ВУЗ: Украинский Государственный химико-технологический Университет
Категория: Методичка
Дисциплина: Химия
Добавлен: 06.02.2019
Просмотров: 2137
Скачиваний: 4
6
де К – стала калориметра, тобто кількість теплоти, яку необхідно
передати реакційній системі та всім частинам калориметра для нагрівання їх на
один градус.
Необхідно пам’ятати, що термодинамічна теплота, яку позначають через
ΔH
або
ΔU
, має протилежний знак за відношенням до термохімічної теплоти
Q
р
, тож Q
р
= –
ΔH
. Молярний тепловий ефект реакції (або теплоту)
ΔH (Дж/моль) знаходять із співвідношення:
n
T
Δ
K
n
Q
H
Δ
P
(1.5)
де n – кількість речовини (в моль), яка приймає участь у процесі, що
досліджується.
Існує декілька методів визначення сталої колориметра (К). Сталі
калориметра визначають передаючи калориметру та досліджуваній системі
певну кількість теплоти (Q) та вимірюють при цьому зміну температури (
Т).
Точно відому кількість теплоти можна одержати в результаті проведення
фізико-хімічного процесу, тепловий ефект якого відомий, наприклад, в ході
розчинення наважки KCl у воді. В електронному калориметрі відома кількість
теплоти може також задаватися з допомогою електричного нагрівача,
потужність якого відома.
1.2. Робота з найпростішим калориметричним приладом
1.2.1. Калориметричний прилад
Найпростіший калориметричний прилад для дослідження процесів у
розчинах (рис. 1.1) складається з повітряного термостата й склянки, яку
вмішують у нього. В залежності від мети дослідження калориметр
заповнюється водою, лугом тощо. Через отвір у кришці в калориметр
вставляють електричну мішалку. На кришці калориметра є також отвір для
ампули з досліджуваною речовиною. Температура вимірюється за допомогою
термометра Бекмана (рис. 1.2).
7
6
5
4
3
2
1
Рис. 1.1. Калориметричний прилад:
1 –
калориметрична склянка;
2 –
нагрівач;
3 –
мішалка;
4 –
термометр Бекмана;
5 –
пробірка або ампула;
6 –
скляна паличка для розбивання пробірки;
7 –
ізотермічна оболонка
7
1.2.2. Вимірювання температури
Метастатичний термометр Бекмана дозволяє вимірювати
зміну температури на рівні 1–3
0
. Він складається з двох
резервуарів, які з’єднані капіляром. За допомогою додаткового
резервуара можна змінювати кількість ртуті в основному
резервуарі, це дозволяє вимірювати підвищення або зниження
температури в межах 1–3
0
. Шкала термометра поділена на 5
0
з
ціною поділок 0,01
0
. При користуванні лупою можна вимірювати
температуру з точністю 0,002–0,003
0
. Якщо вивчається процес,
пов’язаний з виділенням тепла, то ртуть у капілярі повинна
знаходитись у межах 1–2
0
, а якщо процес супроводжується
поглинанням тепла, то ртуть має знаходитись між 4–5
0
.
Рис. 1.2. Метастатичний термометр Бекмана ТЛ-1:
1 – основний ртутний резервуар;
2 – додатковий ртутний резервуар;
3 – капіляр;
4 – шкала
1.2.3. Проведення калориметричних вимірювань
Калориметричний дослід з метою визначення ΔТ хімічного процесу
проводять таким чином.
1. У склянку наливають необхідний об’єм рідини (води, розчин кислоти, лугу
тощо) при температурі термостата.
2. У отвір вставляють ампулу з наважкою або певним об’ємом досліджуваної
речовини.
3. Вмикають мішалку.
4. Чекають 5–7 хвилин, протягом яких прилад прогрівається.
5. Починають відлік температури через кожні 10-30 с. При цьому
спостерігається підвищення або зниження температури в наслідок
теплообміну з навколишнім середовищем. Виконують 9 відліків
температури (початковий період).
6. На десятому відліку розбивають ампулу з досліджуваною речовиною.
В результаті перебігу процесу температура в стакані, де відбувається
реакція, різко знижується або підвищується (головний період). Записують
температуру через кожні 10-30 с. Рівномірна зміна Т відповідає завершенню
головного періоду.
7. Фіксують ще 10–12 значень температури (кінцевий період).
8. Результати вимірювань заносять у таблицю 1.1.
8
Таблиця 1.1
Результати калориметричного дослідження реакції _________________
Час, с
Т, К
1.2.4. Визначення стрибка температури графічним методом
Величину зміни температури (стрибок температури
Т) в ході
проведення експерименту визначають графічним способом. Для цього
експериментальні дані надають у вигляді графіка залежності Т від часу. Через
нанесені експериментальні точки проводять криву, згладжуючи помилки
експерименту (рис. 1.3). Таку криву можна розділити на три ділянки: ділянка
AB – початковий, BC – головний, CD – кінцевий періоди. В момент часу, який
відповідає точці B, починається термохімічний дослід, який завершується до
моменту часу С. Початковий і кінцевий періоди характеризуються лінійною
зміною температури в часі.
Якщо теплообмін системи, що вивчається, незначний, або швидкість
перебігання процесу досить висока (до кількох хвилин), то для визначення
величини стрибка температури (ΔТ
експ.
) можна користуватися спрощеним
методом. Для цього проводять прямі через початковий і кінцевий періоди, а
також через лінійну ділянку головного періоду. З точок перетину E та F
опускають проекції на вісь ординат, і знаходять величину
Т = T
2
- T
1
(рис. 1.3).
