1.2. Экспериментальная часть Основы калориметрии

Разработка методов экспериментального определения тепловых эффектов химических реакций, теплот фазовых превращений, теплот растворения и теплоемкостей составляет предмет калориметрии.

Основной частью калориметрических установок является калориметр (от лат. calor – тепло и греч. metron – метр) – прибор для измерения количества теплоты, выделяющейся или поглощающейся в каком-либо физическом, химическом или биологическом процессе. Термин «калориметр» был предложен А. Лавуазье и П. Лапласом (1780), а прибор изобретен Хуго Юнкерсом. Это прибор, представляющий собой сосуд, наполненный жидкостью с известной теплоемкостью (калориметрическая жидкость), окруженный теплоизолирующей оболочкой (вместо калориметрической жидкости может быть использовано массивное твердое тело). Исследуемый процесс проводится так, чтобы теплота, выделяющаяся в реакции, быстро и, по возможности, полностью передавалась калориметрической жидкости (или отнималась от нее в эндотермических процессах). Основной измеряемой величиной является изменение температуры калориметрической жидкости (Т). Зная теплоемкость калориметрической жидкости (С), можно легко рассчитать тепловой эффект реакции .

Если же теплота не полностью отдается калориметрической жидкости и часть ее идет на нагрев других частей калориметра, а также окружающей среды, то для расчетов используют не теплоемкость калориметрической жидкости, а величину, называемую константой калориметра (К). Эту величину определяют заранее, проводя в том же калориметре реакцию, тепловой эффект которой известен заранее с большой точностью. В этом случае

Типы калориметров

Калориметры можно разделить на две большие группы: с постоянной температурой и с переменной температурой калориметрической жидкости. Калориметры с переменной температурой бывают диатермическими (изотермическими) и адиабатическими. В первом случае строго учитывается теплообмен с калориметрической жидкостью. При адиабатическом способе измерения обычно калориметрической жидкостью является сама регулирующая система, например, раствор, теплоизолированный от окружающей среды. Этот способ и используют в данной работе (рис. 1.1).

ТРЕБОВАНИЯ БЕЗОПАСТНОСТИ ТРУДА

При выполнении работы следует неукоснительно соблюдать правила работы в химической лаборатории.

Работа №1. Определение содержания кислоты (концентрации) по тепловому эффекту нейтрализации

Цель: Определить содержание кислоты в растворе по ее теплоте нейтрализации.

Задачи работы

1. Определить постоянную калориметра.

2. Определить количество тепла, выделившегося при нейтрализации кислотой неизвестной концентрации щелочи.

3. Определить теплоту разведения кислоты.

4. Определить содержание кислоты в растворе.

Обоснование

При взаимодействии моль-эквивалента сильной кислоты с сильным основанием в разбавленных водных растворах выделяется почти одинаковое количество теплоты: 55,9 кДж/моль

Постоянство теплот нейтрализации связано с тем, что при взаимодействии сильных кислот и оснований, полностью диссоциированных в водных растворах, из ионов Н⁺ (точнее из ионов гидроксония Н₃О⁺) кислоты и ионов основания ОН^- образуются молекулы воды:

H⁺ +Cl^- + K⁺ + ОН^- = Cl^- + K⁺ + H₂O

В тепловой эффект, наблюдаемый при нейтрализации, входят теплоты разведения кислоты щелочью и щелочи кислотой.

Порядок выполнения работы

1. Определить постоянную калориметра.

Для этого в стакан, в который налито 100 см³ дистиллированной воды, устанавливают в калориметр и закрывают крышкой с укрепленным в ней датчиком температуры. В отверстие крышки вставляют специальную пробирку, в которую предварительно насыпано 2 г измельченной соли с известной теплотой растворения NH₄Cl. Затем в течение 5-7 минут фиксируют каждые 30 сек температуру предварительного периода.

