Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Теоретические и практические основы физической химии. Учебное пособие
.pdf
tUIQ
,
(3.3)
TUIQ
C
.
(3.4)
фиксируя изменение температуры. Теплота, пошедшая на нагревание
системы, Q определяется по уравнению
где I – сила тока, А;
U – напряжение, В;
t – время нагрева, в секундах.
1, 2 – внутренний и внешний стаканы; 3 – термометр; 4 – мешалка;
5 – электрический нагреватель; 6 – колбочка; 7 – пробойник; 8, 9 – крышки
калориметр.
Рисунок 3.1 – Схема калориметра
При условии, что теплоемкость С мало изменяется в интервале
используемых температур T
Определение величины T состоит из трех периодов.
41
В первом, именуемым начальным, периоде наблюдают изменение
температуры, вызванное теплообменом между калориметром и воздухом, а
также теплом, выделенным при работе мешалки. Вследствие испарения
температура жидкости в калориметре обычно на 2 – 3 °С ниже, чем в
окружающей среде, поэтому для начального периода характерно
равномерное повышение температуры (отрезок ав на рисунке 3.2).
Рисунок 3.2 – Изменение температуры во времени
Во втором, т.е. главном периоде за счет тепла нагревателя или теплоты
реакции температура резко повышается (отрезок вс). После выключения
нагревателя начинается конечный период, в течение которого наблюдают
постепенное выравнивание температур калориметра и окружающей среды,
отображенное отрезком cd. В течение всего опыта мешалка не выключается,
а замеры проводят через равные промежутки времени в 30 с.
Продолжительность начального и конечного периодов устанавливается
самим экспериментатором, но не менее 600 с. По полученным данным строят
графическую зависимость abcd, позволяющую определить действительную
величину ∆T с учетом теплообменных процессов в главном периоде и с
точностью, соответствующей шкале используемого термометра. Для этого
продолжают линии ab и cd до пересечения с вертикальной прямой ef,
42
положение которой определяется следующим построением: на ось ординат
наносят точки m и n, соответствующие начальной и конечной температурам
главного периода; через середину k отрезка mn проводят горизонталь kp до
пересечения с кривой bc в точке l, определяющей положение вертикали EF.
Длина отрезка ef в принятом масштабе температур определяет
действительную величину ∆T. Все графики выполняются на миллиметровой
бумаге. Для надежности результатов каждый опыт повторяют 2 - 3 раза, взяв
среднее значение ∆Т для расчета искомой величины теплоемкости. Затем
учитывая отклонения каждой из определяемой опытом величины, нужно
установить максимальную относительную погрешность всего определения.
3.1 Лабораторная работа № 1. Определение удельной теплоемкости
раствора
Цель работы: расчет удельной теплоемкости раствора из
экспериментальных калориметрических измерений.
Приборы и реактивы: калориметр, мешалка, термометр Бекмана или
другой термометр, технические весы, фильтровальная бумага, 10 – 30 %-ные
растворы солей, например: CaCl2, MgCl2, ZnCl2, MgSO4 и др.
Методика эксперимента
Внутренний стакан калориметра вытирают насухо фильтровальной
бумагой, взвешивают его на технических весах, затем наливают в него
200 – 250 мл раствора и снова взвешивают. Затем по разности весов находят
массу раствора. Внутренний стакан с раствором помещают в калориметр,
закрывают и включают мешалку. Вследствие того, что температура стакана,
раствора, мешалки и воздуха в помещении неодинакова, то в течение
300 – 600 секунд после помещения стакана с раствором в калориметр
43
,СCC
калориметрраствор
I
(3.5)
.СCC
калориметрвода
II
(3.6)
1
происходит выравнивание температур1. Первые измерения температуры
рекомендуется начинать по истечении этого времени.
Измерения температуры проводят термометром Бекмана (или другим
термометром) через каждые тридцать секунд в течение 300 с. Затем
включают электрический нагрев и проводят измерения силы тока в цепи,
потенциала и температуры до тех пор, пока последняя не поднимется на
1,5 – 2 °С, затем ток выключают, а измерения продолжают ещё 600 с.
После этого мешалку выключают, раствор сливают обратно в
исходную склянку, промывают стакан дистиллированной водой и протирают
насухо фильтровальной бумагой. Взвешивают стакан, затем наливают в него
такое же количество воды, как и раствора, снова взвешивают и определяют
массу воды. Затем проводят такой же опыт с водой с измерением
температуры.
