma. Medžiagų tirpimo entalpijos pokytį galima nusta-tyti eksperimentiškai.

EKSPERIMENTINĖ DALIS

3 darbas. Druskų tirpimo ir neutralizacijos reakcijos

entalpijos pokyčių nustatymas

Darbo tikslas

Nustatyti druskų tirpimo arba neutralizacijos reakcijos entalpijos pokyčius ir palyginti juos su teoriniais šių procesų entalpijos pokyčiais.

Cheminių reakcijų entalpijų pokyčiams nustatyti naudojami įvai-rių konstrukcijų kalorimetrai. 3.1 pav. pateiktas supaprastintos konst-rukcijos kalorimetras, kuris naudojamas laboratorijos sąlygomis. Jis susideda iš dviejų indų: išorinio, izoliuojančiojo (1), ir vidinio, skirto reakcijoms atlikti (2). Vidinis indas pastatomas ant šilumą izoliuo-jančios medžiagos (3). Iš viršaus reakcijos indas (2) uždengiamas kamščiu (4) su trimis angomis: piltuvėliui (5), maišikliui (6) ir ter-mometrui (7).

3.1 pav. Kalorimetras

46

Kalorimetre išsiskiriantis ar sugeriamas šilumos kiekis apskai-čiuojamas pagal formulę:

Q = (t2 – t1) · Σc, (3.1)

čia t2 – temperatūra baigiantis reakcijai; t1 – reakcijos pradžios temperatūra; Σc – sistemos šiluminė talpa, susidedanti iš kalorimetro ir reak-

cijos inde esančių medžiagų šiluminių talpų.

Dirbant su praskiestais vandeniniais tirpalais, darbinio mišinio savitoji šiluminė talpa prilyginama vandens savitajai šiluminei tal-pai – 4,18 J/(g ⋅ K), o vandens tankis lygus vienetui. Tuomet (3.1) lygtis bus:

Q = 4,18 · (t2 – t1) · m1, (3.2)

čia m1 – tirpalo masė (vandens ir ištirpintos medžiagos masių suma), g.

Proceso šiluminis efektas perskaičiuojamas vienam moliui me-džiagos pagal formulę:

QM = Q ,

m

M (3.3)

čia M – tirpinamos medžiagos molio masė, g/mol; m – ištirpintos medžiagos masė, g.

Tuomet entalpijos pokytis bus:

∆H = – QM = −Q .

m

M (3.4)

Darbas atliekamas pagal vieną iš dėstytojo nurodytų variantų.

A variantas. Druskų tirpimo entalpijos pokyčio nustatymas

Darbo priemonės

Kalorimetras (3.1 pav.), matavimo cilindras, laikmatis, svarstyk-lės.

Sausieji reagentai: mėgintuvėlis su nežinoma druska.

47

Darbo eiga

Į kalorimetro reakcijos indą (2) įpilkite 25 mL matavimo cilind-ru pamatuoto distiliuoto vandens. Techninėmis svarstyklėmis pa-sverkite 1 g tiriamosios druskos. Uždenkite kalorimetrą dangčiu, į angas įstatykite piltuvėlį, termometrą ir maišyklę. 3–5 min, kas 1 min termometru matuokite vandens temperatūrą, kad įsitikintumėte, jog kalorimetro ir aplinkos temperatūros susilygino. Kai temperatūra praktiškai nekinta, tariama, kad tai yra reakcijos pradžios temperatū-ra t1. Tada per sausą piltuvėlį atsargiai supilkite druską taip, kad ji nepriliptų prie indo sienelių. Atsargiai maišant, kas 30 s užrašykite termometro rodmenis. Rezultatus surašykite į 3.1 lentelę:

3.1 lentelė. Medžiagos tirpimo temperatūros kitimas per tam tikrą laiką

Laikas nuo

bandymo

pradžios, min

0 0,5 1,0 1,5 2,0 2,5 3,0 3,5 4,0

Temperatūra, °C

Nubraižykite 3.2 pav. pateikto pavyzdžio temperatūros kitimo

per tam tikrą laiką grafiką. Abscisių ašyje (x) atidėkite laiką, ordina-čių ašyje (y) − temperatūrą:

3.2 pav. Temperatūros kitimo grafikas

48

Skaičiavimai

1. Grafike ekstrapoliuodami baigiamojo periodo temperatūros kiti-mo tiesę pradinio periodo link, raskite ∆t = t2 – t1, kaip pavaiz- duota 3.2 pav.

2. Apskaičiuokite kalorimetre išsiskiriantį arba sugeriamą šilumos kiekį pagal (3.2) formulę.

3. Apskaičiuokite proceso šiluminį efektą 1 moliui medžiagos pagal 4. Apskaičiuokite tirpimo šilumos entalpijos pokytį pagal (3.4) for-

mulę. 5. Palyginę eksperimento ir 19.2 lentelės (priedai, 193 p.) duomenis,

nustatykite, kokia medžiaga buvo ištirpinta, ir apskaičiuokite pa-klaidą.

B variantas. Neutralizacijos reakcijos entalpijos

pokyčio nustatymas

Vykstant neutralizacijos reakcijai, susidaro vanduo ir joninis junginys:

H+ + Cl− + Na+ + OH− → Na+ + Cl− + H2O.

Neutralizacijos reakcijos esmė yra ta, kad rūgšties H+ jonai jun-giasi su bazės OH− jonais ir susidaro vandens molekulės:

H+ + OH− → H2O.

Šiuo metodu galima nustatyti tik praskiestų stipriųjų rūgščių tir-palų neutralizacijos stipriosiomis bazėmis entalpijos pokytį, nes jis nepriklauso nuo rūgščių ir bazių prigimties, ir ši sąveika nustatoma pagal reakciją:

H + + OH − = H2O; ∆H = –57,22 kJ/mol.

Neutralizuojant silpnąsias rūgštis ir silpnąsias bazes, neutraliza-cijos reakcijos entalpijos pokytis yra mažesnis, nes rūgšties ir bazės jonizacijai reikalinga tam tikra energija. Todėl neutralizacijos reakci-jos entalpijos pokyčiui nustatyti naudosime druskos arba azoto rūgš-tis ir natrio arba kalio šarmus (užduotį paskirs dėstytojas).

49

Darbo priemonės ir medžiagos

Kalorimetras (3.1 pav.), cheminė stiklinaitė, matavimo cilindrai (2 vnt.), laikmatis, svarstyklės.

Tirpalai: 1 M azoto HNO3 arba druskos HCl rūgštis, 1 M kalio KOH arba natrio NaOH šarmo.

Darbo eiga

Pasverkite sausą vidinę kalorimetro stiklinę (2). Į ją įpilkite 15 mL 1 N rūgšties tirpalo (matuokite cilindru) ir vėl pasverkite. Už-sirašykite rūgšties svorį (mr). Indą įstatykite į kalorimetrą. Uždenkite kalorimetrą dangčiu, į angas įstatykite piltuvėlį, termometrą ir mai-šyklę. Pasverkite kitą sausą stiklinę ir supilkite į ją kitu cilindru pa-matuotus 15 mL šarmo tirpalo. Taip pat pasverkite šarmo tirpalą, užsirašykite svorį (mš). Pastatykite stiklinėlę su šarmu šalia kalori-metro. 3–5 min kas 1 min termometru matuokite rūgšties tirpalo temperatūrą, kad įsitikintumėte, jog kalorimetro ir aplinkos tempera-tūros susilygino. Kai temperatūra praktiškai nekinta, tariama, kad tai yra reakcijos pradžios temperatūra t1. Tada per sausą piltuvėlį atsar-giai supilkite šarmo tirpalą į rūgšties tirpalą. Maišydami kas 30 s užrašykite termometro rodmenis. Rezultatus surašykite į 3.2 lentelę.

3.2 lentelė. Neutralizacijos reakcijos temperatūros kitimas

Laikas nuo

bandymo

pradžios, min

0 0,5 1,0 1,5 2,0 2,5 3,0 3,5 4,0 4,5

Temperatūra,

°C

Nubraižykite 3.2 pav. pateikto pavyzdžio temperatūros kitimo

per tam tikrą laiką grafiką. Abscisių ašyje (x) atidėkite laiką, ordina-čių ašyje (y) – temperatūrą.

Skaičiavimai

1. Ekstrapoliuodami grafike baigiamojo periodo temperatūros kitimo tiesę reakcijos pradinio periodo link, suraskite ∆t = t2 – t1, kaip pavaizduota 3.2 pav.

50

2. Apskaičiuokite tirpalo bendrąją masę:

m1 = mr + mš.

3. Pagal (3.2) formulę apskaičiuokite šilumos kiekį Q (J), išsiskiriantį kalorimetre vykstant neutralizacijos reakcijai.

4. Apskaičiuokite grynos rūgšties kiekį m (g), esantį 15 mL turimos koncentracijos tirpalo.

5. Apskaičiuokite šilumos kiekį, kuris išsiskiria, neutralizuojant 1 mol rūgšties pagal (3.3) formulę.

6. Apskaičiuokite neutralizacijos entalpijos pokytį 1 mol rūgšties pagal (3.4) formulę.

7. Eksperimento metu gautą rezultatą palyginkite su 1 mol vandens susidarymo entalpijos pokyčiu, kuris lygus –57,22 kJ.

8. Apskaičiuokite paklaidą.

Atsiskaitymo forma

– nubrėžiamas proceso temperatūros kitimo laike grafikas; – atliekami skaičiavimai; – parašoma neutralizacijos reakcijos lygtis (B variante).

51

4. MEDŽIAGŲ TIRPUMAS

TEORINĖ DALIS

Medžiagų tirpumu vadinama jų savybė tirpti kokiame nors

tirpiklyje. Tirpumo matas yra medžiagos sočiojo tirpalo koncentra-cija esamomis sąlygomis. Sočiuoju tirpalu vadinamas tirpalas, ku-riame esamomis sąlygomis medžiaga daugiau nebetirpsta. Tirpumą galima išreikšti, kaip ir tirpalo koncentraciją – ištirpusios medžiagos procentais arba moliais 1 litre tirpalo. Dažniausiai tirpumas išreiš-kiamas medžiagos svorio kiekiu, ištirpstančiu 100 g tirpiklio 20 °C temperatūroje. Daugelio kietųjų medžiagų tirpumas didėja kylant temperatūrai (4.1 pav.).

4.1 pav. Įvairių medžiagų tirpumo priklausomybė

nuo temperatūros

Įvairių medžiagų tirpumas vandenyje labai skiriasi. Visai netir-pių medžiagų nėra. Jei 100 g vandens ištirpsta ne daugiau kaip 0,01 g

52

medžiagos, tai tokios medžiagos vadinamos beveik netirpiomis, jei ištirpsta 0,01–3 g – mažai tirpiomis, o jei daugiau kaip 3 g – tirpiomis.

Dažniausiai tirpūs būna:

• šarminių metalų (IA grupės) ir amonio ( +

4NH ) jonų junginiai;

• nitratai;

• chloridai, bromidai ir jodidai (tačiau jų junginiai su ,Pb2+

,Ag+ +2

2Hg yra netirpūs);

• sulfatai (bet +++ 222Pb,Ba,Sr ir +2

2Hg sulfatai netirpūs).

Dažniausiai netirpūs būna: • karbonatai, hidroksidai ir sulfidai (tačiau šie IA grupės meta-

lų junginai yra tirpūs, o +++ 222BairSr,Ca hidroksidų ir

sulfidų tirpumas nurodytoje eilėje kinta nuo menkai iki vidu-tiniškai tirpių).

Skirtingai nuo kietųjų medžiagų, dujų tirpumas, kylant tempera-tūrai, mažėja. Pavyzdžiui, jei šalto vandens stiklinę paliksime šiltoje patalpoje, tai po tam tikro laiko ant stiklinės vidinių sienelių išsiskirs dujų burbuliukai – tai oras, kuris buvo ištirpęs šaltame vandenyje.

Tirpimo procesą visada lydi šiluminis efektas. Vienoms medžia-goms tirpstant išsiskiria šiluma (koncentruotos H2SO4 tirpimas van-denyje), o kitoms tirpstant ji suvartojama (Na2SO4 tirpimas vandeny-je). Tai aiškinama junginių – solvatų – susidarymu iš tirpinamosios medžiagos ir tirpiklio. Jei tirpiklis yra vanduo, tie junginiai vadinami hidratais.

Šilumos kiekis, suvartojamas ar išsiskiriantis tirpstant 1 mol me-džiagos, vadinamas tirpimo šiluma. Ji susideda iš šilumos kiekio, sunaudojamo išardyti kristalinei gardelei (endoterminis procesas), ir šilumos kiekio, kuris išsiskiria, vykstant solvatacijai arba hidratacijai (egzoterminis procesas). Kai šilumos kiekis, reikalingas kristalinės gardelės ardymui didesnis už solvatacijos šilumą, medžiagai tirpstant tirpalas atvėsta (KCl, NaNO3 tirpimas vandenyje), Kai kristalinės gardelės ardymo šiluma yra mažesnė už solvatacijos šilumą, tai me-džiagai tirpstant tirpalas įšyla (KOH, Na2CO3 tirpimas vandenyje).

53

Tirpumui galioja taisyklė: medžiaga tirpsta panašioje į save me-džiagoje. Todėl poliniuose tirpikliuose (H2O, NH3) gerai tirpsta poli-nės (HCl, H2S) ir joninės medžiagos (NaCl, KOH), o nepoliniuose tirpikliuose (C6H6, CCl4) – nepolinės medžiagos (Cl2, I2).

EKSPERIMENTINĖ DALIS

4 darbas. Oksalatų tirpumo nustatymas

Darbo tikslas

Oksalatų tirpumo nustatymas, jų sočiųjų tirpalų įvairių koncent-

racijų skaičiavimas.

