Калориметрическая система.

Теоретическая часть

 

Тепловой эффект реакции – это теплота, выделенная или поглощенная термодинамической системой при протекании в ней химической реакции.

Процесс растворения твёрдого соединения (соли) с ионной кристаллической решёткой в воде или в каком-либо другом растворителе можно разбить на две стадии:

1. разрушение кристаллической решётки и удаление ионов этой соли на бесконечное расстояние друг от друга (или на расстояние, определяемое объёмом раствора);

2. взаимодействие образовавшихся ионов с молекулами растворителя.

Теплота растворения – тепловой эффект процесса растворения 1 моля вещества в бесконечно большом количестве растворителя. Измеряется в кДж.

Теплота растворения складывается из двух составляющих: теплоты разрушения кристаллической решётки (для твёрдого вещества) и теплоты сольватации.

(1)

Интегральная теплота растворения () – тепловой эффект, сопровождающий процесс растворения (при ) 1 моля (молярная) или 1 г (удельная) соли в данном количестве растворителя с образованием раствора молярной концентрации .

Прибавление воды к раствору также сопровождается тепловым эффектом – теплотой разведения.

Интегральная теплота разведения – тепловой эффект, наблюдающийся при разбавлении раствора, содержащего 1 моль растворённого вещества, до бесконечного разведения, т.е. до . Тогда:

(2)

Промежуточная теплота разведения – тепловой эффект, сопровождающий разбавление раствора, содержащего 1 моль растворённого вещества, от концентрации до меньшей концентрации . Она равна разности соответствующих интегральных теплот растворения:

(3)

Тепловой эффект, который получается при концентрировании раствора от до , называется промежуточной теплотой растворения:

(4)

Величина теплового эффекта процесса растворения зависит от концентрации полученного раствора, и для данной соли (вещества) можно получить ряд значений теплоты растворения, соответствующих различным концентрациям вещества.

Калориметрическая система.

Схема калориметрической системы (лабораторной установки):

1. изотермическая оболочка;

2. термометр;

3. калориметрический стакан;

4. мешалка;

5. калориметрическая жидкость;

6. пробирка с солью.

Тепловой эффект процесса растворения соли в калориметрической системе определяется экспериментально по изменению температуры в калориметре :

(5)

где – масса воды, г; – теплоёмкость воды, (); – масса стакана; – теплоёмкость стакана, ; – масса термометра, г; – теплоёмкость термометра, ; – масса мешалки, г; – теплоёмкость мешалки, .

Параметры уравнения (5), такие как масса и теплоёмкость стакана, мешалки и термометра можно считать постоянными величинами в процессе эксперимента и объединить сумму их произведений в величину, называемую постоянной калориметра:

(6)

Тогда уравнение (5) может быть записано в виде:

(7)

где К – постоянная калориметра или теплоёмкость всех частей калориметра и вспомогательных устройств, участвующих в теплообмене, Дж/К; – изменение температуры в процессе растворения, протекающего в условиях отсутствия теплообмена калориметра с окружающей средой.

Постоянную калориметра можно предварительно определить из отдельного эксперимента через тепловой эффект процесса растворения соли с известной теплотой растворения (например, KCl или NH₄Cl) из выражения:

 

(8)

(9)

где – количество теплоты, которое поглощается при растворении определенного количества KCl (данная соль растворяется с понижением температуры); – изменение температуры при растворении навески соли KCl.

Количество теплоты при растворении неизвестной соли определяется по уравнению:

(10)

где – количество теплоты, которое выделяется или поглощается при растворении определенного количества неизвестной соли; – изменение температуры при растворении данной навески неизвестной соли. Рассчитав по уравнению количество теплоты , можно определить удельную теплоту растворения неизвестной соли:

(11)

где – величина навески неизвестной соли, г.

Для того, чтобы определить какая соль была взята в качестве неизвестной, полученную удельную теплоту растворения нужно преобразовать в интегральную теплоту растворения и сравнить её со справочной величиной.

 

Экспериментальная часть

Экспериментальные данные:

Опыт с известной солью	Опыт с неизвестной солью
Соль _________	Масса соли =______ Масса воды =______	Соль №_____4____	Масса соли =__2г____ Масса воды =__100мл____
Время, мин	Температура, ºС	Время, сек	Температура, ºС
		0.000E+00	2.400E+01
		3.000E+01	2.401E+01
		6.000E+01	2.400E+01
		9.000E+01	2.400E+01
		1.200E+02	2.401E+01
		1.500E+02	2.401E+01
		1.800E+02	2.401E+01
		2.100E+02	2.401E+01
		2.400E+02	2.401E+01
		2.700E+02	2.401E+01
		3.000E+02	2.401E+01
		3.300E+02	2.401E+01
		3.600E+02	2.402E+01
		3.900E+02	2.402E+01
		4.200E+02	2.308E+01
		4.500E+02	2.206E+01
		4.800E+02	2.183E+01
		5.100E+02	2.183E+01
		5.400E+02	2.196E+01
		5.700E+02	2.205E+01
		6.000E+02	2.212E+01
		6.300E+02	2.218E+01
		6.600E+02	2.224E+01
		6.900E+02	2.230E+01
		7.200E+02	2.234E+01
		7.500E+02	2.239E+01
		7.800E+02	2.242E+01
		8.100E+02	2.246E+01
		8.400E+02	2.249E+01
		8.700E+02	2.252E+01
		9.000E+02	2.255E+01
		9.300E+02	2.258E+01
		9.600E+02	2.261E+01

 

Обработка результатов:

1. Построение графической зависимости ______________________

(для известной соли __________)

 

 

Определение изменения температуры Δt _1,000__________

 

2. Построение графической зависимости ______________________

(для неизвестной соли __________)

 

Определение изменения температуры Δt ____1,855_______

 

3. Расчёт теплоты растворения:

 

1) определение количества молей известной соли:

_______________________________________________________________

________________________________________________[ ]

 

2) расчет моляльной концентрации известной соли в растворе:

_______________________________________________________________

__________________________________________________[ ]

3) интегральная теплота растворения известной соли (из справочных данных) ______________ [ ]

 

4) расчет теплоты растворения известной соли:_____________________

_____________________________________________________________

_______________________________________________ [ ]

 

5) расчет постоянной калориметра:________________________________

_______________________________________________________________

 

 

6) расчет теплоты растворения неизвестной соли:_____________________

_________________________________________________ [ ]____

 

7) расчет удельной теплоты растворения неизвестной соли: ____________

_____________________________________________________________________________________________________________________[ ]

 

8) расчет интегральной теплоты растворения неизвестной соли (________)

___________________________________________________________________________________________________________________ _[ ]

 

Расчёт интегральной теплоты растворения на основе справочных данных для неизвестной соли (_____________)

 

1. определение количества молей исследуемой соли:

_______________________________________________________________

________________________________________________[ ]

 

2. расчет моляльной концентрации исследуемой соли в растворе:

_______________________________________________________________

__________________________________________________[ ]

3. интегральная теплота растворения исследуемой соли (из справочных данных) ______________ [ ]

 

 

Интегральная теплота растворения исследуемой соли ____________

 

Экспериментальные данные	Справочные данные

 

Расчёт относительной погрешности определения теплоты растворения неизвестной соли:

 

 

Выводы:

_______________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________