Кафедра физхимии ЮФУ (РГУ) - Практикум по физической химии

Кафедра физхимии ЮФУ (РГУ)

ПРАКТИКУМ ПО ФИЗИЧЕСКОЙ ХИМИИ

для студентов химического факультета

Работа № 1
КАЛОРИМЕТРИЧЕСКОЕ ОПРЕДЕЛЕНИЕ УДЕЛЬНОЙ ТЕПЛОТЫ РАСТВОРЕНИЯ И ТЕПЛОТЫ ГИДРАТАЦИИ НЕОРГАНИЧЕСКОЙ СОЛИ

Задания к работе

1. Изучить зависимость температуры от времени в ходе калориметрических процессов. Построить графики зависимостей, графически определить изменение температуры.

2. Определить постоянную калориметра (теплоемкость калориметрической системы).

3. Определить удельную теплоту растворения неизвестной соли.

4. Определить удельную теплоту гидратации безводного сульфата меди.

5. Рассчитать относительную ошибку определения, используя табличные значения определяемых величин. Рассчитать предельную погрешность метода и сравнить полученные значения.

Описание работы

В качестве калориметра применяется сосуд Дьюара, в который вставлена широкая пробирка, закрытая пробкой с отверстиями для термометра и мешалки. В основе определения тепловых эффектов калориметрическим методом лежит уравнение (1):

(1)

где ΔН – общий тепловой эффект проводимого в калориметре процесса;
Δt – изменение температуры в результате процесса;
К – теплоёмкость калориметрической системы (постоянная калориметра).

Определение постоянной калориметра

Постоянную калориметра (теплоёмкость калориметрической системы) определяют, проводя в калориметре процесс, тепловой эффект которого точно известен. В нашем случае в качестве эталона используется химически чистый хлорид калия, зависимость удельной теплоты растворения которого от температуры в интервале от 10 до 30 °С имеет следующий вид:

ΔН_t = 79.9 – 0.924·t, кал/г

(здесь t – средняя температура опыта t_ср = 0,5(t₁ + t₂), °С).

На аналитических весах отвешивают приблизительно 2.5 г растертого в ступке хлорида калия. В реакционную пробирку наливают с помощью бюретки 100 мл дистиллированной воды (зависимостью плотности воды от температуры можно пренебречь). Вставив в пробирку пробку с мешалкой и термометром, помещают её в сосуд Дьюара и выжидают около 10 мин для уравнивания температуры всех частей калориметра.

Включив секундомер и равномерно помешивая содержимое калориметра мешалкой, в течении четырех минут каждые 30 с фиксируют температуру воды (температура может оставаться постоянной либо равномерно изменяться в зависимости от соотношения температур калориметра и окружающей среды). После этого, не выключая секундомер, быстро вносят в реакционную пробирку навеску хлорида калия и интенсивно перемешивают содержимое для полного растворения соли. Через 2 мин после внесения КСl (с момента времени τ = 6 мин) вновь начинают производить снятие показаний термометра каждые 30 с ещё в течение 4 мин.
Для расчета изменения температуры в процессе растворения КСl строят на миллиметровой бумаге график зависимости температуры от времени (рис. 1).

       I - предварительный период;
       II - главный период;
       III - заключительный период.

Рисунок 1. Графическое определение изменения температуры
в калориметрическом процессе.

Проведя прямые линии через экспериментальные точки, полученные для предварительного и заключительного периодов, экстраполируют их на середину главного периода (τ = 5 мин). Расстояние между точками пересечения Δt = t₂ – t₁ будет равно изменению температуры в процессе растворения хлорида калия.

Найденные величины подставляются в формулу (2):

, кал/град (2)

где ΔН – удельная теплота растворения КСl при температуре t_ср = 0,5(t₁ + t₂), кал/г;
Δt – изменение температуры, °С;
m – масса навески хлорида калия, г.

Полученное значение постоянной калориметра студент сообщает преподавателю или лаборанту и, если определение выполнено правильно, получает задание для второй части работы.