Исходя из экспериментальных данных, строят графические
зависимости температура T, С – время t, с как для воды, так и раствора, по
которым находят изменение температуры Т. По уравнению (3.3) находят
суммарные теплоемкости раствора (или воды) и калориметра, СI и СII,
соответственно
Поскольку удельная теплоемкость воды известна (таблица 3.1), она
позволяет рассчитать теплоемкость взятой массы воды: С
вода
= С
уд.(вода)
Отсюда находят теплоемкость калориметра и удельную теплоемкость
раствора соли.
Внимание! Мешалка включена и работает.
44
m
.
вода
t,
°C
ρ,
кг/м
3
υ,10-2,
м3/кг
t,
°C
ρ,
кг/м
3
υ,10-2,
м3/кг
t,
°C
ρ,
кг/м
3
υ,10-2,
м3/кг
6
999,94
1,00006
16
998,94
1,00106
26
996,78
1,00323
7
999,90
1,00010
17
998,77
1,00123
27
996,51
1,00350
8
999,85
1,00015
18
998,59
1,00141
28
996,23
1,00378
9
999,78
1,00022
19
998,40
1,00160
29
995,94
1,00408
10
999,70
1,00030
20
998,20
1,00180
30
995,64
1,00438
11
999,60
1,00040
21
997,99
1,00201
35
994,03
1,00601
12
999,49
1,00051
22
997,77
1,00224
40
992,21
1,00785
13
999,37
1,00063
23
997,53
1,00247
45
990,21
1,00988
14
999,24
1,00076
24
999,7
1,00271
50
988,04
1,01210
15
999,10
1,00090
25
997,04
1,00297
55
985,70
1,01451
Время, с
Температура,
С
Сила тока, А
Напряжение, В
Первый период для раствора соли (пример)
30
17,20
60
17,20
90
17,30
120
17,35
1
2
Таблица 3.1 – Плотность (ρ) и удельный объем (υ) воды при разных
температурах (t, °C)1
Результаты экспериментальных измерений вносят в таблицу 3.22.
Таблица 3.2 – Результаты экспериментальных измерений
Гороновский, И. Т., Назаренко Ю. П., Некряч Е. Ф. Краткий справочник по химии / под ред. чл.-корр.
АН УССР О. Д. Куриленко. – Киев : Наукова думка, 1974. - С. 775.
практикум по физической химии, или преподавателем группы в тот же день.
Результаты, полученные в лаборатории, должны быть подписаны лаборантом, обслуживающим
45
Время, с
Температура,
С
Сила тока, А
Напряжение, В
150
17,35
180
17,35
210
17,35
240
17,45
270
17,40
300
17,45
330
17,40
360
17,45
и т.д.
Главный период (включен ток)
30
17,45
60 1,2
90
0,85
120
17,55
150
1,20
180
0,87
и т.д.
17.70
Продолжение таблицы 3.2
Отчет по работе должен содержать:
теоретическое обоснование экспериментальной части работы;
методику эксперимента, включающую схему установки;
данные по составу и количеству используемого раствора;
таблицу 3.2 наблюдений;
46
.НЕЙТР
НОНОНОН
22
2
(3.7)
1
2
графические зависимости температуры от времени1, построенные
на миллиметровой бумаге;
расчет удельной теплоёмкости раствора;
расчет относительной и абсолютной погрешности измерений.
Относительная погрешность измерений не должна превышать 5 %.
Работа считается зачтенной, если она отвечает всем требованиям,
указанным выше. Оценка состоит из трех позиций: собственно лабораторная
работа и отчет по ней – 5 баллов, коллоквиум или соответствующий тест –
10 баллов и решение задач (или контрольная работа) – 5 баллов.
3.2 Лабораторная работа № 2. Определение теплоты реакции
нейтрализации
Цель работы: рассчитать теплоту реакции нейтрализации из
экспериментального изменения температуры системы.
Приборы и реактивы: калориметр, мешалка, термометр Бекмана (или
другой термометр), ампула, фильтровальная бумага, 0,5 н раствор HCl, 4 н
раствор NaOH2.
Теоретическое обоснование
Процесс нейтрализации сильной кислоты сильным основанием
сводится к взаимодействию в растворе гидроксид-иона и иона оксония с
образованием практически недиссоциируемых молекул воды:
График не должен превышать размеры 80 мм × 120 мм (ширина × высота). Реперные точки наносят
внутрь графика не длиннее 2 мм. Надписи на осях делаются по принятому в физической химии стандарту.
Каждый рисунок подписывается, например: Рисунок 1. Зависимость температуры 10 %-ного раствора сульфата
цинка от времени.
Концентрация кислоты или щелочи может быть изменена лаборантом или преподавателем.
