W książce przedstawiono eksperymentalne i teoretyczne metody fizykochemii wykorzystywane rutynowo jako niezbędne narzędzia badawcze, kontrolne i diagnostyczne. W pierwszej części opisano podstawowe zagadnienia kluczowe do skutecznego, bezpiecznego i twórczego wykonywania pracy eksperymentalnej z użyciem specjalistycznego sprzętu i aparatury. W szczególności omówiono: · zasady i bezpieczeństwo pracy laboratoryjnej; · podstawy pomiarów fizykochemicznych; · metody opracowania wyników wraz z zasadami określania niepewności pomiarów i wyników; · przyrządy i aparaturę pomiarową. W drugiej części zgromadzono opisy doświadczeń ilustrujących podstawowe prawa i zjawiska z zakresu fizykochemii, wykonywanych w typowych warunkach laboratoryjnych. Uwzględniono doświadczenia o charakterze demonstracyjnym, ćwiczenia w skutecznym wykonywaniu pomiarów oraz eksperymenty służące do obliczania wielkości fizykochemicznych na podstawie pomiaru wielkości elementarnych. Wiele miejsca poświęcono eksperymentom analitycznym. Opisy eksperymentów są prezentowane wraz z realnymi wynikami i stosowną dyskusją ich niepewności. Książka zamyka cykl "Chemia fizyczna", w skład którego wchodzą jeszcze dwa tomy omawiające teoretyczne aspekty fizykochemii ogólnej oraz tom poświęcony praktycznym problemom obliczeniowym. Pozycje te stanowią spójną całość i powinny się znaleźć w bibliotece wszystkich osób zajmujących się pracą eksperymentalną, w której elementy fizykochemii są podstawą stosowanych powszechnie metod pomiarowych.

PRZEDMOWA XIII I Pomiary i przyrządy w laboratorium 1 1. LABORATORIUM FIZYKOCHEMICZNE 3 1.1. Bezpieczeństwo w laboratorium 3 1.1.1. Stan laboratorium 4 1.1.2. Zasady pracy z chemikaliami 5 1.1.3. Źródła zagrożeń 6 1.2. Gazy techniczne 7 1.2.1. Znakowanie i dystrybucja gazów 8 1.2.2. Zasady pracy z gazami technicznymi 11 1.3. Gazy skroplone 12 1.4. Aparatura próżniowa 14 1.5. Przyrządy elektryczne oraz sprzęt komputerowy w laboratorium 16 1.6. Promieniowanie rentgenowskie 23 1.7. Odpady chemiczne 24 1.8. Woda w laboratorium 26 1.8.1. Stopnie czystości wody i jej przechowywanie 26 1.8.2. Metody otrzymywania wody oczyszczonej 27 2. SZKŁO I NACZYNIA LABORATORYJNE 31 2.1. Szkło ogólnego przeznaczenia 33 2.2. Szkło miarowe 39 2.3. Szkło specjalne do operacji z chemikaliami 45 2.4. Czystość i znakowanie szkła 47 3. CZYNNIKI CHARAKTERYZUJĄCE JAKOŚĆ POMIARÓW LABORATORYJNYCH 49 3.1. Dobra praktyka w laboratorium pomiarów fizykochemicznych 49 3.2. Niepewność pomiarów 54 3.3. Parametry charakteryzujące metodę, pomiar i wynik pomiaru 62 4. OPRACOWYWANIE WYNIKÓW POMIARÓW 66 4.1. Metody matematyczno-numeryczne stosowane w opracowywaniu wyników pomiarów 66 4.1.1. Interpolacja za pomocą wielomianów 67 4.1.2. Różniczkowanie i całkowanie numeryczne 69 4.2. Metoda najmniejszych kwadratów 70 4.2.1. Wyznaczanie parametrów dowolnej funkcji ciągłej metodą najmniejszych kwadratów 71 4.2.2. Funkcja liniowa ze względu na parametry 72 