Darbo priemonės ir reagentai

Kūginės kolbutės, stiklinaitė (25–50 mL), stiklinė lazdelė, piltu-

vėlis, filtro popierius, biuretė, pipetė, matavimo cilindras, matavimo

kolbutė (100 mL), elektrinė plytelė.

Sausieji reagentai: įvairūs oksalatai.

Tirpalai: 0,1 N KMnO4, 1 : 4 H2SO4.

Darbo eiga

2 g dėstytojo paskirto oksalato (oksalatas – oksalo, arba rūgšty-

nių, rūgšties H2C2O4 druska) supilkite į cheminę stiklinaitę ir įpilkite

20 mL distiliuoto vandens (matuokite cilindru). Oksalatą stiklinaitėje

maišykite stikline lazdele apie 10 min. Gautą sotųjį tirpalą (liko neiš-

tirpusių druskos kristalų) nufiltruokite pro sausą filtrą į švarią kūginę

kolbutę. Pipete pamatuokite 10 mL filtrato ir supilkite į 100 mL ma-

tavimo kolbutę. Tirpalą iki brūkšnio praskieskite distiliuotu vandeniu

ir gerai sumaišykite. Iš matavimo kolbutės švaria pipete pamatuokite

10 mL praskiesto tirpalo, supilkite į kūginę kolbutę ir įpilkite 10 mL

praskiestos 1 : 4 sieros rūgšties (matuokite cilindru arba dozatoriu-

mi). Tirpalą pašildykite iki virimo temperatūros ir karštą greitai tit-

ruokite 0,1 N kalio permanganato KMnO4 tirpalu, kol atsiras silpnai

rausva spalva (neišnyksta tik 1–2 KMnO4 lašelių spalva).

Titruojant amonio oksalatą kalio permanganato tirpalu, vyksta

oksidacijos-redukcijos reakcija:

54

5(NH4)2C2O4 + 2KMnO4 + 8H2SO4 →

→ 2MnSO4 + K2SO4 + 5(NH4)2SO4 + 10CO2 + 8H2O.

Titruojant kitus oksalatus kalio permanganatu, vyksta analogiška

reakcija.

Titravimą pakartokite 1–2 kartus. Titravimo duomenis surašyki-

te į 4.1 lentelę.

4.1 lentelė. Oksalato titravimo duomenys

Titravimas

Titruoti paimtas

oksalato tirpalo

tūris, mL

Titravimui

sunaudoto

KMnO4 tūris, mL

Vidutinis titruojant

sunaudotas KMnO4

tūris, mL

1

2

3

Skaičiavimai

1. Iš sunaudoto kalio permanganato tirpalo tūrio apskaičiuokite pra-

skiesto oksalato tirpalo normalingumą pagal formulę:

,11VCVC

NN⋅=⋅

čia N

C – oksalato tirpalo molinė ekvivalentų koncentracija (norma-

lingumas);

V – titruoti paimtas oksalato tirpalo tūris, mL;

1NC – kalio permanganato tirpalo normalingumas;

1V – titruojant sunaudoto kalio permanganato tirpalo tūris, mL.

2. Ištirpusio oksalato kiekį (g) 10-yje mL sočiojo tirpalo (arba

100 mL praskiesto tirpalo) apskaičiuokite pagal formulę:

,0001

100⋅⋅

=

NCE

m

čia E – oksalato ekvivalentinė masė;

NC – oksalato tirpalo normalingumas.

55

3. Apskaičiuokite oksalato tirpumą gramais 100 g vandens*.

4. Apskaičiuokite sočiojo oksalato tirpalo procentinę koncentraciją*.

5. Apskaičiuokite sočiojo oksalato tirpalo molinę koncentraciją*.

Atsiskaitymo forma

– užpildyta pateikto pavyzdžio lentelė;

– oksalato tirpumo reikšmė;

– sočiojo oksalato tirpalo procentinė koncentracija;

– sočiojo oksalato tirpalo molinė koncentracija.

* Sočiojo tirpalo tankis yra 1,02 g/mL

56

5. TIRPALŲ SAVYBĖS

TEORINĖ DALIS

Neelektrolitų tirpalai

Neelektrolitų tirpalai gaunami tirpinant medžiagas, kurios tirpale

nedisocijuoja į jonus, todėl šie tirpalai nelaidūs elektros srovei. Ne-

didelės koncentracijos, t. y. praskiestuose neelektrolito tirpaluose

medžiagos molekulės yra toli viena nuo kitos, todėl tos medžiagos

būsena tirpaluose labai panaši į jos dujinę būseną. Tokiems tirpalams

galima taikyti idealiųjų dujų dėsnius. Jų savybės tokios pat, kaip ir

išretintųjų dujinių mišinių savybės − nepriklauso nuo ištirpintos me-

džiagos savybių, bet nusakomos vien tos medžiagos koncentracija.

Svarbiausios neelektrolitų tirpalų savybės, dar vadinamos koligaty-

viosiomis savybėmis, yra šios:

• tirpiklio garų slėgio virš tirpalo sumažėjimas (nuokrytis, dep-

resija);

• tirpalo virimo temperatūros pakilimas ir stingimo tem-

peratūros nuokrytis (depresija), palyginti su grynojo tirpiklio

virimo ir stingimo temperatūromis;

• osmosinio slėgio atsiradimas.

Neelektrolitų tirpalų sočiųjų garų slėgis

Skysčio molekulės nuolat juda, dalis jų atitrūksta nuo skysčio

paviršiaus ir pereina į garų fazę. Skysčio garavimas yra grįžtamasis

procesas, nes išgaravusio skysčio molekulių dalis vėl priartėja prie

skysčio paviršiaus ir grįžta į jį, t. y. vyksta garų kondensacija. Nusi-

stovi pusiausvyra, t. y. kiek molekulių per laiko vienetą išgaruoja,

tiek pat jų grįžta į skystį. Garai, esantys pusiausvyroje su skysčiu,

vadinami sočiaisiais, o jų slėgis – sočiųjų garų slėgiu. Slėgis žymi-

mas raide p ir gali būti reiškiamas įvairiais vienetais. Ryšys tarp vie-

netų: 1 atm = 760 mm Hg st. = 101,325 kPa.

Tirpstant skystyje nelakiosioms medžiagoms, tų medžiagų mo-

lekulės užima dalį skysčio paviršiaus ploto, dalis tirpiklio molekulių

57

grynas tirpiklis tirpalas

5.1 pav. Tirpiklio garavimo intensyvumas iš gryno tirpiklio ir

tirpalo (o − tirpiklio molekulės; • − tirpinio molekulės)

su ištirpusia medžiaga sudaro solvatus, garavimas susilpnėja ir tirpik-lio garų slėgis virš tirpalo, esant tai pačiai temperatūrai, yra mažesnis negu virš gryno tirpiklio (5.1 pav.). Skirtumas tarp gryno tirpiklio garų slėgio p0 ir tirpalo garų slėgio p vadinamas garų slėgio sumažė-

jimu (depresija, nuokrytis) ir žymimas ∆p:

∆p = p0 − p. (5.1)

Šią tirpalų savybę kiekybiškai nusako pirmasis Raulio dėsnis:

tirpalo garų slėgio sumažėjimas tiesiogiai proporcingas tirpalo

koncentracijai:

∆p = p0 · C, (5.2)

čia C – tirpalo koncentracija, išreikšta ištirpusios medžiagos moline dalimi.

Jei tirpiklyje ištirpinta tik viena medžiaga, tai jos molinė dalis:

C = nN

n

+

, (5.3)

čia n – ištirpusios medžiagos molių skaičius; N – tirpiklio molių skaičius.

58

Įrašę C reikšmę į (5.2) lygtį, gauname:

∆p = p0 .

nN

n

+

(5.4)

Naudojantis Pirmojo Raulio dėsnio lygtimis, galima apskaičiuoti tirpalo ir tirpiklio garų slėgį, ištirpusios medžiagos molio masę ir kitus dydžius.

5.1 pavyzdys

720 g vandens ištirpinta 45 g gliukozes C6H12O6. Vandens garų slėgis, esant 25 oC temperatūrai, yra 4,1 kPa. Apskaičiuoti tirpalo garų slėgį.

Sprendimas

Apskaičiuojamas gliukozės ir vandens molių skaičius n ir N:

M(C6H12O6) = 180 g/mol;

n = g/mol180

g45 = 0,25 mol;

M(H2O) = 18 g/mol;

N = mol/g18

g720 = 40 mol.

Gautos reikšmės įrašomos į lygtį:

∆p = p0 ;nN

n

+

∆p = mol0,25mol40

mol0,25kPa4,1

+

⋅ = 0,024 kPa.

Tirpalų garų slėgis p apskaičiuojamas iš gryno tirpiklio garų slė-gio atėmus garų slėgio nuokrytį (depresiją):

p = p0 −∆p;

p = 4,1 − 0,024 = 4,076 kPa.

59

5.2 pavyzdys

Ištirpinus 5,59 g medžiagos 180 g vandens, tirpalo garų slėgis, esant 80 oC temperatūrai, buvo 50 kPa. Gryno vandens garų slėgis − 50,2 kPa. Apskaičiuoti ištirpintos medžiagos molio masę.

Sprendimas

Apskaičiuojamas vandens garų slėgio sumažėjimas (depresija) ∆p:

∆p = p0 − p;

∆p = 50,2 kPa − 50 kPa = 0,2 kPa.

Apskaičiuojame tirpiklio molių skaičių N:

N = molg18

g180

/ = 10 mol.

Gautas reikšmes įrašome į (5.4) lygtį ir randame n:

;10

2,502,0n

n

+

=

n = 0,04 mol.

5,59 g medžiagos sudaro 0,04 mol. Todėl molio masė:

M = mol0,04

g5,59 = 139,75 g/mol.

Neelektrolitų tirpalų stingimo ir virimo temperatūros

Kaip žinoma, skystis verda toje temperatūroje, kurioje jo sočiųjų garų slėgis pasidaro lygus išoriniam (atmosferos) slėgiui. Kadangi virš tirpalo sočiųjų garų slėgis mažesnis negu virš gryno tirpiklio, jam padidinti iki atmosferos slėgio reikia aukštesnės temperatū- ros. Pavyzdžiui, vanduo, esant 760 mm Hg st., verda esant 100 oC. (5.2 pav.). Jeigu vandenyje ištirpinsite medžiagą, vandens sočiųjų garų slėgis virš tirpalo sumažės. Kad garų slėgį padidintumėte iki 760 mm Hg st., tirpalą reikia pakaitinti iki aukštesnės negu 100 oC temperatūros (5.2 pav., B taškas).

60

5.2 pav. Vandeninių tirpalų virimo ir stingimo

temperatūrų kreivės

Grynas skystis užšąla toje temperatūroje, kurioje sočiųjų garų slėgis virš skystosios ir kietosios fazės yra vienodas. Sumažėjęs tir-palo garų slėgis prilygsta garų slėgiui virš kristalų žemesnėje tempe-ratūroje negu gryno tirpiklio. Pavyzdžiui, ledas gali ilgai netirpti vandenyje 0 oC temperatūroje būtent todėl, kad tokioje temperatūroje vandens garų slėgis lygus ledo garų slėgiui (4,6 mm Hg st.). Tai ir yra vandens stingimo temperatūra. Ištirpinus vandenyje kokią nors medžiagą, tirpalo sočiųjų garų slėgis 0 oC temperatūroje bus mažes-nis negu 4,6 mm Hg st., todėl ledas tirpale ims tirpti. Ledas tirpale gali ilgai netirpti tik žemesnėje už 0 oC temperatūroje, tuomet kai garų virš ledo ir tirpalo slėgiai taps vienodi (5.2 pav., A taškas).

Iš viso to išplaukia, kad tirpalų virimo temperatūra aukštesnė negu gryno tirpiklio (5.2 pav., B taškas), o jų stingimo temperatūra – žemesnė (5.2 pav., A taškas). Tirpalo ir tirpiklio virimo temperatūrų skirtumas vadinamas tirpalo virimo temperatūros pakilimu, o tirpik-lio ir tirpalo stingimo temperatūrų skirtumas vadinamas tirpalo stin-gimo temperatūros nuokryčiu (depresija). Šias tirpalų savybes nusa-ko antrasis Raulio dėsnis: tirpalo stingimo temperatūros dep-

61

resija ir virimo temperatūros pakilimas yra tiesiogiai proporcin-

gi jo molialinei koncentracijai:

∆t = K · Cm, (5.5)

čia ∆t – virimo temperatūros pakilimas arba stingimo temperatūros depresija (nuokrytis); Cm – tirpalo molialinė koncentracija; K – krioskopinė arba ebulioskopinė konstanta.

Krioskopinė konstanta (Kkr) yra vienmolialinio tirpalo stingi-mo temperatūros depresija. Ebulioskopinė konstanta (Keb) yra

vienmolialinio tirpalo virimo temperatūros pakilimas.

Kadangi

Cm = ,

M

m (5.6)

čia m – ištirpusios medžiagos kiekis (g) 1 000 g tirpiklio;

M – medžiagos molio masė,

tai Antrąjį Raulio dėsnį galima užrašyti taip:

t∆ =

M

mK . (5.7)

Pagal šį Raulio dėsnį galima apskaičiuoti tirpalų stingimo ir vi-

rimo temperatūras, ištirpusių medžiagų molio masę ir kitus dydžius.

5.3 pavyzdys

250 g vandens ištirpinus 3 g medžiagos, stingimo temperatūra

nukrito 0,5 oC. Apskaičiuoti ištirpintos medžiagos molio masę, jeigu

vandens krioskopinė konstanta Kkr = 1,86 oC/mol.

Sprendimas

Apskaičiuojamas ištirpintos medžiagos kiekis (g) 1 000 g vandens:

250 g vandens yra 3 g medžiagos;

1 000 g − m g;

62

m =250

30001 ⋅

= 12 g.

