Физическая химия

МИНИСТЕРСТВО НАУКИ И ВЫСШЕГО ОБРАЗОВАНИЯ  
РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

УРАЛЬСКИЙ ФЕДЕРАЛЬНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ  
ИМЕНИ ПЕРВОГО ПРЕЗИДЕНТА РОССИИ Б. Н. ЕЛЬЦИНА

ФИЗИЧЕСКАЯ ХИМИЯ

Практикум

2‑е издание, исправленное и дополненное

Рекомендовано
методическим советом Уральского федерального университета  
для студентов вуза, обучающихся по направлениям подготовки  
04.03.01 «Химия», 04.03.02 «Химия, физика и механика материалов», 
по специальности 04.05.01 «Фундаментальная и прикладная химия»

Екатеринбург
Издательство Уральского университета
2018

Ф503
Физическая химия : практикум / [В. А. Черепанов, А. Ю. Зуев, 
Д. А. Малышкин, В. В. Середа, Д. С. Цветков ; под общ. ред. Д. С. Цветкова] ; М‑во науки и высш. образования Рос. Федерации, Урал. федер. 
ун‑т. — 2‑е изд., испр. и доп. — Екатеринбург : Изд‑во Урал. ун‑та, 
2018. — 128 с.

ISBN 978‑5‑7996‑2428‑6

Практикум включает описания лабораторных работ, иллюстрирующих 
основные экспериментальные подходы при определении теплоты различных процессов, включая химические реакции. Показаны методы изучения 
термодинамики фазовых переходов, построения диаграмм состояния, определения электропроводности растворов, порядка и константы скорости 
химической кинетики и др. Каждой лабораторной работе предшествует 
краткая теория. Дано описание приборов и реактивов.
Для студентов, изучающих дисциплины «Химическая термодинамика 
и равновесие», «Электрохимия и кинетика», входящие в модуль «Физическая химия».
УДК 544(076.5)

УДК 544(076.5)
 
Ф503

А вто ры:
В. А. Черепанов, А. Ю. Зуев, Д. А. Малышкин,  
В. В. Середа, Д. С. Цветков

Под  о бщей р ед а к цией
Д. С. Цветкова

Рецен з ен т ы:
лаборатория твердооксидных топливных элементов Института 
высокотемпературной электрохимии УрО РАН (заведующий 
лабораторией доктор химических наук М. В. Ананьев);
И. А. Леонидов, кандидат химических наук, ведущий научный 
сотрудник Института химии твердого тела УрО РАН

ISBN 978‑5‑7996‑2428‑6

© Уральский федеральный университет, 2012
© Уральский федеральный университет,  
исправления и дополнения, 2018

ПРЕДИСЛОВИЕ

Физическая химия, возникшая на стыке двух фундаментальных разделов естествознания — физики и химии, устанавливает 
взаимо связь между протеканием химических реакций и изменением 
энергии, занимается проблемами строения вещества и его свойствами в различных состояниях. В процессе становления физической 
химии такие ее разделы, как химическая термодинамика, кинетика 
и катализ, квантовая химия, электрохимия, кристаллохимия, химия 
твердого состояния, радиохимия и другие выделились в самостоятельные научные направления. Будучи вполне самостоятельным, каждое из этих направлений связано с другими областями химического 
знания и входит в определенную иерархическую систему химических 
наук, которая и образует современную химию. Единой универсальной связкой этих наук являются методы физической химии.
Подготовка специалистов‑химиков включает освоение ими методов физической химии и приобретение навыков и умений по применению этих методов на практике для решения химических задач. 
Последнее означает, что важнейшей стороной подготовки является 
овладение студентами техникой физико‑химического эксперимента.
Значительное обновление материальной базы физико‑химического практикума кафедры физической химии в рамках выполнения 
инновационной образовательной программы УрГУ (2007–2008) 
привело к его существенному изменению и, как следствие, к изданию в 2012 г. учебного пособия «Практикум по физической химии». 
Однако в результате дальнейшей модернизации лабораторного 
практикума в рамках программ развития Уральского федерального 
университета и повышения конкурентоспособности «5–100» были 

поставлены новые и существенно изменены существующие лабораторные работы, что, наряду с принятием нового государственного 
образовательного стандарта, вызвало необходимость издания нового, существенно переработанного пособия.
Настоящее пособие является руководством к лабораторным занятиям по дисциплинам «Химическая термодинамика и равновесие» 
и «Электрохимия и кинетика», входящим в модуль «Физическая 
химия», и обобщает многолетний опыт проведения физико‑химических лабораторных работ на кафедре физической и неорганической химии Института естественных наук и математики (ИЕНиМ) 
Уральского федерального университета.
Главная задача практикума — привить студентам необходимые 
экспериментальные навыки физико‑химического эксперимента, 
связанного с измерением физических величин, характеризующих 
химические превращения. Немаловажной задачей является также 
закрепление у студентов знаний, полученных при прослушивании 
лекций по соответствующим дисциплинам. Для решения этих задач 
в пособие включены описания лабораторных работ, иллюстрирующие основные экспериментальные подходы при определении 
теплоты различных процессов, включая химические реакции; при 
изучении термодинамики фазовых переходов, построении диаграмм 
состояния, определении электропроводности растворов, порядка 
и константы скорости химической кинетики, и др.
Каждой лабораторной работе предшествует краткая теория, которая лежит в основе экспериментальных измерений и необходима 
для осмысления их результатов. Эти вводные разделы не претендуют на систематическое изложение всего теоретического материала 
и не могут заменить курса лекций и имеющуюся учебную литературу. Затем идет описание приборов и реактивов, используемых 
при выполнении работы, и порядка ее выполнения. Завершают 
описание каждой лабораторной работы методические указания 
по составлению отчета.
Авторы признательны лаборанту кафедры физической и неорганической химии А. С. Степаруку, внесшему существенный вклад 
в развитие и постановку лабораторных работ, описанных в настоящем пособии.

