Eksperymentalna chemia fizyczna

Przedmowa ... 11

 

ROZDZIAŁ 1. TERMODYNAMIKA CHEMICZNA ... 13

1.1. Podstawowe pojęcia ... 13

1.2. Prawo zachowania materii i sposoby przekazywania energii ... 14

1.3. Proces i droga procesu. Funkcja stanu ... 15

1.4. Zerowa zasada termodynamiki. Temperatura ... 17

1.5. Energia wewnętrzna i I zasada termodynamiki ... 18

1.6. Zmiana energii wewnętrznej w zależności od typu przemiany. Pojemność cieplna ... 21

1.7. Ciepło reakcji. Prawo Hessa i Lavoisiera-Laplace’a ... 28

1.8. Prawa Kirchhoffa ... 39

1.9. Równowaga termodynamiczna. Przemiany odwracalne i rzeczywiste ... 42

1.10. Entropia. II i III zasada termodynamiki ... 43

1.10.1. Definicja entropii i jej zmiany wraz ze zmianą stanu układu ... 43

1.10.2. II i III zasada termodynamiki ... 49

1.11. Wnioski wynikające z II zasady termodynamiki. Energia swobodna i entalpia swobodna ... 52

1.12. Termodynamika procesów zmiany stanu skupienia ... 57

1.13. Potencjał chemiczny. Aktywność ... 64

1.14. Statyka chemiczna. Termodynamiczna stała równowagi reakcji chemicznej. Prawo działania mas ... 68

1.15. Izoterma van’t Hoffa ... 75

1.16. Wpływ temperatury na stałą równowagi reakcji. Izobara van’t Hoffa ... 76

1.17. Reguła Le Chateliera-Brauna (reguła przekory) ... 79

Ćwiczenie 1–1

Wariant I. Wyznaczanie ciepła rozpuszczania kwasu benzoesowego ... 81

Wariant II. Wyznaczanie ciepła rozpuszczania kwasu benzoesowego ... 84

Pytania i zadania ... 86

 

ROZDZIAŁ 2. PŁYNY ... 89

2.1. Wstęp ... 89

2.2. Stan gazowy ... 89

2.2.1. Właściwości stanu gazowego ... 89

2.2.2. Gaz doskonały ... 90

2.2.3. Kinetyczno-cząsteczkowa teoria gazów ... 91

2.2.4. Energia i molowa pojemność cieplna gazów ... 94

2.2.5. Równanie van der Waalsa ... 97

2.2.6. Skraplanie gazów ... 100

2.2.7. Równanie van der Waalsa i parametry krytyczne gazu ... 100

2.2.8. Prawo Daltona ... 102

Ćwiczenie 2–1. Wyznaczanie gęstości pary i masy molowej substancji metodą Meyera ... 102

Pytania i zadania ... 106

2.3. Ciecze ... 109

2.3.1. Wiadomości ogólne ... 109

2.3.2. Lepkość cieczy ... 109

2.3.2.1. Wprowadzenie ... 109

2.3.2.2. Metody pomiaru lepkości bezwzględnej cieczy ... 111

2.3.2.3. Ciecze niutonowskie i nieniutonowskie ... 117

Ćwiczenie 2–2. Wyznaczanie współczynnika lepkości cieczy za pomocą wiskozymetru Ostwalda ... 119

Pytania i zadania ... 122

Ćwiczenie 2–3. Wyznaczanie współczynnika lepkości cieczy za pomocą wiskozymetru Höpplera ... 123

Pytania i zadania ... 125

2.3.3. Napięcie powierzchniowe ... 126

2.3.3.1. Wprowadzenie ... 126

2.3.3.2. Molowe napięcie powierzchniowe ... 128

2.3.3.3. Metody pomiaru napięcia powierzchniowego ... 129

Pytania i zadania ... 134

2.3.4. Współczynnik załamania światła i refrakcja molowa ... 135

2.3.4.1. Współczynnik załamania światła ... 135

2.3.4.2. Polaryzacja i refrakcja ... 139

2.3.4.3. Zależność między strukturą chemiczną związku a refrakcją molową ... 142

Ćwiczenie 2–4

Wariant I. Wyznaczanie zawartości alkoholu etylowego w badanym roztworze ... 144

Wariant II. Wyznaczanie refrakcji molowej różnych atomów i wiązań ... 146

Pytania i zadania ... 149

 