Iš (5.7) lygties išreiškiama ir apskaičiuojama molio masė:

∆t = Kkr ;

M

m

M = ;

t

mKkr

∆

⋅

M = C5,0

g12C/mol86,1o

o

⋅

= 44,64 g/mol.

5.4 pavyzdys

Apskaičiuoti 10 % gliukozės C6H12O6 vandeninio tirpalo virimo

ir stingimo temperatūras, žinant, kad vandens ebulioskopinė konstan-

ta eb

K = 0,52 oC/mol, o krioskopinė kr

K = 1,86 oC/mol.

Sprendimas

Apskaičiuojamas gliukozės kiekis (g) 1 000 g vandens m:

10 g gliukozės ištirpę 90 g vandens;

m g − 1 000 g;

m =90

000110 ⋅

= 111 g.

Apskaičiuojama gliukozės molio masė M:

M(C6H12O6) = 6 · 12 + 12 · 1 + 6 · 16 = 180 g/mol.

Apskaičiuojamas tirpalo virimo temperatūros pakilimas .vir

t∆ :

.virt∆ =

M

mK

eb=

g/mol180

g111C/mol52,0 o

⋅ = 0,32 oC.

Vanduo verda 100 oC temperatūroje. Tada tirpalo virimo tempe-

ratūra:

63

.virt = 100 +

.virt∆ = 100 + 0,32 = 100,32 oC.

Apskaičiuojamas tirpalo stingimo temperatūros pokytis ∆tst.:

.stt∆ =

M

mK

kr=

g/mol180

g111C/mol86,1 o

⋅ = 1,147 oC.

Vanduo stingsta 0 oC temperatūroje. Tada tirpalo stingimo tem-

peratūra bus:

.st

t = 0 − .st

t∆ = 0 − 1,147 = −1,147 oC.

10 % gliukozės tirpalo virimo temperatūra yra 100,32 oC, o stin-gimo temperatūra −1,147 oC.

Neelektrolitų tirpalų osmosinis slėgis

Susilietus tirpalui ir tirpikliui, ištirpusios medžiagos molekulės pradeda skverbtis į tirpiklį, o tirpiklio molekulės – į tirpalą. Ši abipu-sė difuzija vyksta tol, kol tirpinio molekulės vienodai pasiskirsto visame tirpalo tūryje.

Atskyrus tirpalą nuo gryno tirpiklio pusiau laidžia membrana, kuri praleidžia tik tirpiklio molekules, prasideda vienpusė tirpiklio molekulių difuzija į tirpalą (5.3 pav.). Šis reiškinys vadinamas osmo-

su. Jo priežastimi laikomas nevienodas tirpiklio ir tirpalo garų slėgis. Gryno tirpiklio garų slėgis didesnis, todėl jo molekulės skverbiasi į tirpalą, kur jų garų slėgis yra mažesnis, t. y. tirpiklis difunduoja ten, kur jo koncentracija mažesnė. Dėl šio reiškinio tirpalo tūris didėja, jis ima slėgti pusiau laidžią membraną. Skysčio slėgis į pusiau laidžią membraną vadinamas osmosiniu slėgiu.

Osmosas labai svarbus gyvajai gamtai, jis yra medžiagų apykai-tos pagrindas. Visų gyvųjų organizmų ląstelių sienelės – pusiau lai-džios membranos. Dėl osmoso į kiekvieną gyvą ląstelę skverbiasi maistinės medžiagos bei šalinamos toksinės atliekos, šlakai.

Van’t Hofas ištyrė, kad ištirpusios medžiagos molekulės pra-skiestame tirpale elgiasi kaip dujų molekulės. Todėl praskiestų nee-lektrolitų tirpalų osmosiniam slėgiui apskaičiuoti galima taikyti lygtį:

64

p = CM ·R · T, (5.8)

čia p − osmosinis slėgis (Pa, mm Hg st. arba atm); CM − tirpalo molinė koncentracija; R − universalioji dujų konstanta; R = 8,314 kPa · L/mol · K, arba 62 360 mm Hg · mL/mol · K, arba 0,082 atm · L/mol · K; T − temperatūra (K).

5.3 pav. Osmoso reiškinys

Kadangi

CM = M

m,

čia m − ištirpintos medžiagos kiekis (g) viename litre tirpalo; M − ištirpintos medžiagos molio masė, tai van’t Hofo lygtį galima užrašyti taip:

p = .RTM

m (5.9)

65

Lygtimis (5.8) ir (5.9) išreiškiamas van’t Hofo dėsnis: tirpalo

osmosinis slėgis yra lygus slėgiui, kurį, esant pastoviai tempera-

tūrai, ištirpinta medžiaga turėtų būdama dujine ir užimdama

tūrį, lygų tirpalo tūriui. Kaip matome iš van’t Hofo dėsnio matematinės išraiškos, osmo-

sinis slėgis priklauso nuo temperatūros ir ištirpintos medžiagos kon-centracijos, bet nepriklauso nuo tirpiklio ir ištirpintos medžiagos prigimties.

Pagal šį dėsnį galima apskaičiuoti ne tik tirpalų osmosinį slėgį, bet ir ištirpintos medžiagos molio masę.

5.5 pavyzdys

Tirpalo, kurio 200 mL yra 4,6 g ištirpusios medžiagos, osmosi-nis slėgis, esant 298 K temperatūrai, yra 618,5 kPa. Rasti ištirpusios medžiagos molio masę.

Sprendimas

Apskaičiuojamas ištirpusios medžiagos kiekis 1 000 mL tirpalo:

200 mL tirpalo yra 4,6 g medžiagos;

1 000 mL − m g;

m = mL200

g4,6mL0001 ⋅

= 23 g.

Iš van’t Hofo lygties apskaičiuojama ištirpusios medžiagos mo-lio masė:

p = ;RTM

m

M = ;

p

TRm ⋅⋅

M =kPa5,618

K298KL/molkPa314,8g/L23 ⋅⋅⋅⋅

= 92 g/mol.

66

Elektrolitų tirpalai

Elektrolitų tirpaluose medžiagos skyla (disocijuoja) į jonus. To-kie tirpalai yra laidūs elektros srovei. Elektros srovę per tirpalus perneša jonai. Disocijuojant elektrolitui, dalelių (molekulių ir jonų) kiekis tirpale padidėja, palygti su tokios pat koncentracijos neelektrolito tirpalu. Todėl savybės, priklausančios nuo bendrojo dalelių kiekio tirpa-le, t. y. koligatyviosios savybės, elektrolitų tirpaluose pasireiškia labiau negu tokios pat koncentracijos neelektrolitų tirpaluose. Elektrolitų tir-palams galioja tie patys dėsniai, kaip ir neelektrolitų tirpalams, tik į atitinkamas lygtis įvedus izotoninį (van’t Hofo) koeficientą i. Izotoninis koeficientas rodo, kiek kartų dalelių skaičius elektrolito tirpale yra di-desnis negu tos pačios koncentracijos neelektrolito tirpale.

Tuomet Pirmojo Raulio dėsnio elektrolitų tirpalams išraiška bus tokia:

;∆0

nN

npip

+

⋅⋅= (5.10)

Antrojo Raulio dėsnio išraiška elektrolitų tirpalams:

∆t = i · K · Cm, arba∆t = i · ;

M

mK (5.11)

van’t Hofo dėsnio išraiška elektrolitų tirpalams:

p = i · CM · R · T , arba p = i · RTM

m. (5.12)

EKSPERIMENTINĖ DALIS

5 darbas. Neelektrolito molio masės nustatymas krioskopiniu metodu

Darbo tikslas

Nustatyti turimos medžiagos molinę masę.

67

Darbo priemonės

Krioskopas (5.4 pav.), pipetė (10 mL), grūstuvas su piesta, ledas,

sausas NaCl, tiriamoji medžiaga.

Darbo eiga

Darbas atliekamas krioskope, kurį sudaro stiklinė su joje įtvirtin-

tu mėgintuvėliu. Mėgintuvėlis užkemšamas kamščiu, į kurį įstatytas

termometras (5.4 pav.).

5.4 pav. Krioskopas

Stiklinę pripildykite šaldomojo mišinio, kurį sudaro ½ stiklinės

susmulkinto ledo ir 3 šaukšteliai natrio chlorido taip: sluoksnis ledo,

sluoksnis druskos ir t. t., iš viso – 3 dvigubi sluoksniai.

Raskite gryno tirpiklio stingimo temperatūrą. Tam į mėgintuvėlį

įpilkite 10 mL distiliuoto vandens (matuokite pipete). Vandenį atsar-

giai maišykite termometru ir stebėkite jo temperatūrą. Iš pradžių

vanduo peršąla – temperatūra nukrinta žemiau nulio. Netrukus atsi-

randa ledo kristaliukai, vandens temperatūra šiek tiek pakyla ir nusi-

stovi. Tai ir yra gryno tirpiklio stingimo temperatūra t1.

Mėgintuvėlį išimkite ir šildykite rankoje, kol ištirps ledas. Ištir-

pinę ledą, vandenį iš mėgintuvėlio įpilkite į indelį su dėstytojo Jums

paskirta tiksliai pasverta tiriamąja medžiaga. Medžiagai ištirpus, tir-

68

palą supilkite atgal į mėgintuvėlį ir anksčiau aprašytu būdu raskite

tirpalo stingimo temperatūrą t2.

Bandymų duomenis surašykite į 5.1 lentelę.

5.1 lentelė. Neelektrolito molinės masės nustatymo eksperimento duomenys

Gryno tirpiklio stingimo temperatūra t1, °C

Tirpalo stingimo temperatūra t2, °C

Tirpalo stingimo temperatūros depresija ∆t, °C

Gryno tirpiklio masė, g

Tiriamos medžiagos masė, g

Skaičiavimai

1. Tirpalo stingimo temperatūros depresija (nuokrytis):

∆t = t1 – t2,

čia t1 – gryno tirpiklio stingimo temperatūra;

t2 – tirpalo stingimo temperatūra.

2. Turimos medžiagos molinę masę skaičiuokite pagal Antrojo

Raulio dėsnio (5.7) formulę. Vandens krioskopinė konstanta

K = 1,86 °C/mol. Gryno tirpiklio masė imama lygi jo tūriui, nes

tariama, kad distiliuoto vandens tankis lygus 1 g/mL.

3. Apskaičiavę nežinomos medžiagos molinę masę ir sulyginę gautą

reikšmę su 19.3 lentelėje (priedai) pateiktais duomenimis, raskite,

kokia tai buvo medžiaga.

Atsiskaitymo forma

– pateikiama užpildyta lentelė;

– pateikiama apskaičiuota nežinomos medžiagos molinė masė;

– pateikiamas medžiagos, kurios molinė masė buvo nustatyta,

pavadinimas.

69

6. ELEKTROLITINĖ DISOCIACIJA

TEORINĖ DALIS

Elektrolitai

Rūgščių, bazių ir druskų molekulių skilimas į jonus, veikiant po-

linėms tirpiklio molekulėms, vadinamas elektrolitine disociacija.

Medžiagoms disocijuojant, tirpale susidarančių teigiamųjų jonų krū-

vių suma lygi neigiamųjų jonų krūvių sumai. Taigi tirpalas lieka

elektriškai neutralus. Tokie tirpalai yra laidūs elektros srovei. Elekt-

ros srovę per tirpalą perneša jonai. Medžiagos, kurios tirpdamos

vandenyje skyla į jonus, vadinamos elektrolitais.

Rūgštys vandenyje disocijuoja į vandenilio ir rūgšties liekanos

jonus:

.ClHHCl−+

+→

Daugiavandenilės rūgštys disocijuoja stadijomis:

I stadija: ;HSOHSOH442

−+

+⇔

II stadija: .SOHHSO2

44

−+−

+⇔

Visos rūgščių savybės priklauso nuo tirpale esančių vandenilio jonų.

Bazės vandenyje disocijuoja į metalo ir hidroksilo ( −

OH ) jonus:

.OHNaNaOH−+

+⇔

Daugiahidroksilės bazės disocijuoja stadijomis:

I stadija: ;OHCaOH)OH(Ca2

−+

+⇔

II stadija: .OHCaCaOH2 −++

+⇔

Visos tirpių bazių savybės priklauso nuo hidroksilo jonų.

Druskos vandenyje disocijuoja taip:

70

neutraliosios – ;ClNaNaCl−+

+⇔

;SONa2SONa2

442

−++⇔

rūgščiosios – ;HCONaNaHCO33

−+

+⇔

bazinės – .ClMgOHMgOHCl −+

+⇔

Disociacijos laipsnis

Elektrolitai skirstomi į stipriuosius, vidutinio stiprumo ir sil-

pnuosius. Stipriųjų elektrolitų visos molekulės disocijuoja į jonus,

vidutinio stiprumo ir silpnųjų – tik dalis. Elektrolitų gebėjimą skilti į

jonus rodo disociacijos laipsnis α :

( )

( ).

disociavusiųjų molekulių molių skaičius

bendrasis ištirpusių molekulių molių skaičiusα =

Disociacijos laipsnis reiškiamas vieneto dalimis arba procentais

( 100⋅α=α %, ). Jis priklauso nuo tirpalo koncentracijos ir tempera-

tūros: didinant tirpalo koncentraciją α mažėja, o keliant temperatū-

rą – didėja. Dažniausiai disociacijos laipsnis α nustatomas 0,1 N

koncentracijos tirpalams, esant 18 °C temperatūrai. Stipriųjų elektro-

litų 30≥α %, vidutinio stiprumo elektrolitų – nuo 3 % iki 30 %,

silpnųjų 3≤α %.

Pasitelkus disociacijos laipsnį, galima apskaičiuoti elektrolito

jonų molines koncentracijas tirpale pagal formulę:

,jMj nCC ⋅α⋅= (6.1)

čia M

C – elektrolito tirpalo molinė koncentracija;

α − elektrolito disociacijos laipsnis šiame tirpale, išreikštas vie-

neto dalimis;

jn – jonų skaičius, gaunamas disocijuojant vienai elektrolito

molekulei.

