X Международная студенческая научная конференция Студенческий научный форум - 2018

Измерение плотности двухкомпонентных растворов экспериментальным путем

В развитии учения о растворах выдающаяся роль принадлежит работам Д.И. Менделеева. В результате тщательного изучения свойств водных растворов серной кислоты и этилового спирта, а также ряда других систем Д.И Менделеев установил, что между молекулами компонентов раствора происходит химическое взаимодействие и что это имеет важнейшее значение для свойств растворов. Этим открытием было положено начало химической теории растворов. Продукты взаимодействия растворенного вещества растворителем называют сольватами, а в случае, когда растворителями является вода,- гидратами. Теорию растворов Менделеева называют поэтому сольватной или гидратной теорией растворов.

         Сольваты или гидраты не являются соединениями постоянного состава. Состав сольватов меняется в зависимости от концентрации раствора и температуры. С повышение температуры число молекул воды, гидратирующих ион, уменьшается и гидратированный ион становится менее сложным.

 Двухкомпонентная система уксусная кислота-вода

Образование молекулярных ассоциатов за счет водородных связей существенно влияет на свойства жидкостей и растворов. Наиболее отчетливо проявляется в аномально высоких температурах кипения, что особенно ярко видно на примере воды, спиртов и карбоновых кислот. Некоторые типы водородных связей сохраняются и при испарении вещества. Например, карбоновые кислоты образуют прочные димеры (рис. 1), которые для первичных членах ряда существуют и в парах.

 

Рис. 1. Димер уксусной кислоты.

В растворах электролитов протекают сложные взаимодействия растворенного вещества с растворителем, приводящие в зависимости от их свойств (кислотно-основная сила электролита и растворителя, дипольные моменты и полярность, диэлектрическая проницаемость, ионное произведение растворителя и т.д.) к образованию в одних случаях молекулярных сольватов, в других - к диссоциации сольватированных ионов, а в некоторых случаях - преимущественно к образованию ассоциированных частиц в виде ионных пар, тройников или еще более сложных ассоциатов. Таким образом, можно предположить, что в электролитных растворах нет свободных ионов и молекул.

Сольватационные эффекты возникают в результате взаимодействия молекул растворителя (большинство которых имеют дипольную природу) с частицами растворенного вещества. Большинство растворителей характеризуется полярной природой. Образование сольватов недиссоциированными молекулами обусловлена ван-дер-ваальсовыми и диполь-дипольными взаимодействиями, а образование сольватированных ионов - ион-дипольными взаимодействиями.

Процесс диссоциации, то есть растворения вещества в растворителе, протекает достаточно сложно. Например, уравнение диссоциации молекул уксусной кислоты в водном растворе на ионы водорода и ионы ацетата:

СН₃СООН = Н⁺ + СН₃СОО^-,

не отображает всех процессов, которые в действительности протекают при растворении уксусной кислоты в воде.

Диссоциация уксусной кислоты проходит под влиянием молекул растворителя Н₂О. В растворе происходит ряд процессов взаимодействия между молекулами растворяемого вещества, то есть уксусной кислоты в данном примере, и молекулами растворителя - воды, которые сопровождаются образованием новых частиц. В рассматриваемом примере молекулы воды отрывают от молекул уксусной кислоты ион Н⁺, который присоединяет к себе молекулу Н₂О:

Слабая кислота:

СН₃СООН + Н₂О = Н₃О⁺ + СН₃СОО^-

Так образуется гидратированный ион Н⁺, который называется ионом гидроксония. Ионы ацетата в свою очередь взаимодействуют с молекулами воды и образуют ионы ацетата, гидратированные молекулами Н₂О:

СН₃СОО^- + nН₂О = СН₃СОО^-× nН₂О

Значит, при электролитической диссоциации уксусной кислоты в водном растворе образуются ионы Н⁺ и СН₃СОО^- не в чистом виде, а в виде гидратированных ионов гидроксония и ацетата. Уксусная кислота проявляет в воде, как известно, слабые кислотные свойства.

            В растворах свободные ионы и молекулы отсутствуют, протекают не совсем обычные взаимодействия, а образуются в зависимости от свойств среды либо молекулярные сольваты, либо диссоциированные сольватированные ионы, либо ассоциаты.

         Для изучения плотности растворов системы CH₃COOH-H₂O был использован пикнометрический метод анализа.

