Лабораторный практикум по физической химии (стр. 3 )

Такого типа калориметрические установки применяются для определения теплот растворения солей, теплот нейтрализации и др.

Исследуемые вещества вносят в калориметрический стакан и о тепловом эффекте при их превращениях судят по изменению температуры в калориметрическом стакане. Изменение температуры ∆Т зависит не только от теплоты

процесса Q, протекающего в калориметре, но и от теплоемкости калориметрической системы (Cк): Q = Cк ∆Т.

 

Рис. 2.1. Калориметр с изотермической оболочкой:

1 – калориметрический стакан; 6 – термометр Бекмана;

2 – изотермическая оболочка; 7 – лапка;

3 – подставка; 8 – штатив;

4 – крышка; 9 – пипетка для кислоты

5 - мешалка; (если необходима)

Поскольку процесс в калориметре протекает при постоянном давлении, тепловой эффект изучаемого процесса равен изменению энтальпии системы: Qp = ∆H. Величина теплового эффекта реакции в пересчете на 1 моль вещества определяется из соотношений:

Qp = Cк ∆Т = п ∆H, 2.1

∆H = (Cк∙ ∆Т)/ п ,

где n – число молей реагирующего вещества.

Метастатический термометр Бекмана (рис.2.2) предназначен для измерения с достаточной точностью небольших разностей температур в различных интервалах абсолютных температур. Шкала термометра градуирована всего на 5° (иногда на 2 или 6°) с отметкой между ними десятых и сотых долей. Его особенностью является наличие в верхней части термометра дополнительного резервуара (4), в который при необходимости может быть перелита часть ртути из основного (нижнего) резервуара (1) или наоборот, что дает возможность использовать один и тот же термометр для проведения измерений в различных температурных интервалах.

Для проведения опыта необходимо установить начальную температуру по термометру Бекмана в интервале 0 – 1º для экзотермических процессов или 4 - 5º для эндотермических.

Рис 2.2 Термометр Бекмана

Чтобы настроить термометр, необходимо привести в соприкосновение ртуть обоих резервуаров. Для этого, подогревая рукой (а если этого недостаточно, то опустив в теплую воду), вызывают расширение ртути в нижнем резервуаре с тем, чтобы заполнить ею весь капилляр (3) доверху. Затем быстро перевернув термометр основным резервуаром (1) вверх и слегка постукивая по верхнему краю термометра, добиваются того, чтобы ртуть в запасном резервуаре подошла вплотную к верхушке капилляра, наполненного ртутью из основного резервуара, и слилась с ней. После этого термометр осторожно, без разрыва ртути, снова переворачивают. Нижний резервуар с ртутью тотчас погружают в заранее подготовленный стакан с водой, температура которой должна соответствовать начальной температуре опыта. Через 2-3 минуты, плотно зажав термометр посередине одной рукой, быстро вынимают его из воды и, энергично стукнув руку с зажатым термометром о другую, вызывают отрыв верхней ртути от капилляра. Таким образом заканчивается основная, но еще не полная настройка термометра.

Если в рабочей части термометра (нижний резервуар с капилляром) имеется некоторый избыток ртути, которым является небольшое количество ртути, находящееся в верхней половине капилляра, между намеченными делениями шкалы и местом, где был осуществлен отрыв ртути. Слегка подогрев рукой нижний резервуар, вызывают расширение ртути, что тотчас замечают по небольшой капельке ртути, появляющейся в капилляре верхнего резервуара. Эту капельку следует стряхнуть в верхний резервуар. Необходимо проверить, достаточно ли этого количества сброшенной ртути или нет, повторным погружением термометра в стакан с водой. Если температура, соответствующая температуре начала опыта попадает на шкалу выше желаемого деления, то нагревание и встряхивание капельки ртути следует повторить и еще раз проверить показание термометра, опустив его в тот же стакан с водой. Если начальная температура ниже заданной, то часть ртути надо добавить в основной резервуар.

ВНИМАНИЕ. С настроенным термометром следует обращаться особенно осторожно. Его нельзя класть на стол и оставлять при комнатной температуре, если он настроен на более низкую, чем комнатная, температуру.

В нерабочие промежутки времени термометр должен быть укреплен вертикально вниз в штативе, причем нижний резервуар его должен быть опущен непосредственно в жидкость с температурой соответствующей начальной температуре опыта.