ROZDZIAŁ 3. PRZEMIANY I RÓWNOWAGI FAZOWE ... 155

3.1. Pojęcia fazy, składnika, stopnia swobody. Reguła faz Gibbsa ... 155

3.2. Układy jednoskładnikowe, wielofazowe ... 157

3.2.1. Równowaga między fazą ciekłą i gazową ... 157

3.2.2. Równowaga między fazą stałą a fazą ciekłą i gazową ... 157

3.3. Układy wieloskładnikowe, jednofazowe – roztwory ... 160

3.3.1. Definicja roztworów ... 160

3.3.2. Rozpuszczalność substancji. Prawo Henry’ego ... 161

3.3.3. Dyfuzja ... 163

3.3.4. Osmoza ... 164

3.4. Układy dwuskładnikowe, jednofazowe – prężność pary nad roztworem ... 168

3.4.1. Prężność pary nad roztworem substancji nielotnej. Prawo Raoulta ... 168

3.4.2. Podwyższenie temperatury wrzenia i obniżenie temperatury krzepnięcia cieczy ... 169

3.4.3. Mieszaniny cieczy o całkowitej wzajemnej rozpuszczalności ... 171

3.4.3.1. Prężność pary nad mieszaniną cieczy o całkowitej wzajemnej rozpuszczalności ... 171

3.4.3.2. Skład pary a skład cieczy ... 172

3.4.4. Odchylenia od prawa Raoulta ... 173

3.5. Układy wieloskładnikowe, dwufazowe ... 175

3.5.1. Mieszaniny cieczy o ograniczonej wzajemnej rozpuszczalności ... 175

3.5.2. Prawo podziału Nernsta. Ekstrakcja ... 176

3.5.2.1. Definicja prawa podziału ... 176

3.5.2.2. Modyfikacja prawa podziału w przypadku asocjacji lub dysocjacji substancji w jednej z faz ... 177

3.5.2.3. Ekstrakcja i czynniki wpływające na jej efektywność ... 180

Ćwiczenie 3–1

Wariant I. Wyznaczanie współczynnika podziału w układzie dwóch niemieszających się cieczy i stałej dimeryzacji kwasu octowego w rozpuszczalniku organicznym ... 183

Wariant II. Porównanie efektywności ekstrakcji kwasu octowego za pomocą różnych rozpuszczalników i wartości stałej dimeryzacji w tych rozpuszczalnikach ... 186

Pytania i zadania ... 188

 

ROZDZIAŁ 4. ADSORPCJA ... 193

4.1. Adsorbent, adsorbat ... 193

4.2. Podział procesów adsorpcji ... 193

4.3. Adsorpcja z roztworów ... 195

4.3.1. Adsorpcja nadmiarowa i rzeczywista ... 195

4.3.2. Izoterma Freundlicha ... 196

4.4. Adsorpcja gazów ... 197

4.4.1. Teoria Langmuira ... 197

4.4.2. Izoterma BET ... 200

4.5. Adsorpcja a napięcie powierzchniowe cieczy.

Środki powierzchniowo czynne ... 202

4.6. Zastosowanie procesów adsorpcji ... 204

4.7. Adsorpcja wymienna na jonitach ... 205

4.8. Metody chromatograficzne adsorpcyjne ... 206

4.8.1. Wiadomości ogólne ... 206

4.8.2. Chromatografia cienkowarstwowa i bibułowa ... 207

4.8.3. Chromatografia gazowa ... 207

4.8.4. Chromatografia cieczowa ... 209

Ćwiczenie 4–1

Wariant I. Adsorpcja kwasu octowego na węglu aktywowanym ... 210

Wariant II. Porównanie adsorpcji różnych kwasów organicznych

z roztworu wodnego na węglu aktywowanym ... 213

Pytania i zadania ... 215

 

ROZDZIAŁ 5. UKŁADY KOLOIDOWE ... 217

5.1. Definicja koloidu i typy układów koloidowych ... 217

5.2. Metody wytwarzania cząstek koloidowych ... 218

5.3. Oczyszczanie układów koloidowych ... 219

5.4. Właściwości kinetyczne układów koloidowych ... 221

5.4.1. Ruchy Browna ... 221

5.4.2. Sedymentacja ... 222

5.5. Zjawisko równowagi membranowej Donnana ... 223

5.6. Właściwości optyczne układów koloidowych ... 225

5.7. Właściwości elektrokinetyczne układów koloidowych ... 227

5.8. Trwałość układów koloidowych. Koagulacja i peptyzacja ... 231

5.9. Lepkość i masa molowa koloidów ... 234

5.10. Ogólna charakterystyka żeli ... 235

5.11. Piany i emulsje ... 236

5.12. Koloidy asocjacyjne ... 237

Ćwiczenie 5–1. Nefelometryczne oznaczanie stężenia zolu kalafonii ... 237

Pytania i zadania ... 239

 