71

6.1 pavyzdys

Kokios bus +2Zn ir −

Cl jonų molinės koncentracijos cinko

chlorido 2

ZnCl 0,2 M koncentracijos tirpale, jeigu disociacijos

laipsnis α = 73 % ?

Sprendimas

1. Pasinaudosime (6.1) formule.

2. Parašome cinko chlorido disociacijos lygtį:

.Cl2ZnZnCl2

2

−+

+⇔

Iš dicociacijos lygties matyti, kad iš vienos cinko chlorido mole-

kulės susidaro 1 cinko jonas ir 2 chlorido jonai. Vadinasi, skaičiuo-

jant +2Zn koncentraciją, jn = 1, o skaičiuojant −

Cl koncentraciją,

jn = 2.

3. (6.1) formulėje disociacijos laipsnis α turi būti išreikštas vie-

neto dalimis, vadinasi:

( ).73,0

100

%73

100

%==

α

=α

4. Skaičiuojame +2Zn jonų koncentraciją tirpale:

L/mol146,0173,0L/mol2,0Zn

=⋅⋅=+

C .

5. Skaičiuojame −

Cl jonų koncentraciją:

L/mol292,0273,0L/mol2,0Cl

=⋅⋅=−

C .

0,2 M tirpale jonų koncentracijos bus: +2

ZnC = 0,146 mol/L, o

−

ClC = 0,292 mol/L.

Disociacijos konstanta

Silpnieji elektrolitai tirpale disocijuoja grįžtamai: molekulės

skyla į jonus, jonai jungiasi į molekules. Kai šių abiejų procesų grei-

čiai susivienodina, nusistovi dinaminė pusiausvyra. Jai taikomas vei-

72

kiančiųjų masių dėsnis ir išreiškiama vadinamoji disociacijos kons-

tanta K. Acto rūgšties disociacijos atveju:

;HCOOCHCOOHCH33

+−

+⇔

taikydami šiai sistemai masių veikimo dėsnį, gauname:

,

COOH3CH

HCOO3CH

C

CCK

+⋅

=

čia K – disociacijos konstanta. Ji apibūdina silpnųjų elektrolitų diso-

ciaciją, rodo elektrolito gebėjimą disocijuoti į jonus, esant tam

tikrai temperatūrai. Jos vertė, skirtingai negu disociacijos laips-

nio, nepriklauso nuo koncentracijos. Kuo didesnė K reikšmė, tuo

geriau elektrolitas disocijuoja ir tuo jis stipresnis;

−

COO3CHC − acetato jonų koncentracija;

+H

C − vandenilio jonų koncentracija;

COOH3CHC − nedisocijuotos acto rūgšties koncentracija.

Tarp silpnųjų elektrolitų disociacijos laipsnio ir disociacijos

konstantos yra ryšys, išreiškiamas Ostvaldo praskiedimo dėsniu:

,

MC

K=α (6.2)

čia α − disociacijos laipsnis;

K – disociacijos konstanta;

MC − tirpalo molinė koncentracija.

Elektrolitams disocijuojant stadijomis, kiekvienai stadijai būdin-

ga sava disociacijos konstanta (kaip ir α ). Kadangi tolesnių stadijų

disociacijos konstantos labai mažos, palyginti su pirmosios stadijos

konstanta, tai skaičiavimams dažniausiai imama tik pirmosios diso-

ciacijos stadijos konstanta.

73

Vandenilio rodiklis

Įvairių junginių vandeniniai tirpalai gali būti rūgštiniai, šarmi-

niai ir neutralieji. Tirpalo terpė priklauso nuo jame esančių vandeni-

lio ir hidroksilo jonų santykio. Kai vandenilio ir hidroksilo jonų kon-

centracijos lygios – tirpalas neutralusis; kai vandenilio jonų

koncentracija didesnė už hidroksilo jonų koncentraciją – tirpalas

rūgštusis; kai hidroksilo jonų koncentracija didesnė už vandenilio

jonų koncentraciją – tirpalas šarminis.

Vanduo yra neutralus. Jame vandenilio jonų koncentracija +

H

C

yra lygi hidroksilo jonų koncentracijai −

OHC . Ištirta, kad vandens

joninė sandauga, esant 22 °C temperatūrai, lygi:

14

OHH10

−

−+=⋅CC mol2/L2. (6.3)

Iš čia išplaukia, kad vandenyje

714

OHH1010

−−

−+===CC mol/L. (6.4)

Kadangi vandenilio ir hidroksilo jonų koncentracijos yra maži

dydžiai, turintys neigiamus laipsnio rodiklius, buvo nuspręsta tirpalo

reakciją (terpę) geriau reikšti vandenilio rodikliu (vandenilio jonų

koncentracijos neigiamu dešimtainiu logaritmu), žymimu pH:

.lgpHH+

−= C (6.5)

Prietaisu išmatavus tirpalo pH, galima apskaičiuoti vandenilio

jonų koncentraciją:

.10pH

H

−

+=C (6.6)

Neutraliųjų tirpalų ir gryno vandens pH = 7, rūgščiųjų tirpalų

pH < 7, šarminių tirpalų pH > 7.

Gali būti vartojamas ir hidroksilo rodiklis pOH (hidroksilo jonų

koncentracijos neigiamas dešimtainis logaritmas):

;lgpOHOH

−

−= C (6.7)

.10pOH

OH

−

−

=C (6.8)

74

Iš vandens joninės sandaugos lygties (6.3) gauname:

pH + pOH = 14. (6.9)

Taigi tirpalo rūgštingumui ir šarmingumui apibūdinti pakanka

žinoti tik pH, o pOH galima apskaičiuoti iš (6.9) lygties.

EKSPERIMENTINĖ DALIS

6 darbas. Silpnųjų elektrolitų disociacijos konstantos

bei disociacijos laipsnio nustatymas

Darbo tikslas

Apskaičiuoti silpnojo elektrolito disociacijos konstantą K ir di-sociacijos laipsnį α.

Darbo priemonės ir reagentai

pH–metras, biuretė, pipetė, stiklinėlė, kūginės kolbutės. Tirpalai: CH3COOH, NaOH, fenolftaleinas arba NH4OH, HCl,

metiloranžas.

Darbo eiga

Darbas atliekamas pagal vieną iš dėstytojo nurodytų variantų.

A variantas. Acto rūgšties disociacijos konstantos

ir disociacijos laipsnio nustatymas

Acto rūgšties CH3COOH disociacijos konstantos ir disociacijos laipsnio skaičiavimams reikalingos acto rūgšties tirpalo bei acetato ir vandenilio jonų koncentracijos (mol/L). pH–metru išmatavus tirpalo rūgštingumą, apskaičiuojama CH3COO− ir H+ jonų koncentracija. Rūgšties koncentracija nustatoma titruojant žinomos koncentracijos natrio šarmo NaOH tirpalu.

Į stiklinėlę įpilkite dėstytojo nurodytos koncentracijos acto rūgšties CH3COOH tirpalo ir pH–metru pamatuokite jo vandenilio jonų rodiklį pH (matavimų seka aprašyta atskirame lape, kurį gausite darbo vietoje).

75

Bendroji acto rūgšties molinė koncentracija )M

C( lygi jos nor-

malinei (molinei ekvivalentų) koncentracijai ),N

C( kadangi šios

medžiagos molinė masė lygi jos ekvivalento molio masei. Norėdami rasti normalinę tirpalo koncentraciją, pipete tiksliai

pamatuokite 5 arba 10 mL tiriamojo tirpalo, įpilkite į kūginę kolbutę, įlašinkite 3–4 lašus fenolftaleino indikatoriaus ir titruokite turimos koncentracijos NaOH tirpalu iki atsiras rausva spalva. Titravimą atli-kite 2–3 kartus.

Skaičiavimai

1. Vandenilio jonų koncentracijos skaičiavimas. Žinant tirpalo pH reikšmę, iš formulės

+

−=

H

lgpH C

raskite vandenilio jonų koncentraciją +

H

C (mol/L):

.10pH

H

−

+=C

2. Acetato jonų koncentracijos skaičiavimas. Disocijuojant vienai acto rūgšties molekulei, susidaro vienas vandenilio jonas ir vienas acetato jonas:

CH3COOH ⇔ H+ + CH3COO–,

todėl acetato jonų koncentracija yra lygi vandenilio jonų koncentra-cijai:

.

HCOO3CH+−

=CC

3. Acto rūgšties koncentracijos skaičiavimas. Pusiausvyroje esančios acto rūgšties koncentracija

COOH3CHC prilyginama bendrajai mo-

linei acto rūgšties koncentracijai, kuri yra lygi tirpalo molinei ek-vivalentų koncentracijai (normalingumui):

COOH3CHC =

MC = .

NC

76

4. Molinę ekvivalentų acto rūgšties koncentraciją (normalingumą) apskaičiuokite iš titravimo duomenų pagal lygtį:

11VCVC

NN⋅=⋅ ,

čia N

C – acto rūgšties molinė ekvivalentų (normalinė) koncentracija;

V – acto rūgšties tūris, paimtas titruoti, mL;

1NC – NaOH normalinė koncentracija;

1V – titruojant sunaudoto NaOH tirpalo tūris, mL.

5. Apskaičiavus visas koncentracijas, galima apskaičiuoti turimos acto rūgšties disociacijos konstantą K:

,

COOH3CH

COO3CHH

C

CC

K−+

⋅

=

čia +

H

C – vandenilio jonų koncentracija, mol/L;

−

COO3CHC – acetato jonų koncentracija, mol/L;

COOH3CHC – nedisocijuotos acto rūgšties koncentracija, mol/L.

Acto rūgšties disociacijos laipsnį skaičiuokite taip:

α = ,

MC

K

čia K – acto rūgšties disociacijos konstanta; CM – acto rūgšties bendroji molinė koncentracija, mol/L.

B variantas. Amonio hidroksido disociacijos konstantos

ir disociacijos laipsnio nustatymas

Amonio hidroksido OHNH4

disociacijos konstantos ir disociaci-

jos laipsnio skaičiavimams reikalingos hidroksido tirpalo bei amonio ir hidroksilo jonų koncentracijos (mol/L). pH–metru išmatavus tirpalo

rūgštingumą, apskaičiuojamos +

4NH ir −

OH jonų koncentracijos.

OHNH4

koncentracija nustatoma iš titruojant gaunamų duomenų.

77

Į stiklinėlę įpilkite dėstytojo nurodyto amonio hidroksido OHNH

4 tirpalo ir pH–metru pamatuokite jo vandenilio jonų rodiklį

pH (matavimų seka aprašyta atskirame lape, kurį gausite darbo vietoje). Bendroji amonio hidroksido molinė koncentracija )(

MC lygi jo

molinei ekvivalentų (normalinei) koncentracijai ),(N

C kadangi šios

medžiagos molio masė lygi jos ekvivalento molio masei. Tam, kad rastumėte normalinę tirpalo koncentraciją, pipete tiks-

liai pamatuokite 5 arba 10 mL tiriamojo tirpalo, įpilkite į kūginę kol-butę, įlašinkite 1–2 lašus indikatoriaus metiloranžo ir titruokite iki oranžinės spalvos turimos koncentracijos HCl tirpalu. Titravimą atli-kite 2–3 kartus.

Skaičiavimai

1. Hidroksilo OH− jonų koncentracijos skaičiavimas. Žinodami tirpa-lo pH reikšmę, apskaičiuokite pOH:

pH + pOH = 14;

pOH = 14 – pH.

Žinodami pOH reikšmę, iš formulės

−

−=

OHlgpOH C

raskite hidroksilo jonų koncentraciją −

OHC (mol/L):

pOH

OH10

−

−

=C .

2. Amonio jonų koncentracijos skaičiavimas. Disocijuojant vienai amonio hidroksido molekulei, susidaro vienas amonio jonas ir vienas hidroksilo jonas:

−+

+⇔ OHNHOHNH44

,

todėl amonio jonų koncentracija lygi hidroksilo jonų koncentracijai:

+

4NH

C = −

OHC .

78

3. Amonio hidroksido koncentracijos skaičiavimas. Pusiausvyroje

esančio amonio hidroksido koncentracija OH4NH

C prilyginama

bendrajai molinei amonio hidroksido koncentracijai, kuri lygi tir-

palo normalingumui:

OH4NHC =

MC = .

NC

4. Normalinę amonio hidroksido koncentraciją apskaičiuokite iš tit-

ravimo duomenų pagal lygtį:

11VCVC

NN⋅=⋅ ,

čia N

C – amonio hidroksido molinė ekvivalentų (normalinė) kon-

centracija;

V – amonio hidroksido tūris, paimtas titruoti, mL;

1NC – HCl normalinė koncentracija;

1V – titruojant sunaudoto HCl tirpalo tūris, mL.

5. Apskaičiavus visas koncentracijas, galima apskaičiuoti turimo

amonio hidroksido disociacijos konstantą K:

,KOH4NH

OH4

NH

C

CC−+

⋅

=

čia +

4NH

C – amonio jonų koncentracija, mol/L;

−

OHC – hidroksilo jonų koncentracija, mol/L;

OH4NHC – nedisocijuoto amonio hidroksido koncentracija,

mol/L.

6. Amonio hidroksido disociacijos laipsnį skaičiuokite pagal (6.2) lygtį.

Atsiskaitymo forma

– tiriamojo tirpalo koncentracijų skaičiavimai;

– tiriamosios medžiagos disociacijos konstantos bei disociaci-

jos laipsnio reikšmės.

