Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Физическая химия. Лабораторный практикум-1
.pdf
5. Изобразите характерную кривую изменений температуры в калориметре при протекании в нем некоторого процесса. Укажите отдельные характерные участки этой кривой и объясните, какие процессы они отражают.
6. Как сформулировать закон Гесса и следствия из него?
7. Что называется стандартной энтальпией образования вещества?
21
Лабораторная работа 2
ОПРЕДЕЛЕНИЕ ИНТЕГРАЛЬНОЙ ТЕПЛОТЫ
РАСТВОРЕНИЯ ХОРОШО РАСТВОРИМОЙ
КРИСТАЛЛИЧЕСКОЙ СОЛИ В ВОДЕ
(2 часа)
2.1. Цель работы
1. Изучить калориметрический метод.
2. Определить интегральную теплоту растворения ∆H
хорошо
m
растворимой кристаллической соли в воде.
2.2. Теоретическое введение
При растворении хорошо растворимой кристаллической соли в
воде, находящейся в калориметре, теплота может поглощаться или
выделяться в зависимости от соотношения теплот эндотермического
процесса разрушения кристаллической решетки и экзотермического
процесса взаимодействия ионов с водой. Знак этого теплового эффекта зависит от природы растворенного вещества, а его величина –
от температуры, количества растворенного вещества, концентрации
полученного раствора.
Для составления таблиц теплот растворения удобно использовать
так называемые интегральные теплоты растворения. Интегральная
теплота растворения – это тепловой эффект, сопровождающий
растворение одного моля кристаллического соединения в таком количестве растворителя, которое необходимо для получения раствора заданной концентрации (моляльности m
Интегральная теплота растворения обозначается символом ∆Н
Моляльность раствора
) раствора.
c
.
m
n
1000
=
c
2
nM
11
где m
– концентрация раствора;
c
n
и n2 – числа молей растворителя и растворенного вещества со-
1
m
, (2.1)
ответственно;
– молекулярная масса растворителя (для воды M1 = 18 г/моль).
M
1
22
С учетом этого интегральная теплота растворения ∆Hm означает
теплоту, сопровождающую растворение одного моля кристалличе-
1000
ского вещества в n
=
1
Если при растворении n
молях растворителя.
Mm
1
c
молей вещества наблюдаемый тепловой
2
эффект составляет ∆H, то интегральная теплота растворения равна
∆H
= ∆H/n2.
m
Растворение ионного кристалла можно рассматривать в виде двух
следующих друг за другом процессов:
1) разрушение кристалла с образованием удаленных друг от друга
невзаимодействующих между собой ионов. Этот процесс связан с
затратами энергии извне, для него ∆H
больше нуля;
1
2) переход ионов в раствор с одновременной гидратацией. Вокруг
каждого иона образуется гидратная оболочка, представляющая собой
многослойное образование из дипольных молекул воды, которые
ориентированы радиально относительно «центрального» иона. Образуются прочные связи «ион–диполь», это сопровождается выделением теплоты, т.е. ∆H
меньше нуля. Величины ∆H1 и ∆H2 различаются
2
незначительно, и их сумма может оказаться как положительной, так
и отрицательной.
Интегральная теплота растворения зависит от концентрации. В
растворах с высокой концентрацией рост гидратных оболочек может
блокироваться из-за их перекрытия. Формирование оболочек приостанавливается, и энергетический эффект ∆H
не может достичь своей
2
максимальной величины. Процесс формирования гидратных оболочек может реализоваться в области растворов, которые условно называют бесконечно-разбавленными. С уменьшением концентрации
раствора гидратные оболочки достигают предельного размера, а их
строение становится более совершенным. В результате вклад ΔH
ΔH
стремится к своему пределу.
m
2
в
Если опытным путем в широком интервале концентраций определена зависимость интегральной теплоты растворения ΔH
трации m
ΔH (m
ΔH
m
, то, экстраполируя эту зависимость до пересечения с осью
c
→0), получаем первую интегральную теплоту растворения
c
, которая представляет собой теплоту растворения одного моля
от концен-
m
вещества в очень большом количестве растворителя.
Рассмотрим схему, показывающую два различных способа осуществления исследуемого процесса (рис. 2.1). Первый способ предполагает растворение порции соли малыми дозами практически при изо-
23
термических условиях с тепловым эффектом ∆Н. Во втором случае
сначала смешивают при адиабатных условиях n
молей воды и n2 мо-
1
лей соли. В результате температура внутри калориметра изменяется
на величину ∆Т= t
– t1, где t2 – температура образовавшегося раство-
2
ра и калориметра. В зависимости от природы соли ∆Т может быть
как меньше, так и больше нуля. На этом этапе ∆H
= 0. Затем необ-
ad
ходимо привести температуру калориметрической системы к исходной температуре t
.
