ПӘнінің ОҚУ-Әдістемелік материалы

Лабараториялық жұмыс3

І. Жұмыстын мақсаты. Шекті араласатын заттардаң туратын системалармен танысу.

Фенол-су қос компонентті системаныі озара ерігіштік диаграммасын куру.

ІІ. Жұмысқа керекті заттар: Әр турлі қатынаста алынған фенол-су қоспасы бар ампулалар, термометр, су банясы, электроплтка, араластырғыш.

ІІІ. Теориялық бөлім: Барлық сұйықтарды бір-бірінде ерігіштігіне қарай бірнеше топқа боледі:

а) Бір-бірінде шекті еритін сұйықтықтар: Екі компонентті системалар анилин-су, фенол, метил спирт-гексан және т.б.

Үш компонентті системалар: су-эфир-янтарь

қышқыл нитрил, бензол-бромформ-құмырсқа

қышқылы, су-ацетон-ксилол және т.б.

б) Бір-бірінде шексіз еритін сұйықтықтар. Екі компонентті системалар: метил спирті-су, бензол-толуол, гептан-гексан жіне т.б. Үш компонентті системалар бензол-хлороформ-торт хлорлы коміртек, су-хлороформ-сірке қышқылы және т.б. Егер екі сұйықтықтарды бір-бірінде шекті еритін сұйықтар деп атайды. Мысалы ретінде су-анилин екі компонентті системасын алуға болады.

Егер белгілі температурада, мысалы 20⁰ С, судын белгілі молшеріне (ІІ-сурет, А нұқтес) үнемі араластыра отырып анилин қосатын, болсақ, анилиннің алғашқы порциялары суда еріп, біртекті ерітінді аламыз. Су анилинге толық қаныққан кезде (В нуктес) ерітіндіге анилинді коса туссек, суға қаныққан анилин қабаты (С нуктес) пайда болады. Алғашқыда бұл ерітіндінің, суға қаныққан анилин қабатының молшері аз болады. Анилинді қосу барысында әрбір қабаттың құрамы турақты құйде қалады да, олардың салыстырма мөлшері ғана өзгереді: судағы анилин мөлшері кеміп, анилиндегі су молшері арта түседі. Нәтижесінде сүдағы анилиннің қанық ерітіндісінең туратын қабат толық жойылады да, анилиндегі су ерітіндісі қалады. Оған анилинді қоса тусіп, мүмкіндігінше таза анилин қабатына жақындай туседі (Д нуктесі) Демек А нуктесінен В нуктесіне дейінгі аралықта анилиннін судағы біртекті ерітіндісі, ал С нуктесінен Д нуктесіне дейінгі аралықта судын анилиндегі біртекті ерітіндісі тузіледі. В нуктесінен С нуктесіне дейінгі аралық тендікте турған екі суйық фазадан, анилинге қаныққан су және суға қаныққан анилин фазаларынан турады. Берілген температурада олардын кұрамы туракты болады. Суйдық қабаттардын бетіндегі бу фазасы екеуіне де ортақ.

Температураны арттырғанда көптеген бір-бірінде шекті еритін суйықтықтардын озара ерігіштігі артады және оның белгілі бір мәнінде олар бір-бірінде шексіз еріп араласады. Бұл құбылысты түнгырет жан-жақты зерттеген орыс ғалымы В.Ф.Алексеев. Суйықтар бір-бірінде шексіз араласа бастайтын температураны ерудін критикалық температурасы деп атайды. Кейбір суйықтықтардың қоспасы үшін ерудін тек жоғарғы (аниоин-су, фенол-су, кукіртті коміртек-метилл спирті) кейбір суйықтықтардың қоспалары үшін тек томенгі (-коллодин-су, триметиламин-су), ал кейбір суйықтықтардың қоспалары үшін жоғарғы да, томенгі де (никотин-су) критикалық температурплары тән.

Жоғарыда қарастарылған су-анилин системасы үшін температураны біртіндеп арттыратын болсақ, суйықтардын озара ерігіштігі артады, ВС нодасы қысқара түседі, яғни қанық ертіндіге сәйкес келетін нуктелер озара жақындаса туседі (Е және Г, М және № нуктелері) К нуктесінде олар озара түйісіп, суйықтықтар осы нуктеген сәйкес келетін температурадан бастап, жоғары температуранын бәрінде бір-бірінде шексіз араласып, біртекті гомогенді суйық фаза түзеді. Анилин-су системасы үшін бұл температура-168⁰С және ол ерудін жоғары критикалық температурасы деп аталады. Бұл температурадан жоғары температурада анилин мен суды қандай қатынаста алса та системаның екі суйық фазаға болінуі болмайдыү ІІ-суреттегі ВК кисығы анилиннің температураға байланысты судағы ерігіштігінің артуын көрсетсе, СК кисығы судын анилиндегі ерігіштігінің артуын көрсетеді. Әдетте ВК және СК (немесе ВКС) кисыктарын бөліну кисыкта деп те атайды.

