Работа №1. Определение теплоты растворения соли с помощью термометра Бекмана

Северский технологический институт – филиал НИЯУ МИФИ

(СТИ НИЯУ МИФИ)

 

УТВЕРЖДАЮ

зав. кафедрой ХиТМСЭ

д. техн. наук, профессор

____________ Софронов В.Л.

«___» ______________ 2016 г.

 

 

О.А. Ожерельев, А.И. Лобаненко

 

Определение теплоты растворения соли с помощью УЛК «Химия»

 

Методическое указание для студентов

 

 

Северск 2016

УДК 544.7(075.8)

ББК В22.365

Ф 326

Ожерельев О.А., Лобаненко А.И. Определение теплоты растворения соли с помощью УЛК «Химия»: методическое указание для студентов. – Северск: Изд-во СТИ НИЯУ МИФИ, 2016. - 32 с.

Руководство содержит план коллоквиума, краткое изложение теоретического материала, описание хода работы, правила техники безопасности и список рекомендуемой литературы.

Методическое указание подготовлено на кафедре «Химии и технологии материалов современной энергетики» СТИ НИЯУ МИФИ для студентов дневной формы обучения по специальности 240501 «Химическая технология материалов современной энергетики» при выполнении лабораторных работ по курсу «Физическая химия».

Одобрено на заседании методического семинара кафедры ХиТМСЭ (протокол № 25 от «06» ноября 2014 г.).

Печатается в соответствии с планом выпуска учебно-методической литературы на 2015 г., утвержденным Ученым Советом СТИ НИЯУ МИФИ.

Рецензент: Доцент каф.ХиТМСЭ Агеева Л.Д.

Редактор М. В. Ворожейкина

Подписано к печати___ Формат 60х84/32.

Гарнитура Times New Roman. Бумага писчая №2.

Плоская печать. Усл. печ. л. 0,95. Уч. изд. л. 1,74.

Тираж 30 экз. Заказ_____

 

Отпечатано в ИПО СТИ НИЯУ МИФИ

636036, Томская обл., г. Северск,

 

Содержание

 

1) 1 Теоретическая часть. Ошибка! Закладка не определена.

2) 2 Экспериментальная часть. 6

2.1 Работа №1. Определение теплоты растворения соли с помощью термометра Бекмана. 6

2.2 Работа №2. Определение теплоты растворения соли с помощью УЛК «Химия» ……………………………………………………………………...…9

2.2.1 Работа с учебно-лабораторным комплексом (УЛК) «Химия»...…10

2.2.2 Порядок выполнения работы.. Ошибка! Закладка не определена.

3) 3 Безопасность труда. Ошибка! Закладка не определена.

4) Литература. Ошибка! Закладка не определена.

Теоретическая часть

Термохимия — раздел химический термодинамики, в котором изучаются тепловые явления, сопровождающие различные физико-химические процессы (химические реакции, фазовые переходы и др.). При химических превращениях происходит изменение внутренней энергии системы, обусловленное тем, что внутренняя энергия продуктов реакции отличается от внутренней энергии исход­ных веществ. Изучение этих изменений имеет большое значение для термодина­мических и технологических расчетов и, кроме того, является одним из путей изучения энергии отдельных химических связей в молекуле и количественной оценки прочности этих связей. Изменение внутренней энергии в различных процессах происходит путем поглощения или выделения теплоты и совершения работы. Тепловым эффектом химической реакции назы­вается количество теплоты (кДж) которое выделяется или поглощается при необратимом протекании реакции, когда единственным видом работы является работа расширения, а температуры исходных веществ и продуктов реакции одинаковы.

 

Основным законом термохимии является закон Гесса: тепловой эффект реакции при постоянстве объема или постоянстве давления приобретает свойства функции состояния, т.е. не зависит от пути процесса, а определяется только состоянием исходных веществ и продуктов реакции. Следовательно, если из данных исходных веществ можно различными путями получить одни и те же конечные продукты, то, независимо от вида промежуточных реакций, суммарный тепловой эффект будет одним и тем же. Это можно пояснить следующей схемой:

 

Q₁ = Q₂ + Q₃

 

Из закона Гесса вытекает очень важное свойство термохимических уравнений, состоящее в том, что с ними можно производить алгебраические действия: складывать, вычитать одно из другого, переносить члены из одной части уравнения в другую, изменив знак на обратный, и т.п.

