Определение атомной массы металла

Для основной образовательной программы

«Экспериментальная отработка и эксплуатация летательных аппаратов»

По направлению (специальности) подготовки

«Испытание летательных аппаратов» 24.05.03

Разработано:

ст. преподаватель Сгибнева И.В.

 

Утверждено

на заседании кафедры Б13-ОТД

«____» _____________________20___г.

протокол №

Лабораторная работа №1

 

1. Название: «Определение удельной теплоёмкости металла и его атомной массы»

Целью выполнения лабораторной работы является проверка достижения следующих результатов образования (РО):

знания:

на уровне представлений: Знание экспериментальных и теоретических методов изучения химических явлений, а также применение математического аппарата для их количественного описания.

на уровне воспроизведения: Фундаментальные физические законы, описывающие процессы и явления в природе

на уровне понимания: Физическую сущность явлений, процессов и эффектов, лежащих в основе устройства и функционирования испытательных стендов и объектов испытания.

умения:

теоретические: Уметь составлять химические уравнения при решении задач по химическим реакциям в различных средах и системах

практические: Уметь применять химические законы для решения практических задач; проводить расчеты с использованием фундаментальных констант, пользоваться основными приемами обработки экспериментальных данных с представлением их в виде схем, графиков и т.д. Уметь работать с технической литературой, справочниками и другими информационными источниками

навыки: Владеть навыками практического применения законов химии

 

Перечисленные РО являются основой для формирования следующих компетенций:

общекультурных и профессиональных:

 

ОПК-2 Способность представить адекватную современному уровню знаний научную картину мира на основе знания основных положений, законов и методов естественных наук и математики на уровне основных формулировок.

 

2. Теория и методические указания

 

Если два тела с разной температурой привести в соприкосновение, то происходит выравнивание температур. При этом тело с более высокой температурой охлаждается и передаёт часть тепловой энергии менее нагретому телу, то есть происходит процесс передачи некоторого количества теплоты. Внутренняя энергия тел при этом изменится. Процесс изменения, внутренней энергии тела без совершения работы называется теплопередачей. Количество теплоты является мерой изменения внутренней энергии при теплопередаче.

Количество теплоты, получаемое телом от другого тела, может быть измерено. За единицу количества теплоты принята калория – количество теплоты, необходимое для нагревания 1 грамма чистой воды на 1°C. В системе СИ за единицу количества теплоты принята единица джоуль (Дж):

 

I кал = 4,1868 Дж.

 

Разные тела можно нагреть до одной и той же температуры путём подведения разного количества теплоты. Это означает, что различные вещества обладают разной восприимчивостью к нагреванию.

Количество теплоты, необходимое для нагревания вещества на I°C, называется теплоёмкостью данного вещества.

Теплоёмкость вещества пропорциональна его массе и зависит от свойств данного вещества. Удельной теплоёмкостью данного вещества называется количество теплоты, необходимое для нагревания I грамма вещества на I°C.

Если Q – количество теплоты, переданное телу массой m при нагревании его от температуры t1, до температуры t2, то удельная теплоёмкость будет равна:

 

С =	Q	(1.1)
m(t2 - t1)

 

Удельная теплоёмкость вещества выражается в Дж/г·°К (или в системе СИ - Дж/кг·°К).

 

1.2 Теплоемкость металлов

 

Простейший способ определения удельной теплоёмкости твёрдых тел состоит в следующем: кусок металла определённого веса нагревают до температуры кипящей воды и затем помещают в калориметр с холодной водой. После того, как температуры металла и воды сравняются, определяют результирующую температуру в калориметре. При этом в соответствии с уравнением теплового баланса количество теплоты, выделившееся при охлаждении металла равно количеству теплоты, полученному сосудом калориметра и водой. Поскольку все параметры, кроме одного – удельной теплоёмкости исследуемого металла СМ, известны, то из уравнения теплового баланса можно определить величину СМ.

По уравнению теплового баланса:

Σ Qотд. = Σ Q,

то есть суммарное количество теплоты, отданное при теплообмене всеми охлаждаемыми телами замкнутой системы, равно сумме количеств теплоты, полученных всеми нагревающимися телами.

При теплообмене исследуемый металл отдал количество теплоты:

 

Q_м = c_м· m_м(t₂ - θ), (1.2)

 

где c_м – удельная теплоёмкость исследуемого металла (Дж/г·°К);

m_м - масса исследуемого металла, г;

t ₂ – температура, до которой нагрет металл (в нашем случае 100º С);

θ - температура, установившаяся после теплообмена.

Калориметр и жидкость (вода) получили соответственные количества теплоты:

Q_к = c_к· m_к(θ - t ₁ ), (1.3)

Q_ж = c_ж· m_ж(θ - t ₁ ), (1.4)

где c_к – удельная теплоёмкость калориметра (стекла) (Дж/г·°К);

m_к - масса внутреннего сосуда калориметра, г;

t ₁ – начальная температура жидкости;

c_к – удельная теплоёмкость жидкости (воды), (Дж/г·°К);

m_к - масса жидкости (воды), г.