         Для этого был выполнен следующий ход работы:

1.     Рассчитать объемы ледяной уксусной кислоты и воды, необходимые для приготовления растворов уксусной кислоты в воде следующих концентраций: 20%, 40%, 60%, 80% (по объему);

2.     Приготовить растворы указанных концентраций;

3.     Измерить их плотность при помощи пикнометра;

4.     Измерить показатель преломления этих растворов на рефрактометре;

5.     Сравнить полученные результаты с табличными значениями плотности и показателем преломления;

6.     Занести все данные в таблицу и построить графики зависимости концентраций данных веществ и график зависимости показателей преломления этих растворов.

 

Теоретически, график плотности (график 1.1) должен отражать линейную зависимость плотности от концентрации уксусной кислоты. Однако этого не происходит, а график отражает экспоненциальную зависимость. Предположением причины такого поведения графика служит образование сольватного комплекса, что косвенно доказывается нелинейностью изменения молярного объема.

Удельный объем возрастает линейно, монотонно, уменьшаясь с ростом концентрации кислоты.

После построения графика зависимости мольного объема смеси от концентрации раствора можно увидеть, что наибольшее отклонение его от аддитивности происходит в точке концентрации 20 мольных %, что позволяет судить об образовании ассоциата аниона уксусной кислоты (предположительно, CH­₃COO^- x nH₂O) в пределах данной концентрации.

График зависимости коэффициента преломления раствора от концентрации отражает практически линейную зависимость до точки концентрации в 80 объемных %, после чего происходит резкий спад вплоть до точки концентрации 100 объемных %.

 

Двухкомпонентная система этиловый спирт-вода

Этиловый спирт относится к ассоциированным жидкостям. Этиловый спирт образует ассоциаты в виде цепей:

 

 

Водно-спиртовые растворы представляют собой смешанные ассоциаты. Строение этих растворов в настоящее время не может считаться достаточно изученным. Применение к водно-спиртовым растворам упрощенных статистических моделей оказалось невозможным, поэтому для описания строения и свойств пользуются лишь качественными характеристиками.

Предполагают, что большая часть воды сохраняет тетраэдрическую структуру. Молекулы спирта, имеющие больший размер, при встраивании в структуру воды нарушают ее, тогда как встраивание молекул воды в структуру спирта не сопровождается существенным изменением последней. При растворении небольших количеств спирта структура воды все же сохраняется, претерпевая лишь незначительную деформацию.

С дальнейшим повышением концентрации спирта структура воды нарушается. В области средних концентраций спирта устанавливается динамическое равновесие ассоциатов из одинаковых молекул, агрегатов из разнородных молекул и одиночных молекул спирта и воды, т. е. происходит стабилизация структуры системы. Очевидно, что в этой области растворы имеют наибольшую микронеоднородность. При больших концентрациях спирта в растворе преобладает структура чистого спирта с включенными в неё молекулами воды.

Ход работы аналогичен обозначенному в пункте, при рассмотрении системы уксусная кислота - вода.

Теоретически, график плотности должен отражать линейную зависимость плотности от концентрации спирта. Однако этого не происходит. Предположением причины такого поведения графика служит образование сольватного комплекса, что косвенно доказывается нелинейностью изменения молярного объема.

Удельный объем возрастает линейно, монотонно, увеличиваясь с ростом концентрации спирта.

После построения графика зависимости мольного объема смеси от концентрации раствора можно увидеть, что наибольшее отклонение его от аддитивности происходит в точке концентрации 25 мольных %, причем отклонение, зафиксированное в данной системе, является самым большим среди трех исследованных систем и достигает 3 см³/моль, что позволяет судить об образовании ассоциатов спирта (предположительно в виде однородных цепей или колец) и равновесных им разнородных агрегатов в пределах данной концентрации.

График зависимости коэффициента преломления раствора от концентрации представляет собой параболическую зависимость (a<0) с точкой экстремума в области концентрации ок. 80 объемных %, после чего происходит монотонный спад до точки концентрации 100 объемных % .

 Двухкомпонентная система уксусная кислота-этиловый спирт

Ход работы при исследовании данной системы аналогичен ходу работы для предыдущих двух.

Теоретически, график плотности должен отражать линейную зависимость плотности от концентрации спирта. Однако этого не происходит. Предположением причины такого поведения графика служит образование сольватного комплекса, что косвенно доказывается нелинейностью изменения молярного объема.

Удельный объем возрастает линейно, монотонно, увеличиваясь с ростом концентрации спирта.