4.2.3. Funkcja liniowa ze względu na zmienną x 73 4.3. Analiza statystyczna eksperymentu fizykochemicznego 74 4.3.1. Rozkład prawdopodobieństwa w analizie statystycznej 75 4.3.2. Analiza statystyczna pomiaru jednej wielkości 76 4.3.3. Analiza statystyczna eksperymentu wyznaczającego zależność funkcyjną 78 4.3.4. Kowariancja i współczynnik korelacji 80 4.4. Dekonwolucja spektralna 81 4.5. Elementy rachunku macierzowego w chemometrii 85 4.5.1. Rozwiązywanie układu równań liniowych 87 4.5.2. Nadokreślony układ równań 89 4.5.3. Wartości osobliwe macierzy: optymalizacja przybliżeń wielowymiarowych 90 5. FIZYKOCHEMICZNE POMIARY ELEMENTARNE 93 5.1. Pomiar temperatury 93 5.1.1. Termometry 94 5.1.2. Czujniki temperatury 95 5.1.3. Bezkontaktowy pomiar temperatury 99 5.1.4. Kalibracja przyrządów do pomiaru temperatury i błędy pomiarowe 101 5.1.5. Termostatowanie 103 5.2. Pomiar ciśnienia i pompy próżniowe 104 5.2.1. Przyrządy do pomiaru ciśnienia 105 5.2.2. Podstawy techniki próżniowej 109 5.2.3. Próżniomierze 111 5.2.4. Pompy próżniowe 114 5.3. Pomiar masy: ważenie i wagi 117 5.3.1. Wagi 118 5.3.2. Kalibracja i legalizacja wag 121 5.3.3. Ważenie 122 5.3.4. Wpływ czynników fizycznych na proces ważenia 124 5.4. Pomiar objętości i analiza miareczkowa 126 5.4.1. Kalibracja i sprawdzanie pojemności naczyń miarowych 126 5.4.2. Naczynia miarowe i sporządzanie roztworów 128 5.4.3. Analiza objętościowa (wolumetryczna) 131 5.5. Pomiar stężenia substancji w roztworze 134 5.5.1. Metoda krzywej wzorcowej 135 5.5.2. Metoda dodawania wzorca 136 5.5.3. Niepewność pomiarów z wykorzystaniem wzorca 137 5.5.4. Jednostki stężenia 139 6. POMIARY ELEKTRYCZNE 141 6.1. Pomiary napięć oraz prądów stałych i zmiennych 141 6.1.1. Różnica potencjałów 141 6.1.2. Pomiar natężenia prądu stałego 144 6.1.3. Pomiary napięcia i natężenia prądu zmiennego 145 6.1.4. Pomiar impedancji 146 6.2. Mierniki i zasilacze elektryczne 148 6.2.1. Mierniki analogowe, cyfrowe, multimetry 148 6.2.2. Oscyloskopy analogowe i cyfrowe 150 6.2.3. Generatory 151 6.2.4. Zasilacze elektryczne 151 6.2.5. Zasilacze awaryjne (UPS) 153 6.2.6. Potencjostat 154 6.3. Pomiar pH 155 6.3.1. Wykładnik stężenia jonów wodorowych (pH) 155 6.3.2. Elektrochemiczny pomiar pH 157 6.3.3. Pehametry 159 6.3.4. Dokładność i precyzja pomiaru pH 164 6.4. Pomiar przewodności — konduktometry 167 6.4.1. Pomiar przewodności elektrolitycznej (konduktywności) 168 6.4.2. Wpływ temperatury na pomiar przewodności elektrolitycznej 171 6.4.3. Zjawiska przyelektrodowe — impedancja interfazy 172 6.4.4. Kalibracja czujnika 174 7. POMIARY OPTYCZNE 176 7.1. Współczynnik załamania światła 176 7.2. Skręcalność optyczna 181 7.3. Interferometry 183 7.4. Pomiar natężenia promieniowania 188 7.4.1. Detektory promieniowania 188 7.4.2. Absorbancja, transmitancja i niepewność ich pomiaru 190 7.5. Monochromatory 192 7.5.1. Filtry optyczne 192 7.5.2. Monochromatory siatkowe 196 7.5.3. Monochromatory pryzmatyczne 198 