Физическая химия. Лабораторный практикум

Министерство образования и науки Российской Федерации 

НОВОСИБИРСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ 
__________________________________________________________________________ 
 
 
 
 
 
Е.В. ТИМАКОВА, А.А. КАЗАКОВА 
 
 
 
ФИЗИЧЕСКАЯ ХИМИЯ 
 
ЛАБОРАТОРНЫЙ ПРАКТИКУМ 
 
 
Утверждено Редакционно-издательским советом университета  
в качестве учебного пособия 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
НОВОСИБИРСК 
2018 

УДК 544(075.8) 
Т 41 
 
 
Рецензенты:  
д-р хим. наук, профессор Н.Ф. Уваров 
канд. хим. наук, доцент А.И. Апарнев 
 
Работа подготовлена на кафедре химии и химической технологии  
для студентов, обучающихся по техническим направлениям 
 
Тимакова Е.В. 
Т 41          Физическая химия. Лабораторный практикум: учебное пособие / Е.В. Тимакова, А.А. Казакова. – Новосибирск: Изд-во 
НГТУ, 2018. – 80 с. 

ISBN 978-5-7782-3574-8 

Настоящее издание является частью учебно-методического комплекса по дисциплине «Физическая химия» и включает в себя практические работы по дидактическим единицам: «Растворы электролитов», «Неравновесные явления в растворах электролитов», «Равновесие электрохимических процессов» и «Поверхностные явления и адсорбция». Разработано в соответствии с ФГОС ВО 3+ и рабочей программой по дисциплине «Физическая химия». Предназначено для 
студентов, обучающихся по направлениям 18.03.01 – Химическая 
технология и 18.03.02 – Энерго- и ресурсосберегающие процессы в 
химической технологии и биотехнологии. 
 
 
 
 
 
 
 
 
УДК 544(075.8) 
 
ISBN 978-5-7782-3574-8 
 
 
      © Тимакова Е.В., Казакова А.А., 2018 
© Новосибирский государственный    
технический университет, 2018       

ОГЛАВЛЕНИЕ 

Введение .................................................................................................................. 4 
1. Буферные растворы и их свойства ................................................................ 5 
Практическая работа ......................................................................................... 7 
Опыт 1. Приготовление буферных растворов ............................................. 7 
Опыт 2. Определение буферной емкости ..................................................... 9 
Опыт 3. Построение буферной кривой ....................................................... 10 
Опыт 4. Буферирование раствора при разбавлении .................................. 11 
Опыт 5. Влияние буферного раствора на гидролиз ................................... 12 
Задания для самостоятельной работы ........................................................... 12 
2. Электрическая проводимость  растворов электролитов ........................ 15 
Практическая работа ....................................................................................... 21 
Опыт 1. Измерение удельной электропроводности  растворов 
сильных электролитов .................................................................................. 21 
Опыт 2. Измерение удельной электропроводности растворов  
слабых электролитов .................................................................................... 23 
Опыт 3. Определение произведения растворимости  
труднорастворимой соли ............................................................................. 24 
Опыт 4. Кондуктометрическое титрование................................................ 26 
Задания для самостоятельной работы ........................................................... 27 
3. Гальванические элементы.  Электролиз водных растворов .................. 29 
Практическая работа ....................................................................................... 41 
Опыт 1. Гальванический элемент Даниэля–Якоби ................................... 41 
Опыт 2. Концентрационный гальванический элемент .............................. 43 
Опыт 3. Электролиз водных растворов ...................................................... 45 
Задания для самостоятельной работы ........................................................... 47 
4. Адсорбция уксусной кислоты  на активированном угле ........................ 50 
Практическая работа ....................................................................................... 53 
Опыт 1. Приготовление растворов уксусной кислоты .............................. 54 
Задания для самостоятельной работы ........................................................... 56 
Библиографический список ................................................................................. 57 
Приложения ........................................................................................................... 58 
 

 
 
 
 
 
 