Незначительное количество теплоты, полученное термометром, не учитывается.

Уравнение теплового баланса можно записать в виде:

 

Q_м = Q_ж + Q_к или

с_м· m_м(t₂ - θ) = c_к· m_к(θ - t ₁ ) + c_ж· m_ж(θ - t ₁ )

Отсюда определяется удельная теплоёмкость металла:

 

cм =	(cжmж + cкmк) (θ- t 1 )	(1.5)
mм(t 2 - θ)

 

c_ж(воды) = 4,19 Дж/г·°К, c_к(стекла) = 0,8 Дж/г·°К

 

t ₂ = 100º С

 

Тогда уравнение (1.5) принимает вид:

 

cм =	( 4,19 ·mж + 0,8 ·mк) (θ - t 1 )	(1.6)
mм( 100 – θ)

Определение атомной массы металла

Вычислив таким образом удельную теплоёмкость металла, можно определить его приближённую атомную массу по правилу Дюлонга и Пти. Атомная теплоёмкость большинства простых веществ в твёрдом состоянии лежит в пределах 22 ÷ 29 Дж/моль·°К (в среднем около 26 Дж/моль·°К).

Атомная теплоёмкость представляет собой количество теплоты необходимое для нагревания 1 моля атомов элемента на 1 º С.

Тогда правило Дюлонга и Пти можно сформулировать следующим образом: произведение удельной теплоёмкости простого вещества в твёрдом состоянии на мольную массу атомов соответствующего элемента для большинства элементов приблизительно одинаково и равно 26 Дж/моль·°К:

 

М·С ≈ 26 Дж/моль·°К, (1.7)

где М – мольная масса (численно равная ей атомная масса);

С – удельная теплоёмкость.

Из правила Дюлонга и Пти следует, что разделив 26 на удельную теплоёмкость простого вещества, можно найти приближённое значение мольной массы атомов, а значит, и численно равное ей приближённое значение атомной массы.

Точное значение атомной массы находят, сравнивая это значение с эквивалентной массой. Атомная и эквивалентная масса связаны соотношением:

 

Эквивалентная масса =	Атомная масса	(1.8)
Валентность

 

Пользуясь этой зависимостью, можно по удельной теплоёмкости и эквивалентной массе определить точную атомную массу металла.

Пример: Эквивалентная масса индия равна 38,273 г/моль; удельная теплоёмкость этого металла 0,222 Дж/г·°К. Определить точную атомную массу индия.

Сначала на основании правила Дюлонга и Пти определяем приближённую мольную массу атомов индия:

26: 0,222 = 117 г/моль

Затем делением этой приближённой величины на эквивалентную массу находим валентность индия:

117: 38,273 ≈ 3

Умножая эквивалентную массу на валентность, получаем мольную массу атомов индия:

38,273 · 3 = 114,82 г/моль

Следовательно, атомная масса индия равна 114,82 а.е.м.

 

Описание установки

Для определения удельной теплоёмко­сти пользуются калори­метром, который состоит из двух стаканов, вставленных один в другой. Внутренний стакан (1) ёмкостью 150 мл для уменьшения теплоотдачи поставлен на корковую пробку (2). Через асбестовую или картонную крышку (3), закрывающую внешний стакан (4), проходит термометр (5).

 

Рисунок 1

3. Задание на выполнение

 

1 Включить электроплитку, поставить на неё сосуд с водой и нагреть воду до кипения.

2 На техно-химических весах взвесить кусочек исследуемого металла, привязать его на нитку и опустить на 10 – 15 минут в кипящую воду.

3 Взвесить внутренний стакан калориметра, налить в него 50 ÷ 70 мл. воды и ещё раз взвесить.

4 Поместить этот стакан на его место в приборе и определить температуру воды.

5 Нагретый до 100º С (в кипящей воде) металл быстро перенести в воду калориметра, прикрыть калориметр крышкой и, помешивая термометром (осторожно!), установить наивысшую температуру, которую примет вода за счёт теплообмена с металлом.

 

Пользуясь описанной методикой, определить удельную теплоёмкость металла. Затем рассчитать приближённое и точное значение атомной массы. Посчитать % ошибки. Данные занести в таблицу 1.

Таблица 1-Результаты измерений

Металл	Mм	mж	mк	t1	Θ	cм	А'	А	% ошибки

 

4. Варианты задания

 

В качестве вариантов задания выдаются пластины из разных металлов.

 

5. Контрольные вопросы.

 

1 Что называется удельной теплоёмкостью вещества

2 Сформулируйте правило Дюлонга и Пти

3 Какое соотношение существует между атомной массой, эквивалентной массой и валентностью.

 

6. Список учебно-методической и дополнительной литературы

1 Луцик П.П. и др. Курс физики. – Киев: издательское объединение «Вища школа», 1978.

2 Справочник по элементарной физике, Лободюк В.А. и др.- Киев: Наукова думка, 1978.

3 Глинка Н.А. Общая химия.- Л.: Химия, 1980.

4 Лабораторные работы по общей химии, Стругацкий М.К. и др.,- М.: Высшая школа, 1963.

 

.