79

7. DRUSKŲ HIDROLIZĖ

TEORINĖ DALIS

Hidrolizė – tai druskų jonų sąveika su vandeniu, kai susida-

ro bent vienas silpnasis elektrolitas (silpnoji rūgštis, bazė arba

rūgštiniai bei baziniai jonai). Todėl dažniausiai pakinta vandens

vandenilio ir hidroksilo jonų koncentracija, ir druskos tirpalas pa-

rūgštėja arba pašarmėja. Kiekvieną druską galima laikyti medžiaga,

gauta rūgščiai reaguojant su baze: druskos katijonas apibūdina bazę,

anijonas (rūgšties liekana) – rūgštį. Hidrolizuojasi tik tokios druskos,

kurias sudaro silpnosios rūgštys arba silpnosios bazės. Stipriųjų

rūgščių ir stipriųjų bazių druskos (pvz.: NaCl, KNO3) nesihidroli-

zuoja, nes druskos jonų sąveika su vandeniu nevyksta (nesusidaro

silpnai disocijuojantys junginiai), todėl vandens H+ ir OH– jonų kon-

centracija nepakinta, ir tirpalas yra neutralus.

Rūgščių ir bazių stiprumą nusako jų disociacijos laipsnis α. Stip-

riųjų elektrolitų disociacijos laipsnis yra didesnis negu 30 %

(α > 30 %), silpnųjų – mažesnis negu 3 % (α < 3 %). Vidutinio stip-

rumo elektrolitai (30 % > α < 3 %) priskiriami prie silpnųjų elektroli-

tų. Elektrolitų disociacijos laipsnių reikšmes galima rasti šios knygu-

tės prieduose (19.5 lentelė, 196 p).

Kai rašomos hidrolizės reakcijos, pirma parašoma molekulinė

lygtis, paskui – joninė ir sutrumpinta joninė lygtys. Druskos, sudary-

tos iš silpnųjų daugiavandenilių rūgščių (Na2CO3, K3PO4) arba sil-

pnųjų daugiahidroksilių bazių (Fe(NO3)3, CuCl2) hidrolizuojasi stadi-

jomis (pakopomis). Tais atvejais ir susidaro rūgštūs ar baziniai jonai.

Toliau panagrinėkime būdingiausių tipų hidrolizę.

Druskos, sudarytos iš stipriosios bazės ir silpnosios rūgšties,

hidrolizuojasi ir sudaro silpnai disocijuojančią rūgštį. Pvz., KCN

druska sudaryta iš KOH (α > 30 %) ir HCN (α < 3 %). Molekulinė

hidrolizės lygtis:

KCN + H2O ⇔ HCN + KOH.

Joninėje lygtyje stiprieji elektrolitai skaidomi į jonus, o silpnieji

(tarp jų ir H2O) paliekami molekulinės formos:

80

K+ + CN– + H2O ⇔ HCN + K+ + OH–.

Išbraukus abiejose reakcijos pusėse esančius vienodus jonus,

gaunama sutrumpinta joninė lygtis:

CN– + H2O ⇔ HCN + OH–.

Hidrolizės metu susidaro silpna ciano rūgštis ir OH– jonų pertek-

lius (KOH yra stiprioji bazė ir todėl vandeniniame tirpale gerai diso-

cijuoja į jonus). Tirpalo reakcija yra šarminė, nes susidaro laisvųjų

OH− jonų perteklius; pH > 7.

Druskos, sudarytos iš stipriosios bazės ir daugiavandenilės rūgš-

ties, hidrolizuojasi pakopomis:

1 stadija K2CO3 + H2O ⇔ KHCO3 + KOH;

2 K+ + CO3

2– + H2O ⇔ K+ + HCO3

– + K+ + OH–;

CO3

2– + H2O ⇔ HCO3

– + OH–.

2 stadija KHCO3 + H2O ⇔ H2CO3 + KOH;

K+ + HCO3

– + H2O ⇔ H2CO3 + K+ + OH–;

HCO3

– + H2O ⇔ H2CO3 + OH–.

Hidrolizuojantis stipriosios bazės ir silpnosios rūgšties drus-

koms, vandens vandenilio jonai susijungia, ir tirpale ima vyrauti hid-

roksilo jonai, kurie suteikia jam šarminių savybių (pH > 7). Be to,

susidaro silpnoji rūgštis arba rūgštusis jonas.

Druskos, sudarytos iš stipriosios rūgšties ir silpnosios bazės,

hidrolizuojasi ir sudaro silpnai disocijuojančią bazę:

NH4Cl + H2O ⇔ NH4OH + HCl;

NH4

+ + Cl– + H2O ⇔ NH4OH + H+ + Cl–;

NH4

+ + H2O ⇔ NH4OH + H+.

Susidaro silpnas amonio hidroksidas ir H+ jonų perteklius (HCl

yra stiprioji rūgštis ir todėl vandeniniame tirpale gerai disocijuoja į

jonus). Tirpalo reakcija rūgšti: pH < 7.

81

Druskos, sudarytos iš stipriosios rūgšties ir daugiavalenčio meta-

lo bazės, hidrolizuojasi pakopomis:

1 stadija: NiCl2 + H2O ⇔ Ni(OH)Cl + HCl;

Ni2+ + 2 Cl– + H2O ⇔ Ni(OH)+ + Cl– + H+ + Cl–;

Ni2+ + H2O ⇔ Ni(OH)+ + H+.

2 stadija: Ni(OH)Cl + H2O ⇔ Ni(OH)2 + HCl;

Ni(OH)+ + Cl– + H2O ⇔ Ni(OH)2 + H+ + Cl–;

Ni(OH)+ + H2O ⇔ Ni(OH)2 + H+.

Hidrolizuojantis silpnosios bazės ir stipriosios rūgšties drus-

koms, vandens hidroksilo jonai susijungia, ir tirpale ima vyrauti van-

denilio jonai, kurie suteikia jam rūgščių savybių (pH < 7). Be to,

susidaro silpnoji bazė arba bazinis jonas.

Druskos, sudarytos iš silpnosios bazės ir silpnosios rūgšties,

hidrolizuojasi, sudaro silpnąją rūgštį ir silpnąją bazę:

CH3COONH4 + H2O ⇔ CH3COOH + NH4OH;

CH3COO– + NH4

+ + H2O ⇔ CH3COOH + NH4OH.

Druskos, turinčios nevienvalenčių jonų, taip pat hidrolizuojasi

stadijomis:

1 stadija (NH4)2S + H2O ⇔ NH4OH + NH4HS;

2 NH4

+ + S2– + H2O ⇔ NH4OH + NH4

+ + HS–;

NH4

+ + S2– + H2O ⇔ NH4OH + HS–.

2 stadija: NH4HS + H2O ⇔ NH4OH + H2S;

NH4

+ + HS– + H2O ⇔ NH4OH + H2S.

Hidrolizuojantis silpnosios bazės ir silpnosios rūgšties drus-

koms, susijungia vandens hidroksilo ir vandenilio jonai. Tirpalo pH

priklauso nuo susidariusių medžiagų disociacijos laipsnio. Acto rūgš-

ties ir amonio hidroksido disociacijos laipsniai yra panašūs, todėl

šiuo atveju tirpalas praktiškai neutralus. Jei hidrolizės metu susida-

82

riusios rūgšties disociacijos laipsnis didesnis už bazės disociacijos

laipsnį – tirpalas bus silpnai rūgštus (pH < 7), jei bazės disociacijos

laipsnis didesnis už rūgšties – tirpalas silpnai šarminis (pH > 7). Pa-

vyzdžiui, NH4OH disociacijos laipsnis α = 1,3 %, o H2S –

α = 0,07 %. Vadinasi, OH− jonų tirpale bus daugiau negu H+ jonų,

tirpalo terpė bus silpnai šarminė (pH > 7).

Druskų hidrolizė dažniausiai yra grįžtamasis procesas, bet drus-

kos, sudarytos iš labai silpnų rūgščių ir labai silpnų bazių, hidrolizuo-

jasi negrįžtamai:

Al2S3 + 6 H2O ⇔ 2 Al(OH)3 + 3 H2S.

EKSPERIMENTINĖ DALIS

7 darbas. Įvairių druskų hidrolizė

Darbo tikslas

Panagrinėti druskų vandeninių tirpalų pH pokyčius. Išmokti ra-šyti įvairių druskų pakopinės hidrolizės reakcijų lygtis.

Darbo priemonės ir reagentai

Cheminės stiklinėlės (25–50 mL) arba mėgintuvėliai, stiklinės lazdelės, universalaus indikatoriaus popierėliai arba pH-metras.

Įvairios sausosios druskos, distiliuotas vanduo.

Darbo eiga

Parašykite dėstytojo paskirtų druskų hidrolizės reakcijas. Prieš tai pažymėkite, iš kokios bazės (stipriosios ar silpnosios) ir kokios rūgšties sudaryta druska (žr. 19.5 lentelę 196 p.). Druskos katijonas parodo, iš kokios bazės sudaryta druska, o anijonas – iš kokios rūgš-ties. Reakcijų lygtis rašykite tokia tvarka:

1) molekulinė lygtis; 2) joninė lygtis. Rašant joninę lygtį, visi stiprieji elektrolitai rašomi jonų pavida-

lu, o silpnieji (tarp jų ir H2O) – molekulių pavidalu. Tokioje lygtyje

83

suprastinus abiejose reakcijos pusėse esančius vienodus jonus ir ją perrašius, gaunama sutrumpinta joninė lygtis.

Druskų, sudarytų iš daugiavandenilių rūgščių bei daugiahidroksi-lių bazių, hidrolizės reakcijas privalu rašyti pakopomis (stadijomis). Padarykite išvadas apie pH pokyčius (pH < 7, pH = 7 ar pH > 7) ir kokia terpė (rūgščioji, neutralioji ar šarminė) susidarė, įvykus hidro- lizei.

Teorines žinias patikrinkite praktiškai. Iš darbo vietoje esančių druskų stiklinėlėse arba mėgintuvėliuose pagaminkite tirpalus: imkite keliolika druskos kristaliukų ir užpilkite keliais mililitrais distiliuoto vandens, pamaišykite. Druskoms ištirpus, pH–metru arba universa-laus indikatoriaus popierėliu nustatykite visų tirpalų pH. Jei pH nu-statyti bus naudojamas universalaus indikatoriaus popierėlis, lašą druskos tirpalo stikline lazdele užlašinkite ant universalaus indikato-riaus popierėlio ir drėgno indikatoriaus popierėlio spalvą palyginkite su etalonų spalvų skale. Gautus rezultatus surašykite į 7.1 lentelę.

7. 1 lentelė. Druskų hidrolizės suvestinė

Mėgintuvėlio

arba

stiklinėlės Nr.

Druskos

formulė

Iš ko

sudaryta

druska (bazės

ir rūgšties

stiprumas)

Druskos

tirpalo pH

reikšmė

Tirpalo

terpė

(rūgšti,

šarminė ar

neutrali)

Atsiskaitymo forma

– druskų hidrolizės reakcijų lygtys; – užpildyta lentelė.

84

8. KOMPLEKSINIAI JUNGINIAI

TEORINĖ DALIS

Kompleksiniais junginiais vadinami tokie junginiai, į kuriuos įeina daugiau ar mažiau patvarūs sudėtingi (kompleksiniai) jonai ar molekulės, galintys egzistuoti tiek tirpalo, tiek kristalų pavidalu.

Kompleksinių junginių sandara

Kompleksiniai junginiai gaunami jungiantis neutralioms mole-kulėms, pvz.:

NH3 + HCl →[NH4]Cl;

CuCl2 + 4 NH3 → [Cu(NH3)4]Cl2.

Kompleksiniai junginiai gali turėti: 1) kompleksinį katijoną, pvz.: [Co(NH3)6]Cl3; 2) kompleksinį anijoną, pvz.: Na3[Co(NO2)6]; 3) kompleksinį katijoną ir anijoną, pvz.: [Ni(NH3)6]2[Fe(CN)6]; 4) kompleksą – neelektrolitą, pvz.: [Co(NH3)3(NO2)3],

[Pt(NH3)2Cl4]. Kompleksinių junginių sandarą aiškina koordinacinė teorija.

Pagal ją, kompleksinis junginys yra sudarytas iš vidinės ir išorinės koordinacinių sferų.

Komplekso vidinė koordinacinė sfera susideda iš komplekso-dario ir ligandų. Formulėse vidinė komplekso sfera žymima laužti-niais skliaustais.

Kompleksinių junginių kompleksodaris užima centrinę vietą. Kompleksodariu būna:

1) metalų jonai, pvz.: Ag+, Cu2+, Co3+, Ni2+, Fe2+, Pt4+ ir kt.; 2) metalų, priklausančių d elementams, neutralūs atomai, pvz.: Cr, Mn, Fe, Re, Mo; 3) nemetalų jonai, pvz.: B3+, N3+, Si4+, P5+,S6+. Ligandai (adendai) išsidėsto aplink kompleksodarį. Ligandais

būna:

85

1) neigiami jonai, pvz.: OH–, Cl–, F–, NO2

–, CN–, CO3

2– ir kt., 2) polinės molekulės, pvz.: H2O, NH3, NO, CO, PH3 ir kt., 3) linkusios poliarizuotis molekulės, pvz.: (CH2)2(NH2)2 –

etilendiaminas ir kt. Koordinacinis skaičius – tai skaičius, rodantis, kiek ligandų yra

susijungę su kompleksodariu. Žinomi įvairūs koordinaciniai skaičiai: 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 12. Dažniausiai pasikartoja šie:

6 – Co2+, Co3+, Fe2+, Fe3+, Pt4+, Ni2+, Cr3+ jonams;

4 – Cu2+, Pt2+, Zn2+, Hg2+, Au3+, Cd2+ jonams.

Koordinacinis skaičius visada didesnis už kompleksodario

valentingumą.