7.5.4. Zdolność rozdzielcza monochromatora 199 7.6. Spektrofotometry UV–VIS 201 7.6.1. Spektrofotometry absorpcyjne 203 7.6.2. Spektrofotometry fluorescencyjne 205 7.6.3. Spektrometr ramanowski 207 7.7. Spektrofotometry i metodyka spektroskopii IR 208 7.8. Metoda ATR 214 7.9. Densytometry 217 8. POMIARY GĘSTOŚCI, LEPKOŚCI I NAPIĘCIA POWIERZCHNIOWEGO 221 8.1. Gęstość 221 8.1.1. Prawo Archimedesa 222 8.1.2. Piknometr 224 8.1.3. Gęstościomierze elektroniczne 225 8.2. Lepkościomerze 226 8.2.1. Prawo Poiseuille’a 226 8.2.2. Prawo Stokesa 228 8.2.3. Wiskozymetry dynamiczne 230 8.3. Pomiar napięcia powierzchniowego 231 8.3.1. Wzniesienie kapilarne 232 8.3.2. Stalagmometr 233 8.3.3. Metoda pęcherzykowa 235 8.3.4. Tensjometr 236 8.3.5. Płytka Wilhelmy’ego 237 9. POMIAR CIEPŁA – KALORYMETRY 239 9.1. Kalorymetry adiabatyczne 240 9.2. Kalorymetry diatermiczne 241 9.3. Różnicowy kalorymetr skaningowy 246 10. APARATURA SPECJALNA 249 10.1. Chromatografia 249 10.1.1. Chromatograf gazowy 249 10.1.2. Chromatograf cieczowy 252 10.2. Spektrometria mas 255 10.2.1. Podstawy pierwotnej metody 256 10.2.2. Wprowadzanie próbek 257 10.2.3. Jonizacja 257 10.2.4. Analizator 261 10.2.5. Detektory 263 10.2.6. Widmo mas 263 10.3. Spektrometria atomowa z wykorzystaniem plazmy ICP 265 10.3.1. Plazma 265 10.3.2. Generowanie plazmy indukcyjnie sprzężonej 266 10.3.3. Spektrometry emisyjne ICP OES 267 10.3.4. Metoda ICP MS 270 10.4. Rentgenowska spektroskopia fotoelektronów 273 10.5. Dyfraktometr proszkowy 276 10.5.1. Metoda rentgenografii proszkowej 276 10.5.2. Źródło promieniowania rentgenowskiego 278 10.5.3. Dyfraktometr 280 10.5.4. Pomiary dyfraktometryczne 282 10.6. Spektrometry magnetyczne 284 10.6.1. Spektrometr jądrowego rezonansu magnetycznego (NMR) 284 10.6.2. Spektrometr EPR pracujący w systemie fali ciągłej 288 II Eksperymenty fizykochemiczne 293 11. PODSTAWY TERMODYNAMIKI, TERMOCHEMIA, STATYKA CHEMICZNA 295 11.1. Cząstkowe objętości molowe 295 11.2. Masa molowa 298 11.3. Ciepło spalania 301 11.4. Ciepło rozpuszczania 306 11.5. Ciepło hydratacji 310 11.6. Ciepło zobojętniania 313 11.7. Ciepło parowania 317 11.8. Ciepło przemiany fazowej 323 11.9. Równowaga rozpuszczalności 325 11.10.Stała równowagi reakcji w roztworze 329 11.11.Stała równowagi tworzenia kompleksu 333 11.12.Stała równowagi reakcji heterogenicznej 337 12. RÓWNOWAGI FAZOWE W UKŁADACH WIELOSKŁADNIKOWYCH 341 12.1. Równowaga ciecz–para 341 12.2. Współczynniki lotności względnej 349 12.3. Linia destylacji 353 12.4. Półki teoretyczne w kolumnie rektyfikacyjnej 356 12.5. Heteroazeotrop 361 12.6. Destylacja z parą wodną 363 12.7. Równowaga ciecz–ciało stałe w układach dwuskładnikowych 366 12.8. Kriometryczna metoda wyznaczania masy molowej 370 12.9. Wyznaczanie współczynników aktywności metodą kriometryczną 373 12.10.Ebuliometryczna metoda wyznaczania masy molowej 377 12.11.Osmoza 380 12.12.Współczynnik podziału 383 12.13.Rozpuszczalność wzajemna trzech cieczy 