Бұл система үшін Гиббстік фазалар ережесін колдансак: бөліну облысында (ВКС кисыгының абсцисса өсімен шектелген бөлімі) еркіндік дәреже саны С=2-2+1=1 себебі компонент саны екеу-анилин және су, фаза саны екеу-сумен қаныққан анилин және анилинмен қаныққан су қабаттары, ал бөліну облысынан сырт облыста еркіндік дәреже саны с=2-1-1=2, компонент саны екеу-су және анилин, фаза саны біреу-анилин мен судын бір-біріндегі қанық ертінділері.

Кейбір суйықтықтар бір-бірінде томенгі температурада жақсы араласып ери бастайды, яғни температураны томендетенде олардың бір-біріндегі еркігіштігі арта туседі. Бұл процесс негізінен бір-бірімен әрекеттесіп, химиялық қосылыс түзуге бейім суйықтықтардың коспасы үшін тән. Температураны томендеткенде олар да бір-бірінде араласып шексіз ериді. Бұл кездегі температурасы деп атайды.

Мысалы, -коллидин-су системасы үшін ерудін томендегі критикалық температурасы – 12,5⁰С. Одан томенгі температурада бұл суйықтықтар оза кез-келген қатыста араласып, бір-бірінде шексіз ериді. Суйықтықтарды озара ерігіштік диаграммасын пайдаланып системаның кез келген нуктесіндегі құрамын және фазалардың сандық қатынасын анықтауға болады Мысалы, нуктесінде коспаның жалпы құрамы х, бірінші фазаның (анилинмен қаныққан су қабаты) құрамы х, екінші фазаның (сумен қаныққан анилин қабаты) құрамы х₂. Фазалардың салыстырмалы молшерін ЕГ нодасы бойынша иін ережесімен анықтайды:

бірінші фазаның массасы

екінші фазаның массасы

Алынган мэліметтер бойынша есептеулер: Боліну температурасы-курам диаграммасын сызу. Ерудін критикалык температурасын аныктау. 3. Гиббсін фазалар ережесін негізгее алып, алынган диаграмманы анализдеу.

V. Бакылау сурақтары мен есептер.

1. 
   Суйықтақтарды озара ерігіштігіне қарай қалай топтайды? Нақтылы мысалдар келтіріндер.
   
2. 
   Суйықтықтардың озара ерігіштігіне температураның әсері қандай?
   
3. 
   Шекті араласатын суйықтықтар деп қандай заттарды айтады? Ерудін критикалық температурасы дегеніміз не? Оларды қалай аныктауға болады?
   
4. 
   Қос компонентті системаның құрам-еру температурасы диаграммасың анаоизденіздер.
   
5. 
   Құрам-еру температурасы диаграммасың пайдаланып, системаның құрамың және фазалар молшерінің қатынасың қалай анықтайға болады?
   

Лабараториялық жұмыс4

ҚАМЫС ҚАНТЫНЫҢ ИНВЕРСИЯЛАНУ РЕАКЦИЯСЫ ЖЫЛДАМДЫҒЫНЫҢ КОНСТАНТАСЫН АНЫҚТАУ

ІІ.Жұмыстың мақсаты: Оптикалық әдістің біреуімен танысып, кинетикалық параметрлерді зерттеу.

ІІІ.Жұмыстың орындалу барысы: Поляриметр аспабының жұмыс істеу әдісін меңгеру және оқытушының нұсқауымен әртүрлі гомогенді катализаторлар қатысында сахароза ерітіндісінің айналу бұрышын өлшеу. Реакция жылдамдығының орташа константасын графикалық және аналитикалық жолмен анықтау.