Komplekso išorinę koordinacinę sferą sudaro jonai, esantys toliau nuo kompleksodario. Formulėse – tai jonai, esantys už laužti-nių skliaustų. Pvz., junginio K4[Fe(CN)6]:

1) komplekso vidinė koordinacinė sfera – [Fe(CN)6]4–;

2) kompleksodaris – Fe2+; 3) ligandai (adendai) – CN–; 4) koordinacinis skaičius – 6; 5) komplekso išorinė koordinacinė sfera – 4K+. Žinant koordinacinės teorijos pagrindinius teiginius, galima su-

daryti kompleksinių junginių formules.

8.1 pavyzdys

Sudaryti kompleksinį junginį iš CrCl3, KCl, 2NH3. Chromo ko-ordinacinis skaičius – 6.

Sprendimas

K[CrCl4(NH3)2].

8. 2 pavyzdys

Parašyti kompleksinio junginio [Ni(NH3)6]SO4 susidarymo reakciją.

86

Sprendimas

NiSO4 + 6NH3 → [Ni(NH3)6]SO4.

Dvigubos druskos. Kompleksinių junginių disociacija

Kompleksinių junginių grupei priskiriamos dvigubos druskos, pvz., KAl(SO4)2, ir kristalohidratai, pvz., CuSO4 ⋅ 5H2O. Dvigubos druskos yra labai nepatvarūs kompleksiniai junginiai. Pagrindinis skirtumas tarp dvigubų ir kompleksinių druskų yra tas, kad dvigubos druskos vandenyje disocijuoja į visus jas sudarančius jonus. Pvz.:

KAl(SO4)2 ⇔ K+ + Al3+ + 2 −2

4SO .

Kompleksiniai junginiai vandenyje disocijuoja į kompleksinį jo-ną ir jonus, esančius išorinėje koordinacinėje sferoje. Pvz.:

K3[Fe(CN)6] ⇔ 3K+ + [Fe(CN)6]3–; (8.1)

[Ag(NH3)2]Cl ⇔ [Ag(NH3)2]+ + Cl–. (8.2)

Tirpalą skiedžiant vandeniu, kompleksinių junginių disociacijos laipsnis didėja.

Kompleksinio jono ir kompleksodario krūvio skaičiavimas

Kompleksinio jono krūvis lygus kompleksodario ir ligandų krū-vių algebrinei sumai. Pvz.:

[Cu(NH3)4]2+; [BF4]

1–; [PtCl4(NH3)2]0;

+ 2 + 0 = + 2. + 3 + (–4) = –1. + 4+ (–4) + 0 = 0.

Apie kompleksinio jono krūvį galima spręsti iš išorinėje koordi-nacinėje sferoje esančių jonų krūvių (žr. (8.1) ir (8.2) reakcijų lygtis).

Kompleksodario krūvis skaičiuojamas pagal bendrąją taisyklę: junginį sudarančių elementų krūvių algebrinė suma turi būti lygi nu-liui. Pvz.:

K[Co(NH3)2(NO2)4];

+ 1 + x + 0 + (–4) = 0;

87

x = 4 –1 = 3.

Kompleksinio junginio pavadinimas

Kompleksinių junginių pavadinimuose pirmiausia įvardijamas katijonas, po jo – anijonas. Kompleksinio jono pavadinime pirma nurodomi ligandai, po jų – kompleksodaris. Jeigu junginyje yra ke- lių rūšių ligandai – pirmiausia išvardijami anijoniniai, paskui – neutralieji ligandai. Vienos rūšies ligandų (anijoninių arba neutralių-jų) pavadinimai vardijami abėcėlės tvarka. Anijoninių ligandų pava-dinimai turi galūnę –o, pavyzdžiui:

Cl– – -chloro-; CN– – -ciano-;

OH– – -hidrokso-; SCN– – -rodano-.

Neutraliųjų ligandų pavadinimai lieka tokie patys kaip nesiste-

miniuose pavadinimuose, pavyzdžiui:

H2O – -akva-; NH3 – -amoniako-.

Ligandų (adendų) skaičius nurodomas graikiškai:

1 – mono; 5 – penta; 9 – nona;

2 – di; 6 – heksa; 10 – deka;

3 – tri; 7 – hepta; 11 – undeka;

4 – tetra; 8 – okta; 12 – dodeka ir t. t.

Kompleksodario krūvis (oksidacijos laipsnis) žymimas romėniš-

ku skaičiumi skliaustuose.

Jei junginyje yra kompleksinis katijonas – sakomi prijungtų li-

gandų, kompleksodario (lietuviškai) ir išorinėje koordinacinėje sfero-

je esančių jonų pavadinimai. Pvz.:

[Ag(NH3)2]NO3 – diamoniakosidabro (I) nitratas;

[Cu(NH3)4]Cl2 – tetraamoniakovario (II) dichloridas.

88

Jei junginyje yra kompleksinis anijonas, sakomi išorinės sferos

jonų, prijungtų ligandų ir kompleksodario pavadinimai. Komplekso-

dario pavadinimas sudaromas, prie kompleksodario lotyniško pava-

dinimo pridedant galūnę „–atas“. Pvz.:

K3[Fe(CN)6] – trikalio heksacianoferatas (III);

K2[PtCl4] – dikalio tetrachloroplatinatas(II).

Kompleksinio junginio, kuris neturi išorinės sferos, pavadinime

kompleksodaris rašomas paskiausiai (vardininko linksniu), o jo oksi-

dacijos laipsnis nenurodomas. Pvz.:

[Co(H2O)4(NO2)2] – dinitrotetraakvakobaltas;

[Ru(H2O)(NH3)3SO3] – sulfitoakvatriamoniakorutenis.

EKSPERIMENTINĖ DALIS

8 darbas. Kompleksinių junginių susidarymas ir savybės

Darbo tikslas

Išnagrinėti darbe gautų ir naudojamų kompleksinių junginių

sandarą ir pagrindines chemines savybes, parašyti jų pavadinimus.

Darbo priemonės ir reagentai

Mėgintuvėliai, matavimo cilindras (10 mL), elektros plytelė,

stiklinė (vandens vonia).

Tirpalai: BaCl2, Bi(NO3)3, C2H5OH, CoCl2, FeCl3,

Fe(NH4)(SO4)2, FeSO4, KI, K3[Fe(CN)6], K4[Fe(CN)6], KSCN, NH3

konc., NaOH, NiSO4.

Sausieji reagentai: CuSO4, NH4SCN, raudono lakmuso popierėliai.

Darbo eiga

Atliekamos reakcijos pagal vieną iš dėstytojo nurodytų variantų.

Parašomos visų atliktų reakcijų lygtys ir išanalizuojami darbe naudo-

ti ir gauti kompleksiniai junginiai. Duomenys surašomi į 8.1 lentelę.

89

8.1 lentelė. Kompleksinių junginių struktūra

Kompleksinio

junginio

formulė, jo

disociacijos

lygtis Kompleksodaris

Ligandai

Koordinacinis

skaičius

Kompleksodario

valentingumas

Kompleksinio

jono

valentingumas

A variantas

1. Junginys su kompleksiniu katijonu

Nedidelį kiekį vario sulfato ištirpinkite 2 mL distiliuoto vandens. Į

gautą tirpalą įpilkite 2 mL koncentruoto amoniako ir 1,5 mL etilo alko-

holio. Išsiskiria rugiagėlių spalvos tetraamoniakovario (II) sulfatas:

CuSO4 + 4NH3 → [Cu(NH3)4]SO4.

2. Junginys su kompleksiniu anijonu

Į mėgintuvėlį įpilkite 1 mL bismuto nitrato ir lašinkite kalio jo-

didą tol, kol iškritusios tamsios bismuto jodido nuosėdos ištirpsta KI

pertekliuje. Parašykite BiI3 susidarymo reakciją ir BiI3 reakciją su

KI, kai žinoma, kad Bi koordinacinis skaičius yra 4.

3. Kompleksinės ir dvigubos druskos

Į vieną mėgintuvėlį įpilkite 2 mL Fe(NH4)(SO4)2 tirpalo, o į ki-

tą – 2 mL K3[Fe(CN)6] tirpalo. Į abu mėgintuvėlius įpilkite maždaug

po 0,5 mL kalio rodanido KSCN tirpalo. Stebėkite, kuriame iš mė-

gintuvėlių susidaro raudonos spalvos geležies rodanidas Fe(SCN)3.

Paaiškinkite, kodėl jis vienu atveju susidaro, o kitu – ne.

90

4. Kompleksiniai junginiai, vykstant mainų reakcijoms

Į mėgintuvėlį įpilkite 2 mL FeCl3 ir 2 mL K4[Fe(CN)6] tirpalų.

Susidaro mėlynos spalvos Berlyno mėlis – Fe4[Fe(CN)6]3.

B variantas

1. Junginys su kompleksiniu katijonu

Į mėgintuvėlį įpilkite 1 mL nikelio sulfato, paskui – koncentruo-

to amoniako, kol tirpalas nusidažo šviesiai mėlyna spalva. Susidaro

heksaamoniakonikelio (II) sulfatas – [Ni(NH3)6]SO4.

2. Junginys su kompleksiniu anijonu

Į mėgintuvėlį įpilkite 1 mL kobalto chlorido tirpalo ir pridėkite

truputį NH4SCN druskos – tirpalas nusidažo mėlynai:

CoCl2 + 4NH4SCN → (NH4)2[Co(SCN)4] + 2NH4Cl.

3. Kompleksinės ir dvigubos druskos

Paimkite 4 mėgintuvėlius. Į pirmąjį, antrąjį ir trečiąjį mėgintuvė-

lį įpilkite maždaug po 2 mL Fe(NH4)(SO4)2. Į ketvirtąjį įpilkite 2 mL

K3[Fe(CN)6] tirpalo. Į pirmąjį mėgintuvėlį įpilkite maždaug 0,5 mL

bario chlorido tirpalo. Susidaro baltos spalvos BaSO4 nuosėdos.

Į antrąjį mėgintuvėlį įpilkite 10 % koncentracijos natrio šarmo

tirpalo ir vandens vonioje pašildykite iki virimo. Virš mėgintuvėlio

palaikykite vandeniu suvilgytą raudonojo lakmuso popierėlį, kuris

pamėlynuoja nuo išsiskyrusio amoniako.

Į trečiąjį ir ketvirtąjį mėgintuvėlius įpilkite po 0,5 mL kalio ro-

danido KSCN tirpalo. Trečiajame mėgintuvėlyje susidaro raudonos

spalvos geležies rodanidas Fe(SCN)3. Vadinasi, aptinkami visi tirpa-

le esantys jonai:

Fe(NH4)(SO4)2 ⇔ Fe3+ + NH+

4 + 2SO42–.

Ketvirtajame mėgintuvėlyje spalva nepakinta. Paaiškinkite, ko-

dėl taip yra.

91

4. Kompleksiniai junginiai vykstant mainų reakcijoms

Į mėgintuvėlį įpilkite 2 mL FeSO4 ir 2 mL K3[Fe(CN)6] tirpa-

lų. Susidaro tamsiai mėlynos nuosėdos (Turnbulio mėlynasis) –

Fe3[Fe(CN)6]2.

Atsiskaitymo forma

– parašomos atliktų reakcijų lygtys;

– užrašomi kompleksinių junginių pavadinimai;

– užpildoma pateikto pavyzdžio lentelė.

92

9. KOLOIDINIAI TIRPALAI

TEORINĖ DALIS

Koloidiniais tirpalais, arba zoliais, vadinamos dispersinės si-

stemos, kurių dispersinės fazės dalelių skersmuo yra 1–100 nm.

Koloidiniai tirpalai yra heterogeninės sistemos, todėl, norint gauti

koloidinį tirpalą, dispersinė fazė turi netirpti tirpiklyje.

Koloidiniai tirpalai gaunami dviem metodais:

1) dispersiniu – smulkinant medžiagą iki koloidinių dalelių dydžio;

2) kondensaciniu – cheminių reakcijų metu sukimbant moleku-

lėms į agregatus.

Nors koloidinių tirpalų dalelės didelės, tačiau jos neiškrinta nuo-

sėdomis ir gali ilgai išlaikyti agregatinį pastovumą. Koloidų agrega-

tinis pastovumas aiškinamas tuo, kad dalelės paviršiuje susidaro

elektrinis krūvis. Koloidinės dalelės adsorbuoja iš tirpalo jonus ir

įgauna elektros krūvį, neleidžiantį joms sukibti ir nusėsti.

Susidarant koloidiniams tirpalams, dispersinės fazės molekulės

sukimba į agregatus ir sudaro koloidinės dalelės branduolį. Branduo-

lys adsorbuoja tirpale esančius dalelei toliau augti neleidžiančius

jonus. Koloidinės dalelės branduolys iš tirpalo adsorbuoja tuos jonus,

kurie jam giminingi ir kurių tirpale yra perteklius. Nuo šių jonų pri-

klauso koloidinės dalelės krūvio ženklas. Pvz., AgJ koloidinės dale-

lės branduolys gali adsorbuoti Ag+ arba J− jonus ir priklausomai nuo

adsorbuotų jonų įsielektrinti teigiamai arba neigiamai. Metalų hid-

roksidų koloidinės dalelės turi teigiamą krūvį, nes adsorbuoja iš tir-

palo teigiamus jonus. Fe(OH)3 koloidinės dalelės branduolys adsor-

buoja Fe3+ jonus. Metalo sulfidų koloidinės dalelės turi neigiamą

krūvį, nes adsorbuoja iš tirpalo neigiamus jonus. Sb2S3 bei As2S3

dalelių branduoliai adsorbuoja S2− arba HS− jonus priklausomai nuo

to, kokie jonai yra tirpale. Adsorbuoti branduolio paviršiuje jonai

pritraukia iš tirpalo dalį priešingo krūvio jonų ir sudaro koloidinės

dalelės adsorbcinį sluoksnį. Taigi adsorbciniame sluoksnyje yra tei-

giamų ir neigiamų jonų. Koloidinės dalelės branduolys su adsorbci-

niu sluoksniu sudaro granulę. Likusi priešingo krūvio jonų dalis yra

93

toliau nuo koloidinės dalelės ir sudaro difuzinį sluoksnį. Granulė ir

difuzinio sluoksnio jonai sudaro micelę.