ROZDZIAŁ 6. KINETYKA CHEMICZNA ... 241

6.1. Szybkość reakcji chemicznej ... 241

6.2. Rzędowość i cząsteczkowość reakcji ... 242

6.3 Wpływ temperatury na szybkość reakcji. Energia aktywacji ... 250

6.4. Wpływ katalizatorów na szybkość reakcji ... 253

6.5. Reakcje złożone ... 255

Ćwiczenie 6–1

Wariant I. Wyznaczanie stałej szybkości reakcji hydrolizy sacharozy metodą polarymetryczną ... 257

Wariant II. Wyznaczanie stałej szybkości i energii aktywacji reakcji hydrolizy sacharozy ... 261

Pytania i zadania ... 264

Ćwiczenie 6–2. Wyznaczanie stałej szybkości zasadowej hydrolizy octanu etylu przy różnych stężeniach substratów reakcji ... 266

Pytania i zadania ... 269

 

ROZDZIAŁ 7. PRZEWODNICTWO ROZTWORÓW ELEKTROLITÓW ... 271

7.1. Przewodniki elektryczności ... 271

7.2. Przewodnictwo właściwe ... 272

7.3. Efekt relaksacyjny i elektroforetyczny ... 277

7.4. Pomiar przewodnictwa właściwego ... 278

7.5. Przewodnictwo molowe i równoważnikowe. Prawo Kohlrauscha ... 280

7.6. Dysocjacja elektrolityczna ... 285

7.7. Wpływ innych substancji na dysocjację elektrolityczną związku chemicznego ... 290

7.8. Miareczkowanie konduktometryczne ... 292

Ćwiczenie 7–1. Miareczkowanie konduktometryczne kwasu zasadą ... 296

Pytania i zadania ... 299

Ćwiczenie 7–2. Wyznaczanie klasycznej stałej dysocjacji z pomiarów przewodnictwa ... 303

Pytania i zadania ... 305

 

ROZDZIAŁ 8. OGNIWA GALWANICZNE ... 309

8.1. Wstęp ... 309

8.2. Różnice potencjałów w ogniwie galwanicznym ... 309

8.2.1. Opis ogniwa ... 309

8.2.2. Potencjał dyfuzyjny ... 311

8.2.3. Potencjał elektrody. Wzór Nernsta ... 312

8.2.4. Siła elektromotoryczna ogniwa ... 316

8.3. Elektroda wodorowa i skala potencjałów elektrod ... 319

8.4. Elektrody porównawcze (odniesienia) ... 324

8.5. Pomiar pH ... 326

8.6. Elektrody redoks ... 329

8.7. Miareczkowanie potencjometryczne ... 331

8.7.1. Wiadomości ogólne ... 331

8.7.2. Miareczkowanie potencjometryczne z wykorzystaniem reakcji kwas-zasada ... 331

8.7.3. Miareczkowanie potencjometryczne z wykorzystaniem reakcji utleniania i redukcji ... 334

Ćwiczenie 8–1. Miareczkowanie potencjometryczne kwasu zasadą ... 337

Pytania i zadania ... 340

 

ROZDZIAŁ 9. ELEKTROLIZA ... 345

9.1. Zjawisko elektrolizy ... 345

9.2. Napięcie rozkładowe ... 347

9.3. Polaryzacja elektrod i nadnapięcie ... 350

9.4. Elektroliza roztworów wieloskładnikowych. Przewidywanie produktów elektrolizy ... 353

9.5. Prawa elektrolizy Faradaya ... 359

9.6. Zastosowanie procesów elektrolizy ... 361

Ćwiczenie 9–1. Oznaczenie grubości osadzonej powłoki miedzianej i wydajności prądowej elektrolizy ... 364

Pytania i zadania ... 365

 

ROZDZIAŁ 10. METODY SPEKTROSKOPOWE ... 371

10.1. Klasyfikacja metod spektroskopowych ... 371

10.2. Spektroskopia w nadfiolecie i w zakresie widzialnym. Analiza kolorymetryczna ... 376

10.3. Prawo Lamberta-Beera ... 383

Ćwiczenie 10–1. Kolorymetryczne oznaczanie stężenia jonów Fe3+ ... 386

Pytania i zadania ... 390

 

ROZDZIAŁ 11. ANEKS ... 397

11.1. Dodatkowe tabele ... 397

11.2. Ważniejsze jednostki miar wielkości podstawowych i ich przeliczanie ... 412

Zadania ... 431

11.3. Sporządzanie i interpretacja wykresów funkcji otrzymanych na podstawie danych doświadczalnych ... 432

 

 

Skorowidz ... 439