Экспериментальная часть

Измерение тепловых эффектов процессов производят в приборах, называемых калориметрами. Конструкция калориметрической установки зависит от особенностей изучаемого процесса, простейшая представлена на рис. 1. Такого типа калориметры 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 ΔТ зависит не только от теплоты процесса Q, протекающего в калориметре, но и от теплоемкости калориметрической системы (С_к): Q = С_к ΔТ.

Определение постоянной калориметра.

Для расчета теплового эффекта процесса, необходимо знать постоянную калориметра (С_к), то есть количество тепла (теплоемкость калориметра), которое требуется для нагревания калориметра с термометром, водой и другими веществами на 1°С. Процесс определения постоянной калориметра называется – калибровкой калориметра.

Постоянную калориметра можно определить экспериментально, измерив изменение температуры какого-либо стандартного процесса, тепловой эффект которого известен. Например, можно измерить тепловой эффект растворения нитрата калия в воде. Собирают калориметр рис. 1.

Рис. 1 Схема калориметра

Опыт 1. Определение теплоты растворения соли.

Взвешивают 5 г KNO₃ и растворяют его в 75 мл воды. Записывают температуру раствора. Фиксируют изменение температуры только за счет проводимого процесса, поэтому опыт делят на три периода (для введения поправки на теплообмен):

а) начальный, продолжающийся не менее 5 мин;

б) главный – время протекания исследуемого процесса;

в) заключительный, сопровождающийся линейным изменением температуры.

Зафиксированную температуру записывают в тетрадь.

Таблица 1.

Зависимость изменения температуры раствора от времени

Время от начала опыта, мин.	температура t, ˚С
0
0,5

По экспериментальным данным строят зависимость изменения температуры во времени (рис. 2). Все построения выполняют на миллиметровой бумаге.

Рис. 2. Изменение температуры во времени.

Начальный период (участок АВ на рис. 2) служит для установления постоянной скорости теплообмена калориметра с окружающей средой в исходных условиях. 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 30 с.

После установления постоянной скорости теплообмена в калометрическом сосуде проводят химическую реакцию, в результате которой происходит выделение или поглощение тепла. Этот процесс – главный период (участок ВС на рис. 2 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).

Истинное изменение температуры в ходе калориметрического опыта определяют графически. Для этого строят зависимость температуры от времени как на рис. 2. 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 CD, 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 ΔТ = 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.

Поскольку процесс в калориметре протекает при постоянном давлении, тепловой эффект изучаемого процесса равен изменению энтальпии системы:

Q_р. = С_к·ΔТ =nΔΗ , где (1)

n – число молей реагирующего вещества.

Постоянную калориметра вычисляют по формуле:

С_к = , (2)

где ΔΗ – теплота растворения KNO₃ в воде, значение которой есть в справочниках, m_KNO3 – навеска KNO₃, М_KNO3 – молярная масса KNO₃.

ΔΗ (KNO₃)= - 35,65 кДж/моль (-8,52 Ккал/моль)

Опыт 2. Определение теплоты растворения нитрата аммония

В стакан на 100 мл наливают 75 мл воды и измеряют ее температуру. Затем вносят 5 г нитрата аммония и измеряют температуру раствора (как описано в опыте 1). Экспериментальные данные представить в виде таблицы 1.

Построить зависимость изменения температуры во времени и определить ΔТ (как описано в опыте 1).

Теплоту растворения исследуемой соли рассчитывают по формуле:

ΔΗ= (3)

где С_к – константа прибора, найденная в предыдущем опыте.

Рассчитайте относительную ошибку при определении теплоты растворения соли по формуле:

а= , (4)

где ΔΗ_теор – табличное значение теплоты растворения соли.

ΔΗ_теор (NН₄NO₃) = - 26,8 кДж/моль

Форма отчета. Отчет должен содержать название и цель работы, краткие теоретические положения, описание хода работы, таблицы экспериментальных данных, графики изменения температуры во времени (на миллиметровой бумаге), результаты расчета, оценку погрешности определения теплоты растворения соли, вывод по проделанной работе.