 
ВВЕДЕНИЕ 
 
Издание является составной частью учебно-методического комплекса по дисциплине «Физическая химия», в состав которого входят 
практические работы по дидактическим единицам: «Растворы электролитов», «Неравновесные явления в растворах электролитов», «Равновесие электрохимических систем» и «Поверхностные явления и адсорбция». 
Каждая работа направлена на практическое закрепление изучаемого теоретического материала в рамках указанных дидактических единиц курса.  
Предлагаемые в рамках практических работ опыты направлены на 
развитие способности студентов применять на практике профессиональные знания и умения. 
Пособие дополнено справочным материалом, который будет полезен студентам при освоении теоретического курса дисциплины, а также для их самостоятельной внеаудиторной работы. 
Общие правила работы в химических лабораториях и оформление 
отчета по лабораторной работе представлены в приложении 2. 
 
 

1. БУФЕРНЫЕ РАСТВОРЫ И ИХ СВОЙСТВА 
 
Буферные системы (или буферные растворы) – это растворы, 
способные сохранять приблизительно постоянное значение рН при 
добавлении к ним небольших количеств сильных кислот и оснований.  
Чаще всего в качестве буферных растворов используют: 
1) смеси растворов слабых кислот и их солей, например ацетатный 
буферный раствор, состоящий из уксусной кислоты (CH3COOH) и ацетата натрия (CH3COONa), – кислотный буфер; 
2) смеси растворов слабых оснований и их солей, например аммонийный буферный раствор, состоящий из гидроксида аммония 
(NH4OH) и хлорида аммония (NH4Cl), – основный буфер; 
3) смеси растворов солей многоосновных кислот различной степени замещения, например фосфатный буферный раствор, состоящий из 
гидрофосфата (Na2HPO4) и дигидрофосфата (NaH2PO4) натрия. 
Способность буферных растворов поддерживать постоянство рН 
при добавлении к ним небольших количеств сильной кислоты или 
сильного основания основана на том, что одна составная часть буферного раствора может взаимодействовать с H+ прибавляемой кислоты, а 
другая – с OH– прибавляемого основания. Вследствие этого буферная 
система может связывать как H+, так и OH– и до определенного предела сохранять постоянство величины рН.  
Рассмотрим различные варианты буферных систем. 
1. Буферная система, содержащая слабую кислоту и ее соль, – кислотный буфер (например, водный раствор муравьиной кислоты и 
формиата натрия). 
Гидролиз соли формиата натрия подавлен наличием в растворе 
кислоты, поэтому можно считать, что концентрация формиат-ионов 
практически равна исходной концентрации соли: 

 
[HCOO–] = ссоли. 

Диссоциация муравьиной кислоты подавлена присутствием соли, 
поэтому концентрацию недиссоциированной муравьиной кислоты 
можно принять равной ее начальной концентрации:  

 
[HCOOН] = скислоты, 

 
НСООН
Н
НСОО




,   



НСОО
Н

НСООН
a
K




 



 


. 

Отсюда концентрация ионов [H+] и рН раствора будет следующей: 

 


кислоты

соли

НСООН
Н
НСОО

a
a
K
K c
c




 







, 
(1.1) 

 
кислоты

соли
рН
р
lg
а
c
K
c


. 
(1.2) 

2. Буферная система, содержащая слабое основание и его соль, – 
основный буфер (например, водный раствор аммиака и хлорида аммония). 
Концентрация ионов ОН– и рН в растворах основных буферов вычисляется по формулам, аналогичным формулам кислотного буфера: 

 

осн

соли
ОН
b
K c
c



 


,    
осн

соли
рОН
р
lg
b
c
K
c


, 
(1.3) 

 

осн

соли
рН
14
р
lg
b
c
K
c



. 
(1.4) 

Уравнения (1.2) и (1.4) называются уравнениями Гендерсона–
Гассельбаха. Анализ уравнений Гендерсона–Гассельбаха позволяет 
сформулировать одно из основных свойств буферных растворов. Так 

как при разбавлении буферных растворов соотношения 
кислоты

соли

c
c
 или 

соли

осн
c
c
 остаются постоянными, то рН буферных растворов не меняется 

при их разбавлении. 