Pavyzdžiui, As2S3 zolis (9.1 pav.) susidaro pagal šią reakciją:

As2O3 + 3H2S → As2S3 + 3H2O;

As2O3 + 3H+ + 3S2− → As2S3 + 3H2O.

9.1 pav. Koloidinės dalelės sandara: a – branduolys,

b – adsorbcinis sluoksnis, c – difuzinis sluoksnis

1) As2S3 molekulės sukimba ir sudaro koloidinės dalelės branduolį

m(As2S3);

2) branduolys adsorbuoja S2− jonus, įsielektrina neigiamai ir pritrau-

kia iš tirpalo dalį H+ jonų. S2− ir H+ jonai sudaro adsorbcinį

sluoksnį. Branduolys su adsorbciniu sluoksniu – granulė:

{m(As2S3)nS2− ⋅ xH+}(2n−x)−;

3) likę tirpale H+ jonai išsidėsto toliau ir sudaro difuzinį sluoksnį.

Granulė su difuziniu sluoksniu – micelė:

{m(As2S3)nS2− ⋅ xH+}(2n−x)− (2n−x)H+.

94

Adsorbcinio ir difuzinio sluoksnių jonai sudaro dvigubą elektros

sluoksnį dalelės paviršiuje. Koloidinei dalelei judant atsiranda poten-

cialų skirtumas tarp dalelės ir tirpale esančių jonų, kuris vadinamas

elektrokinetiniu potencialu, arba ζ (dzeta) potencialu. Kuo didesnė

ζ potencialo reikšmė, tuo pastovesnė koloidinė sistema.

Jeigu koloidinių dalelių krūviai labai sumažėja arba visai išnyksta,

koloidinės dalelės sustambėja. Koloidinių dalelių sulipimas į stambius

agregatus vadinamas koaguliacija, o jų nusėdimas – sedimentacija.

Koaguliaciją gali sukelti priešingų krūvių koloidų sumaišymas, tempera-

tūros pakilimas, zolio koncentravimas ir elektrolitų priedai.

Elektrolito priedas pakeičia difuzinio sluoksnio struktūrą. Elektroli-

to jonai difuzinio sluoksnio jonus išstumia į adsorbcinį sluoksnį, todėl

dalelės krūvis mažėja ir priklausomai nuo elektrolito koncentracijos gali

visai išnykti. Tada koloidinės dalelės sukimba į agregatus ir koaguliuoja.

Minimali elektrolito koncentracija, kuri sumažina zolio agrega-

tinį pastovumą per tam tikrą laiką, vadinama koaguliacijos slenks-

čiu Csl. Atvirkščias jam dydis apibūdina elektrolito koaguliacinę

galią 1/Csl. Koaguliacinė galia priklauso nuo jono valentingumo ir

spindulio. Kuo didesnis jono valentingumas ir spindulys, tuo didesnė

elektrolito koaguliacinė galia.

EKSPERIMENTINĖ DALIS

9 darbas. Teigiamo ir neigiamo zolių gamyba ir elektrolitų koaguliacinės galios nustatymas

Darbo tikslas

Pagaminti koloidinius tirpalus, nustatyti jų patvarumą. Apskai-

čiuoti elektrolitų koaguliacinę galią.

Darbo priemonės

Elektrinė plytelė, mėgintuvėliai, cheminės stiklinėlės, matavimo

cilindras, pipetės. 4 % FeCl3 arba 3 % AlCl3; 1 % CuSO4; 0,01 %

K4[Fe(CN)6]; 0,01 M K2SO4; 0,001 M K3[Fe(CN)6]; 0,01 M BaCl2;

0,001 M AlCl3 tirpalai.

95

Darbo eiga

Darbas atliekamas pagal vieną iš dėstytojo nurodytų variantų.

A variantas

Stiklinėlėje užvirinkite 100 mL distiliuoto vandens, įpilkite

10 mL 4 % FeCl3 arba 3 % AlCl3 tirpalo ir palaukite, kol tirpalas dar

kartą užvirs. Chloridų hidrolizė vyksta iki galo, ir susidaro geležies

arba aliuminio hidroksido zolis. Susidaręs metalo hidroksido bran-

duolys adsorbuoja teigiamus druskos jonus. Dalelė įsielektrina tei-

giamai ir pritraukia neigiamus druskos jonus. Likę neigiami druskos

jonai išsidėsto toliau (difuzinis sluoksnis).

Parašykite hidroksido susidarymo molekulinę ir joninę lygtis

(FeCl3 arba AlCl3 reakcija su H2O) ir zolio micelės formulę, kai ži-

noma, kad koloidinės dalelės krūvis teigiamas.

Į 8 švarius mėgintuvėlius įpilkite po 5 mL ataušinto hidroksido

zolio. Į kiekvieną pridėkite distiliuoto vandens ir elektrolito tirpalo

tiek, kiek nurodyta 9.1 lentelėje.

9. 1 lentelė. Teigiamo zolio koaguliacijos nustatymas

Mėg.

Nr.

Fe(OH)3 arba

Al(OH)3, mL

Dist. H2O,

mL

0,01 M

K2SO4, mL

0,001 M

K3[Fe(CN)6],

mL

Kai

koaguliuoja

po 15 min,

žymima +

1 5 4,5 0,5 –

2 5 4 1 –

3 5 3 2 –

4 5 1 4 –

5 5 4,5 – 0,5

6 5 4 – 1

7 5 3 – 2

8 5 1 – 4

96

Tirpalus mėgintuvėliuose sumaišykite ir po 15 min lentelėje pa-

žymėkite, kuriuose iš jų įvyko koaguliacija (tirpalas susidrumstė arba

iškrito nuosėdos).

B variantas

Į 40 mL 0,01 % K4[Fe(CN)6] tirpalo įpilkite 1 mL 1 % CuSO4.

Susidaro raudonas Cu2[Fe(CN)6] zolis. Parašykite šio zolio susida-

rymo molekulinę ir joninę lygtis ir micelės formulę, kai žinoma, kad

dalelės krūvis neigiamas ir ją stabilizuoja K4[Fe(CN)6].

Į 8 mėgintuvėlius įpilkite po 5 mL gauto zolio, paskui pridėkite

distiliuoto vandens ir elektrolito tirpalo tiek, kiek nurodyta 9.2 len-

telėje.

9.2 lentelė. Neigiamo zolio koaguliacijos nustatymas

Mėg.

Nr.

Cu2[Fe(CN)6],

mL

Dist. H2O, mL

0,01 M BaCl2,

mL

0,001 M AlCl3,

mL

Kai

koaguliuoja

po 15 min,

žymima +

1 5 4,5 0,5 –

2 5 4 1 –

3 5 3 2 –

4 5 1 4 –

5 5 4,5 – 0,5

6 5 4 – 1

7 5 3 – 2

8 5 1 – 4

Tirpalus mėgintuvėliuose sumaišykite ir po 15 min lentelėje pa-

žymėkite, kuriuose iš jų įvyko koaguliacija (tirpalas susidrumstė arba

iškrito nuosėdos).

97

Skaičiavimai

Koaguliacijos slenkstį ir koaguliacinę galią apskaičiuokite kiek-

vienam iš panaudotų darbe elektrolitų.

1. Koaguliacijos slenkstis Csl apskaičiuojamas pagal mažiausią elekt-

rolito koncentraciją, kuri sukėlė koaguliaciją:

Csl = 100 CV,

čia C – molinė elektrolito koncentracija,

V – mažiausias elektrolito kiekis (mL), sukeliantis koaguliaciją.

2. Apskaičiuojama elektrolito koaguliacinė galia:

p = 1/Csl.

Duomenis surašykite į 9.3 lentelę.

9.3 lentelė. Elektrolitų koaguliacinė galia

Elektrolitas Koaguliaciją

sukeliantis jonas

Koaguliacijos

slenkstis

Koaguliacinė

galia

Atsiskaitymo forma

– parašomos zolio susidarymo reakcijos;

– parašoma zolio micelės formulė, paaiškinama micelės sudėtis;

– užpildoma pateikto pavyzdžio lentelė.

98

10. CHEMINĖ KINETIKA, KATALIZĖ IR PUSIAUSVYRA

TEORINĖ DALIS

Cheminė kinetika

Chemijos skyrius, nagrinėjantis cheminių reakcijų greitį, jų me-

chanizmą bei įvairių veiksnių įtaką, vadinamas chemine kinetika.

Pagrindinė cheminės kinetikos sąvoka yra reakcijos greitis v. Jį

rodo reaguojančiųjų medžiagų koncentracijų pokytis per laiko viene-

tą. Cheminės reakcijos gali būti homogeninės ir heterogeninės.

Reakcijos, kai reaguoja vienodos fazės medžiagos, vadinamos

homogeninėmis. Pavyzdžiui, ištirpusių medžiagų reakcijos, dujų

reakcijos. Reakcijos, kai reaguoja skirtingų fazių medžiagos, va-

dinamos heterogeninėmis. Pavyzdžiui, ištirpusių medžiagų reakci-

jos su kietąja medžiaga, dujų reakcijos su kietąja medžiaga.

Cheminių reakcijų greitis priklauso nuo įvairių veiksnių, tačiau

pagrindiniai iš jų yra reaguojančiųjų medžiagų koncentracija, tempe-

ratūra ir katalizatoriai.

Reakcijos greičio priklausomybę nuo koncentracijos nusako

veikiančiųjų masių dėsnis: cheminių reakcijų greitis yra tiesio-

giai proporcingas reaguojančiųjų medžiagų koncentracijų san-

daugai.

Reakcijos n A + m B → p C greitį galima išreikšti matematine

lygtimi:

mn

CCkvBA

⋅⋅= , (10.1)

čia v – reakcijos greitis;

k – proporcingumo koeficientas, vadinamas reakcijos greičio

konstanta;

AC ir

BC – reaguojančiųjų medžiagų molinės koncentracijos;

n ir m – stechiometriniai cheminės lygties koeficientai.

Pvz.: 2SO2(d) + O2(d) → 2SO3(d),

v = k · .

2O

2

2SOCC ⋅

99

Veikiančiųjų masių dėsnis taikomas ir heterogeninėms reakci-joms, tačiau šiuo atveju reakcijos greitis priklauso nuo ištirpusių ir dujinių medžiagų koncentracijų, bet nepriklauso nuo kietųjų medžia-gų koncentracijų. Pvz., sieros degimo reakcijos greitis priklauso tik nuo deguonies koncentracijos:

S + O2(d) → SO2(d);

v = k · .

2OC

Remiantis šiais dėsningumais, galima atlikti daug skaičiavimų.

10.1 pavyzdys

Kaip pasikeis reakcijos 2SO2 + O2 → 2SO3 greitis, jeigu dujų tū-rį sumažinsime 3 kartus?

Sprendimas

Reakcijos greičio išraiška šiai reakcijai bus tokia:

v = .

2O

2

2SOCCk ⋅⋅

Sumažinus dujų tūrį 3 kartus, reaguojančiųjų medžiagų kon-

centracijos 3 kartus padidės, todėl reakcijos greičio išraiška bus:

v = ( ) ;332O

2

2SOCCk ⋅⋅

v = .272O

2

2SOCCk ⋅⋅

Reakcijos greitis padidės 27 kartus. Reakcijos greičio priklausomumą nuo temperatūros išreiškia

van’t Hofo taisyklė: padidinus temperatūrą 10 °C, reakcijos grei-tis padidės 2–4 kartus. Skaičius, rodantis, kiek kartų padidėja reak-cijos greitis, pakėlus temperatūrą 10 °C, vadinamas temperatūriniu reakcijos greičio koeficientu.

Reakcijos greičio (arba konstantos) priklausomumas nuo tempe- ratūros išreiškiamas lygtimi:

,10

t

tt

t

t

t

t

k

k

v

v∆

∆+∆+γ== (10.2)

100

čia vt ir kt – reakcijos greitis ir konstanta, esant t °C temperatūrai; vt + ∆t ir kt + ∆t – reakcijos greitis ir konstanta, esant (t + ∆t) °C

temperatūrai; γ – temperatūrinis reakcijos greičio koeficientas.

10.2 pavyzdys

Temperatūrinis reakcijos greičio koeficientas yra 2,5. Kiek kartų padidės reakcijos greitis, pakėlus temperatūrą nuo 20 iki 65 °C?

Sprendimas

Surandame ∆t:

∆t = 65 – 20 = 45 °C.

Pažymime reakcijos greitį, esant 20 °C ir 65 °C temperatūroms, atitinkamai v ir v1. Reikšmes įrašome į lygtį:

5,410

45

1 5,25,2 ==

v

v

= 61,76 ≈ 62.

Reakcijos greitis padidės 62 kartus.

Cheminė pusiausvyra

Reakcijos, kurios vienu metu vyksta dviem priešingomis kryptimis, vadinamos grįžtamosiomis. Kai tiesioginės ir atvirkšti-nės reakcijų greičiai yra lygūs ir visų reaguojančiųjų medžiagų kon-centracijos pastovios, reakcija yra cheminėje pusiausvyroje. Cheminę pusiausvyrą apibūdina pusiausvyros konstanta K, kurios matematinę išraišką galima pritaikyti cheminėms reakcijoms.

Reakcijos n A + m B ↔ p C + qD pusiausvyros konstanta iš-reiškiama lygtimi:

K = ,

mB

nA

qD

pC

CC

CC

⋅

⋅

(10.3)

101

čia K – reakcijos pusiausvyros konstanta; ,,,

CBACCC CA, ir

DC – medžiagų pusiausvirosios koncentra-

cijos; n, m, p ir q – stechiometriniai cheminės reakcijos koeficientai. Pavyzdžiui, reakcijos

2SO2 + O2 ↔ 2SO3;

K = .