Так же из закона Гесса вытекает три следствия:

1. Тепловой эффект прямой реакции равен по величине и противоположен по знаку тепловому эффекту обратной реакции (закон Лавуазье — Лапласа).

2. Тепловой эффект химической реакции равен разности сумм теплот образования (ΔH_f) продуктов реакции и исходных веществ, умноженных на стехиометрические коэффициенты (ν):

∆Н⁰ = ∑(ν_i ∆ Н⁰_f,i) _{продуктов} + ∑(ν_i ∆ Н⁰_f,i) _{исходных веществ}

3. Тепловой эффект химической реакции равен разности сумм теплот сгорания (ΔH_c) исходных веществ и продуктов реакции, умноженных на стехиометрические коэффициенты (ν):

∆Н⁰ = ∑(ν_i ∆ Н⁰_c,i) _{исходных веществ} + ∑(ν_i ∆ Н⁰_c,i) _{продуктов}

Таким образом, пользуясь табличными значениями теплот образования или сгорания веществ, можно рассчитать теплоту реакции. Табличные величины теплот образования и сгорания веществ обычно относятся к т. н. стандартным условиям. Для расчёта теплоты процесса, протекающего при иных условиях, необходимо использовать и другие законы термохимии, например, закон Кирхгофа, описывающий зависимость теплового эффекта реакции от температуры.

Закон Кирхгофа гласит, что температурный коэффициент теплового эффекта химической реакции равен изменению теплоёмкости системы в ходе реакции. Уравнение Кирхгофа, являющееся следствием этого закона, используется для расчёта тепловых эффектов при разных температурах.

Дифференциальная форма закона:

Интегральная форма закона:

где и — изобарная и изохорная теплоёмкости, — разность изобарных теплоёмкостей продуктов реакции и исходных веществ, — разность изохорных теплоёмкостей продуктов реакции и исходных веществ, а и — соответствующие тепловые эффекты.

Если разница невелика, то можно принять

и ,

соответственно интегральная форма уравнений примет следующий вид:

При большой разнице температур необходимо учитывать температурные зависимости теплоёмкостей:

и

Закон Гесса имеет большое практическое значение, так как позволяет вычислять даже такие тепловые эффекты, которые экспериментально определить невозможно.

Экспериментальная часть

Работа №1. Определение теплоты растворения соли с помощью термометра Бекмана

Цель работы: ознакомление с термохимическими измерениями, экспериментальное определение теплоты растворения соли.

 

Величину теплового эффекта измеряют с помощью специального прибора – калориметра, который показан на рисунке 1.

Рисунок 1 – Калориметр для определения теплового эффекта растворения

 

Калориметр состоит из сосуда 1, в который помещается исследуемое вещество, и защитной оболочки 2, уменьшающей тепловое взаимодействие сосуда и исследуемого вещества с окружающей средой. Для определения тепловых эффектов при температуре от –20 до + 50° применяют калориметр с воздушной изотермической оболочкой. В крышке калориметра 3 имеются отверстия, в которые вставляют стеклянную мешалку 4 и термометр Бекмана 5, позволяющий измерить изменения температуры (но не температуру) с точностью до 0,002° С.

При проведении в калориметре какого-либо процесса, сопровождающегося тепловым эффектом, в теплообмене участвуют не только сосуд с исследуемым веществом, но и остальные части калориметрической системы (мешалка, термометр Бекмана, крышка и др.), поэтому уравнение теплового баланса имеет вид:

 

(1)

где Q – теплота процесса (например, процесса растворения соли);

m₁ – масса раствора;

C₁ – теплоёмкость раствора;

m₂ – масса сосуда;

С₂ – теплоёмкость сосуда;

m₃ – масса мешалки;

C₃ – теплоёмкость мешалки, и т.д.;

– изменение температуры.

