Производство  ->  Химическая промышленность  | Автор: | Добавлено: 2015-05-28

Изучение влияния природы и массы вещества на температуру замерзания раствора

Растворы интересуют всех. Вода – самая интересная, самая популярная и самая загадочная из всех жидкостей на земле. Тысячи лет человек восхищается, любуется и наслаждается водой. И все это время, пользуясь водой, люди не переставали задумываться о ее происхождении, составе и свойствах.

Воде уделяется сейчас много внимания, эта удивительная жидкость раскрывается с разных сторон. Изучение свойств и особенностей воды было неразрывно связано с изучением водных растворов. И хотя уже многое сделано в этой области, но далеко еще не все проблемы в теории растворов решены в настоящее время. Теория растворов и на сегодняшний день оказывается одной из наименее изученных и наиболее сложных областей науки.

В настоящем исследовании, прежде всего, выясняется, что такое раствор; как взаимодействует растворенное вещество и растворитель; что произойдет, если к воде будет добавлено какое-либо вещество, например, поваренная соль или сахар и т. д.

Одно из самых удивительных свойств растворов можно наблюдать зимой на улице: когда слежавшийся снег или лед посыпают солью, они начинают таять даже в самый сильный мороз! Происходит это потому, что раствор соли в воде замерзает при более низкой температуре, чем чистая вода!

В данной работе были проведены опыты с некоторыми веществами, использующимися в быту (поваренная соль, сода, сахар, уксус) с целью изучения их способности понижать температуру замерзания воды. Изучение температур замерзания растворов называют криоскопией. Криоскопия – греческое слово, обозначающее «наблюдение охлаждения».

В ходе исследования было установлено, что понижение температуры замерзания раствора зависит не только от химической природы растворенного вещества, но и от его массы. С увеличением массы растворенного вещества уменьшается температура замерзания раствора. Понижение температуры замерзания при образовании растворов находит разнообразное практическое применение. Для охлаждения в зимних условиях двигателей внутреннего сгорания вместо воды используются антифризы (от греческого «анти – против» и английского «freeze – замерзать»). Наиболее распространены антифризы на основе смеси воды и этиленгликоля (двухатомный спирт). Этиленгликоль замерзает при -13,2оС. С повышением концентрации этиленгликоля температура замерзания раствора постепенно понижается, достигая -49,3оС при 60 % этиленгликоля (по массе).

ПОСТАНОВКА ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ

1. Ознакомиться с понятиями «раствор, растворенное вещество, растворитель, растворение вещества».

2. Научиться готовить растворы.

3. Изучить влияние природы и массы вещества на температуру замерзания раствора.

ОБОРУДОВАНИЕ И РЕАКТИВЫ

Для измерения температуры использовался ртутный термометр. Для измерения массы вещества использовалась чайная ложка. Объем воды измерялся с помощью мерной кружки.

Вещество Масса в 1 чайной ложке, г

Поваренная соль 5

Сода 12

Сахар 10

Объем воды во всех опытах составлял 100 мл, таким образом, масса воды всегда была одинакова и равна ~ 100 г.

МЕТОДИКА ЭКСПЕРИМЕНТА

Растворяемое вещество отмерялось с помощью чайной ложки и помещалось в пластмассовую кружку. Растворение производилось в отмеренном количестве теплой или горячей воды. Затем в раствор погружался термометр. Измерения производились с использованием естественного охлаждения на морозном воздухе. В координатах «время – температура раствора» были построены кривые охлаждения. Начало затвердевания фиксировалось визуально, а также по изменению температуры: после начала появления льда температура не изменяется, пока не застынет вся вода. Т. е. температура на улице составляет -20о, а термометр, погруженный в раствор, где происходит замерзание, показывает температуру замерзания (например, -5оС) в течение нескольких часов.

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ

Растворы

Раствор – это однородная система, полученная из двух или более составных частей (компонентов). Массы веществ, взятых для приготовления раствора, могут изменяться в широких пределах.

Всякий раствор состоит из растворенных веществ и растворителя, т. е. среды, в которой эти вещества равномерно распределены в виде молекул. Обычно растворителем считают тот компонент, который в чистом виде существует в таком же агрегатном состоянии, что и полученный раствор. В данной работе, где изучаются водные растворы соли, растворителем, конечно же, является вода.