Определение удельной теплоты растворения соли

Для определения удельной теплоты растворения неизвестной соли, полученной у лаборанта, проводится опыт, аналогичный описанному выше, только вместо КСl берется навеска неизвестной соли массой 2.5 г, которую растворяют в 100 мл воды. Изменение температуры Δt в ходе процесса растворения определяется графически, постоянная калориметра К определена в предыдущем опыте. По формуле (3) вычисляют величину удельной теплоты растворения неизвестной соли при средней температуре опыта:

, кал/г (3)

где ΔН – удельная теплота растворения неизвестной соли;
Δt – изменение температуры, °С;
m – масса навески неизвестной соли, г.

Полученное значение ΔН соли сравнивают с табличной величиной удельной теплоты растворения при средней температуре опыта и находят по формуле (4) относительную ошибку определения удельной теплоты растворения δ(ΔН):

, % (4)

Здесь ΔН_эксп и ΔН_табл – экспериментально найденная и табличная величины удельной теплоты растворения соли соответственно.

Определение удельной теплоты гидратообразования

Определяют аналогичным образом удельные теплоты растворения медного купороса СuSО₄·5Н₂О и безводного сульфата меди СuSО₄. Разность теплот растворения безводной соли и кристаллогидрата будет равна теплоте гидратообразования:

(5)

Поскольку в настоящей работе определяется интегральная теплота растворения, количества воды, безводной соли и кристаллогидрата необходимо подбирать таким образом, чтобы концентрация СuSО₄ в обоих образующихся растворах была одинаковой. Для определения теплоты растворения кристаллогидрата навеску медного купороса массой 2.5 г растворяют в 99.1 г дистиллированной воды (0.9 г воды содержится в кристаллогидрате). Для определения теплоты растворения безводного сульфата меди в 100 г воды растворяют навеску СuSО₄ массой 1.6 г.

Вычисление предельной погрешности метода

Для расчета предельной относительной погрешности метода δ(ΔН)_п рассчитывают предельные относительные погрешности определения всех величин, используемых для расчета К и ΔН. Относительную погрешность используемой для расчёта постоянной калориметра величины удельной теплоты растворения КСl считают пренебрежимо малой.

В выражения (6, 7) для расчета предельной относительной погрешности определения постоянной калориметра δК_п и теплоты растворения δ(ΔН)_п в качестве слагаемых должна входить также и относительная погрешность определения объема воды. В качестве абсолютной погрешности определения непосредственно измеряемых величин (объема, массы и температуры) используют приборную погрешность измерения (ΔV_п, Δm_п и Δt_п соответственно); при этом предельная абсолютная погрешность определения разности температур равна удвоенной приборной погрешности используемого термометра.

(6)

(7)

Здесь m_э и m – масса навески хлорида калия и неизвестной соли;
(t₂ – t₁)_э и (t₂ – t₁) – изменение температуры в ходе процессов растворения хлорида калия и неизвестной соли соответственно.

В случае, если относительная ошибка определения удельной теплоты растворения δ(ΔH) превышает предельную погрешность метода δ(ΔH)_п, можно сделать вывод о том, что либо при выполнении измерения имели место ошибки экспериментатора, либо несовершенна методика выполнения эксперимента.

Другие работы:

№ 1. Калориметрическое определение теплоты растворения

№ 2. Калориметрическое определение теплоты нейтрализации

№ 3. Изучение равновесия гомогенной химической реакции в растворе

№ 4. Градуировка термопары

№ 5. Построение диаграммы плавкости двухкомпонентной системы

№ 6. Определения коэффициента распределения вещества между двумя жидкими фазами

№ 7. Изучение равновесия жидкий раствор – пар в бинарных системах

№ 8. Определение молекулярной массы растворенного вещества криоскопическим методом

№ 9. Определение степени диссоциации электролита криоскопическим методом

№ 10. Определение константы скорости гидролиза сахарозы

№ 11. Определение константы скорости и энергии активации реакции иодирования ацетона

№ 12. Определение константы скорости и энергии активации реакции гидролиза уксусного ангидрида

№ 13. Определение молярной рефракции вещества

В начало страницы