1
Рис. 2.1. Схема определения теплоты растворения
хорошо растворимой соли
В начале и в конце процесса температура и давление системы по-
стоянны, поэтому справедливо равенство
∆H = ∆H
+ ∆H″, (2.2)
ad
или
∆H = ∆H″. (2.3)
Если удельная теплоемкость полученного раствора равна с, Дж/(г⋅К),
а теплоемкость калориметра – K, то изменение энтальпии системы
составит
∆H″ = –(K + сM)∆T. (2.4)
Величину K обычно называют постоянной калориметра.
Таким образом, согласно уравнениям (2.1) и (2.2) теплота растворения при использовании описанной методики
∆H = –(K + сM)∆T. (2.5)
24
Искомая интегральная теплота растворения
∆H
= ∆H/n2. (2.6)
m
2.3. Порядок выполнения работы
На рис. 2.2 показан калориметр с измерительным устройством –
контроллером.
Рис. 2.2. Калориметрическая система
Во всех предполагаемых опытах наблюдают за изменением температуры в калориметре t, °С, в зависимости от времени τ протекания соответствующего процесса t(τ) и проводят запись этих изменений. Измерения выполняют с помощью термопары (термодатчика), введенной внутрь калориметра и укрепленной на его крышке,
которая подключена к контроллеру модуля учебно-лабораторного
комплекса «Термостат», связанному с персональным компьютером.
Экспериментальная часть работы включает два независимых опыта:
– определение постоянной калориметра K, Дж/К;
– определение теплоты растворения хорошо растворимых кристаллических солей.
2.3.1. Определение постоянной калориметра
Чтобы определить постоянную калориметра, навеску соли c известной интегральной теплотой растворения ∆H
(2 г, KCl) раство-
m
ряют в 100 мл воды.
25
1. Проверить правильность заполнения таблицы «Система управления
учебно-лабораторным комплексом» на мониторе компьютера (рис. 2.3).
Рис. 2.3. Таблица на мониторе компьютера
В поле «Измерительные каналы» отметить:
– термодатчик;
– использовать дополнительный параметр;
– общий;
– размерность – г, 2 (такое количество вещества используется для
проведения эксперимента).
В поле «Параметры измерения» отметить:
– автоматический режим;
– интервал измерений – 10;
– число измерений – 100;
– активировать контроллер.
В поле «Исполнительные устройства» отметить:
– источник напряжения – 0,00 В,
– источник тока – 0,0 мА.
2. Налить во внутренний стакан 100 мл дистиллированной воды.
3. Установить внутренний стакан в калориметр вместе с магнит-
ной мешалкой.
26
4. Закрыть калориметр крышкой вместе с укрепленным в ней тер-
модатчиком.
5. В таблице «Система управления учебно-лабораторным ком-
плексом» на мониторе курсором нажать «Измерение».
6. Приступить к наблюдению за изменениями температуры на эк-
ране дисплея с одновременной регистрацией кривой t(τ).
7. После завершения начального периода (5 мин) на кривой t(τ)
через отверстие в крышке засыпать навеску соли KCl – 2 г.
8. Через 10…11 мин заканчивается растворение соли. Наблюдения
за изменениями температуры продолжать далее, после завершения
главного периода, еще 5…7 мин; это позволит выявить изменение
температуры в конечном периоде.
9. Для проведения следующих измерений нажать клавишу на мониторе «Текущее состояние».
10. Извлечь магнит из внутреннего стакана, вылить раствор, вымыть внутренний стакан.
2.3.2. Определение теплоты растворения
хорошо растворимых солей
1. Проверить правильность заполнения таблицы «Система управления учебно-лабораторным комплексом» на мониторе компьютера.
Порядок заполнения такой же, как в п. 2.3.1.
2. Налить во внутренний стакан 100 мл дистиллированной воды.
3. Установить внутренний стакан в калориметр вместе с магнитной мешалкой.
4. Закрыть калориметр крышкой вместе с укрепленным в ней термодатчиком.
5. В таблице «Система управления учебно-лабораторным комплексом» на мониторе курсором нажать «Измерение».
6. После завершения начального периода (5 мин) на кривой t(τ)
через отверстие в крышке засыпать навеску исследуемой хорошо
растворимой соли – 2 г. В качестве таковой можно взять, например,
, KI, KBr, K2SO4, NH4Cl, NH4NO3.
