Физическая химия в дорожном материаловедении. Лабораторный практикум для студентов направления подготовки 08.03.01 «Строительство» профиль «Производст

Теплотой растворения называют количество тепла, поглощенного или выделенного при растворении одного моля вещества в таком же количестве растворителя, когда дальнейшее добавление растворителя не сопровождается измеримым тепловым эффектом.

Описание прибора

Для определения теплоты растворения соли можно воспользоваться калориметром (рисунок1.1). В сосуде Дьюара (который расположен в кожухе 2)

емкостью 500мл на пробке 3 закрепляют термометр Бекмана 4 и пробирку 5 (ампулу) для соли со стеклянной палочкой 6. Раствор перемешивают магнитной мешалкой 7.

Описание работы

Определение постоянной калориметра. Для расчета теплового эффекта процесса, протекающего в калориметре, необходимо знать постоянную калориметра, т.е. количество тепла в калориях, которое нужно для подогрева на

10С калориметра с термометром, мешалкой, пробиркой, водой и солью.

Количество теплоты необходимое для нагревания на Δt рассчитываем по формуле:

Постоянную калориметра можно определить по известной теплоте растворения нитрата калия. Для этого растирают KNO3 в фарфоровой ступке

(6-7г). Взвешивают с точностью до 0.01г пустую ампулу с палочкой, насыпают туда около 5г (0.05 моль) соли и снова взвешивают. По разности взвешиваний находят вес соли. Взвешивают сосуд Дьюара (без пробки) с точностью до 0.1 г

на технических весах и вливают в него около 300мл дистиллированной воды,

имеющей комнатную температуру. Снова взвешивают сосуд с водой и по разности весов находят вес воды.

11

Закрывают калориметр (сосуд Дьюара) пробкой и укрепляют на ней термометр Бекмана, мешалку и ампулу с солью. Определяют температуру воды, а затем изменение температуры при растворении соли с помощью термометра Бекмана. Растворение KNO3 проходит с поглощением тепла.

Поэтому в верхний

Рисунок 1.1 - Схема калориметрической установки

Для учета теплообмена калориметра с окружающей средой и определением истинного изменения температуры во время опыта весь калориметрической процесс делится на три периода:

1)начальный период, длящийся 5 мин.;

2)основной период – процесс растворения соли;

3)конечный период – 5 мин.

Перемешивая воду в калориметре на протяжении 5 мин., т.е. до тех пор,

пока не установится равномерный ход температуры, фиксируют с точностью до 0.002 oС изменение температуры каждые 0.5 мин. После этого разбивают палочкой ампулу с солью так, чтобы вся соль высыпалась в воду и размешивая раствор, наблюдают за изменением температуры растворения (основной период). Концом основного периода и началом конечного считают снова установившийся равномерный ход изменения температуры. В конечном периоде так же, как и в начальном, температуру фиксируют на протяжении 5

мин.

12

Для расчета точного измерения температуры растворения соли вычерчивают на миллиметровой бумаге график (рисунок 1.2). На оси абсцисс откладывается время, а на оси ординат изменение температуры с шагом 0.5

минут.

Если соединить найденные таким образом точки, то получают две наклонные прямые, угол наклона которых будет зависеть от разности температур между калориметром и окружающей средой.

Поскольку на протяжении всего процесса происходит теплообмен между калориметром и окружающей средой, необходимо сделать поправку, чтобы получить изменение температуры, вызванное растворением соли. Для этого на графике продолжают прямые начального и конечного периодов изменения температур.

Расстояние между крайними точками второго периода делят пополам и проводят прямую, параллельную оси ординат, к пересечению с продолженными линиями. Расстояние между точками пересечения М и N

равняется изменению температуры в результате растворения соли.

Определив значение t, рассчитываем постоянную калориметра К по уравнению:

где Qp – известная теплота растворения соли, кДж/моль;

n – количество соли (KNO3), моль;

Таким же способом, как и при определении постоянной калориметра,

определяют изменения температуры в калориметре при растворении безводного сульфата меди (приблизительно 5,5 г) и его кристаллогидрата

CuSO4•5H2O (приблизительно 8 г). Навески следует брать точно.

