2. Методическая часть

 

2.1 Установка для калориметрических измерений

Для определения тепловых эффектов различных физико-химических процессов и теплоемкостей системы служат приборы, называемые калориметрами. На рис. 2.1 приведена принципиальная схема калориметра.

Термоизолирующая оболочка служит для уменьшения теплообмена содержимого калориметрического стакана с окружающей средой. В крышке калориметра имеются отверстия, в которые вставляют шприц с навеской исследуемого вещества (закрытый снизу специальной пробкой) и датчик температуры. Внутри калориметра располагается стакан с калориметрической жидкостью (чаще всего вода), в которой происходит растворение исследуемого вещества в ходе калориметрического опыта. Снизу в корпус вмонтирована магнитная мешалка. Датчик температуры служит для измерения температуры исследуемого раствора в ходе калориметрического опыта.

Калориметр является главной составной частью учебно-лаборатороного комплекса (УЛК) и представляет собой по сути термостат, используемый в калориметрии в пассивном режиме. Датчик температуры подключается к измерительным каналам “температура” 1 или 2 термостата (калориметра).

Для управления модулями УЛК, регистрации измеряемой датчиком температуры в калориметре и передачи данных в специализированную программу персонального компьютера служит универсальный контроллер, выполненный на базе микропроцессорного устройства (рис. 2.2).

 

 

Рис. 2.1. Принципиальная схема калориметра

 

1- корпус калориметра

2- стакан

3- термоизолирующая оболочка

4- шприц с навеской исследуемого вещества

5- крышка калориметра

6- магнитная мешалка и магнит

7- термодатчик

 

На верхней панели контроллера расположены алфавитно-цифровой четырехстрочный дисплей и клавиатура управления. Слева на боковой  стороне контроллера расположен тумблер включения питания.

На задней панели размещены вход сетевого кабеля, 4-х контактный разъем подключения контроллера к COM-порту компьютера и унифицированный 25-контактный разъем для соединения с калориметром.

Внимание!  Настройка контроллера на нужный режим работы студентами не производится. Включение контроллера и выход его в рабочий режим осуществляется только нажатием тумблера “Сеть” - 4 на боковой стороне контроллера (рис. 2.2).

 

 

Рис. 2.2. Универсальный контроллер

 

1- сетевой кабель

2- дисплей

3- разъемы подключения модуля “Термостат” (калориметр) и компьютера (на задней панели)

4- тумблер “Сеть”

5- клавиатура

 

2.2. Принцип расчета теплоемкости калориметра и интегральной мольной теплоты растворения соли в воде

Поглощение или выделение тепла в ходе калориметрического опыта приводит к изменению температуры в калориметре.

Тепловой эффект процесса, проводимого в калориметре Н, можно рассчитать по уравнению теплового баланса:

,                                   (54)

где С- теплоемкость калориметрической системы;

∆t- изменение температуры в калориметрическом сосуде в ре­зультате процесса.

Теплоемкость калориметрической системы (С) - это количество теплоты, которое выделяется или поглощается системой при изменении температуры в калориметре на 1 градус. Она складывается из теплоемко­сти самого калориметра (С_к) и теплоемкости калориметрической жидкости (исследуемый раствор):

                                        ,                                           (55)

где g - вес калориметрической жидкости,

С_ж - удельная теплоемкость жидкости, выраженная в Дж/гград.

Теплоемкость калориметра С_к складывается из теплоемкости его со­ставных частей (калориметрического стакана, мешалки, шприца с ис­следуемым веществом, погруженной части термодатчика и т.д.).

Для определения тепловых эффектов процессов с помощью калори­метра надо знать теплоемкость калориметра. Наиболее точно теплоемкость калориметра определяют экспериментально, вводя в систему точно извест­ное количество тепла и измеряя соответствующее изменение температуры калориметра.

В данной работе теплоемкость калориметрической системы опреде­ляется по тепловому эффекту растворения хлорида калия, значения которого известны в широком интервале концентраций и температур.

В процессе растворения хлорида калия калориметрической жидко­стью является образующийся раствор хлорида калия в воде. Удельная теплоемкость KCl известна из справочной литературы (табл. 2.1).

 

Таблица 2.1

 

Теплоемкости водных растворов некоторых веществ [9]

 

Вещество	Ср, Дж/гград
СaCl2	4,00
Сa(NO3)2	3,98
СuCl2	4,00
CuSO4	3,98
НCl	4,11
Н2SO4	4,09
КNO3	4,04
КOH	4,08
NH4Cl	4,11
NaCl	4,09
NaNO3	4,08
KCl	4,06
K2SO4	3,96

 

Зная константу калориметра С_к, можно определять тепловые эффек­ты различных термохимических процессов, проводимых в данном калори­метре. Поэтому лабораторная работа по термохимии состоит из двух эта­пов: 1 - определение константы калориметра (его теплоемкости) и 2 - оп­ределение теплового эффекта какого-либо процесса в калориметре.

На основании уравнений (54) и (55):

,                     (56)

где H - тепловой эффект растворения КС1 в воде. Он рассчитывает­ся по мольной интегральной теплоте растворения КС1, взятой из справоч­ной литературы. Если g_KCl = 1 г, a g_H2O = 50 г, концентрация образую­щегося раствора 1 моль КС1 на 207 моль Н₂O. Интегральная мольная теп­лота растворения КС1 при условиях образования раствора такой концен­трации и температуры 18-25⁰С имеет следующее значение [10]:

= 18,62 кДж/моль,

или удельная теплота растворения

= 250 Дж/г.

Тепловой эффект растворения g г КС1:

                                        ,                                                 (57)

С учетом уравнений (56) и (57) уравнение теплового баланса будет иметь вид:

                    ,                (58)

Из уравнения (58) рассчитывают теплоемкость калориметра С_к, кото­рая является константой данной калориметрической установки.

  Интегральную мольную теплоту растворения исследуемого ве­щества в воде можно рассчитать по уравнению:

,                        (59)

          где g - навеска исследуемого вещества, г;

М – молярная масса исследуемого вещества, г/моль;

 

          Теплоемкость полученного раствора исследуемого вещества С_ж берут из таблицы 2.1; С_К – из предварительного опыта с навеской KCl.