Але, якщо процес, який ми досліджуємо, перебігає повільно або(та) існує
певний теплообмін системи з навколишнім середовищем, то присутню похибку
експерименту за рахунок теплообміну вилучають графічним методом (рис. 1.4).
0
50
100
150
200
0,1
0,2
0,3
0,4
0,5
0,6
0,7
0,8
T
KCl
=0,186-0,731=
=-0,545K
T = T
2
- T
1
T
2
T
1
t, c.
T, K
0,0
0,2
0,4
0,6
0,8
1,0
MN/2
250
500
750
1000
F
E
C
D
A
T, K
T =T
2
- T
1
=
=0,05 - 0,97 =
= -0,92 K
T
2
T
1
t, c.
B
M
N
MN/2
Рис. 1.3. Термохімічна крива розчинення
наважки KCl у воді, отримана у калориметрі
без суттєвого теплообміну системи з
навколишнім середовищем
Рис. 1.4. Термохімічна крива розчинення
наважки KCl у воді, отримана у калориметрі
з суттєвим теплообміном системи з
навколишнім середовищем або повільним
перебіганням процесу
9
1.3. Робота з електронним калориметром
10
9
8
7
6
5
4
3
2
1
0.547
00 00
Рис. 1.5. Схема електронного калориметра: 1 – ліва частина калориметра; 2 – права частина
калориметра; 3 – рукоятка пристрою для руйнування ампули; 4 –індикатор, який показує
різницю в температурах (ΔТ) між лівою та правою частинами калориметра; 5 – індикатор
таймера; 6 – вмикач мішалки; 7 – вмикач нагрівача для визначення сталої калориметра;
8 – вибір нагрівача в лівій чи правій частинах калориметра; 9 – пуск таймера; 10 – обнуління
таймера
1.3.1. Правила роботи з електронним калориметром
При використанні електронного калориметра слід дотримуватись
наступних правил при визначенні ΔТ.
1. Вмикають електронний калориметр. При цьому вмикаються табло таймера
(5) та температури (4).
2. Прогрівають прилад 10 хвилин.
3. В калориметричні стакани 1 і 2 наливають по 300 мл води, розчину кислоти,
лугу тощо, поміщають їх у калориметр.
4. У спеціальному тримачі закріпляють пробірку з речовиною або розчином.
5. Закривають кришки правої та лівою частин калориметра.
6. Вмикають мішалку.
7. Після того, як значення ΔТ перестане змінюватися у часі, вмикають
секундомір "пуск", записують 10 значень ΔТ через кожні 10 секунд за
звуковим сигналом (початковий період).
8. На одинадцятому відліку часу розбивають ампулу з досліджуваною
речовиною повертаючи за часовою стрілкою рукоятку (3) на кришці тієї
частини калориметра, де розміщена пробірка. В результаті перебігу
хімічного процесу ΔТ різко змінюється (головний період). Записують
10 відліків ΔТ через кожні 10 секунд (всього 100 с). Рівномірна зміна Т
відповідає завершенню головного періоду.
9. Фіксують ще 10–20 відліків ΔТ до того часу, коли швидкість змінення ΔТ не
буде перевищувати 0,01–0,02
0
С за відлік (кінцевий період).
10. Результати вимірювань заносять у таблицю 1.1, будують графік залежності
ΔТ від часу та визначають ΔТ
експ.
(див. розділ 1.2.4).
10
Лабораторна робота № 1
Визначення інтегральної теплоти розчинення та
теплоти гідратоутворення солі
Мета роботи – обчислити теплоту гідратоутворення сульфату міді за
величинами теплоти розчинення безводної солі і кристалогідрату.
Короткі теоретичні відомості з роботи
Розчинення речовини у розчиннику у багатьох випадках супроводжується
виділенням або поглинанням теплоти. Цей тепловий ефект зумовлений перш за
все процесами гідратоутворення, руйнування кристалічної решітки, дисоціації
та сольватації іонів. Кількісно цей процес характеризується інтегральною або
диференційною теплотами розчинення.
Інтегральна теплота (ентальпія) розчинення солі – тепловий ефект
розчинення 1 г або 1 моль речовини в такій кількості розчинника, щоб при
цьому утворився розчин заданої концентрації.
Диференційна теплота (ентальпія) розчинення солі – тепловий ефект
розчинення 1 г або 1 моль речовини в такій великій кількості розчинника, щоб
зміна його концентрації при розчиненні солі була майже рівною нулю.
Теплоту гідратоутворення купрум (II) сульфату розраховують за
теплотами розчинення безводної солі і кристалогідрату у воді у відповідності
до закону Гесса. Схематично процес розчинення безводної солі CuSO
4
може
надаватися такою схемою:
+nH
2
O
+(
n-
5)
H
2
O
+5
H
2
O
H
3
H
2
H
1
CuSO
4
5H
2
O
CuSO
4
nH
2
O
CuSO
4
H
1
– теплота розчинення безводної солі CuSO
4
, Дж/моль,
H
2
– теплота
гідратоутворення;
H
3
– теплота розчинення кристалогідрату CuSO
4
·5H
2
O.
Відповідно до закону Гесса:
H
1
=
H
2
+
H
3
, та
H
2
=
H
1
-
H
3
.
(1.10)
Тому теплоту гідратоутворення CuSO
4
(
H
гідрат
) можна визначити так:
H
гідрат
=
H
розчин.
(CuSO
4
) -
H
розчин.
(CuSO
4
·5H
2
O) ,
(1.11)
Теплоти розчинення безводної солі і кристалогідрату (
H
розчин
.
(CuSO
4
)
та
H
розчин
.
(CuSO
4
·5H
2
O)
)
встановлюються експериментально калориметричним
методом.