2O

2

2SO

2

3SO

CC

C

⋅

Cheminės pusiausvyros būklė priklauso nuo reaguojančiųjų me-džiagų koncentracijų, temperatūros ir slėgio (jeigu reaguoja dujos arba garai). Jeigu pakeičiamas bent vienas iš šių dydžių, tiesioginės ir atbulinės reakcijų greičiai pasikeičia nevienodai ir pusiausvyra pasi-slenka. Kryptį, kuria pasislenka pusiausvyra, nurodo Le Šateljė principas: pakeitus vieną iš sąlygų, kurioms esant sistema yra cheminėje pusiausvyroje, pusiausvyra pasislenka ta kryptimi, kuri susilpnina padarytą poveikį. Pavyzdžiui:

2SO2 + O2 ↔ 2SO3; ∆H = –193 kJ.

Šioje sistemoje gali vykti tokie pusiausvyros poslinkiai: 1. Padidinus SO2 arba O2 koncentracijas ir sumažinus SO3 kon-

centraciją, pusiausvyra pasislenka į dešinę, nes, vykstant tie-sioginei reakcijai, sumažės SO2 ir O2 koncentracijos ir padi-dės SO3 koncentracija.

2. Didinant SO3 koncentraciją arba mažinant SO2 bei O2 kon-centracijas, pusiausvyra pasislenka į kairę.

3. Sumažinus temperatūrą, pusiausvyra pasislenka į dešinę, nes SO3 susidaro išsiskiriant šilumai. Padidinus temperatūrą, pu-siausvyra pasislenka į kairę, t. y. į tos reakcijos pusę, kuriai vykstant suvartojama šiluma.

4. Padidinus slėgį, pusiausvyra pasislenka į dešinę, nes šioje pu-sėje yra mažesnis dujų molekulių skaičius. Sumažinus slėgį, pusiausvyra pasislinks į kairę, t. y. į tą pusę, kurioje moleku-lių skaičius yra didesnis.

102

Katalizė

Reakcijos greičiui didelę įtaką turi katalizatoriai, t. y. medžia-gos, keičiančios reakcijos greitį. Katalizatoriai po reakcijos lieka nepakitę. Katalizė skirstoma į homogeninę ir heterogeninę.

Homogeninė katalizė – kai katalizatorius ir reaguojančiosios medžiagos yra vienos fazės. Homogeninės katalizės mechanizmas aiškinamas tarpinių junginių susidarymo teorija.

Heterogeninė katalizė – kai katalizatorius ir reaguojančio-sios medžiagos yra skirtingų fazių. Heterogeninės katalizės mecha-nizmas aiškinamas adsorbcija. Dėl adsorbcijos padidėja ne tik rea-guojančiųjų medžiagų koncentracija katalizatoriaus paviršiuje, bet ir jų aktyvumas, padidinantis reakcijos greitį.

EKSPERIMENTINĖ DALIS

10 darbas. Koncentracijos ir temperatūros įtaka reakcijos greičiui. Katalizė ir cheminė pusiausvyra

Darbo tikslas

Ištirti reakcijos greičio priklausomybę nuo reaguojančiųjų me-džiagų koncentracijų ir temperatūros. Susipažinti su katalize bei cheminės reakcijos pusiausvyros poslinkiais.

Darbo priemonės

Elektrinė plytelė, termometras, laikmatis, pipetės, mėgintuvėliai, stiklinėlės, 2 % Na2S2O3 bei 2 % H2SO4 tirpalai, prisotinti FeCl3 ir KSCN tirpalai, 30 % H2SO4 tirpalas, 1 N, 0,1 N ir 0,01 N KNO3 tir-palai, sausasis KCl, metalinis cinkas.

Darbo eiga

Darbas atliekamas pagal vieną iš dėstytojo nurodytų variantų.

103

A variantas. Reakcijos greičio priklausomybė nuo

koncentracijos ir temperatūros

Reaguojant natrio tiosulfatui Na2S2O3 su sieros rūgštimi, susidaro nepatvari tiosulfatinė rūgštis, kuriai skylant išsiskiria koloidinė siera:

Na2S2O3 + H2SO4 = Na2SO4 + H2S2O3;

H2S2O3 = H2O + SO2 + S.

Siera iš reakcijos mišinio ima skirtis, praėjus kiek laiko po tirpa-lų susimaišymo, todėl reakcijos trukme galima laikyti laiką, praėjusį nuo tirpalų sumaišymo iki momento, kai mišinys tampa drumstas. Reakcija vykdoma, esant įvairioms medžiagų koncentracijoms, taip pat skirtingoms temperatūroms.

1. Reakcijos greičio priklausomybė nuo koncentracijos

Į 5 mėgintuvėlius įpilkite 2 % Na2S2O3 tirpalo ir distiliuoto van-dens. Jų tūriai nurodyti 10.1 lentelėje. Tada į pirmą mėgintuvėlį įpil-kite 5 mL 2 % H2SO4 tirpalo, mėgintuvėlio turinį sumaišykite. Fik-suokite laiką – reakcijos trukmę τ (s) – nuo sumaišymo momento iki tirpalo susidrumstimo (arba neskaidrumo). Analogiškai atlikite ban-dymus ir kituose 4 mėgintuvėliuose.

Šiame darbe labai svarbu užfiksuoti laiką, per kurį mėgintuvė-liuose pasiekiamas vienodas mišinio drumstumas. Tam tikslui pato-gu stebėti mišinių drumstumą juodame fone ir lyginti tiriamąjį mė-gintuvėlį su kontroliniu, pripiltu vandens (pažymima drumstimosi pradžia) arba laikyti mėgintuvėlį prie suliniuoto popieriaus lapo ir užfiksuoti laiką, kai pro mėgintuvėlį nebesimatys linijų.

Darbo rezultatus surašykite į 10.1 lentelę. Santykinė Na2S2O3

koncentracija tirpaluose C randama iš trupmenos ba

a

+

, o sąlyginis

reakcijos greitis v – iš reiškinio ,

0001

τ

s−1.

104

10.1 lentelė. Reakcijos greičio priklausomybė nuo koncentracijos

Tirpalų tūriai, mL

Bandymo Nr.

2 %

Na2S2O3,

mL a

2 %

H2SO4,

mL

H2O tūris,

mL b

Santykinė

Na2S2O3

konc. C

Reakcijos

trukmė τ, s

Sąlyginis

reakcijos

greitis v, s−

1

1 2 5 8 2 4 5 6 3 6 5 4 4 8 5 2 5 10 5 0

Iš gautų duomenų sudarykite reakcijos greičio priklausomybės

nuo natrio tiosulfato koncentracijos grafiką. Abscisių ašyje (x) atidė-kite santykinę tiosulfato koncentraciją C, ordinačių (y) – sąlyginį reakcijos greitį v.

2. Reakcijos greičio priklausomybė nuo temperatūros

Į 4 mėgintuvėlius įpilkite po 5 mL 2 % Na2S2O3, o į kitus 4 – po 5 mL 2 % H2SO4 tirpalų.

Į 4 chemines 100 mL talpos stiklinėles įpilkite po 70–80 mL vandentiekio vandens ir į jas įstatykite po vieną mėgintuvėlį su Na2S2O3 bei H2SO4 tirpalais.

Pirmąją stiklinėlę su vandeniu ir įstatytais mėgintuvėliais (kart-kartėmis atsargiai supurtant mėgintuvėlius) šildykite, kol temperatūra abiejuose mėgintuvėliuose pasieks 20 °C (termometrą įmerkite į mė-gintuvėlį su Na2S2O3). Tada abiejų mėgintuvėlių turinį supilkite į vieną mėgintuvėlį. Reakcijos mišinį suplakite. Nustatykite reakcijos trukmę τ (s) nuo reakcijos pradžios (nuo tirpalų sumaišymo momen-to) iki tirpalo neskaidrumo (stebima dryžuotame fone). Šiame darbe, kaip ir 1 punkte, svarbu užfiksuoti laiką, per kurį mėgintuvėliuose pasiekiamas vienodas mišinio drumstumas.

Kitą stiklinėlę ir joje esančius mėgintuvėlius su tirpalais pašil-dykite iki 30 °C, tirpalus supilkite į vieną mėgintuvėlį, suplakite ir užrašykite laiką nuo tirpalų sumaišymo iki susidrumstimo momento.

105

Tą patį atlikite su likusiomis stiklinėlėmis ir jose esančių mėgin-tuvėlių turiniu, esant 40 °C ir 50 °C temperatūroms.

Rezultatus surašykite į 10.2 lentelę.

10.2 lentelė. Reakcijos greičio priklausomybė nuo temperatūros

Bandymo Nr.

Bandymo

temperatūra t,

°C

Reakcijos

trukmė τ, s

Sąlyginis

reakcijos

greitis v, s−1

1 20

2 30

3 40

4 50

Sąlyginis reakcijos greitis v imamas lygiu santykiui ,

0001

τ

s−1.

Iš gautų duomenų sudarykite reakcijos greičio priklausomybės nuo temperatūros grafiką. Abscisių ašyje (x) atidėkie temperatūrą °C, ordinačių ašyje (y) – sąlyginį reakcijos greitį v.

Temperatūrinį reakcijos greičio koeficientą γ apskaičiuokite pa-gal formulę:

,

1

2

2

1

v

v

=

τ

τ=γ

čia τ1 ir v1– laikas, per kurį tirpalas susidrumstė, ir reakcijos greitis, esant t °C temperatūrai; τ2 ir v2 – laikas, per kurį tirpalas susidrumstė, ir reakcijos greitis, esant (t + 10) °C temperatūrai.

Turėdami tris temperatūrinio koeficiento reikšmes, raskite jų vi-durkį.

B variantas. Katalizė ir cheminė pusiausvyra

1. Katalizatoriaus koncentracijos įtaka reakcijos greičiui

Homogeninės katalizės greitis priklauso nuo katalizatoriaus koncentracijos.

106

Cinkui reaguojant su sieros rūgštimi, išsiskiria vandenilis, kuris redukuoja kalio permanganatą, todėl violetinė KMnO4 spalva nyksta:

Zn + H2SO4 → ZnSO4 + 2H;

2KMnO4 + 10H + 3H2SO4 → 2MnSO4 + K2SO4 + 8H2O.

Reakciją pagreitina katalizatorius – kalio nitratas:

5KNO3 + 10H → 5KNO2 + 5H2O;

2KMnO4 + 5KNO2 + 3H2SO4 → 2MnSO4 + K2SO4 + 5KNO3 + 3H2O.

Į stiklinėlę įpilkite 20 mL 30 % sieros rūgšties ir įlašinkite 3–4 lašus 0,1 N kalio permanganato KMnO4. Tirpalą sumaišykite ir su-pilstykite į 3 mėgintuvėlius po 5 mL į kiekvieną. Į pirmąjį mėgintu-vėlį įlašinkite 2 lašus 1 N kalio nitrato KNO3, į antrąjį – 2 lašus 0,1 N kalio nitrato, į trečiąjį – 2 lašus 0,01 N kalio nitrato. Paskui į visus mėgintuvėlius įmeskite po gabaliuką cinko. Mėgintuvėlius retkar-čiais supurtykite.

Į 10.3 lentelę įrašykite laiką (s), per kurį išnyksta violetinė tirpa-lo spalva 3 mėgintuvėliuose.

10. 3 lentelė. Reakcijos greičio priklausomybė nuo katalizatoriaus

koncentracijos

Mėgintuvėlio

Nr.

KNO3

koncentracija

Reakcijos

trukmė τ, s

Sąlyginis

reakcijos greitis

v = 1 000/τ, s−1

1

2

3

Gautus duomenis pavaizduokite grafiškai: abscisių ašyje (x) ati-

dėkite katalizatoriaus koncentraciją, ordinačių ašyje (y) – sąlyginį reakcijos greitį v.

2. Cheminės pusiausvyros poslinkiai

Geležies trichloridui reaguojant su kalio rodanidu, susidaro rau-donas geležies rodanidas:

107

FeCl3 + 3KSCN ↔ Fe(SCN)3 + 3KCl.

Tirpalo spalvos intensyvumas priklauso nuo Fe(SCN)3 koncent-racijos. Pusiausvyros poslinkį rodo pakitęs tirpalo spalvos intensy-vumas. Pusiausvyrai slenkantis į dešinę (susidaro Fe(SCN)3), spalva tamsėja, pusiausvyrai slenkantis į kairę – spalva šviesėja.

Į stiklinę įpilkite 20 mL distiliuoto vandens ir įlašinkite 3 lašus pri-sotintų FeCl3 ir KSCN tirpalų. Gautą raudoną tirpalą padalykite į 4 lygias dalis ir supilkite į mėgintuvėlius. Pirmąjį mėgintuvėlį palikite palyginimui, į antrąjį įlašinkite 2 lašus prisotintojo FeCl3 tirpalo, į tre-čiąjį – 2 lašus prisotintojo KSCN tirpalo, o į ketvirtąjį įberkite mažą šaukštelį kristalinio KCl. Tirpalų spalvos intensyvumas pasikeičia.

Bandymų rezultatus surašykite į 10.4 lentelę:

10.4 lentelė. Reakcijos pusiausvyros poslinkiai

Bandymo

Nr.

Pridedama

medžiaga

Tirpalo spalvos

intensyvumo

pokytis (tamsėja

ar šviesėja)

Pusiausvyros

poslinkio kryptis

(į kairę ar į dešinę)

1

2

3

Parašykite atliktos reakcijos pusiausvyros konstantos išraišką.

Atsiskaitymo forma

– užpildomos nustatyto pavyzdžio lentelės; – pateikiami darbo aprašyme nurodyti grafikai; – užrašoma apskaičiuota temperatūrinio reakcijos greičio koe- ficiento reikšmė (10 a variante); – parašoma atliktos reakcijos pusiausvyros konstantos išraiška (10 b variante).