ІV.Теориялық бөлім: Қант инверсиясы сахарозаның гидролитикалық айырылу С₁₂Н₂₂О₁₁+Н₂О болып табылады. Айырлу нәтижесінде глюкоза мен фруктозаның түзілуі жазықтың поляризациясында айналу бұрышы бағытының өзгеруімен жүреді:

С₁₂Н₂₂О₁₁ + Н₂О → С₆Н₁₂О₆ + С₆Н₁₂О₆

глюкоза фруктоза

Бұл реакция қайтымсыз және механизмі бойынша бимолекулярлық реакция. Осыдан оның жылдамдығы келесі теңдеумен есептеледі:

-dC/dt = kC (С₁₂Н₂₂О₁₁ + Н₂О) (1)

Инверсия сулы ерітіндіде жүретіндіктен, судың молярлық концентрациясы сахарозаның молярлық концентрациясынан көп, яғни реакция әсерінен судың системадағы жалпы судың мөлшерімен салыстырғанда аз және оның мөлшері концентрлі ерітіндіде тұрақты деп есептеуге болады. Сондықтан (1)-теңдеуді былай жазылады:

-dC/dt = k^/C (С₁₂Н₂₂О₁₁)

Осыдан инверсия жылдамдығы тек қана қанттың концентрациясына тәуелді, өйткені реакция бірінші ретті реакция түрінде жүреді және қанттың инверсия жылдамдығының константасы келесі теңдеумен есептеледі:

k = (l/t) ln (Co/Co – C x)

Мұндағы, Со – бастапқы ерітіндідегі қанттың концентрациясы;

Сх – белгілі уақыт аралығында реакцияға түскен қанттың концентрациясы;

Со – Сх – берілген уақыттағы қанттың концентрациясы.

Қанттың инверсиясының жылдамдығы нейтралды ортада өте аз. Сутек ионының қатысуы катализатор болып, реакцияны жылдамдатып бақылауға мүмкіншілік жасайды. Инверсия жылдамдығы ерітіндідегі сутек ионының концентарциясына пропорциионал.

Сахароза және оның гидролиз өнімі оптикалық активті заттар. Өйткені олардың әрбіреуінің молекуласында ассиметриялық көміртек атомы бар. Поляризленген жарықты ерітінді арқылы өткізгенде оптикалық активті заттар поляризация жазықтығында бұрылады. Поляризация жазықтығында айналу бұрышы /қысқаша – айналу бұрышы/ концентрациясымен /С/ және ерітінді қабатының қалыңдығымен /l/ байланысты: d = +[a]cl.

[a] шамасы с = 1 және l = 1 дм болғанда меншікті айналу деп аталады. «+» және «-» белгілері оңға және солға айналуды көрсетеді. Қамыс қантының айналу бұрышы [a] =+66,55⁰, глюкозанікі [a] =+52,56⁰, фруктозанікі [a] =-91,99⁰.

Оптикалық активті заттардың қоспаларының айналу бұрышы жеке заттардың айналу бұрыш торының алгебралық қосындысына тең /қоспаның айналу бұрышының аддитивті қасиеті/.

Ерітіндінің айналу бұрышын поляриметр көмегімен анықталуының негізгі бөліктері поляризатор /3,4/ және анолизатор /6/ болып табылады. Поляризатор және анолизатор ролін Николь призмасы атқарады. Жазықтыққа, басты қиылысу призмасының перпендикуляр жазықтығына поляризацияланған жарықты жақсы өткізеді, ал басты қиылысу жазықтығына поляризацияланған жарықты өткізбейді.

Поляриметрдің схемасы:

1 – жарық көзі, 2 – светофильтр, 3,4 – поляризаторлар, 5 – ерітінді құйылған трубка, 6 – анализатор, 7– шкала, 8 – окуляр.

Егерде поляризатормен анолизатордың призмасында асты қиылысу параллель орнықтырылса /Николи параллельді/, онда поляризатор мен поляризацияланған жарық анолизатор арқылы өтеді. Егерде басты қиылысу перпендикулярлы болса /Николи шағылыстырған/, онда жарық анолизатормен өшіріледі. Басты қиылысу басқадай өзара орналасса жарықтың интенсивтілігі нольден максимумға дейін өзгереді.

Негізінен поляризатор екі Николь призмасынан құралады. Оның біреуі окуляр арқылы байқалған барлық көру тақтасын жабады, ал екіншісі оны жартылай жабады. Призманың басты қиылысу үлкен призманың басты қиылысуына қарағанда аз бұрышпен /38/ орнықтырылады. Анолизатор призмасы аспаптың оптикалық осінің маңайында айналуы мүмкін. Оның айналуы нәтижесінде көру тақтасының жарықтылығы өзгереді.