387 12.14.Ekstrakcja 394 13. ZJAWISKA POWIERZCHNIOWE I DYNAMICZNE 400 13.1. Adsorpcja z fazy gazowej 400 13.1.1. Powierzchnia właściwa adsorbentu 400 13.1.2. Struktura porowata ciał stałych 405 13.2. Adsorpcja z fazy ciekłej 411 13.2.1. Izoterma Langmuira 411 13.2.2. Izoterma Freundlicha 417 13.3. Chromatografia 419 13.3.1. Chromatografia gazowa 419 13.3.2. Chromatografia cieczowa 421 13.3.3. Wyznaczanie izotermy BET metodą inwersyjnej chromatografii 424 13.4. Kwasowość powierzchni 429 13.4.1. Temperaturowo programowana desorpcja amoniaku 429 13.4.2. Widma w podczerwieni adsorbowanej pirydyny 432 13.5. Napięcie powierzchniowe cieczy 435 13.5.1. Metoda pęcherzykowa 435 13.5.2. Stalagmometr 437 13.5.3. Metoda płytkowa 439 13.6. Izoterma Gibbsa 440 13.7 Potencjał elektrokinetyczny dzeta 444 13.8. Masa molowa koloidu 452 13.9. Lepkość 456 13.9.1. Lepkość cieczy nienewtonowskich 456 13.9.2. Temperaturowa zależność lepkości cieczy 458 13.9.3. Lepkość gazu 460 13.10.Dyfuzja 462 13.10.1. Dyfuzja w roztworze 463 13.10.2. Dyfuzja na granicy ciecz/faza stała 467 14. ELEKTROCHEMIA I RÓWNOWAGI JONOWE 471 14.1. Pehametria 471 14.1.1. Półogniwa pehametryczne 472 14.1.2. Krzywa miareczkowania 476 14.1.3. Pojemność buforowa 478 14.2. Stała dysocjacji 482 14.2.1. Metoda pehametryczna 483 14.2.2. Metoda spektrofotometryczna 486 14.3. Ogniwa elektrochemiczne 490 14.3.1. Siła elektromotoryczna 491 14.3.2. Termodynamika ogniwa 495 14.4. Współczynniki aktywności elektrolitu 499 14.5. Potencjał dyfuzyjny 503 14.6. Przewodnictwo elektrolityczne 507 14.6.1. Elektrolity mocne 507 14.6.2. Elektrolity słabe 510 14.6.3. Stopione sole 513 14.7. Liczby przenoszenia 517 14.7.1. Metoda ruchomej granicy 517 14.7.2. Metoda Hittorfa 521 14.8. Szybkość korozji metali 524 14.8.1. Ekstrapolacja Tafela 524 14.8.2. Metoda oporu polaryzacyjnego 527 14.8.3. Metoda impedancyjna 528 14.9. Elektrochemiczne metody analityczne 531 14.9.1. Polarografia 532 14.9.2. Miareczkowanie potencjometryczne 535 14.9.3. Miareczkowanie konduktometryczne 537 14.9.4. Miareczkowanie amperometryczne 539 14.9.5. Miareczkowanie amperometryczne z dwiema elektrodami spolaryzowanymi (do martwego punktu) 542 14.9.6. Miareczkowanie oscylometryczne 543 15. KINETYKA CHEMICZNA 545 15.1. Hydroliza estru 545 15.1.1. Reakcja w środowisku kwasownym 546 15.1.2. Reakcja w środowisku zasadowym: stała szybkości 550 15.1.3. Reakcja w środowisku zasadowym: energia aktywacji 553 15.2. Rozkład jonu kompleksowego 558 15.3. Inwersja sacharozy 560 15.4. Reakcja Landoldta 564 15.4.1. Rząd reakcji 565 15.4.2. Energia aktywacji 567 15.4.3. Stała szybkości i pierwotny efekt solny 569 15.5. Katalityczny rozkład nadtlenku wodoru 571 15.6. Reakcja enzymatyczna 574 15.7. Kinetyka wzrostu mikroorganizmów 579 15.8. Reaktory 585 15.8.1. Reaktor okresowy mieszalnikowy 585 15.8.2. Reaktor ciągły mieszalnikowy 589 15.8.3. Reaktor ciągły kolumnowy 592 16. WIDMA ATOMOWE I ANALIZA ŚLADOWA 597 