2 Теоретические основы работы и описание установки

Цель работы: ознакомление с термохимическими измерениями, экспериментальное определение теплоты растворения соли.

Любая химическая реакция и любое физико-химическое превращение (например, плавление, конденсация, растворение, кристаллизация) сопровождается выделением или поглощением теплоты ‑ тепловым эффектом. Если теплота выделяется – процесс называется экзотермическим, тепловой эффект имеет знак «минус». Если теплота поглощается – процесс называется эндотермическим, тепловой эффект имеет знак «плюс». Количество теплоты, выделившейся или поглотившейся при растворении 1 г вещества, обозначают ΔH^раств и называют удельной теплотой растворения, Дж/г. Количество теплоты, выделившееся или поглотившееся при растворении заданной массы вещества m, обозначают Q^раств и называют теплотой растворения, Дж:

.

При растворении веществ теплота может как выделяться (например, при растворении NaOH), так и поглощаться (например, при растворении CaCl₂). Это происходит потому, что при растворении твердых веществ протекают два процесса (рисунок 1): 1) гидратация ионов – к ионам соли под действием поля электростатических сил притягиваются молекулы воды, представляющие собой диполи, и ориентируются по отношению к иону противоположно заряженным полюсом. Этот процесс сопровождается высвобождением энергии, которая выделяется в окружающую среду в виде теплоты: 0; 2) разрушение кристаллической решетки и отрыв от нее ионов. Для протекания этого процесса требуется затратить некоторое количество энергии, которое и поглощает система из окружающей среды: теплота разрушения кристаллической решетки 0;. Таким образом, тепловой эффект растворения соли представляет собой сумму тепловых эффектов вышеописанных процессов: , его знак зависит от природы растворяемого вещества.

Рисунок 1 – Схема процесса растворения соли

Величину теплового эффекта измеряют с помощью специального прибора – калориметра, представленного на рисунке 1.

Рисунок 2 – Калориметр для определения теплового эффекта растворения

Калориметр состоит из сосуда 1, в который помещается исследуемое вещество, и защитной оболочки 2, уменьшающей тепловое взаимодействие сосуда и исследуемого вещества с окружающей средой. Для определения тепловых эффектов при температуре от –20 ° до + 50 ° применяют калориметр с воздушной изотермической оболочкой. В крышке калориметра 3 имеются отверстия, в которые вставляют стеклянную мешалку 4 и термометр Бекмана 5, позволяющий измерить изменения температуры (но не температуру) с точностью до 0,01 °С.

Теплота, выделяющаяся при растворении соли, передается составным частям калориметрической системы: полученному раствору, стакану, мешалке, термометру, крышке калориметра и т.д. Если при растворении соли теплота поглощается, то она отнимается у составных частей калориметрической системы. При этом температура калориметрической системы (t_кон) меняется. На основании этого можно записать уравнение теплового баланса, согласно которому общее количество теплоты в изолированной системе (к которой приближается калориметр) остается постоянным:

Q = (m₁с₁ +m₂с₂ +m₃с₃ + ...)(t_кон –t_нач ), (1)

где Q – теплота процесса (например, процесса растворения соли);

m₁ – масса раствора;

с₁ – теплоёмкость раствора;

m₂ – масса сосуда;

с₂ – теплоёмкость сосуда;

m₃– масса мешалки;

с₃ – теплоёмкость мешалки и т.д.;

(t_кон – t_нач) – изменение температуры.

Так как все измерения проводятся в одном и том же калориметре, величины m₂, m₃ и т.д., а также с₂, с₃ и т.д. остаются постоянными во всех опытах. Обозначим выражение

(m₂с₂ + m₃с₃ + ...) = K. (2)

K называется теплоёмкостью калориметрической системы или постоянной калориметра. Величина K указывает количество теплоты, которое необходимо сообщить участвующим в теплообмене частям калориметра, чтобы повысить их температуру на один градус. Для определения K проводится дополнительный опыт, в котором опредляют изменение температуры при растворении какой-либо соли (обычно KCl), тепловой эффект растворения которой заранее известен. Для дополнительного опыта уравнение (1) запишется так:

, (3)

где Q_KCl – количество теплоты, выделившейся или поглотившейся в ходе растворения KCl массой m_KCl, Дж;

m_KCl – масса растворенного KCl, г;

ΔH^раств_KCl – теплота растворения KCl. ΔH^раств_KCl = 252,7 Дж/г;

m₁ = (m_H2O + m_KCl) – масса раствора, г;

с₁ – теплоемкость раствора. Для всех растворов, получаемых в данной работе, с₁ = 4,1 Дж/(г∙К);

K – постоянная калориметра, Дж/К;

Δt_KCl – изменение температуры в процессе растворения KCl, град (определяется по графику).

Из уравнения (3) находят K:

(4)

Для экспериментального определения теплоты растворения исследуемой соли растворяют определенное количество соли в определенном количестве воды и фиксируют изменение температуры, сопровождающее растворение соли. Действительное изменение температуры определяют графическим методом. Теплоту растворения исследуемой соли ΔH^раств_соли рассчитывают по уравнению:

, (5)

где Δt_соли – изменение температуры в процессе растворения исследуемой соли, град (определяется по графику);

m_соли – масса растворенной соли, г.