1. ТЕРМОХИМИЯ

Краткая теория

В процессе химических превращений происходит изменение 
энергии системы, обусловленное тем, что значения внутренней 
энергии продуктов и исходных реагентов различны. В результате 
реакции выделяется или поглощается тепло и совершается работа. 
Раздел термодинамики, экспериментально изучающий тепловые 
эффекты в ходе химических реакций, называется термохимией.
В соответствии с первым законом термодинамики изменение 
внутренней энергии термодинамической системы запишется

 
dU
Q
PdV
A
.  
(1.1)

Здесь δQ — выделяемая (поглощаемая) теплота; PdV — механическая работа расширения; 
A  — все другие виды работ; знак ± 
указывает, что выбор знака работы (исключая механическую) условен и берется по договоренности.
Если реакция протекает при постоянном объеме и при этом 
не совершается механической, электрической и других видов работы, то при Т = const можно записать:

 
Q
dU
U
Q
V
V
1

2

1

2
.  
(1.2)

Если реакция протекает при постоянном давлении и совершается только работа расширения, а все другие виды работ отсутствуют, 
то изменение энтальпии в ходе реакции будет равно теплоте:

 
Q
d U
PV
dH
H
Q
P
P
1

2

1

2

1

2
(
)
.

(1.3)

Смысл соотношений (1.2) и (1.3) состоит в том, что теплота реакции, поглощаемая (выделяемая) при постоянном объеме 
или давлении, становится равной изменению термодинамической 
функции состояния и поэтому не зависит от пути процесса. Данная закономерность была открыта Г. Гессом и носит его имя. Закон 
Гесса гласит: тепловые эффекты химических реакций, проводимых 
в условиях V = const, либо P = const, не зависят от пути процесса 
и определяются только природой и состоянием исходных веществ 
и продуктов реакции.
Из закона Гесса вытекает очень важное для химии следствие: 
энтальпия (теплота) реакции ∆HP равна сумме энтальпий (теплот) 
образования продуктов реакции 
i
i

i

H
f
( ) за вычетом суммы  

энтальпий (теплот) образования исходных веществ 
j
j
j
H
f
( ):

 
H
H
H
p
i
i
i
j
j
j

f
f
( )
( ),  
(1.4)

где ni — стехиометрические коэффициенты продуктов: nj — стехиометрические коэффициенты исходных веществ.
Поскольку энтальпия является функцией состояния, то нет необходимости знать (табулировать) значения теплот всех возможных 
реакций; достаточно иметь сведения об энтальпиях лишь минимума реакций, из которых можно получить все остальные. Подобный 
минимум представляет собой стандартные энтальпии образования 
соединений из простых веществ и/или сгорания соединений. Эти величины табулируются в различных термодинамических справочниках.
Стандартная энтальпия образования DH
f
298
o ( ) — теплота, выделяемая (поглощаемая) при образовании 1 моля вещества из простых 
веществ, его составляющих, находящихся в стандартных состояниях.

Стандартная энтальпия сгорания DH298
o (сг) — теплота, поглощаемая (выделяемая) при полном сгорании 1 моля вещества 
в атмосфере кислорода при 1 атм (продуктами реакции сгорания 
обычно являются СО2, Н2О(ж), N2 и др.).
Стандартная энтальпия реакции DH298
o (р) — теплота, поглощаемая (выделяемая) в стандартных условиях при взаимодействии определенного числа молей реагентов, задаваемого уравнением реакции. 
Кроме теплот реакций термохимия занимается изучением теплот различных процессов, например, фазовых переходов, растворения и т. п.
Теплота растворения твердого кристаллического вещества 
в жидком растворителе определяется в основном суммой двух величин: теплоты разрушения кристаллической решетки и теплоты 
сольватации ионов (атомов или молекул) растворяемого вещества 
молекулами растворителя. Алгебраическая сумма тепловых эффектов этих двух процессов дает теплоту (изменение энтальпии) 
процесса растворения соли. Значения теплот растворения зависят 
от концентрации соли в растворе и от того, были ли смешиваемые 
компоненты в начале взяты в чистом виде. Теплота, сопровождающая процесс изотермического растворения одного моля вещества в таком количестве растворителя, чтобы образовался раствор 
с определенной концентрацией, называется интегральной теплотой растворения ∆Hm. Интегральная теплота растворения зависит 
от концентрации полученного раствора, поэтому для данного вещества можно получить ряд значений Hm, относящихся к определенным концентрациям, например, долевым x x
xi
n
n
n
2
2
,
...
2 = n2/(n1 + n2) 
(см. рис. 1.1). Значение DH1
о  называют первой интегральной теплотой растворения; она равна тепловому эффекту при растворении 
1 моля вещества в бесконечно большом количестве растворителя.
Теплота растворения моля вещества (условно принятого вторым 
компонентом) в бесконечно большом количестве раствора некоторой 
постоянной концентрации называется дифференциальной или парциальной теплотой растворения DH2. Этому определению соответствует соотношение:

 
H
H
n

m

P T n

2
2
1
, ,
.  
(1.5)

Аналогичную величину для растворителя (первого компонента) — теплоту растворения моля растворителя в большом количестве раствора постоянной концентрации — называют дифференциальной или парциальной теплотой разбавления DH1.

 
H
H

n
m

P,T,n

1

2

1
.  
(1.6)

Интегральная теплота растворения может быть получена из 
дифференциальных (парциальных) теплот:

 
H
n
H
n
H
m 1
1
2
2.  
(1.7)

Лабораторная работа 1 
Определение теплоты растворения металлического 
магния Mg в растворе соляной кислоты HCl

Цель р аб о ты: определение теплоты растворения металлического магния Mg в растворе соляной кислоты HCl.

Рис. 1.1. Зависимость интегральной теплоты растворения 
от концентрации раствора

H

H

H

H

H

x
x

x

m

m

x

i

1

1

2

2

2

2H

H

H

H

H

x
x

x

m

m

x

i

H

H

H

H

H

x
x

x

m

m

x

i

1

1

2

2

2

2H

H

H

H

H

x
x

x

m

m

x

i

1

1

2

2

2

2H

x
x

x

m

m

x

i

1

1

2

2

2

2H

H

H

H

H

x
x

x

m

m

x

i

1

1

2

2

2

2H

H

H

H

H

x
x

x

m

m

x

i

1

1

2

2

2

2xi

2

Аппаратура. Значения тепловых эффектов (энтальпий) различных химических и фазовых превращений определяют обычно 
путем прямых измерений в калориметрах. Различают два основных 
типа калориметров: изотермические и неизотермические. К первому 
типу относятся калориметры, в которых во время опыта температура не меняется, например, при определении теплоты фазового 
перехода первого рода: плавление, сублимация и испарение. В этих 
калориметрах во время опыта температура не меняется, так как вся 
теплота, сообщаемая калориметру, идет на изменение агрегатного 
состояния вещества, которое является в этом случае главной частью 
калориметрической системы.
Калориметры второго типа характеризуются изменением температуры во время опыта, причем часть теплоты, подлежащей измерению, расходуется на теплообмен с окружающей средой. Теплообмен 
искажает истинные результаты опыта. Он должен быть учтен либо 
устранен. В соответствии с этим различают калориметры:
а) адиабатические, в которых температура оболочки поддерживается равной температуре калориметра, что исключает теплообмен 
с окружающей средой;
б) дифференциальные, устройство которых позволяет не учитывать поправки на теплообмен. Калориметр состоит из двух совершенно одинаковых частей: одна служит для проведения исследуемого экзотермического процесса, а другая — для нагревания 
электрическим током до температуры, равной температуре первой 
части установки. Тогда количество теплоты, выделившейся в результате процесса в первой части калориметра, эквивалентно электрической энергии, затраченной на нагревание второй его части;
в) калориметры с изотермической оболочкой, позволяющие 
точно учитывать поправку на теплообмен.
В настоящем лабораторном практикуме используют калориметр 
последнего типа, так называемый калориметр Нернста (рис. 1.2). 
Этот вариант калориметра, несмотря на простоту устройства, позволяет получать при аккуратной работе хорошо воспроизводимые 
результаты.
Калориметр состоит из двух основных частей: калориметрической системы и оболочки. Калориметрической системой называется 

совокупность тех частей калориметра, между которыми должна 
распределяться вся теплота, подлежащая измерению. В описываемом ниже калориметре калориметрическая система включает: 
калориметрическую жидкость (например, воду, раствор кислоты 
или соли); калориметрический стакан, мешалку, термометр и другие 
приборы, помещенные в калориметрическую жидкость.
Калориметрический стакан (1) помещен в термоизоляционный 
корпус (2), представляющий адиабатическую оболочку. Для уменьшения потерь теплоты термоизоляционный корпус (2) закрывают 
крышкой из теплоизолирующего материала (3), в которую через 
отверстия вставлены мешалка (4), термометр сопротивления (5), 
пробирка с исследуемым веществом и нагреватель (6). Мешалка 
необходима для быстрого приведения всех частей калориметра 
в тепловое равновесие.

Рис. 1.2. Калориметрическая установка: 
1 — калориметрический стакан; 2 — термоизоляционный корпус; 
3 — теплоизолирующий материал; 4 — мешалка; 5 — термометр 
сопротивления; 6 — нагреватель