Безводная соль может быть изготовлена прокаливанием ее кристаллогидрата в фарфоровой чашке. Теплота растворения соли согласно уравнению

13

(1.4)

=

Расчеты:

По найденному значению постоянной калориметра и по результатам опыта рассчитают теплоту растворения исследуемых солей.

Теплоту образования кристаллогидрата из безводной соли определяют, вычитая из теплоты растворения безводной соли теплоту растворения ее кристаллогидрата: CuSO4 + mH2O = CuSO45H2O ∆Qгидратации

Результаты исследований вносят в таблицу 1.1.

Таблица 1.1 - Результаты взвешивания

Таблица 1.2 - Таблица для экспериментальных данных

Вода в колориметре

Раствор KNO3

Вода в колориметре

Раствор CuSO4

Вода в колориметре

Раствор

CuSO4•5H2O

14

QKNO3= 34,77 кДж/моль

Рисунок 1.2 - График калориметрических измерений

Таблица 1.3 - Результаты экспериментов (расчетов)

СДЕЛАЙТЕ ВЫВОД!

ВОПРОСЫ ДЛЯ ЗАЩИТЫ ЛАБОРАТОРНОЙ РАБОТЫ:

1.Что такое теплота растворения?

2.Какие процессы называются эндотермическими, какие –

экзотермическими?

3.Какие процессы сопровождают процесс растворения?

15

4.Какие из них – эндотермические, какие – экзотермические?

5.Процесс растворения нитратакалия проходит с выделением или поглощением теплоты?

6.Процесс растворения сульфата меди проходит с выделением или поглощением теплоты?

7.Процесс растворения медного купороса проходит с выделением или поглощением теплоты?

8.У какого из трех растворенных соединений наиболее прочная кристаллическая решетка?

9.У какого из трех растворенных соединений наименее прочная кристаллическая решетка.

Лабораторная работа №2

ИССЛЕДОВАНИЕ ПРОЦЕССОВ РАССЛОЕНИЯ В СИСТЕМЕ ФЕНОЛ – ВОДА. ПОСТРОЕНИЕ ДИАГРАММЫ СОСТОЯНИЯ ФЕНОЛ

– ВОДА ПО ТОЧКАМ НАЧАЛА РАССЛОЕНИЯ

Цель работы: построение диаграммы состояния двухкомпонентной системы на основании исследовании процессов расслоения в системе фенол – вода и определение критической температуры растворения.

Теоретическая часть

Графическое изображение зависимостей р от Т (или р от состава и Т от состава) называют диаграммой состояния. Анализ диаграмм состояния позволяет определить число фаз, границы их существования, характер взаимодействия компонентов, наличие вновь образующихся соединений и их состав. Диаграммы позволяют проводить анализ без выделения индивидуальных компонентов.

Системы жидкость – жидкость можно разделить на три группы:

16

а) системы с полной взаимной растворимостью компонентов (этиловый спирт – вода, этиловый спирт – диэтиловый эфир, соляная кислота – вода);

б) жидкости не растворимые друг в друге (вода – керосин, вода – бензин,

вода – ртуть);

в) системы с ограниченной взаимной растворимостью компонентов

(вода – анилин, вода – фенол, метиловый спирт – н-гексан).

В случае ограниченной взаимной растворимости двух жидкостей А и В зависимость растворимости от температуры может быть графически представлена кривыми, подобными изображенными на рисунке 2.1. На оси

(а) (б) (в)

Рисунок 2.1 - Различные варианты ограниченной растворимости жидкостей

Кривые типа (а) дают жидкости, взаимная растворимость которых увеличивается с ростом температуры, в связи с чем появляется верхняя критическая температура растворения (ордината точки К1).

Кривые типа (б) имеют место в тех случаях, когда взаимная растворимость жидкостей увеличивается при понижении температуры и становится неограниченной ниже некоторой температуры, называемой нижней критической температурой растворения (ордината точки К2).

К типу (в) относятся малочисленные двойные системы, обладающие как нижней (К3), так и верхней критической температурой растворения (К4). В этом

случае взаимная растворимость жидкостей сначала уменьшается с ростом температуры, а затем увеличивается.

Так точка 1 (рисунок 2.2) показывает, что при температуре Т1

насыщенный раствор фенола в воде содержите Х1% фенола и (100-Х)% воды.