Однородность растворов делает их прозрачными. Растворение кристалла в жидкости протекает следующим образом. Когда вносят кристалл в жидкость, в которой он может растворяться, от его поверхности отрываются отдельные молекулы. В результате перемешивания молекулы растворенного вещества равномерно распределяются по всему объему растворителя.

При растворении некоторых веществ мы наблюдаем изменение температуры. При растворении в воде поваренной соли наблюдалось понижение температуры с 19оС до 18оС. К 100 мл воды было добавлено 4 чайных ложки соли. При добавлении к 100 мл воды 2 чайных ложек уксуса наблюдалось повышение температуры с 19оС до 19,5оС. В ходе эксперимента также было определено, что растворение веществ лучше происходит в горячей воде. Поэтому растворы готовились растворением в горячей или теплой воде.

Криоскопия

Наблюдение охлаждения позволило установить, что лучше всего понижает температуру замерзания воды поваренная соль. Добавление к 100 мл воды 4 чайных ложек соли приводит к тому, что раствор не замерзает до температуры -21оС. Поэтому можно сделать вывод, что поваренная соль может растопить лед даже при температуре -21оС. В 1 приведены экспериментальные данные охлаждения различных растворов поваренной соли.

Криоскопия растворов соли.

Масса соли,г mсоли = 5 mсоли = 7

Время, мин 0

наблюдаемая вычисленная по формуле

5 -3 -3

7 -5 -4,5

10 -8 -6

12 -10 -8

15 -15 -10

18 -21 -11,5

20 - -12,7

Уравнение (1) было получено с использованием данных французского физика и химика Франсуа Мари Рауля (1830-1901 г. г. ). В 1885 г. он предложил формулы для определения температуры замерзания растворов. Согласно нашему исследованию в концентрированных растворах соли наблюдаются значительные отклонения от закона Рауля. Согласно формуле (1) зависимость температуры от массы растворенного вещества должна быть прямолинейная. Первые четыре точки (m = 5,7,10 и 12 г) хорошо отвечают этой зависимости. Для m = 15, 18 и 20 г наблюдается более сильное понижение температуры замерзания по сравнению с расчетным. Это объясняется тем, что закон Рауля соблюдается для разбавленных растворов органических веществ.

Пищевая сода – вещество, близкое по природе поваренной соли. Однако добавление соды к воде незначительно изменяло температуру замерзания. Причем увеличение массы добавленной соды почти не изменяло температуру замерзания раствора. Это объясняется тем, что сода значительно хуже растворяется в воде, чем соль. Полностью растворить в 100 мл воды не удалось и одной чайной ложки соды (это 12 г). Температуру замерзания раствора соды также можно посчитать по уравнению:

Тзам. = -0,44∙m(2)

Масса соды, г Температура замерзания, оС

наблюдаемая вычисленная по формуле

12 -2 -5

24 -3 -10,5

Из 3 видно, что с увеличением массы добавляемой соды температура замерзания не изменяется. Это связано с тем, что растворимость соды в 100 г воды составляет всего 8 г, остальное количество соды не растворяется и не влияет на температуру замерзания. В 4 приведены данные охлаждения растворов соды.

Криоскопия растворов соды

Масса соды, г mсоды = 12 mсоды = 24

Время, мин 0

наблюдаемая вычисленная по формуле

10 0 -0,5

20 -1 -1

В 6 приведены данные охлаждения растворов сахара.

Криоскопия растворов сахара и уксуса mсахара = 10 г mсахара = 20 г Vуксуса = 10 мл

0 10 45

Время, мин Т, оС Время, мин Т, оС Время, мин Т, оС

0 +22 0 +32 0 +26

15 +10 15 +16 30 +5

30 +3 30 +6 60 -1

40 -1 40 +3 70 -1

60 -5 60 -3

70 -6 80 -3

80 -7 90 -3

1. При добавлении кристаллического вещества к воде происходит его растворение, т. е. образование раствора – однородной прозрачной системы. Растворение сопровождается понижением температуры, если растворяют соль, или повышением температуры, если растворяют уксус.

2. Растворение происходит лучше в горячей или теплой воде. В холодной воде вещества растворяются хуже.

3. Изучение температуры замерзания растворов (криоскопия) показало, что сильнее всего понижает температуру замерзания воды добавление поваренной соли. Увеличением массы соли можно понизить температуру замерзания воды до -21оС. Из всех трех изученных веществ (соль, сода, сахар) соль наилучшим образом подходит для таяния льда.

Комментарии


Войти или Зарегистрироваться (чтобы оставлять отзывы)