Егерде анолизатордың басты қиылысу призмасын поляризатордың басты қиылысу үлкен призмасына перпендикуляр орнатса, онда тақтаның жартысы /призмалардың шағылуына жауап береді/ қара болады. Екінші жартысы шағылуға кедергі жасайтын кіші призманың болуынан жарық болады. Егерде анолизаторды тақтаның қарама-қарсы жағы қараңғы болғанға дейін айналдырса, онда бірінші жартысы жарық болады. Сол кезде нольдік жағдай орнайды: анолизаторды аздап оңға және солға айналдырса көру тақтасында жартылай көлеңке түзіледі /осыдан бұл поляриметрдің типі жартылай көлеңкелі деп аталады/. Көздің көру сезімталдығының күшімен нольдік жағдайды нақты анықтауға болады.

Егерде анолизатормен поляризатор арасындағы нольдік жағдайға оптикалық қасиеті бар заттың ерітіндісі құйылған трубканы қойса, онда жартылай көлеңке пайда болады. Нольдік жағдайға қайта келу үшін, анолизаторды сондай бұрышқа айналдыру керек. Осы бұрыш анолизаторды айналдырғанда қозғалатын шкаладан 0,1⁰ дейін дәлдік пен нониус көмегімен есептеледі. Жарық көзі монохроматты. Ақ жарықта светофильтр қолданылады.

V.Тәжірибелік бөлім:

5.1. Жұмыстың орындалу барысы: Қанттың қажетті концентрациялы ерітіндісін дайындайды. Ерітіндінің көлемі поляриметриялық трубканың көлемінен 2-3 есе артық болуы керек. Егерде ерітінді лайланған болса оны фильтрлейді. Анолизатордың нольдік жағдайын табады. Ол үшін анолизатор көмегімен екі тақтаның жақсы көрінетін жарықтылығының айырмасын орнықтырады. Содан кейін анолизаторды айналдырып, жарықтылықтың теңесуіне жетіседі. Қажетті анық көрінетін жарықтылыққа окулярды қозғалту арқылы жетісіп, жарықтың көзін поляризатордан белгілі бір қашықтыққа және соған сәйкес биіктікке орнықтырады. Есепті нониус көмегімен шкалада жүргізеді. Анолизаторды айландыру арқылы тақтаның бөлігін жарықтылықтың жақсы көрінетін жағына әкеледі. Содан кейін қарама-қарсы айналдырып жарықтылықтың бірдей болатын бөлігіне әкеліп жазады. Осыны /3-5рет/ қайталап жақсы көрінетін /+0,1⁰ дейін дәлдікпен/ есепке жетісіп, алынған мәндердің орташа есебін нольдік жағдай деп алады.

Таза поляриметр трубкасын шайып зерттелетін ерітіндімен толтырады. Ол үшін трубканы вертикаль бағытта ұстап толтырады. Содан кейін қақпағымен трубка ішінде ауа көпіршіктері қалмайтындай етіп жабады. Ауа көпіршіктері бақылауға кедергі жасайды. Ерітіндінің айналу бұрышын анықтайды. Содан кейін екі колбаға белгілі көлемді қант ерітіндісін Уқ, концентрациялы белгілі Уқ күшті қышқыл құяды. Екі колбаны 10-15 минут тәжірибе температурасы бойынша /су термостатында/ ұстайды, содан кейін бір-біріне құйып араластырады. Бір-біріне құйған уақытты белгілейді, бұл реакцияның басталу кезеңі. Оған бастапқы бұрыш α₀ = (α₀^/ - α_n)V жауап береді, мұндағы У-қант ерітіндісінің көлемдік үлесі: У = Vқ(Vқ+Vқышқ.).