Теплоемкостью Cк калориметрической установки называют количество теплоты, необходимое для нагревания ее на один градус. Теплоемкость калориметрической установки складывается из теплоемкостей жидкости и соприкасающихся с ней частей калориметра, участвующих в теплообмене: стакана, термометра, мешалки. Обычно значение Cк находят экспериментально, измеряя ∆Т какого-либо стандартного процесса, тепловой эффект которого заранее известен. Как правило, определение Cк основано на измерении теплового эффекта растворения хлорида калия в воде.

Калориметрический опыт разделяется на три периода: 1) начальный, продолжающийся не менее 5 минут; 2) главный – время протекания исследуемого процесса; 3) заключительный, продолжающийся с линейным изменением температуры. По экспериментальным данным строят зависимость изменения температуры во времени (рис.2.3).

Рис. 2.3 Изменение температуры во времени.

Начальный период (участок АВ на рис.2.3) служит для установления постоянной скорости теплообмена калориметра с окружающей средой в исходных условиях; при этом температура системы со временем может снижаться либо расти в зависимости от начальной разности температур воды в калориметрическом сосуде и окружающей среды. После установления равномерного изменения температуры следует провести, как минимум, десять измерений с интервалом 30с.

После установления постоянной скорости теплообмена в калориметрическом сосуде проводят химическую реакцию, в результате которой происходит выделение или поглощение тепла. Этот процесс – главный период (участок ВС на рис.2.3 для экзотермической реакции). Продолжительность этого периода зависит от скорости процесса.

По окончании процесса происходит теплообмен калориметрической системы с окружающей средой, и время после установления постоянной скорости теплообмена называется конечным периодом (отрезок CD на рис.2.3).

Истинное изменение температуры в ходе калориметрического опыта определяют графически. Для этого строят зависимость температуры от времени как на рис.2.3. Точки С и В проектируются на ось ординат. Участок МК делится пополам и через точку L проводится прямая, параллельная оси абсцисс до пересечения с экспериментальной кривой в точке G, через которую проводится прямая, параллельная оси ординат. Отрезки АВ и СD, соответствующие начальному и конечному периодам, экстраполируют до пересечения с этой вертикальной прямой. Отрезок EF показывает изменение температуры опыта с учетом поправки на теплообмен. Полученное с помощью графика изменение температуры ΔT=EF соответствует изменению температуры при растворении соли или в ходе реакции, которое имело бы место, если бы удалось исключить теплообмен системы с окружающей средой во время процесса растворения или реакции.

Постоянную калориметрической установки рассчитывается по уравнению:

, 2.2

где ∆Нm – интегральная теплота растворения KCl в воде, значение которой находится в справочных материалах; m (KCl) – навеска KCl, г; M(KCl) – молярная масса KCl. Мольная теплота растворения зависит от концентрации полученного раствора.

Работа 2.1 ОПРЕДЕЛЕНИЕ ТЕПЛОТЫ РАСТВОРЕНИЯ СОЛИ

Цель работы – определение интегральной теплоты растворения соли в воде.

При растворении соли в воде протекают одновременно два процесса:

1)  разрушение кристаллической решетки, что требует затрат энергии;

2)  гидратация ионов – процесс, сопровождающийся выделением энергии.

В зависимости от соотношения тепловых эффектов этих процессов процесс растворения соли может быть как экзотермическим, так и эндотермическим. В данной работе процесс растворения в воде соли KCl сопровождается поглощением тепла.

Приборы и реактивы:

·  калориметрическая установка;

·  аналитические весы;

·  мерный цилиндр на 250 мл;

·  секундомер;

·  исследуемые соли(по указанию преподавателя) – КI, KCl, KNO3, KNCS, K2SO4, NH4NO3.

Порядок выполнения работы:

1)  Определение постоянной калориметрической установки.

Перед началом эксперимента необходимо, чтобы все составные части калориметрической установки и используемые реактивы имели одинаковую температуру.

На аналитических весах взять точную навеску сухой, тщательно измельченной соли KCl массой, необходимой для приготовления 250 мл 0,2 ÷ 0,3 М раствора. Собрать калориметрическую установку и через отверстие в крышке с помощью цилиндра влить в калориметрический стакан 250 мл дистиллированной воды комнатной температуры. Перемешивая воду с помощью электрической мешалки, добиться установления равномерного изменения температуры в калориметре. С этого момента производить 10 отсчетов по термометру Бекмана каждые 30 секунд с точностью до 0,005 град. Сразу после последнего отсчета, не меняя режима перемешивания, всыпать в калориметрический стакан взятую ранее навеску KCl.

Продолжая фиксировать показания термометра Бекмана через те же промежутки времени, производить отсчеты до тех пор, пока изменения температуры не станут постоянными (конечный период). После чего освободить калориметр от содержимого и подготовить его к следующему опыту.