47
1
2
Соответствующий тепловой эффект реакции, H
, называют
нейтр.
теплотой нейтрализации. Эта величина относится к одному моль-эквиваленту
реагентов и, очевидно, будет постоянной независимо от рода кислоты и
щелочи. В разбавленных растворах при 298 K H
= 56000 Дж/моль.
нейтр
Задача работы сводится к определению теплоты нейтрализации
калориметрическим методом.
Методика эксперимента
Во внутренний стакан калориметра заливают раствор кислоты, а в
тонкостенную1 колбочку – щелочи в таких объёмах, которые содержат
равное количество эквивалентов, включают мотор мешалки и через 300 с
начинают измерение температуры через каждые 30 с. Спустя 300 с в
последнюю секунду начального периода разбивают колбочку со щелочью
пробойником (стеклянной палочкой, вставленной в колбочку) и продолжают
запись температур ещё 600 с. После этого мешалку выключают, вынимают
внутренний стакан и приводят температуру системы к исходной путем
охлаждения ее на воздухе2 и определяют её теплоёмкость С. На основании
полученных данных строят графические зависимости: температура – время,
по которым определяют повышение температуры T, вызванное реакцией
нейтрализации, и теплоту нейтрализации Q = С·T. Полученное значение
представляет собой сумму теплоты нейтрализации и разбавления кислоты и
щелочи в воде. Теплота разбавления кислоты мала и ее не учитывают. Для
учета теплоты разбавления щелочи первый опыт повторяют с заменой
кислоты равным количеством дистиллированной воды. При этом
теплоемкость системы вторично не определяют, так как теплоемкость
разбавленного раствора щелочи практически не отличается от равного
объема разбавленного раствора соли. Повышение температуры вследствие
Может быть использована толстостенная колбочка, которая не помещается в стакан калориметра, а
ставится рядом. Спустя положенное время содержимое колбочки выливается внутрь колориметра через воронку с
тонко оттянутым кончиком.
должны попасть во внутрь стакана! Вытерев насухо фильтровальной бумагой внешнюю часть внутреннего
стакана, его помещают в калориметр и проводят первую часть опыта из лабораторной работы № 1.
Можно охладить проточной водопроводной водой. Будьте осторожны, капли водопроводной воды не
48
1
разбавления щелочи ничтожно и может быть зафиксировано только с
помощью чувствительного термометра (например, Бекмана). При отсутствии
такового определение теплоты разбавления может быть опущено без
значительной погрешности опыта. В этом случае принимают ΔН ≈ H
нейтр
Для определения теплоты нейтрализации, полученный в опыте результат,
необходимо отнести к 1 моль-эквиваленту.
Отчет по работе должен содержать:
теоретическое обоснование экспериментальной части работы;
методику эксперимента, включающую схему установки;
данные по составу и количеству используемого раствора;
таблицу 3.2 наблюдений;
графические зависимости температуры от времени1, построенные
на миллиметровой бумаге;
расчет теплоты нейтрализации;
расчет относительной и абсолютной погрешности измерений.
.
Относительная погрешность измерений не должна превышать 5 %.
График не должен превышать размеры 80 мм × 120 мм (ширина × высота). Реперные точки наносят
внутрь графика не длиннее 2 мм. Надписи на осях делаются по принятому в физической химии стандарту.
Каждый рисунок подписывается, например, Рисунок 1. Зависимость температуры реакции нейтрализации от
времени.
49
HOnHMAOnHMA
rТВ.
22
.
(3.8)
1
HMAOmHMA
рр2ТВ.
,
(3.9)
22
HMAOHnmOnHMA
рр.ТВ2
.
(3.10)
22
HOnHMAOnHMA
.ТВ2ТВ.
.
(3.11)
21
HHH
r
.
(3.12)
3.3 Лабораторная работа № 3. Определение теплоты образования
кристаллогидрата
Цель работы: определение теплового эффекта образования
кристаллогидрата MAnH2O из твердой безводной соли MA и n молекул
воды.
Приборы и реактивы: калориметр, мешалка, термометр, термометр
Бекмана, ампула, фильтровальная бумага, безводная соль (например, CuSO4).
Теоретическое обоснование
Процесс образования кристаллогидрата можно представить в виде
Непосредственно реакция (3.8) протекает медленно и не до конца,
поэтому, ее тепловой эффект может быть получен на основании закона Гесса
по следующим легко осуществимым ступеням
Вычитая из уравнения (3.9) уравнение (3.10) получим
Из закона Гесса следует, что
50
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]