16.1. Temperatura wzbudzenia swobodnych atomów i jonów 597 16.2. Gęstość elektronowa plazmy 603 16.3. Współczynniki Einsteina dla emisji samorzutnej 608 16.4. Widma XPS oraz UPS 612 16.4.1. Badanie składu chemicznego warstwy powierzchniowej metodą XPS 612 16.4.2. Wpływ trawienia powierzchniowego na widmo UPS 618 16.5. Widma mas 621 16.5.1. Analiza perfum 621 16.5.2. Wyznaczanie masy molowej 624 16.6. Analiza śladowa metodą ICP OES w akredytowanym laboratorium analitycznym 625 17. SPEKTROSKOPIA MOLEKULARNA 631 17.1. Prawo Lamberta–Beera i prawo addytywności absorbancji 631 17.2. Widmo absorpcyjne substancji w roztworze 636 17.3. Struktura wibronowa pasm absorpcyjnych 642 17.4. Analiza struktury rotacyjnej widma 650 17.5. Wyznaczanie temperatury rotacyjnej 657 17.6. Analiza struktury oscylacyjnej widma 661 17.7. Widmo Ramana 667 17.8. Widmo oscylacyjne 669 17.8.1. Widmo w podczerwieni i widmo Ramana 670 17.8.2. Spektrofotometryczne wyznaczanie pK_a aminokwasu w wodzie 674 17.9. Wpływ temperatury na widmo oscylacyjne 679 17.10.Wygaszanie fluorescencji 687 17.11.Fluorescencja ekscymerowa 693 17.12.Luminescencja w niskiej temperaturze 696 17.13.Wielowymiarowe widma luminescencji 703 17.14.Widma NMR 707 17.14.1. Stałe sprzężenia 707 17.14.2. Widma wielowymiarowe 712 17.15.Izomeryzacja badana metodą NMR 715 17.16.Parametry widma EPR 720 18. STRUKTURA I WŁAŚCIWOŚCI FIZYCZNE MATERIAŁÓW 727 18.1. Parametry strukturalne polimeru z pomiarów rentgenograficznych 727 18.1.1. Ułamek masowy fazy krystalicznej, metoda dyfraktometrii szerokokątowej 728 18.1.2. Parametry struktury lamelarnej, metoda dyfraktometrii niskokątowej 731 18.2. Przemiany fazowe materiału krystalicznego 732 18.3. Rozszerzalność termiczna kryształów 737 18.4. Moment dipolowy 739 18.5. Refraktometria 745 18.5.1. Struktura związku organicznego 746 18.5.2. Refraktometryczna krzywa wzorcowa 748 18.6. Polarymetria 749 18.7. Interferometria 752 18.8. Nefelometria 754 19. FOTOCHEMIA 759 19.1. Aktynometria 759 19.2. Wydajność kwantowa fluorescencji 764 19.3. Sensytometria 771 19.4. Spektrosensytometria 776 19.5. Pomiar barwy metodą spektrofotometryczną 782 20. ZESTAWIENIE WAŻNIEJSZYCH DANYCH LICZBOWYCH 791 20.1. Gęstość cieczy wzorcowych w zależności od temperatury 791 20.2. Dane termochemiczne 795 20.3. Poprawki stalagmometryczne i współczynniki wiskozymetryczne 796 20.4. Roztwory buforowe stosowane w elektrochemii i kinetyce chemicznej 797 20.4.1. Wzorce pH 797 20.4.2. Bufor uniwersalny według McIlvaine’a 798 20.4.3. Kwasowy bufor według Clarka–Lubsa 799 20.4.4. Zasadowy bufor boranowy o pH = 9,23 799 20.5. Wartości parametrów w równaniu Debye’a–Hückla–Onsagera 800 20.6. Właściwości półogniwa kalomelowego 800 20.7. Przydatne roztwory elektrolitów 801 20.7.1. Roztwory wzorcowe w konduktometrii 802 20.8. Refrakcje molowe 803 20.9. Użyteczne dane w spektroskopii i fotochemii 804 LITERATURA UZUPEŁNIAJĄCA 814 SKOROWIDZ 824

Koszyk

Chemia fizyczna. Tom 4