Способность буферного раствора поддерживать постоянное значение рН определяется его буферной емкостью. Она характеризуется 
количеством вещества (моль) сильной кислоты или основания, которое 
нужно добавить к 1 л буферного раствора, чтобы изменить рН на единицу. Математически буферная емкость равна 

 
рН
dx
d
 
, 
(1.5) 

где dx – концентрация сильной кислоты или основания, равная изменению концентрации соответствующего компонента буферного раствора. Если добавляется сильная кислота, то 
кислоты
dx
dc

, а если 
сильное основание, то 
осн
dx
dc

. 
Максимальное значение буферной емкости имеет раствор, в котором 
слабого электролита
рН
рK

, т. е. раствор, в котором концентрации 
компонентов буферного раствора равны между собой. Поэтому буферные свойства растворов проявляются сравнительно в узкой области 
рН, центр которой близок к значению рK. 

ПРАКТИЧЕСКАЯ РАБОТА 

Цель работы: исследовать свойства буферных растворов (зависимость рН от состава буферного раствора, определить буферную емкость и влияние разбавления на рН буферного раствора), построить 
буферную кривую, изучить влияние буферного раствора на процесс 
гидролиза. 
Оборудование и реактивы: рН-метр; стеклянный комбинированный электрод; бюретки – 2 шт.; мерные колбы на 50 мл – 7 шт., на 
100 мл – 1 шт.; мерные пипетки на 10 мл – 1 шт., на 5 мл – 1 шт.; раствор 0,5 М СН3СООН, раствор 0,5 М NaOH; раствор 0,1 М NaOH, раствор 0,1 М HCl, раствор 0,05 М Na2CO3, раствор 0,05  М Na2SO4. 

Опыт 1. Приготовление буферных растворов 

Для приготовления буферных растворов используются растворы 
СН3СООН и NaOH с концентрацией 0,5 моль · л–1. Согласно табл. 1.1 
приготовьте серию буферных растворов. Необходимое количество  

растворов, отобранное с помощью мерных пипеток (или бюреток), 
внесите в пронумерованные мерные колбы на 50 мл, доведите их до 
метки и перемешайте. 

Т а б л и ц а  1.1 

Номер 
раствора 
Объемы исходных 0,5 М растворов, мл 

3
CH COOH
V
 
NaOH
V
 

1 
12 
2 

2 
14 
4 

3 
17 
7 

4 
20 
10 

5 
17 
10 

6 
14 
10 

7 
12 
10 

 
В отчете: 
1) рассчитайте рН приготовленных растворов. Для расчета рН буферных растворов используйте уравнение Гендерсона–Гассельбаха (1.2), в котором р
a
K  – показатель константы кислотности уксусной 
кислоты; 
a
K  – константа кислотности уксусной кислоты, равная 
1,75 · 10–5; 
соли
c
 – концентрация (моль · л–1) СН3СООNa; 
кислоты
c
 – 
концентрация (моль · л–1) СН3СООН. 
При расчете необходимо учесть, что образование ацетата натрия 
СН3СООNa происходит по реакции нейтрализации: 

 
СН3СООН + NaOH = СН3СООNa + H2O. 

Следовательно, концентрация кислоты и концентрация соли следующие: 

 


3
3
CH COOH
NaOH
СН СООН
0,5

50

V
V
c


;  

3
NaOH
CH COONa
0,5
50
V
c


, 

где 
3
CH COOH
V
 и 
NaOH
V
 – объемы уксусной кислоты и едкого натра  

(в миллилитрах), взятые для приготовления раствора; 
2) полученные результаты внесите в табл. 1.2 (см. колонку рН1, 
расчет). 