KNO
3
7. Через 10…11 мин заканчивается растворение соли. Наблюдения
за изменениями температуры продолжать далее, после завершения
главного периода, еще 5…7 мин; это позволит выявить изменение
температуры в конечном периоде.
8. Извлечь магнит из внутреннего стакана, вылить раствор, вымыть внутренний стакан.
27
9. Для построения экспериментальных графиков перейти на экран
«Графики».
10. Выбрать каналы: на оси абсцисс – «Время», на оси ординат –
«1. Термодатчик».
11. Второй график построить аналогичным образом, выбирая на
оси ординат «2. Термодатчик».
2.4. Обработка результатов экспериментов
2.4.1. Расчет постоянной калориметра K
По полученной кривой t(τ) графически определяют истинное изменение температуры ∆T = t
рением соли.
Постоянную калориметра K вычисляют исходя из формулы
– t1 в калориметре, вызванное раство-
2
∆H = ∆H
где ∆H
– интегральная теплота растворения соли, соответствующая
m
концентрации образовавшегося раствора m
= –(K + cM)∆T, (2.9)
mn2
, которая определяет-
c
ся путем интерполяции по данным табл. 2.1;
– число молей соли;
n
2
с – удельная теплоемкость раствора, которая для разбавленного водного раствора фактически равна теплоемкости воды с = 4,18 Дж/(г·К);
М – масса образовавшегося раствора, г.
Таблица 2.1
Интегральная теплота растворения KCl в воде ∆H
для различных концентраций m при 25 °С
Концентрация раствора KCl mc, моль/1000 г
∆Hm, кДж/моль 17,55 17,57 17,55 17,50
0,1 0,2 0,3 0,4
m
Для расчета массы растворителя необходимо знать плотность воды (табл. 2.2).
Таблица 2.2
Плотность воды ρ при различных температурах
Температура, °С
Плотность ρ, г/см3 0,9991 0,9982 0,9970 0,9957
15 20 25 30
Все рассчитанные величины вносят в табл. 2.3.
28
Таблица 2.3
Результаты расчетов при определении постоянной калориметра K
3
г/моль
Масса KCl, г
Число молей KCl
Молекулярная масса KCl,
Масса растворителя, г
Температура помещения, °С
Объем воды в калориметре, см
моль/кг
Интегральная теплота
Моляльность раствора KCl,
растворения KCl, кДж/моль
Изменение энтальпии системы
Изменение температуры
при растворении KCl, Дж
при растворении KCl, °С
Постоянная калориметра,
2.4.2. Расчет теплоты растворения исследуемой соли
Вычисления проводят по уравнению
∆H = –(K + сM)∆T,
где с – удельная теплоемкость раствора, которая для разбавленного
водного раствора фактически равна теплоемкости воды с = 4,18
Дж/(г·К);
М – масса образовавшегося раствора, г.
Далее составляют таблицу для исходных данных и результатов
расчетов (табл. 2.4).
Таблица 2.4
Экспериментальные данные и результаты расчетов
при определении теплоты растворения исследуемой соли
3
Дж/К
соли
Молекулярная масса
исследуемой соли, г/моль
Масса исследуемой соли, г
Число молей исследуемой
Объем воды в калориметре, см
Масса растворителя, г
Температура помещения, °С
Моляльность раствора
исследуемой соли, моль/кг
соли, °С
дуемой соли, Дж
Изменение температуры
Изменение энтальпии
при растворении исследуемой
Интегральная теплота
системы при растворении иссле-
соли, кДж/моль
растворения исследуемой
29
2.5. Требования к отчету о работе
Отчет должен содержать:
1) цель работы;
2) краткое изложение теории;
3) результаты наблюдений в виде графиков с подробным расчетом
теплоты растворения соли.
Контрольные вопросы
1. Сформулируйте цель работы.
2. Дайте определение интегральной теплоты растворения.
3. Что такое «первая интегральная теплота растворения» и как ее
определить?
4. Растворение 0,02 моля соли в воде сопровождается выделением
250 Дж. Вычислите интегральную теплоту растворения этой соли.
5. Из каких этапов состоит типичный калориметрический опыт?
Какая информация может быть получена из наблюдений за изменениями температуры на протяжении каждого из этих этапов?
6. Изменению какой функции состояния равна теплота, измеренная в данной работе?
7. Какими факторами с молекулярной точки зрения определяется
знак теплоты растворения?
30
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]