Проводят растворение соли. Затем в течение 7-10 минут фиксируют через каждые 30 сек температуру. Графическим методом в координатах время – температура определяют изменение температуры при растворении соли и рассчитывают постоянную калориметра. Постоянная калориметра в данном случае будет равна отклонению величины теоретической теплоты растворения от экспериментальной для данного количества соли.

Пример расчета при определении постоянной калориметра

Определим моляльную концентрацию раствора, образующегося при растворении 2г NH₄Cl.

Молярная масса NH₄Cl – М = 53,5г/моль.

2 г NH₄Cl составляют = 0,037 моль в 100 г воды, а в 1000 г будет растворено 0,37 моль. Следовательно, моляльностьm =0,37 моль/кг.

В справочнике для NH₄Cl.даны интегральные теплоты растворения: при m=0,1, ∆Н_m=15,1 кДж/моль, при m=0,2, ∆Н_m=15,19 кДж/моль.

Методом интерполяции определяем интегральную теплоту растворения для m = 0,37 моль/кг. Увеличение ∆Н_m при увеличении моляльности на 0,1 составляет 15,19-15,1=0,09, тогда увеличение ∆Н_m на 0,37-0,1=0,27 равно 0,09·0,27/0,1=0,243 кДж/моль.

Отсюда интегральная теплота растворения NH₄Cl при образовании раствора с m = 0,37 моль равно 15,1+0,243/53,5=287Дж/г. При растворении 2 г NH₄Cl поглотилось Q=287·2 =574 Дж теплоты.

Теплоемкость (C_p) раствора приблизительно равна 4,18Дж/г·К.

Определяют графически рис. 2 изменение температуры растворения NH₄Cl в координатах время – температура. Изменение температуры ∆Т₁ = −1,1 К (С⁰).

Постоянная калориметра

К = –Q/∆Т₁ – (m₁+m₂)C_p = –574/1,1 – (100+2)·4,18 = 102,96Дж/К.

К=102,96Дж/К

2. Определить теплоту нейтрализации кислоты + теплоту разведения.

Для определения теплоты нейтрализации и разведения в качестве калориметрической жидкости используют 0,15 М раствор NaOH. В стакан наливают 100 см³ щелочи и устанавливают его в калориметр. Затем в течение 5-7 минут фиксируют каждые 30 с температуру предварительного периода.

Нейтрализацию проводят раствором HCl неизвестной концентрации. В медицинский шприц набирают 3 см³ кислоты и устанавливают шприц в крышку калориметра и приливают кислоту. Определяют теплоту нейтрализации Q₁, приливая к большому объему щелочи небольшой объем кислоты. Затем в течение 7-10 минут фиксируют через каждые 30 с температуру.

Определяют графически изменение температуры нейтрализации щелочи кислотой в координатах время – температура. Изменение температуры ∆Т₂ = К (С⁰).

Q₁= К·∆Т₂=Дж

2. Определить тепловой эффект разведения HCl.

Для определения теплового эффекта разведения HCl в стакан наливают 100 см³ воды и устанавливают его в калориметр. В медицинский шприц набирают 3 см³ кислоты и устанавливают шприц в крышку калориметра. Затем в течение 5-7 минут фиксируют каждые 30 сек температуру предварительного периода. Определяют теплоту разведения Q₂, приливая к большому объему щелочи небольшой объем кислоты. Затем в течение 7-10 минут фиксируют через каждые 30 с температуру. Определяют графически изменение температуры разведения кислоты в координатах время – температура. Изменение температуры ∆Т₃ = К (С⁰).

Q₂ =К·∆Т₃ = Дж

Тепловой эффект нейтрализации равен Q = Q₁ - Q₂ = Дж.

4. Определить содержание кислоты в растворе.

Энтальпия нейтрализации сильной кислоты ∆Н_к-та = 55,9 кДж/моль. Число молей кислоты n = Q/∆Н_к-та = моль. Концентрация кислоты определяется по формуле: C_M = n/V = моль/л (V = 3 мл = 0,003 л).