Т а б л и ц а  1.2 

Номер 
раствора 

Концентрация, моль/л 
рН1 раствора 
рН2 
  

3
СН СООН
c
 
3
CH COONa
c
 
расчет 
эксперимент

1 
 
 
 
 
 
 

2 
 
 
 
 
 
 

3 
 
 
 
 
 
 

4 
 
 
 
 
 
 

5 
 
 
 
 
 
 

6 
 
 
 
 
 
 

7 
 
 
 
 
 
 

 

Опыт 2. Определение буферной емкости 

Опыт проводите при перемешивании раствора на магнитной мешалке. Прилейте в стаканчик 30 мл исследуемого раствора (раствор 1). 
Измерьте рН раствора, экспериментальное значение рН запишите в 
табл. 1.2 (см. колонку рН1, эксперимент). Далее к исследуемому раствору из бюретки добавьте 5 мл 0,1 М раствора NaOH. Запишите установившееся значение рН раствора, данные внесите в табл. 1.2 (см. колонку рН2). Аналогичные измерения проведите со всеми приготовленными растворами. 

В отчете: 
1) рассчитайте буферную емкость по формуле 

 
100
pH
dx
d


 




,    
2
1
pH
pH – pH
d

, 

где pH
d
 – разность между рН растворов со щелочью и без нее; dx  – 
концентрация щелочи, прибавленная к буферному раствору, рассчитывается по формуле 

 

*
NaOH
*
NaOH

0,1
,
30

V
dx
V


 

где 
*
NaOH
V
 – объем (в миллилитрах) добавленного 0,1 М раствора 
NaOH; 
2) постройте график зависимости буферной емкости   от рН исходного раствора; 
3) определите по графику и таблице состав раствора, имеющего 
максимальную буферную емкость. 
В выводе объясните, какой раствор и почему имеет максимальную 
буферную емкость. 

Опыт 3. Построение буферной кривой 

Приготовьте 100 мл раствора, имеющего максимальную буферную 
емкость (этот раствор также необходим для выполнения опытов 4 и 5). 
Опыт проводите при перемешивании раствора на магнитной мешалке. Отберите 30 мл исследуемого раствора в стаканчик объемом 
50 мл. Измерьте рН раствора. Затем введите в него серию добавок 
0,1 М раствора соляной кислоты разного объема, указанных в табл. 1.3, 
и измерьте рН раствора после добавки. Аналогичные измерения выполните с другой порцией 30 мл исследуемого раствора, вводя в него 
добавки того же объема 0,1 М раствора гидроксида натрия. 
В отчете: 
1) результаты измерений и расчетов внесите в табл. 1.3; 

Т а б л и ц а  1.3 

Номер 
раствора 

Объем, мл 
рН 
Объем, мл 
рН 

0,1 М 
HCl 
общий расчет
эксперимент
0,1 М 
NaOH
общий расчет
эксперимент 

0 
0 
30 
 
 
0 
30 
 
 

1 
1 
31 
 
 
1 
31 
 
 

2 
2 
33 
 
 
2 
33 
 
 

3 
2 
35 
 
 
2 
35 
 
 

4 
5 
40 
 
 
5 
40 
 
 

5 
5 
45 
 
 
5 
45 
 
 

 
2) постройте буферную кривую в координатах рН (ось ординат) – 
объем добавки (ось абсцисс). По левую сторону от нуля откладывайте 
объемы добавки HCl, а по правую – объемы добавки NaOH. 
Сделайте вывод о влиянии количества сильной кислоты или сильного основания на рН буферного раствора. 

Опыт 4. Буферирование раствора при разбавлении 

Раствор с максимальной буферной емкостью разбавьте дистиллированной водой в два и пять раз в мерных колбах вместимостью 50 мл. 
Затем измерьте рН разбавленных растворов и результаты опыта запишите в табл. 1.4. 

Т а б л и ц а  1.4 

Номер 
раствора 
Исходные объемы, мл 
Концентрация, моль/л 
рН 

воды 
буфера 
общий 
СН3СООН 
СН3СООNa 

1 
– 
20 
20 
 
 
 

2 
20 
20 
40 
 
 
 

3 
40 
10 
50