После построения графика зависимости мольного объема смеси от концентрации раствора можно увидеть, что наибольшее отклонение его от аддитивности происходит в точке концентрации 60 мольных %, что позволяет судить об образовании ассоциатов кислоты и спирта в пределах данной концентрации. Опыта изучения данной системы другими исследователями нет, однако можно предположить, что в растворе присутствуют однородные ассоциаты спирта, сольваты уксусной кислоты и молекул спирта а так же сольваты молекул уксусной кислоты и воды, т.к. в опыте использован спирт 96% концентрации, соответственно в растворе помимо двух исследуемых компонентов присутствует учтенная вода в незначительных количествах.

График зависимости коэффициента преломления раствора от концентрации представляет собой дугообразную кривую с точкой экстремума в области концентрации ок. 20 объемных %, после чего происходит спад до точки концентрации 100 объемных % .

Таблица 1. Теоретические и экспериментальные значения для системы уксусная кислота - вода

CH3COOH, Xоб.	CH3COOH, Xмол.	С, моль/л	m0, г.	m, г.	d (T=298K), г·см3		1/d, см3·г-1	VM (T=298K), см3·моль-1			∆VM, см3·моль-1	n
					теор.	эксп.		теор.	псевд.	эксп.
0,0	0,00	0,00	22,49	47,58	1,00	1,00	1,00	18,00	18,00	17,99	0,01	1,3340
0,2	0,07	3,50		48,00	1,01	1,02	0,99	25,83	26,14	25,95	0,13	1,3490
0,4	0,17	7,00		48,23	1,02	1,03	0,98	33,66	34,12	33,91	0,25	1,3613
0,6	0,32	10,50		48,44	1,03	1,03	0,97	41,49	41,94	41,75	0,27	1,3715
0,8	0,56	14,00		48,63	1,04	1,04	0,96	49,31	49,62	49,51	0,19	1,3776
1,0	1,00	17,50		48,84	1,05	1,05	0,95	57,14	57,14	57,11	0,03	1,3723

 

Таблица 2. Теоретические и экспериментальные значения для системы этиловый спирт - вода

C2H5OH, Xоб.	C2H5OH, Xмол.	С, моль/л	m0, г.	m, г.	d (T=298K), г·см3		1/d, см3·г-1	VM (T=298K), см3·моль-1			∆VM, см3·моль-1	n
					теор.	эксп.		теор.	псевд.	эксп.
0,00	0,00	0,00	23,49	48,68	1,0000	1,00	1,00	18,00	18,00	17,99	0,01	1,3330
0,20	0,07	3,48		47,94	0,9686	0,97	1,04	25,88	24,37	24,29	1,58	1,3470
0,40	0,17	6,97		47,11	0,9352	0,94	1,08	33,76	31,22	31,12	2,64	1,3580
0,60	0,30	10,45		46,04	0,8911	0,90	1,13	41,64	39,05	38,84	2,80	1,3633
0,80	0,54	13,94		44,70	0,8434	0,84	1,19	49,52	47,90	47,94	1,58	1,3649
0,96	0,87	16,72		43,65	0,8014	0,80	1,24	55,82	56,00	56,03	0,21	1,3631

 

Таблица 3. Теоретические и экспериментальные значения для системы этиловый спирт - уксусная кислота

C2H5OH, Xоб.	C2H5OH, Xмол.	С, моль/л	m0, г.	m, г.	d (T=298K), г·см3		1/d, см3·г-1	VM (T=298K), см3·моль-1			∆VM, см3·моль-1	n
					теор.	эксп.		теор.	псевд.	эксп.
0,0	0,00	0,00	22,44	48,76	1,0498	1,05	0,95	57,15	57,15	57,17	0,02	1,3723
0,2	0,19	3,34		47,49	0,9937	1,00	1,01	57,68	57,56	57,27	0,41	1,3735
0,4	0,39	6,69		46,12	0,9376	0,94	1,07	58,21	58,02	57,62	0,59	1,3721
0,6	0,59	10,03		44,72	0,8815	0,89	1,13	58,74	58,54	58,08	0,65	1,3704
0,8	0,79	13,38		43,26	0,8254	0,83	1,21	59,27	59,12	58,79	0,48	1,3671
1,0	1,00	16,72		41,75	0,7693	0,77	1,30	59,79	59,79	59,75	0,05	1,3635

 

Код для цитирования: Скопировать