Қант ерітіндісінен поляриметриялық трубканы 2-3 рет 3-5 мл алынған қоспамен шайып, алынған қоспамен трубканы толтырып термостатқа қояды. Өлшеуді реакцияның басында 5-10 мин. аралықта, ал реакция соңында 15-30 мин. аралықта жүргізеді. Қанттың инверсиясы катализатордың концентрациясына байланысты бөлме температурасында 1-5 тәулікте аяқталады. Бірақта оны 60-70⁰С температурада аяғына дейін жүргізуге болады. Сондықтан реакциялық қоспаның жеке бөліктерін алдын-ала 60-70⁰С температурада термостатқа 30-40 мин. қояды. Осындай жолмен алынған соңғы айналу бұрышы теріс мәнді, өйткені ерітіндіде солға айналатын глюкоза және фруктоза болады. Айналу бұрышының кез-келген аралығы ерітіндіде үш заттың болуымен анықталады. Мәселен, t₁ уақыт кезеңінде қанттың У₁ инверсияланбаған мөлшері қалады. Айналу бұрышы осы мөлшермен анықталады. Ол α₀У₁ тең. Екінші жағындағы инверсия өнімінің мөлшері 1-У₁ тең. Реакция соңында өнімнің айналу бұрышы α_∞ тең, ал t₁ уақыт кезеңінде ол α_t(1-У₁) тең болады. Аддитивті айналу бұрышы кезінде уақыт кезеңінде α₁= α₀У₁+ α_∞(1-У₁), осыдан У₁ = (α₁- α_∞ )/( α₀- α_∞). Сондай-ақ уақытша: У₂ = (α₂- α_∞ )/ ( α₀- α_∞). t₁ және t₂ уақытта инверсияланбаған қанттың концентрациясы СоУ₁ және СоУ₂ болады.

Осыдан инверсия жылдамдығының константасы мынаған тең:

K = [2,303/ (t₂ -t₁)] lg(α₁- α_∞ )/ (α₂- α_∞ );

Егерде t₁=0, α₁ =α₂, ал t₂= t, α₂= α_t, онда K = [2,303/ t] lg(α₁- α_∞ )/ (α₂- α_∞ ).

Осы формуламен К есептеледі.

5.2. Өлшеу қателігінің бағасы: теңдеудің дифференциалдаумен логарифмдеуден кейін алынатыны:

∆K/K = ∆t₁/t + 2∆ α/ ( α₀- α_∞)2,3lg ( α₀- α_∞) + 2∆α/(α₁- α_∞ )2,3lg( α₀- α_∞)

Реакцияның басында қателік уақытты белгілеуде /мысалы, 10 мин. кейін +10 құрайды/ кетсе, онда бұрышты өлшеуде кеткен қателік артады. Оның кемуінен және реакция соңында ерекше болады. Сондықтан әртүрлі уақыт кезеңінде есептелген константа мәндері бір-біріне сәйкес келмейді. Осының салдарынан әртүрлі уақыт кезеңінде алынған реакция жылдамдығының константаларынан орташа константа мәнін табады.

5.3. Есеп беру формасы:

Температура........................................................С⁰

Қоспаның бастапқы айналу бұрышы..................

Инструментальды түзеткіш.................................

Араластыру кезеңі.................сағат...........минут

Қанттың айналу бұрышы.....................................

1-кесте.

Үлгі №	Астрономиялық уақыт	Реакцияның бастапқы уақыты, мин	Табылған бұрыш	Түзеткішпен бірге бұрыш	К	С,ері тінді
1	1115	0	11	83
2	1115-1130	15	9	81
3	1145-1200	30	7	79
4	1200-1215	45	5	77
5	1215-1230	60	4	76
6	1230-1245	75	4	76
7	1245-1300	90	4	76
∞	1300-1330	120	4	76

Графиктер: (α_t+ α_∞) = f(t); lg(α_t- α_∞) = f(t).

VІ.Бақылау сұрақтары:

5.1. Неліктен сахарозаның гидролиздену реакциясында айналу бұрышының өзгеруі байқалады?

5.2. І ретті мономолекулалық қайтымсыз реакцияның жылдамдық константасының математикалық теңдеуін жазып, ондағы мүшелерді түсіндір?

5.3. Химиялық жолмен реакцияның кинетикасын оқып-үйреніп оптикалық әдістің артықшылығы неде?

Лабараториялық жұмыс5

АцетонныҢ йодтану реакЦиясын анықтау.

I.ЖҰмыстың маҚсаты:

Қышқылдық ортада ацетонның йодтану реакциясының жылдамдық константасының орташа мәнін анықтау.

H⁺

СН₃СООН₃ +J₂—►СН₃СОСН₂ J/Н + J^- (1)

II -ЖумыстЫҢ орындалу барысы:

Қышқылдық ортада ацетонның йодтану реакциясының жылдамдық константасының орташа мәнін анықта.

Қышқылдық ортада ацетонның йодтану процессі автокаталитикалық болып табылады және екі сатыда жүреді.

І.Ацетонның энализациялану реакциясы:

Н⁺

СН₃-С-СН₃ —► СН ₃-С=СН₂

О ОН (1)

СН₃-С =СН₂ + J₂ —► СН₂ -С-СН₂ J+Н⁺ + J^-

(2)

ОН О

С - Сутегі ионының бастапқы концентрациясы;