Если при постоянной температуре увеличить содержимое фенола в системе,

например к Х3 %, то произойдет расслоение смеси на две равновесных фазы:

насыщенный раствор фенола в воде (в дальнейшем будем называть этот раствор «водной» фазой), содержащий Х1% фенола – точка 1, и насыщенный раствор воды в феноле («фенольная» фаза), содержащий Х2% фенола – точка 2.

Рисунок 2.2 - Диаграмма системы фенол-вода

Если продолжать вводить в смесь фенол при постоянной температуре, то,

как видно из диаграммы, составы равновесных фаз изменяться не будут: в

равновесии будет находиться «водная» фаза, которая содержит Х1% фенола – точка 1, и « фенольная» фаза), которая содержите Х2% фенола.

Это следует также и из правила фаз, которое при Р = const будет иметь такой вид, если из внешних условий влияет температура или давление

( T const ).

Обычно этот вид правило фаз имеет для конденсированных систем.

18

где С – число ступней свободы;

К – число компонентов;

Ф– количество фаз.

Фаза – гомогенная часть системы, обладающая одинаковыми химическими, термодинамическими и физическими свойствами и отделенная от других частей системы поверхностью раздела

Компоненты – химически однородные вещества, составляющие сложную систему. Они могут быть выделены из системы и существовать в изолированном виде в течении длительного срока.

Число степеней свободы – это число условий ( ), которые можно в известных пределах произвольно изменять, не изменяя тем самым числа или вида фаз системы. По числу степеней свободы системы подразделяют на инвариантные, безвариантные, нонвариантные (С=0), одновариантные (С=1),

двухвариантные (С=2), и т.д.

Зависимость между числом степени свободы (С), числом компонентов (К)

ичислом фаз (Ф) выражается уравнением Гиббса, называемым правилом фаз.

Вданном случае К=2 (вода и фенол) и Ф=2 («водная» и «фенольная»

фазы) следовательно:

С =2-2+1=1.

Это значит, что состав фаз выступает в функции температуры и если температуру поддерживать постоянной, то и состав должен оставаться неизменным. При температуре Т1 в равновесии могут находиться лишь насыщенные растворы, которым на диаграмме отвечает точка 1 (насыщенный раствор фенола в воде – «водная» фаза) и точка 2 (насыщенный раствор воды в феноле – «фенольная» фаза).

Правило рычага: массы сосуществующих фаз обратнопропорциональны отрезкам, на которые фигуративная точка (3) разделяет каноду, соединяющую две фигуративные точки (1,2) сосуществующих фаз.

19

Относительные количества указанных растворов при прибавлении к смеси фенола должны изменяться согласно правила рычага (2.2):

где m1 – масса «водной» фазы; m2– масса «фенольной» фазы;

ℓ3-2 – длина отрезка, ограниченного точками 2 и 3, численно равная X3-Х2;

ℓ1-3 – длина отрезка, ограниченного точками 1 и 3, численно равная Х3-X1.

Применяя правило рычага к рассматриваемой системе, можно увидеть,

что по мере добавления к смеси фенола количество насыщенного раствора фенола в воде («водная» фаза) уменьшается, тогда как количество насыщенного раствора воды в феноле («фенольная» фаза) увеличивается.

Очевидно, что это происходит вследствие перехода воды и фенола в определенном соотношении из «водной» фазы к «фенольной».

Если увеличить содержание фенола в смеси до Х2% , то «водная» фаза исчезнет и система превратится в гомогенный насыщенный раствор воды в феноле (точка 2).

При дальнейшем введении в смесь фенола (увеличение процента растворителя) раствор становится ненасыщенный.

Если систему, фигуративная точка которой лежит в гетерогенной области

(область расслоения), например, смесь состава Х1 при температуре Т2,

нагревать, то с повышением температуры составы находятся в равновесии насыщенных растворов и будут непрерывно изменяться, что видно из диаграммы (рисунок 2.2), а также выходит из правила фаз.

При этом «водная» фаза будет обогащена фенолом, а «фенольная» –

водой. Вместе с этим будут изменяться и относительные количества фаз:

количество «фенольной» фазы будет уменьшаться, а количество «водной» фазы – увеличиваться.

20