ТЕМА: Определение интегральной теплоты растворения соли и определение теплоты гидратообразования

Оборудование и реактивы: калориметр, термометр Бекмана, весы, навески кристаллогидрата и безводного сульфата меди, секундомер, дистиллированная вода комнатной температуры.

Калориметрическая установка. Простейший калориметр с изотермической оболочкой изображён на рис.2.1. Внутренний стакан 1 вставлен в оболочку 2 на подставке 3 из материала с малой теплопроводностью. Стакан закрывают крышкой 4, в которой сделаны отверстия для мешалки, термометра и других частей калориметра. Для быстрого установления теплового равновесия между частями калориметрической системы и смешения исследуемых веществ используют мешалку 5. Изменение температуры в ходе опыта определяют с помощью термометра Бекмана 6. Схема термометра Бекмана приведена на рис.2.2.

Рисунок 2.1 – Изотермический калориметр

Термометр Бекмана отличается наличием двух резервуаров с ртутью, связанных тонким измерительным капилляром. Нижний резервуар 1 термометра имеет большой объём, поэтому незначительное изменение температуры вызывает значительное перемещение ртути по капилляру 2. Длина капилляра (шкала термометра) рассчитана на измерение разности температур не более пяти градусов. Цена деления шкалы термометра 0,01 град. Перед работой термометр должен быть “установлен” таким образом, чтобы при температурах опыта уровень ртути в капилляре находился в пределах шкалы термометра. Для настройки его помещают в воду с комнатной температурой. Если выясняется, что уровень ртути находиться значительно ниже деления 1-2 град., термометр переворачивает верхней частью вниз. Лёгким постукиванием по термометру добиваются, чтобы ртуть перетекла из большого резервуара по капилляру в запасной 3 и соединилась с ртутью запасного резервуара. Осторожно, чтобы резким толчком не разорвать ртуть в капилляре, переворачивают термометр в правильное положение и снова погружают его в воду, имеющую температуру предстоящего опыта. Ртуть должна перетекать из верхнего


Рисунок 1.1 – Метастатический термометр Бекмана
резервуара в нижний, основной. Шкала верхнего резервуара 4 приблизительно показывает на какую температуру настроен термометр. После того, как мениск ртути в верхнем резервуаре перестанет перемещаться (через 5-10 мин.), лёгким ударом термометра о руку разрывают столбик ртути в месте соединения капилляра с резервуаром. Незначительно нагревают нижний резервуар теплом ладони. В результате нагрева в месте соединения капилляра с верхним резервуаром появляется капелька ртути; лёгким постукиванием термометра о руку стряхивают эту капельку вниз. Снова помещают термометр в воду, имеющую температуру опыта, и наблюдают за установкой мениска ртути. При необходимости операции настройки повторяют, а именно, если уровень ртути окажется значительно выше делений 1-2 град., то часть ртути из нижнего резервуара переводят в верхний. Для этого нагревают нижний резервуар ладонью, появившуюся в месте соединения верхнего резервуара с капилляром капельку стряхивают вниз и т.д. Если ртуть в капилляре окажется значительно ниже делений 1-2 град., настройку термометра начинают с самого начала.

С термометром Бекмана следует обращаться очень осторожно. Настроенный термометр не должен находиться в горизонтальном положении. В процессе работы следить за тем, чтобы не нарушалась его настройка.

Опыт №1. Определение теплоёмкости калориметрической системы.

Теплоёмкостью калориметрической системы называется количество теплоты, необходимое для нагревания её на один градус. В приближённых измерениях её можно вычислить, зная, что теплоёмкость всей системы слагается из теплоёмкости калориметрической жидкости и соприкасающихся с ней частей калориметра. Теплоёмкость каждой части калориметра рассчитывают, умножая её удельную теплоёмкость на массу Ci*mi, а теплоёмкость системы Ск=∑Ci*mi. Теплоёмкость погружённой в раствор нижней части термометра Бекмана Ст рассчитывают исходя из того, что равные объёмы ртути и стекла обладают примерно одинаковой теплоёмкостью, равной 1,92 Дж/мл град. Объём погружённой части термометра определяют погружением термометра в мерный цилиндр с водой на ту же глубину, что и в калориметре. Изменение уровня воды в цилиндре равно объёму погружённой части термометра. Если во внутреннем стеклянном стакане находиться 100 мл воды или разбавленного раствора (удельная теплоёмкость воды равна 4,184 Дж/г град.), масса стакана, контачащего с жидкостью, равна 37 г (уд. теплоёмкость стекла равна 0,79 Дж/г град.), масса медной мешалки, погружённой в жидкость, равна 15 г (уд. теплоёмкость меди равна 0,389 Дж/г град.), объём резервуара термометра, погружённого в жидкость, равен 4,2 мл, то теплоёмкость системы равна:

Ск=100 4,184+37 0,79+15 0,389+4,2 1,92=461,6 Дж/град.

 Опыт №2. Определение интегральной теплоты растворения безводной соли.

Во внутренний стакан калориметра наливают 100 мл дистиллированной воды, закрывают крышкой, вставляют термометр, включают мешалку и измеряют температуру воды в калориметре с точностью до 0,05 град. Затем, через отверстие в крышке пересыпают тщательно измельчённую навеску сульфата меди в жидкость калориметра, а отверстие крышки закрывают пробкой. Включают секундомер и через каждую минуту снимают показания термометра, данные заносят в таблицу:

Таблица 1.1 – Показания термометра

Время, мин.

 

 

 

 

 

 

 

Показания термометра, град.

 

 

 

 

 

 

 


Рис.2.3 – Зависимость температуры от времени в калориметрическом опыте.

Измерения заканчивают после установившегося (после быстрого изменения) равномерного хода температуры. По данным таблицы на миллиметровой бумаге строят график температура – время (рис.2.3.). Изменение температуры, соответствующее растворению соли, Т находят графически. Через точки начального и заключительного периодов проводят прямые линии (см. график) продолжая их на область среднего (главного) периода. Соединяют прямой последнюю по времени т.2, лежащую на линии начального периода, с первой по времени точкой 3, лежащей на линии заключительного периода; отрезок 23 делят пополам. Через середину отрезка проводят прямую, параллельную оси ординат, до пересечения её с линиями, полученными экстраполяцией участков начальных и заключительных периодов. Отрезок AB и является ∆Т.

Количество теплоты, выделившейся при растворении навески сульфата меди рассчитывают по формуле: , а молярную теплоту растворения – по уравнению:

(∆Hm)1=(∆h1/m1) *M1

 

Опыт №3. Определение теплоты растворения кристаллогидрата.

Во внутренний стакан калориметра помещают 100 мл дистиллированной воды и повторяют последовательность операций, описанную в опыте 2, только вместо безводной соли в жидкость внутреннего стакана калориметра помещают навеску кристаллогидрата CuSO4*5H2O. Количество теплоты рассчитывают по формуле: ∆h2=Ск*∆T2, а молярную теплоту растворения кристаллогидрата: (∆Hm)2 = ∆h2/m2*M2

Тепловой эффект гидратообразования (∆Hm)3, согласно закону Гесса

рассчитывается как(∆Hm)3=(∆Hm)1-(∆Hm)2 . При рассчёте  учесть, что (∆Hm)1<0 , а (∆Hm)2>0. Относительные ошибки в определении теплот растворения рассчитывают по формулам:

 

∆(∆Hm)1/(∆Hm)1=∆Ск/Ск   + 2∆(∆T)1/∆T1    + ∆m1/m1

 

∆(∆Hm)2/(∆Hm)2=∆Ск/Ск   + 2∆(∆T)2/∆T2    + ∆m2/m2

 

Абсолютные ошибки в определении теплот растворения:

∆(∆Hm)1 = (∆Hm)1*∆(∆Hm)1/(∆Hm)1 ;   ∆(∆Hm)2 = (∆Hm)2*∆(∆Hm)2/(∆Hm)2

Максимальная относительная ошибка в определении теплоты гидратообразования рассчитывается как:  

∆(∆Hm)3/(∆Hm)3 = ((∆Hm)1+∆(∆Hm)2)/(∆Hm)3