Так как все измерения проводятся в одном и том же калориметре, величины m₂, m₃ и т.д., а также С₂, C₃ и т.д. остаются постоянными во всех опытах. Обозначим выражение

(2)

K называют теплоёмкостью калориметрической системы или постоянной калориметра. Величина K указывает количество тепла, которое необходимо сообщить участвующим в теплообмене частям калориметра, чтобы повысить их температуру на один градус.

Для определения K проводится дополнительный опыт, в котором измеряют изменение температуры при растворении какой-либо соли (обычно KCl), тепловой эффект растворения которой известен. Для дополнительного опыта уравнение (1) запишется так:

(3)

где Q_KCl – теплота растворения KCl (252,7 Дж/г при18° С);

– масса раствора KCl;

C₁ – теплоёмкость раствора (С₁ = 4,1 Дж/г·град);

K – постоянная калориметра;

Dt_KCl – изменение температуры в процессе растворения KCl.

Из уравнения (3) находим K:

(4)

Теплоту растворения исследуемой соли Q_x рассчитываем по уравнению:

 

Порядок выполнения работы:

1.Налить в калориметрический стакан 150 мл воды.

2.Проверить настройку термометра Бекмана.

3.Взвесить 2 г KCl на кусочке кальки.

1) 4.До всыпания соли при непрерывном помешивании взять по шкале термометра Бекмана 6–7 отсчётов через каждые 30 сек. (Опыт можно начинать лишь после того, как все части калориметрической системы будут иметь одинаковую температуру. При этом температура будет либо постоянной во времени, либо равномерно изменяющейся из-за изменения температуры окружающей среды).

2) 5.Не выключая секундомера, приподнять крышку калориметра, аккуратно всыпать KCl в воду так, чтобы кристаллики не попали на стенки стакана или непогруженную часть термометра. Если при этом 1–2 отсчёта температуры будут пропущены, это не скажется на точности опыта, если при построении графика для определения Dt учесть этот пропуск.

3) 6.Помешивая раствор, записывать показания термометра Бекмана (через 30 сек.) до тех пор, пока температура после снижения не станет вновь повышаться.

4) 7.Придерживая внутренний стакан, вылить раствор KCl в раковину. Стакан, термометр и мешалку промыть дистиллированной водой.

5) 8.Проделать опыт с исследуемой солью так же, как с KCl.

6) 9.Определить действительное изменение температуры графическим способом. Для этого на миллиметровой бумаге по оси абсцисс откладывается время, а по оси ординат – температура. После нанесения всех экспериментальных точек получается кривая ABCD (рисунок 2). Кривая может иметь и другой вид.

Рисунок 2 – График для определения действительного изменения температуры в калориметре

Время, относящееся к участку AB, в течение которого все части установки приобретают одинаковую температуру и равномерную скорость её изменения, называется «предварительным периодом». Время, относящееся к участку ВС, за которое происходит растворение соли – «главным периодом»; CD – «заключительным» (система за счёт теплообмена с окружающей средой вновь приобретает комнатную температуру).

Для определения истинного значения Dt время главного периода (отрезок mn) необходимо разделить пополам и из полученной точки Е восстановить перпендикуляр до пересечения с продолжениями прямых АВ и СD. Отрезок перпендикуляра ef, дает искомое значение Dt.

7) Рассчитав K, вычислить удельную теплоту растворения исследуемой соли. Затем, узнав у преподавателя точное значение теплоты растворения исследуемой соли, подсчитать абсолютную и относительную погрешность опыта.

Абсолютной погрешностью Dа в определении какой–либо величины А является разность между приблизительным числом a полученным из опыта, и истинным значением А:

Относительной погрешностью d называют отношение абсолютной погрешности к истинному значению:

В выводах к проделанной работе следует указать значение теплового эффекта растворения соли, определенное с той или иной погрешностью.